KR100456980B1 - 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기 및 그 제어방법에 관한 것으로서 특히, 일반적인 위상 고정 IC칩(PLL IC)을 적용하고, 낮은 주파수의 기준 주파수를 제공하는 기준 신호 발진기를 사용하면서도 X 밴드 내지 Ka 밴드의 신호를 발진할 수 있도록 구성하기 위한 것으로서, 기준 신호원으로 사용되는 기준 주파수를 발진하는 기준 신호 발진기(10)와; 입력 전압에 비례하는 주파수의 신호를 발진하는 전압제어 발진기(20)와; 상기 기준 신호 발진기(10)로부터 입력받은 입력신호와 상기 전압제어 발진기(20)에서 만들어진 신호를 비교하여 위상과 주파수를 동기화시키는 위상 고정 IC칩(PLL IC: 30)과; 상기 위상 고정 IC칩(30)에서 전류신호를 전달받아 상기 전압제어 발진기(20)를 제어하기 위한 신호로 전환하여 상기 전압제어 발진기(20)로 전달하는 루프 필터(40)와; 상기 위상 고정 IC칩(30)을 제어하기 위한 중앙처리장치(CPU: 50)와; 방향성 결합기(60)를 통하여 상기 전압제어 발진기(20)의 출력 신호를 전달받아, 이를 분주하여 상기 위상 고정 IC칩(30)에 전달하는 프리스케일러(prescaler: 70)와; 상기 전압제어 발진기(20)에 연결되어, 일정한 전력을 상기 위상 고정 IC집(30)에 전달하기 위한 버퍼 증폭기(80)로 구성되어, 안정적인 주파수의 발진이 가능하고, 전체적인 구조가 간단하여 소형화 및 경량화가 가능하며, 고주파에서의 특성 및 위상잡음 특성이 우수하고, 제작이 간편하고 제조 원가를 절감할 수 있는 것이다.

Description

디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기 및 그 제어방법{Digital phase locked dielectric resonance oscillators and the method therefor}

본 발명은 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기 및 그 제어방법에 관한 것으로서 특히, 일반적인 위상 고정 IC칩(PLL IC)을 적용하고, 낮은 주파수의 기준 주파수를 제공하는 기준 신호 발진기를 사용하면서도 X 밴드 내지 Ka 밴드의 신호를 발진할 수 있도록 구성하기 위한 것으로, 안정적인 주파수의 발진이 가능하고, 전체적인 구조가 간단하여 소형화 및 경량화가 가능하며, 고주파에서의 특성 및 위상잡음 특성이 우수하고, 제작이 간편하고 제조 원가를 절감할 수 있는 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기 및 그 제어방법에 관한 것이다.

모든 통신 시스템에서 필수적으로 사용되는 발진기는 통신용량이 증가함에 따라 높은 발진주파수를 필요로 하고 있으며, 주위 온도 변화에 대하여 안정적이고 낮은 위상잡음을 가지며 소형화된 발진기가 요구된다.

마이크로웨이브 통신 시스템은 신호의 IF(intermediate frequency)변환이나 RF 변복조를 위한 기준 발진기를 필요로 하며, 마이크로웨이브 장치 내의 국부 발진기는 직접위성방식(DBS)수신부, 레이더, 위성통신용 중계기, 군용기기 등과 같은 모든 마이크로파 시스템에서 중요한 에너지원으로 작용한다.

최근에는 Ku-band에서 통신위성을 이용하여 데이터 신호, 음성, 영상 등의 디지털 신호를 송수신하고 있다. 이러한 디지털 통신 시스템, 특히 위상변조방식(PSK: Phase shift keying)을 사용하는 통신 시스템에서는 마이크로웨이브 장치 내의 국부 발진기의 주파수 안정도 및 위상잡음 특성이 전체 시스템의 데이터 요율 특성에 중대한 영향을 끼친다.

이러한 통신 시스템의 발진기로는 유전체 공진 발진기(dielectric resonator oscillator)에 PLL(phase locked loop)과 유사한 일종의 주파수 궤환회로를 적용하여, 기준 신호의 위상과 출력 신호의 위상을 동기시킴으로써 유전체 공진 발진기의 발진 주파수를 안정화시킬 수 있는 위상 고정 유전체 공진 발진기(phase locked dielectric resonance oscillator : PLDRO)가 주로 사용되고 있다.

