KR20000068744A - 다중 채널 무선 장치, 무선 통신 시스템, 및 분수 분할 주파수신시사이저 - Google Patents

다중 채널 무선 장치, 무선 통신 시스템, 및 분수 분할 주파수신시사이저 Download PDF

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왕첸후아
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요트.게.아. 롤페즈
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Abstract

다중 채널 무선 장치를 위한 분수 분할 신시사이저(fractional division synthesizers)가 공지된다. 이런 유형의 신시사이저를 위한 새로운 구조는 공지된 신시사이저의 단점은 갖지 않고 N 신시사이저에 의해 통상의 정수 분할과 동일한 위상 잡음 특성을 갖는 것으로 제안된다. 새로운 구조는 피드백 루프 내에 제 1 정수 주파수 분주기를 갖는 주 위상 동기 루프(PLL: Phase-Locked Loop)를 구비하고 피드백 루프 내에 제 2 정수 주파수 분주기를 갖는 것을 특징으로 하는 보조 PLL을 더 구비한다.

Description

다중 채널 무선 장치, 무선 통신 시스템, 및 분수 분할 주파수 신시사이저{MULTICHANNEL RADIO DEVICE, A RADIO COMMUNICATION SYSTEM, AND A FRACTIONAL DIVISION FREQUENCY SYNTHESIZER}
무선 주파수(RF: Radio Frequency) 신시사이저는 예를 들어 무선 통신 시스템에 사용되는 다중 채널 무선 장치에 사용된다. 그런 시스템 있에서, 다수의 주파수 채널에 동조할 수 있는, rf 주파수 신시사이저를 포함하는, 다중 채널 수신기 또는 송수신기가 사용된다. 그러한 곳에 사용하는 동조 장치는 무선 장치가 하나의 무선 채널에서 다른 무선 채널로 신속히 스위칭 할 수 있어야만 하기 때문에 빨리 동작해야 한다. 더욱이, 그 무선 장치는 가능한 한 인접한 채널과의 간섭을 거의 일으키기 않아야 한다. 이러한 이유로 인하여, 신세사이즈의 출력 신호의 스펙트럼 순도(purity)와 그 안정 시간(settling time)에 대한 상기 무선 장치에 사용되는 주파수 신시사이저 상에 높은 요구 조건이 부과되어야만 한다. 주파수 신시사이저는 편람 "전자 공학의 기술(The Art of Electronics)"(피.호로위츠 등, 캠브리지 대학교 출판사, 432쪽, 1980년(P. Horowitz et al., Cambridge University Press, page 432, 1980))에 기술되어 있는 것과 같은 주파수 곱셈기의 구조를 갖는 것으로 알려져 있다. 그러한 신시사이저에서, 전압 제어 발진기(VCO: Voltage Controlled Oscillator)로부터의 출력 신호는 예를 들어 수정 발진기에 의해 생성되는 안정된 기준 주파수의 배수이다. 정수 분할비 분주기는 그 출력 신호를 분할하고 그 분주기의 출력은 그 기준 신호가 또한 공급되는 위상 검출기에 피드백된다. 루프 필터는 위상 검출기의 출력을 필터링하고 저역 통과 필터링된 신호는 VCO를 제어한다. 그러한 루프는 기본적으로 피드백 경로에서 정수 분주기를 갖는 위상 동기 루프(PLL : Phase Locked Loop)이다. 통신 장치에서, 기준 주파수는 채널 간격과 동일하게 선택된다. 그러나, 보통 루프 필터의 좁은 대역폭으로 인하여 그러한 신시사이저의 안정 시간은 상대적으로 길어지게 되고 그 결과 그 신시사이저가 느려진다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 분수 분할 주파수 신시사이저가 제안되어왔다. 