KR102366099B1 - 무선 통신 시스템의 데이터 변조 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

무선 통신 시스템의 데이터 변조장치가 개시된다. 본 발명에 따른 데이터 변조장치는, 반송파 신호에 기초하여 동작하는 제1 증폭부 및 상기 제1 증폭부의 출력신호를 입력 받는 두 개의 변압부(transformer)를 포함하는 단일-차동(S2D; Single-to-Differential) 변환부, 상기 제1 증폭부로 입력 데이터의 상태를 전달하는 제1 스위치부, 상기 S2D 변환부 출력 신호를 입력 받아 차동 증폭하는 차동 증폭부, 상기 차동 증폭부 출력신호를 입력 받아 단일출력신호로 변환하여 변조를 수행하는 차동-단일(D2S; Differential-to-Single) 변환부 및 상기 입력 데이터에 기초하여 상기 D2S 변환부로 상기 차동 증폭부 출력신호를 전달하는 제2 스위치부를 포함한다.

Description

무선 통신 시스템의 데이터 변조 방법 및 장치{METHOD FOR DATA MODULATION IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM AND APPARATUS FOR THE SAME}

본 발명은 무선 통신 시스템에서의 데이터 처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고속 데이터 통신을 위한 OOK(On-off-keying) 변조 방법 및 장치에 관한 것이다.

제4 세대 이동통신보다 최소한 10~100배의 데이터 전송율을 목표로 하는 제5 세대 이동통신은 수십 GHz(Giga Herz) 주파수 대역에서 구현될 것으로 예상된다. 일례로 30GHz ~ 60GHz 주파수 대역에서 구현이 논의 중이다. 이때 30GHz에서의 파장은 10mm이다. 더 높은 주파수 대역 및 더 낮은 주파수 대역에서의 파장 역시 mm단위로 표현되기 때문에 제5 세대 이동통신 기술은 밀리미터웨이브(Millimeter wave; 이하 "밀리미터파"라 칭함) 이동 통신 기술이라고도 일컫는다. 제5 세대 이동 통신에서 요구하는 Gbps(Giga bps) 급의 고속 데이터 통신을 이동 단말(이하 '단말'로 칭함)이 지원하기 위해서는 단말의 제한적 전력으로 인한 한계를 고려한 저전력 방식의 이동 통신 시스템이 필요하다. 아울러 이동 통신 시스템의 저전력화 구조에도 불구하고 높은 신호 처리 이득을 가져야 하고, 밀리미터파와 같은 고주파 신호를 처리함에도 높은 안정도를 가져야 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 수 Gbps급의 데이터 통신을 지원하는 무선 통신 시스템에서 안정적이면서도 고이득 특성 및 저전력 특성을 가지는 데이터 변조 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 무선 통신 시스템의 데이터 변조장치에 있어서, 반송파 신호에 기초하여 동작하는 제1증폭부 및 상기 제1 증폭부의 출력신호를 입력받는 두 개의 변압부(transformer)를 포함하는 단일-차동(S2D; Single-to-Differential) 변환부, 입력 데이터에 기초하여 상기 제1 증폭부로 입력 데이터의 상태를 전달하는 제1 스위치부, 상기 S2D 변환부 출력 신호를 입력 받아 차동 증폭하는 차동 증폭부, 상기 차동 증폭부 출력신호를 입력 받아 단일출력신호로 변환하여 변조를 수행하는 차동-단일(D2S; Differential-to-Single) 변환부 및 상기입력 데이터에 기초하여 상기 D2S 변환부로 상기 차동 증폭부 출력신호를 전달하는 제2 스위치부를 포함하고, 상기 제1 스위치부와 제2 스위치부는 상호 반대로 온오프(on-off)된다.

여기서, 상기 반송파 신호를 입력 받아 상기 제1 증폭부로 출력하는 입력정합회로부를 더 포함할수 있다.

여기서, 상기 차동 증폭부는 상기 S2D 변환부로부터 차동신호 출력을 각각 입력받는 제2 증폭부 및 제3 증폭부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 두 개의 변압부는 상기 제1 증폭부의 제1 인덕터(inductor)와 연결된 제1 변압부 및 상기 제1 증폭부의 제2 인덕터와 연결된 제2 변압부이고 상기 제1 인덕터와 제2 인덕터는 상기 제1 증폭부와 병렬로 연결될 수 있다.

여기서, 상기 제1 변압부는 상기 제1 증폭부 제 1인덕터와 직렬로 연결되는 제1 변압부의 제1 인덕터 및 비접촉방식으로 연결되는 제1 변압부의 제2 인덕터를 더 포함 할 수 있고, 상기 제2 변압부는 상기 제1 증폭부의 제2 인덕터와 직렬로 연결되는 제2 변압부의 제1 인덕터와 비접촉방식으로 연결되는 제2 변압부의 제2 인덕터를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 증폭부의 제1 인덕터와 상기 제1 변압부의 제1 인덕터 사이의 상호 유도전압과 상기 제1 증폭부의 제1 인덕터와 상기 제1 변압부의 제2 인덕터 사이의 상호 유도전압의 위상차는 180도일 수 있고, 상기 제1 증폭부의 제2 인덕터와 상기 제2 변압부의 제1 인덕터 사이의 상호 유도전압과 상기 제1 증폭부의 제2 인덕터와 상기 제2 변압부의 제2 인덕터 사이의 상호 유도전압의 위상차는 180도일 수 있다.

여기서, 상기 제1 증폭부의 제1 인덕터와 상기 제1 변압부의 제1 인덕터 사이에 병렬로 연결되는 제1 커패시터(capacitor)부와 상기 제1 증폭부의 제2 인덕터와 상기 제2 변압부의 제1 인덕터 사이에 병렬로 연결되는 제2 커패시터부를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제2 증폭부의 입력단은 상기 제1 변압부의 출력단과 연결되고, 상기 제3 증폭부의 입력단은 상기 제2 변압부의 출력단과 연결될 수 있다.

여기서, 상기 D2S 변환부는 상기 차동 증폭부의 출력단과 연결된 인덕터와 변조신호 출력부와 연결된 인덕터의 결합(coupling)를 통해 차동신호의 단일신호로의 변환 및 출력정합을 수행할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 데이터 변조 방법은, 단일-차동(S2D; Single-to-Differential) 변환부의 제1 증폭부가 반송파 신호를 입력받는 단계, 제1 스위치부 및 제2 스위치부의 입력단이 입력 데이터를 입력 받는 단계, 상기 제1 증폭부의 출력단과 병렬 연결된 두 개의 변압부(transformer)를 이용하여 상기 제1 증폭부의 출력신호를 차동신호로 변환하는 단계, 제2 증폭부와 제3 증폭부를 포함하는 차동 증폭부에서 상기 차동신호를 각각 입력받아 차동 증폭하는 단계 및 상기 제2 스위치부의 동작에 기초하여 차동 증폭부 출력신호를 차동-단일(D2S; Differential-to-Single) 변환부로 전달하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 입력 데이터가 상기 제1 스위치부 및 제2 스위치부는 상호 반대로 온오프(on-off)되도록 동작할 수 있다.

여기서, 상기 S2D 변환부의 제1 증폭부로 입력되는 반송파 신호는 입력정합처리되고 상기 S2D 변환부로 입력될 수 있다.

