KR100617139B1

KR100617139B1 - 이동통신 단말기의 주파수 직접변환 수신기 및 이를이용한 주파수 직접변환방법

Info

Publication number: KR100617139B1
Application number: KR1020040102440A
Authority: KR
Inventors: 김상원
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2006-08-31
Also published as: US7555280B2; US20060121871A1; KR20060063305A; CN1787363A

Abstract

고주파(RF) 입력신호를 180°위상차를 갖는 신호로 분배하는 전력분배기와; 국부발진기로부터 제공된 로컬 신호를 전달받아 동일한 위상으로 분배하는 동위상 방향성 결합기와; 상기 동위상 방향성 결합기로부터 제공된 각 로컬신호와 상기 전력분배기를 통해 인가되는 고주파 신호(RF)를 혼합하여 DC를 중심으로 하는 신호로 하향 변환시키는 두 개의 이중발란스 믹서(Double Balanced Mixer)와; 상기 각 이중발란스 믹서에서 출력되는 신호를 부하 효과없이 후단으로 전달하는 기저대역 이득 완충증폭기들과; 각 기저대역 이득 완충증폭기의 출력 신호 중 저주파 대역 신호만 통과시키는 대역 통과필터들과; 상기 각 대역통과 필터를 거친 신호를 입력받아 두 신호의 크기의 차를 비교하는 저주파 빼기회로를 포함하여 이루어지는 이동통신 단말기의 주파수 직접변환 수신기 및 이를 이용한 주파수 직접변환방법.

제로 중간주파수, DC 오프셋, 국부발진 전력누설

Description

이동통신 단말기의 주파수 직접변환 수신기 및 이를 이용한 주파수 직접변환방법{A frequency direct conversion receiver for a mobile telecommunication device and a direct conversion method using the device}

도 1은 제로 중간주파수 수신기의 개략적 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 제로 중간주파수 송·수신 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 회로도이다.

도 3은 도 2의 회로도에서 특정 부분에서 나타나는 신호의 예시도이다.

본 발명은 이동 통신 단말기의 주파수 직접 변환 수신장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 DC 오프셋(offset)을 제거하는 동시에 국부발진기 전력의 누설량을 줄일 수 있는 수신 장치에 관한 것이다.

제로 중간주파수란, 말 그대로 중간 주파수(Intermediate Frequency: IF)가 "0" ㎐인, 다시 말해서, IF를 사용하지 않는 직접 변환(Direct conversion) 방식을 지칭하는 말이다. 이것은 현재 널리 이용되는 수퍼헤테로다인 방식의 반대되는 개념을 위한 방식이다. 즉 IF(중간주파수)를 사용하지 않고 반송파(carrier)를 기저 대역(baseband)로 곧바로 끌어내리고 올리는 방식이다.

그 구성은 도 1에 나타난 바와 같이 이루어진다. 입력되는 전파로 무선 장치를 인터페이싱하는데 사용되는 안테나(1)와, 상기 안테나를 통해 입력된 전파를 입력수신 대역에 따라 필터링하는 대역설정필터(band select filter)(2)와, 수신된 신호를 충분한 이득을 가지고 증폭하는 저잡음증폭기(Low Noise Amplifier: LNA)(3)와, 상기 저잡음증폭기에서 증폭된 신호중 잡음으로 작용하는 이미지 신호를 걸러내기 위한 이미지필터(image reject filter)(4)와, 상기 이미지필터(4)를 거쳐 제공되는 신호와 국부발진기(Local Oscillator: LO)(7)에서 제공되는 신호를 혼합하는 믹서(5)와, 상기 믹서(5)의 출력은 기저대역프로세서(도시되지않음)에 결합되기 전에 기저대역필터(Low Pass Filter)(6)에 결합된다.

