KR100891409B1 - 에이징 및 온도에 대한 자동 보상형 기준 발진기 - Google Patents

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Abstract

온도, 초기 허용공차, 그리고 에이징 효과에도 불구하고, 정밀 마스터 기준 주파수를 생성하도록 온도 보상 프로파일에 따라 저비용 크리스털 발진기를 튜닝하기 위해 적응성 알고리즘을 수신기가 이용한다. 자동 주파수 제어 시스템도 크리스털 발진기를 또한 튜닝한다. 적응성 알고리즘은 수신신호의 품질 인자가 온도 보상 프로파일에 관련된 품질 인자를 넘을 경우 자동 주파수 제어에 의해 이루어지는 조정에 따라 크리스털 발진기에 대한 온도 보상 프로파일을 조정한다.

Description

에이징 및 온도에 대한 자동 보상형 기준 발진기{REFERENCE OSCILLATOR WITH AUTOMATIC COMPENSATION FOR AGING AND TEMPERATURE}
본 발명은 전자 회로에 관한 것으로서, 특히, 기준 발진기를 튜닝하는 전자 회로에 관한 것이다.
이용가능한 전자기 스펙트럼이 제한된 소스이기 때문에, 정부에서는 그 이용을 규제하고 있다. 예를 들어 미국에서는, 연방 통신국(Federal Communication Commission; FCC)이 가용 전자기파 스펙트럼을 주파수 범위나 대역별로 분할하고 있다. 각각의 대역은 특정 기능으로 할당될 수 있고, 또는 차후 예비용도로 예약될 수도 있다. 이동통신같은 특정 기능에 몇 개의 대역만이 할당되기 때문에, 대역의 효율적 이용이 매우 중요하다.
따라서, 무선 통신에 할당된 주파수 대역은 여러 무선 사용자들을 수용할 수 있어야 할 것이다. 각각의 주파수 대역이 수많은 사용자들을 수용할 수 있도록 하기 위해, 무선 통신 장치는 일반적으로 기준 발진기를 이용하여 특정 기지국에서 사용되는 캐리어 주파수를 정확하게 찾아낼 수 있다. 특정 이용시, 무선 장치는 한개 이상의 기지국과 통신하도록 설정된 이동형 핸드셋이다.
캐리어 주파수를 찾아내기 위해, 무선 통신 장치에서 동작하는 기준 발진기 들은 통상적으로 매우 정확한 주파수 기준을 발생시킨다. 저렴한 발진기는 본질적 초기 오류, 다양한 개별적 변화, 그리고 시간에 따른 성능 저하를 일으키기 쉽기 때문에, 정확한 주파수 기준을 발생시키는 데 사용되지 않는다. 따라서, 공지된 무선 통신 장치는 보다 고가의 고정확도 기준 발진기 및 관련 정밀 회로를 이용하여, 필요한 정확도 및 반복성을 얻는다.
무선 통신 장치나 이동형 핸드셋의 정밀 회로는 전압-제어/온도-보상형 크리스털 발진기(VC-TCXO)를 포함한다. VC-TCXO는 캐리어 주파수를 찾아내거나 캐리어 주파수에 대한 락(lock)을 위해 핸드셋에 의해 이용되는 기준 주파수를 제공한다. 핸드셋의 현 온도에 따라, VC-TCXO는 일정 기준 주파수 출력을 유지하도록 튜닝을 조정한다. 그러나 이러한 VC-TCXO는 상대적으로 비싸서, 핸드셋 비용에 상당한 비용을 추가한다. 더욱이, VC-TCXO의 비용에도 불구하고, 기준 주파수 출력은 결국 시간에 따라 변화한다. 게다가, VC-TCXO는 핸드셋 설계를 복잡하게 하는 제작 허용공차로부터 발생하는 중간 초기 정확도를 가진다.
더욱이, VC-TCXO용 기존 온도 보상 회로는 극단의 온도에서 정확도가 저하된다. 이 저하된 정확도에도 불구하고, 사용자는 지상선 전화를 닮거나 이보다 나은 신뢰도높은 통신을 제공하는 핸드셋을 기대한다. 이 기대치에 부합하기 위해, 핸드셋은 수용가능한 시간 주기로 통신을 일관되게 구축하여야 하고, 수신기의 넓은 온도 범위에 대해서도 적용되어야 한다. 예를 들어, 핸드셋은 남극이나 북극 부근의 조건에서도 동작할 것이라 기대되고 또한, 한여름에 차량 내부 대시보드 위의 고온에서도 동작할 것이라 기대된다. 그 결과, 핸드셋 VC-TCXO가 섭씨 -30도에서 섭씨 85도 사이의 온도 범위에서 +/- 2 ppm(백만분의 1)보다 우수한 주파수 정확도를 유지하여야 한다(유지하는 것이 바람직하다).
상술한 바와 같이, VC-TCXO는 온도에 대해서 안정하지 못하다. VC-TCXO 모듈은 1년에 백만분의 1 정도 변화할 수 있으나, 수년간 동작할 것이라 기대된다. VC-TCXO 모듈을 튜닝하는 데 사용되는 전형적인 자동 주파수 제어(AFC; Automatic Frequency Control) 루프는 요망 기준 주파수에 대해 +/- 4 ppm 이하의 오프셋으로 대처할 수 있다. 따라서, 몇 년이 지나면, 이러한 VC-TCXO 모듈은 기지국 캐리어의 획득이나 캡처를 도울 수 없을 지도 모르는 수준까지 변화될 것이다.
VC-TCXO의 에이징(aging)를 책임지기 위한 시스템이 개발되어 있다. 가령, 미국특허 6,064,270 호에서는, VC-TCXO의 기준 주파수를 +/- 4 ppm으로 조정함으로서 캐리어에 대한 임의적 검색을 실행하는 VC-TCXO를 가지는 핸드셋이 공개된다. 캐리어를 얻으면, 오프셋은 차후 용도로 기억된다. 이 시스템이 고가의 VC-TCXO에 연결될 때 수용할만한 에이징 보상을 제공할 수 있으나, 보다 본질적인 변화 및 이에 대응하는 다량의 오프셋을 가지는 저렴한 발진기로 구현되지는 못하고 있다. 캐리어 주파수를 무턱대고 검색한 이러한 큰 오프셋을 가지는 시스템은 사용자에게 감내할 수 없는 지연을 생성할 수 있다. 추가적으로, 이 검색은 에이징 중 맞닥뜨리게 되는 총 오프셋만을 책임지며, 고가의 VC-TCXO의 계속되는 이용을 필요로하는 온도 효과를 해결하지 못한다.