여기서, 상기 두 개의 변압부는 상기 제1 증폭부의 제1 인덕터와 연결된 제1 변압부 및 상기 제1 증폭부의 제2 인덕터와 연결된 제2 변압부이고 상기 제1 인덕터와 제2 인덕터는 상기 제1 증폭부와 병렬로 연결 될 수 있다.

여기서, 상기 제1 변압부는 상기 제1 증폭부의 제1 인덕터와 직렬로 연결되는 제1 변압부의 제1 인덕터 및 비접촉방식으로 연결되는 제1 변압부의 제2 인덕터를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제2 변압부는 상기 제1 증폭부의 제2 인덕터와 직렬로 연결되는 제2 변압부의 제1 인덕터와 비접촉방식으로 연결되는 제2 변압부의 제2 인덕터를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 증폭부의 제1 인덕터와 상기 제1 변압부의 제1 인덕터 사이의 상호 유도전압과 상기 제1 증폭부의 제1 인덕터와 상기 제1 변압부의 제2 인덕터 사이의 상호 유도전압의 위상차는 180도일 수 있고, 상기 제1 증폭부의 제2 인덕터와 상기 제2 변압부의 제1 인덕터 사이의 상호 유도전압과 상기 제1 증폭부의 제2 인덕터와 상기 제2 변압부의 제2 인덕터 사이의 상호 유도전압의 위상차는 180도일 수 있다.

여기서, 상기 제1 증폭부의 제1 인덕터와 상기 제1 변압부의 제1 인덕터 사이에 병렬로 연결되는 제1 커패시터(capacitor)부와 상기 제1 증폭부의 제2 인덕터와 상기 제2 변압부의 제1 인덕터 사이에 병렬로 연결되는 제2 커패시터부를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제2 증폭부의 입력단은 상기 제1변압부의 출력단과 연결되고, 상기 제3 증폭부의 입력단은 상기 제2 변압부의 출력단과 연결될 수 있다.

여기서, 상기 D2S 변환부는 상기 차동 증폭부의 출력신호와 연결된 인덕터와 변조신호 출력부와 연결된 인덕터의 결합(Coupling)를 통해 차동단일변환과 출력정합기능을 수행할 수 있다.

본 발명에 의하면, 높은 고주파 증폭 이득을 유지하면서 저전력으로 동작하고 동시에 데이터 전송 속도를 결정하는 OOK 변조 장치에서의 스위치 동작의 성능을 향상 시킬 수 있다.

또한 밀리미터파 대역과 같은 고주파 신호를 증폭할 때 발생하기 쉬운 고주파 발진과 그로 인한 시스템의 불안정을 제거할 수 있어 고주파 OOK 변조 장치에서 높은 안정도의 고이득 신호 증폭을 가능하게 한다.

도 1은 통신 시스템의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 2는 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 제1 실시예를 도시한 블록도이다.
도 3은 OOK 변조 방법의 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 4a는 밀리미터파 대역에서 OOK 변조 방식을 적용한 통신 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 4b는 밀리미터파 대역에서의 OOK 변조 생성방법에 대한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 증폭 기반 OOK 변조 장치를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 증폭 기반 OOK 변조장치의 회로도이다.
도 7a은 본 발명의 일 실시예에 따른 S2D 변환부의 집적회로 구현방법을 나타내는 회로도이다.
도 7b은 본 발명의 다른 실시예에 따른 S2D 변환부의 집적회로 구현방법을 나타내는 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 S2D 변환부의 구현방법을 나타내는 회로도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 통신 시스템의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 복수의 통신 노드들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함할 수 있다. 여기서, 통신 시스템은 "통신 네트워크"로 지칭될 수 있다. 복수의 통신 노드들 각각은 적어도 하나의 통신 프로토콜을 지원할 수 있다. 예를 들어, 복수의 통신 노드들 각각은 CDMA(code division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, WCDMA(wideband CDMA) 기반의 통신 프로토콜, TDMA(time division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, FDMA(frequency division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 기반의 통신 프로토콜, OFDMA(orthogonal frequency division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, SC(single carrier)-FDMA 기반의 통신 프로토콜, NOMA(non-orthogonal multiple access) 기반의 통신 프로토콜, SDMA(space division multiple access) 기반의 통신 프로토콜 등을 지원할 수 있다. 복수의 통신 노드들 각각은 다음과 같은 구조를 가질 수 있다.

도 2는 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 일 실시예를 도시한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 통신 노드(200)는 적어도 하나의 프로세서(210), 메모리(220) 및 네트워크와 연결되어 통신을 수행하는 송수신 장치(230)를 포함할 수 있다. 또한, 통신 노드(200)는 입력 인터페이스 장치(240), 출력 인터페이스 장치(250), 저장 장치(260) 등을 더 포함할 수 있다. 통신 노드(200)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(270)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.

프로세서(210)는 메모리(220) 및 저장 장치(260) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(210)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(220) 및 저장 장치(260) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(220)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 복수의 기지국들(base stations)(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2), 복수의 단말들(user equipment)(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함할 수 있다. 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 매크로 셀(macro cell)을 형성할 수 있다. 제4 기지국(120-1) 및 제5 기지국(120-2) 각각은 스몰 셀(small cell)을 형성할 수 있다. 제1 기지국(110-1)의 커버리지(coverage) 내에 제4 기지국(120-1), 제3 단말(130-3) 및 제4 단말(130-4)이 속할 수 있다. 제2 기지국(110-2)의 커버리지 내에 제2 단말(130-2), 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5)이 속할 수 있다. 제3 기지국(110-3)의 커버리지 내에 제5 기지국(120-2), 제4 단말(130-4), 제5 단말(130-5) 및 제6 단말(130-6)이 속할 수 있다. 제4 기지국(120-1)의 커버리지 내에 제1 단말(130-1)이 속할 수 있다. 제5 기지국(120-2)의 커버리지 내에 제6 단말(130-6)이 속할 수 있다.

여기서, 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 노드B(NodeB), 고도화 노드B(evolved NodeB), BTS(base transceiver station), 무선 기지국(radio base station), 무선 트랜시버(radio transceiver), 액세스 포인트(access point), 액세스 노드(node), 노변 장치(road side unit; RSU), DU(digital unit), CDU(cloud digital unit), RRH(radio remote head), RU(radio unit), TP(transmission point), TRP(transmission and reception point), 중계 노드(relay node) 등으로 지칭될 수 있다. 복수의 단말들(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 터미널(terminal), 액세스 터미널(access terminal), 모바일 터미널(mobile terminal), 스테이션(station), 가입자 스테이션(subscriber station), 모바일 스테이션(mobile station), 휴대 가입자 스테이션(portable subscriber station), 노드(node), 다바이스(device) 등으로 지칭될 수 있다.

복수의 통신 노드들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 셀룰러(cellular) 통신(예를 들어, 3GPP(3rd generation partnership project) 표준에서 규정된 LTE(long term evolution), LTE-A(advanced) 등)을 지원할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 서로 다른 주파수 대역에서 동작할 수 있고, 또는 동일한 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 아이디얼 백홀(ideal backhaul) 또는 논(non)-아이디얼 백홀을 통해 서로 연결될 수 있고, 아이디얼 백홀 또는 논-아이디얼 백홀을 통해 서로 정보를 교환할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 아이디얼 백홀 또는 논-아이디얼 백홀을 통해 코어(core) 네트워크(미도시)와 연결될 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 코어 네트워크로부터 수신한 신호를 해당 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)에 전송할 수 있고, 해당 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)로부터 수신한 신호를 코어 네트워크에 전송할 수 있다.

