KR101768358B1 - 고효율 고집적 수신기 - Google Patents

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Abstract

고효율 고집적 수신기가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 레이더 수신기는, 레이더 신호를 수신하는 수신부, 수신부의 수신 신호의 저주파 대역의 크기를 감쇄시키는 처리부, 처리부의 출력 신호를 저주파 필터링하는 필터부 및 필터부의 출력 신호를 A/D 변환하는 ADC를 포함한다. 이에 의해, 저해상도의 ADC를 사용하면서도 다양한 거리의 목표물에서 반사되는 신호들을 모두 복조할 수 있게 되어, 제조 단가와 전력 소모를 낮출 수 있게 된다.

Description

고효율 고집적 수신기{High-Efficiency High-Integrated Receiver}
본 발명은 레이더 수신기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량용, 물체탐지용, 군용 레이더를 위한 수신기의 베이스밴드 회로에 관한 것이다.
도 1은 기존의 레이더 수신기 구조를 나타낸 도면이다. 레이더 시스템은 아주 가까운 거리에서 아주 먼 거리까지에 위치한 목표물로부터의 신호를 수신하여 복조하여야 한다.
도 1에서 연두색으로 표시된 구성들은 하나의 IC로 구현되는데, 도시된 바와 같이, ALPF(level Adjustment Low Pass Filter)는 칩 내에 집적화 되지 않음을 확인할 수 있다.
레이더 수신기에서 가까운 거리에 있는 신호는 매우 큰 파워를 가지고 ALPF에 인가되므로, 이런 상황을 견딜 수 있는 높은 선형성을 가지고 있는 회로가 필요하기 때문이다.
도 2은 기존의 또 다른 레이더 수신기 구조이다. 도 2에 도시된 레이더 수신기의 경우도, 베이스밴드 회로는 칩 내에 집적화되지 않고 IF 증폭기를 이용하여 외부에서 아날로그 신호처리를 수행하고 있다.
ALPF에 다양한 거리로부터 신호가 동시에 들어온다는 것은, 곧 입력되는 신호들의 크기가 다양하다는 의미이다.
도 3은 ALPF(level Adjustment Low Pass Filter)에 입력되는 신호 스펙트럼이다. 도 3에서는 레이더의 프런트 엔드(Front End) 칩의 이득이 20dB 이고 1m, 5m, 10m, 50m 떨어진 목표물들(M1, M3, M6, M9)이 있는 것을 가정하였을 때, ALPF의 입력 신호들을 나타내었다. 레이더의 경우 신호는 거리의 4승에 반비례하므로, 도 3에 나타난 바와 같이 입력 신호 크기의 다양성 문제가 나타난다.
그리고, 이 문제는 ALPF의 출력 파워 레인지를 높여, 다음 단인 ADC의 해상도를 높아지게 한다. 아래 수학식과 도 4는 입력 신호의 영역에 따른 ADC 해상도 특성을 보여 준다.
SNR(dB) = 3.02N+1.76
위 수학식에서 N은 Bit 수를 나타낸다.
도 3에서 1m 떨어진 목표물(M1)로 인해 650 kHz에 -3.7dBm의 신호가 입력되는데, 수신기의 선형성을 확보하기 위하여 10dB back-off를 가정한다면 ALPF의 IP1dB는 6.3dBm 이상이 되어야 한다.
하지만, 이 수치는 반도체 IC로 구현하기에 어려움이 따르는 수치이다. 또한, 제일 큰 신호와 제일 작은 신호간에 크기가 66dB 가량 차이가 나게 되는데, 이는 ADC가 적어도 11bit 이상은 되어야 복조할 수 있는 것이다.
이와 같은 결과는 신호가 목표물로부터 거리의 4승에 반비례하기 때문에 발생하는 현상이다.
게다가, 도 1에서 사용되고 있는 델타-시그마 ADC는 고해상도 ADC에 해당 한다. 이러한 고해상도 ADC는 Bit 수를 1bit 증가함에 따라 파워 소모를 4배 늘려야 하는 문제점도 가지고 있다.
나아가, 더욱 문제가 되는 것은 최근에 고속 ADC를 요구하고 있다는 점인데, 고속의 고해상도 ADC는 굉장히 고가이며 파워 소모도 기하급수적으로 증가하는 문제점을 안고 있다.
가격과 파워 측면의 문제를 극복한 고해상도 레이더 시스템을 위한 새로운 수신기 구조에 대한 모색이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 저해상도의 ADC로 신호 복조가 가능한 고효율 레이더 수신기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이더 수신기는, 레이더 신호를 수신하는 수신부; 상기 수신부의 수신 신호의 저주파 대역의 크기를 감쇄시키는 처리부; 상기 처리부의 출력 신호를 저주파 필터링하는 필터부; 및 상기 필터부의 출력 신호를 A/D 변환하는 ADC;를 포함한다.
