KR20080035460A

KR20080035460A - 주파수 변환 디바이스의 주파수 응답에 특성을 부여하는방법

Info

Publication number: KR20080035460A
Application number: KR1020070101366A
Authority: KR
Inventors: 이 헤; 마커스 케이. 다실바
Original assignee: 텍트로닉스 인코포레이티드
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2008-04-23
Also published as: JP4923276B2; EP1916533A1; JP2008104178A; KR101325658B1; US20080095271A1; CN101227240A; TW200822530A; US7720137B2; TWI415386B; CN101227240B

Abstract

본 발명의 넓은 IF 대역폭에 걸쳐 주파수 변환 디바이스의 주파수 응답에 특성을 부여하는 방법은, 2차원 모델에 기초하여 실행 시간에 디바이스의 교정 데이터를 생성한다. 상기 모델은 각각의 중심 주파수에서의 주파수 응답을 생성하기 위한, 중심 주파수와 넓은 시스템 대역폭에 걸친 복수의 중심 주파수에 대한 주파수 오프셋의 함수이다. 각각의 중심 주파수에서의 주파수 응답은 기준 주파수에 대해 스케일링 및 표준화되어 저장된다.

주파수변환, 주파수응답, 특성, 광대역폭, IF, RF

Description

주파수 변환 디바이스의 주파수 응답에 특성을 부여하는 방법 {CHARACTERIZATION OF A FREQUENCY RESPONSE FOR A FREQUENCY TRANSLATION DEVICE}

본 발명은 디바이스의 주파수 응답에 특성을 부여하는 것에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 넓은 시스템 대역폭을 커버(cover)하는 다수의 중심 주파수(central frequency)에서, 특정한 광 대역폭에 걸쳐 주파수 변환 디바이스의 주파수 응답에 특성을 부여하는 것에 관한 것이다.

입력 신호를 국부 발진기(local oscillator, LO)의 주파수와 결합하여 입력 주파수를 다른 주파수로 변환하는 믹서(mixer)와 같은, 주파수 변환 디바이스는 무선 주파수(RF) 시스템의 중요한 구성요소이다. 믹서를 사용하여 어떤 주파수의 RF 파워를 다른 주파수의 파워로 변환하는 것은, 수신기에서의 신호 처리 또는 송신기에서의 신호 생성을 더욱 쉽고 더욱 효율적으로 만든다. 주파수 변환 디바이스에 의한 기여분을 포함하여, 신호 경로를 따라 선형 왜곡을 최소화하는 최신 RF 시스템의 경우에는 통신 시스템의 에러 벡터 크기(Error Vector Magnitude, EVM)과 같은, 신호 품질 요건을 충족시키는 것이 중요하다.

RF 디바이스에서, 믹서는 임의의 신호 경로 내의 단지 하나의 빌딩 블록이 다. 믹서는 신호 경로 내의 선행 회로 및 후행 회로, 그리고 국부 발진기(LO) 구동 회로와 상호작용하기 때문에, 다른 협력 회로(cooperating curcuit)들을 고려할 필요가 있다. 모든 믹서가 완전히 절연되어 있는 것은 아니어서, 믹서 포트들 사이에 누설 또는 피드 스루(feed-through)가 생긴다. 또한, 믹서는 불가피하게 혼변조 왜곡(inter-modulation distortion)를 일으키는 비선형 디바이스이다. 1-10 MHz 중간 주파수(Intermediate frequency, IF) 대역폭 시스템과 같은, 종래의 협대역 시스템에서, 믹서는 이상적인 주파수 응답, 즉 시스템 성능을 지나치게 저하하지 않으면서 IF 대역폭에 걸쳐 평탄한 이득과 선형 위상을 가지는 것으로 근사시킬 수 있다. 종래의 스펙트럼 분석기와 같은, RF 디바이스는 이러한 가정을 세우고 각각의 중심 주파수에서의 채널 교정(calibration) 및 정렬(alignment)만을 수행한다. 중심 주파수들 사이의 IF 대역폭에 걸친 주파수 응답의 차이는 무시된다. 이 정렬 기술은 협대역폭 시스템에 상당히 잘 맞는다. 하지만 IF 대역폭이 100 MHz 이상인 신호 경로들을 가지는 RF 디바이스와 같은, 광대역폭 시스템의 경우에는, 믹서와 협력 회로들 사이의 상호작용은 점점 더 복잡해지고 악화 된다.

