KR20010080269A - 주파수 안정화된 송/수신 회로 - Google Patents

주파수 안정화된 송/수신 회로 Download PDF

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Abstract

송신-/수신 회로는 A/D- 및/또는 D/A-변환기(6,7)를 가진 IC(1), A/D- 및/또는 D/A-변환기(6,7)용 샘플링 비율을 제공하는 기준 발진기를 가진 VCO(8), 및 디지털 데이터 처리 회로(2)를 포함한다. 상기 IC(1)는 고주파수 유닛(11)과 접속된다. 상기 고주파수 유닛의 주파수 변환기 단(13,14;18)은 제어될 수 있는 발진 주파수(fOZ)로부터 유도된 혼합 주파수에 의해 작동된다. 상기 기준 발진기의 용량성 공진기(800)가 상기 IC(1)의 외부에 배치된다.

Description

주파수 안정화된 송/수신 회로 {FREQUENCY-STABILIZED RECEIVER/TRANSMITTER CIRCUIT ARRANGEMENT}
상기 방식의 송신- 및/또는 수신 회로는 예컨대 논문 "Radio Frequency Integrated Circuit Technology for Low-Power Wireless Communications" (L.E.Larson, IEEE Personal Communications, 페이지 11-19, 1998년 6월)에 공지되어 있다.
메시지를 전송할 경우, 전송을 위해 이용되는 대역폭은 중간 값이다. 왜냐하면 상기 대역폭은 최소 전송 품질이 프리 세팅될 경우에 시간 단위당 전송될 수 있는 메시지의 도달 가능한 최대 수를 제한하기 때문이다. 이용될 수 있는 대역폭은 일반적으로 근소하게 측정된다. 소프트웨어 기술 및 적합한 데이터 구조의 프리 세팅에 의한 대역폭 문제의 해결책과 더불어 또한 하드웨어 측면에서도 이용될 수 있는 대역폭의 최선의 활용책이 제공될 수 있다.
이동 무선 통신 분야에서 예컨대 이용될 수 있는 전체 대역폭이 프리 세팅된채널 대역폭을 가진 통신 채널로 분할되고, 이동 무선 네트워크로 선택할 경우에 가입자에게는 특정 통신 채널이 할당된다. 통신 송신 장치의 고주파수 유닛은 주파수 변환기 단에 의해 할당된 채널 주파수로 세팅되고, 채널 혼선을 방지하기 위해 요구되는 수신된 또는 송신될 신호의 대역폭 제한기는 통상적으로 중간-, 저역 주파수- 또는 기저 대역폭 범위에서 불필요한 신호 성분을 필터링해서 버림으로써, 상응하는 아날로그 또는 디지털 대역- 또는 저역 패스 필터로 구현된다.
상기 채널 대역폭을 최선으로 활용하기 위해서는, 높은 정확성 및 시간적인 안전성을 가진 주파수 변환기 단이 소정의 채널 주파수로 세팅될 수 있어야만 한다. 이를 위해 주파수 변환기 단을 작동시키는 발진기 회로가 높은 주파수 안전성을 가져야만 한다.
발진기 회로의 높은 주파수 안전성을 달성하기 위해, 서두에 언급된 논문에는 이미 전체 발진기 회로 또는 단지 기준 발진기만을 외부 하이브리드 소자로서 설계허는 것이 공지되어 있다. 이러한 해결책에서의 단점은 하이브리드 소자를 사용할 경우 비교적 높은 비용이 발생된다는 점이다.
마찬가지로 상기 논문에서 공지된 대안적인 해결책은 완전 집적된 발진기 회로를 구현하는 것이다. 그러나 완전 집적된 발진기 회로는 다수의 용도에 있어서 너무 낮은 주파수 안전성을 나타낸다.
본 발명은 특히 유선 및/또는 무선 통신용 통신 송신 장치에 사용하기 위한 청구항 제 1항의 전제부에 따른 주파수 안정화된 송신- 및/또는 수신 회로에 관한 것이다. 또한 본 발명은 청구항 제 5항에 따른 집적 회로에 관한 것이다.
도 1은 블록 회로도 형태의 본 발명에 따른 회로의 개략도이고;
도 2는 도 1에 도시된 발진기 회로의 회로도이고; 및
도 3은 도 2에 도시된 기준 발진기의 회로도이다.
본 발명의 목적은 저렴하게 제조될 수 있는, 동시에 실제로 매우 높은 주파수 안정성을 가진 발진 주파수를 형성하는, 통신 장치에 사용하기 위한 회로를 제공하는 데 있다.
