KR101264770B1 - 위상동기루프 장치 및 이를 이용한 위성통신 단말기 - Google Patents

위상동기루프 장치 및 이를 이용한 위성통신 단말기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 위상동기루프 장치 및 이를 이용한 위성통신 단말기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 위상동기루프 장치는, 위상동기루프 장치에 있어서, 루프필터; 상기 루프필터의 출력전압에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 전압 제어 발진부; 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 상응하는 발진 주파수를 이용하여 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수를 하향변환하는 주파수 하향변환부; 및 상기 주파수 하향변환부에서 하향변환된 주파수를 분주하는 주파수 분주기를 포함하되, 상기 전압 제어 발진부는, 상기 루프필터의 출력전압과 함께 상기 주파수 하향변환부에서 하향변환된 주파수를 보상하는 오프셋(offset) 전압에 따라 가변되는 주파수를 출력한다.
PLL, 위상잡음(Phase Noise), 전압제어발진기, 광대역, 위성통신

Description

위상동기루프 장치 및 이를 이용한 위성통신 단말기{Phase locked loop apparatus and thereof for terminal in satellite communication}
본 발명은 위상동기루프 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 위상동기루프 장치 및 이를 이용한 위성통신 단말기에 관한 것이다.
본 발명은 방송통신위원회의 IT성장동력기술개발의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제관리번호: 2007-S-008-03, 과제명: 21GHz대역 위성방송 전송기술개발]
위상동기루프(Phase Locked Loop: PLL) 장치는 기준 신호의 주파수와 동일하거나 분주 또는 체배된 주파수의 안정된 발진 출력을 얻는 회로를 말한다. 이러한 위상동기루프 장치는 무선통신 시스템에서 채널을 할당하거나 주파수를 RF(Radio Frequency) 또는 IF(Intermediate Frequency)로 변환하는 국부발진기의 역할을 한다.
도 1은 위상동기루프(PLL) 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 1을 참조하여 살펴보면, 위상동기루프 장치(100)는 위상비교기(Phase Detector:101), 전하펌프(Charge Pump:103), 루프필터(Loop Filter:105), 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator,이하 VCO:107) 및 주파수 분주기(Frequency Divider:109)를 포함한다.
위상비교기(101)는 기준 주파수(fr)와 주파수 분주기(109)로부터 출력된 분주 주파수(fo/N)의 위상 차를 검출하여 그에 따른 신호를 출력한다. 일반적으로, 기준 주파수(fr)는 온도변화에 대해 안정적인 크리스털 발진기(Temperature Compensated X-tal Oscillator, 이하 TCXO)를 통해 출력된다.
전하펌프(103)는 위상비교기(101)의 출력 신호를 전압 레벨로 변환하는 역할을 한다.
루프필터(105)는 전하펌프(103)로부터의 전하를 축적했다가 방출하는 역할과 불필요한 고주파 성분을 포함한 잡음을 필터링하는 역할을 하며, 일반적으로 저역필터(Low Pass Filter:LPF)의 구조를 가진다.
VCO(107)는 입력되는 전압에 비례하는 주파수(fo)를 출력한다.
주파수 분주기(109)는 VCO(107)에서 출력되는 주파수(fo)를 주파수 분주비(N)로 분주하여 분주 주파수(fo/N)를 출력함으로써, 위상비교기(101)에서 기준 주파수(fr)와 위상 비교가 가능하게 한다.
위상잡음(Phase Noise)은 발진주파수나 반송파주파수 등 원하는 주파수의 근방에 나타나는, 신호 성분이 아닌 불필요한 에너지원을 말한다. 이러한 위상동기루프 장치의 위상잡음 특성은 전체 시스템의 성능에 영향을 주게 되므로, 낮은 위상잡음이 요구된다.
