KR20000075616A - 능동형 필터를 갖는 수신기 ｉｆ 시스템 - Google Patents

Abstract

제한된 동적 범위 IF 필터들을 사용하는 높은 동적 범위의 수신기 IF 시스템이 제공된다. 가변 이득 증폭기는 제1 IF 신호를 증폭한다. 그 다음, 증폭된 제1 IF 신호는, 무선 시스템에 적절한 영상 억제를 제공하기 위해 증폭된 제1 IF 신호의 영상 성분을 억제하기 위한 영상 억제 믹서에 제공된다. 여기서, 영상 억제 믹서는 영상 억제된 제2 IF 신호를 출력한다. 그 다음, 능동형 대역통과 필터는 제2 IF 신호로부터 원하지 않는 성분을 필터링한다. 그 다음, 필터링된 신호는 제한된 IF 신호를 출력하는 제한 증폭기 내에서 엄격히 제한된다. 그 다음, 로그값 검출기는 수신 신호 강도 표시자를 제공한다.

Description

능동형 필터를 갖는 수신기 ＩＦ 시스템{RECEIVER IF SYSTEM WITH ACTIVE FILTERS}

도 1에 도시된 바와 같은 종래의 수퍼헤테로다인 수신기()superheterodyne receiver)에서, 수신된 신호는 RF 증폭기(12)에서 증폭되기 이전에 대역통과 필터(10)을 통과한다. 대역통과 필터(10)은 RF 증폭기(12)를 포화시킬 수도 있는 대역외 신호를 필터링한다. 즉, 대역통과 필터(10)은 원하는 신호 성분만 증폭되도록 보장한다. 증폭후, 증폭기(12)에 의해 생성된 출력 신호는 제2 대역통과 필터(14)를 통과한다. 대역통과 필터(14)는 대역통과 필터(10)에 의해 완전히 억제되지 않은 잔여 대역외 신호들을 필터링한다. 또한, 대역통과 필터(14)는, 원치 않는 믹서 응답을 낼 수 있는 다른 주파수의 잡음 및 간섭을 감소시킨다. 제2 대역통과 필터(14)로부터의 출력 신호는 주파수 믹서(16)에 의해 수신된다. 국부 발진기(18)로부터의 신호와 필터 출력 신호를 혼합함으로써, 믹서(16)은 수신된 주파수를, 복조기(20)에 의해 지시된 복조와 같은 종래의 수신기 처리에 적합한 중간 주파수로, 변환한다.

때때로 추가의 필터링이 필요할 수도 있으며 듀얼 하향변환(dual down conversion) 수퍼헤테로다인 수신기가 사용될 수도 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 듀얼 하향변환 수퍼헤테로다인 수신기(30)은 안테나(31)을 통해 신호를 수신한다. 그 다음, 수신된 신호는 RF 필터(32)에서 필터링되고, 도 1에 도시된 수신기를 참조하여 앞서 설명한 바와 같이, 저잡음 증폭기/믹서(34)에서 증폭 및 혼합된다.

그 다음, 혼합된 신호는 제1 중간 주파수 필터(38)에서 필터링된다. 셀룰러 무선 응용에서, 제1 IF 필터는 전형적으로 크리스탈 필터이다. 그 다음 제1 IF 필터(38)에 의해 출력된 신호는 IF 필터/믹서(42)에서 증폭된다. 그 다음, 증폭된 신호는 제2 국부 발진기(44)로부터의 신호와 혼합된다. 그 다음, 혼합된 신호는 전형적인 세라믹 필터인 제2 IF 필터 내에서 필터링되고, 증폭기(48)로 출력된다. 과거에 무선 수신기(Radio) 설계자는, 수동형 크리스탈 또는 세라믹 IF 대역통과 필터를 능동 회로로 대체함으로써 수신기의 비용을 저감시키려고 시도해왔다.

IF 필터를 제거하는 한 방법은 제1 또는 제2 하향 변환단에서 직각 믹서(quadrature mixer)를 사용하고 신호를 기저대역 동상 성분(I)과 직교 위상 성분(Q)으로 통합하여 저역통과 필터링하는 것이다. 이러한 방법의 수신기 설계는 호모다인 또는 제로-IF라 불린다. 이 방법에 따르면, IQ 수신기는 도 3에 따라 만들어 질 수 있으며, 여기서, 안테나(51)로부터의 무선 신호(56)은 2개의 평형 쿼드러쳐 믹서(52a, 52b)로 직접 인가된다. 2개의 평형 직각 믹서 각각에서, 신호는, 국부 발진기(53)에 의해 발생된 신호의 캐리어 주파수에 해당하는 SIN 및 COS파에 의해 곱해진다. 이런식으로, I 채널, 즉, 동상 신호, 및 Q 채널, 즉, 직교 위상 신호가 발생된다. 승산 장치는, 2f 주파수 부근의 합 주파수 성분과, 0 주파수 부근의 차분 주파수 성분을 포함하는 출력을 낸다. 그 다음, 0 주파수 성분은 고주파 증폭기 대신 저주파 증폭단(55a, 55b)에 의해 임의의 소망 레벨로 증폭될 수 있다.

