In-Band Full-Duplex 무선시스템용 CMOS 집적 순환기의 디지털 프리디스토션 및 디지털 자기간섭소거 = Digital Predistortion and Digital Self-Interference Cancellation for a CMOS circulator in In-Band Full Duplex Radios

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 In-Band Full-Duplex(IBFD) 차세대 이동통신 시스템을 위해 CMOS 공정으로 구 현된 3-port CMOS circulator의 TX-ANT 포트 선형성 향상을 위한 Digital Predistortion (DPD) 기법과, RX포트로 누설되는 신호에 대한 Digital Self-Interference Cancellation(DSIC) 기법을 다룬다. 제안하는 DPD 기반 선형성 향상 기법은 추가적인 아날로그 회로 설계 변경 없이 기존 CMOS circulator 구조에 그대로 적용가능하여, 집적도를 유지하면서도 TX-ANT 포트 방사 신호의 선형성을 개선할 수 있다는 장점을 가진다. TX-ANT 포트의 비선형 왜곡 보상을 위해 Memory Polynomial(MP) 모델 기반 Indirect Learning Architecture(ILA) 구조의 DPD를 적용하고, 선형성 평가지표인 Error Vector Magunitude(EVM)과 Adjacent Channel Leakage Ratio(ACLR)을 통해 성능을 평가하였다. 한편 RX 포트로 누설되는 Self-Interference(SI) 신호에 대해서는 MP 모델 기반 Recursive Least Squares(RLS) 알고리 즘과 Least Squares(LS) 알고리즘을 사용하여 SI 신호를 수학적으로 모델링하고, 이를 누설신 호에서 제거함으로써 DSIC를 수행하였다. 또한, 명시적 비선형 모델을 사용하지 않는 Complex Feedforward Neural Networks(FFNN)을 적용하여 SI 신호를 직접 학습 및 재현하여 이를 통한 SIC 성능도 함께 평가하였다. 10dBm의 평균 전력과 10.69dB의 Peak-to Average Power Ratio(PAPR)을 갖는 New Radio(NR) 표준 5MHz 1024QAM baseband 파형을 TX 입 력 신호로 사용할 때, DPD 적용을 통해 TX-ANT 포트의 EVM은 –12.3dB에서 –42.5dB로 개선되어 대역 내 진폭 및 위상 왜곡이 효과적으로 완화되었으며, ACLR은 –25.1dBc에서 – 41.5dBc로 감소하여 인접 채널의 스펙트럼 재성장을 유의미하게 억제함을 확인하였다. 또한 DPD 적용 이후 RX 포트 누설 신호에 대한 DSIC 성능은 약 30dB를 달성하였다. □ 핵심주제어 In-Band Full-Duplex, CMOS Circulator, Memory Polynomial, Digital Predistortion, Self-Interference Cancellation

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis investigates Digital Predistortion (DPD) for improving the TX–ANT port linearity of a 3-port CMOS circulator implemented in a CMOS process for next-generation In-Band Full-Duplex (IBFD) mobile communication systems, as well as Digital Self-Interference Cancellation (DSIC) for suppressing leakage into the RX port. The proposed DPD-based linearity enhancement can be directly applied to an existing CMOS circulator without any additional analog circuit redesign, thereby preserving integration density while improving the linearity of the radiated TX–ANT signal. To compensate for nonlinear distortion at the TX–ANT port, an Indirect Learning Architecture (ILA) DPD based on a Memory Polynomial (MP) model is employed, and its performance is evaluated using Error Vector Magnitude (EVM) and Adjacent Channel Leakage Ratio (ACLR). For the self-interference (SI) leakage observed at the RX port, MP-model-based Recursive Least Squares (RLS) and Least Squares (LS) algorithms are used to mathematically model the SI signal and perform DSIC by subtracting the estimated interference from the received leakage signal. In addition, a model-free approach using Complex Feedforward Neural Networks (FFNNs) is considered, where the SI signal is directly learned and regenerated to evaluate the resulting SIC performance. Using a 5 MHz 1024-QAM New Radio (NR) standard baseband waveform with an average power of 10 dBm and a peak-to-average power ratio (PAPR) of 10.69 dB as the TX input signal, the proposed DPD improves the TX–ANT EVM from −12.3 dB to −42.5 dB, demonstrating effective mitigation of in-band amplitude and phase distortions. Moreover, the ACLR is reduced from −25.1 dBc to −41.5 dBc, confirming a significant suppression of adjacent-channel spectral regrowth. After applying DPD, the achieved DSIC performance for the RX-port leakage signal is approximately 30 dB.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 목적 1
• 1.2 논문 구성 4
• Ⅱ. 이론적 배경 및 기존 연구 5
• 2.1 서큘레이터 기반 무선 송수신 구조 5
• 2.2 전력 증폭기 비선형성 및 DPD 6
• 2.2.1 간접 학습 구조(ILA) 9
• 2.2.2 직접 학습 구조(DLA)12
• 2.3 디지털 SIC 기법 15
• 2.4 기존 연구의 한계 18
• Ⅲ. 시스템 모델 19
• 3.1 서큘레이터 기반 DPD + SIC 시스템 모델 19
• 3.2 서큘레이터 비선형 모델링 21
• 3.3 모델 기반 SIC를 위한 SI 채널 모델링 22
• Ⅳ. 서큘레이터 DPD 및 SIC 알고리즘 24
• 4.1 서큘레이터 DPD 알고리즘 24
• 4.2 모델 기반 디지털 SIC 알고리즘 27
• 4.3 모델 프리 디지털 SIC 알고리즘 31
• 4.4 성능 평가 지표 34
• Ⅴ. 실험 환경 및 측정 결과 36
• 5.1 실험 장비 및 데이터 세트 구성 36
• 5.2 서큘레이터 DPD 성능 평가 39
• 5.3 디지털 SIC 성능 평가 48
• Ⅵ. 결론 55
• □ 참고문헌 56
• □ Abstract 59
• In-Band Full-Duplex 무선시스템용 CMOS 집적 순환기의
• 디지털 프리디스토션 및 디지털 자기간섭소거
• 김 태 규
• 강원대학교 대학원 차세대반도체학