KR20020079967A - 신규한 저비용/저전력의 아날로그 송수신기 구조 - Google Patents

신규한 저비용/저전력의 아날로그 송수신기 구조 Download PDF

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Abstract

시간 분할 이중(TDD) 단측파대(SSB) 송수신기는 아날로그 오디오 신호를 수신하여, 그 아날로그 오디오 신호를 샘플링한 후, 그 아날로그 오디오 신호에 대응하는 SSB 주파수 편이 방식(FSK) 신호(아날로그 정보를 포함함)를 출력하도록 적응된 송신기를 포함한다. 수신기는 외부 SSB 신호의 상측파대와 하측파대 중 하나를 수신하는 것 사이에서 전환하도록 적응된다.

Description

신규한 저비용/저전력의 아날로그 송수신기 구조{A NOVEL LOW COST/LOW POWER ANALOG TRANSCEIVER ARCHITECTURE}
저비용의 900 MHz 및 2.4 GHz의 휴대 주거용 무선 시스템의 대부분은 주파수 분할 이중(frequency division duplex : FDD) 구조나 시간 분할 이중(time division duplex : TDD) 구조를 채용한다. TDD 구조는 디지털화된 음성을 송신 중에 버퍼링 및 버스트 출력한 다음에 수신기 기저대역 회로에서 속도 전환 후 정상 속도로 다시 전환할 수 있는 디지털 변조 방식을 사용한다. TDD 구조는 비용이 매우 낮은 무선 주파수(RF) 구조인데, 그 이유는 이중 필터(duplex filter)를 필요로 하지 않고 또한 양방향 통신 링크를 지원하는 데 단지 하나의 위상 동기 루프(phase locked loop : PLL)만을 필요로 한다는 사실 때문이다. 그러나, 모든 필요한 기저대역 신호를 처리하는 집적 회로(IC)를 실현하는 데 드는 비용적인 제약 때문에, TDD 방법은 최저 비용의 해결책이 될 수 없다.
FDD 구조는 일반적으로 명백하게 상이한 주파수대에서 송수신하는 아날로그 시스템에서 사용된다. 송신기 전력으로 인한 수신기 성능 저하를 방지하기 위해서, 전단(front-end)에 값비싼 표면 탄성파(surface acoustic wave : SAW) 또는 유전체 필터를 사용한다. FDD 구조에 있어서는, 아날로그 신호를 디지털 영역으로 전환하지 않고 송신하기 때문에, 기저대역부에 드는 비용이 낮다. 그러나, RF부에 드는 비용은 더 높고, 수신 대역과 송신 대역이 차지하는 사용 가능한 스펙트럼의 대역폭이 비교적 작다. 반대로, TDD 시스템은 전체 사용 가능한 대역폭에 걸처 동작할 수 있다.
따라서, 전술한 종래의 TDD 및 FDD 구조의 결함을 극복할 수 있는 아날로그 송수신기 구조가 요구된다.
본 발명은 일반적으로 송수신기에 관한 것으로서, 특히 단측파대(single sideband : SSB) 주파수 편이 방식(frequency shift keying : FSK) 송신기 시스템 및 송신된 신호를 수신하기 위한 관련 제로 중간 주파수(intermediate frequency : IF) 구조를 가진 송수신기에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 900 MHz의 단측파대(SSB) 아날로그 송수신기를 도시한 블록도이다.
본 발명에 따른 단측파대(SSB) 아날로그 송수신기에 의하면, 종래 기술이 갖고 있는 전술한 문제점 뿐만 아니라 그 밖에 관련된 다른 문제점도 해결한다. 본 발명의 SSB 아날로그 송수신기는 종래 기술의 더 값비싼(비용 및 전력 면에서) 송수신기의 대안으로서, 종래의 것에 비해 많은 부수적인 이점을 제공한다.
본 발명의 제1 형태에 따르면, 시간 분할 이중(TDD) 단측파대(SSB) 송수신기가 제공된다. 상기 송수신기는 아날로그 오디오 신호를 수신하여, 그 아날로그 오디오 신호를 샘플링한 후, 그 아날로그 오디오 신호에 대응하는 SSB 주파수 편이 방식(FSK) 신호(아날로그 정보를 포함함)를 출력하도록 적응된 송신기를 포함한다. 수신기는 외부 SSB 신호의 상측파대와 하측파대 중 하나를 수신하는 것 사이에서전환하도록 적응된다.
