KR20020072540A

KR20020072540A - 수신기 캘리브레이션 방법 및 수신기

Info

Publication number: KR20020072540A
Application number: KR1020027006430A
Authority: KR
Inventors: 모힌드라리쉬
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2000-09-21
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2002-09-16
Also published as: JP2004509547A; WO2002025804A2; WO2002025804A3; CN1446397A; EP1325552A2; US6744829B1

Abstract

수신기가 캘리브레이션된다. 먼저, 수신기의 입력이 어떤 유용한 신호도 수신하지 않음이 보장된다. 이후에, 수신기의 직교 출력 신호들이 상관되며, 수신된 신호를 다운 변환하는데 사용되는 직교 국부 발진기 신호들의 상대 위상이 최소 상관값에 대응하는 값에서 설정된다.

Description

수신기 캘리브레이션 방법 및 수신기{CALIBRATION OF A QUADRATURE RECEIVER}

미국 특허 번호 5,949,821은 동 위상 성분 및 직교 위상 성분을 사용하는 신호를 복조하는 무선 통신 디바이스를 개시한다. 이 무선 통신 디바이스는 수신된 신호를 왜곡시킬 수 있는 위상 및 이득 불균형을 보정하는 등화기를 구비한다. 등화기는 수신된 신호의 동 위상 성분 및 직교 위상 성분에 대한 피크 진폭을 결정한다. 동 위상과 직교 위상 성분 간의 위상 불균형은 피크 진폭을 사용하여 결정된다. 피크 진폭 및 위상 불균형은 동 위상 성분 및 직교 위상 성분 간의 임의의 불균형을 보정하기 위해 이 두 성분들 중의 적어도 하나를 조절하는데 사용된다. 위상 추정기(phase estimator)는, 한 쌍의 직교 믹서에 의해 각각의 sin(wt) 및 cos(wt)와 믹싱함으로써, 샘플링된 다운 변환된 수신 신호(a sampled down-converted received signal)로부터 분리된 동 위상 성분 및 직교 위상 성분 간의 위상 불균형을 추정한다. 위상 불균형은, 보정되지 않은 동 위상 및 직교 위상 성분들의 피크 진폭 추정치와 보정되지 않은 동 위상 및 직교 위상 성분들 간의 교차 상관치(cross-correlation)의 적(product)에 대한 2의 적의 아크싸인 함수로 결정된다. 이로써 등화기는 수신된 신호, 즉 유용한 신호의 진폭 및 위상 불균형을 보정한다.

발명의 개요

본 발명의 목적은, 협대역 잡음 신호를 나타내는 직교 출력 신호를 사용하여, 직교 수신기에 국부 발진기의 직교 위상 성분의 위상 조절을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 위상 조절이 수신기의 동 위상 및 직교 위상 브랜치(branches)에서의 이득 오차에 의존하지 않는, 직교 수신기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 위상 조절이 수신기의 교차 상관된 직교 출력 신호로부터 획득된 위상 조절 신호를 사용하는, 직교 수신기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라, 수신기를 캘리브레이션하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 상기 수신기의 입력이 어떤 유용한 신호도 수신하지 않음을 보장하는 단계와, 상기 수신기에 의해 제공된 직교 출력 신호들━상기 직교 출력 신호들은 잡음 신호를 나타냄━을 교차 상관시키는 단계와, 수신된 신호의 다운 변환을 통해 상기 직교 출력 신호들을 생성하는데 사용되는 직교 국부 발진기 신호의 상대 위상(relativephase)을 조절하는 단계━상기 조절된 상대 위상은 상기 교차 상관된 직교 출력 신호로부터 획득됨━를 포함한다.

본 발명은 어떤 추가적인 복잡한 보정도 필요하지 않도록 수신기의 이른 시점에서, 즉 수신된 신호의 다운 변환에서 균형의 직교 신호를 생성한다는 통찰과, 저역 통과 필터링된 잡음 신호의 교차 상관이 수신기의 동 위상 및 직교 위상 브랜치에서의 이득 오차에 의존하지 않는 위상 불균형을 나타내는 신호를 제공한다는 통찰을 기초로 한다.

일 실시예에서, 수신기는 제로-IF 수신기이다. 이 실시예에서 직교 국부 발진기의 상대 위상은 최소 교차 상관치에서 설정된다. 이 실시예에서 유리하게는 동 위상 및 직교 위상 브랜치에서의 DC 오프셋이 AC 커플러(AC-couplers)에 의해 제거된다.

