KR20000064330A - 밀리파 무선용 주파수 변환 회로 및 주파수 변환 방법 - Google Patents

Abstract

밀리파 무선 전송기 내의 주파수 상향 변환 회로(frequency upconversion circuit)는, 저주파 신호를 밀리파 무선 주파수(RF) 신호로 변환하기 위해, 저주파 합성기(38)및 병렬로 연결된 주파수 혼합 및 체배 회로를 이용한다. 밀리파 무선 수신기 내의 주파수 하향 변환 회로(frequency downconversion circuit)는, 밀리파 RF 신호를 저주파 신호로 변환하기 위해, 저주파 합성기(62)및 병렬로 연결된 주파수 혼합 및 체배 회로를 이용한다.

Description

밀리파 무선용 주파수 변환 회로 및 주파수 변환 방법

밀리파 무선는 저주파 베이스밴드(baseband) 변조 신호에서 밀리파 무선(RF) 신호로 변환되어야 전송된다. 변조된 IF 신호를 발생시키기 위해 국부 발진기(local oscillator)를 이용하여 중간 주파수(IF)와 변조 신호를 혼합함으로써, 베이스밴드 변조(modulation) 신호는 중간 주파수(IF) 파를 변조하며, 이러한 변조된 IF 신호의 주파수는 베이스밴드 주파수와 국부 발진기 주파수를 합한 것이다.

무선 전송을 위해 IF 신호를 밀리파 RF 신호로 변환하는 종래의 회로구성(scheme)으로 두 개의 주요 회로구성이 있다. 그 첫 번째 회로구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 변조된 IF 신호의 주파수를 밀리파 주파수에 직접 곱하는 것이다. 낮은 베이스밴드 주파수(fmod)를 갖는 변조 신호(2)는 믹서(mixer)(6)내에서 주파수(f1)를 갖는 IF와 혼합되어 fmod와 f1의 합과 같은 중간 주파수(fIF)를 갖는 상향 변환된 변조 신호(8)가 발생된다. 그런 다음, 이러한 IF 신호는 주파수 채배기(10)로 입력되어 N 만큼 곱해짐으로써 신호(fIF)의 주파수는 증가되고, 그 결과 밀리파 주파수(fRF)를 갖는 RF 신호(12)가 발생된다. 주파수를 직접 곱하는 이러한 회로구성은 주파수 변조(FM) 레이더 시스템에 관한 미국 등록 특허(제5,495,255호)에서 설명된다.

밀리파 무선용으로 도 1에 도시된 주파수를 직접적으로 체배하는 회로구성의 주요 단점은, 변조된 IF 신호가 N 만큼 곱해질 때 주파수 체배기(10)이 비선형 특성을 나타내며, 그 결과 RF 신호(12)가 변조 신호에 비해 왜곡된 신호 모양을 갖는 다는 것이다. 직접적으로 주파수를 곱하는 것은, FM 또는 FSK(frequency shifted keying)와 같이, 신호 크기(amplitude)에 민감하지 않는 변조 회로구성에 적절하다. 그러나, 직접적으로 주파수를 곱하는 것은 신호 크기 변조(amplitude modulation:AM) 또는 고수준(high level)의 직각 신호 크기 변조(quadrature amplitude modulation:QAM)와 같이, 선형 특성이 필요한 변조 회로구성에는 적절하지 않다.

밀리파 대역의 RF 신호를 발생시키기 위한 다른 종래의 회로 구성으로는 도 2에 도시된 바와 같이 밀리파 합성기를 이용하는 것이다. 주파수(fmod)를 갖는 베이스밴드 변조 신호(14)는 주파수(f1)를 갖는 IF 파(16)와 믹서(18)에서 혼합되어 주파수(fIF)를 갖는 변조된 IF 신호(20)을 발생시킨다. 그런 다음 이러한 IF 신호(20)는 고주파 믹서(26) 내의 밀리파 주파수 합성기(24)에 의해 생성된 밀리파(22)와 혼합되어 주파수(fRF)를 갖는 변조된 밀리파 신호(28)를 발생시킨다. 이러한 회로구성은 낮은 RF 주파수용 셀룰러 전화기에 관한 미국 등록 특허(제5,428,668호)에서 설명된다.