따라서, 고가의 VC-TCXO를 이용할 필요없이 온도 및 에이징 효과에 대해 견실한 기준 주파수를 제공할 수 있는 개선형 수신기가 당 분야에 필요하다.
저비용 발진기를 이용하여 기준 주파수 신호를 정확하게 발생시키는 것이 바람직하다. 따라서, 초기 허용공차, 온도, 에이징 효과에 불구하고, 기준 신호를 정확하게 발생시킬 수 있는 저비용 발진기가 발명의 한가지 목적이다. 이러한 발진기가 온도 및 에이징 효과에 대해 리캘리브레이션(recalibration; 재조정)에 의해 적응식으로 조정될 수 있도록 하는 것이 발명의 또한가지 목적이다.
공지기술의 단점을 극복하고 발명의 목적에 부합하고자, 연산 장치가 적응성 알고리즘을 구현한다. 적응성 알고리즘은 기준 발진기 보상을 위해 저장된 주파수 교정 정보를 조정한다. 이 보상 중, 기준 발진기는 저장된 주파수 고정 정보에 따라 마스터 기준 신호를 조정한다. 이 알고리즘이 초기 주파수 오류, 에이징, 그리고 온도 효과를 적응성으로 책임지기 때문에, 저비용 VCXO가 기준 발진기로 사용될 수 있다.
발명의 한 태양에 따라, 주파수 교정 정보는 온도 범위에 걸친 다수의 지정 주파수 교정 인자를 포함한다. 연산 장치는 현 온도 정보를 수신할 수 있고, 이는, 주파수 교정 인자로부터 현 주파수 교정 인자를 연산 장치가 도출하게 한다. 기준 발진기는 현 주파수 교정 인자에 따라 그 기준 신호의 주파수를 튜닝하거나 조정한다. 기준 신호 주파수가 요망 주파수와 차이가 있을 경우, 연산 장치는 주파수 오프셋에 따라 저장된 주파수 교정 인자 중 한가지 이상을 조정할 수 있다. 이러한 방식으로, 저장된 교정 인자들은 우수한 주파수 정확도를 제공하도록 필요에 따라 조정된다.
품질 인자(Quality factors)가 주파수 교정 인자에 연계될 수 있다. 본 실시예에서, 현 주파수 교정 인자가 연산되면, 품질 인자로부터 현 품질 인자가 또한 결정된다. 온도 교정 인자의 업데이트 이전에, 수신한 신호의 품질 인자가 현 품질 인자에 비교된다. 이러한 방식으로, 옛것이지만 높은 품질인 온도 교정 인자는 새롭지만 낮은 품질인 온도 교정 인자로 바뀌지 않을 것이다.
본 발명은 통신 장치가 기준 발진기로 저비용 발진기를 이용하게 하여, VC-TCXO의 비용 문제를 방지한다. 본 발명이 주파수 교정 인자의 적응성 조정을 제공하기 때문에, 저비용 발진기는 발진기 에이징을 체계적으로 보상한다.
도 1은 발명의 한 실시예에 따라 적응성 VC-TCXO 교정 루프를 가지는 수신기의 도면.
도 2는 VCXO에 대한 온도 교정 프로파일 도면.
도 3은 발명의 한 실시예에 따라 만들어지는 도 2의 프로파일의 일부분 도면.
도 4는 발명의 한 실시예에 따르는 기준 신호 제공 방법의 순서도.
도 5는 발명의 한 실시예에 따르는 통신 장치 제작 방법의 순서도.
도 1에서는, 저비용 기준 발진기(24)를 이용한 수신기(10)가 도시되어 있다. 저비용임에도 불구하고, 기준 발진기(24)는 무선통신용으로 충분한 정확도를 가진 정밀 기준 주파수 신호(26)를 발생시킨다. 수신기(10)가 고가의 VC-TCXO를 필요로 하지 않기 때문에, 수신기(10)는 이동형 핸드셋같은 무선 통신 장치에 사용하기에 바람직하다.
도시되는 예에서, 수신기(10)는 저정밀 발진기(24)의 초기 주파수 오류, 온도 효과, 그리고 에이징 드리프트(aging drift)를 적응성으로 책임지는 수퍼헤테로다인 수신기(10)이다. 보다 구체적으로, 수신기(10)는 주파수 교정 정보를 기억하고, 예측하며, 적용하기 위한 논리 블록(43)을 포함한다. 주파수 교정 정보는 아날로그나 디지털 형태로 메모리(44)에 저장될 수 있다. 디지털 형태로, 주파수 교정 정보가 샘플링되어 다수의 온도 교정 인자를 생성할 수 있다. 이 교정 인자들은 온도 변화, 초기 오류 조건, 그리고 에이징 효과 등에 반응할 수 있다. 따라서, 저비용 발진기(24)는 로컬 발진기 블록(15)에서 사용하기 위한, 충분히 반복적이면서도 정확한 주파수 신호를 제공한다.
논리 블록(43)을 논의하기에 앞서, 수신기(10)가 개괄적으로 설명될 것이다. 수신기(10)는 기지국 캐리어 신호같은 송신 신호를 수신하는 안테나(12)를 포함한다. 안테나 신호(13)는 믹서(14)에서 로컬 발진기(LO) 신호(11)로 다운컨버팅되어, 중간 주파수(IF) 신호(34)를 형성한다. 로컬 발진기 블록(15)에 의한 로컬 발진기 신호(11)의 발생은 여기서 추가적으로 설명될 것이다.
