KR20050074354A - Ultra-wideband front-end receiver apparatus and method for transforming signals by using it - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초광대역 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 초광대역 무선 통신 시스템에서 저잡음 증폭기의 다음 단에 차동 증폭기 회로를 구성하여 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환하는 종래와는 달리, 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 수신하는 초광대역 무선 통신 시스템에서 수신된 초광대역 RF 신호의 광대역 특성과 입출력 사이의 격리를 확보하고, 초광대역 주파수 특성을 획득한 후에, 초광대역 RF 신호를 전류 형태로 변환하고, 전류 형태로 변환된 초광대역 RF 신호를 하향 주파수로 변환하며, 하향 주파수로 변환된 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 출력함으로써, 초광대역 무선 통신 시스템에서 개선된 발룬 회로를 구현하여 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환할 수 있는 것이다.The present invention relates to an ultra-wideband wireless communication system. To this end, the present invention provides a conventional amplifier for converting a single phase ultra-wideband RF signal into a differential signal by configuring a differential amplifier circuit at a next stage of a low noise amplifier in the ultra-wideband wireless communication system. In contrast, in an ultra-wideband radio communication system that receives a single-phase ultra-wideband RF signal, the isolation between the wideband characteristic and the input / output of the received ultra-wideband RF signal is obtained, and the ultra-wideband RF characteristic is obtained after acquiring the ultra-wideband frequency characteristic. Improved balun circuit in the ultra wideband wireless communication system by converting the signal into the current form, converting the ultra wideband RF signal converted into the current form to the downlink frequency, and outputting the downlink frequency converted the ultrawideband RF signal as a differential signal. By converting a single phase ultra-wideband RF signal into a differential signal.
Description
본 발명은 채널 대역폭이 500 MHz 이상인 초광대역 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초광대역 무선 통신 시스템에서 초광대역 안테너로부터 수신되는 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동신호로 변환하는데 적합한 무선 통신 시스템의 수신 장치 및 이를 이용한 신호 변환 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra wideband wireless communication system having a channel bandwidth of 500 MHz or more, and more particularly, to a wireless signal suitable for converting a single phase ultra wideband RF signal received from an ultrawideband antenna into a differential signal in an ultrawideband wireless communication system. A reception device of a communication system and a signal conversion method using the same.
잘 알려진 바와 같이, 무선 통신 시스템의 수신 장치는 안테너로부터 수신되는 미약한 RF 신호를 밴드-패스-필터(Band Pass Filter, 이하 BFP라 함)를 통해 선택하고, 저잡음 증폭기를 통해 원하는 신호만 증폭하며, 증폭된 RF 신호는 하향 주파수 변환기를 통해 기저 대역으로 주파수가 변환된다. 이러한 신호는 아날로그 디지털 회로에 의해 디지털 신호로 변환된다.As is well known, a receiving device of a wireless communication system selects a weak RF signal received from an antenna through a band pass filter (hereinafter referred to as BFP), and amplifies only a desired signal through a low noise amplifier. The amplified RF signal is frequency converted to baseband through a downlink frequency converter. These signals are converted into digital signals by analog digital circuits.
일 예로서, 도 1은 일반적인 무선 통신 시스템의 수신 장치를 나타낸 블록구성도로서, 이러한 도면을 통해 무선 통신 시스템의 수신 장치에 대해 설명한다.As an example, FIG. 1 is a block diagram illustrating a receiving apparatus of a general wireless communication system, and the receiving apparatus of the wireless communication system will be described with reference to these drawings.
도 1을 참조하면, 무선 통신 시스템의 수신 장치에서 적용되는 모든 회로 블록(즉, 저잡음 증폭기(102), 하향 주파수 변환기(103), 능동 필터(도시 생략됨) 등)은 단일 위상(single-ended) 구조 또는 차동(differential) 구조로 구현될 수 있다. 이러한 차동 구조의 회로는 단일 위상 구조보다 실리콘 기판과 본딩 와이어(bonding wire)의 기생 인덕턴스 성분에 의한 공통 모드(common-mode) 노이즈들로부터 높은 면역 특성을 가지고 있기 때문에 많이 적용되고 있다.Referring to FIG. 1, all circuit blocks (ie, low noise amplifier 102, down frequency converter 103, active filter (not shown), etc.) applied in a receiving device of a wireless communication system are single-ended. ) Or a differential structure. Such a differential structure circuit has been widely applied because it has higher immunity from common-mode noises caused by parasitic inductance components of a silicon substrate and a bonding wire than a single phase structure.
또한, 하향 주파수 변환기(103)에서는 국부 발진기의 신호가 하향 주파수 변환기(103)의 출력에 누설 신호로 나타나서 수신 장치의 선형성을 악화시키기 때문에 국부 발진 신호의 누설을 최소화하기 위해 더블 밸런스(Double-balanced) 주파수 변환기 구조를 많이 사용한다. 여기에서, 더블 밸런스 주파수 변환기는 입력 신호에 대한 차동 신호 형태를 필요로 한다.In addition, in the downlink frequency converter 103, a signal of the local oscillator appears as a leakage signal at the output of the downlink frequency converter 103, which deteriorates the linearity of the receiving device, thereby double-balanced to minimize leakage of the local oscillation signal. A lot of frequency converter structures are used. Here, the double balance frequency converter requires a differential signal form for the input signal.
그러나, 수신 장치에서 안테너(100)와 BPF(101)의 신호 라인은 단위 위상 RF 입력 신호를 처리할 수 있기 때문에 실리콘 칩 내부 또는 외부에 단일 위상 신호를 차동 신호로 변환시키는 발룬(Balun) 회로를 필요로 한다.However, since the signal lines of the antenna 100 and the BPF 101 in the receiving device can process the unit phase RF input signal, a balun circuit converting a single phase signal into a differential signal inside or outside the silicon chip. Need.
