KR20180097109A - 근거리 무선 통신 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치는, 반송파 신호 및 데이터를 포함하는 아날로그 신호를 수신하는 리시버, 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터, 및 상기 디지털 신호를 필터링하는 필터를 갖는 수신 모듈, 및 상기 필터의 차단 주파수 대역에 속하는 동작 주파수를 갖는 DC-DC 컨버터, 및 상기 DC-DC 컨버터로부터 전원을 공급받아 동작하며, 시스템 클럭 신호를 입력받아 상기 반송파 신호를 송출하는 트랜스미터를 갖는 송신 모듈을 포함한다.

Description

근거리 무선 통신 장치{NEAR FIELD COMMUNICATION DEVICE}
본 발명은 근거리 무선 통신 장치에 관한 것이다.
근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC) 기술은 특정 대역의 주파수를 이용하여 짧은 거리 내에서 데이터를 교환할 수 있는 통신 기술로서, 높은 보안성 등의 장점에 의해 다양한 분야에 적용되고 있다. 최근에는 근거리 무선 통신 장치가 다양한 종류의 전자 기기에 탑재되고 있으며, 모바일 기기에서는 근거리 무선 통신 기능을 이용하여 교통카드, 신용카드, 쿠폰 등의 전자 결제 기능 및 데이터 교환 기능을 사용자에게 제공할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 통신 성능과 소모 전력 효율을 개선한 근거리 무선 통신 장치를 제공하고자 하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치는, 반송파 신호 및 데이터를 포함하는 아날로그 신호를 수신하는 리시버, 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터, 및 상기 디지털 신호를 필터링하는 필터를 갖는 수신 모듈, 및 상기 필터의 차단 주파수 대역에 속하는 동작 주파수를 갖는 DC-DC 컨버터, 및 상기 DC-DC 컨버터로부터 전원을 공급받아 동작하며, 시스템 클럭 신호를 입력받아 상기 반송파 신호를 송출하는 트랜스미터를 갖는 송신 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치는, 반송파 신호 및 데이터를 포함하는 아날로그 신호를 수신하는 리시버, 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터, 및 상기 디지털 신호를 소정의 차단 주파수 대역에서 필터링하며, 상기 차단 주파수 대역은 상기 반송파 신호를 분주하여 생성된 신호의 주파수 및 그 고조파 성분들을 포함하는 디지털 필터를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, DC-DC 컨버터로부터 전원을 공급받아 반송파 신호를 생성하는 트랜스미터를 이용함으로써 근거리 무선 통신의 통신 가능 거리를 증가시킴과 동시에, 신호 수신부에 필터를 마련하여 DC-DC 컨버터에 의해 반송파 신호에 포함되는 노이즈 성분을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 근거리 무선 통신 장치의 동작 상태에 따라 DC-DC 컨버터의 동작 방식을 결정함으로써, 근거리 무선 통신 장치의 소모 전력을 효율적으로 관리할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치를 포함하는 전자 기기를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치에 포함될 수 있는 필터를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 5 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치를 포함하는 전자 기기를 나타낸 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치를 포함하는 전자 기기를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 기기(10)는 하우징(11), 디스플레이(12), 카메라부(13), 입력부(14) 등을 포함할 수 있다. 전자 기기(10)는 스마트폰, 태블릿 PC, 랩톱 컴퓨터 등의 모바일 기기인 것으로 도시되었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC) 장치는 데스크탑 컴퓨터, 가정용 TV, 셋탑 박스, 냉장고, 세탁기 등의 다른 다양한 기기에도 적용될 수 있다.
전자 기기(10)에 포함되는 근거리 무선 통신 장치는 특정 주파수 대역의 반송파 신호(carrier signal)를 이용하여 NFC 태그(20)와 통신할 수 있다. 근거리 무선 통신 장치가 NFC 태그(20)로 송신하는 반송파 신호는 데이터를 포함하지 않은 신호일 수 있다. NFC 태그(20)는 근거리 무선 통신 장치로부터 수신한 반송파 신호를 이용하여 동작에 필요한 전원을 생성할 수 있다.
또한, NFC 태그(20)는 반송파 신호에 소정의 데이터를 포함시켜 근거리 무선 통신 장치로 송출할 수 있다. 즉, 근거리 무선 통신 장치는, NFC 태그(20)와 같은 주파수 대역을 갖는 반송파 신호를 주고 받으면서 데이터를 교환할 수 있다. 일 실시예에서, 근거리 무선 통신 장치와 NFC 태그(20) 사이의 통신에 이용되는 반송파 신호의 주파수는 13.56MHz일 수 있다. 근거리 무선 통신 장치와 NFC 태그(20)의 성능을 높이기 위해서는 근거리 무선 통신 장치가 출력하는 반송파 신호의 강도를 높일 필요가 있으며, 이를 위해 근거리 무선 통신 장치는 전력 증폭기, 및 전력 증폭기에 전원 전압을 공급하는 DC-DC 컨버터 등을 포함할 수 있다.
