KR101045988B1 - 펄스 오실레이터를 이용한 초 광대역 신호 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 펄스 오실레이터를 이용한 초 광대역 신호 발생기에 관한 것으로서, 양의 전원 공급부 및 음의 전원 공급부로 구성되어 펄스 오실레이터에 전원을 공급하는 전원 공급부; 양의 스위치부 및 음의 스위치부로 구성되어 상기 양의 전원 공급부 및 음의 전원 공급부에서 펄스 오실레이터로 공급되는 전원을 각각 단속하는 스위치부; 및 인터버 또는 증폭기를 포함하여 구현된 링 오실레이터로서, 빠른 과도응답 특성을 갖는 펄스 오실레이터; 를 포함하되, 상기 양의 스위치부 또는 음의 스위치부가 동시에 단속하거나, 어느 하나의 스위치부만이 단속하는 것을 특징으로 한다.
초 광대역, 펄스 오실레이터, UWB

Description

펄스 오실레이터를 이용한 초 광대역 신호 발생기{ULTRA WIDE BAND PULSE GENERATOR USING PULSED OSCILLATOR}
본 발명은 초 광대역 신호 발생기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 링 오실레이터에 공급되는 전원을 단속하여 초 광대역 신호를 발생시키고, 발진조건을 조절함으로써, 별도의 모듈레이터 없이 BPSK 모듈레이션을 수행할 수 있는 펄스 오실레이터를 이용한 초 광대역 신호 발생기에 관한 것이다.
본 발명은 초 광대역(Ultra Wide Band) 신호 발생기에 관한 것으로, 종래의 협대역(Narrow Band) 기술과는 달리 시간축 에서 짧은 폭의 펄스를 발생시켜 사용하는 무선기술이다.
일반적으로, 펄스의 폭이 1 ns 이하일 경우 주파수축 에서는 수GHz의 넓은 대역을 차지하는 신호가 발생하는데, 이것을 이용하려는 것이 초 광대역 기술이다. 이런 짧은 펄스동작으로 인해 저 전력 동작이 가능하며, 넓은 대역폭을 이용하여 고속의 통신이나 높은 정확도를 가지는 위치추적 시스템의 구현이 가능하기 때문에 현재 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 넓은 대역을 차지하는 신호를 사용할 경우 기존의 협대역 시스템에 영향을 줄 가능성이 있으므로 그 전력레벨이 엄격하 게 제한되고 있다. 미 연방통신 위원회(Federal Communications Commission, 이하 FCC)에 의해 제정된 규정에 의하면 도 1a 에 도시된 신호 방출전력 이하로 제한되고 있다. 전력밀도는 3.1~10.6GHz까지 -41.3dBm/MHz 이하로 제한되어있으며, 0.96~1.61GHz대역은 GPS(Global Positioning System)대역 이므로 특히 낮은 전력레벨을 요구하고 있다. 이러한 전력제한 규정은 초 광대역 신호 발생기의 설계를 어렵게 만드는 요인이 된다.
도 1b 는 믹서를 사용하여 구현한 기존 초 광대역 신호 발생기의 구조를 설명하기 위한 도면으로서, 도시된 바와 같이 정현파 발생기(201)의 신호와 광대역 베이스밴드의 신호(203)를 믹서(202)를 이용하여 서로 곱해주어 광대역 RF신호를 발생시키게 된다. 그런데, 이 구조는 광대역 믹서를 구현해야하는 어려움이 있고, 신호의 송신과 관계없이 정현파 발생기(201)가 항상 동작하므로 불필요한 전력손실이 발생하는 문제점이 있으며, 믹서(202)의 비 이상적인 특성 때문에 정현파 발생기(201)의 신호가 출력 RF신호에 그대로 누설되어 나가는 문제가 있다. 이러한 누설성분(204)은 높은 전력 밀도를 가지는 델타함수형태의 스펙트럼을 발생시키므로 UWB시스템에 대한 전력제한 규정을 만족시키기 어렵게 만들 뿐만 아니라, 수신단에 DC 오프셋(DC offset)을 발생시켜 수신감도를 떨어뜨리는 문제점을 발생 시키게 된다.