본질적으로, 제로-IF 수신기는 인입 신호를 한번의 동작으로 직접 변환시킴으로써 중간 주파수로 임시 변환할 필요가 없다. 저역통과 필터들은 대역통과 필터들보다 만들기 쉽다는 이점도 있다. 그러나, 사실상, 제로-IF 방법은 다양한 실제적인 문제가 많다. 그 중 하나는, 평형 믹서가 완벽한 수학적 승산 장치에 비해 불완전하다는 것이다. 이러한 불완전성으로 인한 주된 문제점은, 원하는 신호보다 큰 크기의 DC 옵셋이나 정재 전압(standing voltage)의 발생이다. 믹서 출력을 수신하는 저주파 증폭기들은, 원하는 신호가 충분히 증폭되기 훨씬 이전에 큰 DC 옵셋에 의해 포화되어 버린다.

이론적으로, 세라믹 필터를 제거하기 위한 다른 방법은 능동 대역통과 필터 회로로 대체하는 것이다. 능동 필터 회로는, IF 시스템을 이루는 증폭기, 믹서, 전압-제어 발진기(VCO), 및 검출기와 같은 다른 IF 회로들과 함께 통합될 수 있다. 능동 대역통과 IF 회로들을 사용할 때의 주된 어려움은, 이들 회로들이 적절한 동적 범위로 구현되어본 적이 없다는 것이다. 활성 필터의 동적 범위는 회로에서의 압축에 기인한 높은 신호 레벨과 잡음에 기인한 낮은 신호 레벨에서 제한받는다. 능동형 필터의 이론적인 동적 범위는 다음과 같이 정의되는 품질 인자(Q_f)에 관련되어 있다.

최대 동적 범위 ≤ C_T(V_RMS)²/(2πkT^ΦQ_F)

여기서,

C_T= 총 필터 커패시턴스

V_RMS= 최대 RMS 입력 신호전압

kT = 볼쯔만 상수 × 온도

Φ = 회로 장치와 모양(topology)에 의존하는 상수

Q_F= 필터 품질 계수 = (중심 주파수) / (3dB 대역폭)

상기 부등식을 주의 깊게 살펴보면, 무선 공급 전압(radio supply voltage)은 고정되어 있고, 2kπT 및 Φ는 주어진 동작 온도 및 장치 기술에 대해 일정한 상수값이고, 총 커패시턴스 C_T는 집적 회로 상의 가용 다이 면적에 의해 제약받기 때문에 V_RMS는 미리 결정됨을 알 수 있다. 이로 인해 필터의 동적 범위를 증가시키기 위해 조절될 수 있는 것은 단지 Q_F인자뿐이다.

주어진 응용에서, 품질 인자 Q_F를 낮추어 필터의 동적 범위를 증가시키기 위해서는 필터의 중간 주파수가 낮추어져야 함을 암시하는 신호 대역폭은 미리 결정된다. 그러나, 중간 주파수가 저하되면 영상 주파수(frequency of imae)에 더 근접하게 되고, 어떤 지점에서는 선행하는 수신기단들의 필터들이 불안정하여 이 영상을 거부할 수도 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 능동형 대역통과 필터를 갖는 무선 수신기 통합형 중간 주파수 회로에 관한 것이다.

도 1은 종래의 수퍼헤테로다인 수신기를 도시한다.

도 2는 듀얼 하향변환 수퍼헤테로다인 수신기를 도시한다.

도 3은 제로-IF 기법을 사용한 수신기를 도시하는 간단한 블럭도를 도시한다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 능동형 필터를 갖는 IF 집적 회로를 도시한다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 능동형 필터를 갖는 IF 집적 회로를 도시한다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 능동형 필터를 갖는 IF 집적 회로를 도시한다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 능동형 필터를 갖는 IF 집적 회로를 도시한다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 능동형 필터를 갖는 듀얼 밴드 IF 집적 회로를 도시한다.

