KR20000070694A - 통신 시스템과, 통신 장치, 및 주파수 신시사이저 - Google Patents

통신 시스템과, 통신 장치, 및 주파수 신시사이저 Download PDF

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KR20000070694A
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반베쥬이젠아드리아누스
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요트.게.아. 롤페즈
코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

주파수 신시사이저(frequency synthesizer)로서, RF 혼합기 수단과 상기 RF 혼합기 수단에 접속된 국부 발진기 수단을 포함하는 주파수 신시사이저에 대한 것이다. 상기 국부 발진기 수단은 상기 국부 발진 혼합기 수단에 접속된 대역 및 채널 선택 수단뿐만 아니라 상기 RF 혼합기 수단에 접속된 국부 발진 혼합기 수단을 포함한다. 이러한 발상은 요구되는 신호 대 잡음 비 및 스퓨리어스 대 잡음 비(spurious to noise ratio)에 순응하는 동시에 매우 낮은 전력 소비가 이루어지는 방식으로 주파수 신시사이저가 구성되는 것을 허용한다. 저전력 집적 통신 장치에 유리하게 적용된다.

Description

통신 시스템과, 통신 장치, 및 주파수 신시사이저{A COMMUNICATION SYSTEM, A COMMUNICATION DEVICE AND A FREQUENCY SYNTHESIZER}
제이 크롤스 외 몇몇은 IEEE 반도체 회로 간행물(1995년 12월 No 12 vol 30)의 "고성능의 낮은 중간 주파수 토폴로지의 단일 칩 900 MHz CMOS 수신기 프런트 엔드"에서 주파수 다운 변환을 위한 RF 무선 주파수 신시사이저를 포함하는 완전 집적 고성능 수신기에 대한 구현에 대하여 설명하고 있다. 그러한 주파수 신시사이저를 포함하는 통신 장치나 통신 시스템에서의 일부 기능 회로들에 대하여 요구하는 집적도가 이루어 져야 하는 것 이외에도, 크롤스 외 몇 사람이 언급하지 않은 주요 문제들 중 하나는 주파수 신시사이저의 상대적으로 높은 전력 소비량이다.
본 발명은 청구항 1항의 전문에서 약술한 주파수 신시사이저(frequency synthesizer)에 관한 것이다.
더 나아가서, 본 발명은 통신 시스템과 통신 장치에 관한 것이다.
도 1은 수신기에 적용된 본 발명에 따른 주파수 신시사이저의 가능한 한 실시예에 대한 상세한 구성을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 주파수 신시사이저에 적용하기 위한 국부 발진 혼합기 수단의 한가지 가능한 이중 직교 혼합기 장치를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 주파수 신시사이저를 구비하는 통신 장치를 포함하는 (원격)통신 시스템을 개략적으로 도시한 도면.
본 발명의 목적은 요구되는 집적도에 영향을 미치지 않으면서 전력 소비량이 감소된 주파수 신시사이저를 제공하는 것이다.
그렇게 하기 위하여, 본 발명에 따른 주파수 신시사이저는 청구항 1항에서 약술한 특성을 갖는다.
주파수 신시사이저에서 가변 주파수 위상 동기 루프와 제 3 위상 동기 루프로 이루어지는 기준 수정 발진기 PLL 제어 병렬 장치(reference crystal oscillator phased locked loop controlled parallel arrangement)에 접속되는 단일의 국부 발진 혼합기 수단(local oscillator mixer means)에 연결되는 주파수 체배기(frequency multiplier)를 포함시키는 것이 일본 공개특허(JP-A-63-84320)에 공지되어 있는 것이 여기에서 주시된다. 상기 공지된 마이크로파 대역 주파수 신시사이저는 RF 혼합기를 드러내고 있지 않고 단지 한 개의 가변 주파수 위상 동기 루프를 드러내고 있는 반면에, 다른 병렬 위상 동기 루프는 고정 주파수를 제공하기 위하여 제안된 것으로서 결과적으로 동시에 일어나는 대역 선택을 제공하지 않는다.