핸드북 "디지털 PLL 주파수 신시사이저"(유.엘. 로데, 124-141쪽, 프렌티스-홀, 1983(U.L. Rohde, pp.124-141, Prentice-Hall, 1983))에서, 그러한 분수 N 신시사이저(fractional N synthesizer)(N은 분수)가 기술되어 있다. 이 때 원칙적으로 더 높은 기준 주파수가 이와 같이 사용될 수 있기 때문에, 일반적인 정수 분할 주파수 신시사이저의 경우보다 더 나은 성능을 달성할 수 있으나, 그러한 분수 N 주파수 신시사이저는 여전히 고려해야 하는 단점을 가지고 있다. 분수 분할을 달성하기 위하여, 펄스 제거기는 위상 검출기의 출력이 주어진 값에 도달할 때, VCO에서부터 주파수 분주기로 규칙적인 간격으로 되임임해주는 펄스를 제거한다. 그 결과, N으로 나눈 분할은 N+1로 나눈 분할과 교대(alternated)된다. 그러한 교대 분할은 신시사이저의 출력 신호에서 원치 않는 측대역을 일으킨다. 매우 복잡한 구조를 통하여, 누산기에 연결되는 디지털-아날로그 변환기의 도움으로, 위상 검출기의 출력 신호로부터 감산되는 신호가 생성됨으로써, 원치 않는 측대역을 상쇄시키도록 시도된다. 이러한 분수-N 주파수 신시사이저의 좀더 상세한 설명에 대하여는, 적용 노트(application note) AN1891 중, "2GHz 대역 적용을 위한 SA8025 분수-N 신세사이즈"(필립스 반도체 1994. 9. 18.)에 언급된다. "분수-N 주파수 합성에 있어서 델타-시그마 변조(Delta-Sigma Modulation in Fractional-N Frequency Synthesis)"(티.에이.디. 릴리 등, IEEE 저널의 고체 회로 파트, 28권, 5호, 553-559쪽(T.A.D.Riley et al., IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol.28, No. 5, pp.553-559))라는 논문에서, 시그마-델타 변조기가 분수-N 주파수 신시사이저의 위상 지터(phase jitter)를 잡음 형상(noise-shape)화 하기 위해 사용된다. 그러한 구조는 복잡하다. 둘 모두의 분수-N 주파수 신시사이저는 여전히 단점을 갖는다. 여전히 원치 않는 위상 잡음이 보통의 정수 분할 주파수 신세사이즈의 경우보다 상당히 더 높다. 더욱이, 일반적으로 외부 조절 장치가 잔류 효과를 보상하기 위하여 필요하게 된다. 고속 회로가 분수-N 신세사이즈의 두 유형에서 필요하기 때문에, 전력 소모가 특히 디지털--아날로그 변환기와 시그마-델타 변조기와 같은 디지털 회로에서는 상당히 크다. 배터리가 소모되기 이전에 가능한 한 긴 대기 상태와 통화 시간을 가지는 것을 요구하는 휴대용 전화기에서는 특히 상대적으로 높은 전력 소모는 바람직하지 않다. 높은 복잡성은 또한 비용 측면에서 바람직하지 않은 더 큰 칩 면적을 야기하여 높은 집적도를 희망하게 된다.
본 발명은 다중 채널 무선 장치에 관한 것이다. 그러한 다중 채널 무선 장치는 셀룰러 또는 코드 없는 전화기, 페이저와 같은 무선 통신 장치이거나, 또는 임의의 다른 적절한 다중 채널 무선 장치일 수 있다.
본 발명은 더욱이 무선 통신 시스템 및 분수 분할(fractional division) 주파수 신시사이저에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 채널 무선 장치를 갖는 무선 통신 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 분수 분할 주파수 신시사이저의 블록도.
본 발명의 목적은 간단한 구조를 구비하는 한편 공지된 분수-N 주파수 신시사이저의 단점을 극복하면서 고성능을 갖는 분수 분할 주파수 신시사이저를 포함하는 무선 통신 장치를 제공하는 것이다.