그리고, 상기 처리부는, 상기 수신부의 수신 신호의 저주파 대역의 크기를 감쇄시키는 제1 HPF; 및 상기 제1 HPF의 출력 신호를 증폭하는 제1 증폭기;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 처리부는, 상기 제1 증폭기의 출력 신호의 저주파 대역의 크기를 감쇄시키는 제2 HPF; 및 상기 제2 HPF의 출력 신호를 증폭하는 제2 증폭기;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 증폭기는, 한 쌍의 제1 트랜지스터들; 및 상기 제1 트랜지스터들의 이미터를 게이트로 네거티브 피드백시켜, 제1 트랜지스터들의 이득을 증폭시키는 제1 앰프들;을 포함하고, 상기 제2 증폭기는, 한 쌍의 제2 트랜지스터들; 및 상기 제2 트랜지스터들의 이미터를 게이트로 네거티브 피드백시켜, 제2 트랜지스터들의 이득을 증폭시키는 제2 앰프들;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 증폭기는, 상기 제1 트랜지스터들의 드레인들을 연결하는 제11 저항과 상기 제1 트랜지스터들의 이미터들을 연결하는 제12 저항의 비에 의해 이득이 조절되고, 상기 제2 증폭기는, 상기 제2 트랜지스터들의 드레인들을 연결하는 제21 저항과 상기 제2 트랜지스터들의 이미터들을 연결하는 제22 저항의 비에 의해 이득이 조절될 수 있다.
그리고, 상기 제2 HPF의 코너 주파수는, 상기 제1 HPF의 코너 주파수 보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 제2 증폭기의 이득은, 상기 제2 증폭기의 이득 보다 낮을 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 레이더 수신 방법은, 레이더 신호를 수신하는 단계; 수신 신호의 저주파 대역의 크기를 감쇄시키는 단계; 감쇄 신호를 저주파 필터링하는 단계; 및 필터링된 신호를 A/D 변환하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 저해상도의 ADC를 사용하면서도 다양한 거리의 목표물에서 반사되는 신호들을 모두 복조할 수 있어, 제조 단가와 전력 소모를 낮출 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 레이더 수신기를 구성하는 보다 많은 소자들을 하나의 칩에 집적화할 수 있게 되며, 레이더 수신기 전체의 전력 소모 감소에도 큰 기여를 할 수 있다.
도 1은 기존의 레이더 수신기 구조를 나타낸 도면,
도 2은 기존의 또 다른 레이더 수신기 구조,
도 3은 기존의 ALPF에 입력되는 신호 스펙트럼,
도 4는 ADC Bit 수에 따른 해상도의 설명에 제공되는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 ALPF의 회로도,
도 6은 ALPF의 증폭부를 구성하는 증폭기 코어의 회로도,
도 7은 증폭기 코어의 입력 측에 대한 상세 회로,
도 8은 코너 주파수 조절에 따른 저주파 대역 신호의 감쇄 특성,
도 9는 ALPF의 전체 이득 커브에 대한 시물레이션 결과,
도 10은 ALPF의 저주파 신호에 대한 선형성을 나타낸 그래프, 그리고,
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이더 수신기의 블럭도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 ALPF(level Adjustment Low Pass Filter)의 회로도이다. 본 발명의 실시예에 따른 ALPF는, 목표물로부터 거리의 4승에 반비례하는 크기를 갖는 입력 신호를 거리에 관계 없이 평활화시켜 출력한다.
이와 같은 기능을 수행하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 ALPF는, 도 5에 도시된 바와 같이, 증폭부-1(110), 증폭부-2(120), LPF(130) 및 버퍼(140)를 포함한다.
증폭부-1(110)과 증폭부-2(120)는 수신된 레이더 신호를 전처리하기 위한 수단으로, 증폭부-1(110)은 수신 신호의 저주파 대역의 크기를 감쇄 처리하고, 증폭부-2(120)는 증폭부-1(110)에서 감쇄 처리된 신호에 대해 저주파 대역의 크기를 다시 한 번 감쇄 처리한다.
LPF(130)는 증폭부-2(120)의 출력 신호를 저주파 통과 필터링한다. 수신 신호의 최대 주파수인 33.3MHz 보다 높은 대역의 신호를 가파르게 감쇄시키기 위함이다.
버퍼(140)는 LPF(130)의 출력 신호를 증폭한다. 앞 단에 위치한 증폭부-1(110), 증폭부-2(120) 및 LPF(130)에 의한 이득 감쇄를 보상하기 위한 회로에 해당한다.
증폭부-1(110)과 증폭부-2(120)의 증폭기 코어의 구조에 대해, 도 6을 참조하여 상세히 설명한다. 증폭부-1(110)과 증폭부-2(120)의 증폭기 코어의 구조는 동일하게 구현가능 하므로, 도 6에는 하나의 증폭기 코어에 대한 회로도만을 도시하였다.
