펄스폭변조 ＲＦ 구동을 갖춘 디지털 진폭변조 송신기{A DIGITAL AMPLITUDE MODULATION TRANSMITTER WITH PULSE WIDTH MODULATING RF DRIVE}
본 발명은 AM 라디오 방송 기술에 관한 것이며, 특히, AM 라디오 방송에 적용되는 장치로, 펄스폭변조 RF 구동으로 디지털 진폭 변조를 실행하는 RF 파워 증폭기 장치에 관한 것이다.
에이치.아이. 스완슨(HI Swanson)의 미국 특허(US 4,580,111) 및 케이.티.루(KTLuu)의 미국 특허(US 6,294,957)에는, 진폭 변조를 생성하기 위해 디지털 방식으로 복수의 RF 증폭기를 선택적으로 켜고 끔으로써, 진폭이 변조된 신호를 생성하는 AM 라디오 방송용 진폭 변조기가 개시되어 있다. 이러한 증폭기는 본질적으로 동일한 것으로, 각각이 단위 스텝(unit step) 또는 빅 스텝(big step)으로 알려진 동일한 크기와 (시간)길이의 신호를 생성한다. 증폭기는 서로 직렬 연결되어 있어, 방송안테나를 포함하는 로드(load)에 결합되어 적용될 때, 이러한 빅 스텝 신호가 추가된다. 구동 장치는 켜져 있는 각각의 증폭기를 통과하며 증폭된 RF 신호를 공급하고. 이는 진폭이 변조된 포락선(envelope)을 생성하는 효율적인 방법이다. 광대역 및 디지털 분해능(resolution)의 이점 때문에, 포락선은 높은 충실도 및 적은 왜곡 을 갖는다. 현대적인 AM 방송 송신기에서는, 매우 높은 포지티브 피크(positive peak) 변조가 요구된다. 대개, 디지털 라디오 전송의 도달을 위해 요구되는 피크 변조는 +125% 내지 +150% 이상이다. 이러한 변조 기술은 전원이 켜진 상태에서 동일한 빅 스텝을 제공하는 파워증폭기의 동일한 스텝들을 사용하여 수행된다. 그러나, 이러한 기술은 우수한 분해능을 달성하기 위해 다수의 동일한 파워 증폭기를 필요로 하며, 그에 따라, 상당한 비용이 소요된다. 12-비트 분해능 신호를 생성하기 위하여, 이러한 장치는 각각이 동일한 크기의 빅 스텝을 제공하는 1000개 이상의 파워 증폭기를 필요로 한다. 종래 기술에는 파워 증폭기의 수를 줄이기 위하여 이진 가중치(binary weighted) 파워 증폭기를 사용하여 상기의 방법을 수행하는 것이 알려져 있다. 이러한 형식의 장치는 작은 또는 매우 작은 스텝을 제공하는 다수의 파워 증폭기뿐 아니라 빅 스텝을 제공하는 파워 증폭기도 포함한다. 이러한 장치가 파워 증폭기의 수를 감소하는데 도움을 주기는 하지만, 완전하게 동일하지 않은 파워 증폭기로 인해 그룹 지연, 파워 게인, RF 구동 위상 정렬에 있어서 상호간 차이가 발생하기 때문에, 기술상의 제한이 따르며, 교정이 어려운 비선형성을 발생할 수 있다.
본 발명은 각각이 동일한 크기의 출력을 제공하는 복수의 파워 증폭기를 사용함으로써, 빅 스텝 또는 리틀 스텝의 증폭에 대한 필요성이 없어진 향상된 기술을 제공하고자 도출되었다. 본 발명에 따라 구현되는 기술은 이하 좀 더 자세히 설명될 것이다. 본 발명에 따라, 펄스폭 변조 RF 구동을 갖춘 디지털 진폭 변조 송신기가 제공된다. 이러한 송신기는, 전원이 켜졌을 때, 각각이 단위 스텝 RF 출력을 제공하기 위해, 인가된 RF 구동 신호를 동일한 양만큼 증폭하는 복수의 RF 증폭기를 포함한다. 인코더는, 복수의 RF 증폭기를 켜기 위하여 통전 신호를 공급하며, 전원이 켜지는 증폭기의 수는 인가되는 오디오 신호값의 함수에 따라 변경된다. 단위 스텝 RF 출력의 폭은 전원이 켜지는 RF 증폭기의 수의 함수에 따라 변경한다. 본 발명의 보다 제한된 관점에 따라, 펄스폭은 인가된 오디오 신호의 크기에 역비례하여 변경된다.