이 때문에, 분수 분할 주파수 신시사이저가 제공되는데, 특히 다중 채널 무선 장치가 포함될 때, 상기 신시사이저는, 신시사이저의 출력에서 기준 주파수 생성기에 의해 생성된 기준 주파수의 분수 배수인 주파수를 갖는 출력 신호를 구비하고, 상기 기준 주파수 입력과 상기 출력 사이의 순방향 경로로서, 직렬로 연결된 제 1위상 검출기, 제 1루프 필터 및 제 1 전압 제어 발진기를 포함하여, 상기 제 1위상 검출기의 제 1입력이 상기 기준 주파수 입력에 연결되는, 순방향 경로를 포함하고, 상기 출력과 상기 제 1위상 검출기의 제 2입력 사이의 피드백 경로로서, 직렬로 연결된 제 1주파수 분주기, 제 2 위상 검출기, 제 2 루프 필터 및 제 2 전압 제어 발진기를 포함하여, 상기 제 2전압 제어 발진기의 출력이 상기 제 1위상 검출기의 상기 제 2 입력에 연결되고, 상기 제 1주파수 분주기의 출력이 상기 제 2위상 검출기의 제 1입력에 연결되는, 피드백 경로를 더 포함하고, 입력이 상기 제 1위상 검출기의 상기 제 2입력에 연결되고 출력이 상기 제 2위상 검출기의 제 2입력에 연결되는 제 2주파수 분주기로서, 이것에 의하여 상기 제 1 및 제 2 주파수 분주기의 분할비가 정수가 되는, 제 2주파수 분주기를 포함한다. 본 발명은 매우 간단한 구조를 적용함에도 불구하고 분수-N 신시사이저를 얻기 위하여 여전히 정수 분주기만이 사용될 수 있다는 통찰에 기초를 둔다. 매우 놀랍게도 분수-N 주파수 신시사이저의 완전히 다른 개념은 상기 위상 잡음이 N 신시사이저에 의한 통상의 정수 분할의 위상 잡음 만큼 낮다. 더욱이, 보조 PLL 은 정확히 M/N(M은 제 1 주파수 분주기의 정수 제수, N은 제 2 주파수 분주기의 정수 제수)으로 나누어지기 때문에, 원치 않는 잘못된 주파수가 생성되지 않는다. 여기에 추가하여, 제 2 전압 제어 발진기의 위상 잡음은 주 PLL의 제 1루프 필터에 의해 차단되기 때문에, 제 2전압 제어 발진기는 IC(집적회로) 상에 쉽게 집적될 수 있다. 매우 간단한 구조로 인하여, 저전력 소비가 달성되고, 나아가 작은 칩 면적과 낮은 비용 설계와 개발이 달성된다. BiCMOS 또는 단락 채널 CMOS 기술을 사용하여, 완전한 신시사이저가 집적회로 상에 쉽게 집적될 수 있다.
청구항 2항 내지 청구항 4항에 있어서, 다중 채널 무선 장치에 분수 분할 주파수 신시사이저의 여러 가지 실시예가 청구된다. 청구항 2항에서, 분주기는 프리스케일러(prescaler)로 청구된다. 그러한 프리스케일러는 두 개의 프로그래밍 가능한 파라미터를 구비하는, 해당 분야에서는 잘 알려진, s라고 불리우는 이중-모듈 프리스케일러인 것이 바람직하다. 청구항 3항에 있어서, 그러한 조정 능력이 청구된다. 여기에 부가하여, 입력 기준 주파수의 분수 배수인 임의의 출력 주파수가 합성될 수 있다.
본 발명은 이제 예를 들어 첨부되는 도면을 참조로 하여 설명될 것이다.