도 2에 도시된 바와 같이 밀리파 주파수 합성기(24)는, 밀리파 주파수를 직접적으로 합성하는 데 필요한 하드웨어가 복잡하기 때문에 가격이 매우 비싸다. 더구나, 밀리파 주파수 합성기는 제한된 동조(tunning) 대역폭(bandwidth)을 가지기 때문에 광대역 무선용으로는 적절하지 않다. 다수의 밀리파 주파수 합성기를 이용하여 원하는 동조 대역폭을 확보하고자 한다면, 무선는 더욱 비싸게 된다.

<발명의 요약>

본 발명은, 저주파 합성기, 다수의 주파수 체배기, 및 다수의 믹서를 이용하여, 베이스밴드 변조 신호와 밀리파 무선(RF) 신호간의 상호 변환할 수 있는 주파수 변환 회로 및 변환 방법을 제공한다.

무선 전송기에서, 변조된 신호는 먼저 저주파의 합성기 주파수와 혼합되어 변조된 합성 주파수를 발생시킨다. 또한, 합성기 주파수를 밀리파 주파수로 변환하기 위해 합성기 주파수는 변조된 합성기 주파수 신호와 나란히 있는 주파수 체배기에 직렬로 곱해진다. 그런 다음, 밀리파 주파수는 변조된 합성기 주파수와 혼합되어 전송용으로 변조된 밀리파 RF 신호를 발생시킨다.

무선 수신기는 역순으로 동작한다. 수신된 RF 신호는 체배된 합성기 주파수와 혼합되어 저주파의 변조된 합성기 주파수로 다운 컨버팅(downconverter) 된다. 그런 다음 이러한 주파수는 합성기 주파수와 혼합되어 추가로 다운 컨버팅된 주파수를 수신용으로 발생시킨다.

본 발명은 저가(low cost)의 상업용 무선용으로 선호되는 두 가지 뚜렷한 특징은 가진다. 첫 번째는, 변조된 신호가 어떤 회로 경로에서도 주파수가 체배되지 않아서, 체배되었을 경우에 주파수 체배기에 의해 발생될 수 있는 신호로 인한 비선형을 피할 수 있다. 이러한 주파수 변환 회로는 신호의 선형성을 기본적으로 유지하기 때문에, FM, AM, QAM 과 같은 다양한 변조 형태에 이용될 수 있다.

두 번째 이점은 저주파 합성기를 이용하여, 회로 비용을 상당히 줄일 수 있다는 것이다. 저주파 합성기의 동조 대역폭은 직렬화된 주파수 체배기의 복합적인 체배에 의해 체배되기때문에, 상대적으로 좁은 합성기 동조 대역폭으로 넓은 RF 동조 대역폭을 달성할 수 있다. 그래서, 주파수 변환 회로내의 합성기는 무선의 모든 대역폭을 변환시킬 수 있으며, 따라서 회로 비용을 감소시키게 된다.

상술된 본 발명의 특징 및 기타 특징들은 수반된 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 이러한 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람들에게는 자명한 것이다.

본 발명은, 저주파 합성기(synthesizer)를 이용하여 저주파 변조 신호와 밀리파 대역의 무선(radio frequency:RF) 신호간의 변환을 위해, 주파수 혼합 및 주파수 체배의 조합을 이용하는 주파수 변환(conversion)에 관한 것이다.

도 1은 RF 신호를 생성하기 위해 IF 신호를 직접 체배하는 종래의 밀리파 무선 전송기를 도식적으로 나타내는 도면.

도 2는 밀리파 주파수 합성기를 이용하는 종래의 밀리파 무선 전송기를 도식적으로 나타내는 도면.

도 3은 저주파 합성기를 이용하여 주파수를 체배하고 혼합하는 본 발명에 따른 밀리파 무선 전송기 및 수신기를 도식적으로 나타내는 도면.

본 발명은 밀리파 무선 전송기 및 수신기용 주파수 변환 회로를 제공한다. 이러한 회로는 저주파 합성기 및 주파수 체배기와 믹서의 직렬 결합을 이용하여 변조 신호를 전송용 밀리파 RF 신호로 변환하는 데 이용되며, 수신용으로는 그 역순으로 이용된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예를 도식적으로 나타내는 도면이다. 전송기 및 수신기 회로는 기본적으로 대칭이다. 전송기 및 수신기 회로가 단일 무선에서 구현된다면, 기능과 관련하여 동일한 믹서 및 체배기 소자를 이용하여 전송기 및 수신기의 제조를 단순화 시킬 수도 있다.