여기에서, 칩 외부 발룬 회로는 주로 BPF(101)와 저잡음 증폭기(102) 사이에 위치하는데 발룬 회로의 삽입 손실 때문에 수신단 전체의 노이즈 특성을 상당히 저하시킨다. 그리고, 현재 상용화된 수동 발룬 회로는 협대역에서만 사용이 가능하고, 광대역에서 일정한 삽입 손실값을 유지하면서 차동 출력으로 공급하기 어려운 문제점이 있었다.Here, the chip outer balun circuit is mainly located between the BPF 101 and the low noise amplifier 102, which significantly reduces the noise characteristics of the entire receiver due to the insertion loss of the balun circuit. In addition, the current commercially available passive balun circuit can be used only in a narrow band, there is a problem that it is difficult to supply to the differential output while maintaining a constant insertion loss value in the broadband.
또한, 발룬 회로가 실리콘 칩 상에서 능동 소자로 온-칩(on-chip)으로 구현될 경우에도 도 1에서 단일 위상 구조의 저잡음 증폭기(102) 앞부분 또는 저잡음 증폭기(102)와 하향 주파수 변환기(103) 사이에 위치하게 된다. 하지만, 실리콘 칩 상에서 능동 소자를 이용하여 발룬 회로를 구현하더라도 추가 회로로 인한 수신 장치의 전류 소모를 증가시키고, 수신단의 노이즈(noise) 특성과 선형 특성을 악화시키는 문제점이 있었다.Further, even when the balun circuit is implemented on-chip as an active element on a silicon chip, in front of the low noise amplifier 102 of the single phase structure or the low noise amplifier 102 and the downlink frequency converter 103 in FIG. It is located in between. However, even if the balun circuit is implemented by using an active element on the silicon chip, there is a problem of increasing the current consumption of the receiving apparatus due to the additional circuit and deteriorating the noise and linear characteristics of the receiving end.
도 2는 종래에 따른 단일 위상의 협대역 신호를 협대역 차동 신호로 변환하는 수신장치를 나타낸 회로도로서, 이러한 도면을 통해 종래의 신호 변환 방법에 대해 설명한다.FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a receiver for converting a narrowband signal of a single phase into a narrowband differential signal according to the related art, and a conventional signal conversion method will be described with reference to these drawings.
도 2를 참조하면, 단일 위상 신호를 차동 신호로 변환하기 위해 발룬 회로(204)가 저잡음 증폭기(202) 다음 단에 위치하여 저잡음 증폭기(202)에서 증폭된 RF 신호가 발룬 회로(204)의 입력 트랜지스터 M5의 게이트에 인가되고, M4에 의해 위상이 반전된 RF 신호는 Cr을 통해 트랜지스터 M5의 게이트에 다시 입력된다.Referring to FIG. 2, the balun circuit 204 is positioned next to the low noise amplifier 202 to convert a single phase signal into a differential signal so that the RF signal amplified by the low noise amplifier 202 is input to the balun circuit 204. The RF signal applied to the gate of transistor M 5 and inverted in phase by M 4 is again input to the gate of transistor M 5 via Cr.
따라서, 비록 저잡음 증폭기(202)의 출력 신호가 발룬 회로(204)의 입력 트랜지스터 M4에 단일 위상 신호 형태로 연결되어 있으나, 발룬 회로(204)의 입력부에 있는 트랜지스터 M4 및 M5에 차동신호가 인가되는 효과가 발생하고, 발룬 회로(204)의 최종 출력단 X 및 Y에서는 차동 신호가 출력된다. 발룬 회로(204)에서 M4와 M5의 공통 소스에 연결된 LC 탱크는 협대역 동작 주파수에서 공진되도록 구성된다. 이는 동작 주파수에서 높은 임피던스를 제공하여 발룬 회로(204)의 CMRR(Common-Mode Rejection Ratio)특성을 개선시켜 발룬 회로(204)가 출력단 X 및 Y에서 더욱 개선된 차동 신호를 만들도록 한다.Thus, although the output signal of the low noise amplifier 202 is connected in the form of a single phase signal to the input transistor M 4 of the balun circuit 204, the differential signal is applied to the transistors M 4 and M 5 at the input of the balun circuit 204. Is applied, and a differential signal is output at the final output terminals X and Y of the balun circuit 204. The LC tank connected to the common source of M 4 and M 5 in the balun circuit 204 is configured to resonate at a narrow band operating frequency. This provides a high impedance at the operating frequency to improve the common-mode rejection ratio (CMRR) characteristics of the balun circuit 204 so that the balun circuit 204 can create a further improved differential signal at the output stages X and Y.
하지만, 이러한 방법은 능동 발룬 회로(204)가 저잡음 증폭기(202) 다음 단에 위치하여 단일 위상의 협대역 신호를 차동 신호로 변환하는데, 능동 발룬 회로(204)가 수신단에 추가로 적용되면서 추가 전류 소모 및 노이즈 발생이 상승된다. 따라서, 저잡음 증폭기(202)는 설계 시에 많은 전류 소모를 통해 노이즈 및 전압 이득 향상이 필요하게 된다, 또한 능동 발룬 회로(204)가 기본적인 차동 증폭기 형태를 이용하기 때문에 구조적으로 수신단 전체 선형 특성을 저하시키는 문제점이 있었다.However, this method requires an active balun circuit 204 to be placed next to the low noise amplifier 202 to convert a narrow-band signal of a single phase into a differential signal, with the additional current applied as the active balun circuit 204 is further applied to the receiving end. Consumption and noise generation are raised. Accordingly, the low noise amplifier 202 needs to improve noise and voltage gain through a large current consumption in design, and also structurally degrades the receiver overall linear characteristic since the active balun circuit 204 uses a basic differential amplifier form. There was a problem letting.
