KR20090007842A - 디지탈 필터를 이용한 주파수 및 대역 가변 유,무선통신 중계시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동통신용 중계장치로 RF 중계기, 광 중계기, 인 빌딩 중계기 시스템에 사용되는 IF 신호에 대한 Filtering을 SAW Filter 대신 Digital Filter를 이용함으로써 IF 신호 특성 개선뿐만 아니라 Filtering 주파수의 Center 주파수와 Filter의 Filtering 대역을 임으로 바꿈으로써 IF 주파수 대역을 효율적으로 사용할 수 있으며, 인접 대역에 위치한 여러 사업자들에 대한 서비스를 선택적으로 할 수 있다.

기존 이동 통신 사업자의 경우 사용 주파수 대역들이 인접해 있어 각각의 사용 신호 간섭 때문에 서비스 품질에 영향이 있어 이를 해결 하기 위해 필터특성이 우수한 IF SAW Filter를 사용하는 하는데 SAW Filter의 경우 사업자별 대역이 다르고 사용 주파수가 다르기 때문에 회로 구성이 복잡하고 주파수 또는 대역이 변경될 경우 새로는 장비를 개발해야 되는 문제가 있다. 그러나 Digital Filter를 사용할 경우 회로 구성을 간단하게 구현할 수 있으며, 인접 대역에 있는 사업자 신호를 선택적으로 수용할 수 있는 장점이 있다.

대부분의 중계시스템은 무선 또는 유선을 통하여 RF 및 IF 신호를 입력 받지만, 신호의 특성상 RF 대역에서 신호를 필터링(Filtering)하는데 한계가 있기 때문에 RF 신호를 IF 신호로 변환하여 IF SAW Filter를 이용하여 신호의 스커트 특성을 개선 시킨 다음 다시 RF 신호로 주파수를 Up 시킨다. 이런 SAW Filter를 사용하는 방식을 사용했을 경우 Filtering 주파수의 Center 주파수와 Filter의 Filtering 대역이 고정되어 주파수 가변 및 Filtering 대역에 한계가 있었다.

따라서 본 발명은 이런 SAW Filter의 한계를 넘어 더 간단하게 중계기 시스템을 구현할 수 있으며, 기존 SAW Filter를 이용한 중계기 방식보다 신호 특성을 더 개선 시킬 수 있을 뿐만 아니라 주파수 대역 및 중심 주파수도 임의로 바꿀 수 있어 주파수 사용 효율을 높일 수 있다.

특히 인접 대역에 여러 사업자들이 있을 경우 여러 사업자들의 신호를 동시에 입력받아 Digital Filter를 이용하여 서비스가 필요한 사업자들에게 선택적으로 서비스를 함으로서 하나의 중계기로 여러 사업자를 수용할 수 있는 장점이 있다.

RF 중계기, 대역변환 중계기, 광 중계기, 인빌딩 중계기, Digital Filter, IF SAW Filter

Description

디지탈 필터를 이용한 주파수 및 대역 가변 유,무선 통신 중계시스템 {Frequency or band selectable repeater system using digital filter for wired/wireless communications services}

이동통신용 중계기에 사용되는 IF Filter에 대한 기술로서 기존 IF SAW Filter의 경우 중심 주파수와 대역폭이 고정되어 있으며, 삽입 손실이 많이 발생하기 때문에 삽입 손실에 대한 보상 증폭기(Amplifier)가 적용되었으며. 또한 중심 주파수 및 대역을 가변시키기 위해서 SAW Filter가 2단으로 구성됨으로 시스템 부피가 커지고, 비용도 증가했다. 그러나 Digital Filter을 이용했을 경우 뛰어난 선택도 특성과 중심 주파수를 임의로 바꿀 수 있는 장점과 대역폭을 임으로 변경할 수 있는 장점을 가지고 있으며. 또한 기존 IF SAW Filter를 이용하는 방식에 비해 삽입 손실이 작으며, IF SAW Filter 보다 뛰어난 스커트 특성을 가고 있다.

일반적으로 이동 통신 중계기는 대부분 RF 신호를 받아 IF 주파수로 변환 시킨 다음 IF SAW Filter를 이용하여 주파수 필터링(Filtering)을 한 다음 다시 RF 주파수로 변환 후 서비스 안테나를 통해 방사 한다.

