KR101213473B1

KR101213473B1 - 단일 발진기를 이용한 다중 출력 발진기 및 다중 출력 생성 방법

Info

Publication number: KR101213473B1
Application number: KR1020090039888A
Authority: KR
Inventors: 김광선; 변우진; 강민수; 김봉수; 정태진; 송명선
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-05-07
Filing date: 2009-05-07
Publication date: 2012-12-20
Also published as: KR20100120976A; US20100283550A1; US8120433B2

Abstract

단일 발진기를 이용한 다중 출력 발진기 및 다중 출력 생성 방법이 개시된다. 본 발명은 단일 주파수로부터 복수의 출력 주파수들을 만드는 다중 출력 발진기에 있어서, 단일 주파수를 출력하는 발진기, 단일 주파수를 체배하여 제1주파수를 출력하는 체배기, 단일 주파수를 제1분주비로 분주하는 제1분주기, 제1분주기 출력과 체배기의 출력을 혼합하여 상기 제2주파수를 출력하는 제1혼합기, 단일 주파수를 제2분주비로 분주하는 제2분주기, 제2분주기 출력과 제1혼합기의 출력을 혼합하여 제3주파수를 출력하는 제2혼합기 및 제2분주기 출력과 체배기의 출력을 혼합하여 제4주파수를 출력하는 제3혼합기를 포함함을 특징으로 한다.

다중 출력, 발진기, 분배기, 체배기, 전력 결합기

Description

단일 발진기를 이용한 다중 출력 발진기 및 다중 출력 생성 방법{Multi-output oscillator using single oscillator and method for the same}

본 발명은 다중 출력 발진기 및 다중 출력 생성 방법에 관한 것으로, 특히 단일 발진기에서 출력되는 단일 주파수를 이용여 다중 주파수를 출력하는 다중 출력 발진기 및 다중 출력 생성 방법에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부의 IT 원천기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-013-01, 과제명: 스펙트럼 공학 및 밀리미터파대 전파자원 이용기술개발].

10Gbps급 이상의 초고속 데이터를 전송하기 위해서는 수 GHz이상의 넓은 대역폭이 필요하다. 이러한 넓은 대역폭을 처리하는 방법은 고속의 아날로그-디지털 변환기(ADC)/DAC를 이용하여 하나의 채널로 처리하는 방법과 여러 개의 채널로 나눈 다음 낮은 속도의 ADC/DAC를 이용하는 방법이 있다. 고속의 ADC/DAC를 이용하는 방법은 고가의 부품을 사용하여야 하고, 디지털 처리를 위해서는 낮은 속도로 변환해야 하며, 이를 병렬 처리하는 매우 복잡한 구조를 가져야 한다. 따라서 무선 주파수(RF) 시스템의 구현은 쉬우나 디지털 시스템의 구현이 어려워지고 여러 가지 보상기법의 사용도 어려워져 전체적으로 시스템 성능 구현이 어려워지는 단점이 있다.

다중 채널을 이용하는 방법은 반대로 디지털 처리 속도가 낮으므로 성능을 최대한 높일 수 있어서 구현이 쉬운 반면, RF 시스템에서 여러 경로의 특성을 일정하게 유지하기 위해서 구현도 어려워지고 시스템의 크기도 커진다. 이러한 RF 시스템에서는 서로 다른 주파수를 가진 다중 출력 국부 발진기를 구비하는 문제가 구조의 복잡도와 구현의 어려움 때문에 중요한 부분 중의 하나이다. 특히 다중 출력 국부 발진기에 있어서 가장 중요한 문제는 저가격화를 위한 간단한 구조, 소형화 그리고 채널별 성능 변화를 최소한으로 하는 것이다.

기존의 RF 송수신기에서 다중 출력 발진기를 사용하는 방식은 출력 주파수마다 별도의 발진기를 각각 사용하는 방법과 주파수 체배기와 분주기를 사용하여 발진기의 수를 줄이는 구조적 해결 방법 등이 있다. 별도의 발진기를 사용하는 방법은 국부 발진기의 출력 주파수의 범위가 넓을 경우 각 주파수에 맞는 적절한 발진기의 선택과 위상동기루프 (Phase Locked Loop, PLL)의 사용으로 특성을 최대화 할수 있는 장점이 있는 반면, 국부 발진기 구성에서 가장 부담스러운 부분인 PLL 수가 출력 주파수의 수와 동일하게 많아져야 하고 그에 따라 발진기의 종류도 많아진다. 따라서 전체 크기도 커지고, PLL 수 만큼 제어해야하는 부분도 많아지게 된다.