다른 실시예에서, 수신기는 로우-IF(low-IF) 수신기이다. 이 실시예에서 직교 국부 발진기의 상대 위상은 제로 교차 상관치에서 설정된다.

어떤 유용한 신호도 위상 캘리브레이션 동안 수신되지 않음을 보장하기 위해, 수신기의 입력은 유용한 신호를 수신하는 안테나로부터 분리될 수 있다. 이로써, 교차 상관은 순수하게 잡음 신호를 기초로 한다는 것이 보장된다.

전체 도면에서, 동일 참조 부호는 동일 특징부에 해당된다.

본 발명은 직교 수신기(quadrature receiver)의 캘리브레이션(calibration)에 관한 것이다. 이러한 수신기는 이른바 2.4 GHz ISM 대역에서 동작하며 가령 임의의 다른 적합한 수신기일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수신기를 구비한 송수신기의 블록도,

도 2는 본 발명에 따른 국부 발진기의 위상 조절의 실시예를 도시한 회로도,

도 3은 본 발명에 따른 저역 통과 필터링된 신호의 교차 상관에 대한 도면,

도 4는 본 발명에 따른 제로 IF 수신기에서의 교차 상관을 나타낸 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 위상 조절의 흐름도.

도 1은 본 발명에 따른 송수신기(1)의 블록도이다. 주어진 실시예에서, 송수신기(1)는 이른바 2.4 GHz ISM(Industrial, Scientific and Medical) 대역에서 동작하며, 오직 단일 동조된 발진기만 필요하도록 동일한 주파수에서 수신 및 전송하는 이른바 제로-IF 송수신기이다. 송수신기(1)는 이른바 제로-IF(Intermediate Frequency) 또는 로우-IF 송수신기가 될 수 있다. 송수신기(1)는 수신 브랜치(2) 및 송신 브랜치(3)를 포함한다. 본 발명은 또한 수신기로 구현될 수 있다. 이 경우에는, 송신 브랜치가 존재하지 않는다. 수신 브랜치(2)는 필터(6) 및 전송/수신 스위치(7)를 통해 안테나(5)로 결합되는 저 잡음 증폭기(LNA)(4)를 포함한다. LNA(4)는 각각의 동 위상 및 직교 위상 수신 브랜치에서 한 쌍의 직교 믹서(8,9)에 접속된다. 조절가능한 이득 증폭기(10)를 통해, 믹서(8)는 저역 통과 필터(11)에 접속된다. AC 커플러(12)를 통해, 저역 통과 필터(11)는 아날로그 대 디지털 변환기(13)에 접속된다. 저역 통과 필터(14)를 통해, 믹서(9)는 AC 커플러(15)에 접속된다. AC 커플러(15)는 아날로그 대 디지털 변환기(16)에 접속된다. 수신 브랜치(2)에서의 DC 오프셋 오차를 제거하기 위해, 제로-IF 송수신기의 경우에서는 AC커플러(12,15)가 제공될 수 있다. 아날로그 대 디지털 변환기(13,16)는 베이스 밴드 프로세싱 수단(17)의 일부이며, 수신된 무선 주파수 신호를 다운 변환함으로써 획득되는 직교 신호 V_I(t) 및 V_Q(t)를 제공한다. 직교 신호 V_I(t) 및 V_Q(t)는 제로-IF 또는 로우-IF 신호일 수 있다. 베이스 밴드 프로세싱 수단(17)은 프로세서(18), 프로그램 데이터 및 다른 비휘발성 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리(19), 휘발성 데이터를 저장하는 휘발성 메모리(20), 수신 브랜치(2) 내에 포함된 국부 발진기 수단(25)에 의해 제공된 한 쌍의 직교 국부 발진기 신호(23,24)의 상대 위상을 조절하기 위한 위상 조절 신호(22)를 제공하는 디지털 대 아날로그 변환기(21)를 포함한다.

본 발명에 따라, 위상 조절 신호(22)는 저 잡음 증폭기(4)의 출력에서의 잡음 신호 V_n(t)로부터 결정된다. 대부분의 잡음은 믹서 전에, 즉 LNA(4)에서 발생한다.

잡음 신호 V_n(t)는 다음과 같을 수 있다.

V_n(t) = n_I(t)*cos(w_ct) - n_Q(t)*sin(w_ct), 여기서 n_I(t) 및 n_Q(t)는 상호 독립적인 제로-평균 가우시안 랜덤 변수(zero-mean Gaussian random variables)이며, w_c는 국부 발진기 주파수이다.

직교 다운 변환 및 저역 통과 필터링 후에, 직교 신호 V_I(t) 및 V_Q(t)가 잡음 신호 V_n(t)로부터 획득된다.