그리고, 차동 증폭기 구조를 이용한 능동 발룬 회로는 고주파 대역에서 CMRR 특성이 저하되어 단일 위상 신호를 차동 신호로 변환하는 능력이 감소하기 때문에 추가의 차동 증폭기 회로들을 필요로 하여 전류 소모, 노이즈 및 선형성 문제가 더욱 악화되는 요인이 되고 있다. 또한, 이러한 방법은 협대역 무선 통신 수신단에서만 사용되고, 일정한 대역폭에 대하여 일정한 이득을 유지하면서 단일 위상 신호를 차동 신호로 변환시켜야 하는 초광대역 통신 수신단에서는 사용할 수 없다. 게다가, 광대역 특성을 갖도록 저잡음 증폭기(202)와 발룬 회로(204)가 개선된다 하더라도 수신단에서의 소모 전력, 노이즈 및 선형 특성은 여전히 나쁘다는 문제점이 있었다.In addition, the active balun circuit using the differential amplifier structure reduces the CMRR characteristics in the high frequency band and reduces the ability to convert a single phase signal into a differential signal, thus requiring additional differential amplifier circuits, thereby resulting in current consumption, noise, and linearity problems. It is becoming a worse factor. In addition, this method is only used in narrowband wireless communication receivers, and cannot be used in ultra-wideband communication receivers, which must convert a single phase signal into a differential signal while maintaining a constant gain over a constant bandwidth. In addition, even if the low noise amplifier 202 and the balun circuit 204 are improved to have a wideband characteristic, there is a problem that power consumption, noise, and linear characteristics at the receiving end are still bad.
다음에, 도 3은 다른 종래에 따른 단일 위상의 협대역 신호를 차동 신호로 변환하는 수신 장치를 나타낸 회로도로서, 이러한 도면을 통해 종래의 신호 변환 방법을 설명한다.Next, FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a receiver for converting a narrowband signal of a single phase into a differential signal according to another conventional art, and a conventional signal converting method will be described through these drawings.
도 3을 참조하면, 실리콘 칩 상에서 center-tap에 있는 협대역 트랜스포머(transformer)를 이용한 협대역 특성의 발룬 회로(304)를 구성하여 저잡음 증폭기(302)의 단일 위상의 협대역 신호를 공진 주파수(resonant frequency)에서 협대역 차동 신호로 변환시키는 방법으로서, 발룬 회로로 트랜스포머를 사용하기 때문에 추가의 DC 전력 소모가 없으며, 원하는 공진 주파수에서 비교적 완전한 차동 신호로 변환이 가능하다는 장점이 있다.Referring to FIG. 3, a narrow-band balun circuit 304 using a narrow-band transformer in a center-tap is formed on a silicon chip to convert a narrow-phase signal of a single phase of the low noise amplifier 302 into a resonance frequency ( As a method of converting into a narrowband differential signal at a resonant frequency, since the transformer is used as a balun circuit, there is no additional DC power consumption, and it is possible to convert to a relatively complete differential signal at a desired resonance frequency.
그리고, center-tap 트랜스포머는 단일 위상 구조의 저잡음 증폭기(302)의 공진 부하로 사용되면서, 저잡음 증폭기(302)의 단일 위상 출력 신호를 차동 신호로 변환시켜 더블 밸런스 하향 주파수 변환기(306)의 두 개의 입력 트랜지스터(M3 및 M4)의 게이트에 공급한다. 여기에서, 발룬 회로(304)는 트랜스포머의 center-tap을 이용하여 별도 바이어스(Bias) 회로없이 더블 밸런스 하향 주파수 변환기(306)의 입력 트랜지스터(M3 및 M4)의 게이트 전압을 바이어싱(biasing)할 수 있다.The center-tap transformer is used as a resonant load of the low noise amplifier 302 of the single phase structure, and converts the single phase output signal of the low noise amplifier 302 into a differential signal so that the two of the double balanced downlink frequency converter 306 It is supplied to the gates of the input transistors M 3 and M 4 . Here, the balun circuit 304 biases the gate voltages of the input transistors M 3 and M 4 of the double balance downlink frequency converter 306 without a separate bias circuit by using the center-tap of the transformer. )can do.
하지만, 이러한 방법은 협대역 트랜스포머를 이용한 간단하고 저전력 구조로 단일 위상의 협대역 신호를 협대역의 차동 신호로 변환 가능한 구조를 제시하지만, 트랜스포머의 특성이 협대역이기 때문에 초광대역 신호에 대해서는 전압 이득/손실이 일정한 차동 신호로 변환시킬 수 없는 문제점이 있었다.However, this method provides a simple and low-power structure that uses a narrowband transformer to convert a single-phase narrowband signal into a narrowband differential signal.However, since the transformer is narrowband, voltage gain is obtained for ultra-wideband signals. There was a problem that cannot be converted into a differential signal with a constant / loss.
다음에, 도 4는 또 다른 종래에 따라 단일 위상의 초광대역 신호를 차동 신호로 변환하는 수신 장치를 나타낸 회로도로서, 이러한 도면을 통해 종래의 신호 변환 방법을 설명한다.Next, FIG. 4 is a circuit diagram showing a receiving apparatus for converting a single phase ultra wide band signal into a differential signal according to another conventional art, and a conventional signal conversion method will be described through these drawings.
도 4를 참조하면, 저잡음 증폭기(402)는 두 단(2-stage)으로 이루어져 있고, 저잡음 증폭기(402)의 불완전한 차동 신호를 완전한 차동 신호롤 만들기 위해 별도의 차동 증폭기(404)가 포함되어 구성된다. 이러한 저잡음 증폭기(402)와 차동 증폭기(404)의 광대역 주파수 특성을 얻기 위해 인덕터와 저항이 직렬로 연결된 Shunt-peaking 부하(L1, RI1, L2, RI2, L3, RI4, L4 및 RI5)를 사용한다.Referring to FIG. 4, the low noise amplifier 402 includes two stages, and a separate differential amplifier 404 is included to make an incomplete differential signal of the low noise amplifier 402 a full differential signal. do. Shunt-peaking loads L 1 , R I1 , L 2 , R I2 , L 3 , R I4 , L with an inductor and a resistor connected in series to obtain the broadband frequency characteristics of the low noise amplifier 402 and the differential amplifier 404. 4 and R I5 ).