주파수 체배기를 사용하는 방법은 체배수에 따른 출력 신호의 위상잡음 특성에 차이가 많이 발생하고, 기본 발진기에서 국부 발진기의 출력 주파수 간격 만큼의 신호를 만들어 혼합하는 방법도 채널 수가 4개 이상이 되면 구현이 어려워지고 혼합기의 이미지 성분을 제거해야 하는 어려움이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 하나의 발진기에서 출력되는 단일 주파수를 체배하고, 동일 발진기 출력을 분주한 다음, 체배 주파수와 분주 주파수를 각각 발진 주파수와 혼합함으로써 복수의 주파수를 출력하는 다중 출력 발진기 및 다중 출력 생성 방법을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 이루기 위한, 본 발명은 단일 주파수로부터 복수의 출력 주파수들을 만드는 다중 출력 발진기에 있어서, 상기 단일 주파수를 출력하는 발진기; 상기 단일 주파수를 체배하여 제1주파수를 출력하는 체배기; 상기 단일 주파수를 제1분주비로 분주하는 제1분주기; 상기 제1분주기 출력과 상기 체배기의 출력을 혼합하여 상기 제2주파수를 출력하는 제1혼합기; 상기 단일 주파수를 제2분주비로 분주하는 제2분주기; 상기 제2분주기 출력과 상기 제1혼합기의 출력을 혼합하여 제3주파수를 출력하는 제2혼합기; 및 상기 제2분주기 출력과 상기 체배기의 출력을 혼합하여 제4주파수를 출력하는 제3혼합기를 포함함을 특징으로 한다.

상기 과제를 이루기 위한, 본 발명의 다중 출력 생성 방법은 단일 주파수를 체배하여 제1주파수를 생성하는 단계; 상기 단일 주파수를 제1분주비로 분주하여 제1분주 주파수를 생성하는 단계; 상기 제1분주 주파수를 상기 제1주파수와 혼합하여 제2주파수를 생성하는 단계; 상기 단일 주파수를 제2분주비로 분주하여 제2분주 주파수를 생성하는 단계; 상기 제2분주 주파수를 상기 제2주파수와 혼합하여 제3주 파수를 생성하는 단계; 및 상기 제2분주 주파수를 상기 제1주파수와 혼합하여 제4주파수를 생성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한, 본 발명의 다중 출력 생성 방법은 단일 주파수를 체배하여 제1주파수를 생성하는 단계; 상기 단일 주파수를 제1분주비로 분주하여 제1분주 주파수를 생성하는 단계; 상기 제1분주 주파수를 상기 제1주파수와 혼합하여 제2주파수를 생성하는 단계; 상기 단일 주파수를 제2분주비로 분주하여 제2분주 주파수를 생성하는 단계; 상기 제1 및 제2분주 주파수를 결합하는 단계; 상기 결합된 주파수를 상기 제2주파수와 혼합하여 제1출력 내지 제4출력 주파수를 생성하는 단계; 및 상기 결합된 주파수를 상기 제1주파수와 혼합하여 제5출력 내지 제8출력 주파수를 생성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 다중 채널 전송을 위한 송수신기에서 하나의 발진기를 사용하여 다수의 출력 주파수를 가지는 국부 발진기를 구현함으로써 출력 주파수간 이미지 주파수로 인한 간섭이 생기지 않아 성능 열화가 적고, 주파수 간격의 두 배 이상인 신호를 제거하므로 필터 설계가 용이하다. 또한 하나의 발진기를 사용하므로 전체 구조가 간단하고 구현이 용이하며 최종 출력 주파수 사이의 변화가 동일하게 발생하므로 송수신 시스템에서 주파수 흔들림에 의한 채널간 간섭에 대한 영향이 감소될 수 있다.