따라서 본 발명은 저 위상잡음의 특성을 갖는 위상동기루프 장치 및 이를 이용한 위성통신 단말기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 위상동기루프 장치는, 위상동기루프 장치에 있어서, 루프필터; 상기 루프필터의 출력전압에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 전압 제어 발진부; 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 상응하는 발진 주파수를 이용하여 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수를 하향변환하는 주파수 하향변환부; 및 상기 주파수 하향변환부에서 하향변환된 주파수를 분주하는 주파수 분주기를 포함하되, 상기 전압 제어 발진부는, 상기 루프필터의 출력전압과 함께 상기 주파수 하향변환부에서 하향변환된 주파수를 보상하는 오프셋(offset) 전압에 따라 가변되는 주파수를 출력한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 위성통신 단말기는, 소정의 주파수를 송신하는 위성통신 단말기에 있어서, 위상동기루프 장치; 및 상기 위상동기루프 장치로부터 출력된 주파수를 이용하여 송신하고자 하는 주파수를 변환하는 제1혼합기를 포함하되, 상기 위상동기루프 장치는, 루프필터; 상기 루프필터의 출력전압에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 전압 제어 발진부; 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 상응하는 발진 주파수를 이용하여 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수를 하향변환하는 주파수 하향변환부; 및 상기 주파수 하향변환부에서 하향변환된 주파수를 분주하는 주파수 분주기를 포함하되, 상기 전압 제어 발진부는, 상기 루프필터의 출력전압과 함께 상기 주파수 하향변환부에서 하향변환된 주파수를 보상하는 오프셋(offset) 전압에 따라 가변되는 주파수를 출력한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 위성통신 단말기는, 소정의 주파수를 수신하는 위성통신 단말기에 있어서, 위상동기루프 장치; 및 상기 위상동기루프 장치로부터 출력된 주파수를 이용하여 수신 주파수를 변환하는 제1혼합기를 포함하되, 상기 위상동기루프 장치는, 루프필터; 상기 루프필터의 출력전압에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 전압 제어 발진부; 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 상응하는 발진 주파수를 이용하여 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수를 하향변환하는 주파수 하향변환부; 및 상기 주파수 하향변환부에서 하향변환된 주파수를 분주하는 주파수 분주기를 포함하되, 상기 전압 제어 발진부는, 상기 루프필터의 출력전압과 함께 상기 주파수 하향변환부에서 하향변환된 주파수를 보상하는 오프셋(offset) 전압에 따라 가변되는 주파수를 출력한다.
삭제
본 발명에 의하면, 위상동기루프의 위상잡음을 줄일 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 위상동기루프가 광대역의 국부발진 신호를 발생하는 경우에도 낮은 주파수 대역과 높은 주파수 대역에서 모두 낮은 위상잡음 특성을 갖게 된다.
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예들 뿐만 아니라 특정 실시예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서 예를 들어, 본 명세서의 블럭도는 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 기능 블럭을 포함하는 도면에 도시된 다양한 소자의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 상기 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다.
또한, 프로세서, 제어 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 명확한 사용은 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니되고, 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하기 위한 롬(ROM), 램(RAM) 및 비 휘발성 메모리를 암시적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 주지관용의 다른 하드웨어도 포함될 수 있다.
본 명세서의 청구범위에서, 상세한 설명에 기재된 기능을 수행하기 위한 수단으로 표현된 구성요소는 예를 들어 상기 기능을 수행하는 회로 소자의 조합 또는 펌웨어/마이크로 코드 등을 포함하는 모든 형식의 소프트웨어를 포함하는 기능을 수행하는 모든 방법을 포함하는 것으로 의도되었으며, 상기 기능을 수행하도록 상기 소프트웨어를 실행하기 위한 적절한 회로와 결합된다. 이러한 청구범위에 의해 정의되는 본 발명은 다양하게 열거된 수단에 의해 제공되는 기능들이 결합되고 청구항이 요구하는 방식과 결합되기 때문에 상기 기능을 제공할 수 있는 어떠한 수단도 본 명세서로부터 파악되는 것과 균등한 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은, 국부발진 신호를 발생하는 위상동기루프의 출력 주파수가 속하는 대역에 따라 각각 다른 국부발진 주파수를 이용하여 위상동기루프의 출력 주파수를 하향변환함으로써, 주파수 분주비를 낮추어 저 위상잡음 특성을 갖게 한다.
도 1은 위상동기루프(PLL) 장치의 구성을 나타내는 블럭도이고, 도 2는 위상동기루프(PLL) 장치의 위상잡음 특성을 나타내는 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 살펴보면, 위상동기루프 장치(100)의 위상잡음(200)은 루프필터(105)의 대역(Wc) 내에서는 TCXO와 같은 기준 발진기 신호의 위상잡음(210)을 따라가다가, 주파수 분주비(N)만큼 증가하게 된다. 루프필터(105)의 대역(Wc) 밖에서는 VCO(107)의 위상잡음(220)을 따라가게 된다.
위상동기루프 장치(100)에서 체배된 잡음(NM)은 다음의 식 [1]과 같다.
