KR100494051B1 - 디지털 ｇｍｓｋ 필터 - Google Patents

디지털 ｇｍｓｋ 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 GMSK-전송 시스템 내 반송 신호의 주파수 변조시 사용되는 디지털 GMSK 필터에 관한 것이다. 상기 GMSK 필터는 개별적으로 가중되는 전류값을 갖는 다수의 개별 전류원을 사용한다. 전류원들은 온도계 코드를 가진 시프트 레지스터의 사용 하에 하나의 제어 논리 모듈에 의해, 저항기에서 전압으로 변환되어 전압 제어 발진기(VCO)를 제어하는 전체 전류가 가우스형 특성 곡선 이상으로 발생하도록 제어된다. 필터는 양자화 오차가 거의 없는, 샘플링 값의 정확한 달성을 제공하며, 상기 필터를 구현하는 데에는 작은 칩 표면만 있으면 된다.

Description

디지털 ＧＭＳＫ 필터{DIGITAL GMSK FILTER}
본 발명은 일반적으로 업스트림 가우스 필터를 이용한 주파수 편이 방식(FSK)의 일반적인 변조 시스템, 소위 GMSK-변조 시스템에 관한 것이다. 특히 본 발명은 상기 GMSK-변조 시스템을 위한 개선된 GMSK 필터에 관한 것이다.
오늘날의 무선 전화 시스템 또는 이동무선통신 시스템에는 GMSK 변조가 빈번하게 사용되고 있다. 업스트림 가우스 필터(upstream Gaussian filter)를 이용한 상기 변조 시스템, 소위 GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying)-변조 시스템에서는 캐리어 신호가 가우스 필터링된 디지털 데이터 신호에 의해 변조된다. 이 때 변조를 위해 주파수 변조(FM-변조) 또는 직교 변조(quadrature modulation)가 사용된다. 직교 변조는 서로 정확히 매칭되는 선형 I 및 Q 경로를 필요로 하고, 추가로 하나의 위상 시프터(phase shifter) 및 하나의 혼합 모듈(mixing module)을 필요로 하기 때문에, 구현하는데 비교적 비용이 많이 든다. 따라서 비용의 이유로 종종 간단하게 구현될 수 있는 FM-변조가 사용된다.
주파수 변조의 경우 전압제어 발진기, 소위 VCO(Voltage Controlled Oscillator)가 사용된다. 변조를 위해 사용되는 디지털 데이터 신호는 먼저 가우스 필터에 의해 필터링된다. 가우스 필터는 실제 데이터 신호를 나타내는 디지털 구형파가 어느 정도까지 평활화(smoothing)되는 것을 보장한다. 말하자면, 상기 가우스 필터는 저역 통과 필터를 의미하며, 급격한 위상 편이(위상 도약)가 발생하지 않게 하는데 사용된다. 그로 인해 협대역 변조된 캐리어 신호가 얻어질 수 있다. 그 후에 가우스 필터의 출력부에서 공급된 신호는 전압제어 발진기(VCO)를 구동한다.가우스 필터는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 상기 필터는 지멘스 사(社)의 무선 DECT-전화에서 구현된 것처럼, 예컨대 개별 부품을 가진 아날로그 필터 소자의 형태일 수 있다. 또는 상기 필터는 예컨대 필립스 및 NSC 사(社)의 무선 전화에서 구현된 것처럼 디지털 필터의 형태일 수 있다.
기존의 일반 GMSK 필터에서는 디지털-아날로그-변환 이전에 디지털 사전처리(preprocessing)가 X-비트 디지털-아날로그-변환기(D/A-변환기)에 의해 수행된다. 상기 디지털-아날로그-변환에서는, 여타의 디지털-아날로그-변환에서처럼, D/A-변환기의 계단함수(step function)에 의해 필연적으로 양자화 오차가 발생한다. 양자화 오차는 D/A-변환기에 나타나는 계단 형태를 축소시킴으로써 방지되고, 변환기의 분해능을 증가시키고, 그에 따라 비트 길이를 증가시킨다.
