KR20090031656A - 디지털 ｆｍ 라디오 송신기 - Google Patents

Abstract

디지털 FM 송신기가 변조된 RF 반송파를 생성하는 디지털 제어 발진기를 구비한다. 디지털 신호 처리기는 디지털 입력 샘플들을 수신하고 상기 디지털 제어 발진기의 입력으로써 변조 신호를 생성한다. 대역통과필터는 상기 변조된 반송파에서 미리 정해진 주파수 대역 밖의 주파수 부분을 필터링하고 상기 필터링된 변조된 RF 반송파를 안테나에 공급한다.

디지털 FM 송신기, 디지털 제어 발진기, 디지털 신호 처리기, 주파수 대역 필터링, 주파수 변조, 반송파, 전처리

Description

디지털 ＦＭ 라디오 송신기{DIGITAL FM RADIO TRANSMITTER}

본 발명은 디지털 주파수 변조(frequency modulation; FM), 특히 디지털 FM 라디오 (무선) 송신기 분야에 관한 것이다.

오이엠 (OEM) 자동차용 블루투스 핸즈프리 키트 애플리케이션에서, 블루투스 송수신기/음성 처리기는 보통 카스테레오 (car stereo) 스피커에 미리 유선연결 (pre-wired)된다. 그러나, 2차시장 (aftermarket) 에서, 자동차 전자 시스템이 개조되어야 하거나 추가의 스피커가 자동차에 설치되어야 한다. 이러한 방법들은 보통 자격 있는 자동차 전자 기술자에 의해 이루어져야 하므로 성가신 (cumbersome) 작업이다. 이러한 문제를 피하기 위해, 몇몇 자동차용 블루투스 핸즈프리 키트 생산자들은 자동차용 블루투스 핸즈프리 키트에서 카스테레오까지 음성과 음악을 방송 (broadcast)하기 위해 단거리 FM 송신기를 사용한다. 이 해결책은 기존의 많은 송신기들 중의 하나를 사용한다.

이러한 송신기들은 LC 발진기 (L-인덕터, C-커패시터)의 커패시턴스 (capacitance)를 변경함으로써 반송파 주파수가 변하는 아날로그 기술에 근거하고 있다. LC 발진기의 커패시턴스는 트리머 포텐셔미터 (trimmer potentiometer)로 버랙터 다이오드 (varactor diode)의 바이어스 전압을 변화시킴으로써 변경시킬 수 있다. LC 기반 발진기의 주파수는 온도와 노화 (aging)에 매우 민감하며 차 안의 온도는 50℃까지 (태양광에 노출된 경우 vs 에어컨이 작동하는 경우) 변화할 수 있으므로, 이러한 FM 전송기의 반송파 주파수는 10%까지 유동 (drift)적이다. 따라서, FM 송신기는 잦은 주파수 조율(retuning)이 필요하고, 자동차용 애플리케이션에 있어 유용적이지 못하다. 또한, 이러한 해결책은 아날로그 영역의 음성/음악 신호나, 음성/음악이 디지털로 저장, 처리 및 전송되는 시스템의 경우 음성/음악 신호를 디지털에서 아날로그 영역으로 변환시키는 디지털-아날로그 (D/A) 변환기를 필요로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 변조된 RF 반송파를 생성하는 디지털 제어 발진기(digital controlled oscillator; 이하 DCO); 디지털 입력 샘플을 수신하고 그것으로부터 변조 신호를 생성하여 상기 디지털 제어 발진기의 입력으로 하는 처리기; 및 상기 변조된 반송파에서 미리 정해진 주파수 대역 밖의 주파수 부분을 필터링하고 상기 필터링된 변조 RF 반송파를 안테나로 공급하는 대역통과필터로 구성되 는 디지털 FM 송신기를 제공한다. 상기 처리기는 범용 처리기도 쓰일 수 있으나, 통상적으로 디지털 신호 처리기이다.