도 1c 는 스위치를 사용하여 구현한 기존 초 광대역 신호 발생기의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 1c 에 의하면 스위치(302)와 스위치 제어부(303)를 이용하여 정현파 발생기(301)의 신호가 소정의 시간동안만 통과하도록 하여 초광대역 신호를 발생시키게 된다. 이 경우에도 역시 스위치(302)의 비 이상적인 단속 특성 때문에 누설 신호(304)가 발생하게 되고, 도 1b 의 구조에서 나타나는 문제점이 그대로 발생하게 된다. 이러한 문제들을 해결하기위한 방법으로 도 1d 와 같은 구조가 많이 연구되고 있다.
도 1d 는 스위치(402)와 스위치 제어부(403)를 이용하여 LC 오실레이터(401)에 공급되는 전원(404)이 소정의 시간동안만 공급되도록 하여 초광대역 신호를 발생시키게 된다. 이 경우 신호가 송신되는 순간에만 전원이 공급되므로 불필요한 전력소모와 신호의 누설성분을 없앨 수 있는 장점이 있다. 그러나, 기존의 연구 결과들에서 사용된 LC 오실레이터는, LC공진기의 리액턴스(reactance) 때문에 과도응답(transient response)특성이 빠르지 못하며, 이로 인해 1ns 이하의 펄스를 발생시키기에는 적합하지 않다. 이러한 느린 과도응답은 신호의 대역폭(bandwidth)을 제한할 뿐만 아니라, LC 오실레이터(401)의 발진 신호가 짧은 시간동안 충분히 정상화(settling)될 수 없으므로 펄스의 진폭(amplitude) 역시 제한하게 된다. 펄스의 진폭이 작을 경우 펄스의 에너지 역시 작아지게 되는데, 이것은 수신단 에서 신호대잡음비를 줄이는 요인으로 작용한다.
초 광대역 신호 발생기에 정보를 실어보내기 위해서는 모듈레이션을 할 수 있어야한다. 특히, BPSK 모듈레이션을 위해서 기존의 초 광대역 신호발생기들은 추가적인 모듈레이터를 사용하였는데, 모듈레이터의 삽입손실로 인해 전력손실의 원인이 되며 회로의 복잡도를 증가시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 적은 전력소모만으로도 큰 진폭과 짧은 펄스폭의 출력을 가질수 있고, 별도의 모듈레이터 없이 BPSK모듈레이션이 가능한 초 광대역 신호 발생기의 구조를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기 발생된 신호가 출력 로드에 효율적으로 전달 되도록 하기 위한 부가적인 회로의 구조를 제공하고자 한다. 즉, 효율적인 버퍼의 구조 및 GPS 대역의 스펙트럼 성분을 효율적으로 억제할 수 있는 필터의 구조를 제공함으로써, 전력 소모를 극소화하고 초 광대역 신호에 대한 전력제한 규정을 효과적으로 만족시킬 수 있도록 함에도 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 양의 전원 공급부 및 음의 전원 공급부로 구성되어 펄스 오실레이터에 전원을 공급하는 전원 공급부; 양의 스위치부 및 음의 스위치부로 구성되어 상기 양의 전원 공급부 및 음의 전원 공급부에서 펄스 오실레이터로 공급되는 전원을 각각 단속하는 스위치부; 및 인터버 또는 증폭기를 포함하여 구현된 링 오실레이터로서, 빠른 과도응답 특성을 갖는 펄스 오실레이터; 를 포함하되, 상기 양의 스위치부 또는 음의 스위치부가 동시에 단속하거나, 어느 하나의 스위치부만이 단속하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양의 스위치부가 양의 전원 공급부와 링 오실레이터 사이에 위치 하여, 상기 링 오실레이터로 공급되는 전원을 단속함으로써, 첫 번째 위상 신호가 발생하며, 상기 음의 스위치부가 음의 전원 공급부와 링 오실레이터 사이에 위치하여, 상기 링 오실레이터로 공급되는 전원을 단속함으로써, 두 번째 위상 신호가 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발생된 초 광대역 신호는, n-channel 소자와 p-channel 소자에 의해 구성되는 인버터를 거쳐 출력되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 링 오실레이터의 동작특성에 변화를 주기 위하여, 상기 링 오실레이터의 구현을 위해 사용된 인버터 또는 증폭기의 입력과 출력 사이에 피드백 회로를 추가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스위치부는, 능동소자 스위치 또는 수동소자 스위치인 것을 특징으로 하는 펄스 오실레이터를 이용한 초 광대역 신호 발생기.