본 발명의 목적은 무선 수신기 및 집적 IF 회로에 능동형 대역통과 필터를 제공함으로써 상술한 결함들을 극복하는 것이다. 여기서, 필터들의 품질 인자 Q_F는, 동작의 중간 주파수를 저하시킴으로써 실현가능한 수준까지 감소될 수 있다. 중간 주파수를 저하시키면 제1 IF 필터에 의한 영상 거부를 저하시킬 수 있다. 이러한 결함은 필터 앞에 영상 억제 믹서를 사용함으로써 극복된다.

감소된 품질 인자로부터 유발된 동적 범위의 증가에도 불구하고, 능동형 필터들은 고성능비를 달성하는데 필요한 동적 범위를 달성할 수 없다. 동적 범위는 능동형 필터 앞에서 증폭기의 이득을 동적으로 조절함으로써 더욱 더 증가시킬 수 있다. 즉, 신호가 너무 커지면 이득이 감소된다.

대부분의 2-방향 무선 시스템은, 이동국이 수신된 신호 강도를 기지국으로 다시 보고하도록 요구한다. 이것은 입력 전압의 로그값에 비례하는 전압을 출력하는 회로에 의해 달성될 수 있다. 이러한 전압은 전형적으로 수신 신호 강도 표시자(Received Signal Strength Indicator, RSSI)라 불린다. 일반적으로, RSSI = K * log(A*Vin)이며, K는 상수이고, A는 RSSI 회로 이전의 총 이득이다. 능동형 필터의 제한된 동적 범위를 수용하도록 이득이 항상 변동하기 때문에, RSSI는 붕괴된다. 본 발명은, 변동하는 이득에 독립된 RSSI를 재건하기 위한 수단을 포함한다. 신호의 채널 대역폭의 짝수배에 해당하는 중간 주파수를 선택하는 것이 바람직하다. 본 발명의 이들 특징 및 다른 특징과 이점들이 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명에서 명백해 질 것이다.

도 4는 본 발명의 구현하기 위한 시스템의 개략적 블럭도를 도시한다. 본 발명의 다른 응용들 중 하나는 셀룰러 이동 무선 전화 수신기이며, 본 발명은 어떠한 신호 수신 장치에도 사용될 수 있다.

도 4에 도시된 IF 집적 회로(60)은 도 2에 도시된 제1 IF 필터(38)로부터 입력 신호를 수신한다. IF 집적 회로(60)으로의 입력 신호는 가변 이득 증폭기(VGA, 64)에서 증폭되어 영상 억제 믹서(66)에 제공된다. 다른 방법으로, 가변 이득 증폭기가 도 5에 도시된 영상 억제 믹서(66)의 출력에 접속될 수도 있다. 본 발명에서, 필터의 동적 범위를 증가시키기 위해 대역통과 필터의 품질 인자 Q_F를 감소시키도록 중간 주파수가 저하된다. 제1 중간 주파수 필터(62)와 영상 억제 믹서의 조합이 무선 시스템을 위해 적절한 영상 거부를 제공하도록, 영상 신호는 영상 억제 믹서(66)에 의해 억제된다. 영상 억제 믹서(66)은 신호를 증폭하는 IF 증폭기(68)로 신호를 출력한다. 가변 이득 증폭기는 예를 들어 엔빌로프 검출 회로 또는 로그값 검출 회로에 의해 능동형 필터(72)로의 입력 신호 레벨을 검출하는 자동 이득 제어 루프(70)에 의해 제어된다. 나아가, 가변 이득 증폭기(64)는 마이크로-컨트롤러를 사용하여 디지털적으로 제어될 수 있다. 수신기의 동적 범위는, 검출된 신호 레벨이 클 때는 가변 증폭기의 이득을 감소시킴으로써 증가될 수 있다. 그 다음, 증폭된 신호는 제2 IF 신호로부터의 원하지 않는 성분을 필터링하는 능동형 대역통과 필터(72)에 인가된다.