RF 주파수를 IF 주파수로 변환하는 것은 RF 주파수에서 신호의 선택도와 안정성 등의 특성을 개선 시키기 힘들기 때문이다. RF 주파수에서 신호의 선택도를 개선 시키기 위해서 RF에서 높은 Q값(Q = 중심주파수/대역폭)을 가지는 필터가 필요하지만, 현실적으로 RF에서 Q값이 높은 필터를 만들기 어렵다. 하지만 IF에서는 RF에 비해 Q값이 높지 않아도 선택도가 우수한 필터를 구현할 수 있는 장점이 있기 때문에 대부분의 이동 통신용 중계기는 RF 주파수를 IF 주파수로 다운시켜 필터링 한 다음 다시 RF 주파수로 변환한다.

본 발명이 해결하고자 하는 것은 이동통신용 중계기에 사용되는 IF Filter를 기존 SAW Filter 방식을 사용하지 않고 Digital Filter 방식을 이용 함으로써 가변이 가능한 중심 주파수와 대역폭을 이용하여 이동통신 사업자가 원하는 대역 및 주파수를 하드웨어 변경 없이 중계시스템을 운용할 수 있으며 도3에서와 같이 인접 대역에 위치해 있는 사업자 중 서비스를 원하는 사업자들을 선택해서 서비스할 수 있는 하나의 중계시스템으로 다 대역 및 다채널 중계시스템으로 이동통신 사업자가 망 설계 및 서비스 품질을 확보하는데 있어 효과적인 기술이다.

본 발명으로 인하여 얻어지는 효과는 다음과 같다.

하나의 중계기를 이용하여 인접해 있는 여러 사업자 및 FA를 선택적으로 서비스를 하거나 동시에 서비스를 할 수 있으므로 매우 경제적이며, 시설 및 장비 점유 면적을 기존에 비해 줄일 수 있다는 것이다.

또한 기존 SAW Filter 보다 우수한 선택도 특성 및 삽입 손실을 가지고 있어 안정적인 통화 품질을 확보할 수 있는 장점이 있다.

중계기 내 IF단에 Digital Filter를 사용함으로 IF 중심 주파수와 IF 주파수 밴드 폭을 사용자가 원하는 주파수 위치와 밴드 폭으로 변경할 수 있어 시스템 구성 및 설계를 효율적으로 할 수 있으며, IF 주파수 사용 효율을 높일 수 있다.

본 발명은 Digital Filter를 이동 통신 중계기에 적용하여 인접 대역의 여러 사업자들의 신호를 동시에 수용하여 선택적으로 서비스할 수 있는 통합 중계기를 개발함으로써 비용과 시간을 줄일 수 있는 획기적인 방법이다.

도4, 도5, 도6, 도7은 Digital Filter을 적용한 중계 시스템 각각에 대한 블록도 이다.

Digital Filter를 적용한 중계기도 SAW Filter를 적용한 중계기와 마찬가지로 이동 통신 기지국으로부터 RF 신호를 입력받는다. 입력받은 RF 신호는 Digital Filter에서 Filtering 하기 위해 RF Mixer(4)를 이용하여 IF 주파수로 다운(Down) 시킨다. 다운(Down)된 IF 신호는 ADC(5 : Analog to Digital Converter)에서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 시킨다. 변환된 디지털 신호는 사용자가 정의한 중심 주파수와 대역폭으로 100MHz 클럭(Clock)을 이용하여 샘플링(Sampling)한 다음 디지털 다운(Down) 컨버터(17) 블록으로 보내진다.

디지털 다운 컨버터(17) 블록으로 보내진 디지털 신호는 디지털 다운 컨버터(17) 내에 있는 디지털 믹서(Mixer)에서 신호가 변환되어 필터 블록(8)으로 보내진다. 필터 블록(8)으로 보내진 신호는 외부 SPI Interface Control(9)을 이용하여 필터 블록(8) 내에서 사용자가 정의한 대역으로 각각 Filtering을 한다. 사용자가 정의한 대역으로 Filtering된 디지털 신호는 Spectrum Mask 특성을 만족하기 위해 필터 블록(8) 내에서 Pulse Shaping Filtering 및 Interpolation Filter를 사 용하여 신호 특성을 개선 시키며, 필터 안전성을 위해 FIR(Finite Impulse Response)을 적용한다.

