KR100570712B1

KR100570712B1 - 높은 반송파 억압비를 가지는 2의 ｎ제곱차 저조파 주파수변조기 및 이를 이용한 직접 변환 송신기

Info

Publication number: KR100570712B1
Application number: KR1020040034719A
Authority: KR
Inventors: 서해문; 원광호; 박용국; 윤명현; 유준재
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2006-04-12
Also published as: US20050255806A1; KR20050109718A; US7324798B2

Abstract

본 발명은 기저대역 신호를 디지털 변조하여 I 성분 및 Q 성분 신호를 출력하는 디지털 변조부와, 상기 디지털 변조부의 출력 신호인 I 성분 및 Q 성분 신호를 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호로 변환하는 D/A 변환부와, 상기 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호의 DC 인터페이스를 맞추고 이를 저역 통과시켜서 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 생성하는 DC 보정 및 저역통과필터부와, 주파수가 F_TX/2^N(N은 1이상의 자연수임)인 정현파 신호를 발생시키는 국부 발진기와, 상기 정현파 신호를 입력받아 2^N+1개의 위상을 지니는 다상 신호를 발생하는 다상 신호 발생부와, 상기 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 각각 상기 2^N+1개의 위상을 지니는 다상 신호와 혼합하여 주파수가 F_TX인 출력 신호를 생성하는 2^N차 저조파(sub-harmonic) I/Q 주파수 변조부와, 상기 2^N차 저조파 I/Q 주파수 변조부의 출력 신호를 원하는 크기의 출력 신호로 증폭하는 파워 증폭부와, 파워 증폭부의 출력 신호를 방사하는 안테나를 포함하는 직접 변환 송신기를 포함한다.

본 발명에 따르면, 출력 주파수의 1/2^N인 주파수를 가지는 신호를 국부 발진기에서 생성하여 사용함으로써 반송파 억압비 특성을 향상시킬 수 있으며 전력을 적게 소모하고 소형화가 가능하며 저비용으로 제작이 가능하다.

직접 변환, 인입 풀링, 저조파 주파수 변조, 다상, 링 발진기

Description

높은 반송파 억압비를 가지는 2의 Ｎ제곱차 저조파 주파수 변조기 및 이를 이용한 직접 변환 송신기{AN N-TH POWER OF 2 SUB-HARMONIC FREQUENCY MODULATOR HAVING A HIGH CARRIER SUPPRESSION RATIO AND A DIRECT-CONVERSION TRANSMITTER USING THEREOF}

도 1은 종래 기술에 따른 직접 변환 송신기의 예시적인 블록도

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 직접 변환 송신기의 블록도.

도 3은 종래 I/Q 주파수 변조기의 회로도.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 2^N차 저조파 I/Q 주파수 변조기에서 N=1인 경우의 회로도.

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 2^N차 저조파 I/Q 주파수 변조기의 회로도.

도 6은 종래 직접 변환 송신기 및 본 발명의 한 실시예에 따른 직접 변환 송신기의 반송파 억압비를 비교한 도면.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직접 변환 송신기의 블록도.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직접 변환 송신기의 블록도.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직접 변환 송신기에 사용되는 링 발진 기의 블록도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 직접 변환 110: 디지털 변조부

120: D/A 변환부 130: DC 보정 및 저역통과필터부

140: 주파수 변조부 150: 다상 필터

160: 국부 발진기 170: 파워 증폭부

180: 안테나 200: 직접 변환 송신기

240: 2^N차 저조파 I/Q 주파수 변조부 250: 다상 신호 발생부

500: 2^K차 저조파 주파수 변조기 520: 부하부

540: 스위칭부 560: I/Q 입력부

740: N차 저조파 I/Q 주파수 변조부 860: 다상 국부 발진기

본 발명은 높은 반송파 억압비(carrier suppression ratio, CSR)를 가지는 2^N차 저조파 주파수 변조기(N은 1 이상의 자연수임) 및 이를 이용하는 직접 변환 송신기에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 출력 주파수의 1/2^N인 주파수를 가지는 신호를 국부 발진기에서 생성하여 사용함으로써 반송파 억압비 특성을 향상시킬 수 있으며 전력을 적게 소모하고 소형화가 가능하며 저비용으로 제작이 가능한 2^N차 저조파 주파수 변조기(N은 1 이상의 자연수임) 및 이를 이용하는 직접 변환 송신기에 관한 것이다.