또한 최종 혼합기에서 하나의 신호를 사용하는 구조를 단순히 전력 결합기 하나를 사용하여 멀티톤 입력 방식으로 바꿈으로써 출력 주파수의 수를 늘릴 수 있 는 구조로 구조의 변화 없이 확장할 수 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

도 1은 일반적인 다중 채널 전송을 위한 송수신기 구조를 도시한 것이다. 도시된 바에 따르면, 입력된 데이터는 역다중화기(DEMUX, 1)를 거쳐서 여러 채널로 나누어진 후 복수의 변조기(2)에서 각각 변조된다. 중간 주파수 상향 변환기(3)는 변조된 신호들을 제1국부 발진기(6)에서 출력되는 주파수들을 이용하여 미리 정해진 중간 주파수 채널로 상향 변환한다. 채널 결합기(4)는 상향 변환된 채널들을 결합하여 하나의 밴드로 만들고, RF 송신기(5)는 제2국부 발진기(7)에서 출력되는 주파수를 이용하여 하나의 밴드로 결합된 신호를 듀플렉서(8)와 안테나(14)를 통해 송신한다.

수신의 경우는 반대로 안테나(14)에서 입력된 신호가 RF 수신기(13)를 거쳐서 중간 주파수로 하향 변환되면, 채널 분배기(12)는 이 중간 주파수 신호를 각각의 채널로 나누고, 하향 변환기(11)는 제1국부 발진기(6)의 출력 주파수들을 이용하여 중간 주파수 신호를 기저대역 신호로 하향 변환한다. 복조기(10)는 기저대역 신호들을 복조하고 다중화기(9)는 여러 채널 데이터를 하나의 데이터로 모은다.

이때 중간 주파수 상/하향 변환기(3, 11)에 각각의 채널별로 정해진 주파수로 변환하기 위해 서로 다른 출력 주파수를 갖는 다중 출력 중간 주파수 국부 발진기(6)가 필요하게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 다중 출력 발진기(6)에 대한 블록도이다. 도시된 다중 출력 발진기는 발진기(21), 체배기(22), 복수의 분주기(24, 27), 복수의 대역통과필터(BPF, 23, 29, 31) 및 복수의 혼합기(25, 28, 30)를 포함한다. 여기서, 발진기(21)는 PLL을 이용하여 발진신호를 생성한다.

먼저, 발진기(21)에서 출력된 주파수 f0는 체배기(22)를 통해 N배 체배되고, 제1대역통과필터(23)를 통과하여 출력 주파수(f2)로 만들어진다.

f0는 다시 제1분주기(24)에 의해 분주되고, 제1혼합기(25)를 통해 제1출력 주파수와 혼합된 다음, 제2BPF(26)를 통과하여 출력 주파수(f3)로 만들어진다. 이때 제1분주기(24)에 의해 분주된 주파수는 최종 출력 주파수들간의 간격과 동일하게 한다.

f0는 또한 제1분주기(24)보다 2배 차이나는 제2분주기(27)에 의해 분주되고, 제2혼합기(30)를 통해 f2와 혼합된 다음, 제3BPF(31)를 통과하여 출력 주파수(f1)로 만들어진다.

또한 제2분주기(27)에서 출력된 주파수는 제3혼합기(28)를 통해 f1과 혼합되고, 제4BPF(29)를 통과하여 출력 주파수(f4)로 만들어진다.

도 3은 도 2에 도시된 다중 출력 발진기(6)를 사용하여 만들어진 다중 출력 주파수를 도시한 것으로, 도시된 주파수들은 동일한 간격을 갖도록 구성된다.

이때 기본이 되는 주파수 합성기(21)의 체배된 출력(f2)과 그 이웃하는 주파수(f3)가 최종 출력 주파수들 중 가운데 2개라고 가정하면, 혼합기(28, 30)을 거쳐 출력된 이미지 주파수(f2_imag, f3_img)가 도 4에 도시된 바와 같이 원하는 출력 주파수 대역 바깥에 존재하게 된다.

주파수 합성기(21)의 체배된 출력(f2)과 그 이웃하는 주파수(f1)가 최종 출력 주파수들 중 어느 한쪽의 신호라고 하여도, 도 5와 같이 혼합기(28, 30)에서 발생하는 이미지 주파수는 원하는 주파수 대역 바깥에 존재하게 되고(f1_imag, f2_img) 다른 출력 주파수 성분에 영향을 미치지 않는다.

이러한 구조에서 이미지 성분도 사용하게 되면 다른 구조의 변경 없이 6개의 출력을 가진 국부 발진기를 만들 수 있다.

도 6은 도 2에 도시된 발진기에서 중간 주파수가 10GHz이고 주파수 간격이 1.17GHz인 4개의 출력을 가지는 국부 발진기를 도시한 것이다. 이는 도 2에 도시된 발진기에서 체배율 N이 4이고 분주율 M이 1인 경우이다. 이러한 다중 출력 발진기는 도 1과 같은 송수신기에 적용할 수 있고, 현재 세계적으로 분배되어 있는 70/80GHz대역에서 사용 가능한 5GHz 대역폭에 사용할 수 있다.