따라서, 광대역 단일 위상 RF 입력 신호에 대해 광대역에 걸쳐 일정한 이득(gain)을 유지하면서 차동 신호롤 변환이 가능하고, 저잡음 증폭기(500)에서 RF 입력단은 케스코드 증폭기(M1, M3)이며, 광대역 50 Ω 입력 매칭을 위해 저항(Rf) 피드백 회로 기술이 적용된다.Accordingly, differential signal roll conversion is possible while maintaining a constant gain over a wideband for a wideband single phase RF input signal, and in the low noise amplifier 500, the RF input stage is a cascode amplifier (M 1 , M 3 ), Resistor (Rf) feedback circuit technology is applied for wideband 50Ω input matching.
또한, 두 번째 단(M2, M4)은 저잡음 증폭기(402)에서 단일 위상 신호를 차동 신호로 변환하기 위해 사용되고, 저잡음 증폭기(402)에서 단일 위상의 RF 입력 신호는 노드 X에서 M1에 의해 1.5배 증폭되며, 두 번째 단, M2의 입력으로 들어가서 저잡음 증폭기(402) 다음 단의 차동 증폭기(404)는 저잡음 증폭기(402)에 추가 이득을 제공한다. 이에 따라 CMRR 특성을 이용하여 저잡음 증폭기(402)에 출력 신호가 완전한 차동 신호가 아니기 때문에 더 개선된 차동 신호를 만들게 된다.In addition, the second stage (M 2 , M 4 ) is used to convert the single phase signal into a differential signal in the low noise amplifier 402, and the RF input signal of the single phase in the low noise amplifier 402 is controlled by M1 at node X. Amplified 1.5 times, the second stage, entering the input of M 2 , the differential amplifier 404 next to the low noise amplifier 402 provides additional gain to the low noise amplifier 402. This results in a more improved differential signal since the output signal to the low noise amplifier 402 is not a fully differential signal using the CMRR characteristic.
하지만, 이러한 방법은 차동 신호로 변환을 위해 필요한 소자들(M2, M4, RI2, L2 및 RI3)이 저잡음 증폭기(402) 회로에 추가되기 때문에 저잡음 증폭기(402)의 노이즈 특성이 악화되고, 추가 전력 소모를 발생시킨다. 또한, 저잡음 증폭기(402)의 출력 신호를 더 향상된 차동 신호로 만들기 위해 저잡음 증폭기(402) 다음 단에 차동 증폭기 회로(404)가 적용되어 추가 전력 소모 및 수신단의 선형성이 매우 저하되는 문제점이 있을 뿐 아니라, 광대역에 걸쳐 단일 위상 신호를 차동 신호로 변환하기 위해 저잡음 증폭기(402)와 차동 증폭기(404)의 부하는 인덕터와 저항이 직렬로 연결된 Shunt-Peaking 부하로드를 사용하기 때문에 사용된 인덕터 수가 증가할수록 칩 면적이 증가되어 칩 가격 상승의 요인으로 작용하고 있는 실정이다.However, this method reduces the noise characteristics of the low noise amplifier 402 because the elements M 2 , M 4 , R I2 , L 2 and R I3 required for conversion into a differential signal are added to the low noise amplifier 402 circuit. Worse, resulting in additional power consumption. In addition, the differential amplifier circuit 404 is applied next to the low noise amplifier 402 to make the output signal of the low noise amplifier 402 a more improved differential signal, so that the additional power consumption and the linearity of the receiving end are greatly reduced. Rather, the loads of the low noise amplifier 402 and differential amplifier 404 use a shunt-peak load load in series with the inductor and resistor to convert the single phase signal into a differential signal over a wide band, increasing the number of inductors used. As the chip area increases, the chip price increases.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 500 MHz 이상의 채널 대역폭을 가지는 초광대역 무선 통신 시스템에서 단일 위상의 광대역 신호를 차동 신호로 변환하는 발룬 회로를 수신단의 노이드, 선형성과 같은 성능 저하없이 소형/저전력으로 구현할 수 있는 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and in the ultra wideband wireless communication system having a channel bandwidth of 500 MHz or more, a balun circuit for converting a single-phase wideband signal into a differential signal has a nodal and linearity at the receiving end. It is an object of the present invention to provide a receiving device of an ultra-wideband wireless communication system that can be implemented in a small size and low power without the same performance degradation.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 500 MHz 이상의 채널 대역폭을 가지는 초광대역 무선 통신 시스템에서 단일 위상의 광대역 신호에 대해 광대역에 걸쳐 일정한 이득 또는 손실을 갖는 완전한 차동 신호로 변환시킬 수 있는 초광대역 무선 통신 시스템의 신호 변환 방법을 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is an ultra-wideband wireless communication capable of converting a single phase wideband signal into a fully differential signal having a constant gain or loss over a wideband in an ultra-wideband wireless communication system having a channel bandwidth of 500 MHz or more. It is to provide a signal conversion method of the system.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 수백 MHz의 채널 대역폭을 갖는 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 수신하는 초광대역 무선 통신 시스템에서 차동 신호로 변환하는 수신 장치로서, 상기 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 소정 대역폭에서 일정 전압이득을 유지하며 증폭하는 저잡음 증폭기와, 상기 증폭된 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 하향 주파수로 변환하여 차동 신호로 출력하는 하향 주파수 변환기를 포함하는 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a receiver for converting into a differential signal in an ultra-wideband wireless communication system for receiving a single-phase ultra-wideband RF signal having a channel bandwidth of several hundred MHz, the single-phase ultra-wideband RF signal Receiving an ultra-wideband wireless communication system including a low-noise amplifier for amplifying a predetermined voltage gain at a predetermined bandwidth, and a downlink frequency converter for converting the amplified single-phase ultra-wideband RF signal to a downlink frequency and outputs it as a differential signal Provide the device.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 수백 MHz의 채널 대역폭을 갖는 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 수신하는 초광대역 무선 통신 시스템에서 차동 신호로 변환하는 방법으로서, 상기 수신된 초광대역 RF 신호의 광대역 특성과 입출력 사이의 격리를 확보하고, 초광대역 주파수 특성을 획득하는 과정과, 상기 초광대역 RF 신호를 전류 형태로 변환하는 과정과, 상기 전류 형태로 변환된 초광대역 RF 신호를 하향 주파수로 변환하는 과정과, 상기 하향 주파수로 변환된 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 출력하는 과정을 포함하는 초광대역 무선 통신 시스템의 신호 변환 방법을 제공한다.In addition, in order to achieve the above object, the present invention is a method for converting into a differential signal in an ultra-wideband wireless communication system for receiving a single phase ultra-wideband RF signal having a channel bandwidth of several hundred MHz, the received ultra-wideband RF signal Securing the isolation between the wideband characteristic and the input / output, obtaining the ultra-wideband frequency characteristic, converting the ultra-wideband RF signal into a current form, and converting the ultra-wideband RF signal converted into the current form into a downlink frequency Provided is a signal conversion method of an ultra-wideband wireless communication system comprising the step of converting and outputting the ultra-wideband RF signal converted to the downlink frequency as a differential signal.