전류원 원리에 따라 동작하는 일반 D/A-변환기는 이진 가중된(binary-weighted) 전류원을 갖는다. 이 경우 개별 전류원은 기준 전류(Iref)의 이진 배수(binary multiple)를 나타내는 전류를 송출한다. 즉, 상기 전류는 Iref, 2*Iref, 4*Iref...2^N*Iref의 값을 갖는다. 그럼으로써 간단한 가산을 통해 임의의 디지털 값이 생성될 수 있다. 이러한 D/A-변환기의 한가지 문제점은, 최상위값의 비트(MSB)로의 스위칭시, 가장 큰 기준 전류를 제외한 모든 기준 전류의 총합으로부터 가장 큰 기준 전류로의 스위칭이 일어난다는 것이다. 현재 기준 전류가 정밀히 매칭되지 않는 경우, 이는 실제로 거의 항상 있는 경우인데, 변환기 특성 곡선에 급격한 변화가 나타난다. 그로 인해 전술한 측파대역 억제(sideband suppression)에 유해한 무선-주파수 측파대역 신호가 발생할 수 있다.
전압 출력부를 가진 D/A-변환기에서는 기준 전압이 가산된다. 전압은 버퍼를 통해 능동적으로, 또는 저항에 의해 수동적으로 가산된다. 그러나 수동 버전의 경우 출력 저항이 일정치 않고 비교적 높은 임피던스를 나타낸다. 또한 저항은 구현하는데 있어서 많은 면적을 필요로 하기 때문에 집적화하기에는 그리 적절치 못하다. 따라서 일반적으로 전압은 버퍼에 의해 가산되는데, 상기 버퍼는 충분히 넓은 대역폭(여기서는 10 MHz의 크기 차수)을 가져야 한다. 그러나 그러한 버퍼는 구현에 있어서 비교적 큰 면적을 필요로 하며, 많은 전류를 소비한다.
추가적으로 일반적인 D/A-교환기는 디지털 필터를 필요로 한다. 상기 디지털 필터는 종종 판독 전용 메모리(ROM) 내에 저장된 표로서 구현된다.
사용된 GMSK 필터는 전기 기기가 계속해서 소형화됨에 따라 최소 표면적으로 구현되어야 한다. 그러나 동시에 상기 필터는 가능한 한 큰 정확도를 나타내야 한다.국제 공개 특허 WO 97/04525에는 저항에 의해 상응하는 전압값으로 변환되는 전체 전류를 생성하기 위해 다수의 개별 전류원으로부터 전류를 가산하는 디지털 GMSK 필터가 공지되어있다. 이 경우 바람직한 필터 함수에 따라 가중되는 전류원은 시프트 레지스터(shift register)를 통해 구동된다.국제 공개 특허 WO 97/33414에는 GMSK 변조를 위한 펄스-형성 장치가 기술되어있다. 상기 장치에 의해 수신된 디지털 데이터 스트림은 판독 전용 메모리, 논리 회로 및 디지털-아날로그-변환기에 의해 VCO용 아날로그 제어 신호로 변환된다.유럽 특허 출원 EP 0 743 759 A1에는 GMSK 가중 아날로그 신호를 발생시키기 위한 또 다른 디지털-아날로그-변환기가 기술되어있다.
도 1은 본 발명에 따른 디지털 GMSK 필터의 개략도이고,
도 2는 전류원 및 상기 전류원들의 상호 접속으로부터 얻어진 전체 전류의 설계를 표로 나타낸 것이며,
도 3은 본 발명에 따른 GMSK 필터가 사용되는 GMSK 변조기의 출력 신호를 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 GMSK 필터의 경우 값 0011을 가진 변조 시퀀스에서 어느 전류원이 차례로 접속되는지를 표로 나타낸 것이며,
도 5는 본 발명에 따른 GMSK 필터의 경우 값 00101을 가진 변조 시퀀스에서 어느 전류원이 차례로 접속되는지를 표로 나타낸 것이고,
도 6은 전류원 제어용 시프트 레지스터의 시프트 방향의 조정을 표로 나타낸 것이며,
도 7은 전류원 제어용 시프트 레지스터의 긴 루프를 통과할 것인지, 및 짧은 루프를 통과할 것인지의 선택을 표 형태로 나타낸 것이다.