도 1은 종래의 위상 고정 유전체 공진 발진기를 나타내는 블록도이고, 도 2는 상기 종래의 아날로그 위상 고정 유전체 공진 발진기의 샘플링 위상 비교기와 그 주변회로를 나타내는 회로도로서, 이러한 종래의 아날로그 위상 고정 유전체 공진 발진기는 기준 신호 발진기(reference oscillator: 1)와, 샘플링 위상 비교기(sampling phase detector: SPD: 2)와, 루프 필터(3)와, 및 전압제어 유전체 공진 발진기(voltage controlled dielectric resonance oscillator: VCDRO: 4) 등으로 구성되고, 상기 전압제어 유전체 공진 발진기(4)의 출력단에 방향성 결합기(5)를 연결하여 전압제어 유전체 공진 발진기(4)의 신호 중 일부를 분리해내어 상기 샘플링 위상 비교기(2)에 연결한 구성을 나타낸다.

또한, 상기 전압제어 유전체 공진 발진기(4)와 샘플링 위상 비교기(2) 사이에는 완충 증폭기(6)를 삽입하여 일정한 전력을 상기 샘플링 위상 비교기(2)에 공급하여 샘플링 위상 비교기(2)의 이득을 일정하게 유지하도록 한다.

상기 샘플링 위상 비교기(2)에서는 상기 방향성 결합기(5)에서 얻은 출력신호와 벌룬(balun: 평형 선로와 불평형 선로의 정합용 트랜스: 8)으로 연결된 기준 신호 발진기(1)의 기준 신호가 입력된다. 그 내부에는 고조파를 발생하는 SRD(step recovery diode)가 있어서 100 MHz의 기준 신호의 고조파 성분과 전압제어 유전체 공진 발진기(4)에서 발생한 신호가 상기 샘플링 위상 비교기(2)에 인가되어 위상을 비교하게 된다.

상기와 같은 아날로그 위상 고정 유전체 공진 발진기를 이용하여, X 밴드 이상의 고주파를 증폭하기 위해서는 다음과 같은 특성이 필요하다.

즉, 상기 기준 신호 발진기(1)는 TCXO(temperature compensation crystal oscillator)와 같은 높은 주파수 안정도와 우수한 위상 잡음 특성을 가져야 한다. 일반적으로 100 MHz의 수정 발진기를 사용하며, 그 출력신호가 작아 상기 샘플링 위상 비교기(2)에 직접 사용할 수 없으므로, VHF 대역의 VHF 증폭기(7)를 2단 정도 사용하여야 하며, 이뿐 아니라, 페라이트 코어를 이용하여 벌룬(8)을 제작하여야 한다.

또한, 기준 신호 발진기(1)에서 기준 신호로 사용되는 수정 발진 신호가 상기 샘플링 위상 비교기(2) 내에서 체배되면서 무수히 많은 고조파를 만들어내기 때문에 고조파 특성 및 위상 잡음 특성이 나빠질 수 있고, 이 때문에 VHF 증폭기(7)와 샘플링 위상 비교기(2)의 회로부를 기구적으로 완전히 차폐하고 전원에 대한 필터링을 하여 주어야 하며, 상기와 같은 구조 때문에 전체적인 구조가 복잡해지고 크기가 커지며, 제조 원가가 증가하는 문제점이 있었다.

한편, 종래의 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기의 경우에는 사용되는 위상고정(PLL : phase locked loop) IC칩이 최대 3 GHz 까지만 사용이 가능하므로, X 밴드나 그 이상의 주파수 대역에는 적용할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 결점을 해소하기 위한 것으로, 종래의 PLL IC를 그대로 사용하면서 X 밴드 내지 Ka 밴드의 신호를 발진할 수 있고, 전체적인 구조가 간단하여 소형화 및 경량화가 가능하며, 고주파에서의 특성 및 위상잡음 특성이 우수하고, 제작이 간편하고 제조 원가를 절감할 수 있는 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.

이러한 본 발명은 기준 신호원으로 사용되는 기준 주파수를 발진하는 기준 신호 발진기와; 입력 전압에 비례하는 주파수의 신호를 발진하는 전압제어 발진기와; 상기 기준 신호 발진기로부터 입력받은 입력신호와 상기 전압제어 발진기에서 만들어진 신호를 비교하여 위상과 주파수를 동기화시키는 위상 고정 IC칩(PLL IC)과; 상기 위상 고정 IC칩에서 전류신호를 전달받아 상기 전압제어 발진기를 제어하기 위한 신호로 전환하여 상기 전압제어 발진기로 전달하는 루프 필터와; 상기 위상 고정 IC칩을 제어하기 위한 중앙처리장치와; 방향성 결합기를 통하여 상기 전압제어 발진기의 출력 신호를 전달받아, 이를 분주하여 상기 위상 고정 IC칩에 전달하는 프리스케일러와; 상기 전압제어 발진기에 연결되어, 일정한 전력을 상기 위상 고정 IC집에 전달하기 위한 버퍼 증폭기로 구성함으로써 달성된다.