또한, 상기 초 광대역 신호 발생기는, 상기 링 오실레이터의 DC 변화에 따라 자동 스위칭 되는 버퍼부; 및 GPS 대역의 스펙트럼 성분을 억제하는 펄스 셰이핑 필터부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 펄스 셰이핑 필터부는, 커패시턴스(C1, C2), 및 인덕턴스(L)로 구성되어, 출력신호는 커패시턴스(C1)를 직렬로 거쳐 인덕턴스(L)에 병렬로 전달되고, 다시 커패시턴스(C2)를 직렬로 거쳐 출력되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 버퍼부는, 상기 링 오실레이터의 바이어스 변화 및 스위치부의 제어신호에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, LO누설 신호를 제거 할 수 있고, 효율적으로 초 광대역 신호를 발생시킬 수 있으며, 별도의 모듈레이터 없이 BPSK 모듈레이션을 수행할 수 있고, FCC의 초 광대역 신호에 대한 전력제한 규정을 효과적으로 만족시킬 수 있으며, IC형태로 구현이 용이하다. 따라서, 본 발명에 따른 초 광대역 신호 발생기를 사용할 경우 저전력, 고속, 고 정밀도의 동작특성을 갖는 무선시스템의 구현이 가능하다.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 펄스 오실레이터를 이용한 초 광대역 신호 발생기에 관하여 도 2 내지 도 9 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2 는 본 발명에 따른 펄스 오실레이터를 이용한 초 광대역 신호 발생기(500)에 관한 전체 구성도로서, 도시된 바와 같이 전원 공급부(510), 펄스 오실레이터(520) 및 스위치부(530)를 포함하여 이루어진다.
구체적으로, 전원 공급부(510)는 양의 전원 공급부(511) 및 음의 전원 공급부(512)로 구성되어 펄스 오실레이터(520)에 전원을 공급하며,
스위치부(530)는 양의 스위치부(531) 및 음의 스위치부(532)로 구성되어 양의 전원 공급부(511) 및 음의 전원 공급부(512)에서 펄스 오실레이터(520)로 공급되는 전원을 단속하는 기능을 수행한다. 또한, 필요에 따라 이를 출력 로드에 효율적으로 전달하기 위한 부가적인 회로부가 추가될 수 있다. 이때, 펄스 오실레이터(520)는 빠른 과도응답을 위해 링 오실레이터(520)가 사용되었는데, LC 오실레이터에 비해 피드백노드에 작은 리액턴스(reactance) 성분만이 존재하므로 빠른 과도응답 특성을 가질 수 있으며, 이로 인해 초 광대역 신호 발생에 적합한 특징을 갖게 된다.
본 발명에 따른 초 광대역 신호 발생기(500)는 링 오실레이터부(520)에 공급되는 양의 전원 및 음의 전원이 스위치부(530:531,532)에 의해 단속되는 구조를 가진다. 즉, 링 오실레이터(520)에 공급되는 양의 전원 및 음의 전원이 짧은 순간동안에만 공급되도록, 스위치부(530)를 단속하면, 링 오실레이터(520)의 빠른 과도응답 때문에 펄스폭이 1ns 이하인 초 광대역 신호를 발생시키는 것이 가능하다.
여기서, 전원의 단속을 위해 사용된 양의 스위치부(531) 및 음의 스위치부(532)는 필요에 따라 양쪽 모두 사용될 수도 있고, 둘 중 하나만을 사용할 수도 있다.
양쪽 스위치부(531,532)가 모두 사용되는 경우, 양의 전원 공급부(511)와, 음의 전원 공급부(512)의 단속 특성에 따라 발생되는 신호의 위상이 서로 180도 차이가 나도록 하는 것이 가능하다. 즉, 양의 스위치부(531)를 이용하여 양의 전원공급이 단속되도록 하여 초 광대역 신호를 발생시키는 경우와, 음의 스위치부(532)를 이용하여 음의 전원공급이 단속되도록 하여 초 광대역 신호를 발생시키는 경우는, 서로 180도의 위상 차이를 보이게 된다. 이것을 이용하면 별도의 모듈레이터 없이 BPSK 모듈레이션을 수행하는 것이 가능하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 초 광대역 신호 발생기(600)의 구성도로서, 도시된 바와 같이 여러개의 인버터(M1∼M3)가 시리즈로 연결되어 링 오실레이터(610)를 구성하고 Vdd 와 gnd 사이에 스위치 M4, M5(621, 622)가 연결되어 링 오실레이터(610)에 공급되는 전원을 단속하게 된다. 필요에 따라 각 게인 스테이지(M1, M2, M3)의 동작속도를 높여주기 위해, 각 게인 스테이지(M1, M2, M3)의 입력과 출력에 저항 'R' 을 이용하여 네거티브 피드백(negative feedback)이 걸리도록 할 수 있으며, 이것은 주어진 바이어스 조건에서 발진주파수를 높여주는 역할을 한다.