본 발명의 목적은 가능한 한 높은 정확도를 가지고, 최소 표면적으로 구현될 수 있는 GMSK 필터를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따른 디지털 GMSK 필터에 의해 달성된다. 상기 필터는 D/A-변환기를 위해 전류 출력부를 갖는 병렬 D/A-변환기를 사용한다. 이 때 아날로그 출력 신호는 개별 전류원들의 개별 전류의 가산된 합(additive combination)으로부터 얻어지는 전체 전류로 형성된다.
본 발명에 따른 필터에 사용된 전류원으로는 소위 차동 전류원이 있다. 여기서 "차동 전류원(differential current source)"이라는 명칭은, 상기 차동 전류원이 변환기 특성 곡선의 하나의 단으로부터 다음 단으로 이동하는데 필요한 전류를 공급한다는 것을 의미한다. 필터의 구현을 위해 필요한 칩 면적은 전류원의 개수에 의해 정해지는 것이 아니라 최대 총 전류에 의해 정해진다.
차동 전류원으로부터의 개별 전류는 외부 저항기에서 VCO의 제어를 위해 필요한 제어전압으로 직접 변환될 수 있기 때문에, 종래 기술에 공지된 D/A-변환기와는 달리 출력 버퍼가 필요하지 않다. 차동 전류원으로부터의 전류값은 선형적으로 가중되지 않고 가우스 형태로 가중된다. 그로 인해 디지털 필터링이 생략될 수 있다.본 발명에 따른 (양측에서 입력 가능하고 스위치 방향을 이동시킬 수 있는) 시프트 레지스터의 설계를 통해 개별 전류원들이 바람직한 방식으로 제어될 수 있다.
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특히 상기 목적을 위해 버랙터(varactor)가 사용되는 경우, 전압제어 발진기(VCO)의 동작 파라미터가 크게 분산된다. 따라서 VCO의 미리 정해진 주파수 편이를 달성하기 위해서는 제조시 구동 전압이 조정되어야(trimmed) 한다. 이러한 변조 진폭 조정은 본 발명에 따른 GMSK 필터의 경우 차동 전류원의 기준 전류를 조정함으로써 수행된다.
종합해보면 본 발명에 따른 디지털 GMSK 필터는 최대 총 전류에 의해서만 정해지는 작은 칩 표면상에 구현될 수 있는 필터를 제공한다. 상기 필터는 출력 버퍼를 필요로 하지 않는다. 차동 전류원의 전류의 가우스형 가중을 통해 디지털 필터링이 생략될 수 있다. 또한 그로 인해 정확한 가우스형 변환기 특성 곡선이 구현될 수 있다.
하기에는 도면을 참고로 본 발명에 따른 디지털 GMSK 필터가 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 GMSK 필터의 개략도이다. GMSK 필터의 상부에 14개의 개별 전류원(I1 내지 I14)이 제공된다. 상기 전류원들의 각각 상이한 전류값은 기준 전류(Iref)에 의해 발생된다. 상기 전류원들은 총 14개의 스위치(b1 내지 b14)를 통해 각각 하나의 공통 라인에 접속될 수 있다. 여기서 도면 부호 VDDTXDA는 전류원을 위한 공급 전압을 나타낸다.