또한, 본 발명의 다른 관점으로서, 상기 중앙처리장치에서 상기 위상 고정 IC칩을 제어하는 방법으로, 상기 중앙처리장치의 모든 버퍼 및 레지스터를 초기화하는 제 1단계와; 위상을 고정하기 위하여 데이터를 상기 위상 고정 IC칩으로 몇 번 보낼지의 카운트를 설정하는 제 2단계와; 상기 기준 신호 발진기의 기준 주파수와 상기 위상 고정 IC칩으로 입력되는 RF 신호간의 비교 주파수를 설정하여 분주비를 결정하는 제 3단계와; 상기 제 3단계에서 결정된 기준 주파수의 분주비의 데이터를 상기 위상 고정 IC칩으로 전송하는 제 4단계와; 상기 제 3단계에서 결정된 RF 신호의 주파수의 분주비의 데이터를 상기 위상 고정 IC칩으로 전송하는 제 5단계와; 위상이 고정되었는지를 판단하는 제 6단계와; 위상이 고정되지 않았을 경우에는 상기 제 2단계에서 설정한 카운트를 확인하여, 확인한 카운트가 0일 경우에는 카운트 값을 다시 로딩하여 상기 제 4단계로 복귀하는 제 7단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 위상 고정 유전체 공진 발진기를 나타내는 블록도,

도 2는 상기 종래의 아날로그 위상 고정 유전체 공진 발진기의 샘플링 위상

비교기와 그 주변회로를 나타내는 회로도,

도 3은 본 발명의 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기를 나타내는 블록도,

도 4는 본 발명의 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기에서 적용한 위상

고정 IC칩을 나타내는 블록도,

도 5는 본 발명의 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기의 제어방법을

나타내는 순서도,

도 6은 본 발명의 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기의 위상잡음 특성을

나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 기준 신호 발진기 20 : 전압제어 발진기

30 : 위상 고정 IC칩 40 : 루프 필터

50 : 중앙처리장치 60 : 방향성 결합기

70 : 프리스케일러 80 : 버퍼 증폭기

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기를 나타내는 블록도로서, 본 발명은 기준 신호원으로 사용되는 기준 주파수를 발진하는 기준 신호 발진기(10)와; 입력 전압에 비례하는 주파수의 신호를 발진하는 전압제어 발진기(20)와; 상기 기준 신호 발진기(10)로부터 입력받은 입력신호와 상기 전압제어 발진기(20)에서 만들어진 신호를 비교하여 위상과 주파수를 동기화시키는 위상 고정 IC칩(PLL IC: 30)과; 상기 위상 고정 IC칩(30)에서 전류신호를 전달받아 상기 전압제어 발진기(20)를 제어하기 위한 신호로 전환하여 상기 전압제어 발진기(20)로 전달하는 루프 필터(40)와; 상기 위상 고정 IC칩(30)을 제어하기 위한 중앙처리장치(CPU: 50)와; 방향성 결합기(60)를 통하여 상기 전압제어 발진기(20)의 출력 신호를 전달받아, 이를 분주하여 상기 위상 고정 IC칩(30)에 전달하는 프리스케일러(prescaler: 70)와; 상기 전압제어 발진기(20)에 연결되어, 일정한 전력을 상기 위상 고정 IC집(30)에 전달하기 위한 버퍼 증폭기(80)로 구성되는 것을 그 기술상의 특징으로 한다.

상기 기준 신호 발진기(10)는 10 MHz의 온도 보정 수정 발진자 (TCXO: temperature compensation crystal oscillator)를 사용함으로써, 높은 주파수 안정도와 우수한 위상 잡음 특성을 가지도록 할 수 있으며, 또한 가격이 저렴한 것이 특징이다.

일반적인 위상 고정 IC칩(PLL IC: 30)은 3 GHz 정도까지의 대역에만 사용할수 있으므로, 상기 프리스케일러(70)는 입력되는 주파수를 8분주하여 상기 위상 고정 IC칩(30)으로 입력 가능한 주파수로 출력함으로써 X 밴드 이상의 고주파에 사용이 가능하도록 하는 것에 본 발명의 특징이 있다.