스위치 M4, M5(621, 622)는 enable(+)와 enable(-)에 의해 제어되며, 입력되는 제어 신호에 따라 링 오실레이터에서 발생되는 신호의 위상이 서로 180도 차이가 나도록 할 수 있다. 즉, enable(+)와 enable(-)에 입력되는 제어신호만으로 BPSK 모듈레이션을 하는 것이 가능하다. 이것은, RF 대역의 신호 경로에 BPSK 모듈레이션을 위한 별도의 모듈레이터를 필요로하지 않으므로 회로의 복잡도를 줄이고, 모듈레이터로 인한 삽입손실을 제거할 수 있으므로 더욱 효율적인 신호의 발생이 가능하도록 한다. 서로 180도 위상 차이를 보이는 링 오실레이터(610)의 신호를 편 의상 '+'와 '-'로 구분하도록 한다.
도 4 의 (a)는 링 오실레이터의 신호가 '+' 위상을 가지도록 할 경우 enable(+)와 enable(-)에 입력되는 신호를 나타낸다. 링 오실레이터의 파형을 '+' 위상으로 만들기 위해서 도 4 의 (710)에서처럼 enable(+) 의 신호는 low로 두고, enable(-)는 (720)처럼 일정시간(△t) 동안만 high로 한다. 그러면, 링 오실레이터(610)에서는 (730)과 같은 신호가 발생하는데, △t 이외의 시간동안은 Vdd 근처의 전압을 나타내고 △t시간 동안은 일정주기의 발진 신호를 나타내게 된다.
도 5 의 (b)는 링 오실레이터의 신호가 '-' 위상을 가지도록 할 경우 enable(+)와 enable(-)에 입력되는 신호를 나타낸다. 링 오실레이터(601)의 파형을 '-' 위상으로 만들기 위해서 도 5 의 (750) 에서처럼 enable(-) 의 신호는 high로 두고, enable(+)는 (740)처럼 일정시간(△t) 동안만 low로 한다. 그러면, 링 오실레이터(610)에서는 (760)과 같은 신호가 발생하는데, △t 이외의 시간동안은 gnd 근처의 전압을 나타내고 △t 시간동안은 일정주기의 발진 신호를 나타내게 된다. 여기서, 링 오실레이터(610) 각 노드에 존재하는 리액턴스(reactance) 성분이 굉장히 작으므로 링 오실레이터(610)의 on/off 에 필요한 과도응답시간을 최소화 시킬 수 있으며, 펄스 폭 △t 가 1ns 이하의 값을 갖도록 하는 것이 가능하다. 이렇게 발생된 신호는 버퍼부(630)를 통하여 펄스 셰이핑 필터(640)에 전달되며, 최종적으로 출력 로드(RL)에 전달되게 된다.
본 발명에 따른 버퍼부(630)는 M6n, M6p를 이용하여 인버터 형태로 구현되며, 링 오실레이터(610)의 DC변화에 의해 자동적으로 스위칭 된다. 즉, 스위칭을 통해 링 오실레이터에 공급되는 전원을 단속하는 경우, 필연적으로 링 오실레이터의 바이어스에 변화가 올 수 밖에 없는데, 이것을 이용하면 추가적인 스위칭 회로 없이도 버퍼의 동작상태를 스위칭하는 것이 가능하다. 즉, 링 오실레이터(610)가 off 상태 일 때는 링 오실레이터의 피드백노드에 걸리는 DC 전압이 Vdd 근처이거나 gnd 근처의 값을 가지게 되므로 버퍼부(630)역시 off상태가 된다.
링 오실레이터가(610) on 상태일 때는 피드백노드의 DC 전압이 각 게인 스테이지의 pMOS와 nMOS의 사이즈 비에 의해 결정되며, 이 DC전압이 그대로 버퍼부(630)에 인가되므로 버퍼부(630) 역시 on 상태가 된다. 즉, 별도의 스위칭 회로 없이도 초 광대역 신호가 발생하는 순간에 버퍼부(630) 역시 자동적으로 on 상태가 되고, 신호가 없을때는 버퍼부(630) 역시 자동적으로 off 되므로 전력소모를 최소화 할 수 있다.