도 1의 하단부에는 개별 전류원들의 스위칭을 위한 제어 로직 모듈이 도시되어있다. 상기 제어 로직 모듈은 개별 셀들로 도시되어있는 시프트 레지스터로 이루어져있다. 전류원의 스위칭을 위한 상기 로직은 18비트 온도계-코드(thermometer-code)로 동작한다. 이 때 왼쪽으로부터 "논리 1"이, 그리고 오른쪽으로부터 "논리 0"이 시프트 레지스터 내로 이동되고, 이는 도면에서 시프트 레지스터의 왼쪽에 "1"로, 그리고 시프트 레지스터의 오른쪽에 "0"으로 표시되어 있다. 시프트 방향은 "정지", "왼쪽" 및 "오른쪽" 사이에서 스위칭될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예의 경우 시프트 클럭은 10.368 MHz에 달하며, 여기서 로직 모듈의 왼쪽에 도시된 바와 같이, 외부로부터 제어 논리 모듈에 전송된다. 시프트 레지스터의 정확한 기능은 도 4 및 도 5에 따라 하기에 더 자세히 설명된다. 모듈의 왼쪽에서 볼 수 있듯이, 제어 로직 모듈에는 특히 송신될 비트 시퀀스를 나타내는 신호(TXDAQ), 1.152 MHz의 클럭, 즉 송신될 비트에 도달되게 하는 클럭, 및 이미 전술한 10.368 MHz의 시프트 클럭이 공급된다. 또한 상기 제어 로직 모듈은 RESETQ-입력부를 포함하며, 상기 RESETQ-입력부에 의해 상기 제어 로직 모듈이 정해진 출력 상태로 리세팅될 수 있다. 상기 신호(TXDA)는 시점 n 뿐만 아니라 n+1에서도 필요하기 때문에, 제어 로직 모듈에서는 시프트 레지스터 아래에 하나의 메모리가 더 표시되어있다.
도 2는 전류원의 크기 및 상기 전류원들의 상호 접속에 의해 얻어지는 전체 전류의 크기를 표로 나타낸 것이다. 왼쪽 컬럼에는 여기서 사용된 14개의 전류원(I1 내지 I14)이 열거되어있다. 가운데 컬럼에는 각각의 개별 전류원의 전류값이 명시되어있다. 개별 전류원의 전류값은, 상기 전류값에 의해 전류원이 교대로 상호 접속됨으로써 가능한 한 오류없이 가우스 변환기 특성 곡선이 달성될 수 있도록 선택된다. 오른쪽 컬럼에는 개별 전류원의 부분 전류를 연속적으로 가산하여 얻어진 전체 전류가 명시되어있다. 지시된 전류로는 상대값, 즉 전체 전류값 1.0에 대해 표준화된 값이 고려된다.
도 3은 본 발명에 따른 GMSK 필터가 사용된 GMSK 변조기의 출력 신호를 나타낸다. 상부 가장자리에는 변조를 위해 사용되어야 하는 이진값의 시퀀스가 표시되어있다. 여기서는 시퀀스, 001010011에 관해 설명하고 있다. 하부 수평축은 시간의 축이고, 왼쪽의 수직축은 상대 전체 전류값을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 GMSK 필터의 경우 값 0011을 가진 변조 시퀀스에서 어느 전류원이 차례로 접속되는지를 표로 나타낸 것이다. 이진 변조값이 시퀀스 0011을 가지는 경우에, 소위 긴 루프(long loop)가 온도계-코드를 사용하여 시프트 레지스터에서 수행된다.
도 5는 본 발명에 따른 GMSK 필터의 경우 값 00101을 가진 변조 시퀀스에서 어느 전류원이 차례로 접속되는지를 표로 나타낸 것이다. 이진 변조값이 시퀀스 00101인 경우에, 소위 짧은 루프(short loop)가 온도계-코드를 사용하여 시프트 레지스터에서 수행된다.
시프트 레지스터에서 사용된, 개별 전류원 제어용 코드를 온도계-코드라고 부르는데, 그 이유는 상기 코드를 수은 기둥이 상하로 움직이는 온도계처럼 생각할 수 있기 때문이다. 따라서, 항상 "논리 값"보다 1 비트 더 크거나 1 비트 더 작은 값만이 존재한다. 이 때 최하위 비트(least significant bit)는 "논리 1"의 레벨에 존재한다. 여기서 사용되는, 온도계-코드를 가진 시프트 레지스터는 짧은 루프 및 긴 루프를 포함한다. 010 또는 101 비트 시퀀스의 경우 짧은 루프가 사용되는 반면, 0011 또는 1100 비트 시퀀스의 경우에는 긴 루프가 사용된다. 짧은 루프를 사용할 지, 긴 루프를 사용할 지의 결정은 전류원(I7)의 스위칭시 이루어진다. 긴 루프에서는 시프트 레지스터가 항상 완전히 "논리 1"으로 채워지거나, 완전히 비어있게, 즉, 완전히 "논리 0"으로 채워진다. 짧은 루프에서는 시프트 방향이 위치 5 및 위치 13으로 변경되고, 한 클럭동안 시프트가 억제된다. 긴 루프에서는 변조 클럭(여기서는 1.152 MHz)의 각각의 상승 에지에 의해 시프트 방향이 변경될 수 있다. 시프트 방향은 바로 다음에 변조될 비트에 따라 좌우된다.