중간 주파수 이득 및 선택 블록(16)은 믹서(14)에 의해 생성된 중간 주파수(34)를 증폭하고 필터링한다. 주파수 디스크리미네이터(18)는 증폭 및 필터링된 중간 주파수 신호를 복조하여 복조 신호(19)를 생성한다. 복조 신호(19)는 자동 주파수 제어(AFC) 루프 필터(20)에 의해 저역 통과 필터링되어 자동 주파수 제 어 신호(21)를 형성한다. 자동 주파수 제어 신호(21)는 기준 신호(26)의 주파수를 튜닝하기 위해 기준 발진기(24)에 연결된다. 기준 신호는 로컬 발진기 블록(15)의 일부분인 위상 동기 루프(PLL)(28)에 연결된다. 루프 필터(30)는 그후 PLL 출력을 전압 제어 발진기(VCO)((32)에 연결하여, 로컬 발진기 신호(11)를 생성한다.
도 1의 수신기(10)가 무선 핸드셋에 사용하기 위한 이상화된 버전임을 당 분야의 통상의 지식을 가진 자는 알 수 있을 것이다. 실제 핸드셋 수신기에서는 다중 주파수 변환으로 인해 추가적인 믹싱 단계들이 필요하다. 더욱이, 자동 주파수 제어 루프 필터(20)는 I 및 Q 채널을 포함할 수 있다. 이렇게 생성된 I 및 Q 신호는 자동 주파수 제어 루프 필터(20)에 의해 필터링되기 전에 디지털화되어 처리될 수 있다. 수신기의 논리 블록(43)이 이제부터 설명될 것이다.
논리 블록(43)은 연산 엔진(46)을 포함하며, 이는 기준 발진기의 초기 오류 조건, 온도, 그리고 에이징 효과를 자체 학습하여 책임지는 적응성 알고리즘(48)을 구현한다. 그래서, 수신기가 정밀 TC-VCXO를 이용하지 않으면서도 신호들을 캡쳐할 수 있게 한다. 연산 엔진(46)은 상기 알고리즘(48)에 따라 현 교정 인자(40)를 제공한다. 당 분야의 통상의 지식을 가진 자는 도 1의 나머지 요소들과는 달리, 상기 알고리즘(48)이 구조물이 아니라 수신기(10)에 대한 관계를 표시하도록 도시된 것임을 알 수 있을 것이다. 교정 인자(40)는 초기 허용공차 오류, 에이징 효과, 그리고 현 온도 등을 보상할 수 있다. 연산 엔진(46)은, 마이크로프로세서나 상태 머신(state machine)을 포함하여, 이 인자(4)를 생성하도록 프로그래밍될 수 있는 적절한 논리 소자를 이용하여 구현될 수 있다. 논리 블록(43)은 메모리 소자(44)를 포함하는 것이 바람직하다. 메모리 소자(44)는 연산 장치(46)에 통합될 수도 있다.
현 온도 교정 인자(40)는 서머(summer)(23)에서 자동 주파수 제어 신호(21)와 조합되어, 기준 발진기 교정 신호(22)를 생성한다. 이 기준 발진기 교정 신호(22)는 로컬 발진기 블록(15)에 연결되어 로컬 발진기 신호(11)를 조정한다. 이 방식으로, 수신기(10)는 마스터 기준 신호(26)와 결과적으로 로컬 발진기 신호의 "조대" 및 "미세" 제어를 할 수 있다. 조대 제어(coarse control)는 현 온도 교정 인자(40)를 통해 논리 블록(43)에 의해 생성된다. 조대 제어는 자동 주파수 제어 루프에 의해 제공되는 미세 제어가 송신 신호를 캡처할 수 있도록 바람직하게 동작하여, 요건 주파수의 +/- 4ppm 내에서의 조대 제어를 통상적으로 필요로한다. 이 방식으로, 논리 블록(43)에 의해 제공되는 조대 제어는 고가의 정밀 TC-VCXO에 의해 편리하게 제공되는 성능 수준을 저비용 VCXO가 제공하게 할 수 있다. 그러나, 기존 TC-VCXO를 이용한 수신기와는 달리, 수신기(10)는 온도 및 에이징 변화에 의해 나타나는 바와 같이 저비용 VCXO를 계속적으로 조정한다.
적응성 알고리즘(48)은 기준 발진기(24)로 사용되는 VCXO에 따라 지정된 주파수 오프셋 프로파일을 이용한다. 이 프로파일은 동작 온도 범위에 대해 기준 발진기(24)를 조정하는 데 필요한 주파수 보상을 제공한다. 따라서, 주파수 오프셋 프로파일은 온도 보상 프로파일로 표시될 수도 있다.
도 2에서, 저비용 발진기용 프로파일(50)이 도시된다. 저비용 VCXO의 구성요소간 변화를 책임지는 프로파일(50)을 이끌어내기 위해 여러 기술들이 이용될 수 있다. 한 실시예에서, 주어진 VCXO는 기대되는 수신기 온도 범위에 대해 개별적으 로 테스트되어, VCXO의 특정 행동방식에 대해 정확하게 프로파일(50)을 조정할 수 있다. 그러나 이러한 개별적인 테스트는 제작 비용을 증가시키고, 정밀 TC-VCXO 대신에 저비용 VCXO를 이용함으로서 생기는 절약분을 줄어들게 한다. 따라서, 또하나의 실시예에서, 전체 예상 동작 범위에 대해 주어진 VCXO를 테스트하는 것보다, 각각의 VCXO가 단일 주변 온도에서만 초기에 조정될 수 있다. 이 조정 이전에, 예상 프로파일이, 여러 개별적인 VCXO의 평균치를 나타내는 제작자 데이터로부터 결정될 수 있다. 예상 프로파일은 이름대로, 기대치일 뿐이며, 주어진 개별 VCXO에 의해 한참 차이가 날 수 있다. 예를 들어, 주어진 VCXO 제작자에 의해 예측된 예상 프로파일로부터 10 ppm 변화가 관측될 수 있다. 주어진 VCXO에 대하여, 제작자는 예상 주파수 오프셋 프로파일을 표시하는 데이터 시트를 일반적으로 공개할 것이다. 대안으로, 이러한 프로파일은 예상된 수신기의 온도 범위(일반적으로 섭씨 -30~섭씨 120도)에서 주어진 배치(batch)로부터 여러 VCXO의 테스트 결과를 평균함에 의해 도출될 수 있다.