NM = 1Hz Noise floor + 10log(Fcomp) + 20log(N) [1]
식 [1]에서 1Hz Noise floor는 위상동기루프 IC(Integrated Circuit)의 고유의 잡음으로, 주파수 분주비(N)가 1이고, 위상비교기(101)의 주파수(Fcomp)가 1Hz일 때의 잡음을 말한다. 위상비교기(101)의 주파수(Fcomp)는 위상비교기(101)에서 분주 주파수(fo/N)와 비교되는 주파수를 말한다. 이는 기준 주파수(fr)가 될 수도 있고, 기준 주파수(fr)를 다른 분주비 K로 분주하여 분주 주파수(fo/N)와 비교하는 경우에는 fr/K가 될 수 있다.
식 [1]에서 알 수 있듯이, 위상동기루프 장치(100)에서 체배된 잡음(NM)은 주파수 분주비(N)와 위상비교기(101)의 주파수(Fcomp)가 클수록 증가한다. 이때, 위상비교기(101)의 주파수(Fcomp)는 정해진 값이므로, 위상동기루프 장치(100)의 위상잡음 특성을 좋게 하기 위해서는 루프필터(105)의 대역(Wc) 내에서는 주파수 분주비(N)를 낮추어야 하고, 루프필터(105)의 대역(Wc) 밖에서는 위상잡음 특성이 우수한 VCO(107)를 사용하여야 한다.
도 3은 오프셋 위상동기루프(Offset PLL) 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3을 참조하여 살펴보면, 오프셋 위상동기루프 장치(300)는 위상비교기(101), 전하펌프(103), 루프필터(105), VCO(107), 혼합기(Mixer:310), 고정형 PLL(Fixed PLL:320), 저역필터(LPF:330) 및 주파수 분주기(109)를 포함한다. 도 1의 구성요소와 공통되는 구성요소에 대해서는 앞에서 설명되었으므로, 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다.
고정형 PLL(320)은 정해진 주파수(f1)를 출력하는 PLL이다.
혼합기(310)는 고정형 PLL(320)이 출력한 주파수(f1)를 이용하여 VCO(107)의 출력 주파수(fo)를 하향변환한다.
저역필터(330)는 혼합기(310)의 출력 주파수를 저역 필터링하여 하향변환된 주파수(fd)를 출력한다.
따라서 위상동기루프 장치(100)에서는 VCO(107)의 출력 주파수(fo)가 주파수 분주기(109)에서 분주되나, 오프셋 위상동기루프 장치(300)에서는 하향변환된 주파수(fd)가 분주되므로, 주파수 분주비(N)가 작아지게 되어 위상잡음을 줄일 수 있게 된다.
그러나 오프셋 위상동기루프 장치(300)는 위성통신과 같이 광대역의 국부발진 신호를 발생하여야 하는 경우, 주파수가 낮은 경우에는 주파수 분주비(N)를 작게 할 수 있으나 주파수가 높은 경우에는 주파수 분주비(N)가 커지게 된다. 따라서 오프셋 위상동기루프 장치(300)는 낮은 주파수 대역과 높은 주파수 대역에서의 위상잡음의 성능에 차이가 발생하게 된다.
예를 들면, 오프셋 위상동기루프 장치(300)의 출력 주파수(fo)가 1~2GHz인 경우의 위상잡음 NM을 구해보자. 이때, 위상비교기(101)의 주파수(Fcomp)는 200KHz이고, 1Hz Noise floor는 -200dBc/Hz, 그리고 고정형 PLL(320)의 출력 주파수(f1)는 900MHz라고 가정한다. 하향변환된 주파수 fd와 주파수 분주비 N은 다음 식 [2]와 [3]을 이용하여 구하고, 위상잡음 NM은 식 [1]을 이용하여 구한다.
fd = fo - f1 [2]
N = fd / Fcomp [3]
오프셋 위상동기루프 장치(300)의 출력 주파수(fo)가 1GHz인 경우는 다음과 같다.
N = fd(1GHz-900MHz=100MHz) / Fcomp(200KHz) = 500
NM = -200 + 10log(200000) + 20log(500) = -93.1dBc/Hz
오프셋 위상동기루프 장치(300)의 출력 주파수(fo)가 1.5GHz인 경우는 다음과 같다.
N = fd(1.5GHz-900MHz=600MHz) / Fcomp(200KHz) = 3000
NM = -200 + 10log(200000) + 20log(3000) = -77dBc/Hz
오프셋 위상동기루프 장치(300)의 출력 주파수(fo)가 2GHz인 경우는 다음과 같다.