DC-DC 컨버터는 소정의 스위칭 주파수(switching frequency)에 따라 동작할 수 있으며, 스위칭 주파수에 따라 온/오프를 반복하는 스위치 소자를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 일 실시예에서 스위칭 주파수는, 스위치 소자를 제어하기 위한 신호의 주파수일 수 있다. DC-DC 컨버터가 전력 증폭기에 공급하는 전원 전압은 스위치 소자의 동작에 의해 발생하는 리플(ripple) 성분을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, DC-DC 컨버터가 전력 증폭기에 공급하는 전원 전압은, 전력 증폭기의 동작에 의해 반송파 신호의 주파수와 같은 주파수의 신호로 변환될 수 있다. 따라서, DC-DC 컨버터가 공급하는 전원 전압에 포함된 리플 성분이, 전력 증폭기가 출력하는 반송파 신호에 반영되어 NFC 태그(20)로 전송될 수 있다. NFC 태그(20)는 근거리 무선 통신 장치로부터 수신한 반송파 신호에 데이터를 포함시켜 다시 근거리 무선 통신 장치로 송출하며, 따라서 상기 리플 성분은 근거리 무선 통신 장치가 NFC 태그(20)로부터 수신하는 신호에도 포함될 수 있다. 이는, 근거리 무선 통신 장치가 수신한 신호를 복조하여 NFC 데이터를 추출하는 과정에서 노이즈 성분으로 작용할 수 있으며, 전자 기기(10)와 NFC 태그(20) 사이의 통신 성능을 저하시키는 원인이 될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 근거리 무선 통신 장치에 DC-DC 컨버터를 적용하여 통신 성능을 개선함과 동시에, 근거리 무선 통신 장치의 크기 및 소모 전력 증가를 최소화하고 DC-DC 컨버터 적용에 따른 노이즈 성분을 효과적으로 제거할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다. 한편, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치에 포함될 수 있는 필터를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치(100)는, 클럭 생성부(101), 코일부(102), 송신 모듈(110) 및 수신 모듈(120)을 포함할 수 있다. 송신 모듈(110)은 DC-DC 컨버터(111)와 트랜스미터(112)를 포함할 수 있다. 수신 모듈(120)은 리시버(121), 아날로그-디지털 컨버터(122), 필터(123) 등을 포함할 수 있다.
클럭 생성부(101)는 소정의 주파수를 갖는 시스템 클럭 신호를 생성할 수 있다. 일 실시예에서 시스템 클럭 신호의 주파수는 13.56MHz일 수 있으며, 시스템 클럭 신호는 DC-DC 컨버터(111) 및 트랜스미터(112)에 각각 입력될 수 있다. 트랜스미터(112)는 시스템 클럭 신호를 증폭시켜 송신 신호(ST)를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 송신 신호(ST)의 주파수는 시스템 클럭 신호의 주파수와 같을 수 있으며, 송신 신호(ST)의 진폭은 시스템 클럭 신호의 진폭보다 클 수 있다. 송신 신호(ST)는 코일부(102)를 통해 근거리 무선 통신 장치(100)에 근접한 NFC 태그로 전송될 수 있다.
트랜스미터(112)는 송신 신호(ST)의 진폭을 증폭하는 동작에 필요한 전원 전압을 DC-DC 컨버터(111)로부터 공급받을 수 있다. 일 실시예에서, DC-DC 컨버터(111)는 적어도 하나의 스위치 소자를 포함하는 부스트 컨버터일 수 있으며, 상기 스위치 소자를 제어함으로써 DC-DC 컨버터(111)의 출력을 변경할 수 있다. 상기 스위치 소자는 소정의 주파수를 갖는 제어 신호에 의해 제어될 수 있으며, 제어 신호의 주파수에 의해 DC-DC 컨버터(111)의 동작 주파수가 결정될 수 있다. DC-DC 컨버터(111)의 동작 주파수는, 제어 신호의 주파수와 같을 수 있으며, 상기 시스템 클럭 신호의 주파수보다 작을 수 있다. 일 실시예에서, 상기 시스템 클럭 신호의 주파수가 13.56MHz일 경우, 상기 동작 주파수는 3.39MHz 또는 1,695MHz 등과 같이 상기 시스템 클럭 신호의 주파수를 분주한 값을 가질 수 있다.
코일부(102)는 근거리 무선 통신 장치(100)에 근접한 NFC 태그가 전송하는 수신 신호(SR)를 리시버(121)에 전달할 수 있다. 일 실시예에서, 리시버(121)는 감쇠기, 믹서, 증폭기 등을 포함할 수 있으며, 리시버(121)에서 신호 처리 과정을 거친 수신 신호(SR)는 아날로그-디지털 컨버터(122)에 의해 디지털 신호로 변환될 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(122)의 출력단에는 필터(123)가 연결되며, 필터(123)는 상기 디지털 신호를 필터링하는 디지털 필터일 수 있다. 일 실시예에서 필터(123)는, DC-DC 컨버터(111)의 동작에 의해 생성되어 송신 신호(ST) 및 수신 신호(SR)에 반영된 노이즈 성분을 제거할 수 있다.