저비용 VCXO에 대하여 기대되는 대형 구성요소간 허용공차가 주어졌을 때, 실제 온도 보상 프로파일은 개별 VCXO마다 크게 변할 수 있고, 동일한 제작자 배치 내에서도 개별적으로 다를 수 있다. 따라서, 넓은 허용 공차 때문에 주어진 VCXO에 대해 프로파일(50)이 개별적으로 조정될 수 있는 것이 바람직하다. 수신기가 일반적으로 주변 온도에서 동작할 것이고 이 온도가 제작 설비에서도 통상적일 경우, 개별 조정은 주변 온도에서 실행될 수 있다. 조정(calibration)용으로 또다른 온도가 선택될 수도 있다.
조정 이전에, 프로파일(50)을 나타내는 데이터는 비휘발성 메모리(44)에 프로파일의 샘플(52)을 저장함으로서 메모리에 위치할 수 있다. 각각의 샘플(52)은 개별 온도에 대응하며, 관련 주파수 오프셋 및 온도 보상값에 대응한다. 따라서, 샘플(52)은 초기 온도 교정 인자를 나타낸다.
오프셋 프로파일(50)의 온도 교정 인자(52)는 도시되는 바와 같이 정규 온도 구간에서 취할 수 있다. 대안으로, 기울기가 변화하는 영역에서 프로파일(50)이 더많이 샘플링되고, 기울기 변화가 작은 영역에서 더 적게 샘플링될 수 있다. 서미스터(thermistor; 도시되지 않음)나 그 외 다른 적절한 온도 감지 장치가 수신기 온도(49)를 제공한다. 논리 블록(43)은 온도 교정 인자(52)의 서브세트를 수신기 온도(49)와 상관시켜서, 현 온도 교정 신호(40)를 제공할 수 있다. 동작시에, 수신기 온도가 온도 교정 인자(52) 중 하나에 대응하는 온도와 일치할 경우, "상관(correlation)"은 현 교정 인자 신호(40)로 일치한 인자의 주파수 오프셋을 이용하는 것만을 포함할 것이다. 이러한 경우에, 상관에 사용되는 샘플의 서브세트는 단지 한개의 부재만을 가진다.
그러나 좀더 일반적으로, 수신기 온도는 온도 교정 인자(52)에 사용되는 온도 중 어느것에도 대응하지 않을 것이다. 이 경우에 수신기 온도를 상관시키는 한가지 간단한 방식은 수신기 온도를 바로 근처에서 프레임형성하는 인접 샘플들간 선형 기울기를 가정하는 것이다. 예를 들어, 수신기 온도가 섭씨 90도이고 가장 가까운 두개의 온도 교정 인자는 섭씨 100도에서 +10 ppm, 섭씨 80도에서 +5 ppm이라고 하자. 이 두 온도 교정 인자들간 선형 기울기가 섭씨 90도의 수신기 온도에 해 당하는 7.5 ppm으로 현 교정 인자를 부여한다고 가정하자. 이러한 경우에, 상관에 사용되는 샘플 서브세트는 두가지 부재를 가진다. 대안으로, 수신기 온도에서 프로파일(50)에 대한 2차 이상 차수의 기울기를 예측하는 데 세 개 이상의 샘플이 사용될 수도 있다.
이 예측된 프로파일(50)이 주어졌을 때, 개별 VCXO가 강력한 송신 신호로 주변 온도에서 조정되어, 수신기가 그 자동 주파수 제어 루프로 송신 신호를 캡쳐할 수 있다. 상술한 바와 같이, 기존 자동 주파수 제어 루프는 전형적인 동작 신호-잡음비에서 대략 +/- 4 ppm의 주파수 오프셋만을 취급할 수 있다. 그러나, 신호 잡음비가 특별히 클 경우, +/- 10 ppm같이 더 큰 오프셋을 이 기존 자동 주파수 제어 루프가 수용할 수 있다. 이동기기 사용자가 송신 기지국에 가까울 때, 또는, 실험실이나 제작 세팅 중에 비큰 주파수(beacon frequency)를 수신할 때, 이러한 상황이 발생한다. 따라서, 조정되는 VCXO가 주변 온도에서 예측 프로파일로부터 10 ppm 차이가 나더라도, 자동 주파수 제어 루프는 충분히 높은 신호-잡음비를 가진 신호를 캡쳐할 수 있다. 제어 세팅에서 이러한 상황이 쉽게 구축될 수 있다.
조정(calibration)을 시작하기 위해, 논리 블록(43)은 현 온도 교정 인자(40) 생성을 위해 방금 설명한 방식으로 온도 교정 인자(52)의 서브세트로 수신기 온도(49)를 상관시킨다. 기준 발진기(24)는 이에 따라 튜닝되고, 필요할 경우, 자동 주파수 제어 필터(20)가 자동 주파수 제어 신호(21)를 생성하여 송신 신호를 캡처할 수 있다. 예를 들어, 기준 신호의 주파수가 너무 높을 경우, 자동 주파수 제어 신호(21)는 기준 발진기(24)를 튜닝하여 기준 신호(26)의 주파수를 낮출 수 있다. 역으로, 기준 신호 주파수가 너무 낮을 경우, 자동 주파수 제어 신호(21)는 기준 발진기(24)를 튜닝하여 기준 신호(26)의 주파수를 증가시킬 수 있다. 어느 경우에도, 기준 신호(26)는 기지국 캐리어 주파수에 의해 결정되는 바와 같이 요망 주파수의 신호로부터 주파수 오프셋을 가진다. 이 주파수 오프셋에 대응하는 결과적인 자동 주파수 제어 신호(21)는 조정된 프로파일 생성을 위해 예상 프로파일을 재조정하는 데 사용될 수 있다. 다시 말해서, 자동 주파수 제어 신호(21)는 어떤 ppm 주파수 오프셋과 상관된다.