그 다음 FM 라디오에서 흔히 볼수 있는 바와 같이, IF 집적 회로 내의 능동형 필터에 후속해서 제한 증폭기(74)와 로그값 검출기(76)가 뒤따를 수 있다. 제한 증폭기(74)는, 현재의 IF 시스템 내에 통합가능한 복조기나 디스크리미네이터로 보내기 전에 제2 IF 신호를 상당히 제한한다. 로그값 검출기(76)은 수신 신호 강도를 나타내는 표시(RSSI)를 출력한다. 로그값 검출기는 RSSI로부터 이득의 로그값을 감산하도록 AGC 회로로부터의 입력을 포함한다. 즉, RSSI = K(log(A*Vin)-log(A)) = K*log(Vin)이고, K는 상수이다. 나아가, IF 회로가 동상 및 직교 위상 신호로된 기저 대역을 출력할 수 있도록 능동형 필터에 후속해서 도 6에 도시된 바와 같은 하향변환단(80)이 뒤따를 수 있다. 또한, IF가 회로가 복조기, 검출기, 또는 디스크리미네이터 회로에 더 적합한 주파수에 해당하는 또 다른 중간 주파수를 출력할 수 있도록 능동형 필터에 후속해서 도 7에 도시된 바와 같은 상향변환단(82)가 뒤따를 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 제2 중간 주파수를 신호 채널 대역의 짝수배(예를 들어, 2x, 4x, ...)로 위치시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 미국의 셀룰러 무선 시스템의 경우, 채널 대역폭은 30kHz이다. 그 다음, 제2 중간 주파수는 120kHZ에 해당하는 4×30 kHZ가 되도록 선택한다. 이렇게 선택하는 이유는, 능동형 필터의 양호한 실시예는, 신호 성분의 짝수차 성분의 거부 능력이 우수한 평형 또는 디프렌셜(balanced or differential) 회로 설계이기 때문이다. 따라서, 30 kHz 및 60kHz에 위치한 인접 채널들의 짝수 하모닉(even harmonics)의 대단히 낮은 레벨만이 원하는 채널 120kHZ에 포함될 수 있다.

양호한 실시예의 또 다른 특징은, 제2 국부 발진기를 제1 중간 주파수보다 낮은 주파수로 설정하는, 소위 저위측 주입(low side injection)이다. 이것은, 제2 중간 주파수가 상측파대가 되고 영상 억제 믹서(66)은 저위 영상(lower image)을 거부한다는 것을 의미한다. 이러한 특징은 본 IF 시스템이 동작하도록 하기 위해서 중요한데, 그 이유는, 영상 억제 믹서 단독으로는 영상 주파수의 충분한 거부를 제공하지 않으며 제1 중간 주파수 크리스탈 필터로부터의 추가 거부가 필요하기 때문이다. 이러한 설계와 구성에 의해, 크리스탈 필터는 통과대역의 저위측에서 매우 훌륭한 거부 특성을 보이며 상위측에서는 거부 특성이 좋지 못하다. 따라서, 크리스탈 필터, 영상 억제 믹서, 및 낮은 제2 중간 주파수의 상기와 같은 조합은, 충분한 영상 거부를 위해 저위측 국부 발진기 주입을 필요로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 IF 시스템을 채용한 수신기에서 듀얼 대역폭 동작을 지원하기 위한 가능성을 설명할 것이다. IF 시스템은 도 4-8에 도시된 바와 같은 집적된 전압 제어 발진기(VCO)를 포함할 수 있다. 만일 VCO(78)이 프로그래머블 씬시사이저에 의해 위상고정(phase locked)된다면, 제2 중간 주파수는 프로그램가능하다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 하나의 신호 대역폭에 대해 필터들 중 하나가 사용될 수 있고, 또 다른 신호 대역폭에 대해 또 다른 중간 주파수 대역에 중심을 둔 다른 필터가 신호 경로 내에 스위칭되어 들어 올수 있도록 제2 능동형 대역통과 필터(84)가 IF 시스템에 추가될 수 있다. 이러한 듀얼 대역폭 동작의 응용은, 800MHz 셀룰러 및 1900 MHz PCS 대역 모두를 사용하는 무선 수신기(radio)이다. 여기서, 셀룰러 대역 내의 채널 대역은 30 kHz이고 1900 MHz의 채널 대역폭은 GSM유형의 시스템 동작이나 코드 분할 다중 액세스를 지원하기 위해 훨씬 더 넓게 확장될 수 있다. 예를 들어, 셀룰러 대역을 위한 120 KHz로 중간 주파수를 설정하게 되면, 활성 필터 품질 계수가 4가 된다. 만일 무선 수신기가 200 kHz의 채널 대역폭을 갖는 GSM을 지원한다면, 중간 주파수는 800 kHz로 재구성될 수 있고 GSM 필터의 품질 계수도 역시 4가 될 것이다.

이해하기 쉽도록 본 발명이 특정 실시예의 관점에서 기술되었지만, 상술한 실시예들은 설명을 위한 것이지 제한적 의미로 사용된 것은 아니다. 본 발명의 진정한 영역 및 정신으로부터 벗어나지 않고 당업자에 의해 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것은 명백하다. 따라서, 본 발명은 상술한 예로만 제한되지 말아야 하며, 첨부된 청구범위에 의해 제한 받는다.

