KR100790655B1

KR100790655B1 - Ｗｉｍａｘ 통신 시스템용 ｒｆ 주파수 변환기

Info

Publication number: KR100790655B1
Application number: KR1020060135029A
Authority: KR
Inventors: 김태욱
Original assignee: 엘지노텔 주식회사
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-01-02

Abstract

WIMAX 통신 시스템의 서비스 가능 주파수 대역을 특정 주파수 대역으로부터 상이한 주파수 대역으로 변환시키기 위한 RF 주파수 변환기가 개시된다. 일 실시예에 따른 RF 주파수 변환기는, 전송 선로를 통해 연결되는 전력 분배기/주파수 변환기 모듈(PDFCM) 및 RF 증폭기 모듈(RAM)을 포함하며, 상기 PDFCM은 WIMAX 통신 시스템으로부터 공급되는 2.5 GHz 주파수의 WIMAX 신호를 3.5 GHz의 WIMAX 신호로 변환시키거나 또는 그 반대로 변환시키는 상향 및 하향 변환기와, RAM에 대한 제어 신호를 소정의 주파수 대역으로 변조하는 제1 마이크로 제어기 모뎀과, RF 신호의 송신 및 수신 경로를 분리시키는 순환기와, PDFCM 및 RAM에 전력을 공급하는 전력 분배기를 포함하고, 상기 RAM은 상향 변환된 RF 신호를 증폭시켜 안테나에 전달하는 RF 신호 증폭기와, 상기 안테나로 인입되는 RF 신호를 증폭시키는 LNA(저잡음 증폭기)와, 상기 RAM에 전력을 공급하는 DC 조절부와, 상기 변조된 제어 신호를 복조하고, 복조된 제어 신호를 상기 RF 신호 증폭기, 상기 LNA 및 상기 DC 조절부에 공급하는 제2 마이크로 제어기 모뎀을 포함한다. 이러한 구성에 따르면, WIMAX 통신 시스템이 안테나 타워 장착형으로 설계되어 상위 시스템과의 연결에 있어 필요한 전송 선로의 수를 최소화 할 수 있으며, TDD 방식을 사용하는 경우 별도의 TDD 신호를 받지 않아도 RF신호를 검출하여 TDD를 위한 송/수신 시간을 제어할 수 있다.

Description

ＷＩＭＡＸ 통신 시스템용 ＲＦ 주파수 변환기{RF FREQUENCY CONVERTER FOR WIMAX COMMUNICATION SYSTEMS}

도 1은 종래의 WIMAX 통신 시스템의 구성을 도시한 개략도.

도 2는 일 실시예에 따른 RF 주파수 변환기를 이용하는 WIMAX 통신 시스템의 구성을 도시한 개략도.

도 3는 일 실시예에 따른 RF 주파수 변환기의 구성을 도시한 개략도.

도 4는 TDD 방식을 사용하는 WIMAX 통신 시스템에 있어서 송신 및 수신 시간의 제어를 위한 RF 버스트 검출 타이밍도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

PDFCM : 전력 분배기 및 주파수 변환기 모듈

RAM : RF 증폭기 모듈

LNA : 저잡음 증폭기

LP : 낙뢰 보호기

LOCAL OSC : 로컬 발진기

본 발명은 WIMAX 통신 시스템을 위한 RF 주파수 변환기에 관한 것으로서, 구체적으로는 WIMAX 통신 시스템의 서비스 가능 주파수 대역을 특정 주파수 대역으로부터 상이한 주파수 대역으로 변환시키기 위한 RF 주파수 변환기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 RF 주파수 변환기는 안테나 타워 장착형으로 설계될 수 있으며, 상위 시스템과의 통신 선로가 최소화되도록 설계될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 RF 주파수 변환기는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 기능을 구현할 수 있도록 2T2R(2개의 송신 경로 및 2개의 수신 경로) 구조로 설계될 수 있다.