이 주파수 오프셋은, 음/양에 상관없이, 예상 프로파일 내에서 온도 교정 인자의 서브세트를 조정하도록 적용될 수 있다. 예를 들어, 주변 온도에서 조정 중 제작 신호를 캡쳐하는 데 사용되는 자동 주파수 제어 신호(21)가 +10 ppm의 주파수 오프셋에 상관될 경우, 상관에 사용되는 샘플 서브세트가 서브세트 내 각각의 샘플에 10 ppm을 더함으로서 조정될 수 있다. 대안으로, 이 서브세트가 도 3에서처럼 초기 상관에 대한 기여도에 따라 선형으로 조정될 수 있다. 여기서, 수신기 온도는 섭씨 63도이고, 따라서, 선형 상관을 가정할 때, 섭씨 60도에서 온도 교정 인자로부터 80%의 기여도를 필요로하고, 섭씨 75도에서의 온도 교정 인자로부터 20% 기여도를 필요로한다. 결과적인 자동 주파수 제어 신호(21)가 +10 ppm에 대응할 경우, 섭씨 60도에서 온도 교정 인자는 8 ppm으로 바뀔 것이고, 섭씨 75도에서 온도 교정 인자는 서브세트 조정을 위해 2 ppm으로 바뀔 것이다.
추가적으로, 이 초기 조정이 충분히 큰 변화를 일으킬 경우(가령, 도 3에 대새 논의된 8 ppm), 나머지 모든 온도 교정 인자들은 이에 따라 1 ppm 만큼 변화할 것이다. 상술한 바와 같이, 자동 주파수 제어 신호(21)의 값은 주파수 오프셋에 상관된다. 연산 엔진(46)은 자동 주파수 제어 신호(21)를 수신하고, 이 신호를 탐색표를 이용하여 해당 주파수 오프셋에 상관시킬 수 있다.
대안으로, 자동 주파수 제어 신호(21)가 최소화되거나 "제로-아웃(zeroed out)"될 때까지 현 온도 교정 인자(40)가 연산 엔진(46)에 의해 조정될 수 있다. 이 시점에서, 현 온도 교정 인자(40)는 주파수 오프셋을 책임지고 이를 제거한다. 주변 온도가 이 초기 조정에 사용된다고 가정할 경우, 프로파일(50)은 현 온도 교정 인자(40) 도출을 위해 한개보다 많은 온도 교정 인자(52)와 상관시킬 어떤 요건도 제거하도록 주변 온도에서 한개의 온도 교정 인자(52)를 가질 수 있다.
정확하게 조정되는 인자(52)들을 구분하기 위해, 각각의 인자(52)는 1에서 100까지같은 임의 스케일을 가지는 품질 인자(55)를 할당받을 수 있다. 품질 인자(55)는 신호-잡음비에 의해 결정(일례임)되는 바와 같이 수신기 조정에 사용되는 수신 신호의 품질에 관한 것이다. 대안으로, 품질 인자는 수신 신호, 캐리어-잡음비, 또는 수신 신호 품질에 관한 그 외 다른 적절한 인자에 의해 결정되는 바와 같이 자동 이득 제어 신호에 관한 것일 수 있다. 도 2에 도시되는 프로파일의 경우, 섭씨 30도에서의 온도 교정 인자는 95의 품질 인자에 연계되고, 섭씨 45도에 대한 온도 교정 인자는 90의 품질 인자에 연계되며, 섭씨 60도에 대한 온도 교정 인자는 95의 품질 인자에 연계된다.
초기 조정 이전에, 모든 온도 교정 인자(52)는 저품질 인자(가령, 50)에 연계될 것이다. 초기 조정 이후, 도 3에 대해 설명한 바와 같이 조정된 온도 교정 인 자(52)의 서브세트는 가령, 100같은 고품질 인자를 할당받는다. 왜냐하면, 수신기 내에서 매우 높은 신호-잡음비가 보장되도록 이 실험실 설정에서의 송신 신호가 구현되기 때문이다. 도 3에 도시되는 바와 같은 상황에서, 상기 서브세트 내 온도 교정 인자(52)에 연계된 품질 인자는 현 온도 교정 인자(40)에 대한 기여도에 따라 비례하여 업데이트될 수 있다.
대안으로, 서브세트가 조정 온도에 대응하는 단 한개의 부재로 구성될 경우, 이 인자만이 고품질 인자를 수신할 것이다.
일반적으로 초기 조정이 주변 온도에서 발생하기 때문에, 소비자의 수신기 사용중 옥내에서 옥외로처럼 수신기가 이동할 경우 수신기 온도는 주변 온도로부터 점차적으로 변할 것이다. 수신기 온도가 높아지거나 낮아짐에 따라, 수신기 온도는 초기 조정되지 않은 온도 교정 인자(52)와 상관될 것이다. 따라서, 송신 신호를 주파수 응답으로 이용하여, 수신기가 이 인자(52)들을 자체 학습하거나 적응성으로 조정한다.
초기 조정에서처럼, 수신기 온도는 온도 교정 인자(52) 서브세트와 상관되어 현 온도 교정 인자(40)를 생성할 수 있다. 송신 신호는 그후 수신기의 자동 주파수 제어 루프에 의해 캡처된다. 주파수 오프셋이 존재함을 자동 주파수 제어 신호(21)가 표시할 경우, 이 서브세트는 도 3에 대해 방금 설명한 방식으로 조정된다. 따라서 무선 수신기에서, 기준 발진기는 기지국의 송신 주파수로 잠기게 된다. 그러나, 이 조정이 실제 송신 신호에서의 초기 조정 조건 바깥에서 발생하기 때문에, 잡음있는 송신 신호에 대해 부적절하게 수신기가 조정을 할 위험이 있다. 따라서, 연산 엔진(46)이 유효 신호 표시(51)에 응답할 수 있다. 이동형 핸드셋에서, 연산 엔진(46)은 파일롯 신호의 식별을 이용할 수 있고, 또는 유효 신호 표시(51)로 기능하는 적절한 트래픽 표시를 이용할 수도 있다.