선택적으로, 상기 DCO로부터의 출력은, 필요시 DCO 출력 클럭 주파수를 체배 (multiply)하기 위해서, 그리고 상기 반송파의 돌출부 (spurs)를 100KHz 또는 그 이상의 주파수들로 약하게 하기 위해서 아날로그 위상고정루프 (analog phase locked loop; APLL)를 통과할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 디지털 제어 발진기로 반송파를 생성하는 과정; 처리기에서 입력 샘플을 수신하는 과정; 상기 처리기에서 변조(modulating) 신호를 생성하는 과정; 상기 변조 신호를 상기 디지털 제어 발진기에 공급하여 상기 반송파를 변조하는 과정; 및 안테나에 공급하기 위해 상기 디지털 제어 발진기의 출력으로부터 RF 신호를 필터링하는 과정을 포함하는 주파수 변조 RF 신호를 생성하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, FM 송신기는 디지털 샘플 (음성/음악/데이터)로부터 안테나에 이르기까지 항상 디지털영역에서 실행된다. 반송파 주파수는 매우 세밀한 수준 (1Hz 미만)에서 선택될 수 있으며, 온도 안정도 (temperature stability)는 FM 송신기 디지털 발진기를 구동하는데 쓰이는 수정발진기 (crystal oscillator)의 온도 안정도에 따라 0.0001% (1ppm) 내지 0.002% (20ppm)의 범위 내에 있을 수 있다. RF 전송 전력 또한 디지털방식으로 조정될 수 있다. 따라서 본 발명은 음성/음악 디지털 샘플에서 상기 안테나 이전의 수동 대역통과필터에 이르기까지 완전한 디지 털 FM 송신기를 제공한다.

본 발명은 자동차용 핸즈프리 키트 애플리케이션 뿐만 아니라, 사용자가 음성/음악을 방송하길 원하는 곳에서, 건물이나 자동차 내부의 모든 FM 라디오 수신기에 의해 수신가능한 MP3 플레이어 또는 데스크탑 전화기와 같은 다른 애플리케이션에서도 사용될 수 있다.

본 발명은 첨부되는 도면들을 참조하여 예로써 보다 상세하게 설명될 것이다.

본 발명의 원리에 따라, FM 변조는 음성/음악 디지털 샘플의 진폭에 비례하여 디지털 제어 발진기 (DCO)의 중심주파수를 변화시킴으로써 수행된다. 상기 DCO의 상기 중심주파수의 업데이트 비율은 음성/음악 신호의 샘플링 주파수와 동일하다-통상적으로, 상기 샘플링 주파수는 8KHz, 16KHz, 44.1KHz 또는 48KHz이나, 송신기는 어떤 다른 샘플링 주파수에서도 사용될 수 있다. 상기 반송파 주파수는 동작중에 변할 수 있는데, 단지 고선명도 (fine resolution)의 DCO 중심주파수를 변경함으로써 변할 수 있다. DCO를 구동시키는데 사용되는 수정발진기의 정확도와 상응하는 높은 정확도를 달성할 수 있다.

상기 DCO 출력 주파수는 이어서 구형파 (square wave) FM 신호를 사인파 (sine wave) FM 신호로 변환하는 대역통과필터로 입력되고, 그 다음에 안테나로 입력되기 전에 (송신기의 전력을 줄이기 위한) 수동 감쇠기로 입력된다. 상기 DCO 출력 주파수의 홀수 고조파들 (odd harmonics) 중의 하나가 FM 라디오 대역 내에 있 는한 상기 DCO 출력 주파수는 요구되는 FM 라디오 주파수보다 낮을 수 있다. 이것은 DCO 출력 클럭 (output clock)이 구형파 클럭이기 때문에 가능하다; 따라서 상기 DCO 출력 클럭은 메인 홀수 고조파들 (3차, 5차, 7차 등)을 갖는다. 이 고조파들의 최대 전압은 n에 따라 감소하는데, n은 상기 고조파의 차수 (harmonic number)이다. 즉, 이러한 특징을 이용하여 단순히 어느 고조파가 FM 라디오 대역에 놓일 것인지 선택함으로써 RF 신호 전력을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 출력 클럭의 5차 고조파가 상기 FM 라디오 대역에 있다면, 상기 DCO 출력 주파수를 변경하여 상기 DCO 출력 클럭의 3차 고조파가 FM 라디오 대역에 있도록 함으로써 전송전력을 증가시킬 수 있다. 유사하게, 상기 DCO 출력 주파수를 줄여서 7차 고조파가 상기 FM 라디오 대역에 놓이도록 함으로써 전력을 줄일 수 있다.