상대적으로 높은 기준 주파수 때문에 그 기준 주파수에서 대역 및 그와 동시적으로 액티브(active)하게 되는 채널 선택이 동작 주파수에 반비례하는 전력 소비량을 감소시키도록 주파수 신시사이저가 실제로 구현되게 하는 가능성을 제공한다는 것이 본 발명에 따른 주파수 신시사이저의 한 장점이다. 그 밖에도, 이러한 주파수 신시사이저의 발상은 국부 대역 및 채널 수단(local band and channel means)에서 적용할 수 있는 전압 제어 발진기(VCO)와 같은 발진기의 스펙트럼에서 측대파 잡음(side band noise)을 언급하는 VCO 잡음의 필요조건을 감소시키는 고유한 가능성을 갖고 있다. 그 감소된 잡음 필요조건은 상기 전력 소비량을 더욱 감소시키는데, 왜냐하면 신호 대 잡음 비가 더 커질수록 전력 소비량도 커지기 대문이다.
결과적으로 호출기나 휴대형 전화 등에서처럼 주파수 신시사이저를 휴대형 및 이동 장치에 응용하게 되었을 때에, 통신 장치에 포함된 바테리의 수명은 증가되었다.
만약에 한 쌍의 경로(I, Q)가 국부 발진기 수단에서 사용된다면 적용 가능한 정밀 광대역(wide-band) 90도 위상 시프트 회로들이 국부 발진 혼합기 수단에서 사용 가능한 위상 동기 루프 주파수 분주기의 구성 부분일 수 있는 두 개의 수단으로 형성되는 분주기로서 쉽게 집적될 수 있다는 것이 본 발명에 따른 주파수 신시사이저의 다른 장점이다. 이러한 사실은 특히 다중 대역(multi-band) 응용에서와 같이 구성요소들을 튜닝해야 하는 국부 발진 혼합기 수단에 있는 정밀한 외부 위상 시프트 회로들에 대한 필요성을 제거한다.
본 발명에 따른 주파수 신시사이저에 대한 한 실시예에서, 위상 동기 루프, 특히 서로 독립된 위상 동기 루프들이 사용되어 진다. 이러한 사실은, 신시사이즈된 무선 주파수 차원(synthesized radio concept)으로 오게 되면 제 1 위상 동기 루프가 고주파수(high frequency)에서 제 1 국부 발진기 신호를 제공하는 새로운 구성을 제공하게 되는데, 상기 제 1 위상 동기 루프는 위에서 언급한 VCO 측파대 잡음을 제거하기 위하여 광대역 루프이어야 하며, 그 VCO 측파대 잡음은 상대적으로 잡음이 많고 그래서 저전력의 완전 집적(fully integrated) 제 1 위상 동기 루프에서 생기는 것이다. 동시에 상기 제 1 국부 발진기 신호와 함께 국부 발진기 수단에서 혼합되는 제 2 국부 발진기 신호는 채널 선택을 제공한다.
본 발명에 따른 주파수 신시사이저의 다른 실시예에 따라, 주파수 분주 수단은 국부 발진 혼합기 수단과 독립된 두 개의 위상 동기 루프 사이에 연결되어 사용된다. 그러한 것에 대한 유리한 결과로서, 분주 수단의 해당 분주비는(특히 그 분주비는 2이다) 각 전압 제어 발진기(VCO)들의 측파대 잡음을 감소시킨다. 특히 완전 집적 LC 발진기에서 고발진 주파수(high oscillating frequency)는 적용된 코일에서의 증가된 큐 계수(Q-factor) 때문에 VCO의 전력 소비량이 상대적으로 낮아지는 결과를 초래한다. 상대적으로 높은 VCO 주파수는 더 작은 칩 면적에 집적을 가능하게 하도록 더욱 낮은 자기 인덕턴스(self inductance)를 요구한다.