일 실시예에서 필터(123)는 소정의 차단 주파수 대역을 가질 수 있으며, 상기 차단 주파수 대역에서 신호를 제거할 수 있다. 필터(123)의 구성을 나타낸 도 3을 참조하면, 필터(123)는 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response, FIR) 필터로 디자인될 수 있으며, 지연부(210), 곱셈부(220) 및 덧셈부(230) 등을 포함할 수 있다. 유한 임펄스 응답 필터로 필터(123)를 디자인함으로써, 필터(123)는 차단 주파수 대에 포함된 신호만을 선택적으로 제거하는 노치 필터(notch filter)로 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 필터(123)의 차단 주파수 대역을 결정하는 노치 주파수와 DC-DC 컨버터(111)의 동작 주파수는 서로 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, DC-DC 컨버터(111)의 동작 주파수가 필터(123)의 차단 주파수 대역에 포함될 수 있다. 따라서, DC-DC 컨버터(111)의 동작에 의해 발생하여 송신 신호(ST) 및 수신 신호(SR)에 포함된 노이즈 성분이 필터(123)에 의해 효과적으로 제거될 수 있으며, 그로부터 신호 대 잡음비(SNR)가 개선될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치를 간단하게 나타낸 블록도이며, 도 5 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다. 이하, 도 4의 블록도와 도 5 내지 도 13의 도면들을 함께 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치의 동작을 설명하기로 한다.
먼저 도 4을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치(300)는 클럭 생성부(301), 코일부(302), 송신 모듈(310), 및 수신 모듈(320)을 포함할 수 있다. 송신 모듈(310)은 분주기(311), DC-DC 제어부(312), DC-DC 컨버터(313) 및 전력 증폭기(314)를 포함할 수 있다. 수신 모듈(320)은 매칭 네트워크(321), 감쇠기(322), 믹서(323), 제1 필터(324), 가변 이득 증폭기(325), 아날로그-디지털 컨버터(326), 및 제2 필터(327)를 포함할 수 있다. 송신 모듈(310)과 수신 모듈(320)의 구성은 도 4에 도시한 실시예에 한정되지 않으며, 다양하게 변경될 수 있다.
클럭 생성부(301)는 시스템 클럭 신호를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 시스템 클럭 신호의 주파수는 NFC의 통신 주파수인 13.56MHz, 또는 그 정수배일 수 있다. 시스템 클럭 신호는 송신 모듈(310)의 분주기(311) 및 전력 증폭기(314)에 입력될 수 있다.
전력 증폭기(314)는 시스템 클럭 신호를 증폭하여 송신 신호(ST)를 생성할 수 있으며, 송신 신호(ST)는 시스템 클럭 신호와 동일한 주파수를 가질 수 있다. 일 실시예에서 송신 신호(ST)의 크기는 DC-DC 컨버터(313)가 전력 증폭기(314)에 공급하는 전원 전압에 의해 결정될 수 있다. DC-DC 제어부(312)는 DC-DC 컨버터(313)가 전력 증폭기(314)에 공급하는 전원 전압을 조절함으로써 송신 신호(ST)의 크기를 결정할 수 있다.
분주기(311)는 시스템 클럭 신호를 분주하여 시스템 클럭 신호의 주파수와 다른 주파수를 갖는 분주 신호를 생성할 수 있다. 일 실시예에서 분주 신호는, 시스템 클럭 신호의 주파수를 N배로 분주한 주파수를 가질 수 있다. 예를 들어, 시스템 클럭 신호의 주파수가 13.56MHz인 경우, 분주 신호의 주파수는 1.695MHz, 3.39MHz 등의 값을 가질 수 있다.
DC-DC 제어부(312)는 분주 신호를 이용하여 DC-DC 컨버터(313)의 출력을 조절하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. DC-DC 제어부(312)는 제어 신호의 듀티 비(duty ratio) 또는 주파수를 변경함으로써, DC-DC 컨버터(313)가 전력 증폭기(314)에 공급하는 전원 전압의 크기를 조절할 수 있다. 일 실시예로, DC-DC 제어부(312)는 근거리 무선 통신 장치(300)에 부하(load)가 존재하는 조건에서는 제어 신호의 듀티 비를 변경하고, 근거리 무선 통신 장치(300)에 부하가 존재하지 않는 조건에서는 제어 신호의 주파수를 변경하여 DC-DC 컨버터(313)가 출력하는 전원 전압의 크기를 조절할 수 있다. DC-DC 제어부(312)는 근거리 무선 통신 장치(300)의 부하 전류(load current)에 기초하여 부하의 존재 여부를 판단할 수 있다.