도 1은 디지털 FM 송신기의 일 실시예를 도시한다. 상기 디지털 FM 송신기는, 복조 신호를 생성하는 디지털 신호 처리기 (DSP)(10), 반송파를 복조하는 디지털 제어 발진기 (DCO)(12), DCO(12)로부터 발생하는 고유의 위상잡음을 감쇠하는 선택적인 위상잡음감쇠기(14), 및 요구되는 주파수 대역 (FM 라디오의 경우 88MHz 에서 108MHz) 밖의 요소들을 필터링하는 대역통과필터와 FM 안테나(18)로 전달되는 RF 신호를 감쇠하는 수동 감쇠기를 포함하는 수동 감쇠기 유닛(16)으로 구성된다.

도 2에서 상기 DSP(10)는 소프트웨어로 구현되는 변조 신호 생성기를 포함한다. 상기 변조 신호 생성기는 음성/음악 디지털 샘플을 수신하고 전처리 필터(20) (pre-emphasis filter)를 통과하게 한다. 상기 전처리 필터(20) 상기 FM 신호의 잡음 대 신호의 비율을 일정하게 유지하기 위해 변조 신호의 고주파성분 (higher frequency components)을 증폭 (boost)한다. 고주파수에서 주파수 변조는 잡음 대 신호의 비율의 본질적 감소를 초래한다.

전처리 필터를 지난 후에, 상기 신호는 주파수 편이 곱셈기(24) (frequency deviation multiplier)에서 가중치 N_DFM 이 곱해짐으로써 가중치가 부여된다 (weighted). 출력은 덧셈기(26)에서 DCO(12)의 중심주파수 값 N_fc 에 더해지고 나서 DCO(12) 내부의 덧셈기(27)의 입력으로 공급된다. 가중치는 FM 신호의 최대 주파수 편이 (FM 라디오의 경우 75KHz)와 DCO(12)의 출력 주파수에 의존한다. 모든 이런 동작은 음성/음악 신호의 샘플링 레이트 (8KHz, 16KHz, 44.1KHz 또는 48KHz)에서 수행된다.

상기 가중치는 다음 수학식을 만족해야 한다:

여기서, f_c 는 반송파 주파수, D_FM 은 최대 주파수 편이, max_ampl 은 변조 신호의 최대 진폭 (16비트 샘플의 경우 이 값은 0x7FFF이다), N_fc 는 DCO에 의해 생성되는 반송파 주파수를 특정하는 번호이고, N_DFM 은 최대 주파수 편이를 나타내는 수이다.

따라서,

상기 DCO 출력의 최대 주파수가 요구되는 FM 라디오 주파수보다 작으면 N_DFM 과 N_fc 는 요구되는 FM 반송파 주파수와 상기 DCO 출력 주파수의 비율로 스케일 다운 (scale down)되어야 한다.

전술한 바와 같이, 상기 최대 DCO 출력 주파수는, 상기 DCO 출력 신호 (상기 DCO 출력은 구형파 신호이다)의 홀수(또는 짝수) 고조파들 중의 하나가 FM 라디오 대역 내에 있는 한, FM 라디오 대역 (88 내지 108 MHz)에 있어야 하는 것은 아니다. 어떤 고조파가 상기 FM 라디오 대역에 놓일 것인지 선택함으로써, 상기 출력 전력은 조절될 수 있다. 이것은 n이 고조파의 차수일 때 n의 비율로 상기 고조파의 진폭이 떨어지기 (drop) 때문이다.