시프트 방향의 결정에 대해서는 도 6에서 다시 표로 설명된다.
도 7에는 긴 루프를 통과할 것인지 또는 짧은 루프를 통과할 것인지의 결정이 표 형태로 도시되어있다.
상기 두 도면에서 TXDA(n)은 시점 n에서의 변조 비트를, 더 정확히 말하면 변조 비트의 값을 나타내고, TXDA(n+1)은 시점 n+1에서의 변조 비트값을 나타낸다.
종합해보면 본 발명은, "필터링"이 이미 전류원의 비선형 가중에 의해 이루어지기 때문에 별도의 디지털 필터를 필요로 하지 않는 디지털 GMSK 필터를 제공한다. 온도계-코드를 갖는 시프트 레지스터를 통해 전류원을 구동함으로써 항상 출력 전류의 단조 증가 또는 단조 감소가 달성된다. 각각의 전류원이 개별적으로 가중됨으로써 샘플링 값이 실제로 양자화 오차없이 얻어질 수 있다. 전류가 부하 저항기에서 간단하게 가산될 수 있기 때문에 출력 버퍼는 필요없다.

Claims (8)

  1. 고유 전류값을 갖는 다수의 개별 전류원들(I1 내지 I14)을 포함하고, 상기 전류원들은 각각 변조될 디지털 신호에 따라 하나의 제어 로직 모듈에 의해 제어되며, 전체 전류는 출력 저항(560)을 통해 전압값으로 변환되어 전압제어 발진기(VCO)를 제어하며, 그로 인해 캐리어 신호의 주파수가 변조되는, GMSK 전송 시스템에서 캐리어 신호의 주파수 변조시 사용되는 디지털 GMSK 필터에 있어서,
    상기 제어 로직 모듈내 시프트 레지스터는 "논리 1"의 변조 비트가 상기 시프트 레지스터의 일측으로부터 입력되고 "논리 0"의 변조 비트가 상기 시프트 레지스터의 타측으로부터 입력되며,
    상기 시프트 레지스터의 시프트 방향은 정지, 왼쪽 및 오른쪽 사이에서 스위칭될 수 있으며,
    상기 각각의 전류원은 온도계 코드를 사용하는 시프트 레지스터의 내용에 의해 제어되어 접속 또는 차단됨으로서 전체 출력 전류가 단조적으로 증가 또는 감소되는 것을 특징으로 하는 디지털 GMSK 필터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 개별 전류원들(I1 내지 I14)의 각각의 전류값은 비선형적으로 가중되는 것을 특징으로 하는 디지털 GMSK 필터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 각각의 전류원의 접속 및 차단에 따라, 상기 개별 전류원들(I1 내지 I14)의 개별적인 전류값들은 전체 전류가 가우스형 특성 곡선을 가지도록 가중되는 것을 특징으로 하는 디지털 GMSK 필터.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시프트 레지스터는, 상기 시프트 레지스터가 항상 완전히 "논리 1" 또는 "논리 0"으로 채워지는 소위 긴 루프, 및 상기 시프트 레지스터의 특정 위치에서 시프트 방향이 바뀌고 한 클럭동안 시프트가 억제되는 소위 짧은 루프를 갖는 것을 특징으로 하는 디지털 GMSK 필터.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 시프트 레지스터의 긴 루프에서는 시프트 방향이 바로 다음에 변조될 비트에 따라 변경되는 것을 특징으로 하는 디지털 GMSK 필터.
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