복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 OFDMA 기반의 다운링크(downlink) 전송을 지원할 수 있고, SC-FDMA 기반의 업링크(uplink) 전송을 지원할 수 있다. 또한, 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 MIMO(multiple input multiple output) 전송(예를 들어, SU(single user)-MIMO, MU(multi user)-MIMO, 대규모(massive) MIMO 등), CoMP(coordinated multipoint) 전송, 캐리어 애그리게이션(carrier aggregation) 전송, 비면허 대역(unlicensed band)에서 전송, 단말 간 직접(device to device, D2D) 통신(또는, ProSe(proximity services) 등을 지원할 수 있다. 여기서, 복수의 단말들(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 기지국(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2)과 대응하는 동작, 기지국(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2)에 의해 지원되는 동작을 수행할 수 있다.

예를 들어, 제2 기지국(110-2)은 SU-MIMO 방식을 기반으로 신호를 제4 단말(130-4)에 전송할 수 있고, 제4 단말(130-4)은 SU-MIMO 방식에 의해 제2 기지국(110-2)으로부터 신호를 수신할 수 있다. 또는, 제2 기지국(110-2)은 MU-MIMO 방식을 기반으로 신호를 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5)에 전송할 수 있고, 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5) 각각은 MU-MIMO 방식에 의해 제2 기지국(110-2)으로부터 신호를 수신할 수 있다. 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 CoMP 방식을 기반으로 신호를 제4 단말(130-4)에 전송할 수 있고, 제4 단말(130-4)은 CoMP 방식에 의해 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3)으로부터 신호를 수신할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 자신의 커버리지 내에 속한 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)과 CA 방식을 기반으로 신호를 송수신할 수 있다. 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 제4 단말(130-4)과 제5 단말(130-5) 간의 D2D 통신을 코디네이션(coordination)할 수 있고, 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5) 각각은 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각의 코디네이션에 의해 D2D 통신을 수행할 수 있다.

다음으로, 무선 통신 시스템의 데이터 변조 기술들이 설명될 것이다. 여기서, 통신 노드들 중에서 제1 통신 노드에서 수행되는 방법(예를 들어, 신호의 전송 또는 수신)이 설명되는 경우에도 이에 대응하는 제2 통신 노드는 제1 통신 노드에서 수행되는 방법과 상응하는 방법(예를 들어, 신호의 수신 또는 전송)을 수행할 수 있다. 즉, 단말의 동작이 설명된 경우에 이에 대응하는 기지국은 단말의 동작과 상응하는 동작을 수행할 수 있다. 반대로, 기지국의 동작이 설명된 경우에 이에 대응하는 단말은 기지국의 동작과 상응하는 동작을 수행할 수 있다.

무선 통신 시스템에 사용되는 무선 주파수 자원의 고갈 및 제 5 세대 이동통신에서 요구하는 수 Gbps 급의 고속 데이터 통신을 지원하기 위해 밀리미터파 대역의 활용 방안이 요구되고 있다. 밀리미터파 대역을 이용하면 기존의 다른 무선 통신 시스템과의 상호 간섭 없이 공통으로 해당 주파수 대역을 사용할 수 있으며, 낮은 주파수 효율을 갖는 통신 기술로도 용이하게 Gbps급 무선 통신 시스템을 구축할 수 있다. 특히, 반도체 표준 공정 기술인 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)의 미세 공정이 100㎚ 이하에서도 가능해짐에 따라, 30~60㎓ 밀리미터파 대역의 송수신 장치의 RF 회로를 손쉽게 구현할 수 있게 되어 밀리미터파 대역을 이용한 무선 통신 시스템의 활용이 보다 용이해지고 있다.

한편, 무선 통신 시스템에서는 주파수 효율을 높이기 위해 데이터에 대한 변조 기법을 적용한다. 무선 통신 시스템에서 사용되는 변조 기법에는 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)부터 64QAM(Quadrature Amplitude Modulation)등의 다양한 방식이 있으며, 변조 기법의 차수(order)가 높아질수록 주파수 효율은 높아지나 수신기의 복잡도와 전력 소모가 커지며 전력 증폭기 측의 PAPR(Peak-to-Average Power ratio)이 커지는 문제가 있다. 그러나 밀리미터파 대역을 이용하는 무선 통신 시스템의 경우 종래의 GHz 주파수 대역보다 광대역을 이용 가능하기 때문에 기존과 같은 복잡한 변조 방식 대신 OOK(On-off Keying) 변조와 같은 간단한 변조 방식을 사용하여 초고속 데이터 통신을 구현할 수 있다. OOK 변조 방식을 사용하는 경우 송신기의 믹서(Mixer)나 전력 증폭기를 온-오프(On-off) 하는 방식으로 간단히 변조를 수행할 수 있고, 그에 따라 전력 증폭기 측의 PAPR을 최소화하고 출력 파워의 효율을 높일 수 있어 저전력으로 데이터를 전송하는 시스템에 적합하다. 다음으로 구체적인 OOK 변조 방식에 대해 설명한다.

도 3은 OOK 변조 방법의 실시예를 나타내는 개념도이다.

도 3을 참조하면, 입력 데이터에 대해 OOK 변조방식을 적용한 변조 데이터를 나타낸다. 변조장치로 입력되는 입력 데이터(320)가 있다. 본 실시예에서는 임의의 입력 데이터로서 [1,0,1,0,1,0,1,0]이 변조장치로 입력될 수 있다. 본 실시예에서와 같이 특정 개수 단위로 변조 장치에 입력될 수도 있고 데이터 하나 하나씩 입력되는 것도 가능하다. 이후 반송파(310)에 입력 데이터(320)가 실리면 최종적인 변조신호(330)가 생성될 수 있다. 변조신호(330)를 참조하면, 입력 데이터가 1인 경우만이 신호가 반송파에 실릴 수 있고, 0인 경우는 신호가 반송파에 실리지 않게 될 수 있다. 이와 같이 입력 데이터가 1인 경우에만 안테나를 통해 실제 무선채널로 신호가 송출될 수 있다(이와 달리 반대로 입력 데이터가 0인 경우가 반송파에 신호가 실리도록 구현할 수도 있다. 이는 구현되는 무선 통신 시스템에 따라 결정될 수 있다).

일반적으로 통신 시스템에서 사용되는 전력증폭기가 입력단으로 입력받는 입력 데이터와는 상관없이 통신 시스템 내에서 가장 큰 전력소모를 한다. 그러나 OOK 변조 방식의 경우, 상술한 바와 같이, 입력 데이터가 "1"일 경우에만 전력 소모를 하고, 입력 데이터가 "0"일 때 전류를 차단함으로써, 입력 데이터의 변동에 따른 평균 전력소모량을 감소시킨다. 이런 특징으로 인해 OOK변조 방식을 이용할 경우 저전력 구조의 송신 장치를 구현할 수 있다. 반송파의 주파수는 구현하고자 하는 통신 시스템에 따라 변경이 가능하다. 밀리미터파 OOK의 경우는 반송파의 주파수가 전술한 바와 같이 수십 GHz대 주파수이다. 다음으로 밀리미터파 OOK 변조 방식 적용 통신 시스템에 대해 설명한다.