중요한 대역폭에 걸친 믹서 응답을 모든 중심 주파수에서 동일한 것으로 가정하면, 상당한 에러가 발생한다. 이것은 송신기에서 출력되는 신호의 왜곡 및/또는 수신기에서 생성되는 에러를 초래한다. 시험 장비에서, 이러한 왜곡 또는 에러는 시험하는 RF 디바이스가 요구되는 세부사항을 충족하는지 여부를 신뢰성 있게 결정할 수 없게 만들 수 있다.

주파수 변환 디바이스를 사용하는 RF 디바이스에 더 높은 정밀도를 제공하기 위해, 넓은 시스템 대역폭의 협력 회로들과 관련하여 특정한 광 대역폭에 걸쳐 주파수 변환 디바이스의 주파수 응답에 특성을 부여하는 방법이 요구된다.

따라서 본 발명은 넓은 시스템 주파수 대역폭에 걸쳐 일련의 주파수 응답을 생성하기 위해 주파수 변환 디바이스에 특성을 부여하는 기술을 제공한다. 상기 주파수 변환 디바이스는 중심 주파수와 주파수 오프셋의 2차원(2D) 함수로서 모델링된다. 자극 생성기(stimulus generator)는 중심 주파수를 포함하고, 예를 들면 중심 주파수에 대해 주파수를 계단식으로 증가시키거나 특정한 대역폭 이상의 대역폭을 가지는 제2 신호를 사용하여 중심 주파수를 변조함으로써, 중심 주파수에 대해 특정한 대역폭을 커버하는 RF 신호를 공급한다. 넓은 범위의 주파수는 복수의 채널을 포함하며, 각각의 채널은 고유한 중심 주파수를 가진다. 각각의 채널에 대한 일련의 진폭 및 위상 측정은, 채널의 특정한 대역폭에 걸쳐 중심 주파수에 중심을 둔 각각의 주파수 오프셋에서의 주파수 변환 디바이스로부터의 출력 및 자극에 대해 이루어진다. 진폭 및 위상 측정값 쌍들을 비교하며, 그것들 사이의 비(ratio)는 주파수 변환 디바이스의 주파수 응답을 나타낸다. 이 과정을 RF 시스템의 광 대역폭 내의 채널 각각에 대해 반복한다. 각 채널에 대한 주파수 응답은 기준 주파수의 주파수 응답에 대해 스케일링(scaling) 및 표준화(normalization)함으로써 교정 데이터(calibration data)로서 압축하여 저장될 수 있다. 이 교정 데 이터는 믹서 성능에 대한 성능 지수(figure of merit)를 제공하기 위해 사용되거나, 또는 송신기나 수신기의 실행시간 표준화 시에 전송된 신호에서 왜곡을 제거하거나 수신기에 의한 신호 처리 시의 에러를 감소시키기 위해 임의의 원하는 중심 주파수로 적합한 반전 필터를 구성하는데 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 넓은 시스템 주파수 대역폭에 걸쳐 일련의 주파수 응답을 생성하도록 주파수 변환 디바이스에 특성을 부여할 수 있다.

본 발명의 목적, 이점 및 다른 신규한 특징들은 이하의 상세한 설명을, 첨부된 특허청구범위 및 도면과 함께 읽으면 명백하다.

이하의 설명에서, "교정(calibration)"은 외부 시험 장비를 사용한 디바이스의 공장 교정(factory calibration)을 가리키고, "표준화" 또는 "정렬"은 내부의 시험 신호를 사용한 디바이스의 자기 교정(self-calibration)을 가리킨다.

