KR20050055719A - 다이렉트 다운컨버전 수신기 - Google Patents

다이렉트 다운컨버전 수신기 Download PDF

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Abstract

다이렉트 다운컨버전다운컨버전 결합된 신호를 형성하기 위해 수신된 RF 신호와 국부 발진기(LO) 신호를 결합한다. 국부 발진기 신호는 또한 구적 신호를 생성하기 위해 대략 90°만큼 위상 시프트된다. 혼합기는 베이스밴드 출력 신호를 생성하기 위해 결합된 신호와 구적 신호의 생성물을 형성한다.

Description

다이렉트 다운컨버전 수신기{DIRECT DOWNCONVERSION RECEIVER}
본 발명은 다이렉트 다운컨버전 수신기(direct downconversion receiver)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 DC 오프셋 성분을 감소시키는 다이렉트 다운컨버전 수신기 구조에 관한 것이다.
종래, 라디오 수신기는 일반적으로 수퍼헤테로다인(superheterodyne) 구조를 사용한다. 그러한 구조에서, 수신기는 수신된 RF 신호를 중간 주파수(IF)로 다운컨버팅한다. 추가적인 처리 이후에, IF 신호는 베이스밴드 신호로 변환된다. 반대로, 다이렉트 다운컨버전 수신기는 수신된 RF 신호를 오직 한 단계의 처리에서 베이스밴드로 변환한다. 다이렉트 다운컨버전 수신기는 수신된 RF 신호를 중간 주파수로 변환시키지 않기 때문에, 그것들은 "제로 중간주파수(zero-IF)" 수신기로 알려져 있다. 수신기에서의 각 처리 단계는 필연적으로 노이즈를 일으키고, 보다 많은 부품들을 필요로 하기 때문에, 다이렉트 다운컨버전 수신기를 설계하는데에 많은 노력이 기울여져 왔다.
다이렉트 다운컨버전 수신기에 대한 매력적인 신호대 잡음비(signal-to-noise)와 제조상의 이점에도 불구하고, 국부 발진기(local oscillator)(LO)의 자체혼합(self-mixing), 저잡음 증폭기(LNA)에 다시 결합하는 LO, 혼합기의 2차 왜곡(distortion), 및 간섭 AM 신호의 포락선 검파(envelope detection)로부터 일어나는 DC 오프셋의 문제 때문에 무선 핸드셋과 같은 대부분의 애플리케이션들은 수퍼헤테로다인 구조를 계속해서 사용한다. 또한, 중요한 문제점은 LO 1/f의 노이즈, 상호 혼합(reciprocal mixing), 및 LO 스퓨리어스(spurious) 신호의 제공으로부터 발생한다.
LO 자체혼합은 다음과 같이 다이렉트 다운컨버전 수신기로부터 발생한다. 혼합기는 반송파 주파수(carrier frequency)에서 어느 한 포트로 수신된 RF 신호를 수신하고, 반송파 주파수 근방에서 또는 반송파 주파수에서 다른 포트로 LO 신호를 수신한다. 이 국부 발진기 신호는 일반적으로 수신된 RF 신호보다 매우 높은 전력(power)을 가지며, 필연적으로 반작용하여 RF 포트로 연결하고 따라서 자체혼합된다. 이 자체 혼합 프로세스에서, LO 신호와 같은 사인곡선은 직각이 되고, DC 오프셋 성분을 만든다. 베이스밴드에서의 그러한 DC 오프셋 성분은 디지털 신호의 복조를 간섭하고, 특히 현대 디지털 통신 시스템에서 일반적인 고속 처리에 있어서 그렇다.
따라서, DC 오프셋 문제를 경감시킬 수 있는 개선된 다이렉트 다운컨버전 수신기 구조에 대한 기술적 요구가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다이렉트 다운컨버전 수신기의 블록도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 그 위상-시프터의 피드백 제어를 포함하는 다이렉트 다운컨버전 수신기의 블록도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 그 혼합기의 국부 발진기 경로에서의 가변성 감쇠기를 포함하는 다이렉트 다운컨버전 수신기의 블록도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 그 혼합기의 국부 발진기 경로에서의 가변성 증폭기를 포함하는 다이렉트 다운컨버전 수신기의 블록도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 그 혼합기의 RF 경로에서의 가변성 증폭기를 포함하는 다이렉트 다운컨버전 수신기의 블록도, 및
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 그 혼합기의 RF 경로와 LO 경로에서의 가변성 증폭기를 포함하는 다이렉트 다운컨버전 수신기의 블록도이다.