도 4a는 밀리미터파 대역에서 OOK 변조 방식을 적용한 통신 시스템을 나타내는 개념도이고, 도 4b는 밀리미터파 대역에서의 OOK 변조 생성방법에 대한 개념도이다.

도 4a를 참조하면, 송신 장치(400)의 입력부(410)로 입력된 입력 데이터는 송신장치(400) 내의 OOK 변조부(430)에 의해 변조된 후 무선채널상으로 전송될 수 있고, 이후 수신장치(495)는 이 변조된 입력 데이터를 수신 및 복조 한 후 출력데이터를 생성하여 출력부(490)를 통해 출력할 수 있다.

송신장치(400)은 입력부(410), 반송파생성부(420), OOK변조부(430) 및 송신안테나부(440)를 포함하여 구성할 수 있다. 수신장치(495)는 수신안테나부(460), 저잡음 증폭부(Low Noise Amplifier; 이하 "LNA"라 칭함), 및 검출부(480) 및 출력부(490)를 포함하여 구성할 수 있다.

수 Gbps급 입력 데이터가 입력부(410)을 거쳐 OOK변조부(430)에 입력되면, OOK변조부(430)에서는 반송파생성부(420)에서 생성된 밀리미터파 대역의 반송파를 입력 데이터에 기초하여 변조할 수 있다. 도 4b를 참조하면, 입력 데이터 및 변조신호의 예로 2Gbps의 입력 데이터(415)가 도시되어 있고 60GHz 반송파로 변조된 변조신호(425)가 도시되어 있다. 도 4b의 실시예에서와 달리 입력 데이터의 전송률과 반송파의 주파수 대역은 변경되어 적용 가능하다.

변조된 반송파는 송신안테나부(440)를 통해 무선채널상으로 변조 신호로서 전송될 수 있다. 무선채널을 거친 변조 신호는 수신장치(495)의 수신안테나부(460)를 통해 수신장치(495)에 수신된다. 수신된 변조신호는 LNA에 의해 저잡음 증폭된다.

LNA(470)는 수신장치(495)의 수신안테나부에 수신된 미약한 변조 신호를 증폭하는 역할을 한다. LNA는 잡음지수(Noise Figure)가 작은 특징이 있어, 증폭되는 동안 발생하는 잡음이 적게 되어, 매우 작은 레벨의 수신신호를 잡음에 묻히지 않게 하면서 증폭할 수 있다. LNA(470)을 거쳐 증폭되어 수신된 변조 신호는 검출부(480)와 복조부(도면에 도시되지 않음)를 거쳐 원래의 입력 데이터로 복조될 수 있다.

그러나 도 4a 및 도 4b에 도시된 실시예에서와 같은 기존의 OOK 변조 방식을 이용해서 밀리미터파 대역의 데이터를 전송하는 경우 변조 대비 파워 효율이 높지 않을 수 있다. 또한 진폭(Amplitude)에 정보를 포함하고 있어 노이즈(Noise)에 취약한 단점이 있고, 주파수 특성상 회로의 낮은 신호 이득과, 신호 누출 현상 등의 단점이 있다. 그리고 최근에 밀리미터파 대역에서 개발된 CMOS 기반의 OOK 변조 방식 송수신기의 경우 매우 낮은 전력 이득과 고주파 신호의 증폭에 따른 안정도 저하 등의 문제를 갖는다. 다음으로 이러한 종래의 OOK 변조 방식을 이용한 밀리미터파 대역에서의 데이터 전송의 문제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 증폭 기반 OOK 변조 장치를 나타내는 블록도이다.

도 5를 참조하면, 수 기가 Hz 대역의 반송파(carrier)를 반송파입력부(505)를 통해 입력 받은 OOK변조부(500)는 차동(differential) 증폭 기반 OOK변조방식으로 입력 데이터에 기초해서 반송파를 변조한 후 변조신호출력부(580)를 통해 변조신호를 출력하는 것을 나타낸다.

구체적으로는 수 기가 Hz 대역의 반송파가 반송파입력부(505)로 입력되면 입력정합회로부(510)를 거쳐 임피던스 매칭(Impedance matching)된 후 단일-차동(S2D; Single-to-Differential) 변환부(530)으로 입력될 수 있다. 일반적으로 수십 MHz 이상으로 고속 동작하는 회로는 임피던스 매칭을 고려하여야 한다. 주파수가 높을 때 임피던스 매칭이 되지 않을 경우 입력 신호의 전력이 반송파입력부 외부로 반사될 수 있다. 그러므로 임피던스 매칭을 하면, 손실 전력이 적어지기 때문에 전력 전송을 최대화 할 수 있어 높은 전력 이득 및 전압 이득을 얻을 수 있고, 입력 신호의 왜곡을 방지할 수 있다. 이와 같이 입력 정합 회로를 거쳐 입력 되는 반송파는 신호 왜곡 및 전력 손실을 최소화한 채로, S2D 변환부(530)로 입력될 수 있다. 이 때 S2D 변환부 내에는 도 6의 실시예에서 후술할 바와 같이 임피던스 매칭된 입력 데이터에 기초하여 동작하는 제1 증폭부를 포함할 수 있다.

다음으로 데이터 입력부(525)를 통해 입력되는 입력 데이터가 제1 스위치부(520)를 통해 S2D 변환부(530)로 입력될 수 있다. 하이-로우(High-Low)로 나타내지는 입력 데이터가 하이(High) 값인 경우 제1스위치를 온(On)하고 로우(Low)값인 경우 제1 스위치(520)를 오프(Off)할 수 있다. 제1 스위치부(520)에 의해 S2D 변환부(530)의 입력단으로 입력된 입력 데이터의 상태는(입력 데이터와 동일한 값 또는 입력 데이터의 값과 연동되는 다른 값 또는 상태를 의미) S2D 변환부(530)에 포함된 제1 증폭부의 동작에 기초하여 차동신호로 변환된 후 차동 증폭부(540)로 전달되어 차동 증폭이 될 수 있다. 이 때 차동신호는 하나의 신호(제1 차동신호)와 그 신호와 일정한 차이를 가지는 다른 신호(제2 차동신호)를 포함하여 구성될 수 있다.

S2D 변환부(530)는 후술할 도 6에 도시된 바와 같이 하나의 증폭부(제1 증폭부로서, 일례로, N 타입 MOSFET로 구현 가능함)와 그와 병렬로 연결된 두 개의 변압(transformer)부를 포함할 수 있다. 이와 같은 방식을 통해 S2D 변환부로 입력된 하나의 신호가 두 개의 차동신호로의 변환되어 출력될 수 있다. S2D 변환부(530)의 상세한 내부 구조 및 동작 방법에 대해서는 후술할 도 6 및 도 7의 본 발명에 따른 실시예에서 설명한다.

차동 증폭된 두 개의 차동신호(제1 차동신호 및 제2 차동신호)는 제2 스위치부(550)에 의해 차동-단일변환(D2S; Differential-to-Single) 변환부(560)로 전달될 수 있다. 제2 스위치부(550)는 제1 스위치(520)의 동작과 반대로 동작을 한다. 즉 제1 스위치부(520)이 연결되면 제2 스위치부(550)은 연결이 되지 않고, 제1 스위치부(520)이 연결되지 않으면 제2 스위치부(550)은 연결되도록 동작한다. 이를 위해제1 스위치부(520)와 제2 스위치부(550)를 구현시 서로 반대로 동작하도록 구현할 수 있다. 이 경우 제1 스위치부(520)로 입력되는 입력 데이터와 동일한 입력 데이터를 데이터 입력부(525)를 통해 동시에 입력 받아 동일한 온오프 속도와 비율로 스위치에 대한 온오프(on-off) 동작을 할 수 있다. 또한 이와 달리 제1 스위치부(520)과 제2 스위치부(550)을 동일한 구조로 구현하되, 양 스위치부로 입력되는 입력데이터의 극성을 반대로 해서 입력하도록 구성하는 방식으로도 구현이 가능하다.