본 발명의 기본을 이루는 상기 목적은 청구항 제 1항 및 제 5항의 특징부에 의해 달성된다.
용량성 공진기를 제외하고, 발진기 회로가 집적 회로에 완전 집적됨으로써, 전체적으로 본 발명에 따른 회로의 매우 높은 집적율이 달성되고, 이로 인해 제조 비용이 적게 유지될 수 있다. 그럼에도 불구하고 상기 집적 회로에 관련된 용량성 공진기의 외부 배치("전위")에 의해 높은 주파수 안전성이 보장될 수 있다.
상기 용량성 공진기로서 바람직하게 수정 공진기가 사용된다.
본 발명에 따른 회로의 비용 면에서 바람직한 매우 높은 집적도는 집적 회로가 디지털 엘리먼트, 채널 평가기 또는 데이터 검출기와 같은 추가 엘리먼트를 포함할 경우 달성된다.
본 발명은 이어서 도면과 관련된 실시예를 참고로 하여 설명된다.
도 1에 따라, 통신 송신 장치, 예컨대 이동 전화용으로 제공된 집적 회로(IC)(1)는 데이터 처리 회로(2), A/D-변환기(6), D/A-변환기(7) 및 발진기 회로(VCO : voltage controlled oscillator)(8)를 포함한다.
데이터 처리 회로(2)의 범위는 도 1에서 점선으로 된 에지 라인에 의해 도시된다. 데이터 처리 회로(2)는 그 내에 포함된 디지털 필터(도시되지 않음)를 가진 디지털 신호 변환 회로(3), 채널 평가기(4) 및 디지털 I/Q-변조기(5)를 포함한다. 데이터 처리 회로(2)는 도시되지 않은 방법으로 예컨대 메모리 소자, 마이크로 프로세서, 마이크로 제어기 등과 같은 추가 디지털 회로- 및 제어 소자 그리고 예컨대 데이터 검출기(D) 등과 같은 하기에 언급될 디지털 회로도 포함할 수 있다.
VCO(8)로부터 발생된 발진 주파수(fOZ)는 VCO(8)의 제어 입력부(9)를 통해 변동될 수 있ㅇ며, IC(1)에 대해서는 시스템 클록으로서 이용되고, 그리고 특히 A/D-변환기(6) 및 D/A-변환기(7)에 대해서는 VCO(8)의 발진기 출력부(10)에서 샘플링 주파수로서 이용된다.
저역 주파수- 또는 기저 대역 범위에서 작동하는 IC(1)는 통신 송신 장치의 고주파수 유닛(11)과 접속된다.
수신측에서 고주파수 유닛(11)은 수신 안테나(12)로부터 제공된 수신 신호를 수신하는 제 1 및 제 2 하부 혼합기(13 및 14)를 포함한다. 하부 혼합기(13,14)는 90°-위상 이동기(15)에 의해 발생된 90°만큼 서로 위상 이동된 혼합 주파수 신호(16,17)에 의해 작동된다. 따라서 양 하부 혼합기(13,14)의 아날로그 출력 수신 신호(24,25)도 마찬가지로 90°-위상 이동된다(소위, 동위상 분기(I) 및 직각 분기(Q)). 아날로그 출력 수신 신호(24,25)는 A/D-변환기(6)의 상응하는 I- 또는 Q 입력부로 제공되고, 상기 변환기는 상기 신호를 서로 독립적으로 디지털화 시킨다.
고주파수 유닛(11)의 송신측에서 D/A-변환기(7)로부터 출력되고, 마찬가지로 90°만큼 서로 위상 이동된 아날로그 I- 및 O-출력 신호(26,27)는 고주파수 유닛의 가산단에서 서로 중첩되고, 증가단(19)에서 형성된 출력 송신 신호(28)는 입력 신호로서 상부 혼합기(18)에 제공된다. 상부 혼합기(18)는 출력 송신 신호(28)를 혼합 주파수 신호(20)와 혼합하여 송신 신호로 변환시키고, 상기 송신 신호는 송신 안테나(21)(실시예에서는 수신 안테나(12)와 동일하게 구현됨)에 공급되고, 여기로부터 송출된다.
또한 고주파수 유닛(11)은 n:m 주파수 배율기를 포함하며, 상기 주파수 배율기의 입력측에는 발진 주파수(fOZ)가 공급되고, 상기 배율기는 상부 혼합기(18)용 혼합 주파수 신호(20) 뿐만 아니라 하부 혼합을 기본으로 하는, 90°-위상 이동기(15)용 혼합 주파수 신호(23)를 발생시킨다. 상기 신호(20,23)는 주파수 f = (n/m)·fOZ를 가진 사인 진동이고, n 및 m은 양 신호(20,23)용으로 일반적으로 상이한 전체 수치이다.