본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.The above and other objects and various advantages of the present invention will become more apparent from the preferred embodiments of the present invention described below with reference to the accompanying drawings by those skilled in the art.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 핵심 기술요지는, 초광대역 무선 통신 시스템에서 저잡음 증폭기의 다음 단에 차동 증폭기 회로를 구성하여 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환하는 종래와는 달리, 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 수신하는 초광대역 무선 통신 시스템에서 수신된 초광대역 RF 신호의 광대역 특성과 입출력 사이의 격리를 확보하고, 초광대역 주파수 특성을 획득한 후에, 초광대역 RF 신호를 전류 형태로 변환하고, 트랜지스터의 스위칭 동작에 따라 하향 주파수로 변환하며, 하향 주파수 변환기의 출력단을 통해 차동 신호를 출력한다는 것으로, 이러한 기술적 수단을 통해 본 발명에서 목적으로 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다.A key technical aspect of the present invention is that, in the ultra-wideband wireless communication system, a single-phase ultra-wideband RF is different from the conventional method of converting a single-phase ultra-wideband RF signal into a differential signal by configuring a differential amplifier circuit at a next stage of a low noise amplifier. In the ultra-wideband wireless communication system for receiving a signal, the isolation between the wideband characteristic and the input / output of the received ultra-wideband RF signal is obtained, and after the ultra-wideband frequency characteristic is obtained, the ultra-wideband RF signal is converted into a current form, and By converting to a downlink frequency according to the switching operation, and outputting a differential signal through the output terminal of the downlink frequency converter, it is easy to achieve the object of the present invention through this technical means.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환하는 수신 장치를 나타낸 회로도로서, shunt-peaking 부하(502a)를 포함하는 저잡음 증폭기(502)와 하향 주파수 변환기(504)로 구성된다.FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a receiver for converting a single phase ultra wideband RF signal to a differential signal according to an embodiment of the present invention. The low noise amplifier 502 and the downlink frequency converter including a shunt-peaking load 502a are shown in FIG. 504.
도 5를 참조하면, 저잡음 증폭기(502)는 일반적인 단일 위상의 증폭기 구조로 구성된 것으로, 케스코드 구조(트랜지스터 1 및 2)를 채택하여 광대역 특성과 증폭기 입출력 사이에 격리(isolation)를 확보하고, on-chip spiral 인덕터(10)와 저항(9)이 직렬로 연결된 Shunt-Peaking 부하(502a)를 사용하여 초광대역 주파수 응답 특성을 획득한다.Referring to FIG. 5, the low noise amplifier 502 is composed of a general single phase amplifier structure, and employs cascode structures (transistors 1 and 2) to ensure isolation between broadband characteristics and amplifier input and output, and An ultra-wideband frequency response is obtained by using a shunt-peaking load 502a in which a chip spiral inductor 10 and a resistor 9 are connected in series.
그리고, 하향 주파수 변환기(504)는 더블 밸런스 구조를 채택하고 있으나, 두 개의 입력 트랜지스터(3 및 4) 중에 하나의 입력 트랜지스터(3)의 게이트에 저잡음 증폭기(502)의 출력단이 AC-coupling 커패시터(13)에 의해 연결되고, 다른 입력 트랜지스터(4)의 게이트는 바이패스 커패시터(14)에 의해 AC-ground 된 구조이므로, 싱글 밸런스(single-balanced) 주파수 변환기처럼 앞단의 저잡음 증폭기(502)로부터 단일 위상의 신호를 한 개의 입력 트랜지스터(3)로 입력된다. 여기에서, 하향 주파수로의 변환은 두 개의 입력 트랜지스터(3 및 4)와 국부 발진기(LO)에 각각 연결된 트랜지스터들(5, 6, 7 및 8)의 스위칭 동작에 따라 수행되고, 광대역 특성을 얻기 위해 저항(11 및 12)을 포함시켜 구성한다.In addition, although the downlink frequency converter 504 adopts a double balance structure, an output terminal of the low noise amplifier 502 is connected to an AC-coupling capacitor at the gate of one of the two input transistors 3 and 4. 13, and the gate of the other input transistor 4 is AC-grounded by the bypass capacitor 14, so that it is single from the low noise amplifier 502 in the front like a single-balanced frequency converter. The signal of phase is input to one input transistor 3. Here, the conversion to the downward frequency is performed in accordance with the switching operation of the transistors 5, 6, 7, and 8 connected to the two input transistors 3 and 4 and the local oscillator LO, respectively, to obtain a wideband characteristic. The resistors 11 and 12 are included.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 초광대역 무선 시스템의 수신 장치에서 저잡음 증폭기의 Shunt-Peaking 부하부에 대해 설명한다.Next, the shunt-peak load portion of the low noise amplifier in the receiving apparatus of the ultra-wideband wireless system having the above-described configuration will be described.