도 1을 참조하면, 일반적인 RF 시스템은, 수십 GHz와 같은, 넓은 시스템 대역폭에 걸쳐서 다수의 채널을 가지고, 각각의 채널은 고유 중심 주파수 ω_c와 최고 기술 수준의 광대역 시스템의 경우에 약 100 MHz 이상의 특정한 채널 대역폭을 가진다. 넓은 시스템 대역폭은 시작 중심 주파수 ω₁ 내지 종료 중심 주파수 ω₂의 주파수 범위를 커버한다. 디바이스의 채널 주파수 응답은 다음과 같이 모델링 된다:

위 식에서, H는 전체 채널 주파수 응답이고, H_R은 믹서 직전의 주파수 응답이며, H_M은 RF 믹서의 주파수 응답이며, H_IF는 믹서 이후의 회로에 대한 결합 주파수 응답이고, ω는 채널 중심 주파수 ω_c로부터의 주파수 오프셋이다. 주파수 응답은 진폭 및 위상 정보를 모두 포함하는 복소 함수(complex function)로 표현될 수 있다. 이로써 주파수 응답의 진폭은 복소 주파수 응답의 절대값으로 표현될 수 있다. 믹서 및, 믹서와 상호작용하는 회로는 본래 분리할 수 없다는 것을 인식함으로써, 결합 주파수 응답의 특성이 부여되며, 결합 주파수 응답은 송신기 또는 수신기의 보정 계수(correction factor) 또는 믹서의 성능 계수로 사용될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 최초의 교정 시에 계단형 CW(Continuous Wave) 신호 생성기, 스위프형 CW 신호 생성기, 변조형 CW 신호(멀티톤(muti-tone)) 생성기 등의 신호 소스(12)는, RF 신호의 주파수를 전체 채널 대역폭에 걸쳐 중심 주파수에 대해 계단식으로 변경(stepping)하거나, RF 신호의 주파수를 전체 채널 대역폭에 걸쳐 중심 주파수에 대해 스위핑(sweeping)하거나, 또는 중심 주파수를 채널 대역폭 이상의 주파수를 가지는 제2 신호로 변조 등을 함으로써, 시험대상 디바이스(DUT)(14)의 각 채널에 걸쳐 변화하는 RF 신호를 제공한다. 이하의 설명을 이해하기 쉽도록, 신호 소스(12)를 계단형 CW 신호 생성기라고 가정하자. 신호 소스(12)로부터의 RF 신호는, RF 신호의 파워의 일부를 시험대상 디바이스(DUT)(14)의 입력 포트에, 그리고 동일한 파워의 일부를 제1 파워 미터(PM1)(18)에 공급하는 파워 스플리터(16)에 입력된다. 제2 파워 미터(PM2)(20)는 시험대상 디바이스(DUT)(14)의 출력 포트에 연결되어 있다. 제1 및 제2 파워 미터(18, 20)는 진폭 측정 시스템이다. 제1 파워 미터(18)에 의해 측정된 각각의 주파수 단(step)에서의 RF 신호의 진폭은, 제2 파워 미터(20)에 의해 측정된 시험대상 디바이스(DUT)(14)로부터의 RF 신호 출력의 진폭과 비교된다. 그에 따른 제1 및 제2 파워 미터(18, 20) 각각에 의해 측정된 진폭의 dB 차이는, 특정 채널에 대한 시험대상 디바이스(DUT)(14)의 주파수 응답을 나타낸다. 이 교정 과정은 넓은 시스템 대역폭 내의 채널 각각에 대해 이루어져서, 각각의 채널 또는 중심 주파수에 대한 개별 주파수 응답을 제공한다.