오늘날 차세대 통신 서비스의 핵심으로 부상 중인 WIMAX 서비스는 2.5 GHz 대역과 3.5 GHz 대역에서 서비스가 가능하다. 그러나, 2.5 GHz대역의 WIMAX 시스템과 3.5 GHz대역의 WIMAX 시스템은 각각 개발되어 있지만, 현재로선 2.5 GHz대역의 WIMAX시스템을 3.5 GHz 대역으로 사용하기 위하여 2.5 GHz대역의 WIMAX 기지국 시스템의 사용 주파수를 3.5 GHz대의 WIMAX 주파수로 변환해 주는 장치는 개발되지 않았다. 따라서, 각 주파수대의 서비스를 위해서는 별도의 WIMAX 시스템을 구축해야 한다.

한편, 일반적으로 사용되는 옥외 설치형 기지국은 도 1에서와 같이 송신부의 출력을 줄이기 위해 RF 유닛을 안테나 타워에 장착하는 타워 톱(tower top) 형태로 설계된다. 또한 기존에는 이와 같이 분리되어 설치되는 RF 유닛에 대한 감시/제어를 위해 전송 선로(transmission line) 이외에 또 다른 제어용 케이블의 설치가 요구되었다. 또한, 전원 공급을 위한 별도의 전원 장치도 요구되었다.

도 1에 도시된 바처럼 RF 송신기 및 수신기를 포함하는 RF 유닛을 원격지에 설치하는 경우, 기저 대역 유닛(base band unit)에서 신호 처리된 RF 신호는 전송 선로를 통하여 RF 유닛으로 전달된다. 이때의 RF 신호는 WIMAX 시스템이 수행하는 해당 서비스의 주파수 대역이다. RF 유닛은 수신한 신호를 일정 레벨로 증폭하여 안테나를 통하여 전파시킨다. 수신 신호도 마찬가지로 RF 유닛에서 저잡음 증폭되어 전송 선로를 거쳐 기저 대역 유닛으로 전달된다. RF 유닛을 감시/제어하기 위한 별도의 제어 신호도 제어 선로를 통해 전달된다.

이처럼, 도 1과 같이 안테나 타워에 장착되는 장치가 RF 유닛으로만 구성되었을 경우, 제어/감시를 위해 별도의 제어 케이블을 사용해야 하기 때문에, 케이블 설치에 따른 비용이 추가적으로 소요될 뿐만 아니라, 케이블의 감쇄에 대한 보상도 필요하다. 게다가 배터리 등 별도의 전원 장치를 사용할 경우에는 전체적인 장치의 가격 또한 상승하게 된다.

이와 같이, 종래의 WIMAX 통신 시스템은 그 서비스 가능 주파수가 특정 주파수 대역으로만 한정되어 있다는 문제를 안고 있었다. 또한, WIMAX 통신을 수행하기 위해 옥외에 안테나 타워가 설치되는 경우에는 RF 유닛만이 원격지에 설치되므로, 기저 대역부 등을 포함하는 상위 시스템에서 RF 유닛에 RF 신호를 전달하기 위한 전송 선로 이외에도 RF 유닛을 제어하기 위한 별도의 제어 선로 등이 추가적으로 필요하다는 문제를 안고 있었다.

본 발명은 WIMAX 통신 시스템의 서비스 가능 주파수 대역을 특정 주파수 대역으로부터 상이한 주파수 대역으로 변환시키기 위한 RF 주파수 변환기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 안테나 타워 장착형으로 설계될 수 있으며, 상위 시스템과의 통신 선로가 최소화되도록 설계될 수 있는 RF 주파수 변환기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 기능을 구현할 수 있도록 2T2R(2개의 송신 경로 및 2개의 수신 경로) 구조로 설계될 수 있는 RF 주파수 변환기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 일 실시예에 따른 RF 주파수 변환기를 포함하는 WIMAX 통신 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 본 실시예에 따른 RF 주파수 변환기는 2.5 GHz대역의 RF 신호를 또 다른 서비스 대역인 3.5 GHz 대역의 주파수로, 또는 그 반대로 변환시킴으로써 2.5 GHz 주파수 대역용 장비로 3.5 GHz 대역의 WIMAX 서비스가 가능하게 해주는 장치이다. 또한, 상기 RF 주파수 변환기는 도 2에 도시된 바와 같이 안테나 타워에 장착하거나 또는 옥외에 거치할수 있는 구조를 가진다.