전 도면을 통하여 동일한 참조 번호는 동일한 요소에 대하여 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 채널 무선 장치(2 및 3)를 갖는 무선 통신 시스템(1)을 개략적으로 도시하는 것이다. 그러한 시스템은 GSM(FD/TDMA 시스템), 코드 분할과 연관되는 주파수 채널을 갖는 CDMA 시스템, DECT 시스템과 같은 코드 없는 전화기 시스템, FLEX(상표명) 시스템과 같은 페이징 시스템, 혹은 임의의 다른 적절한 다중 채널 무선 시스템과 같은 셀룰러 무선 시스템일 수 있다. 그 시스템은 무선 장치(2 및 3)와 통신할 수 있는 무선 기지국(4)을 더 포함한다. 그러한 무선 기지국(4)은 예를 들어 GSM 네트워크에서의 무선 기지국일 수 있다. 그 무선 장치(2)는 rf 수신기 부분(5)과 rf 송신기 부분(6)을 포함하는데, 두 부분은 듀플렉서 또는 송/수신 스위치(8)를 거쳐 안테나(7)에 연결된다. 수신 부분(5)은 믹서(9)와 주파수 신시사이저(10) 형태의 주파수 다운 변환 수단을 포함하는데, 주파수 다운 변환 수단은 본 발명에 따라 분수 분할 주파수 신시사이저가 될 수 있다. 수신 경로(5)는 수신 필터(12)에 연결되는 저잡음 rf 증폭기(11)를 더 포함한다. 신시사이저(10)는 믹서(9)의 입력에 국부 발진기 주파수(fLO)를 제공한다. 믹서(9)의 출력은 다른 믹서 단계 혹은 변조기(여기서는 상세하게 도시되지 않음)에 공급된다. 송신 경로(6)는 믹서(13)를 포함하는데, 믹서에서 나온 입력이 rf 전력 증폭기(14)에 연결되고, rf 전력 증폭기는 송신 필터(15)를 거쳐 듀플렉서(8)에 연결된다. 주파수 신시사이저(16)는 믹서(16)에 반송 주파수(fC)를 제공한다. 송신되어지는 데이터는 믹서(13)의 입력에 공급된다. 무선 장치(2)는 마이크로제어기(17)를 포함하는데, 이 마이크로제어기는 신시사이저의 주파수를 조정하기 위하여 조정 데이터를 신시사이저(10 및 16)에 제공하도록 프로그래밍된다. 마찬가지로, 무선 장치(3)는 믹서(20), 전력 증폭기(21), 송신 필터(22), 듀플렉서(23), 안테나(24), 저잡음 증폭기(25), 수신 필터(26), 믹서(27), 및 신시사이저(28)를 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 분수 분할 주파수 신시사이저(10)의 블록도를 도시한 것이다. 신시사이저(10)는 출력 주파수(f0)를 갖는 출력 신호가 발생하는 출력(30)과 기준 주파수(fref)를 갖는 기준 신호가 공급되는 입력(31)을 갖는다. 기준 주파수(fref)는 크리스탈 즉 수정 발진기와 같은 기준 주파수 생성기(상세하게 도시되지 않음)에 의해 생성된다. 출력 주파수(f0)는 기준 주파수(fref)의 분수 배수이다. 분수 분할 주파수 신시사이저(10)는 입력(31)과 출력(32) 사이에서 직렬로 연결된 제 1위상 검출기(PD1), 제 1루프 필터(LF1), 통상적으로 저역 통과 필터, 및 제 1전압 제어 발진기(VCO1)을 포함하는 순방향 경로를 포함한다. 제 1위상 검출기(PD1)의 제 1입력(32)은 입력(31)에 연결된다. 신시사이저(10)는 출력(30)과 제 1 위상 검출기(PD1)의 제 2 입력(33) 사이에서 직렬로 연결된 정수 분할비(M)를 갖는 제 1주파수 분주기(34), 제 2 위상 검출기(PD2), 제 2루프 필터(LF2), 통상적으로 저역 통과 필터, 및 제 2 전압 제어 발진기(VCO2)를 포함하는 피드백 경로를 더 포함한다. 출력측에서, 발진기(VCO2)는 제 1위상 검출기(PD1)의 제 2입력(33)에 연결된다. 제 1주파수 분주기(34)의 출력(35)는 제 2위상 검출기(PD2)의 제 1입력(36)에 연결된다. 신시사이저(10)는 정수 분할비(N)를 갖는 제 2 주파수 분주기(37)를 더 포함하는데, 제 2주파수 분주기(37)의 입력(38)이 제 1위상 검출기(PD1)의 제 2입력(33)에 연결되고, 그 출력(39)이 제 2위상 검출기(PD2)의 제 2 입력(40)에 연결된다. 