직접 변환(Direct Conversion)을 사용하면 중간 주파수가 없기 때문에 그 구조가 간단하며, 각종 SAW 필터(filter)와 믹서(Mixer) 등을 절약할 수 있다. 따라서, 단가절감, 무게경량화, 시스템 원칩화 등이 가능하다는 강력한 장점이 있다. 그로 인해 GSM을 필두로 직접변환(Direct Conversion)을 여러모로 개선하여 이동통신에서도 사용이 가능하도록 하는 연구와 실용화가 적극 진행중이다.

하지만 직접변환(Direct Conversion)은 단가절감 및 부품 감소에 이득이 있으나, 여전히 중간주파수(IF)를 사용하는 시스템에 비해 개선의 여지가 많아서 그 응용은 일부 주파수와 시스템에 국한될 가능성이 크다. 즉, DC 오프셋(offset)이라는 것이 발생한다. DC 오프셋의 발생원인은 다양하다. 그 첫번째 경우는 국부발진기(Local Oscillator)의 누설(leakage) 신호가 의도되지 않은 경로를 통해서 믹서에 입력되어 자체 믹싱이 이루어져 믹서 출력에 원하지 않는 DC 성분이 발생하는 경우이다. 다른 원인은 국부발진기의 누설 성분이 저잡음 증폭기 입력단에 인가되어 강한 신호로 증폭된 다음 자체 믹싱 동작을 통해 DC 오프셋 성분이 발생하는 경우이다. 다른 경우로는, 안테나를 통해 나간 전파가 반사되어 돌아와서 자체 믹싱 등에 잡음이 기저대역으로 바로 내려오면서 잡음이 생길 수 있는 것이다. 한편, 국부발진기(LO) 누설현상은 본딩 와이어 방사, 마그네틱 커플링, 그라운드 불안정 등에 의해 발생된다.

직접 변환은 무선 신호를 곧바로 베이스밴드로 옮기기 때문에, 이득(gain)과 필터링의 대부분이 DC에서 신호 대역폭에 이르는 주파수대에서 수행된다. 그 과정에서, 신호 경로의 고유 DC 오프셋은 확장돼 회로의 동작범위를 저하시킨다. 이러한 DC 오프셋은 제로 중간주파수 수신기의 '아킬레스 건'과 같아서 최적의 무선 성능을 위해 보상이 필요하다.

본 발명은 DC 오프셋을 제거할 수 있는 이동통신 단말기의 주파수 직접 변환 수신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 국부발진기 전력의 누설량을 일반적인 직접 하향 변환 믹서보다 줄일 수 있는 이동통신 단말기의 주파수 직접 변환 수신 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이동통신 단말기의 주파수 직접 변환 수신 장치는 중간주파수(Intermediate Frequency: IF)를 사용하지 않고 반송파(carrier)를 실제정보를 담은 기저대역으로 바로 변환하거나, 기저대역의 저주파 대역 신호를 공기 중의 전자파로 송수신되는 고주파(Radio Frequency)로 변환한다. 그 구성의 특징은, 고주파(RF) 입력신호를 180°위상차를 갖는 신호로 분배하는 전력분배기와; 국부발진기로부터 제공된 로컬 신호를 전달받아 동일한 위상으로 분배하는 동위상 방향성 결합기와; 상기 동위상 방향성 결합기로부터 제공된 각 로컬신호와 상기 전력분배기를 통해 인가되는 고주파 신호(RF)를 혼합하여 DC를 중심으로 하는 신호로 하향 변환시키는 두 개의 이중발란스 믹서(Double Balanced Mixer)와; 상기 각 이중발란스 믹서에서 출력되는 신호를 부하 효과없이 후단으로 전달하는 기저대역 이득 완충증폭기들과; 각 기저대역 이득 완충증폭기의 출력 신호 중 저주파 대역 신호만 통과시키는 대역 통과필터들과; 상기 각 대역통과 필터를 거친 신호를 입력받아 두 신호의 크기의 차를 비교하는 저주파 빼기회로를 포함하여 이루어지는 점이다.

본 발명에 따른 이동통신 단말기의 주파수 직접 변환 수신 장치의 세부적 구성의 특징은 제어신호에 의해 상기 동위상 방향성 결합기의 출력을 미세 조정하여 이중발란스 믹서에 전달하기 위한 가변감쇄기가 각 동위상 방향성 결합기에 연결된 점이다.