필터 블록(8)을 통과한 디지털 신호는 디지털 업(Up) 컨버터(18) 블록으로 보내진다. 디지털 업 컨버터(18)로 보내진 신호는 디지털 업 컨버터(18) 내에 있는 디지털 믹서(Mixer)를 이용하여 신호를 변환 시키며, 변환된 신호는 DAC(6 : Digital to Analog Converter)에서 사용자가 정의한 중심 주파수와 대역폭을 가지는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환 시킨다.

아날로그 신호로 변환된 신호는 RF Mixer(4)를 이용하여 IF 주파수를 RF 주파수로 업(UP) 시킨다. 주파수 업(Up)된 RF 신호는 AMP(14)를 이용하여 적정레벨로 증폭 시킨 다음 안테나 포트를 이용하여 신호를 방사한다.

또한, 디지털 필터(16) 내에 있는 TCXO(13)는 VCXO(11) 동기를 위해 사용되어 지며, VCXO(11)은 PLL(12)을 사용하여 ADC(5), DAC(6), 디지털 필터부(16)에 클럭(Clock)을 공급한다. TCXO(13 : 10MHz)로부터 동기된 VCXO(11 : 400MHz) Clock은 PLL(12) IC를 통하여 ADC(5)에서 사용되는 100MHz Clock, DAC(6)에서 사용되는 400MHz Clock, 디지털 필터부(16)에서 사용되는100MHz 신호를 생성한다.

도 1은 기존 SAW Filter을 이용한 대역가변 블록도

도 2는 Digital Filter 블록도

도 3는 Digital Filter 대표도

도 4는 RF 중계기 블록도

도 5은 대역변환 중계기 블록도

도 6은 광 중계기 블록도

도 7는 인빌딩 중계기 블록도

[ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ]

5 : ADC(Analog/Digital Converter) 6 : DAC(Digital/Analog Converter) 7 : FPGA(Field Programmable Gate Array) 16 : Digital Filter

20 : 이동통신 도너(Donor) 안테나 21 : Duplexer

28 : 서비스(Service) 안테나 32 : 링크(Link) 안테나

53, 54 : 디지털 광 모듈 62 : 광 케이블

79 : 급전선 100 : 제어부

1) 도 1은 기존 SAW Filter를 이용한 대역가변 블록도

도 1은 기존 SAW Filter를 이용하여 중심 주파수와 대역을 가변한 회로의 블록도이다. 제어부(100)가 PLL(1 : Phase Locked Loop) 주파수를 제어하여 주파수를 가변시키며, 대역폭을 조절하기 위해 SAW Filter(90)를 2단 사용하였다.

RF 신호(101)가 입력되면 Mixer(4)를 이용하여 IF 신호(102)로 다운시킨 후 1차 SAW Filter(90)를 이용하여 Filtering을 한다. Filtering된 신호는 Mixer(4)를 이용하여 RF 신호(103)으로 업 시킨다. 다시 RF 신호(103)는 제어부(100)에서 제어된 PLL 주파수와 Mixer(4)를 이용하여 중심 주파수가 이동된 IF 신호(104)로 변환되고, 2차 SAW Filter(90)에 의해 원하는 대역만을 Filtering 한다. 중심 주파수와 대역이 이동된 IF 신호(104)는 Mixer(4)를 이용하여 사용자가 원하는 RF 신호(105)로 주파수 변환된다.

SAW Filter를 이용한 대역가변 방식은 도 1에 나와 있는 것 같이 SAW Filter를 2단 사용함으로 회로 구성이 복잡해지고, 기구 사이즈도 커지는 단점이 있으며 주파수 가변 및 대역 가변에도 정확한 주파수를 정의해주어야 하므로 한계가 있다.

90 : IF SAW Filter , 1 : PLL(Phase Locked Loop) , 4 : Mixer , 100 : 제어부(PLL 신호 제어) , 101 : 입력된 RF 신호 , 102 : 주파수 Down된 IF 신호 , 104 : PLL에 의해 중심 주파수와 대역이 이동된 IF 신호 , 105 : 중심 주파수와 대역이 이동된 RF 신호

2) 도 2는 Digital Filter 블록도

도 2는 Digital Filter에 대한 블록도로서 입력된 RF 신호(101)는 PLL(1)과 Mixer(4)를 이용하여 IF 주파수(102)로 변환된다. 변환된 IF 신호(102)는 ADC(5)에서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환된다. 변환된 디지털 신호는 FPGA(7) 내에 있는 Control Interface(9)를 이용하여 디지털 가변 필터(8)의 중심 주파수와 Filtering 대역폭을 결정한 후 중심 주파수와 대역폭이 이동된 신호(106)를 출력한다. Filtering된 Digital 신호(106)는 다시 DAC(6)을 이용하여 중심 주파수와 대역폭이 이동된 아날로그 신호(107)로 변환되며, 중심 주파수와 대역폭이 이동된 아날로그 신호는 Mixer(4)와 PLL(1)를 이용하여 중심 주파수와 대역폭이 이동된 RF신호(108)로 변환 후 출력 포트를 이용하여 출력하게 된다.