도 3에 도시된 바처럼, 교차 상관 및 이 후의 적분은 위상 불균형을 나타내는 신호 Vout를 제공한다. 로우-IF 수신기의 경우에, 국부 발진기의 상대 위상은 교차 상관이 실질적으로 제로 출력 신호를 제공할 때까지 조절된다. 제로-IF 수신기의 경우에, 국부 발진기의 상대 위상은 교차 상관이 최소 출력 신호를 제공할 때까지 조절된다.

상기 이외에도, 다음과 같은 식들이 있다.

V_I(t) = LPF[V_n(t)*cos(w_ct)] = n_I(t), 여기서 LPF는 저역 통과 필터링을 나타냄.

V_Q(t) = LPF[V_n(t)*α*sin(w_ct+θ)], 여기서 α는 이득 불균형치이며, θ는 위상 오차임.

V_n(t) = n_I(t)*cos(w_ct) - n_Q(t)*sin(w_ct)를 상기 V_Q(t)에 대한 식에 삽입시키면,

V_Q(t) = LPF[{n_I(t)*cos(w_ct) - n_Q(t)*sin(w_ct)}*α*sin(w_ct+θ)]가 된다.

기본적인 각도 공식를 적용하면,

V_Q(t) = -α*cos(θ)*n_Q(t) + α*sin(θ)*n_I(t)가 된다.

V_I(t)에 대한 저역 통과 필터링을 통해, V_I(t) = n_I(t)가 된다.

V_I(t) 및 V_Q(t)을 교차 상관시킴으로써, 이득 오차 α에 의존하지 않는 최소치를 갖는 신호가 생성되는데, α*sin(θ)[n_I(t)▽n_I(t)] = K*sin(θ)가 되며, 여기서 ▽은 교차 상관 연산자이며, K는 상수이다.

본 발명에 따라, 직교 국부 발진기의 상대 위상은 최소 교차 상관치에서 설정되며, 이로써 직교 위상 불균형을 최소화한다.

도 2는 본 발명에 따른 국부 발진기 수단(25)의 위상 조절의 실시예의 도면이다. 국부 발진기 수단(25)은 안정한 기준 발진기 신호가 제공되는 PLL(Phase Locked Loop)에 의해 제어되는 VCO(Voltage Controlled Oscillator: 전압 제어 발진기)일 수 있는 국부 발진기(30)를 포함한다. 저항(31) 및 캐패시터(32)의 RC 회로를 통해, 제 1 직교 LO 신호가 획득되며, 캐패시터(33) 및 제어된 전계 효과 트랜지스터(34)의 RC 회로를 통해, 제 2 직교 LO 신호가 획득되며, 이 제 1 및 제 2 직교 LO 신호가 균형을 이룬다면, 이 두 신호는 90°의 상대 위상을 보인다. DAC(21)는 전계 효과 트랜지스터(34)에 위상 조절 신호(22)를 제공하는데, 상기 위상 조절 신호(22)는 위상 오차에 비례한다.

도 3은 본 발명에 따른 저역 통과 필터링된 신호의 교차 상관하는 것을 도시한다. 저역 통과 필터링된 직교 신호 V_I(t) 및 V_Q(t)는 적분기(41)에 접속된 믹서(40)의 입력에 제공된다.

도 4는 본 발명에 따른 제로-IF 수신기에서의 교차 상관의 그래프이다. 신호 Vout가 위상 오차 θ의 함수로 도시된다. 위상 조절 신호(22)는 신호 Vout의 최소치 MIN에서 위상 θ= θ₀에 대응하는 값으로 설정된다.

도 5는 본 발명에 따른 우상 조절을 도시한 흐름도이다. 블록(60)에서, 수신기 브랜치(2) 내에 어떤 유용한 신호도 존재하지 않음이 보장된다. 블록(61)에서, 수신기의 직교 출력 신호들이 교차 상관된다. 블록(62)에서, 직교 국부 발진기의 상대 위상이 최소 교차 상관치에 따라 조절된다.

전술한 바에 의하면, 이후의 청구 범위에서 규정된 본 발명의 정신 및 범위 내에서 다양한 수정이 행해질 수 있음과, 본 발명은 제공된 실시예로 한정되는 것이 아님을 본 기술의 당업자는 알 것이다. "포함한다"라는 용어는 청구 범위에 존재하는 요소나 단계와 다른 요소나 단계들이 존재함을 배제하지 않는다.