RF 주파수 변환기는 도 2에 도시된 바처럼 크게 전송 선로를 통해 연결된 PDFCM(Power Distributor & Frequency Converter Module)과 RAM(RF Amplifier Module)로 구성된다. PDFCM과 RAM을 연결하는 전송 선로는 RF 신호, 제어 신호 및 전력을 전달하는 역할을 한다.

도 2의 좌측에 도시된 PDFCM는 2.5 GHz의 RF 신호를 주파수 변환해 주는 상향 및 하향 변환기(up/down converter), 주파수 변환을 위한 로컬 발진기(local oscillator), RAM에 대한 제어 신호를 0.4 GHz(또는 간섭이 없는 타 주파수도 가능하나, 본 실시예에서는 0.4 GHz로 설정함) 대역으로 변환하여 전송 선로를 통해 전송하도록 하는 마이크로 제어기 모뎀(micro controller modem) 및 RAM에 전원을 공급해 주는 전력 분배기(power distributor)를 포함한다. RF 주파수 변환기의 PDFCM은 그 밖에 낙뢰 보호기(LP; Lightning Protector), 3.5 GHz의 RF 신호와 0.4 GHz의 제어 신호를 결합시켜 주는 듀플렉서(duplexer), 송/수신 경로를 분리해주는 순환기(circulator), RF 신호와 DC 전력 신호를 결합하는 Bias-T와 같은 DC 전력 주입기(DC power injector)를 더 포함할 수 있다.

도 2의 우측에 도시된 안테나 타워에 장착된 RAM은 PDFCM에서 주파수 변환된 신호를 증폭시켜 안테나로 전달해 주는 RF 신호 증폭기, 안테나로 인입된 수신 신호에 대한 저잡음 증폭기(LNA; Low Noise Amplifier), 상기 증폭기들의 제어 및 PDFCM과의 통신 제어를 수행하는 RAM 제어기, RAM 내부의 전원을 공급하는 DC 조절부, 송/수신 신호 외의 불요파를 필터링하는 RF 필터, RF 신호의 세기를 검출하는 RF 검출기(RF detector)를 포함하며, 그 밖에 PDFCM에서와 동일한 기능을 갖는 순환기, 듀플렉서 및 DC 전력 주입기를 더 포함할 수 있다.

도 3은 일 실시예에 따른 RF 주파수 변환기의 상세 구성을 나타낸 개략도이다. 이하에서는 도 3에 도시된 구성을 바탕으로 일 실시예에 따른 RF 주파수 변환기의 동작에 관하여 살펴보기로 한다.

우선, TDD(Time Division Duplexing) 방식을 사용하는 2.5 GHz 대역의 WIMAX 통신 시스템으로부터 RF 신호를 수신하면, 순환기 1을 거쳐 상향 변환기(up converter) 1로 신호가 입력된다. MIMO 기능을 구현하는 경우, 또 다른 송신 RF 신호가 순환기 5를 거쳐 PDFCM으로 입력된다. 우선 순환기 1쪽의 경로를 기준으로 설명하자면, 이 입력된 RF 신호는 상향 변환기 1에서 3.5 GHz 대역으로 주파수 변환되어 순환기 2로 전달된다. 순환기 2를 지난 RF신호는 듀플렉서 1에서 마이크로 제어기 모뎀이 생성한 0.4 GHz 대역의 제어 신호와 결합되어 DC 전력 주입기 1로 전달된다. DC 전력 주입기 1은 전력 분배기로부터 생성된 RAM용 전력을 이미 3.5 GHz 대역의 RF 신호와 0.4 GHz 대역의 제어 신호가 합쳐져 있는 RF 경로에 또다시 결합시키며, 이를 LP 1을 거쳐 피더 케이블(feeder cable) 1을 통해 RAM에 전송시킨다.