도 6에 도시된 바와 같이, 증폭기는 4개의 트랜지스터들 M1, M2, M3, M4를, 포함한다. 입력 측에서 트랜지스터 M1, M2에 의해 1차 증폭이 이루어지고, 출력 측에서 트랜지스터 M3, M4에 의해 2차 증폭이 이루어진다.
입력 측에 마련된 트랜지스터들 M1, M2의 게이트와 이미터는 OP 앰프로 연결된다. 이 OP 앰프는 트랜지스터들 M1, M2의 이미터를 게이트로 네거티브 피드백 시키기 위한 소자로, 트랜지스터들 M1, M2의 이득(gm)을 증폭시킨다.
트랜지스터들 M1, M2의 이득은, 트랜지스터들 M1, M2의 드레인들을 연결하는 2RL와 트랜지스터들 M1, M2의 소스들을 연결하는 2RG의 비(RL/RG)로 조절/결정 가능하다.
도 7은, 도 6에 도시된 증폭기 코어의 입력 측에 대한 상세 회로도이다. 도 7에는 OP 앰프들의 (+) 입력단자에 연결되는 R-C HPF(High Pass Filter)를 더 도시하였다. 원형 점선으로 표기된 부분이다.
이 HPF들의 코너 주파수는 전압 제어 저항으로 조절할 수 있으며, 수신 신호의 최고 주파수로 조절하는 것이 바람직하다. 수신 신호가 도 3과 같은 상황의 경우 코너 주파수는 33.3MHz로 설정한다.
이 HPF에 의해 수신 신호의 저주파 대역의 크기가 감쇄된다. 증폭기 코어는 저주파 대역의 크기가 감쇄된 신호에 대해 증폭을 수행하게 된다.
도 8에는 코너 주파수 조절에 따른 저주파 대역 신호의 감쇄 특성을 나타내었다. 도 8에 도시된 특성은, HPF에 의해 목표물로부터 거리에 2승에 반비례하는 신호를 평활화할 수 있음을 나타낸다.
한편, 도 5에 도시된 바에 따르면, 증폭부(110, 120)가 2단으로 Cascade 연결되어 있으므로, 저주파 대역의 크기 감쇄는 2번에 걸쳐 이루어진다.
즉, 증폭부-1(110)에 마련된 HPF에 의해 수신 신호의 저주파 대역의 크기가 감쇄되고, 증폭부-2(120)에 마련된 HPF에 의해 수신 신호의 저주파 대역의 크기가 감쇄된다.
이에 의해, 목표물로부터 거리의 4승에 반비례하는 수신 신호의 크기를 평활화시킬 수 있게 된다.
도 9에는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 ALPF의 전체 이득 커브에 대한 시물레이션 결과를 나타내었다. 도 9에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 ALPF는 ~6dB 출력 범위를 갖는 바, 66dB의 출력 범위를 갖는 기존의 ALPF에 비해, 저해상도 ADC로 신호를 충분히 복조할 수 있게 될 것임을 짐작할 수 있게 된다.
도 10에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 ALPF는 저주파 신호에 대해 10dBm 이상의 높은 선형성을 가지고 있어, 레이더 수신기 전체 칩을 한 칩에 구현하는 것을 가능하게 할 것임을 보여준다.
지금까지, ALPF에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
위 실시예에서 증폭부(110, 120)를 2단으로 구성하였는데, 1단이나 3단 이상으로 구현하는 경우에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다.
또한, 위 실시예에서 증폭부(110, 120)의 증폭기 코어의 입력단에 마련되는 HPF의 코너 주파수는 수신 신호의 최고 주파수로 조절하는 것을 상정하였으나, 예시적인 것에 불과한 것으로 변경이 가능하다.
이를 테면, 증폭부-2(120)에 마련된 HPF의 코너 주파수는 최고 주파수 보다 낮게(예를 들어, 최고 주파수의 90%)로 설정하여, 증폭부-1(110)에 마련된 HPF의 코너 주파수 보다 낮게 설정하는 것이 가능하다. 코너 주파수 부근의 고주파 수신 신호들에 대한 실제 감쇄율이 거리의 -4승에 미치지 못할 수 있음을 반영한 것이다.
나아가, 코너 주파수를 낮게 설정하는 것에 대한 보상으로, 증폭부-2(120)의 증폭기 코어에서의 이득은 증폭부-1(110)의 증폭기 코어에서의 이득 보다 낮게 설정할 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이더 수신기의 블럭도이다. 본 발명의 실시예에 따른 레이더 수신기는, 도 11에 도시된 바와 같이, 수신부(210), ALPF(220) 및 ADC(230)을 포함한다.
수신부(210)는 레이더 송신부(미도시)에서 방사되어 목표물에서 반사되는 레이더 신호를 수신한다.