근거리 무선 통신 장치(300)에 부하가 존재하지 않는 조건에서, DC-DC 제어부(312)는 제어 신호의 주파수를 낮출 수 있으며, 결과적으로 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수가 감소할 수 있다. 따라서, 부하가 존재하지 않는 조건에서 DC-DC 컨버터(313)의 소모 전력을 절감할 수 있으며, 근거리 무선 통신 장치(300) 전체의 소모 전력을 효율적으로 관리할 수 있다.
근거리 무선 통신 장치(300)에 부하가 존재하는 조건에서는, DC-DC 제어부(312)가 제어 신호의 주파수를 적절히 선택할 수 있다. 일 실시예에서, DC-DC 제어부(312)는, 수신 모듈(320)에 포함된 제2 필터(327)의 차단 주파수 대역에 포함되는 값으로 제어 신호의 주파수를 선택할 수 있다. 일례로 제2 필터(327)가 노치 필터인 경우, DC-DC 제어부(312)는 제2 필터(327)의 노치 주파수, 또는 그 고조파 성분과 실질적으로 같은 값으로 제어 신호의 주파수를 선택할 수 있다. 예를 들어 제2 필터(327)의 노치 주파수가 3.39MHz이고 분주기(311)가 출력하는 분주 신호의 주파수가 1.695MHz인 경우, DC-DC 제어부(312)는 분주 신호를 이용하여 3.39MHz의 주파수를 갖는 제어 신호를 생성할 수 있다. 제2 필터(327)의 차단 주파수 대역에 포함되는 값으로 제어 신호의 주파수를 선택함으로써, DC-DC 컨버터(313)의 동작에 의해 송신 신호(ST)에 포함되는 노이즈 성분을 제2 필터(327)가 효과적으로 제거할 수 있다.
수신 신호(SR)는 NFC 태그가 송출하는 반송파 신호 및 반송파 신호에 중첩된 데이터를 포함할 수 있으며, 수신 모듈(320)은 수신 신호(SR)에 포함된 데이터를 디지털 도메인으로 변환할 수 있다. 일 실시예에서, 근거리 무선 통신 장치(300)에 근접한 NFC 태그가 전송하는 수신 신호(SR)는 반송파 신호의 서브-캐리어 주파수 대역에 중첩된 데이터를 포함할 수 있다. 감쇠기(322)는 수신 신호(SR)의 진폭을 적절히 감소시켜 믹서(323)에 전달하며, 믹서(323)는 수신 신호(SR)를 주파수 변환할 수 있다. 일 실시예에서, 믹서(323)는 수신 신호(SR)를 반송파 신호의 주파수만큼 다운 컨버전할 수 있다.
제1 필터(324)는 아날로그 필터로서 하이 패스 필터 또는 대역 통과 필터이거나, 두 종류의 필터를 모두 포함할 수도 있다. 제1 필터(324)에 의해 고주파 노이즈 성분이 제거될 수 있다. 일 실시예로 제1 필터(324)는, 근거리 무선 통신의 대역폭을 제외한 나머지 주파수 대역의 신호를 제거할 수 있다.
제1 필터(324)의 출력은 가변 이득 증폭기(325)로 입력될 수 있다. 가변 이득 증폭기(325)는 입력받은 신호를 소정의 이득만큼 증폭시켜 아날로그-디지털 컨버터(326)에 전달할 수 있다. 일 실시예에서, 수신 신호(SR)에 포함된 노이즈 성분에 의해 아날로그-디지털 컨버터(326)의 출력이 포화되지 않도록, 가변 이득 증폭기(325)의 이득과 감쇠기(322)의 감쇠량이 적절히 선택될 수 있다.