5 : ADC(Analog Digital Conversion) , 6 : DAC(Digital Analog Conversion), 1 : PLL(Phase Locked Loop), 4 : Mixer, 7 : FPGA(Field Programmable Gate Array) , 2,3,14,15 : 신호 증폭기 , 16 : Digital Filter , 17 : Digital Down Converter , 18 : Digital Up Converter , 106 : 중심 주파수와 대역이 이동된 디지털 신호 , 107 : 중심 주파수와 대역이 이동된 IF 신호 , 108 : 중심 주파수와 대역이 이동된 RF 신호

3) 도 3은 Digital Filter 대표도

도 3은 Digital Filter를 적용한 시스템에서 사업자 별로 선택하여 서비스하는 구조를 간단하게 나타낸 블록도 이다. 기존 SAW Filter의 경우 인접 대역에 있는 여러 사업자에 대해 선택적으로 서비스를 할 경우 각각 사업자에 대해 신호 특성을 개선 시키기 위해 각각의 경로에 SAW Filter를 사용하거나, PLL 주파수를 제어하여(도1) 대역을 가변시켜 사업자에게 서비스를 할 수 있도록 설계된 구조였지만, Digital Filter는 도 2에 나타낸 것과 같이 간단한 구현으로 쉽게 인접 대역에 있는 여러 사업자 중 서비스를 원하는 사업자에 대해 선택적으로 서비스 가능하게 할 수 있다. 이것은 Digital Filter의 장점인 가변 중심 주파수와 가변 대역폭을 프로그램으로 제어할 수 있기 때문에 쉽게 구현 가능하다.

4) 도 4은 RF 중계기 시스템 블록도

Digital Filter를 적용한 이동 통신용 RF 중계기 시스템 블록도이다. 순방향 신호는 Donor Antenna(20)로부터 입력받으며, 입력된 순방향 신호는 Duplexer(21)에서 송신 신호와 수신 신호로 분리된다. Duplexer(21)를 지난 순방향 신호는 LNA(22)에서 저잡음 증폭한 다음 Mixer(4)에서 IF 주파수로 다운된다. IF 신호는 Digital Filter에서 적당한 중심 주파수와 대역폭으로 Filtering 한 다음 출력 측 Mixer를 이용하여 RF 신호로 변환한다. 변환된 RF 신호는 최종 AMP(26)에서 적정레벨로 증폭한 다음 Duplexer(21)를 지나 Service ANT(28)를 통해 방사된다. 역방향 신호는 순방향 신호의 역순으로 진행되며 Donor Ant(20)를 통해 방사하게 된다.

RF 중계기에 Digital Filter를 적용하면 기존 SAW Filter 방식에 비해 신호의 선택도를 개선하여 신호 품질을 향상 시킨다.

22, 27 : LNA(Low Noise Amplifier:저잡음 증폭기), 23,26 : HPA(High Power Amplifier) , 21 : Duplexer , 20 : Donor Antenna , 28 : Service Antenna

5) 도 5는 대역 변환 중계기 블록도

블록도는 서비스 신호를 Link 신호로 변환하고, 다시 Link 신호를 서비스 신 호로 변환하는 대역변환 중계기에 대한 블록도 이다. 대역 변환 중계기에 Digital Filter는 DU(Donor Unit), RU(Remote Unit)에 각각 사용하며, Digital Filter를 이용하여 신호의 선택도 및 인접 대역간 아이솔레이션(Isolation)을 개선 시킬 수 있다. 또한 본 디지털 대역변환 중계기는 주파수 및 대역을 가변 시킬 수 있음으로 언제든지 서비스 주파수 및 대역을 변환하여 망 설계 시 지역 이동 및 서비스 용량 증설을 용이하게 할 수 있다.