첨부된 도면과 이하의 상세한 설명으로, 본 발명의 목적 및 이점들이 더욱 명확해질 것이다. 도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 하나의 사용례를 도시하는 종래 기술의 간략 블럭도이고; 도 2는 도 1에 도시된 종래 기술의 회로 동작을 그래픽으로 도시하는 도면이며; 도 3은 본 발명에 따라 구성된 송신기를 도시하는 간략 블럭도이고; 도 4는 RF 드라이버 생성기 및 연동되는 도2의 회로를 좀 더 세부적으로 도시하는 간략 블럭도이며; 도 5는 본 발명에 따른 동작을 그래픽으로 도시하는 도면이고; 그리고 도 6은 본 발명에 따른 동작을 시간에 따라 그래픽으로 도시한 도면이다.
본 발명의 용도는 AM 방송 송신기에 채용되는 RF 파워 증폭기와 관련된다. 이러한 송신기의 예가 도 1에 도시되며, 미국 특허 제 4,580,111호에 개시된 디지털 진폭 변조기의 형식을 취한다. 다음은 본 발명을 설명하기 위한 배경기술로서 도 1에 도시된 회로의 동작을 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 증폭 변조기(10)는 디지털 변조 인코더-디코더(14)에서 오디오 입력 신호(12)를 수신한다. 이러한 인코더-디코더(14)는 다수의 파워 증폭기(PA-1 내지 PA-n)로부터 전원이 켜질 하나 이상의 파워 증폭기를 선택한다. 이러한 증폭기는 전원이 켜졌을 때 복수의 변압기(T1 내지 Tn) 중 하나의 1차 권선으로 RF 신호(미도시)를 통과시키기 위해 구비되는 동일한 진폭 증폭기이다. 이러한 변압기의 2차 권선은, 인덕터(16)와 캐패시터(18)를 포함하는 직렬회로를 수반하는 저역 통과 필터를 포함하는 로드와 직렬 연결되어 있다. 이러한 회로는 레지스터(20)로 도시되며 방송 안테나로 표현될 수 있는 출력 로드에 연결된다. 오디오 입력(12)의 진폭에 따라, 로드(20)에 스텝 전압(step voltage)을 제공하기 위해 하나 이상의 파워 증폭기가 켜진다. 스텝 전압의 예는 도 2에 도시된다. 도 2는 동일한 스텝들을 도시한다. 이러한 기술은 그러나, 우수한 분해능을 달성하기 위하여 매우 많은 수의 동일한 파워 증폭기를 필요로 한다. 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하기 위해 도 3과 도 4가 제공된다. 간략 한 설명을 위해, 도 1과 동일한 구성요소에 대하여 도 3과 도 4에도 동일한 참조부호가 사용되며, 오직 차이점만이 자세하게 기술될 것이다. 본 발명의 실시예에 의하면, RF 생성기(100)로부터 각 증폭기로 공급되는 동일한 고주파 RF 구동 신호를 포함하는 복수의 동일한 파워 증폭기(PA-1 내지 PA-n)가 제공된다. 증폭기(PA-1 내지 PA-n)의 유사성으로 인해, 상호간 그룹 딜레이, 파워 게인, RF 구동 위상 정렬 등이 일관성 있게 우수한 선형성을 유지한다. 종래 기술에서와 같이 소수의 동일한 파워 증폭기가 사용될 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 조밀하지 못한(coarse) 출력 포락선을 얻는다. 원하는 포락선을 생성하기 위해 각 파워 증폭기는 변조 인코더(14)에 의해 생성되는 온/오프 명령에 의해 개별적으로 제어된다. 도 2에 도시된 예에서 동일한 파워를 갖는 5 개의 파워 증폭기가 채용되는 것으로 가정한다. 실제적인 장치에서, "n"은 하나 이상의 파워 증폭기를 나타내는 임의의 숫자이다. 도2에 도시된 계단형 출력은 높은 충실도의 신호를 생성하기 위해 사용될 수 있는 것은 아니다. 높은 충실도의 변조된 신호를 생성하기 위하여, 각 빅 스텝 출력 사이에 추가의 스텝을 제공할 필요가 있다. 이하 자세히 설명될 이러한 새로운 접근에 대한 간략 구성도가 도 3과 4에 도시되어 있으며, 펄스폭변조 RF 구동 기술로서 언급될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 파워 증폭기(PA-1 내지 PA-n)는 B+ 직류(DC) 전원에 의해 전력이 공급되는 동일한 파워 증폭기이다. 변압기들(T1 내지 Tn)은 모두 동일하며, 원하는 출력을 제공하기 위해 제 2 권선이 서로 직렬 연결되어 있다. 디지털 변조 인코더-디코더(14)에 의해 생성되는 제어 신호로서 획득되는 디지털 온/오프 명령은, 각각의 파워 증폭기가 적당한 추이로 진행되는 출력을 생성할 수 있도록 한다. 