바람직한 실시예에서, 주파수 분주기들을 쉽게 집적하도록 일반적으로 구현되는 분주 수단은 프로그램한 분주율로 되어 있다. 그러한 사실은 실제적인 응용에 있어서, 그리고 무선 통신 시스템이나, 오디오 및/또는 비디오 시스템이나, 제어 시스템이나, 원격측정 시스템이나, LAN이나, WAN이나, 코드가 없는 호출기나 셀룰러방식 호출기나 전화 시스템이나, 이동 통신을 위한 자동차 트랜시버나, 또는 이동 네트워크의 무선 기지국에서의 트랜시버와 같은, (원격) 통신 장치 및 시스템에서의 응용에 적용되는 본 발명에 따른 주파수 신시사이저의 주파수 대역 및 선택 값에 있어서 큰 융통성을 제공한다.
현재 본 발명에 따른 주파수 신시사이저, 및 다양한 종류의 통신 장치와 통신 시스템에서 사용되는 그 주파수 신시사이저의 응용 장치들이 갖고 있는 장점들에 대하여 유사한 구성요소들이 동일한 참조 번호로 언급되고 있는 첨부된 도면에 참조하여 설명을 하는 동안 더욱 밝혀지게 될 것이다.
도 1은 수신기(2)에 적용된 주파수 신시사이저(1)를 도시하는 것으로서, 그 주파수 신시사이저는 부분적으로 도시되어 있다. 수신기(2)는 필터 및 이득 수단(4)에 연결된 안테나(3)와, 상기 수단(4)에 연결된 RF 혼합기 수단(5)과, 및 RF 혼합기 수단(5)에 연결된 국부 발진기 수단(6)을 포함한다. 아날로그나 디지털 방식으로 구현되는 수신기(2)의 나머지 부분들은 자체적으로 공지된 것들이어서 여기에서 설명하지 않기로 한다. 안테나(3)에서 수신되는 RF 신호(fRF)는 필터링되고 증폭되고 하나의 IF 신호를 산출하기 위하여 발진기 수단(6)의 국부 발진기 신호와 혼합되고 그 다음에 수신기(2)의 나머지 부분들에서 더욱 처리된다. 수신기(2)는 잘 공지된 수퍼헤테로다인 수신기와 같이, 낮은 중간 주파수 수신기나 제로 중간 주파수 수신기나 또는 중간 주파수 수신기로서 구현될 수 있다. RF 혼합기 수단(5) 구조는 한 개의 혼합기나 또는 도 1에 도시된 바와 같은 두 개의 병렬방식 직교 혼합기 구조물로서 이루어질 수 있는데, 비록 잘 쓰이지는 않지만 4개의 병렬방식 직교 혼합기 구조도 사용될 수 있다. 물론 주파수 신시사이저(1)는 송신기나 트랜시버와 같은 것에서의 주파수 업 변환(frequency up conversion)뿐만 아니라 주파수 다운 변환을 위하여 사용되는 것이 가능하다.
국부 발진기 수단(6)은 제 1 국부 발진기 수단 형태의 대역 선택 수단(7)과, 제 2 국부 발진기 수단 형태의 채널 선택 수단(8)을 포함한다. 국부 발진기 수단(6)은 상기 대역 및 채널 선택 수단들(7,8)에 연결되어 있는 국부 발진 혼합기 수단(9)을 더 포함한다. 따라서, RF 혼합기 수단(5)의 실시예에 따라 국부 발진 혼합기 수단(9)은 자신의 출력단(10)에서 한 개의 또는 직교(I 또는 Q) 국부 발진기 신호를 제공하게 되며, 상기 출력단(10)은 RF 혼합기 수단(5)에 접속되어 있다. 그래서 출력단(10)은 대역 주파수 및 채널 주파수 선택 발진기 신호를 동시에 나타내는 국부 발진기 신호를 제공하는데, 그것에 대한 동작은 이 명세서의 후반부에서 설명하기로 한다.