Donor 안테나(20)로부터 수신된 서비스 순방향 신호는 LNA(33)에서 저 잡음 증폭한 다음 PLL(1)과 Mixer(4)를 이용하여 IF 주파수로 변환되며, 변환된 IF 신호는 원하는 중심 주파수와 밴드로 Filtering하게 된다. Filtering된 IF 신호는 PLL(1)과 Mixer를 이용하여 링크 순방향 신호로 변환된 후 HPA(36)를 통해 적정레벨로 증폭한 다음 링크 안테나(32)를 통해 RU(Remote Unit)로 전송한다. RU(Remote Unit)의 링크 안테나(32)는 DU(Donor Unit)로부터 전송 된 링크용 순방향 신호를 LNA(41)를 통해 저 잡음 증폭 후 Mixer(4)와 PLL(1)를 이용하여 IF 주파수로 변환하며, 변환된 IF 주파수는 Digital Filter(16)를 통해 적당한 중심 주파수와 밴드로 Filtering을 한다. Filtering된 신호는 다시 Mixer(4)와 PLL(1)를 이용하여 서비스 RF 신호로 변환한다. 변환된 서비스 RF 신호는 HPA(44)에서 적정레벨로 증폭한 다음 서비스 안테나(28)를 통해 방사하게 된다. 역방향 신호는 순방향 신호 흐름의 역순으로 진행된다.

20 : Donor Antenna , 28 : Service Antenna , 31 : Arrester/Coupler , 32 : Link Antenna

6) 도 6는 디지털 광 중계기에 대한 블록도

도 6는 Digital Filter가 적용된 디지털 광 중계기에 대한 간략한 블록도 이다. 기지국 RF 케이블(Cable)을 통해 입력된 순방향 신호는 Mixer(4)에서 IF 신호로 변환 되며, IF로 변환된 신호는 Digital Filter(16)에서 Filtering 후 MHU(Master Hub Unit) 디지털 광모듈(53)에서 디지털 신호를 광 신호로 변환 후 ROU(Remote Optic Unit) 광모듈(54)로 전송한다. ROU 광모듈(54)은 광 신호를 다시 디지털 신호로 변환 후 ROU Digital Filter(16)로 전송하며, Digital Filter에서 Filtering 후 Mixer(4)를 이용하여 RF 신호로 변환 후 최종 LPA(57)에서 적정레벨로 증폭한 다음 서비스 안테나(28)를 통해 방사한다.

53 : MHU(Master Hub Unit) 디지털 광모듈 , 54 : ROU(Remote Optic Unit) 디지털 광모듈 , 62 : 광케이블 , 57 : LPA(Linear Power Amplifier) , 59 : LNA(Low Noise Amplifier) , 58 : BPF(Band Pass Filter)

7) 도 7는 인빌딩 중계기에 대한 블록도

Digital Filter가 적용된 인빌딩 중계기로서 입력된 신호를 IF 신호로 변환하여 Digital Filtering 후 광 모듈(53)을 통해 광 신호로 변환 후 광케이블(62)를 통해 RHU(Remote Hub Unit) 광모듈(54)로 전송하며, 다시 광 신호를 디지털 신호로 변환 한다. 변환된 IF 신호는 Digital Filter(16)에서 Filtering 후 Mixer(4)를 통해 RF 신호로 변환 된다. 변환된 RF 신호는 급전선(79)를 통해 RU(Remote Unit)로 전송되며, RU(Remote Unit) HPA(High Power Amplifier)에서 적정레벨로 증폭한 다음 서비스 안테나(28)를 통해 신호를 방사하게 된다.

79 : 급전선 , 82 : HPA(High Power Amplifier)

Claims (2)

1. 무선통신 CDMA, WCDMA, WiBro(휴대인터넷), cdma2000, GSM, IDEN용 이동 통신용 중계시스템에서 IF용 필터를 Digital 방식의 Filter로 사용하는 이동 통신용 중계시스템 상기 중계시스템은 RF 중계시스템, 주파수 변환 중계시스템, 대역변환 중계시스템 마이크로웨이브 중계시스템, 광 중계시스템, 인 빌딩 중계시스템 등 무선 및 유선 중계시스템이다.
2. 청구1항에 있어서 Digital 방식 및 Digital Filter를 이용하여 주파수 변환 및 대역을 가변하는 방법 및 중계시스템

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