고주파수 유닛(11)은 여기에 도시된 것과는 다른 다양한 방법으로 구현될 수 있고, 또한 예컨대 중간 주파수단 및 대역폭을 제한하는 데 적합한 대역 패스 필터를 포함할 수 있다.
하기에 상기 회로의 작동 방식이 더 자세히 설명되고, 수치 데이터는 디지털 이동 무선 통신에서 사용된 GSM-(Global System for Mobile Communications-) 표준과 관련된다.
기지국으로부터 이를 위해 제공된 통신 채널(935 내지 960 MHz의 범위, 200 kHz의 채널 대역폭) 중 하나를 통해 송출된 가입자 무선 신호의 수신시, 양 하부 혼합기(13,14)는 주파수 배율기(22)로부터 n 및 m 에 적합한 값을 선택함으로써, 발생된 아날로그 출력 수신 신호(24,25)(I-및 Q-분기)가 저역 주파수 - 또는 기저 대역 폭에 놓이도록 작동된다. 따라서 상기 신호는 문제없이 A/D-변환기(6)에 의해 샘플링되고 디지털화될 수 있다. 샘플링용으로 사용된 발진 주파수는 예컨대 fOZ= 13 MHz 이다.
A/D-변환기(6)로부터 발생된 디지털 데이터 신호(29(I-분기) 및 30(Q-분기))가 신호 변환 회로(3)에 공급된다.
신호 변환 회로(3)는 경우에 따라서 디지털 데이터 신호(29,30)의 디지털 주파수 이동 및 하기의 디지털 필터링을 수행한다. 상기 디지털 필터링은 수신측 전송 경로의 요구되는 대역폭 제한(<200 kHz)을 구현한다. 상기 디지털 필터링은 예컨대 신호 변환 회로(3)에 포함된 디지털 저역 패스 필터(기저 대역 범위에 있는 데이터 신호(29,30)의 경우) 또는 디지털 대역 패스 필터(저역 주파수 범위에 있는 데이터 신호(29,30)의 경우)에 의해 구현될 수 있다.
채널 평가기(4)가 신호 변환 회로(3)에 후방 접속된다. 상기 평가기의 목적은 기지국으로부터 규칙적으로 송출되고, 채널 평가기(4)에 공지되어 있는 프리 세팅된 데이터 시퀀스(소위 트레이닝 시퀀스)에 의해, 연속적으로(대략 0.5 ms 마다)이동 무선 채널의 실제 전송 함수를 결정하는 데 있다. 전송 함수는 이동 무선 채널의 순시 전송 특성을 특징으로 한다. 이동 무선 채널의 무선 인터페이스로 웨이브가 전파되는 것은 변화되는 주위 영향(예컨대 건물에서의 차폐 및 반사)에 의해 지속적으로 변하기 때문에, 전송 함수의 연속적인 재 결정이 요구된다.
결정된 (평가된) 전송 기능 및 필터링된 디지털 수신 데이터는 채널 평가기(4)의 출력부(31)를 통해 자세히 도시되지 않은 데이터 검출기(D)에 제공된다. 상기 데이터 검출기는 수신된 전송 함수에 의해, 원래 송신된 디지털 데이터 신호의 검출을 수행한다. 일반적으로 송신된 메시지의 완전한 재구조화를 가능하게 하는 추가 디지털 처리 단계(탈 중첩, 채널 디코딩, 소오스 디코딩)가 이어진다.
데이터 처리 회로(2)의 설계는 대부분 통신 송신 장치의 구체적인 사용 분야에 따라 좌우된다. 특히 유선 또는 유리 섬유 통신 송신 장치에서는 예컨대 채널 평가기(4)가 생략될 수 있다.
통신 송신 장치의 송신측 작동 방식은 전술된 수신측 작동 방식과 전반적으로 유사하다:
우선 경우에 따라 소오스 코딩되고, 채널 코딩되고 중첩된 디지털 입력 신호(E)가 디지털 I/Q-변조기(5)에 입력부(32)를 통해 제공된다. 디지털 I/Q-변조기(5)는 프리 세팅된 변조 방법, 예컨대 GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying)에 따라 디지털 입력 신호를 바꾸고, 동시에 대역폭의 제한을 야기한다. 디지털 I/Q-변조기(5)는 출력측에서 D/A-변환기(7)에 대해서 바꾸어진(변조된) 디지털 데이터신호(33,34)를 이용한다. 그리고 나서 상응하는 아날로그 I- 및 Q-출력 신호(26,27)의 주파수 변환이 이미 기술된 방법으로 상부 혼합기(18)내에서 이루어진다.