전송기에서는, 주파수(ft)를 갖는 베이스밴드 변조 신호(30)가 주파수(f1)을 갖는 국부 발진기에 의해 생성된 중간 주파수(IF) 파(32)와 믹서(31)에서 혼합되어 주파수(fIF)를 갖는 IF 신호(36)를 발생하며, 이러한 IF 신호의 주파수는 ft와 f1의 합이다. 이러한 베이스밴드 변조 신호는 바람직하게는 50-500㎒의 주파수 범위를 갖는다. 또한, IF를 이용하지 않고도 베이스밴드 변조 신호를 RF 신호로 변경하는 것이 가능하며, 베이스밴드 변조 신호가 넓은 대역폭을 갖는 경우에 베이스밴드 변조 신호는 넓은 동조 범위를 고려하여 먼저 IF 신호로 변환되는 것이 바람직하다. 국부 발진기 주파수(f1)는 바람직하게는 베이스밴드 주파수(ft)보다 훨씬 커야 하고, 500㎒ 내지 3㎓ 의 범위에 있는 것이 바람직하다. IF 주파수가 변조 신호의 베이스밴드 주파수에 비해 대략 다섯 배인 것은 더 바람직한 것이며, 그 결과 필터링(filtering) 및 동조가 용이한 점을 고려하면 베이스밴드 변조 주파수가 IF 에 비해 훨씬 작다. 예를 들어, 베이스밴드 변조 신호의 주파수가 300㎒ 이면, IF 주파수는 1.5㎓인 것이 바람직하다. 전송기는, 바람직하게는 1-5㎓인 합성기 주파수(fsyn)를 발생하는 저주파수 합성기(38)를 이용한다. 예를 들어, 소정의 밀리파 RF가 대략 40㎓이고, 소정의 복합적인 체배 인자(factor)가 10 이면, 합성기 주파수(fsyn)는 대략 4㎓이어야 한다. 합성기 주파수는 믹서(42)에서 IF 신호(36)와 혼합되어 fIF와 fsyn의 합에 해당하는 주파수를 갖는 신호(44)를 발생한다. 다른 경로에서, 합성기 주파수는 xM 주파수 체배기(46)에서 체배되고 xN 주파수 체배기(48)는 함께 직렬로 연결되어 MxNxfsyn의 체배된 주파수(50)를 생성하며, 여기에서 M, N 은 양의 정수이다. 바람직하게는, 체배 인자 M과 N 각각은 위상 잡음(phase noise)에서의 과도한 감쇠를 피하기 위해 단지 5이다. 체배기 각각의 체배 인자가 서로 3으로 동일한 것이 더 바람직하며, 그래서 fsyn의 아홉배에 해당하는 주파수가 생성된다. 그런 다음, 체배된 주파수(50)는 믹서(52)내에서 fif+fsyn 신호(44)와 혼합되어 주파수(fIF+(MxN+1)xfsyn)를 갖는 밀리파 RF 신호(54)를 생성한다. RF 신호는 바람직하게는 30-90㎓의 주파수 범위를 갖는다. 각각의 주파수 체배기가 3 을 바람직한 체배 인자로 갖는 다면, IF 신호는 합성기 주파수의 열 배 만큼 RF 신호로 상향 변환(upconvertind)된다. 이러한 체배 인자는 복잡한 하드웨어와 체배로 인해 발생되는 위상 잡음 감쇠간의 적절한 절충 값이다.

이러한 회로는 몇 가지 뚜렷한 이점을 갖는다. 첫 째, 변조 신호(ft)는 믹서(31, 42, 및 52)에서 단지 혼합됨으로써 상향 변환되며, 어떤 다른 회로 경로에서 주파수 체배되지는 않기 때문에, 주파수 체배와 관련되어 변조 신호 왜곡을 유발하는 비선형을 피할수 있다. 이러한 주파수 변환 회로는 신호 선형성을 유지하기 때문에, FM, FSK, AM, 및 QAM과 같은 다양한 변조용으로 적절하다. 두 번째, 1-5㎓ 범위의 fsyn를 갖는 저주파 합성기를 이용할 수 있어서, 밀리파 주파수 합성기에 비해 훨씬 저렴하다. 더구나, 주파수 합성기(38)의 동조 대역폭은 직렬 연결된 주파수 체배기(46, 48)의 혼합된 체배 인자를 이용하여 체배되어, RF 신호(54)용의 넓은 RF 동조 대역폭을 발생한다. 그래서, 무선의 모든 동조 대역폭을 다루기 위해 필요한 것은 단지 하나의 저렴한 주파수 합성기이다.