도 7은 도 2의 구조를 확장하여 8개의 출력 주파수를 가지는 발진기를 도시한 것이다. 도시된 다중 출력 발진기는 발진기(21), 체배기(31), 복수의 분주기(33, 36), 복수의 대역통과필터(32, 35, 40), 복수의 혼합기(34, 38, 39), 전력 결합기(37) 및 대역통과필터 뱅크(40)를 포함한다. 여기서, 발진기(21)는 PLL을 이용하여 발진신호를 생성한다.

발진기(21)에서 출력된 주파수 f0는 체배기(31)를 통해 N배 체배되고, 제1대역통과필터(32)를 통과하여 제1중간 주파수 fa를 출력한다. 이때 체배된 주파수는 출력 주파수들에서 중간에 위치한 주파수들 중 하나가 되게 한다.

f0는 다시 제1분주기(33)에 의해 분주되어 제2중간 주파수 fb로 만들어지고, 제1혼합기(34)를 통해 fa와 혼합된 후, 제2BPF(26)를 통과하여 제3중간 주파수 fc로 만들어진다. 이때 제1분주기(33)의 분주비는 분주된 주파수가 최총 출력 주파수 간격이 되도록 결정된다.

f0는 또한 제1분주기(33)보다 3배 차이나는 제2분주기(36)에 의해 분주되어 제4중간 주파수 fd로 만들어지고, 전력 결합기(37)를 통해 fb와 결합되어 멀티톤으로 만들어진다. 멀티톤은 제2혼합기(38)를 통해 f2와 혼합되어 각 주파수별로 BPF 뱅크(40)를 통과하여 4개의 출력 주파수 (f1, f3, f5, f7)로 만들어진다.

또한 전력 결합기(37)에서 출력된 멀티톤은 제3혼합기(39)를 통해 fa와 혼합되고 BPF 뱅크(40)를 통과하여 4개의 출력 주파수 (f2, f4, f6, f8)로 만들어진다.

도 8은 도 7에 도시된 다중 출력 발진기의 출력 주파수를 도시한 것으로, 도 7에 도시된 제2 및 제3혼합기(38, 39)에서 만들어지는 주파수는 최종 출력 주파수 스펙트럼에서 보면 하나씩 어긋나서 출력되는 구조로 혼합기 출력에서 서로 겹쳐지지 않는다는 것을 알 수 있다.

도 9는 도 7에 도시된 발진기에서 중간 주파수가 7.5GHz이고 주파수 간격이 600MHz인 8개의 출력을 가지는 국부 발진기를 도시한 것이다. 이는 도 7에 도시된 발진기에서 체배율 N이 4이고 분주율 M이 1인 경우이다. 이러한 다중 출력 발진기는 도 1과 같은 송수신기에 적용할 수 있고, 현재 세계적으로 분배되어 있는 70/80GHz대역에서 사용 가능한 5GHz 대역폭에 사용할 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 일반적인 다중 채널 전송을 위한 송수신기 구조를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 다중 출력 발진기에 대한 블록도이다.

도 3은 도 2에 도시된 다중 출력 발진기를 사용하여 만들어진 다중 출력 주파수를 도시한 것이다.

도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 혼합기들에 의해 생성된 주파수들을 각각 도시한 것이다.

도 6은 도 2에 도시된 발진기에서 중간 주파수가 10GHz이고 주파수 간격이 1.17GHz인 4개의 출력을 가지는 국부 발진기를 도시한 것이다.

도 7은 도 2의 구조를 확장하여 8개의 출력 주파수를 가지는 발진기를 도시한 것이다.

도 8은 도 7에 도시된 다중 출력 발진기의 출력 주파수를 도시한 것이다.

도 9는 도 7에 도시된 발진기에서 중간 주파수가 7.5GHz이고 주파수 간격이 600MHz인 8개의 출력을 가지는 국부 발진기를 도시한 것이다.