최근 들어 무선 통신 시스템의 파워 소모를 적게 하는 원칩 솔루션 개발을 위해 많은 연구가 수행되고 있다. 종래 무선 통신 시스템에서 사용되는 송신기는 슈퍼헤테로다인(superheterodyne) 방식을 이용하였다. 이 방식은 음성 또는 화상 등 실제 정보를 포함하고 있는 저주파 대역의 신호를 중간주파수(IF)의 신호로 변환시킨후 이를 고주파인 반송파에 실어서 전송하는 것으로서, 하드웨어 구성이 복잡하고 전력 소모가 많은 단점이 있다.

이러한 종래의 슈퍼헤테로다인 방식의 단점을 극복하기 위해서, 중간주파수를 사용하지 않고 기저대역 신호를 반송파 신호로 상향 변환(up conversion)하는 직접 변환(direct conversion) 방식이 채용되고 있다. 직접 변환 방식은 무선 통신 시스템에서의 송신기 구조 중에서 가장 전력 소모가 적고 소형화가 가능하며 저가로 생산할 수 있는 장점을 가진다.

도 1은 종래의 직접 변환 송신기의 예시적인 구조도이다. 도시되듯이 종래의 직접 변환 송신기(100)는 디지털 변조부(110), D/A 변환부(120), DC-보정 및 저역통과필터부(130), 주파수 변조부[140, I-변조부(143), Q-변조부(146) 포함], 다상(poly phase) 필터(150), 국부 발진기(160), 파워 증폭부(170) 및 안테나(180)를 포함한다. 이러한 종래의 송신기 구조에서 파워 증폭부(160)의 출력 주파수 F_TX 는 국부 발진기(150)의 주파수 F_LO와 동일하다. 따라서, 주파수 합성 중에 파워 증폭부(160)의 출력 주파수가 국부 발진기(150)에 인가되어 영향을 미치는 인입 풀링(Tx output-to-LO injection pulling, TXLO-IP)이 발생할 수 있다. 따라서 높은 파워의 출력이 요구되는 시스템에서는 사용하기 어렵고, 또한 낮은 파워의 출력이 요구되는 경우에도 누설(leakage) 성분이 크면 사용하기 어려운 구조이다.

이러한 단점을 개선하기 위해서 다양한 방식이 제안되었다. 예컨대, 초민스키(Chominski)에 의해서 출원되고, 2003년 3월 6일자로 공개된 "Direct modulation transmitter utilizing signals squaring"라는 명칭의 미국 특허공개번호 제US2003/0045248호는 직접 변환시 발생하는 신호 왜곡(distortion)을 방지하기 위하여 입력 신호들의 제곱근 값을 생성[squaring]하고 생성된 신호를 직접 변환 변조기에 입력하는 것으로서 신호 왜곡을 방지하는 기술을 개시하였다. 또한 송신기의 출력 신호와 국부 발진기가 동일한 주파수에서 동작하지 않으므로 TXLO-IP를 개선하는 것으로 기술하였다. 그러나 이러한 초민스키의 출원에서는 국부 발진기에서의 인입 풀링 자체에 대한 근본적인 개선방안은 개시되지 않고 있다.

또한 모토롤라(Motorola, Inc)에 의해서 출원되고, 2003년 3월 13일자로 국제공개된 "Low noise architecture for a direct conversion transmitter"라는 명칭의 PCT 국제공개번호 제WO03/021718호는 저잡음 구조를 채택한 직접 변환 송신기를 개시하고 있다. 이러한 모토롤라의 출원은 원하는 RF 송신 주파수와 실질적으로 동일한 차분(differential) 입력 LO 신호를 생성하는 국부 발진기(LO)와, 차분 입 력 LO 신호를 수신하여 제1 및 제2 위상 천이 차분 LO 신호를 생성하는 다상 시스템과, 제1 및 제2 위상 천이 차분 LO 신호를 이용하여 신호를 혼합하여 RF 송신 신호를 생성하는 직교 혼합기를 포함하는 송신기 구조가 개시되어 있다. 그러나 이러한 방식을 사용하는 경우에는 높은 파워의 신호에 대해서 국부 발진기의 누설량을 어느 정도 감소시킬 수 있으나 누설을 완전히 방지하는 것은 아니다.