상기 전압제어 발진기(20)는 고주파에서 특성이 전압제어 유전체 공진 발진기(VCDRO)를 이용하는 것이 바람직하다.

상기 위상 고정 IC칩(30)은 전하 펌프형(charge pump) 위상 고정 IC칩을 사용하며, 도 4에서 도시하는 바와 같이, 위상 주파수 검출기(PFD : phase frequency detector)와, 전하 펌프(charge pump) 등으로 구성되어있다. 상기 위상 주파수 검출기(PFD)는 상기 기준 신호 발진기(10)에서 입력받은 입력신호와 상기 전압제어 발진기(20)에서 만들어진 신호를 비교하고, 상기 전하 펌프(charge pump)는 위상에 따라 상기 루프 필터(40)로부터 전류를 공급하거나 전달받음으로써, 위상과 주파수를 동기화시키는 것이다.

본 발명의 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기의 또 하나의 특징은, 상기 중앙처리장치(CPU: 50)를 이용하여 임의의 주파수의 고정을 위한 프로그래밍이 가능하여, 그 사용이 보다 간편해지는 것이며, 상기 중앙처리장치(50)에서 상기 위상 고정 IC칩(30)을 제어하는 방법의 구성 단계는 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기의 제어방법을 나타내는 순서도로서, 상기 중앙처리장치의 모든 버퍼 및 레지스터를 초기화하는 제 1단계(S1)와; 위상을 고정하기 위하여 데이터를 상기 위상 고정 IC칩으로 몇 번 보낼지의 카운트를 설정하는 제 2단계(S2)와; 상기 기준 신호 발진기의 기준 주파수와 상기 위상 고정 IC칩으로 입력되는 RF 신호간의 비교 주파수를 설정하여 분주비를 결정하는 제 3단계(S3)와; 상기 제 3단계에서 결정된 기준 주파수의 분주비의 데이터를 상기 위상 고정 IC칩으로 전송하는 제 4단계(S4)와; 상기 제 3단계(S3)에서 결정된 RF 신호의 주파수의 분주비의 데이터를 상기 위상 고정 IC칩으로 전송하는 제 5단계(S5)와; 위상이 고정되었는지를 판단하는 제 6단계(S6)와; 위상이 고정되지 않았을 경우에는 상기 제 2단계(S2)에서 설정한 카운트를 확인하여, 확인한 카운트가 0일 경우에는 카운트 값을 다시 로딩하여 상기 제 4단계(S4)로 복귀하는 제 7단계(S7)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 6은 본 발명의 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기의 위상잡음 특성을 나타내는 그래프로서, 상기 도 1 내지 도 6을 참고하여 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기는 상기 샘플링 위상 비교기(20) 및 분주기 등이 내장된 하나의 위상고정 IC칩(30)을 사용하고, 이를 중앙처리장치(50)를 이용하여 제어함으로써, 주파수 선택성이 우수하며, 소형화 및 경량화가 가능한 구조로 제작이 가능하다.

상기한 바와 같이, 기준 신호 발진기(10)로는 TCXO를 사용하여 높은 주파수 안정도와 우수한 위상 잡음 특성을 가지며, 또한 10 MHz의 TCXO를 사용할 수 있어 제작가격 면에서도 우수하다.

상기 도 6에서 도시하듯이, 본 발명의 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기는 디지털 데이터 통신에서 가장 중요한 위상잡음에 대하여 우수한 특성을 나타내고 있다.즉, 도 6에서 도시하는 바와 같이, 본 발명은 1 kHz에서 -88 dBC/Hz의 특성을 나타내고 있으며, 이는 통상의 아날로그 유전체 공진 발진기의 위상잡음이 1 kHz에서 -70 ~ -75 dBC/Hz의 특성을 나타내는 것에 비하여 우수함을 보여주고 있다.일반적인 위상고정 IC칩(30)의 경우에는 현재 최고 3 GHz 대역까지 사용이 가능하므로 3 GHz 이상의 주파수 대역을 발진할 수 있도록 하기 위하여 DC-16 GHz 대역까지 사용할 수 있는 8분주용 프리스케일러(70)를 사용하여 구성하였다.