본 발명의 제 1 측면에 의하면, 다이렉트 다운컨버전 수신기는 국부발진 신호를 제공하는 발진기를 포함한다. 위상-시프터는 LO 신호를 수신하도록 구성되고, LO 신호와 위상차가 대략 90°인 위상-시프트 신호를 제공한다. 상기 수신기는 상기 LO 신호와 인입 RF 신호를 결합하고, 상기 결합된 신호를 혼합기의 제 1 입력 포트에 제공한다. 상기 혼합기는 위상-시프트 신호를 수신하기 위한 제 2포트를 포함하여, 혼합기가 제 1 입력 포트와 제 2 입력 포트로 진입하는 신호의 생성물인 베이스밴드 출력 신호를 제공한다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, RF 신호를 다이렉트 다운컨버전하는 방법이 제공된다. 이 방법에서, RF 신호는 LO 신호와 결합되어 결합된 신호를 생성한다. 상기 LO 신호는 또한 약 90°만큼 위상-시프트되어 구적 신호(quadrature signal)를 제공한다. 상기 구적 신호와 결합 신호는 함께 곱해져 베이스밴드 출력 신호를 생성한다.
본 발명은 하기 상세한 설명과 그에 수반된 도면을 참조하여 보다 충분하게 이해될 것이다.
도 1은 혼합기(20)로부터 베이스밴드 신호 출력(15)에서 DC 오프셋 성분을 감소시키는 다이렉트 다운컨버전 수신기(10)의 블록도이다. 혼합기(20)는, 그의 베이스밴드 신호 출력이 그의 RF 입력 포트(21)와 국부 발진기(LO) 입력 포트에 대한 입력의 생성물을 나타내는 이중 사이드밴드이거나 또는 단일 사이드밴드 혼합기 중 어느 하나이다. 다이렉트 다운컨버전 수신기(10)는 혼합기(20)의 RF 입력 포트(21)로 결합되는 반송파 주파수의 인입 RF 신호(25)를 수신한다. 인입 RF 신호(25)가 안테나에서 수신되고(도시되지 않음), 종래의 다이렉트 다운컨버전 수신기에서 일반적으로 구현된 것과 같이 혼합기(20)로 결합되기 전에 필터와 저 잡음 증폭기에 의해 처리될(도시되지 않음) 수 있음은 기술 분야의 통상의 지식인에 의해 인식될 것이다.
다이렉트 다운컨버전 수신기(10)는 전압-제어 발진기(VOC : Voltage-Controlled Oscillator) 또는 적절한 LO 출력을 갖는 유사 제너레이터일 수 있는 신호 소스(30)를 포함한다. 예컨대, 이는 사인 곡선 출력(35) 일 수 있다. 기술분야의 통상의 지식인은 LO 출력의 형태가 인입 RF 신호(25)에 존재하는 특정 변조에 의존할 것임을 인식할 것이다. 혼합기(20)의 RF 입력 포트에 연결되기 이전에, 사인 곡선 출력(45) 및 인입 RF 신호(25)는 RF 커플러(40)을 통해 결합된다. RF 커플러(40)의 설계는 인입 RF 신호(25) 및 사인 곡선 출력(35)을 전파하기 위해 선택되고 및 기술 분야의 통상의 지식인에게 잘 알려진 도파관(스트립라인(stripline), 동축(coaxial) 케이블, 또는 마이크로스트립과 같은)의 형태에 의존한다. 또한, 구현되는 도파관의 형태는 반송파 주파수, 신호 전력 레벨, 공간 관련성, 및 다른 잘 알려진 설계의 선택에 의존한다.