펄스폭변조 구형파에 의해 생성되는 고조파를 필터링하기 위해 출력 필터(17)가 선택된다. RF 구동 생성기(100)는 도 4에 도시된 바와 같은 형식을 갖는다. 도시된 바와 같이, RF 오실레이터(102)의 출력은, 비교기(106)로서 제공되는 연산 증폭기의 포지티브 입력을 공급하는 적분기(104)에 공급된다. 오디오 입력(12)은, 감산기로서 제공되는 가산 장치(110)에 크기(magnitude) "X"의 신호를 차례로 공급하는 아날로그-디지털 변환기(108)에 공급된다. 디지털 변조 인코더/디코더(14)의 출력은 크기 "K"를 포함하며 감산기(110)에 제 2 입력으로서 공급되고, 일 때 비율 장치(112)에 공급되는 에러 신호(e)로서 제공된다. 여기서 비율 장치(112)는 비교기(106)의 네거티브 입력에 비율(α)을 공급한다. 펄스폭 변화량(variation)은 알파, 즉 로서 정의되며, 전원이 켜지는 파워 증폭기의 수에 역비례한다. K가 클수록, 필요한 듀티 싸이클(duty cycle) 변화량은 더욱 작아진다. K는 전원이 켜지는 동일한 파워 증폭기의 수로써 정의된다. 1≤K≤n α 0 는 동시적인 RF 구동 듀티 싸이클이며, α 0 = 1 - α로써 정의된다. 크기 "K" = 크기 "X" + 1의 정수를 나타내며, 이러한 관계는 조밀하지 않은 출력 레벨을 생성하는데 필요한 출력 파워 증폭기들을 정의한다. 온/오프 명령 제어는 이산 제어 신호이며, 파워 증폭기 모듈의 수를 나타내는 정수이다. n = 5(동일한 파워 증폭기의 수)로 가정할 때, 그것은 100%의 RF 구동 구형파를 갖는 모든 5 개의 파워 증폭기가 켜졌을 때의 가능한 최대 출력이다. 예를 들어, 크기 "X"는 입력된 오디오 신호를 디지털화한 샘플이다. 크기 "X" = 4.4 로 가정한다. 적당한 출력 레벨을 종합적으로 다루기 위해, 크기 "K" 는 "X" + 1 의 정수와 동일하다. 따라서, "K" = 5 이고, e = K - X = 0.6, 즉 에러 신호 또는 초과 크기 신호이다. e = 0.6의 값을 사용하면, RF 구동 듀티 싸이클은 가 된다. RF 오실레이터는 적분기의 입력에 적용되고, RF 오실레이터는 대칭의 램프 신호로 변환된다. 이러한 신호는 비교기의 입력에 적용되어 이하 상술되는 바와 같이 다양한 듀티를 갖는 구형파 RF 구동 신호로 재구성된다. 대칭의 램프 신호 및 알파(α)는 비교기의 입력으로 적용된다. 여기서, 알파는 에러 신호를 나타내며, 단일화의 크기(magnitude of unity) 또는 다르게 정의된 스케일 인자를 갖는 기준 RF 주파수 램프 신호와 비교하기 위해 사용된다. α = 0 인 경우, 비교기의 출력은 완벽한 구형파가 된다(100%, 50% 온 및 50% 오프). 반면, α＞ 0인 경우, 비교기의 RF 구동 출력은 더이상 대칭이 아니며, 구형파의 온 타임(T on )은 오프 타임(T off ) 보다 짧다. 이러한 두 개의 신호의 관계는 다음과 같이 정의된다. 이러한 3 개의 공식과 치환식 α 0 = 88%를 사용하여, T off = 53.2% 및 T on = 46.8 %를 얻는다. 출력 크기는, 디지털 스텝 변조 및 RF 구동 듀티 싸이클 변조를 조합함으로써 재구성될 수 있다. K = 5 이고 88%의 RF 구동 듀티 싸이클일 때, Kα 0 = 4.4의 최종 출력 포락선을 산출하며, 이는 요구되는 입력 크기 "X"와 동일하다. 도 3 및 도 4의 회로로 얻어지는 디지털 진폭 변조는 도 5에 도시된다. 이때, 조밀하지 않은 스텝 변조 및 펄스폭변조 RF 구동을 갖춘 디지털 진폭 변조가 도시된다. 또한, 도 3 및 도4에서 도시된 회로 동작을 시간에 따라 도시한 도면이 도 6에 도시된다.
본 발명에 따라, AM 라디오 방송에서, 펄스폭변조 RF 구동을 갖춘 RF 파워 증폭기 장치가 제공된다. 본 발명의 요지 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서, 다양한 변형과 변경이 가능하다. 상기 실시예는 볼 발명을 제시하려는 것일 뿐 본 발명이 이러한 실시예에만 국한되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 실시예보다는 첨부된 청구에 의해 제시되며, 청구의 범위 및 그와 동일한 의미 내에서 만들어진 다양한 변형은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 간주한다. |