본 발명의 이러한 형태 및 다른 형태, 특징, 그리고 이점은 첨부된 도면과 관련하여 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명을 참조함으로써 명백해질 것이다.
본 발명은 단측파대(SSB) 아날로그 송수신기에 관한 것이다. 본 명세서에 기재한 본 발명의 바람직한 실시예의 송수신기는 저비용 고성능의 900 MHz 아날로그 전화기용으로 사용된다.
특히, 본 발명은 TDD 속도인 4X 속도로 샘플링된 아날로그 신호를 송신하면서, 콰시 제로(Quasi Zero) 중간 주파수(IF) 방법으로 TDD 시스템을 실현하는 기술을 제공한다. 오디오 신호는 오디오 위상 편이기(172)에 의해 0°및 90°의 신호로 위상 편이된 후 직교 변조기(quadrature modulator)에서 변조된다. 직교 변조기로부터의 출력은 아날로그 정보를 포함하는 SSB 주파수 편이 방식(FSK) 신호이다. 그 편이는 -fm과 f0 사이이다. 직교 변조기(도 1의 170a, 170b 참조)의 출력은 합해져서, 0 dBm 출력을 안테나에 출력할 수 있는 송신 구동기에 공급된다. 오디오 위상 편이기의 180°및 270°의 출력은 f0와 +fm 사이의 상측파대 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 저전력의 900 MHz SSB 아날로그송수신기(100)를 도시한 블록도이다. SSB 송수신기(100)는 안테나(110); 송신/수신 스위치(T/R)(112); 무선 주파수(RF) 필터(114); 저잡음 증폭기(LNA)(116); 90°위상 편이기(118b)를 가진 제1 듀얼 더블 밸런스 믹서(118a); 제1 대역 통과 필터(BPF)(120); 제2 BPF(122); 제1 가변 이득 증폭기(VGA)(124); 제2 VGA(126); I 채널 오디오 위상 편이기(128)와 Q 채널 오디오 위상 편이기(130)를 포함하는 오디오 위상 편이 회로(127); 제1 버퍼 증폭기(131); 제2 버퍼 증폭기(132); 가산망(summation network)(136); 감산망(differential network)(138); RSSI(150); 레벨 변환기(181); 위상 검출기(PD)(152); 제1 저역 통과 필터(LPF)(154); VCXO 탱크(156); 합성기 기준 주파수 발생기(REF)(158); 1/800 체감기(divider)(160); 위상 동기 루프(PLL)(162); 제2 LPF(164); 버랙터(varactor)(166); 전압 제어 발진기(VCO)(168); 90°위상 편이기(170b)를 가진 제2 듀얼 더블 밸런스 믹서(170a); 오디오 위상 편이기(172); 가산 증폭기(174); 전력 증폭기(176); 링크 관리 장치(182)를 포함한다.
수신기 모드시, 신호는 안테나(110)에 수신되어, RF 필터(114)에서 필터링되고, LNA(116)에서 증폭된 다음에, 두 갈림으로 나누어진다. 그 두 갈림은 제1 듀얼 더블 밸런스 믹서(118a)에서 [국부 발진기(VCO)(168)로부터 입력을 수신하는] +/- 45°위상 편이기(118b)로부터의 동위상(in-phase) 신호 및 직교 위상(quadrature phase) 신호와 혼합되어, I 출력과 Q 출력으로 제공된다. 다음에, I 출력 및 Q 출력은 제1 BPF(120) 및 제2 BPF(122)에서 각각 필터링된다. BPF(120, 122)는 대역 통과 필터이거나 저역 통과 필터일 수 있다. 필터링된 I 출력 및 Q 출력은 제1VGA(124) 및 제2 VGA(126)에서 각각 증폭된다. 다음에, 필터링되고 증폭된 I 출력 및 Q 출력은 I 채널 오디오 위상 편이기(128)와 Q 채널 오디오 위상 편이기(130)를 포함하는 오디오 위상 편이 회로(127)에 공급된다. 오디오 위상 편이 회로(127)의 출력은 버퍼 증폭기(131, 132)에서 레벨 등화된 후 가산망(136) 및 감산망(138)에 입력된다. 오디오 위상 편이 회로(127)와 가산망(136) 또는 감산망(138)에서 수행되는 처리는 90°위상 편이된 형태의 I 및 Q의 도트곱(dot product)이다. 가산망(136)의 출력은 송신된 신호의 하측파대일 것이고, 그 반면에 감산망(138)의 출력은 상측파대일 것이다.