N = fd(2GHz-900MHz=1100MHz) / Fcomp(200KHz) = 5500
NM = -200 + 10log(200000) + 20log(5500) = -72.2dBc/Hz
위의 식에서 알 수 있듯이, 오프셋 위상동기루프 장치(300)의 출력 주파수(fo)가 1GHz인 경우와 2GHz인 경우, 주파수 분주비(N)의 차이가 커지고, 위상잡음은 최대 20dB정도의 차이가 발생한다.
따라서 오프셋 위상동기루프 장치(300)는 광대역의 국부발진 신호를 발생하여야 하는 경우, 낮은 주파수 대역과 달리, 높은 주파수 대역에서는 주파수 분주비(N)가 커짐으로 인해 위상잡음이 커지는 문제점이 발생한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상동기루프(PLL) 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 4를 참조하여 살펴보면, 위상동기루프 장치(400)는 루프필터(Loop Filter:405), 전압 제어 발진부(Voltage Controlled Oscillating Unit:407), 주파수 하향변환부(Frequency Down Converting Unit:409) 및 주파수 분주기(Frequency Divider:411)를 포함한다.
루프필터(405)는 소정의 전압을 출력한다. 일 실시예로, 입력되는 전하를 축적했다가 방출하며, 불필요한 고주파 성분을 포함한 잡음을 필터링할 수 있다. 일반적으로 저역필터(Low Pass Filter:LPF)의 구조를 가진다.
전압 제어 발진부(407)는 루프필터(405)에서 출력되는 전압에 따라 가변되는 주파수(fo)를 출력한다.
주파수 하향변환부(409)는 전압 제어 발진부(407)로부터 출력되는 주파수(fo)가 속하는 대역에 따라 각각 다른 국부발진 주파수를 이용하여 출력 주파수(fo)를 하향변환한다.
주파수 분주기(411)는 주파수 하향변환부(409)에서 하향변환된 주파수(fd)를 주파수 분주비(N)로 분주하여 분주 주파수(fd/N)를 출력한다.
또한, 위상동기루프 장치(400)는 필수 구성요소는 아니지만, 일반적인 PLL처럼 위상비교기(Phase Detector:401) 및 전하펌프(Charge Pump:403)를 더 포함할 수 있다.
위상비교기(401)는 기준 주파수(fr)와 주파수 분주기(411)로부터 출력된 분주 주파수(fd/N)의 위상 차를 검출하여 그에 따른 신호를 출력한다. 일반적으로, 기준 주파수(fr)는 온도변화에 대해 안정적인 크리스털 발진기(Temperature Compensated X-tal Oscillator, TCXO)를 통해 출력된다.
전하펌프(403)는 위상비교기(401)의 출력 신호를 전압 레벨로 변환하여 루프필터(405)로 출력한다.
다음은, 주파수 하향변환부(409)에서 출력 주파수(fo)를 하향변환하는 것에 대해 상세히 설명하고자 한다.
먼저, 위상동기루프 장치(400)의 출력 주파수(fo)의 대역을 n개(n >= 2)로 나눈다. 주파수 하향변환부(409)는 출력 주파수(fo)가 속하는 대역에 따라 다른 국부발진 주파수를 이용하여 출력 주파수(fo)를 하향변환한다. 본 발명의 목적에 따라 주파수 분주비(N)를 낮추기 위해서는 하향변환된 주파수(fd)가 작아야 한다. 따라서 출력 주파수(fo)가 속하는 대역이 높은 대역일수록 높은 국부발진 주파수를 이용하여 하향변환한다. 예를 들어, 위상동기루프 장치(400)의 출력 주파수(fo)가 1~2GHz인 경우, 출력 주파수(fo)의 대역을 대역 1(1GHz이상 1.5GHz미만)과 대역 2(1.5GHz 이상 2GHz이하)로 나누고, 출력 주파수(fo)가 대역 1에 속하는 경우에는 900MHz만큼 하향변환하고, 출력 주파수(fo)가 대역 2에 속하는 경우에는 1400MHz만큼 하향변환할 수 있다.