제2 필터(327)는 아날로그-디지털 컨버터(326)의 출력단에 연결되는 디지털 필터로서, 노치 필터를 포함할 수 있다. 즉, 제2 필터(327)는 노치 주파수 및 그 고조파 성분들에 의해 정의되는 차단 주파수 대역의 신호를 선택적으로 제거할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 필터(327)의 노치 주파수는 미리 정해진 값일 수 있으며, DC-DC 제어부(312)는 상기 노치 주파수 또는 그 고조파 성분을 참조하여 제어 신호의 주파수를 결정할 수 있다. DC-DC 제어부(312)가 생성하는 제어 신호의 주파수는 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수일 수 있으며, DC-DC 컨버터(313)의 동작에 의해 동작 주파수에서 생성되는 노이즈 성분은 송신 신호(ST) 및 수신 신호(SR)에 존재할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 동작 주파수가 제2 필터(327)의 노치 주파수 또는 그 고조파 성분과 일치하거나, 또는 제2 필터(327)의 차단 주파수 대역에 포함될 수 있으며, 따라서 동작 주파수 대역에서 수신 신호(SR)에 포함되는 노이즈 성분이 제2 필터(327)에 의해 제거될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 필터(327)의 노치 주파수는 변경 가능한 값일 수 있다. 제2 필터(327)의 노치 주파수가 변경 가능한 경우, 노치 주파수는 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수를 고려하여 결정될 수 있다. 또는, 노치 주파수의 고조파 성분이 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수와 일치하도록 노치 주파수가 선택될 수 있다. 또는, 제2 필터(327)의 차단 주파수 대역에 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수가 포함되도록 제2 필터(327)의 노치 주파수가 적절히 선택될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는, DC-DC 컨버터(313)의 출력을 조절하는 제어 신호의 주파수, 믹서(323)의 주파수 변환에 필요한 수신 신호(SR)의 주파수, 아날로그-디지털 컨버터(326)의 샘플링 주파수, 및 제2 필터(327)의 노치 주파수가 클럭 생성부(301)에서 생성되는 시스템 클럭 신호의 주파수로부터 결정될 수 있다. 시스템 클럭 신호의 주파수에 변동이 있을 경우, 시스템 클럭 신호의 주파수 변동이 송신 모듈(310)과 수신 모듈(320)에 모두 반영될 수 있다. 따라서 시스템 클럭 신호의 주파수 변동이 송신 모듈(310)과 수신 모듈(320)에서 자연히 상쇄되므로, 시스템 클럭 신호의 주파수 변동에 따른 제2 필터(327)의 필터링 성능 저하를 방지할 수 있어 신호 대 잡음비를 효율적으로 개선할 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 13을 도 4와 함께 참조하여 주요 구성 요소들의 입출력 신호의 특성을 설명하기로 한다.
우선 도 5는, DC-DC 컨버터(313)가 전력 증폭기(314)에 공급하는 전원 전압의 주파수 스펙트럼을 도시한 도면일 수 있다. 도 5를 참조하면, 전원 전압은 주파수가 0 인 DC 성분 외에, DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수(fDCDC)에서 발생하는 노이즈 성분(400)을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전원 전압은 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수(fDCDC)에서 발생하는 노이즈 성분(400) 외에, 동작 주파수(fDCDC)의 고조파(harmonics) 성분에서 발생하는 노이즈 성분을 더 포함할 수도 있다.
전력 증폭기(314)는 DC-DC 컨버터(313)가 공급하는 전원 전압에 의해 동작할 수 있다. 전력 증폭기(314)가 송신 신호(ST)를 생성하는 과정에서, 전원 전압에 포함된 노이즈 성분(400)은, 송신 신호(ST)의 캐리어 주파수(fC)만큼 주파수 변환될 수 있다. 송신 신호(ST)의 주파수 스펙트럼을 나타낸 도 6을 참조하면, 송신 신호(ST)는 캐리어 주파수(fC)를 갖는 반송파 신호(CW)와 함께, 제1 주파수(fC+fDCDC) 및 제2 주파수(fC-fDCDC) 각각에서 나타나는 제1 노이즈 성분(410) 및 제2 노이즈 성분(420)을 포함할 수 있다.
도 7은 매칭 네트워크(321)에 입력되는 수신 신호(SR)의 주파수 스펙트럼을 나타낸 도면일 수 있다. 일 실시예에서, 수신 신호(SR)는 송신 신호(ST)와 동일한 캐리어 주파수(fC)를 가질 수 있으며, 송신 신호(ST)와 마찬가지로 제1 주파수(fC+fDCDC) 및 제2 주파수(fC-fDCDC) 각각에서 나타나는 제1 및 제2 노이즈 성분(410, 420)을 포함할 수 있다. 즉, DC-DC 컨버터(313)에 의해 생성되어 송신 신호(ST)에 반영된 제1 및 제2 노이즈 성분(410, 420)이, 수신 신호(SR)를 통해 다시 수신 모듈(320)로 돌아올 수 있다.
한편, 데이터를 포함하지 않는 송신 신호(ST)와 달리, 수신 신호(SR)는 제1 및 제2 NFC 데이터(510, 520)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 NFC 데이터(510, 520)는 같은 정보를 포함할 수 있으며, 소정의 서브-캐리어 주파수 대역에서 반송파 신호에 중첩되어 전송될 수 있다. 일 실시예에서, 서브-캐리어 주파수는, DC-DC 컨버터(313)의 스위칭 주파수(fDCDC)보다 작을 수 있으며, 수백 kHz 일 수 있다.
서브-캐리어 주파수에 실려서 전송되는 제1 및 제2 NFC 데이터(510, 520)는, 제1 주파수(fC+fDCDC) 및 제2 주파수(fC-fDCDC) 각각에서 나타나는 제1 노이즈 성분(410) 및 제2 노이즈 성분(420)보다 작은 값을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 노이즈 성분(410, 420)은 제1 및 제2 NFC 데이터(510, 520)의 수배 내지 수십배 이상의 크기를 가질 수 있다.