더욱 구체적으로는, 도 3에 도시된 바와 같이, 특성 부여 시에 신호 소스(12)로부터의 RF 신호의 위상은 자극 신호로 사용되며, 제1 파워 미터(18)와 시험대상 디바이스(DUT)(14)에 나눠져 입력된다. 파워 측정은 시작 중심 주파수 ω₁에서 개시되고(단계 24), 시험대상 디바이스(DUT)(14)의 입력단에 인가되는 신호의 소정부분을 사용한다(단계 26). 각각의 채널에 대해, 신호 소스(12)는 "IF 주파수" 간격(step)이라고 하는, 소정의 주파수 간격을 사용하여 전체 채널 대역폭을 나눈다(stepped). 예를 들면, ω_b = 100 MHz이고 IF 주파수 간격이 10 MHz이면, 다음 주파수는 중심 주파수 ω_c: ω = -50 MHz, -40 MHz, . . . 40 MHz, 50 MHz, 이때 ω_c에서 ω = 0이다. 각각의 오프셋 주파수에 대해, 자극 신호의 진폭 및 디바이스 출력을 측정한다(단계 28, 30). 제1 및 제2 파워 미터(18, 20)로부터 판독값의 dB 차이를 채널 대역폭에 걸쳐 각각의 주파수 간격에 대해 저장하여 주파수 응답을 생성한다(단계 32). 이러한 과정을, ω₁에서 ω₂까지 각각의 채널 중심 주파수에 대해, 소정의 RF 주파수 간격(step 또는 interval)만큼 중심 주파수를 증가시키면서(단계 36) 반복한다(단계 34).

IF 및 RF 주파수 간격은, 임의의 중심 주파수 및 주파수 오프셋에서 생기는 임의의 보간 에러가 고려중인 어떤 사항(specification)보다 훨씬 더 작도록 선택된다. 간격이 미세할수록 더욱 양호한 정밀도를 얻을 수 있지만, 교정에 더 많은 시간이 걸리고 교정 데이터를 유지하기 위해 더 많은 데이터의 저장을 필요로 한다. 위상 데이터는, 필요한 경우, 시스템을 최소 위상 시스템으로 가정함으로써 진폭으로부터 구할 수 있으며, 이에 대한 것은 2005년 11월 9일자 동시계속중인 미국특허출원 제11/272,285호(발명의 명칭: "Filter Equalization Using Magnitude Measurement data")에 개시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 신호 소스(40)는 변조된 신호를 제공하고, 진폭 및 위상은 DUT(14)에 부착되는 측정 디바이스(42)를 사용하여 특정한 채널 대역폭을 커버하는 IF 주파수에서 동시에 직접 측정될 수 있다. 계단형 CW 신호에 대해 설명한 절차와 마찬가지로, RF 주파수 간격만큼 중심 주파수를 증가시킴으로써 넓은 시스템 대역폭 전체를 커버한다.

교정 데이터를 데이터 저장소(data store)에 저장하기 전에, 다음의 컨디셔닝(conditioning)을 수행하는 것이 바람직하다(단계 38). 이들 단계는 교정 데이터의 양을 감소시키고 임의의 원하는 중심 주파수에서 DUT(14)의 주파수 응답을 결 정하는 보간의 정확도를 향상시킬 수 있도록 해준다. 각 채널의 주파수 응답은 기준 주파수에 대해 스케일링되며, 이것은 편의상 앞서 언급한 정렬 주파수일 수 있다:

위 식에서, ω_r은 기준 주파수 또는 정렬 주파수이고, 진폭 항은 dB로 표시된다. 그리고 각각의 중심 주파수에서의 주파수 응답은, 각각의 주파수 응답에서 중심(ω=0)에서의 주파수 응답을 감산한다:

위 식에서, H₁은 특정 채널에 대한 스케일링된 채널 주파수 응답이고, H₂는 그 채널에 대한 저장된 주파수 응답이다.

교정에 사용된 모든 IF 주파수에 대해 RF 주파수를 따라 주파수 응답을 보간함으로써, 교정 데이터로부터 임의의 모든(any arbitary) 중심 주파수에서의 주파수 응답을 결정할 수 있다. 만약 미세한 IF 주파수 분해능(frequency resolution)을 원한다면, 교정 IF 주파수 간격을 사용하여 IF 주파수를 따라 주파수 응답을 보간할 수도 있다. 이 두 가지 경우에, 큐빅 스플라인(cubic spline)과 같은, 일반적인 보간법을 사용할 수 있다.

송신기와 같은 소스는 또한 믹서를 가지며, 그 주파수 응답은 위에서 나타낸 바와 같은 특성이 있을 수 있다. 그리고 주파수 응답은 송신기 내의 믹서를 보상 하기 위해 송신기에서 신호 출력을 사전 왜곡(predistort)하는 데 사용될 수 있다. 이것은 RF 디바이스의 시험을 위해 기지(旣知)의 특성을 갖는 RF 신호의 생성을 필요로 하는 정밀 범용 신호 발생기(precison arbitrary signal generator)에 특히 유용하다.

