KR19980084982A - 주파수 변환장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

무선통시스템의 주파수변환장치가, 국부발진주파수를 발생하는 국부발진기와, 입력되는 신호와 국부발진주파수를 혼합하여 출력하는 혼합기와, 국부발진주파수의 레벨을 누설되는 국부발진주파수의 레벨로 변환하는 레벨변환기와, 레벨변환기의 출력을 역위상으로 변환하는 위상변조기와, 혼합기의 출력과 위상변조기의 출력을 결합하여 혼합기 출력에 포함된 국부발진주파수를 제거하는 결합기로 구성된다.

Description

주파수 변환장치 및 방법

본 발명은 무선통신시스템의 주파수 변환장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 주파수변환장치에서 국부발진주파수의 누설신호를 제거할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 주파수 변환장치는 무선통신장치에서 송수신되는 주파수를 변환하는 장치를 말한다. 이때 송신장치의 주파수 변환장치는 상승변환장치(up-converter)로서, 신호(baseband signal)에 반송파(carrier wave)를 혼합하여 송신신호의 주파수를 상승변환하며, 수신장치의 주파수 변환장치는 하강변환장치(down-converter)로서, 수신되는 RF신호에서 반송파를 제거하여 원래의 신호(baseband signal)로 하강변환한다.

상기와 같은 주파수변환장치에는 혼합기(mixer)를 구비하며, 상기 혼합기는 송신 또는 수신신호와 국부발진주파수를 혼합하여 주파수를 상승 또는 하강하는 기능을 수행한다. 본 발명의 실시예에서는 상승변환장치를 예로들어 설명하기로 한다.

도 1 및 도 3은 주파수를 상승변환하는 장치에서 국부발진주파수와 신호를 혼합하는 구성을 도시하는 도면으로, 국부발진기(local oscillator)11은 주파수를 변환하기 위한 국부발진주파수(Local Frequency: LF)를 발생한다. 혼합기12는 IF신호(Iermediate Frequency: IF)와 상기 국부발진주파수를 혼합하여 출력한다. 도 2는 혼합기12에서 출력되는 주파수 스펙트럼을 나타내는 도면으로, 주파수 스펙트럼에서 누설되는 국부발진주파수가 가장 높은 레벨로 나타난다. 여기서 상기 IF신호는 전단에서 1차 주파수 변환 과정을 거쳐 발생된 신호가 된다. 대역여파기13은 상기 혼합기12의 출력에서 상승변환된 주파수 대역을 여파 출력한다. 증폭기14는 상기 대역여파기13에서 출력되는 상승변환된 신호를 증폭하여 RF신호(Radio Frequency: RF)로 출력한다.

여기서 상기 도 1은 혼합기12에서 누설된 국부발진주파수의 레벨을 낮추기 위하여 상기 혼합기12의 출력단에 너치필터(notch filter)15를 연결한 구성을 도시하고, 도 2는 증폭기14의 출력단에 대역여파기21을 연결하여 국부발진주파수 성분의 레벨을 떨어뜨리는 구성을 도시하고 있다.

상기 도 1의 주파수 변환 동작을 살펴보면, 혼합기12는 입력되는 IF신호와 국부발진주파수를 혼합하여 출력한다. 이때 상기 IF신호를 Fif라 하고 국부발진주파수를 Flo라 하며 혼합기12의 출력을 Fo라 하면, 상기 Fo는 하기 수학식 1과 표시할 수 있다.

[수학식 1]

여기서 n,m=0,1,2,3,....이다. 상기 도 1에서는 혼합기12의 출력단에서 상기 국부발진주파수Flo를 제거하기 위하여 너치필터15를 사용하며, 상기 너치필터15의 특성은 도 3에 도시된 바와 같이 설계한다. 상기 너치필터15의 특성은 하기 수학식 2와 같다.

[수학식 1]

따라서 상기 너치필터15는 상기 수학식 2와 같은 점에서 공진이 일어나며, 이런 특성을 이용하여 누설된 국부발진주파수를 제거한다.

또한 상기 도 3과 같은 구성을 갖는 경우, 출력 주파수Fo에 포함된 국부발진주파수Flo를 제거하기 위하여 대역여파기21을 사용하며, 이때 상기 대역여파기21의 통과 대역은 국부발진주파수 대역으로 설계한다. 따라서 최종적으로 출력되는 신호에서 증폭기14에 의해 이득을 갖는 국부발진주파수를 다시 대역여파기21을 통해 제거한다.