시스템의 만족할 만한 동작을 위해서는, 핸드셋 송신기 국부 발진기[VCO(168)]와 베이스 수신기 국부 발진기간의 RF 반송파 오프셋에서 발생하는 DC 오프셋을 보상해야만 한다. 이러한 오프셋을 보상하지 않으면, 원하는 오디오 신호와 도플러 신호의 중첩으로 인해서 복조된 오디오에 왜곡이 존재하게 된다. 수신기는 이하 바로 설명하는 바와 같이 주파수 추적 루프를 사용해서 송신기 주파수를 추적할 것이다. 9.6 MHz인 REF(158)는 VCO(168)을 제어하는 PLL(162)용 기준 주파수 발진기로서 사용된다. 유일한 기준 주파수 발진기(158)를 사용함으로써 +/- 40 KHz 추적 범위가 실현 가능하다. 기준 주파수(9.6 MHz)는 [1/800 체감기(160)에서] 800으로 나누어져, 송신 상태에서 수신 상태로 송수신기를 토글하는 데 사용되는 12 KHz 신호가 실현된다. 수신기에서 가변 이득 증폭기(124, 126)는 국부 발진기가 수신기에서 자기 방해(self-jamming)를 야기하지 않도록 보장하기 위해서 20 마이크로초보다 빠르게 동작하도록 설계되어야만 한다. 송신기 신호와 수신기 신호는 동일한 주파수로 동작하므로, 송신기 신호가 수신기 신호로 누출되면, 수신기는 안테나(110)로부터 저레벨 입력 신호를 검출할 수 없게 된다. 그러므로, 송신 T/R 신호는 FSK 변조된 송신 신호를 거의 3X 오디오 주파수인 12 KHz로 샘플링하여 나이퀴스트 기준(Nyquist Criteria)을 만족시킨다. 수신기는 먼저 12 KHz T/R 신호를 추적하여 수신된 12 KHz 신호를 수신기의 국부 12 KHz 신호와 비교한다. 위상 검출기(152)는 수신기 VCXO 탱크(156)에 제어 신호로서 통합 공급되는 국부 12 KHz 신호에서 주파수 오류를 발견하는 데 사용된다. 획득 초기 단계 중에는 데이터가 그 링크를 통해 전송되지 않는다. 추적이 시작되면, 회복된 수신 신호가 대역 통과 신호에 공급되어, T/R 신호가 필터링 제거되고 수신된 오디오가 라우드스피커에 전달된다.
본 발명의 많은 이점들 중 일부를 이제 설명할 것이다. 본 발명은 편차 보상(drift compensation)을 제공함으로써, 오랜 안정성을 제공한다. 더욱이, 본 발명은 전대역(full band) 동작(26 MHz)을 가능하게 한다. 또한, 본 발명은 정렬이 자유롭다. 추가적으로, 본 발명은 저비용의 RF 구조를 채용하고, 종래 기술의 송수신기에 비해 2배의 채널수를 제공한다(사용자가 상측파대를 사용할 것인지 아니면 하측파대를 사용할 것인지를 결정할 수 있음). 또한, 본 발명은 자동 클리어 채널 선택 기능(간섭 회피 매커니즘)을 포함한다. 간섭 회피 매커니즘은 링크 관리 장치(182)를 포함하는데, 이것은, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 마이크로 컨트롤러 소프트웨어 기반의 결정 모듈이다. 물론, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서, 그 밖에 다른 장치들이 사용될 수 있다. 링크 관리 장치(182)는 송신 또는 수신 중에 간섭이 검출되는 경우에 상측파대에서 하측파대로 또는 하측파대에서 상측파대로 전환한다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 전술한 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 바로 이 실시예들로 제한되지 않으며, 당업자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 여러 가지의 다른 변형 및 수정이 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 그러한 변형 및 수정은 첨부된 청구 범위에서 정의된 바와 같이 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에 포함된다.