수신 신호(SR)는 믹서(323)에서 캐리어 주파수(fC)만큼 다운 컨버전(down conversion)될 수 있으며, 가변 이득 증폭기(325)는 다운 컨버전된 신호의 크기를 조절할 수 있다. 제2 필터(327)의 입력을 주파수 스펙트럼으로 나타낸 도 8을 참조하면, 제2 필터(327)의 입력에서 NFC 데이터(500)는 서브-캐리어 주파수(fIF)에 존재하고, 노이즈 성분(400)은 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수(fDCDC)에 존재할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 제2 필터(327)는 특정 주파수 대역의 신호를 선택적으로 차단하는 노치 필터(notch filter)의 특성을 가질 수 있다. 믹서(323)의 출력을 주파수 스펙트럼으로 나타낸 도 8과, 제2 필터(327)의 출력을 주파수 스펙트럼으로 나타낸 도 9를 비교하면, 제2 필터(327)에 의해 노이즈 성분(400)이 제거될 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제2 필터(327)의 마스크(600)에 의해 신호가 차단되는 주파수인 노치 주파수(notch frequency)는 동작 주파수(fDCDC) 및 그 고조파 성분들 중 적어도 하나와 실질적으로 같을 수 있다. 즉, 제2 필터(327)가 신호를 제거하는 차단 주파수 대역에 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수(fDCDC) 및 그 고조파 성분들이 포함될 수 있다. 제2 필터(327)의 차단 주파수 대역은 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수(fDCDC) 및 그 고조파 성분들에 대응하는 복수의 주파수 대역들을 포함할 수 있다. 따라서, 동작 주파수(fDCDC) 및/또는 그 고조파 성분에서 나타나는 노이즈 성분(400)은 제2 필터(327)에 의해 제거될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 필터(327)는 유한한 구간에서 임펄스 응답 특성을 갖는 FIR(Finite Impulse Response) 필터로 구현될 수 있다.
제2 필터(327)의 출력을 주파수 스펙트럼으로 나타낸 도 9를 다시 참조하면, 동작 주파수(fDCDC) 및/또는 그 고조파 성분의 노이즈 성분(400)이 제거되고, NFC 데이터(500)만이 잔존할 수 있다. 이는, 제2 필터(327)의 차단 주파수 대역에 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수(fDCDC) 및 그 고조파 성분이 포함되는 설계 상의 특성으로부터 얻을 수 있는 효과일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 송신 모듈(310)에 포함되는 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수(fDCDC)를, 수신 모듈(320)에 포함되는 제2 필터(327)의 노치 주파수와 실질적으로 일치시킴으로써, 근거리 무선 통신 장치(300)의 신호 대 잡음비(SNR)를 개선할 수 있다.
도 10은 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수(fDCDC)가 제2 필터(327)의 노치 주파수(fnotch)의 2배와 실질적으로 동일한 경우, 제2 필터(327)에 입력되는 신호를 주파수 스펙트럼으로 나타낸 도면일 수 있다. 한편, 도 11은 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수(fDCDC)가 제2 필터(327)의 노치 주파수(fnotch)의 3배와 동일한 경우, 제2 필터(327)에 입력되는 신호를 나타낸 그래프일 수 있다. 도 10 및 도 11에 도시한 실시예들에서, DC-DC 컨버터(313)에 의해 생성되는 노이즈 성분들(430, 440) 각각은 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수(fDCDC)에 존재할 수 있다. 제2 필터(327)의 마스크(600)를 참조하면, 제2 필터(327)의 차단 주파수 대역에 동작 주파수(fDCDC)가 포함되며, 따라서 동작 주파수(fDCDC)에 존재하는 노이즈 성분들(430, 440)이 효과적으로 제거될 수 있다.
도 12는 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수(fDCDC)가 제2 필터(327)의 노치 주파수(fnotch)와 같고, 동작 주파수(fDCDC) 및 그 고조파 성분에 노이즈 성분들(450)이 존재하는 경우, 제2 필터(327)의 입력을 주파수 스펙트럼으로 나타낸 도면일 수 있다. 한편, 도 13은 DC-DC 컨버터(313)의 동작 주파수(fDCDC)가 제2 필터(327)의 노치 주파수(fnotch)의 2배와 같고, 동작 주파수(fDCDC) 및 그 고조파 성분에 노이즈 성분들(460)이 존재하는 경우, 제2 필터(327)의 입력을 주파수 스펙트럼으로 나타낸 도면일 수 있다. 도 12 및 도 13에 도시한 실시예들 각각에서, 동작 주파수(fDCDC) 및 그 고조파 성분이 제2 필터(327)의 노치 주파수(fnotch) 및 그 고조파 성분에 의해 정의되는 파장 주파수 대역에 포함되므로, 제2 필터(327)가 노이즈 성분들(450, 460)을 효과적으로 제거될 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치(700)는 클럭 생성부(701), 코일부(702), 송신 모듈(710), 수신 모듈(720), 및 이득 제어부(730) 등을 포함할 수 있다. 송신 모듈(710)은 분주기(711), DC-DC 제어부(712), DC-DC 컨버터(713) 및 전력 증폭기(714)를 포함할 수 있다. 수신 모듈(720)은 매칭 네트워크(721), 감쇠기(722), 믹서(723), 제1 필터(724), 가변 이득 증폭기(725), 아날로그-디지털 컨버터(726), 및 제2 필터(727)를 포함할 수 있다. 송신 모듈(710) 및 수신 모듈(720)의 동작은, 도 4에 도시한 실시예에 따른 송신 모듈(310) 및 수신 모듈(320)의 동작과 유사할 수 있다.