본 발명에 따른 펄스 셰이핑 필터부(640)는 C1, C2, L로 구성되며, 일종의 하이패스 필터(high pass filter)이다. 이 필터는 GPS 대역의 스펙트럼 성분을 억제하여, FCC의 UWB 신호에 대한 전력제한 규정을 효과적으로 만족시키도록 하는 역할을 한다.
도 6 및 도 7 은 상용 CMOS 공정의 디자인 파라미터와 모델을 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 컴퓨터 시뮬레이션을 위해서 Agilent사의 Advanced Design System(ADS)을 이용하였다. 시뮬레이션 결과, 수백 ps 단위의 펄 스를 발생시킬 수 있음을 알 수 있으며, BPSK 모듈레이션이 수행되는 것을 확인할 수 있고, FCC의 전력제한 규정을 만족하는 것을 알 수 있다.
도 8 은 CMOS공정을 이용하여 실제로 제작된 초 광대역 펄스 발생기의 사진이고, 도 9 는 실제 측정 결과이다. 앞서 설명한 대로, 수백 ps 단위의 펄스가 생성되며, FCC의 전력제한규정을 만족하는 것을 알 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1a 는 미 연방통신 위원회(Federal Communications Commission)의 초 광대역신호에 대한 전력제한 규정을 설명하기 위한 일예시도.
도 1b 는 믹서를 사용하여 구현한 기존의 초 광대역 신호발생기를 설명하기 위한 일예시도.
도 1c 는 스위치를 사용하여 구현한 기존의 초 광대역 신호발생기를 설명하기 위한 일예시도.
도 1d 는 펄스 오실레이터를 사용하여 구현한 기존의 초 광대역 신호발생기를 설명하기 위한 일예시도.
도 2 는 본 발명에 따른 초 광대역 신호 발생기에 관한 구성도.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 초 광대역 신호 발생기에 관한 구성도.
도 4 는 링 오실레이터의 신호가 '+' 위상을 가지도록 할 경우 enable(+)와 enable(-)에 입력되는 신호를 나타내는 일예시도.
도 5 는 링 오실레이터의 신호가 '-' 위상을 가지도록 할 경우 enable(+)와 enable(-)에 입력되는 신호를 나타내는 일예시도.
도 6 및 도 7 은 본 발명에 따른 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프.
도 8 은 본 발명에 따른 CMOS공정을 이용하여 실제 IC(Integrated Circuit)로 구현된 초 광대역 신호발생기의 사진도.
도 9 는 도 8 의 실제 측정 결과를 보여주는 그래프.

Claims (9)

  1. 펄스 오실레이터를 이용한 초 광대역 신호 발생기에 있어서,
    양의 전원 공급부 및 음의 전원 공급부로 구성되어 펄스 오실레이터에 전원을 공급하는 전원 공급부;
    양의 스위치부 및 음의 스위치부로 구성되어 상기 양의 전원 공급부 및 음의 전원 공급부에서 펄스 오실레이터로 공급되는 전원을 각각 단속하는 스위치부; 및
    인터버 또는 증폭기를 포함하여 구현된 링 오실레이터로서, 과도응답 특성을 갖는 펄스 오실레이터; 를 포함하되,
    상기 양의 스위치부 또는 음의 스위치부가 동시에 단속하거나, 어느 하나의 스위치부만이 단속하는 것을 특징으로 하며,
    상기 양의 스위치부가 양의 전원 공급부와 링 오실레이터 사이에 위치하여, 상기 링 오실레이터로 공급되는 전원을 단속함으로써, 첫 번째 위상 신호가 발생하며, 상기 음의 스위치부가 음의 전원 공급부와 링 오실레이터 사이에 위치하여, 상기 링 오실레이터로 공급되는 전원을 단속함으로써, 두 번째 위상 신호가 발생하는 것을 특징으로 하는 펄스 오실레이터를 이용한 초 광대역 신호 발생기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발생된 초 광대역 신호는, n-channel 소자와 p-channel 소자에 의해 구성되는 인버터를 거쳐 출력되는 것을 특징으로 하는 펄스 오실레이터를 이용한 초 광대역 신호 발생기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 오실레이터의 동작특성에 변화를 주기 위하여, 상기 링 오실레이터의 구현을 위해 사용된 인버터 또는 증폭기의 입력과 출력 사이에 피드백 회로를 추가하는 것을 특징으로 하는 펄스 오실레이터를 이용한 초 광대역 신호 발생기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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