그러나 상기 도 1과 같은 구성으로 누설된 국부발진주파수Flo를 제거하는 경우, 너치필터15를 구성할 때 인덕터(inductor) 및 캐패시터(capacitor) 값의 편차가 주파수에 따라 발생하여 국부발진주파수를 원하는 신호의 크기로 감쇄하기가 어려우며, 주파수가 높을수록 부품 값의 편차도 커지고 구현도 어려움이 따른다. 따라서 부품의 편차에 의해 원하는 신호인 국부발진주파수를 원하는 레벨 까지 제거하기 어려운 문제점이 있었다.

또한 상기 도 4와 같은 구성으로 누설된 국부발진주파수Flo를 제거하는 경우, 상기 도 2에 도시된 바와 같이 혼합기12의 주파수 스펙트럼에 나타난 바와 같이 높은 레벨의 국부발진주파수Flo가 누설되기 때문에 규정된 출력 스펙트럼 마스크(spectrum mask)를 만족하기 위해서 다단의 대역여파기21을 사용하여야 한다. 이로인해 대역여파기21을 구현하기 위한 제품의 가격이 상승되고, 부품을 추가 삽입하므로서 제품의 경박단소에 불리한 문제점이 있었다.

그러나 현재의 무선통신시스템은 기저대역의 신호(baseband signal)를 RF신호로 직접 변환하는 방식을 채택하는 경향이 증가하고 있다. 이런 경우 상기 국부발진주파수의 누설은 송신 주파수 스펙트럼 관련 제품 규격에 미달되는 현상이 발생하므로, 더욱 국부발진주파수를 제거하기 위하여 많은 시간과 노력을 투자하고 있다. 그러므로 무선통신시스템의 주파수 변환장치는 국부발진주파수를 효율적으로 제거하고 송신기의 출력 스펙트럼 규격을 용이하게 만족할 수 있도록 설계할 수 있어야 한다. 특히 직접변환방식을 사용하는 주파수 변환장치를 설계하는 경우, 상기 도 1 및 도 2와 같은 구성으로 국부발진주파수를 제거하는 것이 불가능하다.

따라서 본 발명의 목적은 주파수 변환장치에서 국부발진주파수와 동일한 크기의 역위상신호를 혼합기의 출력단에 결합시켜 상기 혼합기에서 누설되는 국부발진주파수를 제거할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 직접 변환방식을 사용하는 주파수 변환장치의 혼합기에서 누설되는 국부발진주파수를 제거할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주파수 변환장치가, 국부발진주파수를 발생하는 국부발진기와, 입력되는 신호와 상기 국부발진주파수를 혼합하여 출력하는 혼합기와, 상기 국부발진주파수의 레벨을 커플링하여 누설되는 국부발진주파수의 레벨로 변환하는 레벨변환기와, 상기 레벨변환기의 출력을 역위상으로 변환하는 위상변조기와, 상기 혼합기의 출력과 상기 위상변조기의 출력을 결합하여 상기 혼합기 출력에 포함된 국부발진주파수를 제거하는 결합기로 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 주파수변환장치에서 신호와 국부발진주파수를 혼합하는 구성을 도시하는 도면

도 2는 혼합기의 주파수 스펙트럼을 도시하는 도면

도 3은 도 1 중 너치필터의 특성을 도시하는 도면

도 4는 또 다른 주파수변환장치에서 신호와 국부발진주파수를 혼합하는 구성을 도시하는 도면

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주파수변환장치에서 신호와 국부발진주파수를 혼합하는 구성을 도시하는 도면

도 6은 혼합기의 하모닉 주파수의 스펙트럼을 도시하는 도면

도 7은 역위상 주파수 스펙트럼을 도시하는 도면

도 8은 시간영역에서 국부발진주파수가 제거되는 특성을 도시하는 도면

도 9는 직접변환방식을 사용하는 주파수 변환장치에 본 발명의 실시예를 적용한 예를 도시하는 도면

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 변환장치에서 국부발진주파수의 누설을 제거하는 구성을 도시하는 도면이다, 상기 도 5의 구성을 살펴보면,

국부발진기11은 주파수를 변환하기 위한 국부발진주파수를 발생한다. 혼합기12는 IF신호와 상기 국부발진주파수를 혼합하여 출력한다. 도 4는 혼합기12에서 출력되는 주파수 스펙트럼을 나타내는 도면으로, 주파수 스펙트럼에서 누설되는 국부발진주파수가 가장 높은 레벨로 나타난다. 여기서 상기 IF신호는 전단에서 1차 주파수 변환 과정을 거쳐 발생된 신호가 된다.