수신 신호가 유효하다는 것이 보장되면, 연산 엔진은 수신 신호의 품질 인자를 계산할 수 있다. 예를 들어, 논리 블록(43)은 수신 신호의 현 캐리어-잡음비를 1에서 100까지의 스케일로 품질 인자에 상관시키는 탐색표를 가질 수 있다. 수신된 이 품질 인자는 현 온도 교정 인자(40) 도출에 사용되는 온도 교정 인자(52) 서브세트에 의해 부여되는 품질 인자에 비교된다. 수신 품질 인자가 더 클 경우, 이 서브세트는 초기 조정에 대해 상술한 바와 같이 조정된다. 그러나, 수신 품질 인자가 초기 조정에서처럼 반드시 100일 필요는 없기 때문에, 이 주파수 오프셋에 따라 서브세트가 업데이트되는 크기는 수신 품질 인자에 비례하여 감소할 것이다. 예를 들어, 주파수 오프셋이 서브세트의 10 ppm 업데이트에 상관되고 수신 품질 인자가 90일 경우, 10 ppm의 90%만이 서브세트에 적용될 수 있다. 이 방식으로, 수신기 가 수신기 온도 변화에 적응함에 따라, 저장된 온도 교정 인자(52)가 점차적으로 정확해진다. 주파수 오프셋을 비례적용하는 데 있어 다른 방법도 물론 사용될 수 있다.
기준 발진기(24)가 오래될수록(aging), 예상 프로파일(50)도 물론 변할 수 있다. 이 에이징 효과를 보상하기 위해, 온도 교정 인자(52)에 연계된 품질 인자가 시간에 따라 체계적으로 감소할 수 있다. 예를 들어, 품질 인자가 1에서 100까지의 스케일에 대응할 경우, 품질 인자는 석달마다 5만큼씩 감소할 수 있다. 이 방식으로, 에이징 효과를 책임지도록 시간이 지남에 따라 온도 교정 인자(52)도 쉽게 재 조정될 것이다. 이 에이징을 책임지도록 품질 인자가 감소되는 속도는 주어진 수신기 내에서 개별 기준 발진기(24)의 특성에 따라 좌우된다.
조정되면, 저비용 VCXO도 약간의 히스테리시스를 나타낸다. 즉, 동일한 현 온도 교정 인자(40)로 동일 온도에서 수신기를 반복적으로 이용할 경우, 자동 주파수 제어 교정 신호(21)로부터 필요한 추가적인 오프셋이 거의 없는 신호 캡쳐가 일어날 것이다. 따라서, 에이징을 책임지기위한 품질 인자 조정은 매우 점진적일 수 있다.
수신기가 과거에 조정을 거치지 않으면 온도에서 극단적인 값을 보일 수 있기 때문에, 현 온도 교정 인자(40)를 통해 논리 블록(43)에 의해 제공되는 "조대" 제어에도 불구하고, 자동 주파수 제어 루프에 의해 제공되는 "미세" 제어가 송신 신호를 캡쳐할 수 없는 경우가 존재한다. 이러한 상황에서, 논리 블록(43)은 현 온도 교정 인자(40)를 증가시키거나 감소시킴으로서 송신 신호를 검색하도록 설정될 수 있다. 요구되는 증가량은 기존 자동 주파수 제어 루프에 의해 제공되는 미세 제어의 크기에 따라 좌우될 것이다. 예를 들어, 이 자동 주파수 제어 루프가 마스터 기준 신호(26)에서 +/-4 ppm의 주파수 오류를 수용할 수 있을 경우, 증가량이나 감소량은 4ppm 이하이어야 할 것이다. 블라인드 검색에 비해, 논리 블록(43)이 온도 교정 인자(52)의 양/음 조정의 누계 레코드를 저장한다. ppm 단위의 양의 증가치로 여러번 재조정된 어떤 온도 교정 인자에 수신기 온도가 상관될 경우, 현 온도 교정 인자(40)의 요건 증가치가 음이기보다는 양이어야 한다고 가정하는 것이 논리적일 것이다.
추가적으로, 논리 블록(43)은 이 히스토리에 의해 증가치의 스케일을 측정할 수 있다. 예를 들어, 최근 재측정이 모두 상당할 경우(가령, 5 ppm 이상), 현 온도 교정 인자의 일상적 증가치가 예를 들어 4ppm에서 5ppm으로 증가될 수 있다. 논리 블록(43)은 진단용으로 조정 히스토리에 관한 다른 매개변수를 저장할 수 있다. 이 매개변수들은 각각의 온도 교정 인자(52)가 업데이트된 횟수와 각각의 조정 시간을 포함한다.
도 4에 따르면, 저장된 주파수 교정 정보를 조정하기 위한 방법(100)이 도시된다. 이 방법(100)은 이동형 무선 핸드셋같은 통신 장치에서 구현되는 것이 바람직하다. 물론 다양한 통신 장비에서 이 방법(100)이 사용될 수 있다.
이 방법(100)은 통신 장치의 메모리에 주파수 오프셋이나 온도 보상 프로파일을 먼저 저장한다(102). 상술한 바와 같이, 주파수 오프셋 프로파일은 개별적인 온도 보상 인자나 아날로그 형태일 수 있다. 대안으로, 상기 프로파일이 다항식 함수에 의해, 그리고, 메모리에 저장된 필요한 다항식 계수에 의해 근사될 수 있다. 부가적으로, 품질 인자는 앞서 설명한 바와 같이, 교정 정보에 연계될 수 있다. 블록 112에 도시되는 바와 같이, 품질 인자가 통신 장치에 저장될 수도 있다.
현 온도 신호가 제공된다(103). 현 온도는 서미스터같은 여러 공지 장치들 중 하나에 의해 감지될 수 있고, 온도 신호는 전압이나 전류 신호같이 여러 공지 형태 중 하나를 취할 수 있다.