또한, 차동 증폭부(540) 출력 양단을 제2 스위치부(550)를 사용하여 연결하면(즉, 도 6에 도시되어 있는 제2 스위치부(660)의 게이트(gate)에 하이값이 입력되어 제2 스위치 내부가 전기적으로 연결되면) OOK변조에서 0에 해당하는 차동신호가 D2S 변환부로 출력될 수 있고 반대로 제2 스위치가 개방되는 경우 OOK변조에서 0이 아닌 신호에 해당하는 차동신호가 D2S 변환부(560)으로 출력될 수 있다. 이는 OOK변조부(500)의 동작이 내부 전류의 흐름과는 상관 없이 RF(Radio Frequency) 신호의 관점에서만 동작하기 때문이며 이러한 특징으로 고속 동작이 가능하다. 즉, 제2 스위치부(550)는 차동증폭부(540)를 거친 RF(Radio Frequency) 차동신호의 흐름만을 제어한다. 제2스위치부(550)가 연결하는 차동증폭부(540)의 출력신호의 DC 신호 성분은 서로 동일한 값을 가지기 때문에 제2 스위치부의 동작에 영향을 받지 않으므로 제2스위치부(550)는 DC 신호에 의한 충방전 동작에 관여하지 않는다. 또한 제2스위치부(550)는 OOK변조부의 DC 바이어스 전류 설정에 관여하지 않기 때문에 자유로운 사이즈 설정이 가능하여 기생성분이 적어 고속으로 동작하는 작은 사이즈의 스위치로도 사용이 가능하다. 제2스위치부(550)의 이러한 동작 특징으로 인해 고속의 OOK변조가 가능하게 된다. 제1 스위치부(520)만을 사용할 시에는 OOK 변조부(500)의 동작전류를 드라이빙(driving)하는 데 시간이 소요되는 문제가 있고, 스위치 사이즈 역시 OOK 동작을 위한 전류를 충분히 드라이빙(driving)하기 위해서는 큰 사이즈가 필요할 수도 있기 때문에 고속으로 OOK 변조를 하는 데에 어려움이 따른다.

D2S 변환부(560)에 입력된 두 개의 차동신호는 하나의 단일신호로 변환될 수 있다. 변환된 단일신호는 출력정합회로부(570)를 거쳐서 변조신호로 생성된 후 변조신호출력부(580)부를 통해 출력될 수 있다. 이와 같은 제1 스위치부(520)와 제2 스위치부(550)를 이용한 OOK 변조 방식의 특성으로 인해 전력 소모의 절감뿐만이 아니라 도 6의 실시예에서 후술할 S2D 변환부(540)에서의 전류 재사용으로 인해 전류의 증대 없이 높은 이득을 가질 수 있다. 일반적으로 밀리미터파 대역과 같은 고주파 신호를 증폭하는 경우 회로에 발진(oscillation) 현상이 발생하여 회로의 안정도가 저하된다. 그러나 본 발명의 실시예에서와 같이 하나의 증폭기와 상호 반대 방향의 자속을 유도하는 구조를 갖는 두 개의 변압기 세트를 갖는 S2D 변환부(530)를 이용하여 높은 고주파 특성 안정도 및 전력 고이득을 가지는 OOK변조장치 구현이 가능하다. 다음으로 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 증폭 기반 OOK변조부의 전자 부품소자를 이용한 구현 방법에 대해 설명한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 증폭 기반 OOK 변조장치의 회로도이다.

도 6을 참조하면, 차동 증폭 기반 OOK변조부(600)는 복수의 인덕터로 이루어진 입력정합회로부(620)와 D2S 변환부 및 출력정합회로부(670)(D2S기능과 출력정합기능을 동시에 담당)와 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)으로 이루어진 제1 스위치부(630), 제2 스위치부(660) 및 차동 증폭부(650)와 복수의 변압기와 MOSFET 기반 증폭부(M2)로 이루어진 S2D 변환부(620)를 포함하는 것을 나타낸다.

구체적으로는 입력정합회로부(620)는 임피던스 매칭을 위한 여러 RLC 회로를 사용하여 구현할 수 있다. 도 6의 실시예에서는 병렬로 연결된 두 개의 인덕터 L1, L2로 입력정합회로를 구현하였으나 이에 한정되지 않고 다양한 방식의 임피던스 매칭회로를 통해 구현될 수 있다.

제1 스위치부(630)와 제2 스위치부(660)는 MOSFET으로 구현이 가능하다. 제1 스위치부(630)는 N 타입 MOSFET(이하 "N-MOS"라 칭함)으로 구현된 M1을 포함할 수 있고, 제2 스위치부(660)는 P 타입 MOSFET(이하 "P-MOS"라 칭함)로 구현된 M5를 포함할 수 있다. 제1 스위치부(630)의 M1의 게이트(Gate)단 및 제2 스위치부(660)의 M5의 게이트단으로 데이터 입력부(601)을 통해 입력 데이터가 입력될 시 입력 데이터가 하이(High)값일 경우 M1은 온(On)되어 M1의 소스단과 드레인단 간에 채널이 형성되어 전기적으로 상호 연결될 수 있고 M5는 오프(Off)되어 M5의 소스단과 드레인단 간에 채널이 형성되지 않아 전기적으로 상호 단절될 수 있다. 반대로 입력 데이터가 로우(Low)값일 경우 M1은 오프(Off)되어 M1의 소스단과 드레인단 간에 채널이 형성되지 않아 전기적으로 상호 단절될 수 있고 M5는 온(On)되어 M5의 소스단과 드레인단 간에 채널이 형성되어 전기적으로 상호 연결될 수 있다. 또는 제1 스위치(630)과 제2 스위치부(660)에 동일한 타입의 MOSFET을 사용하여 구현할 수도 있다. 이 경우 M1과 M5의 게이트단에 입력되는 입력 데이터가 서로 다른 극성을 같도록 해서 입력하여야 한다. 즉, M1으로 입력되는 입력 데이터의 값이 하이값이면 M5로 입력되는 입력 데이터의 값은 로우값이어야 하고, M1으로 입력되는 입력 데이터의 값이 로우값이면 M5로 입력되는 입력 데이터의 값은 하이값이어야 한다.

반송파입력부(610)로 입력되고 입력정합회로부(620)을 통과한 GHz 대역의 반송파가 S2D 변환부(640)의 M2 게이트단으로 전달되어 주기적으로 변동하는 반송파의 하이로우(Hifh-Low) 값에 따라 S2D 변환부(630) M2의 게이트단에 걸리는 전압이 변하여 M2의 드레인(drain)단과 소스(source)단간의 주기적인 전기적 연결을 형성 또는 단절하게 된다. M2의 게이트단에 하이값이 인가되면 제1 스위치부의 M1으로 인가되는 입력 데이터의 상태와 관련된 값이 M2 드레인단을 통해 S2D-1(642) 및 S2D-2(645)로 전달될 수 있다. 이를 통해 데이터 입력부(601)로부터의 입력 데이터가 하이값을 가질 때만 반송파에 실리게 되어 모든 경우에 반송파에 실리게 되는 다른 변조 방식보다 평균적으로 50% 전력 소모를 줄일 수 있다. M1부터 M5에 사용되는 MOSFET의 타입은 시스템의 전원 극성을 반대로 운영하는 경우 등과 같이 구현하는 방식에 따라 다른 타입의 MOSFET으로 구현이 가능하다.