주파수 드리프트 또는 주파수 노이즈에 의해 야기되는 발진 주파수(fOZ)의 시간적인 변동은 (수신측) 디지털 I- 및 Q-데이터 신호(29,30) 그리고 (송신측에서) 송출된 전파의 주파수 위치의 상응하는 변동을 야기한다. 하부- 및 상부 혼합기(13,14 ; 18)에 제공된 혼합 주파수 신호(20,23)가 발진 주파수(fOZ)로부터 유도됨으로써 그의 주파수 불안정성도 포함된다는 사실이 기초가 된다. 이와 같은 수신측- 및 송신측에서 나타나는 주파수 위치의 변동은 바람직하지 못하다. 왜냐하면 이러한 주파수 위치 변동은 언급된 신호가 신호 변환 회로(3)에서의 (수신측) 필터링 또는 (송신측에) 할당된 통신 채널 주파수에 매칭되지 않는 결과를 가져오기 때문이다. 두 가지 경우에 효과적인 대역폭 상실이 발생되고, 채널의 혼선이 증가될 수 있다.
발진 주파수(fOZ)의 주파수 드리프트의 조절은 VCO(8)의 제어 입력부(9)를 통해 이루어진다. 상기 조절은 이동 무선 통신을 사용할 경우, 예컨대 VCO(8)의 요구된 주파수 재조정이 진행되는 동안, 송신된 전파와 수신된 전파 사이의 이중-주파수 이동을 고려하여 실행된다. 이러한 목적을 위해, 기지국으로부터 규칙적인 시간 간격으로(예컨대 47 ms 마다) 주파수 표준(FCB : frequency correction burst)이 사인 진동 형태로 송출된다. 상기 FCB 는 자세히 도시되지 않은 방법으로 주파수 그리드(예컨대 20 kHz의 그리드 폭)를 가진 고주파수 단(11)에서 발견된다. 최대 FCB 수신 신호 강도를 가진 그리드 주파수의 샘플링에 의해, 정확한 그리드 폭을 가진 주파수 표준이 결정될 수 있다. 발진 주파수(fOZ)는 고주파수 유닛(11)으로부터 출력되고, VCO(8)의 제어 입력부(9)에 제공된 제어 전압 신호를 통해 적합한 방식으로 조정된다.
VCO(8)의 주파수 노이즈는 부품에 기인하고, 주로 VCO(8)의 공진기로 해석될 수 있는 기준 발진기에서 발생된다.
VCO(8)의 노이즈 제거를 최대한 요구할 경우, VCO(8) 또는 그의 기준 발진기용으로 (비싼) 하이브리드 부품이 사용되어야만 한다. 그러나 본 발명에 따라 용량성 공진기(800)를 제외한 전체 VCO(8)가 IC(1)내에 집적된다. 이로 인해, 실제로 다수의 용도에 있어서 바람직한 저 주파수 노이즈와 저렴한 조립 방식 사이의 타협이 이루어진다.
도 2는 예컨대 PLL-제어 회로 형태로 형성된 VCO(8)의 회로도를 도시한다.
VCO(8)는 이미 언급된 기준 발진기(80), 제어기(81), 트래킹 발진기(82), 위상 검출기(83) 및 비교 회로(84)를 포함한다. 비교 회로(84)에는 위상 검출기(83)의 출력 전압 신호 및 제어 입력부(9)에 인가되는 제어 전압 신호가 제공된다. 이러한 양 전압 신호로부터 비교 회로(84)는 예컨대 감산에 의해, 제어기(81)에 제공되는 동작 신호를 결정한다. 상기 동작 신호에 따라, 제어기(81)는 트래킹 발진기(82)를 제어하고, 따라서 상기 트래킹 발진기는 발진 주파수(fOZ)를 가진 전압 신호(UOZ)를 발생시킨다. 상기 PLL-회로는 위상 검출기(83)에 의해 차단되고, 상기 위상 검출기는 기준 발진기(80)에 의해 수신된 주파수(fR)의 전압 신호(UR)와 발진 주파수(fOZ)의 전압 신호(UOZ) 사이의 위상 이동을 검출하고, 이것을 전술한 바와 같이 출력 전압 신호로서 비교 회로(84)에 역전송 한다.