DCO에 의해 생성된 상기 주파수는 다음 수학식으로부터 계산될 수 있다:

여기서,

이다.

x(n)은 입력 음성/음악 디지털 신호, DCO_ACC_WIDTH는 DCO의 누산기(13)의 비트들의 폭이고, f_CLK 는 도 1에서 보여지듯이 상기 DCO(12)의 마스터 주파수이다.

상기 DCO의 오버플로우 출력은 f_DCO와 동일한 평균 주파수를 가지나, 상기 DCO 오버플로우 출력 천이 (transition)는 f_DCO 천이와 정렬 (align)되는 것이 아니라 상기 DCO의 마스터 클럭 f_CLK 과 정렬되기 때문에 순간 주파수는 f_DCO와 같지 않다. 상기 DCO 오퍼플로우 출력의 순간 위상 오차는 0에서부터 상기 클럭 f_CLK 의 기간 폭 (period width)까지 변한다. 이 값은 DCO의 오버플로우 조건의 시점에서 DCO 리메인더 (remainder) 값으로 산술적으로 주어진다.

도 3a 내지 도 3f는 DCO 고유의 위상 오차를 줄이는데 사용되는 여러가지 서로 다른 회로들을 보여준다. DCO(12), 대역통과필터(16) 및 안테나(18)를 포함하고 있는 가장 간단한 도면 (도 3a)은 단지 DCO의 f_CLK를 증가시키고 있다.

두 번째 방법 (도 3b)은 APLL(21) (아날로그 위상고정루프)를 DCO(12)와 대역통과필터(16) 사이에 사용하여 상기 APLL 루프 대역 밖의 위상 잡음을 필터링하고 있다.

세 번째 방법 (도 3c)은 국제 특허: PCT/CA95/00432에 기재된 것처럼 DCO 리메인더 (remainder)에 의해 제어되는 탭 지연선(22) (tapped delay line)을 DCO(12)와 대역통과필터(16) 사이에 사용한다. 이것은 최대 위상 오차가 상기 탭 지연선 내부의 단일 지연 셀의 지연까지 이르도록 감소되게 한다.

만일 상기 탭 지연선(22) 뒷단에 APLL(21)이 연결되면 (도 3d에 보여지듯이), 지터 (jitter)는 더욱 감소될 수 있다.

네 번째 방법 (도 3e)은 영국 특허: 0608202.8에 기재된 것처럼 디지털 시그마-델타 지터 셰이퍼(25) (digital sigma-delta jitter shaper)를 DCO(12)와 대역통과필터(16) 사이에 사용한다.

다섯 번째 방법 (도 3f)은 미국 특허 제5,905,388호에 기재된 것처럼 시그마-델타 지터 셰이퍼(25) (sigma-delta jitter shaper)를 DCO(12)와 APLL(21) 사이에 사용한다. 상기 지터 셰이퍼(25)의 출력은 APLL 피드백 루프의 분할 계수 (division factor)를 제어하는데 사용된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디지털 FM 송신기 회로의 고수준 블록 다이어그램,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디지털 FM 송신기 회로의 보다 상세한 블록 다이어그램; 및

도 3a 내지 도 3f는 DCO에 의해 발생하는 위상잡음을 줄이는데 사용될 수 있는 다양한 위상잡음감쇠 스키마의 블록 다이어그램이다.

Claims (18)

1. 디지털 FM 송신기에 있어서,

   변조된 RF 반송파를 생성하는 디지털 제어 발진기;