출력 주파수(fo)가 1GHz인 경우에는 출력 주파수(fo)가 대역 1에 속하게 되므로 900MHz만큼 하향변환되어 하향변환된 주파수(fd)는 100MHz가 된다. 출력 주파수(fo)가 1.5GHz인 경우에는 출력 주파수(fo)가 대역 2에 속하게 되므로 1400MHz만큼 하향변환되어 하향변환된 주파수(fd)는 100MHz가 된다. 이렇듯, 출력 주파수(fo)는 1GHz와 1.5GHz로 다르나, 주파수 하향변환부(409)에서 하향변환된 주파수(fd)는 100MHz로 동일하게 되므로, 그 이후에 루프필터(405)의 출력전압에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 전압 제어 발진부(407)가 이를 구별하여 출력할 수 없게 된다. 대역 2에서는 대역 1에서보다 더 높은 주파수를 이용하여 출력 주파수(fo)를 하향변환하므로, 전압 제어 발진부(407)는 이 차이를 보상하는 제어신호(오프셋 전압,413)를 루프필터(405)의 출력전압과 함께 입력받아 원하는 주파수를 출력한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상동기루프(PLL) 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 5를 참조하여 살펴보면, 위상동기루프 장치(500)는 루프필터(405), 전압 제어 발진부(407), 주파수 하향변환부(409) 및 주파수 분주기(411)를 포함한다. 또한, 위상동기루프 장치(500)는 필수 구성요소는 아니지만, 일반적인 PLL처럼 위상비교기(Phase Detector:401) 및 전하펌프(Charge Pump:403)를 더 포함할 수 있다. 도 4의 실시예와 공통되는 구성요소에 대해서는 전술한 실시예에서 설명되었으므로, 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다.
전압 제어 발진부(407)는 가산기(510) 및 전압제어발진기(VCO:520)를 포함한다.
가산기(510)는 루프필터(405)의 출력전압에 전술한 실시예에서 설명한 제어신호(오프셋 전압,413)를 합산한다. 도 6을 참조하여 살펴보면, VCO의 출력 주파수(fo)는 제어전압이 올라감에 따라 증가하는 특성을 가진다. 그러므로 출력 주파수(fo)가 높은 주파수 대역에 속하는 경우에는 주파수 하향변환부(409)에서 하향변환에 이용하는 주파수들의 차이를 보상하기 위해 오프셋 전압(V_Offset)을 더함으로써 VCO가 높은 대역의 주파수도 출력할 수 있게 한다. 일 실시예로, 오프셋 전압(V_Offset)은 소정의 룩업 테이블(Lookup Table)에서 주파수의 차이에 대응하는 전압의 값으로 구할 수 있다. 따라서 도 5의 제어신호(413)는 오프셋 전압(V_Offset)일 수 있다.
VCO(520)는 가산기(510)에서 합산된 전압에 따라 가변되는 주파수(fo)를 출력한다.
주파수 하향변환부(409)는 가변주파수 발진기(530), 혼합기(540), 및 저역필터(LPF:550)를 포함한다.
가변주파수 발진기(530)는 VCO(520)로부터 출력되는 주파수(fo)의 대역에 따라 가변되는 주파수를 출력한다. 전술한 실시예에 따르면, 출력 주파수(fo)가 대역 1에 속하는 경우, 가변주파수 발진기(530)는 900MHz를 출력하고, 출력 주파수(fo)가 대역 2에 속하는 경우에는 1400MHz를 출력한다.
이때, 가변주파수 발진기(530)는 출력 주파수(fo)의 대역에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 하나의 발진기를 사용할 수도 있고, 출력 주파수(fo)의 대역에 따라 각각 정해진 주파수를 출력하는 복수의 국부발진기를 사용할 수도 있다. 위상동기루프 장치(500)의 출력 주파수(fo)의 대역을 n(n>=2)개로 나눈 경우, 가변주파수 발진기(530)는 n개의 국부발진기를 포함할 수 있다. 국부발진기 1(530-1)부터 국부발진기 n(530-n)은 VCO(520)로부터 출력되는 주파수(fo)의 대역에 따라 각각 정해진 주파수를 출력한다. 국부발진기 1(530-1)은 대역 1에 속하는 출력 주파수(fo)를 하향변환하는데 이용할 주파수를 출력하고, 국부발진기 n(530-n)은 대역 n에 속하는 출력 주파수(fo)를 하향변환하는데 이용할 주파수를 출력한다. 전술한 실시예에 따르면, 국부발진기 1(530-1)은 VCO(520)의 출력 주파수(fo)가 대역 1에 속하는 경우 900MHz를 출력하고, 국부발진기 2는 VCO(520)의 출력 주파수(fo)가 대역 2에 속하는 경우 1400MHz를 출력하게 된다. 국부발진기 1(530-1)부터 국부발진기 n(530-n)은 PLL(Phase Locked Loop)일 수 있다.
가변주파수 발진기(530)는 복수의 국부발진기를 사용하는 경우에, 복수의 국부발진기들 중에서, VCO(520)로부터 출력되는 주파수(fo)의 대역에 대응하는 하나의 국부발진기를 구동하여, 구동된 국부발진기로 하여금 해당하는 주파수를 출력하게 한다.