분배기(divider)41은 상기 국부발진기11에서 출력되는 국부발진주파수의 전력을 분배하여 상기 혼합기12 및 레벨변환기(level converter)41에 출력한다. 상기 레벨변환기42는 전력 분배 또는 커플링되어 입력되는 상기 국부발진주파수의 레벨을 상기 혼합기12에서 출력되는 누설신호의 크기로 조정한다. 위상변조기(phase modulator)43은 상기 레벨변환기42에서 출력되는 국부발진주파수의 위상을 역위상으로 변조하여 출력한다. 결합기44는 상기 혼합기12에서 출력되는 혼합신호와 위상변조기43에서 출력되는 역위상의 국부발진주파수를 결합하여 상기 혼합신호에 누설된 국부발진주파수를 제거한다.

대역여파기13은 상기 결합기44에서 국부발진주파수가 제거된 혼합신호에서 상승변환된 주파수 대역을 여파 출력한다. 증폭기14는 상기 대역여파기13에서 출력되는 상승변환된 신호를 증폭하여 RF신호로 출력한다.

상기 도 2는 상기 혼합기12에서 출력되는 혼합신호의 주파수 스펙트럼을 도시하고 있으며, 상기 주파수 스펙트럼 중에서 국부발진주파수의 스펙트럼이 가장 높은 레벨로 나타난다. 도 6은 상기 혼합기12에서 출력되는 하모닉 주파수 스펙트럼(harmonic frequency spectrum)을 도시하고 있으며, 출력되는 혼합신호 중에서 국부발진주파수의 스펙트럼이 가장 높게 나타남을 알 수 있다. 도 7은 상기 도 6과 같은 혼합기12의 하모닉 주파수 스펙트럼에서 국부발진주파수를 제거하기 위하여 위상변조기43이 출력하는 역위상의 국부발진주파수 스펙트럼을 도시하고 있다. 도 8은 시간영역에서 국부발진신호를 제거하는 특성을 도시하는 파형도로써, 8a는 혼합기12의 출력 중에 포함된 누설된 국부발진주파수의 크기를 나타내고 있으며, 8b는 상기 위상변조기43에서 출력되는 역위상의 국부발진주파수 크기를 나타내고 있고, 8c는 상기 결합기44에서 누설되는 국부발진주파수가 제거된 상태를 도시하고 있다.

본 발명의 실시예에 따른 주파수 변환장치는 상기 도 5에 도시된 바와 같이 국부발진기11에서 출력되는 국부발진주파수의 일부를 이용하여 레벨 변환 및 역위상으로 변조한 후 이를 혼합기12의 출력에 결합시켜, 상기 혼합기12의 출력에 포함된 국부발진주파수를 제거한다.

상기 혼합기12에서 출력되는 주파수 스펙트럼은 도 4와 같이 발생된다. 상기 도 4에 도시된 바와 같이 국부발진주파수의 누설신호인 Flo의 신호 레벨이 매우 크며, 시스템에서 요구하는 출력 스펙트럼을 만족시키기 위해서는 상기 Flo를 제거하여야 한다. 또한 상기 혼합기12에서 출력되는 하모닉 주파수는 도 6에 도시된 바와 같이 발생되는데, 이런 경우 2차 및 3차 하모닉 주파수들을 제거하기가 어렵게된다. 상기 도 6에 도시된 바와 같이 혼합기12에서 출력되는 하기 수학식 1과 같이 발생된다. 이때 상기 혼합기12의 출력에 포함되는 Flo의 레벨, 즉, 국부발진기11의 누설신호의 크기 Floi는 하기 수학식 3과 같다.

[수학식 3]

상기 수학식 3에서 입력신호는 송신장치인 경우에는 RF신호가 되고 수신장치인 경우에는 IF신호가 된다.

상기 도 5에서 분배기41은 상기 국부발진지11에 출력되는 국부발진주파수의 신호 전력을 분배하여 레벨변환기42에 인가한다. 그러면 상기 레벨변환기42는 상기 분배된 국부발진주파수가 상기 혼합기12에서 출력되는 혼합신호에 포함된 국부발진주파수의 레벨과 동일한 크기를 갖도록 레벨을 변환한다. 즉, 혼합신호에 포함된 국부발진주파수의 누설신호의 크기가 도 8의 8a와 같은 경우, 레벨변환기42도 상기 8a와 같은 신호의 크기로 국부발진주파수의 레벨을 변환한다. 그리고 위상변조기43은 상기 레벨 변환된 국부발진주파수의 위상을 180 W변환하여 상기 혼합기12에서 출력되는 혼합신호에 포함된 국부발진주파수와 역위상이 되도록 변조한다. 이때 상기 위상변조기43에서 출력되는 국부발진주파수의 위상은 도 8의 8b와 같이 상기 누설신호와 역위상으로 발생한다. 따라서 상기 결합기44에서는 상기 혼합신호와 상기 위상변조기43의 출력을 결합하여 국부발진주파수를 제거하며, 이로인해 상기 대역여파기13에 인가되는 신호에서 국부발진주파수의 크기는 도 8의 8c와 같이 제거됨을 알 수 있다.