도 6은 본 발명에 따른 수신 장치에서 저잡음 증폭기의 부하부를 소신호 등가 모델로 나타낸 회로도이고, 도 7은 본 발명에 따라 저잡음 증폭기의 부하부에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면으로서, 이러한 도면들을 통해 저잡음 증폭기의 Shunt-Peaking 부하부에 대해 설명한다.FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a small signal equivalent model of a load portion of a low noise amplifier in a receiving apparatus according to the present invention, and FIG. 7 is a view illustrating a simulation result according to a load portion of a low noise amplifier according to the present invention. The shunt-peaking load of the amplifier will be described.
도 6 및 도 7을 참조하면, 병렬 커패시터(30)는 저잡음 증폭기(502)의 케스코드 트랜지스터(2)의 드레인 노드의 기생 커패시턴스와 하향 주파수 변환기(504)의 입력 트랜지스터(3)의 입력 커패시턴스(Cgs)를 모두 포함한다. Shunt-Peaking 이론에 의해 부하 회로의 -3 dB 대역폭은, 인덕터(10), 저항(9), 퍼패시터(30)의 값 선정에 의해 일반 저항 부하만 사용한 경우보다 더욱 개선된다. 일 예로서 도 7에 도시한 바와 같다.6 and 7, the parallel capacitor 30 has a parasitic capacitance at the drain node of the cascode transistor 2 of the low noise amplifier 502 and an input capacitance 3 of the input transistor 3 of the downlink frequency converter 504. Cgs). By the shunt-peaking theory, the -3 dB bandwidth of the load circuit is further improved than the case of using only a normal resistive load by selecting values of the inductor 10, resistor 9, and capacitor 30. As an example, as shown in FIG. 7.
따라서, 500 MHz 이상의 채널폭을 가지는 초광대역 RF 신호는 저잡음 증폭기에서 하향 주파수 변환기로 넓은 대역폭에 걸쳐 일정한 이득을 유지하면서 전달된다.Thus, an ultra-wideband RF signal having a channel width of 500 MHz or more is transmitted from a low noise amplifier to a downlink frequency converter while maintaining a constant gain over a wide bandwidth.
다음에, 상술한 바와 같이 Shunt-peaking 부하를 갖는 저잡음 증폭기를 포함하는 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치를 이용하여 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환되는 과정에 대해 설명한다.Next, a process of converting a single phase ultra wideband RF signal into a differential signal using a receiving device of an ultra wideband wireless communication system including a low noise amplifier having a shunt-peaking load as described above will be described.
도 8은 본 발명에 따른 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치를 이용하여 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환하는 과정을 나타낸 플로우차트이다. 이러한 도면을 통해 신호 변환 방법에 대해 설명한다.8 is a flowchart illustrating a process of converting an ultra-wideband RF signal into a differential signal using a receiving device of the ultra-wideband wireless communication system according to the present invention. The signal conversion method will be described through these drawings.
도 8을 참조하면, 초광대역 무선 통신 시스템에서 단일 위상의 초광대역 RF 신호가 수신되면(단계802), 이러한 단일 위상의 초광대역 RF 신호의 광대역 특성과 저잡음 증폭기(502)의 입출력 사이의 격리를 확보한다(단계804). 여기에서, 격리의 확보는 케스코드 구조를 이용하여 수행된다.Referring to FIG. 8, when a single phase ultra wideband RF signal is received (step 802) in an ultra wideband wireless communication system, isolation between the wideband characteristics of the single phase ultra wideband RF signal and the input / output of the low noise amplifier 502 is shown. Secure (step 804). Here, securing of isolation is performed using a cascode structure.
그리고, 격리 확보된 단일 위상의 초광대역 RF 신호는 저항(9)과 인덕터(10)로 구성된 Shunt-Peaking 부하(502a)를 통해 초광대역 주파수 응답 특성을 획득한다(단계806).The isolated single phase ultra wideband RF signal obtains the ultra wideband frequency response through a shunt-peering load 502a composed of a resistor 9 and an inductor 10 (step 806).
다음에, 저잡음 증폭기(502)의 출력단에 AC-커플링 커패시터(13)에 연결된 하향 주파수 변환기(504)의 두 개의 입력 트랜지스터 중 어느 하나의 입력 트랜지스터(3)를 통해 입력된는 단일 위상의 초광대역 RF 신호는 전류 형태의 RF 신호로 변환된다(단계808). 여기에서, 다른 입력 트랜지스터(4)는 AC-ground 되어 있다. 즉, 하향 주파수 변환기(504)는 더블 밸런스 구조를 갖지만, 싱글 밸런스 구조와 같이 어느 하나의 입력 트랜지스터로 입력된다.Next, a single phase ultra-wide band inputted through the input transistor 3 of either of the two input transistors of the downlink frequency converter 504 connected to the AC-coupling capacitor 13 at the output of the low noise amplifier 502. The RF signal is converted into an RF signal in the form of current (step 808). Here, the other input transistor 4 is AC-grounded. That is, the downlink frequency converter 504 has a double balance structure, but is input to any one input transistor like the single balance structure.
그리고, 하향 주파수 변환기(504)의 트랜지스터(5, 6, 7 및 8)에 의한 스위칭 동작에 따라 전류 형태로 변환된 RF 신호는 하향 주파수로 변환된다(단계810). 여기에서, 하향 주파수로의 변환은 하향 주파수 변환기(504)의 트랜지스터들(5, 6, 7 및 8)의 스위칭 동작에 의해 수행된다.In response to the switching operation of the transistors 5, 6, 7, and 8 of the downlink frequency converter 504, the RF signal converted into a current form is converted into a downlink frequency (step 810). Here, the conversion to the downlink frequency is performed by the switching operation of the transistors 5, 6, 7 and 8 of the downlink frequency converter 504.