RF 입력 포트(21)와 연결에 부가하여, 사인 곡선 출력(35)은 또한 RF 커플러(55)와 연결된다. 신호 분리기는 RF 커플러(55) 대신에 사용될 수 있다. 이러한 RF 커플러를 통해, 사인 곡선 출력(35)은 위상-시프터(45)와 연결된다. 위상-시프터(45)는 구적 국부 발진기 신호(50)를 혼합기(20)의 LO 입력 포트(22)에 제공하기 위해서 90°만큼 사인 곡선 출력(35)을 위상 시프팅한다. 비록 위상-시프터(45)가 불연속적인 성분로서 도시되었지만, 혼합기(20)에 필수적일 수 있다. 이러한 설계는 구적 국부 발진기 신호(50)를 RF 입력 포트(21)와 연결하고 이에 의해 자체적으로 혼합되며 베이스밴드 신호 출력(15)의 바람직하지 못한 DC 오프셋 성분을 만드는 가능성을 최소화할 수 있다. 선택적으로, 위상-시프터(45)는 구적 국부 발진기 신호(50)의 RF 입력 포트(21)로의 방사성 또는 반작용 연결을 최소화하기 위해 혼합기(20)의 LO 입력 포트(22)로 가능한 가까이 위치될 수 있다.
유리하게, 소스 신호(35) 및 구적 국부 발진기 신호(50)는 다음의 수학적인 유도에 의해 나타난 것과 같은 베이스밴드 신호 출력의 DC 오프셋 성분을 만들지 않는다. 만약 fr(t)가 RF 포트(21)로의 입력을 나타내고, f1(t)가 LO 입력 포트(22)로의 입력을 나타내며, fx(t)가 베이스밴드 신호 출력(15)을 나타낸다면,
여기서, m, n = ..., -2, -1, 0, 1, 2,... 다음의 유도에서, 단순함을 위해 m = n = 1 으로 가정되나, 아날로그 결과는 다른 값으로서 발생한다. 인입 RF 신호(25)가 에 의해 나타나고 사인 곡선 출력(35)은 Bcos(ωLOt)에 의해 나타나며, 여기서 ωRF는 반송파 주파수이고 는 반송파 위상이라면, 이하가 된다.
사인 곡선 출력(35)에 이러한 수식이 주어지면, 구적 국부 발진기 신호는 이상적인 경우에 Bsin(ωLOt)로서 나타난다. 그러나, 위상 시프트 에러 및 진폭 손실 또는 이득을 허용하기 위하여, 구적 국부 발진기 신호는 Ccos(ωLOt-)에 의해 나타날 수 있고, 여기서 는 위상-시프터(45)에 의해 제공된 위상 시프트이다. 이러한 수식이 주어지고 이 되게 하며, 여기서 이 구적 에러 항이라면, fx(t)는
DC 오프셋 항 이중 주파수 항
주파수 오프셋 항
이중 주파수 플러스 오프셋 항
과 같은 DC 오프셋 항의 합계, 이중 주파수 항, DC 주파수 오프셋 항, 및 이중 주파수 플러스 오프셋 항과 같이 표현될 수 있다.
이중 주파수(고주파) 항은 용이하게 필터링되거나 또는 다르게는 제거될 수 있다. 위상-시프터(45)가 구적 에러 항을 0 또는 매우 작은 것 중 하나로 유지한다면, DC 오프셋 항은 0 또는 무의미한 것이 된다. 이는 수신기(10)로부터의 베이스밴드 신호 출력이 로서 나타날 수 있는 ωRF 와 ωLO 사이의 차이에 의해 DC로부터의 주파수에서 다운컨버전 인입 RF 신호 오프셋을 나타내는 주파수 오프셋 항 만을 남긴다.
DC 오프셋 항은 구적 에러 항 가 0 또는 무의미한 것이 되는 경우에만 줄어든다. 만약 라면, DC 오프셋 항은 음의 값이 되는 것을 유의해야 한다. 반대로, 만약 라면, DC 오프셋 항은 양의 값이 된다. 도 2로 돌아가서, 이러한 성질은 베이스밴드 신호 출력(15)의 DC 오프셋 성분을 줄이기 위하여 구적 에러 항 을 충분히 작게 유지하도록 위상-시프트 피드백 루프(60)에 대한 수단을 생성하여 위상-시스터(45)를 제어한다. 예컨대, 위상-시프트 피드백 루프(60)는 DC 오프셋 성분이 양의 값이라면, 위상 시프터(45)가 추가적인 소정의 지연량, 예컨대 1°만큼 위상 지연 구적 국부 발진기 신호에 맞추어지게끔 "뱅뱅 (bang-bang)" 형태의 제어 루프를 형성할 수 있다. 반대로, DC 오프셋 성분이 음의 값이라면, 위상-시프터(45)는 소정량, 예컨대 1°만큼 위상 전진(advance) 구적 국부 발진기 신호에 맞추어 진다. 소정량의 위상 시프트를 사용하는 것 보다는, 적응 또는 퍼지 제어 방법이 위상 시프트의 양이 소정 값이 되지 않을 수 있게끔 실행될 수 있다. 도 2에 도시된 다이렉트 다운컨버전 수신기(100)에 대해, 신호 소스(30)는 전압-제어 발진기(VOC)(65)에 의해 나타난다.