상기 중앙처리장치(50)는 상기 위상 고정 IC칩(30)을 제어하기 위한 것으로서, 기준 주파수의 분주비 및 전압제어 발진기(20)의 분주비를 프로그래밍 하여 주파수 튜닝 및 상기 위상 고정 IC칩(30)의 상태를 감시할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 온도 특성으로 인한 주파수 드리프트 현상을 상기 중앙처리장치(50)의 제어로 피드백 시켜 원하는 주파수를 고정시킬 수 있는 것이므로 고주파에서의 특성이 우수하고, 우수한 위상 잡음 특성을 가지며, 제작이 간편하며 우수한 안정성을 가질 뿐 아니라, 소형화 및 경량화가 가능하여 제작비용을 절감할 수 있고, 주파수 멀티플라이어를 사용하면 최대 32 GHz 까지 안정적으로 발진할 수 있는 것이다.

이상과 같은 본 발명은 안정적인 주파수의 발진이 가능하고, 전체적인 구조가 간단하여 소형화 및 경량화가 가능하며, 고주파에서의 특성 및 위상잡음 특성이 우수하고, 제작이 간편하고 제조 원가를 절감할 수 있는 효과가 있는 발명인 것이다.

Claims (8)

1. 기준 신호원으로 사용되는 기준 주파수를 발진하는 기준 신호 발진기와;

   입력 전압에 비례하는 주파수의 신호를 발진하는 전압제어 발진기와;

   상기 기준 신호 발진기로부터 입력받은 입력신호와 상기 전압제어 발진기에서 만들어진 신호를 비교하여 위상과 주파수를 동기화시키는 위상 고정 IC칩(PLL IC)과;

   상기 위상 고정 IC칩에서 전류신호를 전달받아 상기 전압제어 발진기를 제어하기 위한 신호로 전환하여 상기 전압제어 발진기로 전달하는 루프 필터와;

   상기 위상 고정 IC칩을 제어하기 위한 중앙처리장치와;

   방향성 결합기를 통하여 상기 전압제어 발진기의 출력 신호를 전달받아, 이를 분주하여 상기 위상 고정 IC칩에 전달하는 프리스케일러와;

   상기 전압제어 발진기에 연결되어, 일정한 전력을 상기 위상 고정 IC집에 전달하기 위한 버퍼 증폭기로 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기준 신호 발진기는 10 MHz의 온도 보정 수정 발진자 (TCXO: temperature compensation crystal oscillator)를 사용하는 것을 특징으로 하는 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 프리스케일러는 입력되는 주파수를 8분주하여 상기 위상 고정 IC칩으로 입력 가능한 주파수로 출력함을 특징으로 하는 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 위상 고정 IC칩은 전하 펌프형 위상 고정 IC칩을 사용하며, 위상 주파수 검출기(PFD)와, 전하 펌프(charge pump) 등으로 구성되어,

   상기 위상 주파수 검출기는 상기 기준 신호 발진기에서 입력받은 입력신호와 상기 전압제어 발진기에서 만들어진 신호를 비교하고, 상기 전하 펌프는 위상에 따라 상기 루프 필터로부터 전류를 공급하거나 전달받음을 특징으로 하는 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, 상기 전압제어 발진기의 종단에 주파수 멀티플라이어를 추가 구성함으로써, 최대 32 GHz까지 발진이 가능하도록 함을 특징으로 하는 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기.
7. 제 1항의 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기를 제어하는 방법에 있어서,

   상기 중앙처리장치의 모든 버퍼 및 레지스터를 초기화하는 제 1단계와;

   위상을 고정하기 위하여 데이터를 상기 위상 고정 IC칩으로 몇 번 보낼지의 카운트를 설정하는 제 2단계와;

   상기 기준 신호 발진기의 기준 주파수와 상기 위상 고정 IC칩으로 입력되는 RF 신호간의 비교 주파수를 설정하여 분주비를 결정하는 제 3단계와;

   상기 제 3단계에서 결정된 기준 주파수의 분주비의 데이터를 상기 위상 고정 IC칩으로 전송하는 제 4단계와;

   상기 제 3단계에서 결정된 RF 신호의 주파수의 분주비의 데이터를 상기 위상 고정 IC칩으로 전송하는 제 5단계와;

   위상이 고정되었는지를 판단하는 제 6단계와;

   위상이 고정되지 않았을 경우에는 상기 제 2단계에서 설정한 카운트를 확인하여, 확인한 카운트가 0일 경우에는 카운트 값을 다시 로딩하여 상기 제 4단계로 복귀하는 제 7단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 위상 고정 유전체 공진 발진기의 제어방법.
8. 삭제