이어서, 하향 주파수로 변환된 RF 신호는 하향 주파수 변환기(504)의 출력단 X 및 Y에서 차동 신호로 출력된다(단계812).Subsequently, the RF signal converted to the downlink frequency is output as a differential signal at the output terminals X and Y of the downlink frequency converter 504 (step 812).
예를 들면, 주파수 변환기(504)는 하나의 입력 트랜지스터(3)로만 저잡음 증폭기(502)로부터 출력 신호를 받기 때문에 입력 신호에 대한 출력 차동 신호의 컨버전 이득(2/π·gm·RL)은 싱글 밸런스 주파수 변환기와 동일한 값을 가진다. 여기에서, RL은 주파수 변환기(504)의 부하(11 또는12) 임피던스 값이고, gm은 입력 트랜지스터(3)의 트랜스 컨덕턴스 값이다. 또한, 출력 노드(X 및 Y)에서 스위칭 트랜지스터(5, 6, 7 및 8)들의 연결에 의해 국부 발진기(LO) 신호를 상당히 억제할 수 있다.For example, since the frequency converter 504 receives the output signal from the low noise amplifier 502 only with one input transistor 3, the conversion gain of the output differential signal to the input signal (2 / π · g m · R L ) Has the same value as a single balanced frequency converter. Where R L is the load 11 or 12 impedance value of the frequency converter 504 and g m is the transconductance value of the input transistor 3. In addition, the connection of the switching transistors 5, 6, 7 and 8 at the output nodes X and Y can significantly suppress the local oscillator LO signal.
그리고, 저잡음 증폭기(502)의 출력으로부터 하향 주파수 변환기(504) 입력으로 들어오는 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 VRF·cosωRFt, 국부 발진기의 입력 신호를 cosωLOt라고 표현할 때, 초광대역 RF 신호는 하향 주파수 변환기(504)의 입력 트랜지스터(3)에 의해 전압 형태에서 전류 형태로 변환되며, 전류로 변환된 RF 신호(gm·VRF·cosωRFt)는 하향 주파수 변환기(504)의 스위칭 동작에 의해 수학식 1과 같이 하향 주파수로 변환되면서 출력 단자(X 및 Y)에서 +gm/π·VRF·cos(ωRF-ωLO)t 및 -gm/π·VRF·cos(ωRF-ωLO)t로 각각 완전한 차동 신호 형태로 나타난다.When the single phase ultra wideband RF signal input from the output of the low noise amplifier 502 to the input of the downlink frequency converter 504 is expressed as V RF cosωR F t and the input signal of the local oscillator is cosωL O t, the ultra wideband RF signal is represented. signal of the down frequency converter 504, RF signal (g m · V RF · cosωR F t) input is converted into a current form by the voltage form by the transistor 3, converted to a current in the downward frequency converter 504 + G m / π · V RF · cos (ω RF -ω LO ) t and -g m / π · V RF at the output terminals (X and Y) while being converted to downlink frequency by Equation 1 cos (ω RF -ω LO ) t, each in the form of a fully differential signal.
상기 수학식 1에서와 같이 하향 주파수 변환기(504)의 출력 노드 X 및 Y에서는 국부 발진기의 누설 신호(LO)가 발생하지 않고, 미약한 RF 신호만이 동일 위상으로 각 출력 단자에 존재한다. 여기에서, 동일 위상의 RF 신호는 차동 구조의 회로에서는 쉽게 제거될 수 있는 동 위상 신호로 문제되지 않는다.As shown in Equation 1, leakage signals LO of the local oscillator are not generated at the output nodes X and Y of the downlink frequency converter 504, and only a weak RF signal is present at each output terminal in the same phase. Here, the RF signal of the same phase is not a problem with the in-phase signal which can be easily removed in the circuit of the differential structure.
따라서, 초광대역 RF 신호는 단일 위상 구조의 저잡음 증폭기(502)에서 하향 주파수 변환기(501)의 입력 트랜지스터(3)까지 단일 위상 신호 형태로 전달되고, 초광대역 RF 신호는 하향 주파수 변환기(504)의 입력 트랜지스터(3)의 입력 커패시터 성분(Cgs)을 포함한 저잡음 증폭기(502)의 광대역 부하 회로에 의해 넓은 대역폭에서 일정한 전압 이득을 유지하면서 전달된다. 또한, 하향 주파수 변환기(504)로 전달된 RF 신호는 하향 주파수 변환기(504)에 의해 출력단(X 및 Y)에서 하향 주파수 변환된 완전한 차동 신호 형태로 나타난다.Thus, the ultra-wideband RF signal is transmitted from the low noise amplifier 502 of the single phase structure to the input transistor 3 of the downlink frequency converter 501 in the form of a single phase signal, and the ultrawideband RF signal of the downlink frequency converter 504 It is delivered by the wideband load circuit of the low noise amplifier 502 including the input capacitor component Cgs of the input transistor 3 while maintaining a constant voltage gain over a wide bandwidth. In addition, the RF signal transmitted to the downlink frequency converter 504 appears in the form of a fully differential signal that is downlinked at the output terminals X and Y by the downlink frequency converter 504.