또한 카자케비치(Kazakevich)에 의해서 출원되고, 2001년 11월 15일자로 공개된 "Direct-conversion modulation with reduced local oscillator leakage"라는 명칭의 미국 특허공개번호 제US2001/0041546호는 2개의 혼합기를 사용하여 제1 혼합기에서는 반송파 주파수의 절반의 주파수를 가지는 신호와 변환될 신호를 혼합하고 제2 혼합기에서는 반송파 주파수의 절반의 주파수를 가지며 직교 위상을 가지는 신호와 제1 혼합기의 출력 신호를 혼합하는 방식을 개시하고 있다. 이러한 방식 역시 국부 발진기에서의 인입 풀링을 완전하게 제거하는 것은 아니다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 2^N차 저조파 주파수 변조기를 채택한 직접 변환 송신기를 이용하여 TXLO-IP 문제를 완전히 해소하고 반송파 억압비 특성을 향상시킬 수 있으며 파워를 적게 소모하고 소형화가 가능하며 저비용으로 제작이 가능한 직접 변환 송신기를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 직접 변환 송신기에 사용되 는 I/Q 주파수 변조기로서, I 성분 및 Q 성분 신호를 입력받는 I/Q 입력부와, 주파수가 F_TX/2^N이고(N은 1 이상의 자연수임) 2^N+1개의 위상을 가지는 저조파(sub-harmonic) 신호들 및 상기 I 성분 신호를 입력받아 변조하여 주파수가 F_TX인 신호를 출력하는 I 스위칭부와, 상기 저조파 신호들 및 상기 Q 성분 신호를 입력받아 변조하여 주파수가 F_TX인 신호를 출력하는 Q 스위칭부와, 부하로서 작용하는 부하부와, 상기 I 스위칭부 및 Q 스위칭부의 출력을 RF 신호로 출력하는 출력부를 포함하는 직접 변환 송신기에 사용되는 I/Q 주파수 변조기를 제공한다.

본 발명은 또한, 직접 변환 송신기에 사용되는 I/Q 주파수 변조기로서, I 성분 및 Q 성분 신호를 입력받는 I/Q 입력부와, 주파수가 F_TX/N(N은 2 이상의 자연수임)이고 2N개의 위상을 가지는 저조파 신호들 및 상기 I 성분 신호를 입력받아 변조하여 주파수가 F_TX인 신호를 출력하는 I 스위칭부와, 상기 저조파 신호들 및 상기 Q 성분 신호를 입력받아 변조하여 주파수가 F_TX인 신호를 출력하는 Q 스위칭부와, 부하로서 작용하는 부하부와, 상기 I 스위칭부 및 Q 스위칭부의 출력을 RF 신호로 출력하는 출력부를 포함하는 직접 변환 송신기에 사용되는 I/Q 주파수 변조기를 제공한다.

또한 본 발명은, 기저대역 신호를 디지털 변조하여 I 성분 및 Q 성분 신호를 출력하는 디지털 변조부와, 상기 디지털 변조부의 출력 신호인 I 성분 및 Q 성분 신호를 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호로 변환하는 D/A 변환부와, 상기 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호의 DC 인터페이스를 맞추고 이를 저역 통과시켜서 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 생성하는 DC 보정 및 저역통과필터부와, 주파수가 F_TX/2^N(N은 1이상의 자연수임)인 정현파 신호를 발생시키는 국부 발진기와, 상기 정현파 신호를 입력받아 2^N+1개의 위상을 지니는 다상 신호를 발생하는 다상 신호 발생부와, 상기 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 각각 상기 2^N+1개의 위상을 지니는 다상 신호와 혼합하여 주파수가 F_TX인 출력 신호를 생성하는 2^N차 저조파(sub-harmonic) I/Q 주파수 변조부와, 상기 2^N차 저조파 I/Q 주파수 변조부의 출력 신호를 원하는 크기의 출력 신호로 증폭하는 파워 증폭부와, 파워 증폭부의 출력 신호를 방사하는 안테나를 포함하는 직접 변환 송신기를 제공한다.