다른 실시예에서는 직렬 연결된 두 개의 주파수 체배기(46, 48) 대신에 하나의 주파수 체배기가 이용될 수 있다. 그러나, 체배 인자는 단일 체배기로 제한되며 이것은 위상 잡음 감쇄가 5 이상의 체배 인자로는 과도하기 때문이다. 그래서, 합성기 주파수(fsyn)는 훨씬 큰 값을 가져야 하기때문에 회로 비용을 증가시킨다.

무선 수신기용 주파수 변환 회로는 동작이 반대인 것을 제외하고는 전송기와 동일한 것이 바람직하다. 주파수(fIF+(MxN+1)xfsyn)를 갖는 수신된 RF 신호(56)는 믹서(58)에 의해 하향 변환(downconverted)되며, 이러한 믹서는 직렬로 연결된 체배기(64, 66)에서 체배된 합성기(62) 주파수(fsyn)로부터 발생된 체배된 합성기 주파수 파(60)와 입력되는 RF 신호(56)를 혼합한다. 그런 다음, 하향 변환된 신호(68)는 믹서(70)에서 합성기 주파수(fsyn)와 혼합되어 주파수(fIF)를 갖는 IF 신호(72)로 더 하향 변환된다. 그런 다음, IF 신호(72)는 국부 발진기로부터의 IF 파와 믹서(74)에서 혼합되어 베이스밴드 주파수(fr)를 갖는 베이스밴드 변조 신호(76)를 발생시킨다. 밀리파 무선에서, 하나의 IF 국부 발진기(34)는 동일한 IF 주파수를 이용하는 송신 및 수신 모두에 이용될 수도 있다. 더구나, 전송기 및 수신기의 주파수 변환 회로는 기능과 관련하여 동일한 믹서와 체배기 소자를 이용하기 때문에, 추가로 제조 비용을 줄인다. 전송기 및 수신기가 서로 거리를 두고 있다면, 이들 두 소자용으로 격리된 국부 발진기가 필요하다.

상술한 전송기 주파수 변환 회로의 이점은 또한 수신기 회로에도 있다. 이러한 이점에는 낮은 신호 왜곡, 낮은 위상 잡음 감쇄, 넓은 동조 대역폭, 및 저가의 저주파 합성기가 포함된다.

본 발명의 몇 가지 예시된 실시예가 도시되어 설명되었지만, 많은 다양하고 대안적인 실시예가 이러한 기술 분야의 통상의 기술을 가진 사람들에게 발생할 것이다. 이러한 다양하고 대안적인 실시예는 예견할 수 있는 것이며, 첨부된 청구범위에서 정의된 바와 같이, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 형성할 수 있는 것이다.

Claims (10)

1. 상대적으로 낮은 주파수 입력 신호(36)를 상대적으로 높은 주파수 출력 신호(54)로 변환하기 위한 주파수 상향 변환 회로(frequency upconversion circuit)에 있어서,

   상기 출력 신호(54)의 주파수 보다 실질적으로 작은 주파수를 갖는 합성기(synthesizer) 신호를 생성하는 주파수 합성기(38),

   체배된 합성기 주파수 신호(50)를 생성하기 위해 상기 합성기(38) 신호의 주파수를 체배 인자(multiplication factor)만큼 체배하도록 연결된 하나 또는 그 이상의 주파수 체배기(multiplier)(46, 48),

   상기 입력 신호(36)와 상기 합성기(38) 신호를 혼합하여 변조 합성된 신호(44)를 생성하는 제1단 믹서(mixer)(42), 및

   상기 변조 합성된 신호(44)와 상기 체배된 합성기 주파수 신호(50)를 혼합하여 무선 전송용의 상기 출력 신호(54)를 생성하는 제2 믹서(52)