Claims

단일 주파수로부터 복수의 출력 주파수들을 만드는 다중 출력 발진기에 있어서,

상기 단일 주파수를 출력하는 발진기;

상기 단일 주파수를 체배하여 제1주파수를 출력하는 체배기;

상기 단일 주파수를 제1분주비로 분주하는 제1분주기;

상기 제1분주기 출력과 상기 체배기의 출력을 혼합하여 제2주파수를 출력하는 제1혼합기;

상기 단일 주파수를 제2분주비로 분주하는 제2분주기;

상기 제2분주기 출력과 상기 제1혼합기의 출력을 혼합하여 제3주파수를 출력하는 제2혼합기; 및

상기 제2분주기 출력과 상기 체배기의 출력을 혼합하여 제4주파수를 출력하는 제3혼합기를 포함함을 특징으로 하는 다중 출력 발진기.
제1항에 있어서,

상기 제1 내지 제4 주파수들은 동일한 간격으로 떨어져 있는 주파수들임을 특징으로 하는 다중 출력 발진기.
제2항에 있어서,

상기 제1분주비는 상기 단일 주파수를 분주하여 상기 제1 내지 제4주파수 간 간격에 해당하는 주파수를 출력하도록 결정됨을 특징으로 하는 다중 출력 발진기.
제2항에 있어서,

상기 각 혼합기 다음에는 상기 각 혼합기의 두 출력들 중에서 원하는 주파수를 통과시키는 복수의 대역통과필터들을 더 포함함을 특징으로 하는 다중 출력 발진기.
제1항에 있어서,

상기 제2분주기와 상기 제2혼합기 사이에 상기 제1분주기 출력과 상기 제2분주기 출력을 결합하는 전력 결합기를 더 포함하고, 상기 전력 결합기의 출력을 각각 상기 제2혼합기와 상기 제3혼합기에 출력하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 발진기.
제5항에 있어서,

상기 제2혼합기는 상기 제2주파수와 상기 전력 결합기의 출력을 혼합하여 제1 내지 제4출력 주파수를 출력하고,

상기 제3혼합기는 상기 제1주파수와 상기 전력 결합기의 출력을 혼합하여 제5 내지 제8의 출력 주파수를 출력하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 발진기.
제6항에 있어서,

제1 내지 제8출력 주파수는 동일한 간격으로 떨어져 있는 주파수임을 특징으로 하는 다중 출력 발진기.
제7항에 있어서,

상기 제1분주비는 상기 단일 주파수를 분주하여 상기 제1 내지 제8출력 주파수간 간격에 해당하는 주파수를 출력하도록 결정됨을 특징으로 하는 다중 출력 발진기.
제6항에 있어서,

상기 제2 및 제3혼합기 다음에는 복수의 주파수 출력에 필요한 주파수를 통과시키도록 병렬로 연결된 복수의 대역통과 필터를 포함함을 특징으로 하는 다중 출력 발진기.
단일 주파수를 체배하여 제1주파수를 생성하는 단계;

상기 단일 주파수를 제1분주비로 분주하여 제1분주 주파수를 생성하는 단계;

상기 제1분주 주파수를 상기 제1주파수와 혼합하여 제2주파수를 생성하는 단계;

상기 단일 주파수를 제2분주비로 분주하여 제2분주 주파수를 생성하는 단계;

상기 제2분주 주파수를 상기 제2주파수와 혼합하여 제3주파수를 생성하는 단 계; 및

상기 제2분주 주파수를 상기 제1주파수와 혼합하여 제4주파수를 생성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 다중 출력 생성 방법.
제10항에 있어서,

상기 제1 내지 제4주파수는 동일 주파수 간격을 갖고, 상기 제1분주 주파수는 상기 간격과 동일한 주파수인 것을 특징으로 하는 다중 출력 생성 방법.
단일 주파수를 체배하여 제1주파수를 생성하는 단계;

상기 단일 주파수를 제1분주비로 분주하여 제1분주 주파수를 생성하는 단계;

상기 제1분주 주파수를 상기 제1주파수와 혼합하여 제2주파수를 생성하는 단계;

상기 단일 주파수를 제2분주비로 분주하여 제2분주 주파수를 생성하는 단계;

상기 제1 및 제2분주 주파수를 결합하는 단계;

상기 결합된 주파수를 상기 제2주파수와 혼합하여 제1출력 내지 제4출력 주파수를 생성하는 단계; 및

상기 결합된 주파수를 상기 제1주파수와 혼합하여 제5출력 내지 제8출력 주파수를 생성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 다중 출력 생성 방법.
제12항에 있어서,

상기 제1출력 내지 제8출력 주파수는 동일한 간격을 갖고, 상기 제1분주 주파수는 상기 간격과 동일한 주파수인 것을 특징으로 하는 다중 출력 생성 방법.