본 발명에 따른 이동통신 단말기의 주파수 직접 변환 수신 장치의 다른 세부적 구성의 특징은 상기 저주파 빼기회로가 OP 앰프(OP amplifier) 또는 트랜스포머(transformer)로 구성될 수 있는 점이다.

본 발명에 따른 이동통신 단말기의 주파수 직접 변환방법은 고주파(RF) 입력신호를 커플링하여 180°위상차를 갖는 신호로 분배하는 고주파 분배과정과; 국부발진기로부터 제공된 로컬 신호를 전달받아 동일한 위상으로 분배하는 로컬신호 분배과정과; 상기 고주파 분배 과정을 통해 서로 180°위상차를 가지며 분배된 고주파 신호와 상기 로컬신호 분배과정을 통해 동위상으로 분배된 로컬신호를 각각 혼합하는 과정과; 혼합된 각 신호를 증폭하는 과정과; 증폭된 각 신호에서 저주파 대역 신호만 통과시키는 주파수 대역 필터링과정과; 각각 필터링된 신호에 포함된 DC 오프셋을 상쇄시키고 수신하고자 하는 신호를 더하는 과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 이동통신 단말기의 제로 중간주파수 송·수신장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

그 구성을 살펴보면, 고주파(RF) 입력신호를 180°위상차를 갖는 신호로 분배하는 전력분배기(110)와; 동위상 방향성 결합기(190)를 통과한 로컬신호와 상기 전력분배(110)기를 통해 인가되는 RF 신호를 혼합하여 DC를 중심으로 하는 신호로 하향 변환시키는 두 개의 이중발란스 믹서(Double Balanced Mixer)(121, 122)와; 상기 이중발란스 믹서(121,122)에서 출력되는 신호를 부하 효과없이 저주파 빼기회로(150)로 전달하는 기저대역 이득 완충증폭기(131, 132)들과; 각 기저대역 이득 완충증폭기(131, 132)의 출력 신호 중 저주파 대역 신호만 통과시키는 저주파대역 통과필터(Low Pass Filter)(141, 142)와; 상기 저주파대역 통과필터(141, 142)를 거친 신호를 입력받아 두 신호의 크기를 비교하는 저주파 빼기회로(150)를 포함하여 이루어진다.

국부발진기(Local Oscillator: LO)(160)에서 출력된 발진주파수는 완충증폭기(170)와, 리미터(180)를 거쳐 동위상결합기(190)에 전달된다.

각 동위상 방향성 결합기(190)에는 보정회로(210, 220)가 연결된다. 각 보정회로는 제어 신호에 따라 위상과 전력레벨을 미세하게 조정하기 위한 가변위상변환기와 가변감쇄기로 구성된다.

상기 전력분배기(110)는 링 하이브리드 회로(Ring Hybrid)를 사용하여 구현된다.

RF 입력 신호는 전력분배기(110)에 의해서 180˚의 위상 차를 갖는 신호로 나누어져 두 개의 이중발란스 믹서(Double Balanced Mixer: DBM)(120)에 각각 인가된다.

두 DBM(120)에 인가된 RF 입력 신호는 동위상 방향성 결합기(180)에 의해 나누어져 보정회로(210, 220)를 통과한 로컬 신호와 혼합되어 DC를 중심으로 하는 신호로 하향 변환된다.

180˚ 위상 차이가 나는 RF 신호와 혼합됨으로써 하향 변환된 두 경로의 신호는 DC 오프셋(offset)의 크기는 같고 수신하고자 하는 신호는 서로 위상이 반대가 되게 된다.

하향 변환 믹서(121, 122) 후단에 기저 대역 단위 이득 완충 증폭기(131, 132)를 둔 이유는 하향 변환된 신호를 부하 효과 없이 저주파 빼기회로(150)에 전달하기 위한 것이다.