LP 2를 거쳐 RAM에 인입된 신호는 DC 전력 주입기 2에서 DC 전력과 분리되며, 분리된 신호는 듀플렉서 2로 전달된다. 듀플렉서 2는 3.5 GHz 대역의 RF 신호와 0.4GHz 대역의 제어 신호를 분리시키고, 분리된 0.4 GHz 대역의 제어 신호는 마이크로 제어기 모뎀 2로 전달되어 복조를 통해 원래의 디지털 제어 신호로 추출된다. 듀플렉서 2에서 분리된 3.5 GHz 대역의 RF 신호는 송수신 경로를 분리시키는 순환기 3을 통해 증폭기 1에서 일정 레벨로 증폭된다. 증폭된 신호는 다시 순환기 4와 RF 필터 1을 거쳐 필터링된 후 안테나 1로 전송된다.

이와 반대로 안테나를 통해 입력된 3.5 GHz 대역의 RF 수신 신호는 송신 신호와 주파수는 같지만 상대적으로 세기가 미약하여 저잡음 증폭이 필요하기 때문 에, RF 필터 1과 순환기 4를 거쳐 LNA 1로 전달되어 저잡음 증폭을 하게 된다. 저잡음 증폭된 수신 신호는 다시 순환기 3을 거쳐 듀플렉서 2로 인입된다. 듀플렉서 2를 거쳐 DC 전력 주입기 2를 거치는 수신 신호는 LP 2와 피더 케이블 1을 통해 PDFCM로 전달된다. LP 1과 DC 전력 주입기 1을 거쳐온 수신 신호는 PDFCM 내부에서 듀플렉서 1 및 순환기 2를 거쳐 주파수 변환을 위한 하향 변환기 1로 입력된다. 하향 변환기 1에서 2.5 GHz 대역으로 주파수 변화된 수신 신호는 순환기 1을 거쳐 2.5GHz WIMAX 통신 시스템으로 전달된다. 주파수 변환을 위한 상향/하향 변환기 내부의 믹서에 공급할 로컬 주파수는 PDFCM의 로컬 발진기에서 생성되어 각각 상향/하향 변환기로 공급된다.

여기서, 마이크로 제어기 모뎀 1 및 2에서는 임의의 프로토콜로 정의된 제어 신호를 0.4 GHz 대역으로 변조/복조하여 듀플렉서 1 및 2에서 3.5 GHz 대역의 RF 신호와 한 경로상에서 결합이 가능하게 해주며, 이렇게 전송된 제어 신호를 받아 각 PDFCM와 RAM내부의 감시 및 제어를 처리한다. 이러한 구성으로 인해 RF 신호를 위한 전송 케이블 이외의 다른 케이블이 필요 없게 된다.

또한, 도 3에 도시된 RF 주파수 변환기는 MIMO를 지원할 수 있도록 2T2R 구조(송신 경로와 수신 경로가 각각 2개인 구조)를 가지나, 듀플렉서 및 DC 전력 주입기는 어느 한쪽 구조에 배치되어 있으면 족하며, 이러한 구성을 통해 PDFCM 및 RAM 사이의 전송 선로는 2T2R 구조에서 피더 케이블 1 및 2만으로도 구현할 수 있다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같은 RF 주파수 변환기를 이용하는 TDD 방식의 WIMAX 통신 시스템에서는 송/수신 신호 시간의 제어를 위해서 증폭기 1, 2 및 LNA 1, 2의 전원을 ON/OFF해야 한다. 그렇게 하기 위해서는 별도의 TDD 기준 신호를 받아서 동기화를 수행해야 하지만, 일 실시예에서는 증폭기 1의 앞 단에 2 방향 분주기(2 way divider)를 배치하여 RF 신호를 분주한 후, 이를 RAM의 RF 검출기를 이용하여 신호 검출한 뒤, 마이크로 제어기가 신호 주기를 계산하여 실제 TDD 신호와 동기화된 신호를 구성할 수 있다. 즉, 송신 신호 주기와 수신 신호 주기에 맞게 증폭기 1, 2 및 LNA 1, 2를 ON/OFF할 수 있다.