현 온도에 따라, 저장된 주파수 교정 정보로부터 현 온도에 대응하는 현 교정 신호가 불러들여진다(104). 주파수 교정 정보가 다수의 온도 교정 인자로 저장 될 경우, 현 온도는 상술한 바와 같이 인자들의 서브세트에 상관된다.
교정 신호는 기준 발진기를 튜닝한다(106). 이상적으로는, 블록 106에서 실행되는 튜닝이 정확하게 요망 주파수로 발진기를 튜닝한다. 그러나, 기준 발진기의 튜닝시에 주파수 오류가 자주 감지될 수 있다(108). 이러한 오류는 자동 주파수 제어 루프에서 감지되고 측정될 수 있다.
결정된 주파수 오류는 현 온도에 대한 업데이트된 주파수 교정 정보를 발생시키는 데 사용된다(110). 한 실시예에서, 이 방법(100)은 기준 발진기 튜닝에 따라 수신된 신호의 품질을 또한 결정한다(114). 예를 들어, 이렇게 수신한 품질 인자는 수신 신호의 신호-잡음비나 강도에 관련될 수 있다. 다른 인자들도 수신 품질 인자 결정에 사용될 수 있다.
업데이트된 교정 정보에 대하여 결정된 수신 품밀 인자가 현 교정 신호 도출에 사용되는 저장된 주파수 교정 정보에 연계된 품질 인자에 비교될 수 있다(116). 이 비교에 따라, 업데이트된 교정 정보를 저장할 지에 대한 결정이 이루어질 수 있다(120). 예를 들어, 현 교정 신호 도출에 사용되는 저장된 주파수 교정 정보가 70의 관련 품질 인자를 가질 경우, 그리고 수신 신호가 60의 관련 품질 인자만을 가질 경우, 업데이트된 주파수 교정 정보는 옛것일지라도, 더 나은, 저장된 주파수 교정 정보를 바꾸지 않을 것이다. 다른 한편, 수신 품질 인자가 현 교정 신호 도출에 사용되는 저장된 교정 정보에 연계된 품질 인자보다 좋을 경우, 업데이트된 주파수 교정 정보가 저장된다(120). 또한, 수신 품질 인자는 업데이트된 교정 정보에 또한 연계되어 저장된다(122).
업데이트된 교정 정보가 언제 저장될 지를 결정하는 데 다른 인자들이 사용될 수 있다. 이러한 인자들은 고품질 주파수 교정 정보가 잘못된 또는 저품질의 주파수 교정 정보로 바뀔 위험을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 업데이트된 교정 정보가 저장되는 지를 결정하는 것이 유효화 신호이다(118). 이 유효화 신호는 유효 신호가 수신되는 지를 표시한다.
유효화 신호는, 가령 지정 신호가 양으로 수신되고 식별될 때, 발생될 수 있다. 한 실시예에서, 유효화 신호는 파일롯 신호가 확인될 때 발생된다. 유효화 신호의 발생이 또다른 인자들에 따라 이루어질 수도 있다.
에이징 효과를 책임지기 위해, 저장된 품질 인자는 시간에 따라 천천히 저하될 수 있다(124). 이러한 방식으로, 최고 품질 인자를 가졌던 주파수 교정 정보도 어떤 시간이 지나면 조정을 받을 수 있다.
도 5에서는 도 4의 방법(100)을 구현하도록 설정된 통신 장치의 초기 조정 방법(130)이 도시된다. 기준 발진기에 대한 초기 주파수 교정 정보가 결정된다(132). 상술한 바와 같이, 이 결정은 제작자에 의해 제공되는 정보를 바탕으로 할 수 있다. 이 초기 주파수 교정 정보가 메모리에 저장된다(134). 저비용 기준 발진기에서 맞닥뜨리는 개별 허용공차가 크기 때문에, 이 초기 주파수 교정 정보는 근사치일 뿐이고, 주어진 개별 기준 발진기의 행동방식에 반드시 대응하는 것은 아니다. 따라서, 이 초기 주파수 교정 정보는 테스트되는 기준 발진기의 개별적 행동방식에 따라 조정되어야 한다. 이를 우해, 강한 조정 신호가 발생되고, 기준 발진기가 정 정보에 따라 튜닝된다(136). 이 "강한" 조정 신호는 기준 발진기의 주 파수 오프셋이 클 경우에도, 가령, +/- 10 ppm일 경우에도, 이 조정 신호를 기존 자동 주파수 제어 루프가 캡처하기에 충분히 강한 신호를 의미한다. 이 주파수 오프셋을 제거하기 위해, 업데이트되거나 조정된 주파수 교정 정보가 발생된다(140). 마지막으로, 업데이트된 주파수 교정 정보가 저장된다(142). 이렇게 저장된 정보에 품질 인자가 연계될 수 있다(144).
수신기(10)의 기여도를 좀더 인지하기 위해, 기존 수신기 동작을 짧게 설명할 것이다. 그러나, 기존 수신기 동작은 잘 알려져 있다. 기존의 종래기술 수신기에서, 자동 주파수 제어 신호는 고성능 기준(또는 크리스털) 발진기에 직접 연결되어 로컬 발진기 신호를 제공한다. 자동 주파수 제어 신호에 따라, 고비용 기준 발진기는 마스터 기준 신호의 주파수를 조정한다.
마스터 기준 신호는 로컬 발진기 제어 블록의 일부분인 위상 동기 루프(PLL)에 연결되는 것이 일반적이다. 루프 필터는 로컬 발진기 신호를 생성하는 전압-제어 발진기(VCO)에 PLL을 연결한다. 로컬 발진기 신호는 안테나로부터 수신한 신호와 믹스되어 중간 주파수 신호를 생성한다. 이 중간 주파수 신호는 복조되어 자동 주파수 제어 저역 통과 필터를 통과하며, 기준 발진기 내로 피드백된다. 이에 의해 기존 자동 주파수 제어 루프가 형성된다.