M2 드레인단 출력신호는 S2D-1(642)과 S2D-2(645)의 변압기(Transformer)로 입력될 수 있다. M2 드레인단 출력신호는 S2D-1(642)의 인덕터 L7과 S2D-2(645)의 인덕터 L8에 도달할 수 있다. S2D-1(642)의 인덕터 L7과 같은 방향으로 커플링(coupling)된 인덕터 L5에 유도전압을 발생시키고, 인덕터 L7과 반대 방향으로 커플링(coupling)된 인덕터 L6에 인덕터 L7과 인덕터 L5간의 유도전압과 180도 위상차이가 나는 유도전압을 발생시킬 수 있다. 또한 S2D-2(645)의 인덕터 L8과 반대방향으로 커플링(coupling)된 인덕터 L10에 유도전압을 발생시키고, 인덕터 L8과 같은 방향으로 커플링(coupling)된 인덕터 L9에 인덕터 L8과 인덕터 L10간의 유도전압과 180도 위상차이가 나는 유도전압을 발생시킬 수 있다. 이와 같이 M2 드레인단 출력신호가 S2D-1(642)과 S2D-2(645)에 전달되면 S2D-1(642)과 S2D-2(645)의 출력단에서 두 개의 차동신호(제1 차동신호 및 제2 차동신호)를 발생시킬 수 있다. 여기서, S2D-1(642)와 S2D-2(645)의 변압기의 1차측과 2차측의 자기적 결합(magnetic coupling)관계를 나타내기 위하여 일반적으로 사용되는 점표시 규약(dot convention)을 사용한다. 1차측과 2차측의 인덕터에 흐르는 전류의 방향에 의하여 야기된 자속이 서로 같은 방향이면 점표시를 인덕터의 양 단 중에서 전류 관계가 같은 노드에 표시하고 서로 다른 방향이면 점표시를 인덕터의 양 단 중에 전류 관계가 반대인 노드에 표시한다.

인덕터 L5는 차동 증폭부(650)의 M3의 게이트단에 연결되고, 인덕터 L6는 차동 증폭부(650)의 M3의 소스단에 연결될 수 있다. 그리고, 인덕터 L10은 차동 증폭부(650)의 M4의 게이트단에 연결되고, 인덕터 L9는 차동 증폭부(650)의 M4의 소스단에 연결될 수 있다. M3의 게이트단과 M4의 게이트단에 입력되는 신호는 서로 180도 위상차를 가질수 있고 M2 드레인단 출력신호는 M3와 M4에 의해 차동적으로 증폭이 될 수 있다. 즉, 차동 증폭부(650)의 M3 및 M4의 게이트단과 소스단에 연결된 S2D 변환부(640)의 인덕터들은 게이트단과 소스단에 180도의 위상차이를 가지는 신호를 공급하여 M3 및 M4의 게이트-소스간 전압 스윙값 크기의 증가를 가져올 수 있다. 이런 구조를 통해 출력 스윙 증가와 이득 증가가 되는 고주파 OOK 변조방식이 가능해진다. 또한 M3 및 M4의 소스단에 연결된 인덕터들(L6, L9)은 Source-degeneration 역할을 수행하여 고주파 증폭기에서 문제가 되는 발진(Oscillation) 문제를 경감시키는데 도움을 준다. 또한 On-Off간 격리(isolation)가 증가하는 효과를 가져올 수 있다. S2D 변환부 내부의 변압기 구현 방법은 후술할 도 8에 도시된 바와 같이 다양하게 구현할 수 있다. 즉, S2D 변환부 내부의 변압기들은 도 8에 도시된 바와 같이 총 4가지 종류가 가능하다. 도 6의 본 발명에 따른 실시예는 도 8의 경우 중 case 2에 해당한다. 무선 통신 시스템의 구현 방식에 따라 다른 세 가지의 경우(case 2 ~ case 4)를 이용한 구현도 가능하다.

한편, 인덕터 L6와 인덕터 L7 사이에 연결된 커패시터 C1과 인덕터 L8와 인덕터 L9 사이에 연결된 커패시터 C2는 차동 증폭부(650)의 M3 및 M4가 각각 공통소스(common source)구조로 동작할 수 있도록 해준다. 이를 통해 M3 및 M4가 공통 게이트 및 공통 드레인단 방식보다 효율적인 증폭 동작을 할 수 있고 M2의 소스-드레인단을 통해 공급되는 전류를 차동 증폭부(650)의 M3와 M4에서도 재사용하는 효과를 가질 수 있다. 즉, 캐패시터 C1, C2로 인해 DC신호 측면에서 보면 전류가 캐패시터 C1과 C2로 새어나가 그라운드(ground)로 소실되는 것이 아니라 S2D 변환부(640) M2의 드레인으로 다시 흘러 들어가서 M2의 동작에 재사용될 수 있다. 또한 AC신호의 관점에서 보면 캐패시터 C1과 C2는 그라운드로 동작하여 M2의 공통소스 증폭동작을 통해 입력 데이터가 S2D 변환부(640)를 거쳐 차동 증폭부(650)의 M3 및 M4 각각의 게이트 및 소스로 전달되면, 공통 소스 차동 증폭기로 동작할 수 있다.

차동 증폭부(650)의 M3와 M4에서 차동 증폭된 두 개의 차동신호는 제2 스위치부(660)에 의해 제어되어 D2S 및 출력정합기능을 동시에 수행하는 D2S 및 출력정합회로부(670)로 입력될 수 있다. D2S 및 출력정합회로부(670)는 두 개의 차동신호를 하나의 단일신호로 바꾸고 이와 동시에 변조신호출력부와의 임피던스 매칭을 하여 변조신호출력부(680)로 최대한의 전력을 전달하도록 할 수 있다. D2S 및 출력정합회로부(670)는 커플링된 두 개의 인덕터(인덕터 L3 및 인덕터 L4)를 포함하여 구성될 수 있다. 인덕터 L4 양단에 걸리는 차동 증폭부(650)로부터의 제1 차동신호값과 제2 차동신호값은 제2 스위치부(660)의 온오프에 따라 두 개의 전압상태(제1 전압값, 제2 전압값)가 인덕터 L3에 전달될 수 있다. 이와 같은 동작을 통해 차동신호의 단일신호로의 변환과 출력정합기능을 동시에 수행하면서 변조신호출력부(680)로 OOK 변조된 변조신호가 전달될 수 있다. 다음으로 S2D 변환부(640)의 차동신호 생성을 위한 S2D-1(642)와 S2D-2(645)에 구현된 변압부의 실제 집적회로 생성방법에 대해 설명한다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 S2D 변환부의 집적회로 구현방법을 나타내는 회로도들이다.