한편, 상술한 본 발명에 따른 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치는 NMOS 또는 PMOS 형태로 구현 가능할 뿐 아니라, CMOS, BiCMOS, 바이폴라, 화합물 공정 등을 이용한 회로로 구성 가능함도 물론이다.Meanwhile, the reception device of the ultra-wideband wireless communication system according to the present invention described above can be implemented not only in the form of NMOS or PMOS, but also in a circuit using a CMOS, BiCMOS, bipolar, compound process, or the like.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은, 초광대역 무선 통신 시스템에서 저잡음 증폭기의 다음 단에 차동 증폭기 회로를 구성하여 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환하는 종래와는 달리, 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 수신하는 초광대역 무선 통신 시스템에서 수신된 초광대역 RF 신호의 광대역 특성과 입출력 사이의 격리를 확보하고, 초광대역 주파수 특성을 획득한 후에, 초광대역 RF 신호를 전류 형태로 변환하고, 전류 형태로 변환된 초광대역 RF 신호를 하향 주파수로 변환하며, 하향 주파수로 변환된 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 출력함으로써, 초광대역 무선 통신 시스템에서 개선된 발룬 회로를 구현하여 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환할 수 있다.As described above, the present invention is different from the conventional method of converting a single phase ultra wideband RF signal into a differential signal by forming a differential amplifier circuit at a next stage of a low noise amplifier in an ultra wideband wireless communication system. In the ultra-wideband wireless communication system receiving the signal, the isolation between the wideband characteristic and the input / output of the received ultra-wideband RF signal is obtained, and after obtaining the ultra-wideband frequency characteristic, the ultra-wideband RF signal is converted into the current form, and the current form. By converting the ultra-wideband RF signal converted into the downlink frequency into a downlink frequency and outputting the down-converted ultra-wideband RF signal as a differential signal, an improved balun circuit is implemented in an ultra-wideband wireless communication system to implement a single phase ultra-wideband RF signal Can be converted into a differential signal.
그리고, 단일 위상의 초광대역 신호를 차동 신호로 변환하기 위한 어떠한 추가 능동/수동 소자의 추가없이 초광대역 저잡음 증폭기 및 더블 밸런스 하향 주파수 변환기만으로 단일 위상의 초광대역 신호를 차동 신호로 변환함으로써, 추가 회로에 의한 수신단에서의 노이즈 및 선형성에 대한 영향을 방지할 수 있다.And further circuitry by converting the single phase ultra wideband signal into a differential signal only with an ultra wideband low noise amplifier and a double balanced downlink frequency converter, without the addition of any additional active / passive elements to convert the single phase ultra wideband signal into a differential signal. It is possible to prevent the influence on the noise and linearity at the receiving end by.
또한, 하향 주파수 변환기는 단일 위상 구조의 광대역 저잡음 증폭기의 단일 위상 출력 신호를 싱글 밸런스 주파수 변환기와 같이 단일 위상 신호로 입력되면서도, 더블 밸런스 구조에 따른 출력단에서 발생하는 국부 발진기의 누설량을 최소화할 수 있다.In addition, the downlink frequency converter inputs a single phase output signal of a broadband low noise amplifier having a single phase structure as a single phase signal like a single balanced frequency converter, and minimizes the amount of leakage of the local oscillator generated at the output stage according to the double balance structure. .
그리고, 발룬 회로 구성을 위한 MOS와 같은 능동 소자나 실리콘 면적을 크게 차지하는 on-chip spiral 인덕터와 같은 수동 소자를 사용하지 않기 때문에 발룬 회로에 의한 전력 소모가 없으며, 실리콘 칩 사이즈도 줄일 수 있어 실리콘 칩의 제조에 소요되는 비용을 감소시켜 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.And since there is no active element such as MOS for balun circuit configuration or passive element such as on-chip spiral inductor which occupies a large silicon area, there is no power consumption by balun circuit and silicon chip size can be reduced. It can greatly improve productivity by reducing the cost of manufacturing.
마지막으로, 본 발명에 따른 수신 장치는 직접 변환(direct-conversion) 및 헤테로다인 방식(heterodyne architecture) 수신단 구조에 모두 적용할 수 있으며, 멀티 밴드(multi-band) 및 멀티 모드(multi-mode) 무선 통신 시스템을 포함한 협대역 무선 통신 시스템에도 적용할 수 있다.Finally, the receiving device according to the present invention can be applied to both direct-conversion and heterodyne architecture receiving end structures, and can be used for multi-band and multi-mode radios. The present invention can also be applied to narrowband wireless communication systems including communication systems.
도 1은 종래에 일반적인 무선 통신 시스템의 수신단의 블록구성도,1 is a block diagram of a receiver of a conventional wireless communication system;
도 2는 종래에 따른 단일 위상의 협대역 신호를 협대역 차동 신호로 변환하는 수신 장치를 나타낸 회로도,2 is a circuit diagram illustrating a receiver for converting a narrowband signal of a single phase into a narrowband differential signal according to the related art;
도 3은 다른 종래에 따른 단일 위상의 협대역 신호를 차동 신호로 변환하는 수신 장치를 나타낸 회로도,3 is a circuit diagram illustrating a receiver for converting a narrowband signal of a single phase into a differential signal according to another conventional art;
도 4는 또 다른 종래에 따라 단일 위상의 초광대역 신호를 차동 신호로 변화하는 수신 장치를 나타낸 회로도,4 is a circuit diagram illustrating a receiving apparatus for converting an ultra-wideband signal of a single phase into a differential signal according to another conventional art;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환하는 수신 장치를 나타낸 회로도,5 is a circuit diagram illustrating a receiving apparatus for converting a single phase ultra wideband RF signal into a differential signal according to an embodiment of the present invention;
도 6은 본 발명에 따른 수신 장치에서 저잡음 증폭기의 부하부를 소신호 등가 모델로 나타낸 회로도,6 is a circuit diagram showing a small signal equivalent model of a load portion of a low noise amplifier in a receiving device according to the present invention;
도 7은 본 발명에 따라 저잡음 증폭기의 부하부에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면,7 is a view showing a simulation result according to the load of the low noise amplifier according to the present invention,
도 8은 본 발명에 따른 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치를 이용하여 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환하는 과정을 나타낸 플로우차트.8 is a flowchart illustrating a process of converting an ultra-wideband RF signal into a differential signal using a receiving device of the ultra-wideband wireless communication system according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
502 : 저잡음 증폭기 502a : Shunt-Peaking 부하502: Low Noise Amplifier 502a: Shunt-Peaking Load
504 : 하향 주파수 변환기504 downlink frequency converter
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