일실시예에 있어서, 주파수 분주기(34 및 37)는 해당 분야에서는 잘 알려진 소위 이중 모듈 프리스케일러이다. 이 실시예에 있어서, 분주기(34)는 카운터(P/P+1)를 포함하는데, 그 분할비가 제어 신호(ct1), 프로그래밍 가능한 다운 카운터(Q), 및 프로그래밍 가능한 다운 카운터(R)에 의하여 P에서 P+1로 스위칭될 수 있고 역으로도 될 수 있다. 이 프로그래밍 가능한 다운 카운터(Q 및 R)는 추천할 만하다. 만약 다운 카운터가 기설정된 값으로부터 제로까지 다운 카운트를 시작하였다면, 그 카운터의 출력은 하나의 논리값에서 다른 논리값으로, 즉 논리 하이(HIGH)에서부터 논리 로우(LOW)로 변화하는 반면, 동시에 그 카운터는 기설정된 값으로 기억된다. 마이크로제어기(17)는 설정된 값을 변화할 수 있어서, 그 결과 Q 및 R에 대하여 임의의 값이 설정될 수 있다. 그러한 프리스케일러는 M = Q.P + R. 의 전체적인 분할비를 갖는다. 마찬가지로, 주파수 분주기 혹은 프리스케일러(37)는 카운터(S/S+1), 프로그래밍 가능한 다운 카운터(T), 및 프로그래밍 가능한 다운 카운터(U)를 포함한다. 주파수 분주기(37)은 N = T.S + U.의 전체적인 분할비를 갖는다. 그러한 이중 모듈 프리스케일러의 원리에 대하여 편람 "위상 동기 루프"(알.이. 베스트, 맥그로-힐, 139쪽 및 143-145쪽, 1993, 제 2판(R.E. Best, McGraw-Hill, pp. 139 and 143-145, 1993, 2nd edition))에 언급되어 있다. 139쪽, 도 3.22(d)에서, 그러한 이중 모듈 프리스케일러의 블록도가 주어진다. 본 발명에 따른 분수 분할 주파수 분주기에 있어서, 주파수 분주기는 또한 4-모듈 프리스케일러, 혹은 임의의 다른 적절한 유형의 주파수 분주기로 실시될 수 있다. 주어진 실시예에 있어서, 그리하여 분수 분할 신시사이저(10)의 입력/출력의 관계성으로, 다음 관계식이 성립한다: f0= ( Q.P + R)/(T.S + U).fref.
앞서 말한 관점에서, 첨부된 청구항에 의해 이후에 한정될 본 발명의 정신과 범주 안에서 다양한 변경이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백한 것이며, 본 발명은 제공된 예로 제한되지 않는다.

Claims (6)

  1. 수신된 무선 신호를 다운 변환시키기 위한 주파수 다운 변환 수단을 포함하고, 무선 신호를 수신하기 위한 안테나에 연결되는 rf 수신기 부분과, 상기 주파수 다운 변환 수단 내에 포함된 분수 분할 주파수 신시사이저(synthesizer)를 최소한 포함하는 다중 채널 무선 장치로서,
    상기 신시사이저는,
    출력에서 상기 수신된 무선 신호의 다운 변환을 위해 사용되는 상기 신시사이저의 출력 신호로서, 기준 주파수 생성기에 의해 생성된 기준 주파수의 분수 배수인 주파수를 갖는, 출력 신호를 갖고,
    상기 기준 주파수 입력과 상기 출력 사이의 순방향 경로로서, 직렬로 연결된 제 1위상 검출기, 제 1루프 필터 및 제 1 전압 제어 발진기를 포함하여, 상기 제 1위상 검출기의 제 1입력이 상기 기준 주파수 입력에 연결되는, 순방향 경로를 포함하고,
    상기 출력과 상기 제 1위상 검출기의 제 2입력 사이의 피드백 경로로서, 직렬로 연결된 제 1주파수 분주기, 제 2 위상 검출기, 제 2 루프 필터 및 제 2 전압 제어 발진기를 포함하여, 상기 제 2전압 제어 발진기의 출력이 상기 제 1위상 검출기의 상기 제 2 입력에 연결되고, 상기 제 1주파수 분주기의 출력이 상기 제 2위상 검출기의 제 1입력에 연결되는, 피드백 경로를 더 포함하고,
    입력이 상기 제 1위상 검출기의 상기 제 2입력에 연결되고 출력이 상기 제 2위상 검출기의 제 2입력에 연결되는 제 2주파수 분주기로서, 이것에 의하여 상기 제 1 및 제 2 주파수 분주기의 분할비가 정수가 되는, 제 2주파수 분주기를 포함하는 다중 채널 무선 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 상기 주파수 분주기는 프리스케일러(prescaler)인 다중 채널 무선 장치.