도 7a를 참조하면, S2D 변환부 내의 두 개의 변압부에 대한 집적회로 상측면도와 S2D-1의 수직단면에 대한 측면 단면도를 나타낸다. 도 6의 S2D 변환부(640)의 M2의 드레인단은 도 7의 A단자로 연결될 수 있다. A단자에서 시작되는 메탈라인(Metal line)은 좌우 양쪽으로 분기를 한다. 먼저 좌측으로 분기하는 부분은 S2D-1(710)을 구성하는 메탈라인을 구성할 수 있다. 우측으로 분기하는 부분은 S2D-2(720)를 구성하는 메탈라인을 구성할 수 있다. S2D-1(710)을 보면 최외각의 메탈라인은 L7 라인을 따라 반시계방향으로 회전하며 직사각형 형태의 인덕터 L7을 구현하고 이어지는 내부에서 다시 L7과 반대방향으로 L6 라인을 따라 인덕터 L6를 구현하고 비아(Via)3(796)을 통해 노드 BL단을 통해 M3의 소스단과 연결될 수 있다.

또한 인덕터 L7과 동일한 방향으로 결합된 인덕터 L5는 노드 CL단과 연결되고 인덕터 L7과는 직접적으로 커플링되지 않게 구현될 수 있다. Bias부(730)와 인덕터 L6는 비아3(796)으로 연결되고 인덕터 L5와 Bias부(730)는 비아2(794)로 연결될 수 있다. 이를 통해 S2D-1(710)의 두 개의 변압기간에는 상호 간에 180도의 위상차가 나는 유도 전압이 발생될 수 있다.

이와 유사하게 S2D-2(720)를 보면 최외각의 메탈라인은 L8라인을 따라 시계방향으로 회전하며 직사각형 형태의 인덕터 L8을 구현하고 이어지는 내부에서 다시 L8과 동일한 방향으로 L9라인을 따라 인덕터 L9를 구현하고 비아3(796)을 통해 노드 BR단을 통해 M4의 소스단과 연결될 수 있다. 또한 인덕터 L9 반대방향으로 결합된 인덕터 L10는 노드 CR단과 연결되고 인덕터 L8과는 직접적으로 커플링되지 않게 구현될 수 있다. 이를 통해 S2D-2(720)의 두 개의 변압기간에는 상호 간에 180도의 위상차가 나는 유도 전압이 발생될 수 있다.

상술한 실시예에서와 같은 집적회로 구현을 통해 S2D-1(710)과 S2D-2(720)는 서로 다른 자속(magnetic flux)를 형성하도록 구현이 가능하다. 또한 이와 같은 S2D-1(710) 및 S2D-2(720)의 변압기간 겹쳐진 구조로 인해 집적회로 구현시 면적 증가를 최소화 할 수 있다.

도 7b는 전류 흐름의 관점에서 S2D 변환부의 변압기 구현에 대해 나타낸다. S2D 변환부는 전술한 바와 같이 4종류의 변압기를 포함할 수 있다. 구체적으로는 도 7b에 도시된 바와 같이 변압기1-1(750)(indA1과indB1로 이루어진 변압기), 변압기1-2(755)(indA1과 indC1로 이루어진 변압기), 변압기2-1(760)(indA2와 indB2로 이루어진 변압기) 및 변압기2-2(765)(indA2와 indC2로 이루어진 변압기)를 포함할 수 있다. indA1은 indB1과 indC1 각각에 대하여 1차측 인덕터로 동작하여 변압기1-1(750) 및 변압기 1-2(755)를 구성할 수 있다. indA2는 indB2와 indC2 각각에 대하여 1차측 인덕터로 동작하여 변압기2-1(760) 및 변압기2-2(765)를 구성할 수 있다. 전술한 바와 같이 변압기의 1차측과 2차측의 자기적 결합(magnetic coupling)관계를 나타내기 위하여 일반적으로 사용되는 점표시 규약(dot convention)을 사용한다. 1차측과 2차측의 인덕터에 흐르는 전류의 방향에 의하여 야기된 자속이 서로 같은 방향이면 점표시를 인덕터의 양 단 중에서 전류 관계가 같은 노드에 표시하고 서로 다른 방향이면 점표시를 인덕터의 양 단 중에 전류 관계가 반대인 노드에 표시한다.

구체적으로는 S2D 변환부를 구성할 때, 첫 번째로 indB1는 indC1와 서로 반대의 자속을 형성하게 구성하고 indB2는 indC2와 서로 반대의 자속을 형성하게 구성할 수 있다. 이를 통해 노드 CL과 노드 BL의 신호 위상이 서로 반대가 되게 할 수 있고, 노드 CR과 노드 BR의 신호 위상이 서로 반대가 되게 할 수 있다. 두 번째로, indA1과 indA2의 자속이 서로 반대 방향으로 구성되게 하거나 indB1과 indB2의 자속을 반대의 방향으로 구성할 수 있다. 이를 통해 indC1과 indC2의 자속 또한 서로 반대의 방향을 가질 수 있고 노드 BL과 BR의 신호 위상이 서로 반대가 되고 노드 CL과 CR의 신호 위상이 서로 반대가 되게 할 수 있다. 한편, S2D 변환부의 변압기 구현 방법은 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 달리 구현하는 것도 가능하다. 다음으로 S2D 내부의 변압기 구현의 다른 실시예에 대해 설명한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 S2D 변환부의 구현방법을 나타내는 회로도이다.

도 8을 참조하면, S2D 변환부에 포함된 변압기들의 배치방법은 총 4가지 종류가 가능하다. 도 7a 및 도 7b의 실시예는 도 8의 경우 중 case 2에 해당한다. 무선 통신 시스템의 구현 방식에 따라 다른 세 가지의 경우(case 1,case 3, case 4)를 이용한 구현도 가능하다. 표1은 각각의 경우에 대한 인덕터 간 결합 방향을 나타낸다.

구분	indA1-indA2방향	indA1-indB1방향	indA1-indC1방향	indA2-indB2방향	indA2-indC2방향
case1	반대방향	반대방향	동일방향	동일방향	반대방향
case2	동일방향	반대방향	동일방향	동일방향	반대방향
case3	반대방향	동일방향	반대방향	반대방향	동일방향
case4	동일방향	동일방향	반대방향	반대방향	동일방향

표 1에 나타내어 진 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따라 S2D 변환부를 구현할 때, 첫 번째로 indA1과 indA2의 자속이 서로 반대 방향으로 구성되게 하거나 동일하게 구성할 수 있다. 즉, indA1는 반시계 방향으로 전류가 흐르게 구현하고, indA2는 시계방향으로 전류가 흐르게 구현하거나 그 반대로 구현할 수 있다(또는 indA1과 indA2가 동일한 방향으로 자속이 구성되게 할 수 있다.

둘째로, indB1는 indC1와 서로 반대(indA1 기준)의 자속을 형성하게 구성하고 indB2는 indC2와 서로 반대(indA2 기준)의 자속을 형성하게 구성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 같은 차동 증폭 기반 OOK 변조 방식을 적용한 OOK 변조장치의 경우 OOK 변조시의 On 동작의 경우에 추가적인 전력 사용을 줄이기 위하여 S2D 변환부 내부에서 전류를 재사용하는 구조를 채택하여 고이득, 저전력 변조장치를 구현할 수 있다. 즉, S2D 변환부의 구현의 경우 고속 스위칭 동작을 위한 차동 증폭회로의 구현이 가능하고 동시에 차동 증폭을 위해 전류를 모아 재사용하도록 구현할 수 있어 효율이 높다.