이득 제어부(730)는 제1 내지 제3 전력 검출기(703-705)를 통해 수신 모듈(720)에서 적어도 일부 신호의 크기를 검출할 수 있다. 이득 제어부(730)는 제1 내지 제3 전력 검출기(703-705)를 통해 검출한 신호의 크기에 기초하여 감쇠기(722) 및 가변 이득 증폭기(725)를 제어할 수 있다.
제1 전력 검출기(703)는 믹서(723)의 입력단에서 신호의 크기를 검출할 수 있다. 이득 제어부(730)는 제1 전력 검출기(703)의 검출 결과를 참조하여 감쇠기(722)의 감쇠량을 조절할 수 있다. 일 실시예에서, 이득 제어부(730)는 믹서(723)로 입력되는 신호가 충분한 선형성을 가질 수 있도록 감쇠기(722)의 감쇠량을 조절할 수 있다.
제2 전력 검출기(704)는 아날로그-디지털 컨버터(726)의 출력단에서 신호의 크기를 검출하며, 제3 전력 검출기(705)는 제2 필터(727)의 출력단에서 신호의 크기를 검출할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(726)로 입력되는 아날로그 신호의 포화를 방지하면서 신호 대 잡음비의 최대 값을 얻기 위한 목적으로 제2 및 제3 전력 검출기(704, 705)가 마련될 수 있다. 즉, 이득 제어부(730)가 가변 이득 증폭기(725)의 이득(gain)을 변경할 때, 제2 전력 검출기(704)와 제3 전력 검출기(705) 각각의 검출 결과를 모두 고려할 수 있다.
일 실시예로, 제3 전력 검출기(705)가 제2 필터(727)의 출력단에서 검출한 신호의 크기가 약해서 충분한 신호 대 잡음비를 얻기 곤란한 경우, 이득 제어부(730)는 제2 전력 검출기(704)가 아날로그-디지털 컨버터(726)의 출력단에서 검출한 신호의 크기를 참조할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(726)의 출력단에서 검출한 신호의 크기가 포화된 경우에는, 아날로그-디지털 컨버터(726)의 다이나믹 레인지(dynamic range)를 벗어나는 크기의 아날로그 신호가, 아날로그-디지털 컨버터(726)에 입력된 것으로 추정할 수 있다.
따라서, 제2 전력 검출기(704)가 검출한 신호의 크기가 포화된 경우, 이득 제어부(730)는 가변 이득 증폭기(725)의 이득을 낮출 수 있다. 한편, 제2 전력 검출기(704)가 검출한 신호의 크기가 포화되지 않은 경우, 이득 제어부(730)는 가변 이득 증폭기(725)의 이득을 높여서 신호 대 잡음비를 개선할 수 있다.
제2 필터(727)의 출력단에서 검출되는 신호만을 참조하여 가변 이득 증폭기(725)의 이득을 조절하는 경우, 제2 필터(727)의 출력단에서 검출되는 신호가 작으면 가변 이득 증폭기(725)의 이득을 증가시킬 수 있으며, 그로부터 다이나믹 레인지를 벗어나는 크기의 아날로그 신호가 아날로그-디지털 컨버터(726)에 입력될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 제3 전력 검출기(705)가 검출한 신호의 크기가 작은 경우, 제2 전력 검출기(704)가 검출한 신호의 크기로부터 아날로그-디지털 컨버터(726)의 출력의 포화 여부를 판단하고, 그로부터 가변 이득 증폭기(725)의 이득을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 따라서, 최적의 이득 값 설정을 통해 아날로그-디지털 컨버터(726)의 포화를 방지하면서 우수한 신호 대 잡음비를 얻을 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신 장치를 포함하는 전자 기기를 나타낸 블록도이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 기기(1000)는, 디스플레이(1010), 메모리(1020), 통신 모듈(1030), 센서 모듈(1040), 및 프로세서(1050) 등을 포함할 수 있다. 전자 기기(1000)는 스마트폰, 태블릿 PC, 랩톱 컴퓨터 등의 모바일 기기 외에, 텔레비전, 데스크톱 컴퓨터 등을 포함할 수 있다. 디스플레이(1010), 메모리(1020), 통신 모듈(1030), 센서 모듈(1040) 및 프로세서(1050) 등의 구성 요소는 버스(1060)를 통해 서로 통신할 수 있다.