Claims (10)

  1. 시간 분할 이중(TDD) 단측파대(SSB) 송수신기에 있어서,
    아날로그 오디오 신호를 수신하여, 그 아날로그 오디오 신호를 샘플링한 후, 그 아날로그 오디오 신호에 대응하는 SSB 주파수 편이 방식(FSK) 신호(아날로그 정보를 포함함)를 출력하도록 적응된 송신기와;
    외부 SSB 신호의 상측파대와 하측파대 중 하나를 수신하는 것 사이에서 전환하도록 적응된 수신기
    를 포함하는 시간 분할 이중 단측파대 송수신기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수신기는,
    아날로그 신호를 발생하도록 적응된 수신기 국부 발진기와;
    상기 수신기 국부 발진기에서 발생된 아날로그 신호의 동위상(in-phase) 신호 및 직교 위상(quadrature phase) 신호를 상기 외부 SSB 신호와 혼합하여, 혼합된 동위상 신호 및 혼합된 직교 위상 신호를 출력하도록 적응된 듀얼 더블 밸런스 믹서(dual double balanced mixer)와;
    상기 외부 SSB 신호의 하측파대를 출력하기 위해서, 상기 혼합된 동위상 신호 및 상기 혼합된 직교 위상 신호에 대해 가산 동작을 수행하도록 적응된 가산망(summation network)과;
    상기 외부 SSB 신호의 상측파대를 출력하기 위해서, 상기 혼합된 동위상 신호 및 상기 혼합된 직교 위상 신호에 대해 감산 동작을 수행하도록 적응된 감산망(differential network)
    을 포함하는 것인 시간 분할 이중 단측파대 송수신기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 송신기는,
    상기 아날로그 오디오 신호를 0°신호, 90°신호, 180°신호 및 270°신호로 위상 편이하도록 적응된 위상 편이기와;
    상기 0°신호 및 상기 90°신호로부터 상기 아날로그 오디오 신호의 하측파대 신호를 출력하고, 상기 180°신호 및 상기 270°신호로부터 상기 아날로그 오디오 신호의 상측파대 신호를 출력하도록 적응된 직교 변조기
    를 더 포함하는 것인 시간 분할 이중 단측파대 송수신기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수신기가 상기 외부 SSB 신호의 상측파대와 하측파대 중 하나를 수신하는 경우에 간섭을 검출하고 이것에 응답해서 상기 수신기로 제어 신호를 제공하고, 상기 송신기가 상기 아날로그 오디오 신호의 상측파대와 하측파대 중 하나를 송신하는 경우에 간섭을 검출하고 이것에 응답해서 상기 수신기로 제어 신호를 제공하도록 적응된 링크 관리 장치를 더 포함하는 시간 분할 이중 단측파대 송수신기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 제어 신호에 응답해서 상기 외부 SSB 신호의 상측파대와 하측파대 중 하나를 수신하는 것 사이에서 전환하도록 적응되고,
    상기 송신기는 상기 제어 신호에 응답해서 상기 아날로그 오디오 신호의 상측파대와 하측파대 중 하나를 송신하는 것 사이에서 전환하도록 적응되는 것인 시간 분할 이중 단측파대 송수신기.
  6. 시간 분할 이중(TDD) 단측파대(SSB) 송수신기에 있어서,
    송신용 아날로그 오디오 신호를 변조하도록 적응된 직교 변조기와;
    아날로그 오디오 신호의 상측파대 신호와 하측파대 신호 중 하나를 송신하는 것 사이에서 전환하도록 적응된 제1 측파대 스위치와;
    외부 SSB 신호의 상측파대 신호와 하측파대 신호 중 하나를 수신하는 것 사이에서 전환하도록 적응된 제2 측파대 스위치
    를 포함하는 시간 분할 이중 단측파대 송수신기.
  7. 제6항에 있어서,
    아날로그 신호를 발생하도록 적응된 수신기 국부 발진기를 더 포함하며,
    상기 제2 측파대 스위치는,
    상기 수신기 국부 발진기에서 발생된 아날로그 신호의 동위상 신호 및 직교 위상 신호를 상기 외부 SSB 신호와 혼합하여, 혼합된 동위상 신호 및 혼합된 직교 위상 신호를 출력하도록 적응된 듀얼 더블 밸런스 믹서와;
    상기 외부 SSB 신호의 하측파대를 출력하기 위해서, 상기 혼합된 동위상 신호 및 상기 혼합된 직교 위상 신호에 대해 가산 동작을 수행하도록 적응된 가산망과;
    상기 외부 SSB 신호의 상측파대를 출력하기 위해서, 상기 혼합된 동위상 신호 및 상기 혼합된 직교 위상 신호에 대해 감산 동작을 수행하도록 적응된 감산망
    을 포함하는 것인 시간 분할 이중 단측파대 송수신기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 아날로그 오디오 신호를 0°신호, 90°신호, 180°신호 및 270°신호로 위상 편이하도록 적응된 위상 편이기를 더 포함하며,
    상기 직교 변조기는 상기 0°신호 및 상기 90°신호로부터 상기 아날로그 오디오 신호의 하측파대 신호를 출력하고, 상기 180°신호 및 상기 270°신호로부터 상기 아날로그 오디오 신호의 상측파대 신호를 출력하도록 적응되는 것인 시간 분할 이중 단측파대 송수신기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 TDD SSB 송수신기가 상기 외부 SSB 신호의 상측파대와 하측파대 중 하나를 수신하는 경우에 간섭을 검출하고 이것에 응답해서 상기 제2 측파대 스위치로 제어 신호를 제공하고, 상기 TDD SSB 송수신기가 상기 아날로그 오디오 신호의 상측파대와 하측파대 중 하나를 송신하는 경우에 간섭을 검출하고 이것에 응답해서상기 제1 측파대 스위치로 제어 신호를 제공하도록 적응된 링크 관리 장치를 더 포함하는 시간 분할 이중 단측파대 송수신기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 측파대 스위치는 상기 제어 신호에 응답해서 상기 외부 SSB 신호의 상측파대와 하측파대 중 하나를 수신하는 것 사이에서 전환하도록 적응되고,
    상기 제1 측파대 스위치는 상기 제어 신호에 응답해서 상기 아날로그 오디오 신호의 상측파대와 하측파대 중 하나를 송신하는 것 사이에서 전환하도록 적응되는 것인 시간 분할 이중 단측파대 송수신기.
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