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 상향 변환 회로.
2. 제1항에 있어서,

   발진기 신호(32)를 생성하는 중간 주파수(IF) 발진기(34), 및

   베이스밴드(baseband) 변조 신호(30)와 상기 발진기(oscillator) 신호(32)를 혼합하여 상기 입력 신호(36)를 생성하는 IF 믹서(mixer)(31)

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 상향 변환 회로.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 주파수 체배기(46, 48)는 정수 체배 인자(M)를 갖는 체배기(46)와 정수 체배 인자(N)를 갖는 체배기(46)의 두 개 주파수 체배기(46, 48)를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 상향 변환 회로.
4. 상대적으로 높은 주파수 입력 신호(56)를 상대적으로 낮은 주파수 출력 신호(72)로 변환하기 위한 주파수 하향 변환 회로(frequency downconversion circuit)에 있어서,

   상기 입력 신호(56)의 주파수 보다 실질적으로 작은 주파수를 갖는 합성기 신호를 생성하는 주파수 합성기(62),

   체배된 합성기 주파수 신호(60)를 생성하기 위해 상기 합성기(62) 신호의 주파수를 체배 인자만큼 체배하도록 연결된 하나 또는 그 이상의 주파수 체배기(64, 66),

   상기 입력 신호(56)와 상기 합성기 주파수 신호(60)를 혼합하여 변조 합성된 신호(68)를 생성하는 제1단 믹서(58), 및

   상기 변조 합성된 신호(68)와 상기 체배된 합성기 주파수 신호(62)를 혼합하여 무선 수신용의 상기 출력 신호(72)를 생성하는 제2단 믹서(70)

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 하향 변환 회로.
5. 제4항에 있어서,

   발진기 신호(32)를 생성하는 중간 주파수(IF) 발진기(34), 및

   상기 출력 신호(72)와 상기 발진기 신호(32)를 혼합하여 베이스밴드 변조 신호(76)를 생성하는 IF 믹서(mixer)(74)

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 하향 변환 회로.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,

   상기 주파수 체배기(64, 66)는 정수 체배 인자(M)를 갖는 체배기(64)와 정수 체배 인자(N)를 갖는 체배기(66)의 두 개 주파수 체배기(64, 66)를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 하향 변환 회로.
7. 비교적 낮은 주파수 입력 신호(36)를 상대적으로 높은 주파수 출력 신호(54)로 변환하기 위한 방법에 있어서,

   상기 출력 신호(54)의 주파수 보다 실질적으로 작은 합성기 주파수를 갖는 합성기(38) 신호를 생성하는 단계,

   체배된 합성기 주파수 신호(50)을 생성하기 위해 상기 합성기 주파수를 체배하는 단계,

   변조 합성된 신호(44)를 생성하기 위해 상기 합성기(38) 신호와 상기 입력 신호(36)를 혼합하는 단계, 및

   무선 전송용의 상기 출력 신호(54)를 생성하기 위해 상기 변조 합성된 신호(44)와 상기 체배된 합성기 주파수 신호(50)을 혼합하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 변환 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 입력 신호(36)는 베이스밴드 변조 신호(30)를 IF 발진기 신호(32)와 혼합하여 생성되는 것을 특징으로 하는 주파수 변환 방법.
9. 상대적으로 높은 주파수 입력 신호(56)를 상대적으로 낮은 주파수 출력 신호(72)로 변환하기 위한 방법에 있어서,

   상기 입력 신호(56)의 주파수 보다 실질적으로 작은 합성기 주파수를 갖는 합성기(62) 신호를 생성하는 단계,

   체배된 합성기 주파수 신호(60)을 생성하기 위해 상기 합성기 주파수를 체배하는 단계,

   변조 합성된 신호(68)를 생성하기 위해 상기 체배된 합성기 주파수 신호(60)와 상기 입력 신호(56)를 혼합하는 단계, 및

   상기 출력 신호(72)를 생성하기 위해 상기 변조 합성된 신호(68)와 상기 합성기(62) 신호를 혼합하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 변환 방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 출력 신호(72)는 상기 출력 신호(72)를 IF 발진기 신호(32)와 혼합함으로써 베이스밴드 변조 신호(76)로 하향 변환되는 것을 특징으로 하는 주파수 변환 방법.