대역 및 채널 선택 수단은 위상 동기 루프(7, 8)로서 구체화된다. 제 1 위상 동기 루프(7)는 주파수(fVCO1)를 갖는 신호를 제공하는 제 1 전압 제어 발진기(11)와, 분주율이 P1이고 전압 제어 발진기(11)에 연결되어 주파수(fLO1)를 갖는 신호를 제공하는 제 1 주파수 분주기(12)를 포함한다. 신호(fLO1)는 PLL(7)에서의 제 2 주파수 분주기(13)를 통하여 도 1에서 도시한 바와 같이 간단한 제 1 혼합기(14)로서 구체화될 수 있는 위상 검출기(phase detector)에 공급되는데, 상기 제 1 혼합기의 출력(15)은 제어 신호를 루프 필터(16)를 통하여 전압 제어 발진기(11)의 주파수 제어 입력(17)으로 공급한다. 주파수 분주기(13)는 주파수 분주율(P2)을 갖는다. 유사한 방식으로 제 2 위상 동기 루프(8)는 주파수(fVCO2)를 갖는 신호를 제공하는 제 2 전압 제어 발진기(18)와, 분주율이 M1이고 전압 제어 발진기(18)에 연결되어 주파수(fLO2)를 갖는 신호를 제공하는 제 3 주파수 분주기(19)를 포함한다. 신호(fLO2)는 PLL(8)에서의 제 4 주파수 분주기(20)를 통하여 도 1에서 도시한 바와 같이 간단한 제 2 혼합기(21)로서 구체화될 수 있는 제 2의 위상 검출기(phase detector)에 공급되는데, 상기 제 2 혼합기의 출력(22)은 제어 신호를 루프 필터(23)를 통하여 전압 제어 발진기(18)의 주파수 제어 입력(24)으로 공급한다. 주파수 분주기(20)는 분주율(M2)을 갖는다. 이 경우에 혼합기(14, 21)로서 구성된 위상 검출기들은 추가된 입력(25, 26)을 각각 구비한다. 한 실시예에서, 주파수 신시사이저(1)는 오프셋 주파수 보상을 제공하기 위하여 일반적으로 자동 주파수 제어(AFC)를 이용하여 안정 주파수(fref)를 제공하는 수정 발진기(27)와 같은, 안정한 기준 발진기를 포함하는데, 상기 발진기(27)는 입력(25)에 연결되어 바람직한 주파수 분주율(R)을 갖는 제 5 주파수 분주기(28)를 통해 입력(26)에 연결된다.
바람직하게 앞에서 언급한 주파수 분주기(12, 13, 19, 20, 및 28)모두나 각각은 프로그램된 분주율(정수이거나 또는 분수일 수 있음)을 갖고 있는데 그러한 것은 주파수 선택의 융통성을 제공한다. 특히 제 3 주파수 분주기(19)의 분주율은 프로그램되어 결과적으로 주파수 신시사이저(1)가 적용된 수신기나 또는 송신기의 모든 주파수 대역들에 대하여 상기 대역들을 포함하는 주파수(fVCO2)의 최적 주파수 범위가 선택될 수 있으며 또한 전압 제어 발진기(18)의 발진 주파수 범위도 동일하게 유지된다.
도 1에서 도시된 한 실시예로서의 주파수 신시사이저(1)는 또한 별개의 위상 동기 루프(7, 8)에 각각 연결되어 있는 다른 분주 수단들(29, 30)을 포함한다. 위상 시프트 회로들을 조정하기 위하여 간단하게 구현된 이들 분주 수단들(29, 30)은 필요한 직교 발진기 신호들을 국부 발진 혼합기 수단(9)에 공급하기 위해 공지된 정밀한 90도 위상 시프트 회로에 공급해야 하는 필요없이 그런 대로의 직교 국부 발진 혼합기 수단(9)을 위한 발진기 입력 신호로서 사용 가능한 직교 출력 신호를 제공하게 된다. 기본적으로 수단(29, 30)들은 바람직한 광대역 위상 시프트 회로를 간단하게 구체화한 것으로서 고려하면 된다. 그러한 위상 시프트 회로들은 언급한 직교 출력 신호를 제공하는 패시브(passive) 또는 액티브(active) RC/LC 회로망을 포함할 수 있다.