Claims (17)

1. 제한된 동적 범위 IF 필터를 사용하는 높은 동적 범위의 수신기 IF 시스템에서,

   제1 IF 신호를 증폭하기 위한 가변 이득 증폭기;

   무선 시스템에 적절한 영상 억제를 제공하기 위해 증폭된 제1 IF 신호의 영상 성분을 억제하기 위한 영상 억제 믹서 ―상기 영상 억제 믹서는 영상 억제된 제2 IF 신호를 출력함―;

   상기 제2 IF 신호로부터 원하지 않는 성분을 억제하기 위한 능동형 대역통과 필터 수단;

   상기 필터링된 신호를 엄격히 제한하고 제한된 IF 신호를 출력하기 위한 제한 증폭 수단; 및

   수신 신호 강도 표시자를 제공하기 위한 로그값 검출 수단

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 가변 이득 증폭기는 자동 이득 제어 루프에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 가변 이득 증폭기는 마이크로-컨트롤러에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 로그값 검출기 수단은, 상기 수신된 신호 강도 표시자가 가변 이득 증폭기의 가변 이득에 의해 붕괴되지 않도록 이득 변동 효과를 제거하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 제2 IF 신호를 동상 신호 및 직교 위상 신호의 기저 대역으로 변환하기 위한 하향변환단(down conversion stage)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
6. 제1항에 있어서, 제2 IF 신호를 다른 주파수로 변환하기 위한 상향변환단(up conversion stage)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 제1 IF 신호의 주파수를 변경하도록 조절가능한 주파수 신호와 상기 제1 IF 신호를 혼합하는 상기 영상 억제 믹서에 상기 조절가능한 주파수 신호를 제공하기 위한 전압 제어 발진기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
8. 제1항에 있어서, 제2 중간 주파수 주변에 중심을 둔 제2 능동형 대역통과 필터; 및

   상기 제1 및 제2 능동형 대역통과 필터 수단을 상기 증폭기 및 상기 로그값 검출기 수단에 선택적으로 접속하기 위한 스위칭 수단

   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
9. 제한된 동적 범위 IF 필터를 사용하는 높은 동적 범위의 수신기 IF 시스템에 있어서,

   무선 시스템에 적절한 영상 억제를 제공하기 위해 제1 IF 신호의 영상 성분을 억제하기 위한 영상 억제 믹서―상기 영상 억제 믹서는 영상 억제된 제2 IF 신호를 출력함―

   상기 제2 IF 신호를 증폭하기 위한 가변 이득 증폭기;

   상기 제2 IF 신호로부터 원하지 않는 성분을 필터링하기 위한 제1 능동형 대역통과 필터 수단;

   상기 제2 IF 신호를 엄격히 제한하고 제한된 IF 신호를 출력하기 위한 제한 증폭 수단; 및

   상기 필터링된 신호로부터의 수신 신호 강도 표시자를 제공하기 위한 로그값 검출 수단

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 가변 이득 증폭기는 자동 이득 제어 루프에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
11. 제9항에 있어서, 상기 가변 이득 증폭기는 마이크로-컨트롤러에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
12. 제9항에 있어서, 상기 로그값 검출기 수단은, 수신 신호 강도 표시자가 상기 가변 이득 증폭기의 변동하는 이득에 의해 붕괴되지 않도록 이득 변동의 영향을 제거하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
13. 제9항에 있어서, 상기 제2 IF 신호를 동상 신호와 직교 위상 신호로 된 기저 대역으로 변환하기 위한 하향변환단(down converting means)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
14. 제9항에 있어서, 상기 제2 IF 신호를 다른 주파수로 변환하기 위한 상향변환단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
15. 제9항에 있어서, 상기 제1 신호의 주파수를 변경하도록 조절가능한 주파수 신호와 상기 제1 신호를 혼합하는 상기 영상 억제 믹서에 상기 조절가능한 주파수 신호를 제공하기 위한 전압 제어 발진기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
16. 제9항에 있어서, 상기 제1 능동형 대역통과 필터 수단은 제1 중간 주파수 부근에 중심을 두고 있는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.
17. 제16항에 있어서,

    제2 중간 주파수 부근에 중심을 둔 제2 능동형 대역통과 필터 수단; 및

    상기 제1 및 제2 능동형 대역통과 필터 수단을 상기 가변 이득 증폭기 및 상기 로그값 검출기 수단에 선택적으로 접속하기 위한 스위칭 수단

    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기 IF 시스템.