또한 본 발명은, 기저대역 신호를 디지털 변조하여 I 성분 및 Q 성분 신호를 출력하는 디지털 변조부와, 상기 디지털 변조부의 출력 신호인 I 성분 및 Q 성분 신호를 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호로 변환하는 D/A 변환부와, 상기 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호의 DC 인터페이스를 맞추고 이를 저역 통과시켜서 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 생성하는 DC 보정 및 저역통과필터부와, 주파수가 F_TX/N(N은 3이상의 홀수)인 정현파 신호를 발생시키는 국부 발진기와, 상기 정현파 신호를 입력받아 2N개의 위상을 지니는 다상 신호를 발생하는 다상 신호 발생부와, 상기 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 각각 상기 다상 신호 와 혼합하여 주파수가 F_TX인 출력 신호를 생성하는 N차 저조파 I/Q 주파수 변조부와, 상기 N차 저조파 I/Q 주파수 변조부의 출력 신호를 원하는 크기의 출력 신호로 증폭하는 파워 증폭부와, 파워 증폭부의 출력 신호를 방사하는 안테나를 포함하는 직접 변환 송신기를 제공한다.

또한 본 발명은, 기저대역 신호를 디지털 변조하여 I 성분 및 Q 성분 신호를 출력하는 디지털 변조부와, 상기 디지털 변조부의 출력 신호인 I 성분 및 Q 성분 신호를 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호로 변환하는 D/A 변환부와, 상기 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호의 DC 인터페이스를 맞추고 이를 저역 통과시켜서 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 생성하는 DC 보정 및 저역통과필터부와, 주파수가 F_TX/N이고 2N개의 위상을 지니는 다상 정현파 신호(N은 2이상의 자연수임)를 발생시키는 다상 국부 발진기와, 상기 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 각각 상기 다상 정현파 신호와 혼합하여 주파수가 F_TX인 출력 신호를 생성하는 N차 저조파 I/Q 주파수 변조부와, 상기 N차 저조파 I/Q 주파수 변조부의 출력 신호를 원하는 크기의 출력 신호로 증폭하는 파워 증폭부와, 파워 증폭부의 출력 신호를 방사하는 안테나를 포함하는 직접 변환 송신기를 제공한다.

이하, 본 발명의 높은 반송파 억압비를 가지는 2^N차 저조파 주파수 변조기 및 이를 이용한 직접 변환 송신기를 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 변환 송신기의 구조도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직접 변환 송신기(200)는 디지털 변조부(210)와, D/A 변환부(220)와, DC 보정 및 저역통과필터부(230)와, 2^N차 저조파(sub-harmonic) I/Q 주파수 변조부(240)와, 다상 신호 발생부(250)와, 국부 발진기(260)와, 파워 증폭부(270)와, 안테나(280)를 포함한다.

디지털 변조부(210)는 기저대역 신호를 디지털 변조하여 I 성분 및 Q 성분 신호를 출력한다.

D/A 변환부(220)는 상기 디지털 변조부의 출력 신호인 I 성분 및 Q 성분 신호를 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호로 변환한다.

DC 보정 및 저역통과필터부(230)는 상기 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호의 DC 인터페이스를 맞추고 이를 저역 통과시켜서 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 생성한다.

국부 발진기(260)는 주파수가 F_TX/2^N(N은 1이상의 자연수임)인 정현파 신호를 발생시킨다. 여기서 F_TX는 상기 직접 변환 송신기의 출력신호의 주파수이다.

다상 신호 발생부(250)는 상기 정현파 신호를 입력받아 2^N+1개의 위상을 지니는 다상 신호를 발생한다.

예컨대, N=1인 경우라면, 2¹⁺¹개=4개의 서로 다른 위상을 지니는 다상 정현파 생성하고, N=2인 경우라면 마찬가지로 2²⁺¹개=8개의 서로 다른 위상을 지니는 다상 정현파 신호를 생성하게 된다.