  3. 제 1 또는 제 2항에 있어서, 상기 분할비(the division ratios)는 조정 가능한 다중 채널 무선 장치.
  4. 제 1항, 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 안테나에 연결되는 rf 송신 부분을 더 포함하는 다중 채널 무선 장치.
  5. 수신된 무선 신호를 다운 변환시키기 위한 주파수 다운 변환 수단을 포함하고, 무선 신호를 수신하기 위한 안테나에 연결되는 rf 수신기 부분과, 상기 주파수 다운 변환 수단 내에 포함된 분수 분할 주파수 신시사이저(synthesizer)를 최소한 포함하는 하나 이상의 다중 무선 장치를 포함하는 무선 통신 시스템으로서,
    상기 신시사이저는,
    출력에서 상기 수신된 무선 신호의 다운 변환을 위해 사용되는 상기 신시사이저의 출력 신호로서, 기준 주파수 생성기에 의해 생성된 기준 주파수의 분수 배수인 주파수를 갖는, 출력 신호를 갖고,
    상기 기준 주파수 입력과 상기 출력 사이의 순방향 경로로서, 직렬로 연결된 제 1위상 검출기, 제 1루프 필터 및 제 1 전압 제어 발진기를 포함하여, 상기 제 1위상 검출기의 제 1입력이 상기 기준 주파수 입력에 연결되는, 순방향 경로를 포함하고,
    상기 출력과 상기 제 1위상 검출기의 제 2입력 사이의 피드백 경로로서, 직렬로 연결된 제 1주파수 분주기, 제 2 위상 검출기, 제 2 루프 필터 및 제 2 전압 제어 발진기를 포함하여, 상기 제 2전압 제어 발진기의 출력이 상기 제 1위상 검출기의 상기 제 2 입력에 연결되고, 상기 제 1주파수 분주기의 출력이 상기 제 2위상 검출기의 제 1입력에 연결되는, 피드백 경로를 더 포함하고,
    입력이 상기 제 1위상 검출기의 상기 제 2입력에 연결되고 출력이 상기 제 2위상 검출기의 제 2입력에 연결되는 제 2주파수 분주기로서, 이것에 의하여 상기 제 1 및 제 2 주파수 분주기의 분할비가 정수가 되는, 제 2주파수 분주기를 포함하는 다중 채널 무선 장치.
  6. 분수 분할 주파수 신시사이저로서,
    상기 신시사이저는 상기 신시사이저의 출력에서 기준 주파수 생성기에서 생성된 기준 주파수의 분수 배수인 주파수를 갖는 출력 신호를 갖고,
    상기 기준 주파수 입력과 상기 출력 사이의 순방향 경로로서, 직렬로 연결된 제 1위상 검출기, 제 1루프 필터 및 제 1 전압 제어 발진기를 포함하여, 상기 제 1위상 검출기의 제 1입력이 상기 기준 주파수 입력에 연결되는, 순방향 경로를 포함하고,
    상기 출력과 상기 제 1위상 검출기의 제 2입력 사이의 피드백 경로로서, 직렬로 연결된 제 1주파수 분주기, 제 2 위상 검출기, 제 2 루프 필터 및 제 2 전압 제어 발진기를 포함하여, 상기 제 2전압 제어 발진기의 출력이 상기 제 1위상 검출기의 상기 제 2 입력에 연결되고, 상기 제 1주파수 분주기의 출력이 상기 제 2위상 검출기의 제 1입력에 연결되는, 피드백 경로를 더 포함하고,
    입력이 상기 제 1위상 검출기의 상기 제 2입력에 연결되고 출력이 상기 제 2위상 검출기의 제 2입력에 연결되는 제 2주파수 분주기로서, 이것에 의하여 상기 제 1 및 제 2 주파수 분주기의 분할비가 정수가 되는, 제 2주파수 분주기를 포함하는 다중 채널 무선 장치.
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