송/수신 제어 동작을 보다 구체적으로 살펴보면, TDD 방식으로 구현되는 WIMAX 통신 시스템에서 송/수신 신호 시간의 제어를 위한 동작은 도 4에 도시된 바처럼 송신 버스트(burst) 검출 주기가 기준이 된다. 증폭기 1의 전단에서 분주된 RF 신호는 RF 검출기에서 신호 검출된다. Tx 버스트 신호를 RF 검출기를 통해 검출한 RAM 마이크로 제어기는 5msec - (5)의 타이밍에 증폭기 1 및 2의 전원을 ON하여 증폭기를 동작시킨다. 여기서 5msec은 미리 설정된 송신 신호의 주기이며, (5)는 송신 증폭기가 정상 동작 시까지의 걸리는 초기화 시간이다. TDD 방식을 사용하는 통신 시스템의 경우 높은 송신 출력이 수신 경로에 인입되어도 LNA가 손상을 받지 않도록 LNA 보호 시간(protect time)을 두는데, 이러한 보호 시간 동안에는 LAN 1 및 2 전단의 SPDT(Single Port Double Terminal)를 스위칭하여 송신 주기 시 SPDT를 종단(termination) 쪽으로 연결해 놓는다(수신 주기 시는 반대임).

도 4의 타이밍도에 있어서 (1)은 송신 주기 동안 LNA 1 및 2를 보호하기 위한 보호 시간의 종료 시점과 LNA가 ON 되는 시점 사이의 완충 시간(guard time)이 며, (2)는 수신 주기 후 다시 송신 주기가 있기 전의 LNA 1 및 2에 대한 보호 개시 시간 사이의 완충 시간이다. (3)은 송신 주기가 끝난 후 다시 LNA 보호 시간이 종료되기 전 사이의 시간이며, 이 또한 일종의 완충 시간이다. (4) 역시 송신 주기를 위한 LNA 보호 시간이 시작하기 전 갖는 완충 시간이다. 송신 증폭기의 초기화 후의 시퀀스는 다음과 같다.

1) TX_ON 신호의 ON 이후 5msec - (6) - (1) - (2) - (3) - (4) 시간이 경과한 후에 TX_ON 신호를 OFF한다.

2) TX_ON 신호의 OFF 이후 (3) 시간이 경과한 후에 LNA_PROTECT 신호를 OFF한다.

3) LNA_PROTECT 신호를 OFF한 후 (1) 시간이 경과한 후에 LNA_ON 신호를 ON한다.

4) LNA_ON 신호를 ON한 후 (6) 시간이 경과한 후에 LNA_ON 신호를 OFF한다.

5) LNA_ON 신호를 OFF한 후 (2) 시간이 경과한 후에 LNA_PROTECT 신호를 ON 한다.

6) LNA_PROTECT 신호를 ON한 후 (4) 시간이 경과한 후에 TX_ON 신호를 ON한다.

7) 2번 시퀀스부터 반복한다.

이러한 시퀀스를 통해, TDD 방식을 사용하는 WIMAX 통신 시스템에 있어 별도의 TDD 동기 신호를 수신하지 않고도 RF 신호를 검출하여 TDD를 위한 송/수신 시간 을 제어할 수 있다.

상기 실시예들에 따른 RF 주파수 변환기는 기존의 2.5 GHz 대역의 WIMAX 시스템에서 사용되는 기지국 장치에 연결하여 3.5 GHz 대역의 WIMAX 서비스가 가능하게 해 준다. 또한 타워 장착형으로 설계되어 있어 상위 시스템과의 연결에 있어 필요한 전송 선로의 수를 최소화할 수 있어 설치비가 저렴하게 드는 장점이 있다. 또한 TDD 방식을 사용하는 장치에 있어, 별도의 TDD 신호를 받지 않아도 RF신호를 검출하여 TDD를 위한 송/수신 시간을 제어할 수 있다.