국부발진기(160)에서 발생한 국부발진 주파수(LO) 신호가 두 개의 믹서(121, 122)를 통하여 RF 입력 경로 쪽으로 궤환(Feed-through)되었을 때, 두 믹서가 동일하다면 두 경로의 누설된 LO 신호는 서로 위상이 180˚차이가 나기 때문에 RF 입력 단에 서로 더해졌을 때 서로 상쇄될 수 있다. 또한, LO 신호의 진폭 잡음을 억제하고 동작과정에서의 다양한 변화요인으로 인해 발생하는 이득 변화를 안정화시키기 위하여 LO 리미터(180)가 사용된다. 따라서, DC 오프셋을 제거하는 동시에 국부발진 전력의 누설량을 일반적인 직접 하향 변환 믹서보다 줄일 수 있게 된다.

수신하고자 하는 신호(S_wanted(t))와 간섭신호(S_undesired(t))는 임의의 위상을 갖고 있고, 반면에 국부발진신호(S_local)는 일정한 크기와 위상을 가지고 있다.

각 신호 값을 수식으로 나타내면 다음과 같다.

수신하고자 하는 신호(S_wanted(t))와 간섭신호(S_undesired(t))의 사이의 주파수 차는 저역통과 필터(Low Pass Filter)의 차단 주파수보다 훨씬 크다고 가정한다. 믹서에서 출력되는 신호는 아래의 식과 같이 나타낼 수 있다.

여기에서 1,2번째 항은 믹서에 연결된 각 포트에서의 유한한 고립 특성으로 인하여 나타나는 값이며, 3번째 항이 수신하고자 하는 신호 값을 나타낸다. 4,5번째 항목의 값은 믹서에서의 이차왜곡에 의한 값을 의미하며, 6,7,8 번째 항목은 3차왜곡에 의한 값을 의미한다.

한편, 상기 수신하고자 하는 신호 값은 각 저주파통과필터를 거친 값들을 산술한 값을 의미하며, 각 저주파통과필터의 값은 다시 아래의 식과 같이 나타낼 수 있다.

여기에서, 각 수식의 1번째 항목(1)에 해당하는 값은 국부발진신호에 의해 각 믹서(121, 122)에서 발생하는 DC 성분이다. 각 수식의 2번째 항목(2)은 국부발진 주파수의 2차왜곡에 의해 발생한 신호 성분을 나타낸다. 3번째 항목(3)은 각 믹서(121, 122)의 2차왜곡에 의해 발생하는 간섭신호의 DC 성분을 의미한다. 각 수식에서의 4번째 항목 값이 바로 수신하고자 하는 신호 값을 나타낸다.

저주파빼기회로(150)에 의해 두 신호의 차(S_lowpass-out2-S_lowpass-out1)는 다음과 같이 표시된다.

두 경로의 신호는 저주파 빼기회로(150)에 의해서 DC 오프셋(offset)은 서로 상쇄되고 수신하고자 하는 신호는 서로 더해지게 된다. 일차적으로 이차왜곡(Second order distortion) 및 DC 오프셋(offset)을 각 믹서에서 줄여준다. 믹서에 사용된 소자들의 불균형 특성에 의해서 상쇄되지 않고 발생한 DC 오프셋은 이후 저주파 빼기 회로(150)에서 다시 감소시키게 된다.

도 3은 도 2의 회로도에서 특정 부분에서 나타나는 신호의 예시도이다. (A)는 수신되는 RF 신호이며, (S_mo1)와 (S_mo2)는 180˚의 위상차를 갖는 신호로 나뉘어져 각 믹서(121, 122)에 의해 로컬신호와 혼합되어 하향변환된 신호를 나타낸다. (D)신호는 저주파통과필터(141, 142)를 거쳐 각각 신호전달용 저항(R1, R2)을 통해 전달된 신호들이 빼기회로(150)에 의해 DC 오프셋이 제거되고, 수신하고자 하는 신호가 서로 더해진 것을 나타낸다.