또한, 고주파 신호의 OOK 변조와 동시에 고이득을 가지기 위해서는 전류를 많이 사용함으로 인해 스위칭 동작 속도가 저하되나 본 발명의 실시예에 따른 차동 증폭 기반 OOK변조방식을 사용하여 고이득을 유지하면서도 저전력으로 동작이 가능하면서도 데이터 전송 속도를 결정하는 스위치 동작의 성능을 향상 시킬 수 있다. 그리고 밀리미터파 대역과 같은 고주파 신호를 증폭할 때 발생하기 쉬운 고주파 발진으로 인한 시스템의 불안정을 제거할 수 있어 높은 안정도를 가지면서 높은 신호 증폭 이득을 확보할 수 있다.

본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

1. 반송파 신호에 기초하여 동작하는 제1 증폭부 및 상기 제1 증폭부의 출력신호를 입력받는 두 개의 변압부(transformer)를 포함하는 단일-차동(S2D; Single-to-Differential) 변환부;
   입력 데이터에 기초하여 상기 제1 증폭부로 입력 데이터의 상태를 전달하는 제1 스위치부;
   상기 S2D 변환부의 출력 신호를 입력 받아 차동 증폭하는 차동 증폭부;
   상기 차동 증폭부의 출력신호를 입력 받아 단일출력신호로 변환하여 변조를 수행하는 차동-단일(D2S; Differential-to-Single) 변환부; 및
   상기 입력 데이터에 기초하여 상기 D2S 변환부로 상기 차동 증폭부의 출력신호를 전달하는 제2 스위치부를 포함하고,
   상기 제1 스위치부와 제2 스위치부는 상호 반대로 온오프(on-off)되며,
   상기 두 개의 변압부는 상기 제1 증폭부에 연결된 제1 인덕터(inductor)를 포함하는 제1 변압부 및 상기 제1 증폭부에 연결된 제2 인덕터를 포함하는 제2 변압부이고, 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터는 상기 제1 증폭부와 병렬로 연결되는, 데이터 변조 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 반송파 신호를 입력 받아 상기 제1 증폭부로 출력하는 입력정합회로부를 더 포함하는, 데이터 변조 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 차동 증폭부는 상기 S2D 변환부로부터 차동신호 출력을 각각 입력 받는 제2증폭부 및 제3 증폭부를 포함하는, 데이터 변조 장치.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 변압부는 상기 제1 인덕터와 연결되는 제3 인덕터 및 상기 제1 인덕터와 비접촉방식으로 연결되는 제4 인덕터를 더 포함하고,
   상기 제2 변압부는 상기 제2 인덕터와 연결되는 제5 인덕터 및 상기 제2 인덕터와 비접촉방식으로 연결되는 제6 인덕터를 더 포함하는, 데이터 변조 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1 인덕터와 상기 제3 인덕터 사이의 상호 유도전압과 상기 제1 인덕터와 상기 제4 인덕터 사이의 상호 유도전압의 위상차는 180도이고,
   상기 제2 인덕터와 상기 제5 인덕터 사이의 상호 유도전압과 상기 제2 인덕터와 상기 제6 인덕터 사이의 상호 유도전압의 위상차는 180도인, 데이터 변조 장치.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1 인덕터와 상기 제3 인덕터 사이에 병렬로 연결되는 제1 커패시터(capacitor)부와
   상기 제2 인덕터와 상기 제5 인덕터 사이에 병렬로 연결되는 제2 커패시터부를 더 포함하는, 데이터 변조 장치.
8. 청구항 3에 있어서,
   상기 제2 증폭부의 입력단은 상기 제1 변압부의 출력단과 연결되고, 상기 제3 증폭부의 입력단은 상기 제2 변압부 출력단과 연결되는, 데이터 변조 장치.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 D2S 변환부는 상기 차동 증폭부의 출력단과 연결된 제7 인덕터와 변조신호 출력부와 연결된 제8 인덕터의 결합(coupling)를 통해 차동신호의 단일신호로의 변환 및 출력정합을 수행하는, 데이터 변조 장치.
10. 무선 통신 시스템의 데이터 변조 방법에 있어서,
    단일-차동(S2D; Single-to-Differential) 변환부의 제1 증폭부가 반송파 신호를 입력 받는 단계;
    제1 스위치부 및 제2 스위치부의 입력단이 입력 데이터를 입력 받는 단계;
    상기 제1 증폭부의 출력단과 병렬 연결된 두 개의 변압부(transformer)를 이용하여 상기 제1 증폭부의 출력신호를 차동신호로 변환하는 단계;
    제2 증폭부와 제3 증폭부를 포함하는 차동 증폭부에서 상기 차동신호를 각각 입력 받아 차동 증폭하는 단계; 및
    상기 제2 스위치부의 동작에 기초하여 차동 증폭부 출력신호를 차동-단일(D2S; Differential-to-Single) 변환부로 전달하는 단계를 포함하며,
    상기 두 개의 변압부는 상기 제1 증폭부에 연결된 제1 인덕터(inductor)를 포함하는 제1 변압부 및 상기 제1 증폭부에 연결된 제2 인덕터를 포함하는 제2 변압부이고, 상기 제1 인덕터와 제2 인덕터는 상기 제1 증폭부와 병렬로 연결되는, 데이터 변조 방법.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 스위치부와 제2 스위치부는 상호 반대로 온오프(on-off)되도록 동작하는, 데이터 변조 방법.
12. 청구항 10에 있어서,
    상기 S2D 변환부의 제1 증폭부로 입력되는 반송파 신호는 입력정합 처리되고 상기 S2D 변환부로 입력되는, 데이터 변조 방법.
13. 삭제
14. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 변압부는 상기 제1 인덕터와 연결되는 제3 인덕터 및 상기 제1 인덕터와 비접촉방식으로 연결되는 제4 인덕터를 더 포함하고,
    상기 제2 변압부는 상기 제2 인덕터와 연결되는 제5 인덕터 및 상기 제2 인덕터와 비접촉방식으로 연결되는 제6 인덕터를 더 포함하는, 데이터 변조 방법.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 인덕터와 상기 제3 인덕터 사이의 상호 유도전압과 상기 제1 인덕터와 상기 제4 인덕터 사이의 상호 유도전압의 위상차는 180도이고,
    상기 제2 인덕터와 상기 제5 인덕터 사이의 상호 유도전압과 상기 제2 인덕터와 상기 제6 인덕터 사이의 상호 유도전압의 위상차는 180도인, 데이터 변조 방법.
16. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 인덕터와 상기 제3 인덕터 사이에 병렬로 연결되는 제1 커패시터(capacitor)부와
    상기 제2 인덕터와 상기 제5 인덕터 사이에 병렬로 연결되는 제2 커패시터부를 더 포함하는, 데이터 변조 방법.
17. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2 증폭부의 입력단은 상기 제1 변압부의 출력단과 연결되고, 상기 제3 증폭부의 입력단은 상기 제2 변압부 출력단과 연결되는, 데이터 변조 방법.
18. 청구항 16에 있어서,
    상기 D2S 변환부는 상기 차동 증폭부의 출력신호와 연결된 제7 인덕터와 변조신호 출력부와 연결된 제8 인덕터의 결합(coupling)를 통해 차동단일변환과 출력정합기능을 수행하는, 데이터 변조 방법.

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