Claims

수신기(2)를 캘리브레이션하는 방법에 있어서,

상기 수신기(2)의 입력이 어떤 유용한 신호도 수신하지 않음을 보장하는 단계와,

상기 수신기(2)에 의해 제공된 직교 교차 신호들(V_I(t), V_Q(t))━상기 직교 교차 신호들(V_I(t), V_Q(t))은 잡음 신호(V_n(t))를 나타냄━을 교차 상관하는 단계와,

수신된 신호의 다운 변환(8,9)을 통해 상기 직교 출력 신호들을 생성하는데 사용되는 직교 국부 발진기 신호들(23,24)의 상대 위상을 조절(22)하는 단계━상기 조절된 상대 위상은 상기 교차 상관된 직교 출력 신호(V_I(t), V_Q(t))로부터 생성됨━를 포함하는

수신기 캘리브레이션 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 잡음 신호(V_n(t))는 협대역 한정된 잡음 신호(narrow band limited noise signals)인

수신기 캘리브레이션 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 교차 상관의 최소 교차 상관 출력 값(MIN)에서 상기 상대 위상(θ₀)을 조절하는 단계를 포함하는

수신기 캘리브레이션 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 수신기(2)는 로우 IF(intermediate frequency) 수신기이며,

상기 최소 교차 상관 값은 실질적으로 제로인

수신기 캘리브레이션 방법.
수신된 신호로부터 직교 다운 변환된 신호를 제공하는 직교 다운 변환 수단(8,9)과,

상기 직교 다운 변환 수단(8,9)에 직교 국부 발진기 신호(23,24)를 제공하는 국부 발진기 수단(25)과,

상기 직교 다운 변환된 신호로부터 저역 통과 필터링된 신호(V_I(t), V_Q(t))를 제공하는 저역 통과 필터링 수단(11,14)과,

상기 저역 통과 필터링된 신호(V_I(t), V_Q(t))━상기 저역 통과 필터링된 신호(V_I(t), V_Q(t))는 잡음 신호(V_n(t))를 나타냄━를 교차 상관하는 교차 상관 수단(40, 41)과,

상기 직교 국부 발진기 신호(23,24)의 상대 위상을 조절(22)하는 조절 수단(17)━상기 조절된 상대 위상은 상기 교차 상관된 저역 통과 필터링된 신호로부터 획득됨━을 포함하는

수신기(2).
제 5 항에 있어서,

상기 수신기는 제로 IF 수신기이며,

상기 수신기는 상기 저역 통과 필터링된 신호로부터 DC 오프셋 신호 성분을 제거하기 위한 AC 분리 수단(12,15)를 더 포함하는

수신기.
제 5 항에 있어서,

상기 수신기(2)가 어떤 유용한 신호도 수신하지 않음을 보장하기 위해 상기 수신기(2) 내에 포함된 안테나(5)로부터 상기 수신기(2)의 입력을 분리(7)시키는수단을 더 포함하는

수신기.
제 5 항에 있어서,

상기 교차 상관 수단(40,41)은 믹서(40) 및 적분기(41)를 포함하며,

상기 믹서(40)는 상기 저역 통과 필터링된 신호(V_I(t), V_Q(t))를 믹스하며,

상기 적분기(41)는 상기 믹스된 저역 통과 필터링된 신호를 적분하며 상기 조절된 상대 위상을 나타내는 신호를 제공하는

수신기.
수신된 신호로부터 직교 다운 변환된 신호를 제공하는 직교 다운 변환 수단(8,9)과,

상기 직교 다운 변환 수단(8,9)에 직교 국부 발진기 신호(23,24)를 제공하는 국부 발진기(30)와,

상기 직교 다운 변환된 신호로부터 저역 통과 필터링된 신호(V_I(t), V_Q(t))를 각기 제공하는 제 1 및 제 2 저역 통과 필터(11,14)와,

상기 저역 통과 필터링된 신호(V_I(t), V_Q(t))━상기 저역 통과 필터링된신호(V_I(t), V_Q(t))는 잡음 신호(V_n(t))를 나타냄━를 교차 상관하는 교차 상관기(40, 41)와,

상기 직교 국부 발진기 신호(23,24)의 상대 위상을 조절(22)하는 제어기(17)━상기 조절된 상대 위상은 상기 교차 상관된 저역 통과 필터링된 신호로부터 획득됨━를 포함하는

수신기(2).
제 9 항에 있어서,

상기 수신기는 로우 IF 수신기이며,

상기 교차 상관기(40,41)는 실질적으로 제로인 교차 상관값에서 상기 위상을 조절하도록 구성되는

수신기.