설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범 위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용을 한정되는 것이 아니라 특허청구의 범위에 의해 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이동통신 단말기의 주파수 직접변환 수신기는 DC 오프셋(offset)을 제거하는 동시에 국부발진기 전력의 누설량을 줄일 수 있는 효과를 갖는다.

Claims

고주파(RF) 입력신호를 커플링하여 180°위상차를 갖는 신호로 분배하는 전력분배기와;

국부발진기로부터 제공된 로컬 신호를 전달받아 동일한 위상으로 분배하는 동위상 방향성 결합기와;

상기 동위상 방향성 결합기로부터 제공된 각 로컬신호와 상기 전력분배기를 통해 인가되는 고주파 신호(RF)를 혼합하여 DC를 중심으로 하는 신호로 하향변환시키는 두 개의 믹서(Mixer)와;

상기 각 믹서에서 출력되는 신호를 부하 효과없이 후단으로 전달하는 기저대역 이득 완충증폭기들과;

각 기저대역 이득 완충증폭기의 출력 신호 중 저주파 대역 신호만 통과시키는 대역통과필터들과;

상기 각 대역통과 필터를 거친 신호를 입력받아 두 신호의 크기의 차를 비교하는 저주파 빼기회로를 포함하여 이루어지는 이동통신 단말기의 주파수 직접변환 수신기.
제 1 항에 있어서, 상기 전력분배기는 링하이브리드(Ring hybrid)인 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 주파수 직접변환 수신기.
제 1 항에 있어서, 상기 믹서(Mixer)는 이중발란스 믹서(Double Balanced Mixer)인 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 주파수 직접변환 수신기.
제 1 항에 있어서, 상기 동위상 방향성 결합기의 출력을 미세 조정하여 각 믹서에 전달하기 위한 보정회로가 각 동위상 방향성 결합기에 연결된 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 주파수 직접변환 수신기.
제 4 항에 있어서, 상기 보정회로는,

제어신호에 따라 상기 동위상 방향성 결합기로부터 출력되는 신호의 위상을 변환시키는 가변 위상 변환기와;

상기 가변 위상 변환기에 의해 위상 가변된 신호의 전력레벨을 후단 회로와 맞추기 위해 제어신호에 따라 미세 조정하기 위한 가변감쇄기로 구성된 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 주파수 직접변환 수신기.
제 1 항에 있어서, 상기 두 믹서의 출력신호는 서로 DC 오프셋의 크기가 같고 위상이 반대인 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 주파수 직접변환 수신기.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저주파 빼기회로는 OP 앰프로 구성된 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 주파수 직접변환 수신기.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저주파 빼기회로는 트랜스포머(Transformer)로 구성된 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 주파수 직접변환 수신기.
고주파(RF) 입력신호를 커플링하여 180°위상차를 갖는 신호로 분배하는 고주파 분배과정과;

국부발진기로부터 제공된 로컬 신호를 전달받아 동일한 위상으로 분배하는 로컬신호 분배과정과;

상기 고주파 분배 과정을 통해 서로 180°위상차를 가지며 분배된 고주파 신호와 상기 로컬신호 분배과정을 통해 동위상으로 분배된 로컬신호를 각각 혼합하는 과정과;

혼합된 각 신호를 증폭하는 과정과;

증폭된 각 신호에서 저주파 대역 신호만 통과시키는 주파수 대역 필터링과정과;

각각 필터링된 신호에 포함된 DC 오프셋을 상쇄시키고 수신하고자 하는 신호를 더하는 과정을 포함하여 이루어지는 이동통신 단말기의 주파수 직접변환 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 로컬신호 분배과정은,

제어신호에 따라 동위상으로 분배된 신호의 위상과 전력레벨을 미세 조절하 는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 주파수 직접변환 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 신호 혼합과정은,

서로 180˚의 위상차를 가지고 분배된 두 고주파 신호와 동위상으로 분배된두 로컬신호를 혼합하여 DC를 중심으로 하향변환시키는 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 주파수 직접변환 방법.