또한, 전술한 바와 같이, 자신의 주파수 응답에 대해 보정되는 수신기를 사용함으로써, 기지(旣知)의 특성을 갖는 신호에서의 임의의 변동을, 소스의 주파수 응답에서의 변동의 결과로 간주할 수 있다. 이러한 변동은 각각의 소스에 대해 구별될 수 있기 때문에, 어디의 신호를 수신하였는지 즉, 특정한 소스를 식별하기 위한 서명(signature)으로서 이러한 변동을 사용할 수 있다.

따라서, 본 발명은 주파수 응답을 모델링하고, 그로 인한 교정 데이터를 기준 주파수에 대해 표준화하여 저장하는 교정 데이터의 양을 감소시키며, 임의의 모든 중심 주파수에서의 주파수 응답을 교정 데이터로부터 보간하기 위해, 주파수 변환 디바이스에 중심 주파수와 오프셋 주파수의 이차원 함수로서의 특성을 부여하는 기술을 제공한다.

도 1은 넓은 시스템 주파수 대역에 걸쳐 다수의 채널 캐리어를 가지고, 각각의 채널이 특정한 광 대역폭을 가지는 통신 시스템의 그래프를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 주파수 변환 디바이스를 포함하는 시험 중인 디바이이스의 주파수 응답에 특성을 부여하기 위해 계단형 CW 신호를 사용하는 시스템의 블록도이다.

도 3은 본 발명에 따른 주파수 변환 디바이스의 주파수 응답에 특성을 부여하는 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 4는 본 발명에 따른 주파수 변환 디바이스를 포함하는 시험 중인 디바이이스의 주파수 응답에 특성을 부여하기 위해 변조 신호를 사용하는 시스템의 블록도이다.

Claims

특정한 광 대역폭을 가지는 주파수 변환 디바이스의 주파수 응답에 특성을 부여하는 방법으로서,

상기 주파수 변환 디바이스의 입력단에, 중심 주파수를 가지고, 상기 중심 주파수에 걸쳐 있는 상기 특정한 광 대역폭을 규정하는 복수의 오프셋 주파수를 커버하는 자극 신호를 인가하는 단계;

상기 중심 주파수에서의 상기 주파수 변환 디바이스에 대한 교정 데이터로서 저장하기 위한 주파수 응답을 생성하도록, 상기 자극 신호 및 상기 자극 신호에 응답하는 상기 주파수 변환 디바이스로부터의 출력을 측정하는 단계; 및

상기 인가하는 단계 및 상기 측정하는 단계를, 원하는 주파수 범위에 걸쳐 있는 복수의 중심 주파수 각각에 대해 반복하여, 각각의 중심 주파수마다 하나씩 복수의 주파수 응답을 생성하는 단계

를 포함하고,

상기 주파수 응답은 상기 특정한 광 대역폭에 걸친 진폭 및 위상의 복소 함수인,

를 포함하는 주파수 응답에 특성을 부여하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 자극 신호는, 계단형(stepped) CW 신호, 스위프형(swept) CW 신호, 멀 티톤(muti-tone) 신호, 및 특정한 IF 대역에 걸쳐 있는 변조 신호로 이루어지는 그룹에서 선택된 신호인, 주파수 응답에 특성을 부여하는 방법.
제1항에 있어서,

각각의 상기 주파수 응답을, 상기 교정 데이터로서 저장하기 이전에, 기준 중심 주파수에 대해 컨디셔닝(conditioning)하는 단계를 더 포함하는 주파수 응답에 특성을 부여하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 주파수 변환 디바이스는, 상기 복수의 중심 주파수에 대해 교정된 대역폭을 가지는 신호 발생 장치의 구성요소를 포함하는, 주파수 응답에 특성을 부여하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 주파수 변환 디바이스는, 상기 복수의 중심 주파수에 대해 교정된 대역폭을 가지는 수신 장치의 구성요소를 포함하는, 주파수 응답에 특성을 부여하는 방법.