베이스밴드 신호 출력(15)이 아날로그 신호이기 때문에, 위상-시프트 루프(60)는 아날로그 도메인에서 실행될 수 있다. 선택적으로, 베이스밴드 신호 출력(15)은 디지털화될 수 있고 위상-시프트 제어 루프(60)는 디지털 도메인에서 실행될 수 있다. 도 3으로 돌아가서, 다이렉트 다운컨버전 수신기(110)는 베이스밴드 신호 출력(15)을 디지털화하는 아날로그-디지털 컨버터(70)를 포함한다. 디지털 신호 프로세서(80)는 디지털화된 베이스밴드 신호 출력(15)을 수신하고(이중 주파수 성분을 제거하는 로우 패스 또는 밴드 패스 필터가 도시되었음을 유의해라) DC 주파수 오프셋 항 및 DC 오프셋 항을 검출하는 이산 푸리에 변환(DFT : Discrete Fourier Transform)을 실행할 수 있다. DFT의 샘플링 주파수는 위신호(aliasing) 없이 DC 주파수 오프셋 항을 검출하기 위해 적절한 크기의 DFT 윈도우를 만드는데 선택될 수 있다. 적절한 샘플링 주파수는 반송파 주파수 ωRF 와 사인 곡선 출력/국부 발진기 주파수 ωLO 사이의 차이에 의존한다. 예컨대, PCS 적용에 있어서, ωRF 는 ωLO가 ωRF 에서 20MHz와 같은 오프셋을 뺀 값에서 설정될 수 있게끔 1.8GHz 일 수 있다. 그러면, DFT 윈도우는 대략 25MHz에서 설정될 수 있다. DC 주파수 오프셋 성분을 검출하는 것에 부가하여, DFT는 DC 오프셋 항의 크기 및 위상(양 또는 음의 값)을 검출하는데 또한 사용될 수 있다. 그러면, 검출된 DC 오프셋 항은 상기한 것과 같은 위상-시프터(45)를 조절하기 위해 위상-시프트 제어 루프(60)에서 사용될 수 있다.
여기에 개시된 다이렉트 다운컨버전 수신기는 I/Q 변조 통신 시스템의 정위상(in-phase)(I) 암(arm) 및 구적위상(quadrature-phase) 암 양자에서 실행될 수 있다. 통신 시스템의 I 및 Q 암 사이의 이득 및 위상 불균형은 복조된 신호에서 이미지 및 다른 원치않는 부산물을 생성한다. 따라서, 다이렉트 다운컨버전 수신기(120)는 이러한 이미지를 최소화하기 위해서 구적 국부 발진기 신호(50)의 진폭을 조절하는 디지털 제어 감쇠기(digitally- controlled attenuator)(72)를 포함한다. 도 4로 돌아가서, 디지털-제어 증폭기(75)는 다이렉트 다운컨버전 수신기(120)를 형성하기 위해 감쇠기(72) 대신에 사용될 수 있다. 증폭기(75)는 필요한 만큼 구적 국부 발진기 신호(50)의 진폭에 영향을 미치는 양 또는 음 이득 중의 하나를 가질 수 있다. 선택적으로, 디지털-제어 증폭기(75)는 도 5의 다이렉트 다운컨버전 수신기(140)에 대해 도시된 것과 같이 RF 출력(35)을 조절하기 위해 대신 위치될 수 있다. 더욱 선택적으로, 두개의 신호는 다이렉트 다운컨버전 수신기(75)에 대해 도 5에 도시된 것과 같이 디지털-제어 증폭기(75)에 의해 조절될 수 있다.
따라서, 비록 본 발명은 특정 실시예에 관하여 설명되었지만, 이러한 설명은 본 발명의 적용의 단지 일 예이고 제한으로서 간주되지 않는다. 결과적으로, 본 발명의 기술적 사상은 다음의 청구범위에 의해 공표된다.