도 3은 기준 발진기(80)의 회로도를 도시한다. 상기 기준 발진기(80)는 그의 회로 기술 구조에 관련하여 공지되어 있으며, 상기 기술에서 "하틀리 발진기" 로 표기된다. 상기 발진기는 인덕터(L) 및 상기 인덕터(L)에 병렬 접속된 커패시터(C)를 포함한다. 트랜지스터(T)의 베이스와 컬렉터 사이에 정궤환으로 접속된 수정 공진기가 용량성 공진기(800)로서 사용된다. 조절 커패시터(CS)는 상기 수정 공진기와 직렬 접속되고, 저항기(R)는 트랜지스터(T)의 컬렉터와 접속된다. IC(1)의 범위를 나타내는 점선으로 도시된 라인에 따라 인덕터(L), 트랜지스터(T), 조절 커패시터(CS) 및 저항기(R)가 IC(1)내에 집적 형성되는 반면에, 수정 공진기(800)는 IC(1)의 집적 소자로서 형성되지 않는다.

Claims (5)

  1. - 적어도 하나의 A/D- 및/또는 D/A-변환기(6,7),
    - 일정한 주파수(fR)의 기준 발진기(80) 및 발진 주파수(fOZ)의 특정 변동을 위한 제어 입력부(9)를 포함하는, 상기 A/D- 및/또는 D/A-변환기(6,7)용 샘플링 비율을 제공하는, 제어 가능한 발진 주파수(fOZ)를 포함하는 발진기 회로(8),
    - 상기 A/D-변환기(6)로부터 출력된 디지털 데이터 신호(29,30)를 수신하고, 추가 처리하고 및/또는 상기 D/A-변환기(7)에 디지털 데이터 신호(33,34)를 제공하는 디지털 데이터 처리 회로(2;3,4,5), 및
    - 제어 가능한 발진 주파수(fOZ)로부터 유도된 혼합 주파수에 의해 작동되고, 상기 A/D-변환기(6)에 아날로그 출력 수신 신호(24,25)를 제공하고 및/또는 상기 D/A-변환기(7)로부터 아날로그 출력 송신 신호(26,27,28)를 수신하는 적어도 하나의 주파수 변환기 단(13,14;18)을 포함하는 고주파수 및/또는 중간 주파수 유닛(11)을 포함하는 송신- 및/또는 수신 회로에 있어서,
    적어도 상기 A/D- 및/또는 D/A-변환기(6,7),데이터 처리 회로(2;3,4,5) 및 발진기 회로(8)가 기준 발진기(80)의 용량성 공진기(800)를 제외하고 모놀리식 집적 회로(IC;1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 송신- 및/또는 수신 회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 집적 회로(1,IC)가 디지털 필터(3) 및 디지털 변조기(5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신- 및/또는 수신 회로.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 집적 회로(1,IC)가 채널 평가기(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신- 및/또는 수신 회로.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집적 회로(1,IC)가 데이터 검출기(D)를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신- 및/또는 수신 회로.
  5. - 적어도 하나의 A/D- 및/또는 D/A-변환기(6,7),
    - 일정한 주파수(fR)의 기준 발진기(80) 및 발진 주파수(fOZ)의 특정 변동을 위한 제어 입력부(9)를 포함하는, 상기 A/D- 및/또는 D/A-변환기(6,7)용 샘플링 비율을 제공하는, 제어 가능한 발진 주파수(fOZ)를 포함하는 발진기 회로(8),
    - 상기 A/D-변환기(6)로부터 출력된 디지털 데이터 신호(29,30)를 수신하고, 추가 처리하고 및/또는 상기 D/A-변환기(7)에 디지털 데이터 신호(33,34)를 제공하는 디지털 데이터 처리 회로(2;3,4,5)를 포함하는 통신 송신 장치용 집적 회로로서,
    상기 집적 회로는 적어도 하나의 주파수 변환기 단(13,14;18)을 포함하는 통신 송신 장치의 고 주파수 및/또는 중간 주파수 유닛(11)과 전기 접속되고, 상기 통신 송신 장치는 상기 A/D-변환기(6)에 아날로그 출력 수신 신호(24,25)를 제공하고 및/또는 D/A-변환기(7)로부터 아날로그 출력 송신 신호(26,27,28)를 수신하고, 주파수 변환기 단(13,14;18)은 제어 가능한 발진 주파수(fOZ)로부터 유도된 혼합 주파수에 의해 작동되도록 구성된, 통신 송신 장치용 집적 회로에 있어서,
    기준 발진기(80)의 용량성 공진기(800)가 집적 회로(IC;1)의 외부에서 형성되는 것을 특징으로 하는, 통신 송신 장치용 집적 회로.
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