도 2는 하나의 가능한 장치로서, 네 개의 혼합기(a, b, c, d)로 이루어진 이중 직교 배치를 표시하고 있는데, 그 혼합기들의 입력은 상기 수단(29, 30)에서 각각 만들어진 각각의 I 신호와 Q 신호들에 연결되며, 또한 그 혼합기들의 출력은 각각의 가산기(e, f)에 연결되며, 그 가산기 출력 각각은 국부 발진 혼합기 수단(9)의 출력(10)에 I 신호 및 Q 신호를 공급하는 해당 출력을 구비한다. RF 혼합기 수단(5)이 한 개의 혼합기 구조로 되어진 경우에, 가산기들(e, f) 중 하나는 없어도 되며 따라서 그 사용하지 않게 된 가산기에 연결된 혼합기 쌍도 제거된다. 출력 신호들에 대한 가산기(e, f)의 가산 부호에 따라, 출력(10)에서의 출력 신호는 상측파대나 하측파대 성분들에((fLO1)/2 +/-(fLO1)/2) 대한 제거(rejection)를 한다.
이하에 나오는 표 1은 예를 들어 130 MHz에서부터 930 MHz까지의 RF 주파수 범위에서의 페이징(paging) 동작에 특히 유리하도록 된, 제시된 실시예에서의 동작 주파수에 대한 가능한 선택을 지정하고 있다.
fRF[MHz] fref[MHz] fVCO1[MHz] P1 P2 fLO1[MHz] fLO2[MHz] M1 fVCO2[MHz]
930 67 1600 1 24 1600 260 1 260
490 2 12 800 180 2 360
450 100 3 300
450 3 8 533 386 1 386
410 286 1 286
330 3 8 533 140 2 280
280 4 6 400 160 2 320
180 6 4 267 40 8 320
160 54 6 324
160 4 6 400 80 4 320
130 140 2 280
P1*P2 상수를 유지시키는 동시에 주파수 분주율인 P1과 P2를 변화시킴으로써, 선택되어 포함되어져야 하는 다른 주파수 대역을 위한 다른 LO1 주파수가 생성될 수 있다. 위상 동기 루프(7)는 루프 필터(16)에 의하여 결정되는 광대역이며, 전압제어 발진기(11)의 측파대 잡음은 그 루프 자체에 의하여 제거된다. 67 MHz인 상대적으로 높은 기준 주파수(fref)는 루프 필터(16)의 스퓨리어스(spurious) 제거 필요조건을 완화시키는데 사용된다. 높은 기준 주파수 때문에 제 2 위상 동기 루프(8)는 채널 선택을 위하여 사용된다. 전압 제어 발진기(18)에서의 더욱 낮은 주파수의 선택은 상대적으로 낮은 전력에서 저잡음 VCO(18)가 구현되게 하거나 또는 분주기들(19, 20)과 결합해서 상대적으로 잡음이 많고 고주파수 전압 제어 발진기(18)가 사용되는 것을 가능하게 한다. 분주기(19)는 자신의 주파수 분주율에 따라 전압 제어 발진기(18)의 측파대 잡음을 감소시키는데, 이러한 것은 주파수 신시사이저(1)에서 전력 낭비의 감소를 가능하게 하는데, 그 이유는 일반적으로 이야기해서 전압 제어 발진기의 전력 낭비는 반송파 대 잡음비가 증가함에 따라 증가하기 때문이다. 따라서 전력을 적게 쓰고 집적하기 쉬운 해결책이 제공된 셈이다. 요구한 바대로 전압 제어 발진기(18)의 출력 발진기 주파수(fVCO2)는 6 내지 10의 인자를 이용하여 M1을 증가함으로써 약 2 GHz정도로 유리하게 선택될 수 있다.