혼합기(540)는 가변주파수 발진기(530)로부터 출력되는 주파수를 이용하여 출력 주파수(fo)를 하향변환한다.
저역필터(LPF:550)는 불필요한 고주파 성분을 포함한 잡음을 제거하기 위해 혼합기(540)에서 출력한 주파수를 저역 필터링한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상동기루프(PLL) 장치의 구동 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하여 살펴보면, 위상동기루프 장치는 그 자신이 출력하는 출력 주파수(fo)의 대역에 따라 각각 다른 국부발진 주파수를 이용하여, 출력 주파수(fo)를 하향변환한다(701). 위상동기루프 장치의 출력 주파수(fo)의 대역은 n(n>=2)개로 나눌 수 있고, 각 대역마다 다른 국부발진 주파수를 이용하여 출력 주파수(fo)를 하향변환한다. 전술한 바와 같이, 출력 주파수(fo)의 대역이 높은 대역일수록 높은 주파수를 이용하여 하향변환한다.
도 8a를 참조하여 살펴보면, 일 실시예로 701단계는 다음 세 단계로 구현될 수 있다. 먼저, 위상동기루프 장치의 출력 주파수(fo)의 대역에 따라 가변되는 주파수를 출력한다(701-1). 이는 가변되는 주파수를 출력하는 하나의 발진기를 사용할 수도 있고, 출력 주파수(fo)의 대역에 따라 각각 정해진 주파수를 출력하는 복수의 국부발진기를 사용할 수도 있다. 상세한 설명은 도 5에서 전술한 바와 같다. 복수의 국부발진기는 PLL(Phase Locked Loop)일 수 있다.
위상동기루프 장치는 701-1단계에서 출력되는 주파수를 이용하여 위상동기루프 장치의 출력 주파수(fo)를 하향변환한다(701-2). 예를 들면, 이는 혼합기를 사용하여 하향변환할 수 있다.
위상동기루프 장치는 701-2단계에서 하향변환된 주파수(fd)를 저역 필터링한다(701-3). 이는 저역필터(LPF)를 통해 필터링할 수 있다.
위상동기루프 장치는 701단계에서 하향변환된 주파수(fd)를 주파수 분주비(N)로 분주하고(703), 분주된 주파수(fd/N)를 기준 주파수(fr)와 비교하여 그 위상 차를 검출한다(705). 이때, 기준 주파수(fr)는 온도변화에 대해 안정적인 크리스털 발진기(TCXO)를 통해 출력될 수 있다.
위상동기루프 장치는 705단계에서 검출한 위상 차에 따라 전압을 제어한다(707). 707단계에서 제어된 전압과 701단계에서 하향변환된 주파수(fd)를 보상하는 제어신호(오프셋 전압)에 따라 가변되는 출력 주파수(fo)를 출력한다(709). 709단계에서 출력되는 출력 주파수(fo)는 도 7에 도시된 바와 같이 701단계로 입력된다.
도 8b를 참조하여 살펴보면, 일 실시예로 709단계는 다음 두 단계로 구현될 수 있다. 위상동기루프 장치는 707단계에서 제어된 전압에 701단계에서 하향변환에 이용하는 주파수들의 차이를 보상하는 오프셋 전압을 합산하여(709-1), 합산된 전압에 따라 위상동기루프 장치의 출력 주파수(fo)를 출력한다(709-2).
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 위성통신 단말기에서 위상동기루프를 사용하는 개략적인 구성을 나타내는 블럭도이다.
일반적으로 무선통신(Radio Communication)이란 전파를 통하여 신호, 부호, 영상, 음성 등의 정보를 교신할 수 있는 것을 통칭하며, 그 중에서 대기권 밖의 상공에 쏘아 올린 인공위성으로 하여금 통신을 중계하게 하는 무선통신을 위성통신(Satellite communication)이라 한다.
도 9a를 참조하여 살펴보면, 위성통신 단말기는 넓은 주파수 대역 내에서 중심국으로부터 할당받은 임의의 주파수(907)에 신호를 전송하고자 한다. 위상동기루프(903)는 위성통신 단말기가 송신하고자 하는 주파수(907)에 따라 광대역의 국부발진 신호를 생성한다. 혼합기(905)는 송신하고자 하는 신호(901)를 입력받아 위상동기루프(903)에서 출력한 주파수를 이용하여 원하는 주파수(907)로 변환한다.