ALPF(220)는 수신부(210)에 의해 수신된 레이더 신호를 평활화하여 출력하는 신호 처리 소자로, 도 5에 도시된 ALPF로 구현가능하다.
ADC(230)는 ALPF(220)에서 출력되는 신호를 디지털 신호로 A/D 변환하여 출력한다.
도 11에 도시된 레이더 수신기는, 차량용 레이더 시스템, 물체탐지용 레이더 시스템, 군용 레이더 시스템의 수신단 베이스 밴드 회로로 활용가능하다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110 : 증폭부-1 120 : 증폭부-2
130 : LPF 140 : 버퍼
210 : 수신부 220 : ALPF
230 : ADC

Claims (8)

  1. 레이더 신호를 수신하는 수신부;
    상기 수신부의 수신 신호의 저주파 대역의 크기를 감쇄시키는 처리부;
    상기 처리부의 출력 신호를 저주파 필터링하는 필터부; 및
    상기 필터부의 출력 신호를 A/D 변환하는 ADC;를 포함하고,
    상기 처리부는,
    상기 수신부의 수신 신호의 저주파 대역의 크기를 감쇄시키는 제1 HPF;
    상기 제1 HPF의 출력 신호를 증폭하는 제1 증폭기;
    상기 제1 증폭기의 출력 신호의 저주파 대역의 크기를 감쇄시키는 제2 HPF; 및
    상기 제2 HPF의 출력 신호를 증폭하는 제2 증폭기;를 포함하며,
    상기 제1 증폭기는,
    한 쌍의 제1 트랜지스터들; 및
    상기 제1 트랜지스터들의 이미터를 게이트로 네거티브 피드백시켜, 제1 트랜지스터들의 이득을 증폭시키는 제1 앰프들;을 포함하고,
    상기 제1 트랜지스터들의 드레인들을 연결하는 제11 저항과 상기 제1 트랜지스터들의 이미터들을 연결하는 제12 저항의 비에 의해 이득이 조절되며,
    상기 제2 증폭기는,
    한 쌍의 제2 트랜지스터들; 및
    상기 제2 트랜지스터들의 이미터를 게이트로 네거티브 피드백시켜, 제2 트랜지스터들의 이득을 증폭시키는 제2 앰프들;을 포함하고,
    상기 제2 트랜지스터들의 드레인들을 연결하는 제21 저항과 상기 제2 트랜지스터들의 이미터들을 연결하는 제22 저항의 비에 의해 이득이 조절되는 것을 특징으로 하는 레이더 수신기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 HPF의 코너 주파수는,
    상기 제1 HPF의 코너 주파수 보다 낮은 것을 특징으로 하는 레이더 수신기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 증폭기의 이득은,
    상기 제2 증폭기의 이득 보다 낮은 것을 특징으로 하는 레이더 수신기.
  8. 수신부가, 레이더 신호를 수신하는 단계;
    처리부가, 상기 수신부의 수신 신호의 저주파 대역의 크기를 감쇄시키는 단계;
    필터부가, 상기 처리부에서 감쇄된 신호를 저주파 필터링하는 단계; 및
    ADC가, 상기 필터부에서 필터링된 신호를 A/D 변환하는 단계;를 포함하고,
    상기 감쇄 단계는,
    제1 HPF가, 상기 수신 신호의 저주파 대역의 크기를 감쇄시키는 단계;
    제1 증폭기가, 상기 제1 HPF의 출력 신호를 증폭하는 단계;
    제2 HPF가, 상기 제1 증폭기의 출력 신호의 저주파 대역의 크기를 감쇄시키는 단계; 및
    제2 증폭기가, 상기 제2 HPF의 출력 신호를 증폭하는 단계;를 포함하며,
    상기 제1 증폭기는,
    한 쌍의 제1 트랜지스터들; 및
    상기 제1 트랜지스터들의 이미터를 게이트로 네거티브 피드백시켜, 제1 트랜지스터들의 이득을 증폭시키는 제1 앰프들;을 포함하고,
    상기 제1 트랜지스터들의 드레인들을 연결하는 제11 저항과 상기 제1 트랜지스터들의 이미터들을 연결하는 제12 저항의 비에 의해 이득이 조절되며,
    상기 제2 증폭기는,
    한 쌍의 제2 트랜지스터들; 및
    상기 제2 트랜지스터들의 이미터를 게이트로 네거티브 피드백시켜, 제2 트랜지스터들의 이득을 증폭시키는 제2 앰프들;을 포함하고,
    상기 제2 트랜지스터들의 드레인들을 연결하는 제21 저항과 상기 제2 트랜지스터들의 이미터들을 연결하는 제22 저항의 비에 의해 이득이 조절되는 것을 특징으로 하는 레이더 수신 방법.
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