기존 자동 주파수 제어 저역 통과 필터는 제공되는 자동 주파수 제어가 고속으로 동작하고 마스터 기준 신호의 +/- 4ppm 주파수 부정확도를 교정할 수 있도록 설계된다. 고성능 기준 발진기가 요건 주파수에서 정확하게 마스터 기준 신호를 생성할 경우, 자동 주파수 제어 루프는 기준 발진기를 조정할 필요가 전혀 없다. 그 러나, 정밀 기준 발진기도 약간 부정확한 경향이 있을 것이고, 자동 주파수 제어 루프에 의한 조정을 필요로할 것이다. 배경기술 단락에서 설명한 바와 같이, 기존 자동 주파수 제어 루프는 기준 발진기에 의한 +/- 4ppm 편차를 교정할 수 있지만, 전형적인 동작 신호-잡음비에서 캐리어 신호를 여전히 얻을 것이다.
그러나, 정밀 TC-VCXO를 이용한 기준 발진기의 기존 제어는 고가의 고성능 기준 발진기에 의해서도 온도 및 에이징 효과를 적응성으로 조정할 수 없다. 바람직하게는, 수신기(10)가 저비용 기준 발진기를 이용하여 기지국 캐리어 주파수같은 정확한 송신 신호로 "잠금(locking on)"에 의해 안정한 기준 주파수를 정확하고 신뢰도 높게 제공할 수 있다. 더욱이, 수신기(10)는 시간에 따라 기준 발진기의 성능을 개선시키도록 적응성으로 조정한다. 본 발명이 제작되는 저비용 VCXO 모듈을 이용할 필요는 없다. 예를 들어, 저비용 VCXO 해법을 형성하도록 조합되는 개별적인 크리스털 및 발진기 스테이지를 이용할 수 있다. 더욱이, 기존 고비용 VC-TCXO도 본 발명 내에서 여전히 사용될 수 있고, 적응성 에이징 및 온도 보상 특징으로부터 잇점을 취할 수 있다.
여기서 설명한 수신기는 TDMA 및 CDMA같은 모든 무선 프로토콜에 적합하다. 더욱이, 수퍼헤테로다인 수신기에 대해 설명하였으나, 본 발명은 송신 신호 캡처를 위해 기준 발진기를 튜닝해야만하는 다른 종류의 수신기에도 폭넓게 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 직접 변환 수신기에도 적용가능하다.

Claims (26)

  1. 수신기에서 기준 주파수 신호를 제공하기 위한 방법에 있어서, 상기 기준 주파수 신호 제공 방법은,
    - 상기 수신기의 기준 발진기를 위해 온도 범위에 걸친 복수의 온도 교정 인자를 저장하고,
    - 상기 복수의 온도 교정 인자의 각 온도 교정 인자에 대해 신호 품질 인자를 저장하고,
    - 신호를 수신하고,
    - 상기 수신된 신호에 대해 수신 신호 품질 인자를 결정하고,
    - 현 온도 데이터를 수신하며,
    - 상기 복수의 온도 교정 인자 중 현 온도 교정 인자와 상기 현 온도 데이터를 상관시킴으로써, 주파수 교정 신호를 발생시키며, 이때, 상기 현 온도 교정 인자는 현재 저장된 신호 품질 인자와 연계되고,
    - 주파수 교정 신호를 이용하여 기준 발진기를 튜닝하고, 이때, 상기 기준 발진기는 기준 주파수 신호를 출력하며,
    - 기준 주파수 신호의 주파수 오류를 결정하며, 그리고
    - 상기 수신 신호 품질 인자가 상기 현재 저장된 신호 품질 인자를 초과하는 경우에만, 주파수 오류에 근거하여 하나 이상의 업데이트 된 온도 교정 인자를 발생시키는,
    이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 주파수 신호 제공 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 현 온도 교정 인자 대신에, 상기 하나 이상의 업데이트 된 온도 교정 인자를 저장하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 주파수 신호 제공 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 수신 신호 품질 인자가 상기 현재 저장된 신호 품질 인자보다 클 경우에, 상기 주파수 오류에 근거하여 상기 복수의 온도 교정 인자가 업데이트 되는 것을 특징으로 하는 기준 주파수 신호 제공 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 저장된 품질 인자가 시간 경과에 비례하여 감소되는 것을 특징으로 하는 기준 주파수 신호 제공 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 수신 신호 품질 인자가 수신 신호의 캐리어-잡음비에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 기준 주파수 신호 제공 방법.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 방법은,
    - 수신 신호가 유효 신호인 지를 결정하고, 그리고
    - 수신 신호가 유효 신호인 경우에만 업데이트된 온도 교정 인자를 저장하는,
    단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 주파수 신호 제공 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 수신 신호가 기지국의 파일롯 신호일 경우 수신 신호가 유효 신호로 결정되는 것을 특징으로 하는 기준 주파수 신호 제공 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    - 강한 신호를 수신하고,
    - 강한 신호를 바탕으로 기준 주파수 신호의 초기 주파수 오류를 결정하며, 그리고
    - 초기 주파수 오류를 바탕으로 온도 교정 인자를 조정하는,
    이상의 초기 조정 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 주파수 신호 제공 방법.
  9. 수신기에 있어서, 상기 수신기는,
    - 신호를 수신하기 위한 안테나,
    - 기준 주파수 신호를 발생시키기 위한 기준 발진기, 그리고
    - 상기 수신기의 현 온도에 따라 기준 주파수 신호를 보상하기 위해 기준 발진기에 연결되는 논리 수단을 포함하되,
    상기 논리 수단은 온도 범위에 걸친 복수의 온도 교정 인자와, 그리고 상기 복수의 온도 교정 인자의 각각에 연계된 품질 인자를 저장하는 메모리를 포함하고,
    상기 논리 수단은 상기 수신된 신호의 주파수 오프셋에 따라 온도 교정 인자를 적응성으로 조정하고, 또한, 상기 수신된 신호의 품질 인자가 상기 수신기의 현 온도의 온도 교정 인자에 연계된 품질 인자보다 클 경우에만 상기 온도 교정 인자가 조정되는 것을 특징으로 하는 수신기.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 저장된 품질 인자가 시간 경과에 비례하여 감소되는 것을 특징으로 하는 수신기.
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