도 3은 한 개 이상의 주파수 신시사이저(1)을 구비하는 몇 개의 트랜시버들(32)을 포함하는 원격통신 시스템(31)을 도시한다. 원격통신 시스템(31)은 무선 통신 시스템이거나, 오디오 및/또는 비디오 시스템이거나, 제어 시스템이거나, 원격 측정 시스템이거나, 지상/위성 시스템이거나 또는 LAN(local area network)일 수 있다. 트랜시버들(1)은 또한 코드가 없는 전화 시스템이거나 또는 셀룰러방식 전화 시스템에 적용될 수 있을 뿐만 아니라 송수신기(handset)나 이동 통신에서의 자동차 트랜시버나 이동 네트워크의 무선 기지국에서의 휴대형 장치나 트랜시버에 적용될 수 있다.
앞의 설명에 비추어 이하에서 첨부된 청구항들이 설명하는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 다양한 변형들이 만들어지고 그래서 본 발명이 여기에 제공된 실시예들로 제한되어지지 않는 다는 것은 당업자들에게 명백하다.

Claims (11)

  1. 주파수 신시사이저(frequency synthesizer)로서, RF 혼합기 수단과 상기 RF 혼합기 수단에 접속된 국부 발진기 수단을 포함하는 주파수 신시사이저에 있어서,
    상기 국부 발진기 수단이 상기 국부 발진 혼합기 수단에 접속된 대역 및 채널 선택 수단뿐만 아니라 상기 RF 혼합기 수단에 접속된 국부 발진 혼합기 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 신시사이저.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 대역 및 채널 선택 수단은 위상 동기 루프를 포함하는 주파수 신시사이저.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 위상 동기 루프 수단은 독립된 두 개의 위상 동기 루프를 포함하는 주파수 신시사이저.
  4. 제 1항 또는 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 주파수 신시사이저는 상기 대역 및 채널 선택 수단에 접속된 안정 기준 발진기를 포함하는 주파수 신시사이저.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 주파수 신시사이저는 상기 국부 발진 혼합기 수단과 상기 두 개의 독립된 위상 동기 루프 사이에 접속되어 있는 주파수 분주 수단을 포함하는 주파수 신시사이저.
  6. 제 2항 또는 제 3항 또는 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 위상 동기 루프 수단은 제 2의 주파수 분주 수단을 포함하는 주파수 신시사이저.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 가능한 제 2의 주파수 분주 수단은 분주율이 프로그램될 수 있는 분주기로서 제공되는 주파수 신시사이저.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 RF 혼합기 수단 및/또는 상기 국부 발진 혼합기 수단은 단일, 4중(quadrature) 또는 이중(double)의 직교 혼합기 수단(quadrature mixer means)을 포함하는 주파수 신시사이저.
  9. 한 개 이상의 송신기와 수신기나 트랜시버를 구비하는 통신 장치로서, 각 통신 장치는 청구항 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에서 청구한 주파수 신시사이저를 포함하되, 상기 주파수 신시사이저는 RF 혼합기 수단과 상기 RF 혼합기 수단에 접속된 국부 발진기 수단을 포함하는, 상기 통신 장치에 있어서,
    상기 국부 발진기 수단은 상기 RF 혼합기 수단에 접속된 국부 발진 혼합기 수단뿐만 아니라 상기 국부 발진 혼합기 수단에 접속된 대역 및 채널 선택 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 RF 혼합기 수단은 제로 중간 주파수(zero-IF), 낮은 중간 주파수(low-IF), 이중 변환 제로 중간 주파수(double conversion zero-IF), 이중 변환 낮은 중간 주파수(double conversion low-IF), 또는 표준형(standard)의 수퍼헤테로다인 혼합기 수단으로서 구체화되는 통신 장치.
  11. 통신 시스템으로서, 제 9항 또는 제 10항에서 청구한 통신 장치를 한 개 이상 포함하는 통신 시스템에 있어서,
    상기 통신 시스템은 무선 통신 시스템이거나, 오디오 및/또는 비디오 시스템, 제어 시스템, 원격 측정 시스템, 지상/위성 시스템, LAN(local area network), 코드가 없는 전화 시스템이거나 또는 셀룰러 전화 시스템, 이동 통신에서의 자동차 트랜시버, 또는 이동 네트워크의 무선 기지국에서의 트랜시버인 통신 시스템.
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