또한, 위성통신 단말기가 광대역의 신호를 수신하는 경우도 마찬가지이다. 도 9b를 참조하여 살펴보면, 위상동기루프(913)는 위성통신 단말기가 수신한 주파수(911)에 따라 광대역의 국부발진 신호를 생성한다. 혼합기(915)는 수신 주파수(911)를 입력받아 위상동기루프(913)에서 출력한 주파수를 이용하여 원하는 주파수(917)로 변환한다.
본 발명의 위상동기루프 장치나 그 구동 방법을 이용하여 광대역의 신호를 발진하는 경우, 위상잡음이 어떻게 되는지 살펴보자. 위에서 설명한 예처럼 위상동기루프 장치의 출력 주파수(fo)가 1~2GHz이고, 출력 주파수(fo)의 대역을 대역 1(1GHz이상 1.5GHz미만)과 대역 2(1.5GHz 이상 2GHz이하)로 나누는 경우를 살펴보자.
이때, 위상비교기(401)의 주파수(Fcomp)는 200KHz이고, 1Hz Noise floor는 -200dBc/Hz이다. 그리고 국부발진기 1은 출력 주파수(fo)가 대역 1에 있는 경우 900MHz를 출력하고, 국부발진기 2는 출력 주파수(fo)가 대역 2에 있는 경우 1400MHz를 출력한다.
하향변환된 주파수 fd와 주파수 분주비 N은 위의 식 [2]와 [3]을 이용하여 구하고, 위상잡음 NM은 식 [1]을 이용하여 구한다.
위상동기루프 장치의 출력 주파수(fo)가 1GHz인 경우는 다음과 같다.
N = fd(1GHz-900MHz=100MHz) / Fcomp(200KHz) = 500
NM = -200 + 10log(200000) + 20log(500) = -93.1dBc/Hz
위상동기루프 장치의 출력 주파수(fo)가 1.5GHz인 경우는 다음과 같다.
N = fd(1.5GHz-1400MHz=100MHz) / Fcomp(200KHz) = 500
NM = -200 + 10log(200000) + 20log(500) = -93.1dBc/Hz
위상동기루프 장치의 출력 주파수(fo)가 2GHz인 경우는 다음과 같다.
N = fd(2GHz-1400MHz=600MHz) / Fcomp(200KHz) = 3000
NM = -200 + 10log(200000) + 20log(3000) = -77dBc/Hz
위의 식에서 알 수 있듯이, 오프셋 위상동기루프 장치(300)의 경우에 비해 주파수 분주비(N)가 작아졌고, 그에 따라 위상잡음이 줄어들었다. 즉, 본 발명의 위상동기루프 장치는 광대역의 국부발진 신호를 생성하는 경우에도, 주파수 분주비(N)를 낮추어 위상잡음을 줄일 수 있다. 더 나아가, 위상동기루프 장치의 출력 주파수(fo)의 대역을 3개로 나누는 경우에는 위의 결과보다 더 나은 성능을 얻을 수 있다.
삭제
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
본 발명은 저 위상잡음의 특성을 가지는 국부발진 신호를 생성하는 데에 사용된다.
도 1은 위상동기루프(PLL) 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 위상동기루프(PLL) 장치의 위상잡음 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 오프셋 위상동기루프(Offset PLL) 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상동기루프(PLL) 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상동기루프(PLL) 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 6은 전압제어발진기의 제어전압과 출력 주파수의 관계를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상동기루프(PLL) 장치의 구동 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상동기루프(PLL) 장치의 구동 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 위성통신 단말기에서 위상동기루프를 사용하는 개략적인 구성을 나타내는 블럭도이다.

Claims (15)

  1. 위상동기루프 장치에 있어서,
    루프필터;
    상기 루프필터의 출력전압에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 전압 제어 발진부;
    상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 상응하는 발진 주파수를 이용하여 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수를 하향변환하는 주파수 하향변환부; 및
    상기 주파수 하향변환부에서 하향변환된 주파수를 분주하는 주파수 분주기를 포함하되,
    상기 전압 제어 발진부는,
    상기 루프필터의 출력전압과 함께 상기 주파수 하향변환부에서 하향변환된 주파수를 보상하는 오프셋(offset) 전압에 따라 가변되는 주파수를 출력하는, 위상동기루프 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 제어 발진부는,
    상기 루프필터의 출력전압에 상기 오프셋 전압을 합산하는 가산기; 및
    상기 가산기의 출력전압에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 전압 제어 발진기
    를 포함하는 위상동기루프 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 주파수 하향변환부는,
    상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 가변주파수 발진기;
    상기 가변주파수 발진기로부터 출력되는 주파수를 이용하여 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수를 하향변환하는 혼합기; 및
    상기 혼합기에서 출력되는 주파수를 저역 필터링하는 저역필터(LPF)
    를 포함하는 위상동기루프 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가변주파수 발진기는,
    상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 따라 각각 기 정해진 주파수를 출력하는 복수의 국부발진기를 포함하고,
    상기 복수의 국부발진기 중, 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 상응하는 하나의 국부발진기가 구동되며,
    상기 구동된 국부발진기가 기 정해진 주파수를 출력하는, 위상동기루프 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 국부발진기는, PLL(Phase Locked Loop)인, 위상동기루프 장치.