Claims (14)

  1. 다이렉트 다운컨버전 수신기에 있어서,
    국부 발진기 신호(LO)를 제공하는 발진기와,
    상기 LO 신호를 수신하고 상기 LO 신호와 위상차가 대략 90 °인 위상-시프트 신호를 제공하는 위상-시프터와,
    상기 LO 신호 및 RF 신호 양자를 수신하는 제 1 입력 포트 및 상기 위상 시프트 신호를 수신하는 제 2 포트를 갖는 혼합기(mixer)를
    포함하고,
    상기 혼합기는 상기 제 1 입력 포트 및 상기 제 2 입력 포트로 입력되는 신호들의 생성물인 베이스밴드 출력 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 다이렉트 다운컨버전 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상-시프터는 상기 혼합기와 통합되는 것을 특징으로 하는 다이렉트 다운컨버전 수신기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 LO 신호는 사인 곡선인 것을 특징으로 하는 다이렉트 다운컨버전 수신기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스밴드 출력 신호의 DC 오프셋 성분을 검출하고, 상기 검출된 DC 오프셋 성분을 최소화하기 위해, 상기 위상-시프트 신호의 위상-시프트의 양을 조절하도록 상기 위상-시프터를 제어하는 제어기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다이렉트 다운컨버전 수신기.
  5. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 검출된 DC 오프셋 성분이 음의 값인 경우 상기 위상-시프트 신호의 상기 위상을 제 1 량 만큼 전진시킬 것을 상기 위상-시프터에게 명령하고, 상기 검출된 DC 오프셋 성분이 양의 값인 경우 상기 위상-시프트 신호의 상기 위상을 제 2 량 만큼 지연시킬 것을 상기 위상-시프터에게 명령하는 것을 특징으로 하는 다이렉트 다운컨버전 수신기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 량은 소정(predetermined) 값인 것을 특징으로 하는 다이렉트 다운컨버전 수신기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 량은 적응(adaptive) 값인 것을 특징으로 하는 다이렉트 다운컨버전 수신기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스밴드 출력 신호를 디지털화하는 아날로그-디지털 컨버터와,
    상기 디지털화된 베이스밴드 출력 신호를 처리하는 디지털 신호 프로세서를
    추가로 포함하고,
    다운컨버전된 RF 신호는 상기 RF 신호 주파수와 상기 LO 신호 주파수 사이의 차이에 의해 판정되는 불연속적인 주파수에서 상기 디지털 신호 프로세서에 의해 검출될 수 있는 것을 특징으로 하는 다이렉트 다운컨버전 수신기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 위상-시프터로 제공된 상기 LO 신호의 상기 이득을 조절하는 제 1 디지털-제어 증폭기를 추가로 포함하고,
    상기 디지털-제어 증폭기는 상기 디지털 신호 프로세서에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 다이렉트 다운컨버전 수신기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 혼합기의 상기 제 1 입력에 제공된 상기 LO 신호의 상기 이득을 조절하는 제 2 디지털-제어 증폭기를 추가로 포함하고,
    상기 제 2 디지털-제어 증폭기는 상기 디지털 신호 프로세서에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 다이렉트 다운컨버전 수신기.
  11. RF 신호의 다이렉트 다운컨버전 방법에 있어서,
    (a) 위상-시프트 신호를 생성기 위해 대략 90°만큼 국부 발진기 신호(LO)를 위상 시프팅하는 단계와,
    결합된 신호를 생성하기 위해 상기 RF 신호와 상기 LO 신호를 결합하는 단계와,
    베이스밴드 신호 출력을 생성하기 위해 상기 결합된 신호 및 상기 위상-시프트 신호의 생성물을 형성하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 RF 신호의 다이렉트 다운컨버전 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 베이스밴드 신호 출력의 DC 오프셋을 검출하는 단계와,
    상기 검출된 DC 오프셋을 최소화하기 위해 상기 위상-시프트 신호의 단계(a)에 의해 생성된 위상 시프트의 량을 조절하는 단계를
    추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 신호의 다이렉트 다운컨버전 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 베이스밴드 신호 출력을 디지털화하는 단계와,
    (b) 다운컨버팅된 RF 신호를 검출하기 위해 상기 디지털화된 베이스밴드 신호 출력을 처리하는 단계를
    추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 신호의 다이렉트 다운컨버전 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 단계 (b)는 상기 디지털화된 베이스밴드 신호 상에서 이산 푸리에 변환을 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 신호의 다이렉트 다운컨버전 방법.
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