   디지털 입력 샘플을 수신하고 그것으로부터 변조 신호를 생성하여 상기 디지털 제어 발진기의 입력으로 하는 처리기; 및

   상기 변조된 반송파에서 미리 정해진 주파수 대역 밖의 주파수 성분을 필터링하고 상기 필터링된 변조된 RF 반송파를 안테나로 공급하는 대역통과필터를 포함하는 디지털 FM 송신기.
2. 제1항에 있어서, 상기 처리기는 디지털 신호 처리기 (digital signal processor)인 디지털 FM 송신기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 안테나에 공급되는 상기 RF 반송파를 감쇠하기 위한 감쇠기(attenuator)를 더 포함하는 디지털 FM 송신기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디지털 신호 처리기는 상기 변조 신호의 고주파성분을 증폭 (boost)하는 전처리 필터 (pre-emphasis filter)를 포함하는 디지털 FM 송신기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가중치에 의해 상기 변조 신호에 가중치를 부여하는 주파수 편이 곱셈기 (frequency deviation multiplier)를 더 포함하는 디지털 FM 송신기.
6. 제5항에 있어서, 상기 변조 신호를 상기 디지털 제어 발진기의 중심주파수에 더하는 덧셈기 (adder)를 더 포함하는 디지털 FM 송신기.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 가중치는 다음 방정식을 만족하는 디지털 FM 송신기:

   

   여기서, f_c 는 상기 반송파 주파수, D_FM 은 최대 주파수 편이, max_ampl 은 상기 변조 신호의 최대 진폭이다.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디지털 제어 발진기의 위상 잡음 감쇠기 (phase noise attenuator)을 더 포함하는 디지털 FM 송신기.
9. 제8항에 있어서, 상기 위상 잡음 감쇠기는 루프 대역폭 밖의 위상 잡음을 필터링하는 아날로그 위상고정루프 (analog phase locked loop)를 포함하는 디지털 FM 송신기.
10. 제8항에 있어서, 상기 위상 잡음 감쇠기는 상기 디지털 제어 발진기의 리메인더 (remainder)에 의해 제어되는 탭 지연선 (tapped delay line)을 포함하는 디지털 FM 송신기.
11. 제10항에 있어서, 상기 탭 지연선 뒷단에 아날로그 위상고정루프가 연결되는 디지털 FM 송신기.
12. 제10항에 있어서, 상기 위상 잡음 감쇠기는 디지털 시그마-델타 지터 셰이퍼 (digital sigma-delta jitter shaper)를 포함하는 디지털 FM 송신기.
13. 제12항에 있어서, 상기 지터 셰이퍼의 출력은 아날로그 위상고정루프의 피드백 루프의 분할 계수 (division factor)를 제어하는 디지털 FM 송신기.
14. 주파수 변조된 (modulated) RF 신호를 생성하는 방법에 있어서,

    디지털 제어 발진기 (DCO)에 의해 반송파를 생성하는 과정;

    디지털 신호 처리기에서 입력 샘플을 수신하는 과정;

    상기 디지털 신호 처리기에서 변조 (modulating) 신호를 생성하는 과정;

    상기 변조 신호를 상기 디지털 제어 발진기로 공급하여 상기 반송파를 변조하는 과정; 및

    상기 디지털 제어 발진기의 출력으로부터 RF 신호를 필터링하여 안테나에 공급하는 과정을 포함하는 주파수 변조된 RF 신호를 생성하는 방법.
15. 제14항에 있어서,

    상기 디지털 제어 발진기의 출력은 FM 대역의 밖에 기본 주파수 (fundamental frequency)를 가지며, 상기 RF 신호는 상기 FM 대역 내에 있는 상기 출력의 고조파를 필터링함으로써 얻어지는 주파수 변조된 RF 신호를 생성하는 방법.
16. 제14항에 있어서, 상기 RF 신호의 이득은 상기 DCO 출력 구형파 신호의 어떤 고조파가 FM 라디오 대역 내에 위치할 것인지 정함으로써 제어되는 주파수 변조된 RF 신호를 생성하는 방법.
17. 제14항에 있어서, 디지털 샘플은 상기 변조된 반송파를 생성하는 상기 디지털 제어 발진기의 중심 주파수에 더해지기 전에 가중치 부여되는 주파수 변조된 RF 신호를 생성하는 방법.
18. 제14항에 있어서,상기 샘플은 상기 반송파를 변조하기 전에 고주파성분을 소프트웨어에 의해 증폭하기 위해 전처리되는 (pre-emphasized) 주파수 변조된 RF 신호를 생성하는 방법.

Images