  6. 소정의 주파수를 송신하는 위성통신 단말기에 있어서,
    위상동기루프 장치; 및
    상기 위상동기루프 장치로부터 출력된 주파수를 이용하여 송신하고자 하는 주파수를 변환하는 제1혼합기를 포함하되,
    상기 위상동기루프 장치는,
    루프필터;
    상기 루프필터의 출력전압에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 전압 제어 발진부;
    상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 상응하는 발진 주파수를 이용하여 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수를 하향변환하는 주파수 하향변환부; 및
    상기 주파수 하향변환부에서 하향변환된 주파수를 분주하는 주파수 분주기를 포함하되,
    상기 전압 제어 발진부는,
    상기 루프필터의 출력전압과 함께 상기 주파수 하향변환부에서 하향변환된 주파수를 보상하는 오프셋(offset) 전압에 따라 가변되는 주파수를 출력하는, 위성통신 단말기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전압 제어 발진부는,
    상기 루프필터의 출력전압에 상기 오프셋 전압을 합산하는 가산기; 및
    상기 가산기의 출력전압에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 전압 제어 발진기
    를 포함하는 위성통신 단말기.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 주파수 하향변환부는,
    상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 가변주파수 발진기;
    상기 가변주파수 발진기로부터 출력되는 주파수를 이용하여 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수를 하향변환하는 제2혼합기; 및
    상기 제2혼합기에서 출력되는 주파수를 저역 필터링하는 저역필터(LPF)
    를 포함하는 위성통신 단말기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가변주파수 발진기는,
    상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 따라 각각 기 정해진 주파수를 출력하는 복수의 국부발진기를 포함하고,
    상기 복수의 국부발진기 중, 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 상응하는 하나의 국부발진기가 구동되며,
    상기 구동된 국부발진기가 기 정해진 주파수를 출력하는, 위성통신 단말기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 국부발진기는, PLL(Phase Locked Loop)인, 위성통신 단말기.
  11. 소정의 주파수를 수신하는 위성통신 단말기에 있어서,
    위상동기루프 장치; 및
    상기 위상동기루프 장치로부터 출력된 주파수를 이용하여 수신 주파수를 변환하는 제1혼합기를 포함하되,
    상기 위상동기루프 장치는,
    루프필터;
    상기 루프필터의 출력전압에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 전압 제어 발진부;
    상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 상응하는 발진 주파수를 이용하여 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수를 하향변환하는 주파수 하향변환부; 및
    상기 주파수 하향변환부에서 하향변환된 주파수를 분주하는 주파수 분주기를 포함하되,
    상기 전압 제어 발진부는,
    상기 루프필터의 출력전압과 함께 상기 주파수 하향변환부에서 하향변환된 주파수를 보상하는 오프셋(offset) 전압에 따라 가변되는 주파수를 출력하는, 위성통신 단말기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전압 제어 발진부는,
    상기 루프필터의 출력전압에 상기 오프셋 전압을 합산하는 가산기; 및
    상기 가산기의 출력전압에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 전압 제어 발진기
    를 포함하는 위성통신 단말기.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 주파수 하향변환부는,
    상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 따라 가변되는 주파수를 출력하는 가변주파수 발진기;
    상기 가변주파수 발진기로부터 출력되는 주파수를 이용하여 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수를 하향변환하는 제2혼합기; 및
    상기 제2혼합기에서 출력되는 주파수를 저역 필터링하는 저역필터(LPF)
    를 포함하는 위성통신 단말기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가변주파수 발진기는,
    상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 따라 각각 기 정해진 주파수를 출력하는 복수의 국부발진기를 포함하고,
    상기 복수의 국부발진기 중, 상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 주파수가 속하는 대역에 상응하는 하나의 국부발진기가 구동되며,
    상기 구동된 국부발진기가 기 정해진 주파수를 출력하는, 위성통신 단말기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 국부발진기는, PLL(Phase Locked Loop)인, 위성통신 단말기.
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