즉, 상기 혼합기12에서 상기 도 6과 같은 혼합신호를 출력하는 경우, 상기 레벨변환기42는 상기 Flo 및 2차 flo의 레벨의 크기와 동일한 크기를 갖도록 상기 국부발진주파수의 레벨을 조정하고, 위상변조기43은 상기 레벨 변환된 국부발진주파수를 도 7과 같이 역위상으로 변조하여 출력하게 되는 것이다. 그러면 상기 결합기44는 상기 혼합기12에서 출력되는 신호에 포함된 국부발진주파수를 제거한 후 대역여파기13에 인가한다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 국부발진주파수 제거회로를 직접변환방식을 사용하는 주파수변환장치에 적용하는 실시예를 도시하고 있다. 상기 구성에서 변환기95는 상기 레벨변환기42 및 위상변조기43을 포함한다. 또한 상기 도 9는 송신장치의 예를 도시하고 있다. 상기 도 9를 참조하면, 국부발진기90에서 발생되는 국부발진주파수는 혼합기92에 인가되며, 이상기(phase shifter)93에서 90 W쉬프트되어 혼합기94에 인가된다. 그러면 상기 혼합기92 및 94는 각각 I 및 Q 입력신호와 상기 국부발진주파수를 혼합하며, 결합기91은 상기 혼합기92 및 94의 혼합신호를 가산하여 RF 또는 IF신호를 출력한다. 이때 상기 국부발진주파수는 변환기95에 인가되며, 상기 변환기95는 상기 국부발진신호의 레벨을 레벨을 혼합신호에 포함되는 누설된 국부발진주파수의 레벨로 변환하고, 변환된 국부발진주파수의 위상을 역위상으로 변환한 후, 결합기96에 인가한다.

따라서 직접변환방식을 사용하는 주파수 변환장치에서 국부발진기90에서 출력되는 국부발진주파수를 누설되는 국부발진주파수의 레벨로 조정하고, 누설되는 국부발진주파수와 역위상이 되도록 변환된 후 결합기96에 인가되며, 따라서 상기 결합기96에서 상기 혼합신호에 포함된 국부발진주파수를 제거할 수 있게되는 것이다.

상술한 바와 같이 혼합기에서 누설되는 국부발진주파수를 제거하기 위하여, 국부발진기에서 출력되는 국부발진주파수의 레벨 조정 및 역위상으로 변환하여 혼합신호에 결합시켜 출력신호에 포함된 국부발진주파수를 제거한다. 따라서 간단한 구성으로 혼합기에서 누설되는 국부발진주파수를 제거할 수 있는 이점이 있으며, 또한 직접변환방식을 사용하는 주파수 변환장치에서 해결하기 힘든 국부발진신호를 효율적으로 제거할 수 있다.

Claims (4)

1. 무선통시스템의 주파수변환장치에 있어서,

   국부발진주파수를 발생하는 국부발진기와,

   입력되는 신호와 상기 국부발진주파수를 혼합하여 출력하는 혼합기와,

   상기 국부발진주파수의 레벨을 누설되는 국부발진주파수의 레벨로 변환하는 레벨변환기와,

   상기 레벨변환기의 출력을 역위상으로 변환하는 위상변조기와,

   상기 혼합기의 출력과 상기 위상변조기의 출력을 결합하여 상기 혼합기 출력에 포함된 국부발진주파수를 제거하는 결합기로 구성된 것을 특징으로 하는 무선통신시스템의 주파수 변환장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 결합기에 연결되며 입력신호를 상승변환하기 위하여 혼합신호의 상승주파수 대역을 여파하는 대역여파기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 무선통신시스템의 주파수 변환장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 결합기에 연결되며 입력신호를 하강변환하기 위하여 혼합신호의 하강주파수 대역을 여파하는 대역여파기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 무선통신시스템의 주파수 변환장치.
4. 무선통시스템의 주파수변환방법에 있어서,

   국부발진주파수를 발생하는 과정과,

   입력되는 신호와 상기 국부발진주파수를 혼합하는 과정과,

   상기 국부발진주파수의 레벨을 누설되는 국부발진주파수의 레벨로 변환하는 과정과,

   상기 레벨변환기의 출력을 역위상으로 변환하는 과정과,

   상기 혼합신호와 역위상의 국부발진주파수를 결합하여 상기 혼합기 출력에 포함된 국부발진주파수를 제거하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 무선통신시스템의 주파수 변환방법.