Claims

WIMAX 통신 시스템을 위한 RF 주파수 변환기로서,

상기 RF 주파수 변환기는 전송 선로를 통해 연결되는 PDFCM(Power Distributor / Frequency Converter Module) 및 RAM(RF Amplifier Module)을 포함하며,

상기 PDFCM은,

상기 WIMAX 통신 시스템으로부터 공급되는 제1 주파수의 WIMAX 신호를 제2 주파수의 RF 신호로 변환시키기 위한 상향 변환기와,

상기 RAM으로부터 인입되는 제2 주파수의 RF 신호를 제1 주파수의 WIMAX 신호로 변환시키기 위한 하향 변환기와,

상기 RAM에 대한 제어 신호를 소정의 주파수 대역으로 변조하기 위한 제1 마이크로 제어기 모뎀과,

상기 PDFCM에 있어서 RF 신호의 송신 및 수신 경로를 분리시키기 위한 순환기와,

상기 PDFCM 및 RAM에 전력을 공급하기 위한 전력 분배기

를 포함하고,

상기 RAM은,

상기 PDFCM에서 상향 변환된 RF 신호를 증폭시켜 상기 WIMAX 통신 시스템의 안테나에 전달하기 위한 RF 신호 증폭기와,

상기 안테나로 인입되는 RF 신호를 증폭시키기 위한 LNA(저잡음 증폭기)와,

상기 RAM에 전력을 공급하기 위한 DC 조절부와,

상기 변조된 제어 신호를 복조하고, 복조된 제어 신호를 상기 RF 신호 증폭기, 상기 LNA 및 상기 DC 조절부에 공급하기 위한 제2 마이크로 제어기 모뎀

을 포함하는 RF 주파수 변환기.
제1항에 있어서,

상기 PDFCM은,

상향 변환된 RF 신호와 변조된 제어 신호를 결합시키기 위한 듀플렉서와,

상기 RF 신호 및 상기 변조된 제어 신호를 DC 전력 신호와 결합시키기 위한 DC 전력 주입기

를 더 포함하는 RF 주파수 변환기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 RF 주파수 변환기는 다중 입출력(MIMO) 기능을 구현할 수 있도록 2개의 송신 경로 및 2개의 수신 경로를 포함하는 전송 선로를 포함하고,

상기 PDFCM 및 상기 RAM은 1쌍의 상향 및 하향 변환기를 더 포함하는 RF 주파수 변환기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 WIMAX 통신 시스템은 시분할 듀플렉싱(TDD) 방식의 통신 시스템이고,

상기 RF 주파수 변환기는 상기 RF 주파수 변환기를 통해 송신되는 RF 신호의 송신 버스트(burst) 주기를 RF 검출기에 의해 검출하여 시분할 듀플렉싱을 위한 신호의 송수신 시간을 제어하는 RF 주파수 변환기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1 주파수는 2.5 GHz 이고, 상기 제2 주파수는 3.5 GHz인 RF 주파수 변환기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 PDFCM은 상기 상향 변환기 및 하향 변환기에 RF 주파수 변환을 위한 로컬 주파수를 공급하기 위한 로컬 발진기를 더 포함하는 RF 주파수 변환기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

낙뢰로부터 상기 RF 주파수 변환기를 보호하기 위한 낙뢰 보호기와,

상기 안테나를 통해 송수신되는 RF 신호로부터 불요파를 필터링하기 위한 RF 필터

를 더 포함하는 RF 주파수 변환기.
제4항에 있어서,

상기 시분할 듀플렉싱을 위한 신호의 송수신 시간 제어는 상기 RF 검출기에 의해 검출된 송신 버스트 주기에 기초하여 상기 LNA 및 상기 RF 신호 증폭기를 구동시킴으로써 이루어지는 RF 주파수 변환기.