통신 모듈(1030)은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 근거리 무선 통신 장치를 포함할 수 있다. 성능 개선을 위해 근거리 무선 통신 장치의 송신 모듈은 전력 증폭기, 및 전력 증폭기에 전원 전압을 공급하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 전력 증폭기는 근거리 무선 통신에 필요한 반송파 신호의 크기를 증폭할 수 있다. 전자 기기(1000)에는 다양한 통신 모듈이 포함될 수 있으며, 최근에는 무선 충전 모듈을 포함하는 전자 기기(1000)도 점점 늘어나는 추세이다. 따라서, 근거리 무선 통신에 필요한 반송파 신호의 크기가 약할 경우 성능이 저하될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 근거리 무선 통신 장치의 송신 모듈에 전력 증폭기를 채용하여 상기와 같은 문제를 해결할 수 있다.
한편, 근거리 무선 통신 장치의 수신 모듈은 수신한 신호에 포함된 노이즈 성분을 효과적으로 제거하여 신호 대 잡음비을 개선하기 위해, 노치 필터를 포함할 수 있다. DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수는 노치 필터의 노치 주파수 또는 그 고조파 성분과 일치할 수 있다. 따라서, DC-DC 컨버터로부터 전원 전압을 공급받는 전력 증폭기의 출력에 포함된 노이즈 성분이 노치 필터에서 제거될 수 있으며, 그로부터 신호 대 잡음비를 개선할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100, 300, 700: 근거리 무선 통신 장치
101, 301, 701: 클럭 생성부
110, 310, 710: 송신 모듈
120, 320, 720: 수신 모듈

Claims (10)

  1. 반송파 신호 및 데이터를 포함하는 아날로그 신호를 수신하는 리시버, 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터, 및 상기 디지털 신호를 필터링하는 필터를 갖는 수신 모듈; 및
    상기 필터의 차단 주파수 대역에 속하는 동작 주파수를 갖는 DC-DC 컨버터, 및 상기 DC-DC 컨버터로부터 전원을 공급받아 동작하며, 시스템 클럭 신호를 입력받아 상기 반송파 신호를 송출하는 트랜스미터를 갖는 송신 모듈; 을 포함하는 근거리 무선 통신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신 모듈은, 상기 시스템 클럭 신호를 분주하여 상기 시스템 클럭 신호의 주파수와 다른 주파수를 갖는 분주 신호를 생성하는 분주기, 및 상기 분주 신호를 이용하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 조절하기 위한 제어 신호를 생성하는 DC-DC 제어부를 포함하는 근거리 무선 통신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어 신호의 주파수는 상기 동작 주파수이며, 상기 동작 주파수는 상기 분주 신호의 주파수와 같거나 상기 분주 신호의 주파수의 정수배인 근거리 무선 통신 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 DC-DC 제어부는, 부하(load) 조건에 따라 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식 및 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation) 중 어느 하나에 따라 상기 DC-DC 컨버터를 제어하는 근거리 무선 통신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수신 모듈은, 상기 아날로그 신호를 감쇠하는 감쇠기, 상기 감쇠기의 출력을 주파수 대역에서 다운 컨버전하는 믹서, 및 상기 믹서의 출력을 증폭하여 상기 아날로그-디지털 컨버터에 입력하는 가변 이득 증폭기를 포함하는 근거리 무선 통신 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 감쇠기의 감쇠량, 및 상기 가변 이득 증폭기의 이득 중 적어도 하나를 조절하는 이득 제어부를 더 포함하는 근거리 무선 통신 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이득 제어부는, 상기 감쇠량의 출력을 검출하여 상기 감쇠량을 조절하고, 상기 아날로그-디지털 컨버터의 출력 및 상기 필터의 출력을 검출하여 상기 가변 이득 증폭기의 이득을 조절하는 근거리 무선 통신 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 컨버터의 샘플링 주파수는 상기 제1 주파수와 같은 근거리 무선 통신 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 필터는, 노치 주파수 및 그 고조파 성분들 각각에 인접한 주파수 대역에서 상기 디지털 신호의 적어도 일부를 제거하는 노치 필터를 포함하는 근거리 무선 통신 장치.
  10. 반송파 신호 및 데이터를 포함하는 아날로그 신호를 수신하는 리시버;
    상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터; 및
    상기 디지털 신호를 소정의 차단 주파수 대역에서 필터링하며, 상기 차단 주파수 대역은 상기 반송파 신호를 분주하여 생성된 신호의 주파수 및 그 고조파 성분들을 포함하는 디지털 필터; 를 포함하는 근거리 무선 통신 장치.

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WO2021071087A1 (en) * 2019-10-11 2021-04-15 Samsung Electronics Co., Ltd. Electronic device for controlling voltage conversion mode and operation method thereof
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