N=1 일때 생성되는 신호의 위상은 각각 0°, 90°, 270°, 180°의 4개의 서로 다른 위상을 가지는 다상 정현파 신호가 생성되며, N=2일때 생성되는 신호의 위상은 각각 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°의 8개의 서로 다른 위상을 지니는 다상 정현파 신호가 생성된다.

일반적으로 N=K인 경우라면, 0°에서 360°까지 180/2^K°씩 증가하여 전체적으로 2*2^K개의 서로 다른 위상을 지니는 다상 정현파 신호가 생성된다.

2^N차 저조파 I/Q 주파수 변조부(240)는 상기 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 각각 상기 2^N+1개의 위상을 지니는 다상 신호와 혼합하여 주파수가 F_TX인 출력 신호를 생성한다. 여기서 2^N차 저조파 변조라는 의미는 F_TX의 1/2^N의 주파수를 가지는 신호를 입력받는다는 의미에서 2^N차 저조파 변조라는 용어를 사용하였다. 2^N차 저조파 I/Q 주파수 변조부(240)는 I-변조부(243), Q-변조부(246)를 포함한다.

파워 증폭부(270)는 상기 2^N차 저조파 I/Q 주파수 변조부의 출력 신호를 원하는 크기의 출력 신호로 증폭한다.

안테나(280)는 파워 증폭부의 출력 신호를 대기중으로 방사한다.

이와 같이 본 발명에 따른 직접 변환 송신기에서 파워 증폭부의 출력 주파수 F_TX와 국부 발진기의 주파수 F_LO는 서로 동일하지 않아서 파워 증폭부의 강한 출력 신호가 국부 발진기로 인입될 지라도 TXLO-IP현상이 발생하지 않는다.

일반적으로, N-다상 신호 생성부가 요구되는 경우가 있을 수 있는데, 이것은 구현이 복잡하며, 또한 N이 홀수인 경우 기하모닉(odd-order harmonics)이 발생하여 직접 변환 송신기의 출력 스펙트럼을 열화시킬 가능성이 높게 된다. 이러한 이유로 본 발명에서는 2^N+1개의 위상을 가지는 다상 신호 생성부(250)를 이용하여, 기하모닉을 억제시키는 구성을 취한다.

이하 본 발명에 따른 2^N차 저조파 I/Q 주파수 변조기에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 길버트-셀(Gilbert-cell) 토폴로지(topology)를 이용한 종래의 I/Q 변조기를 도시한다. 도 1의 직접 변환 송신기를 참조로 설명하면, 국부 발진기(160)의 출력 신호는 다상 필터(150)에 의해서 각각 0°, 90°, 180°, 270°의 위상을 가지는 출력 신호로 변환되고, 이러한 위상을 가지는 다상 필터(150)의 출력 신호가 각각 도 3의 트랜지스터들의 게이트 입력 신호로서 인가된다. 도 3에서, LO[0], LO[180], LO[90], LO[270] 등은 트랜지스터의 각 게이트에 인가되는 국부 발진기(160)의 출력 신호가 다상 필터(150)를 통과한 후의 출력 신호의 위상을 나타내는 것으로서, LO[0]은 위상이 0°인 신호, LO[90]은 위상이 90°인 신호, LO[180]은 위상이 180°인 신호, LO[270]은 위상이 270°인 신호를 각각 나타낸다. 또한 도 3에서, IP, IN은 기저대역 신호의 I 성분의 양의 성분 신호, 음의 성분 신호를 각각 나타내며, QP, QN은 기저대역 신호의 Q 성분의 양의 성분 신호, 음의 성 분 신호를 각각 나타낸다.

도 3에서 각 입력 성분, IP, IN, QP, QN, LO[0], LO[180], LO[90], LO[270]을 통하여 기저대역 신호의 I 성분, Q 성분 및 국부 발진기에서 생성된 신호의 다상 성분을 입력받게 되며, 이러한 성분을 입력받아 RFP, RFQ 성분이 출력되고, RFP, RFP 성분이 파워 증폭부(270)에 의해서 증폭되어 안테나(280)를 통해서 대기중으로 방사된다. 도 3에서, 임피던스 Z_LP, Z_LN은 부하로서 동작한다.

종래의 I/Q 변조기의 경우, 출력 주파수 F_TX와 국부 발진기의 주파수 F_LO는 서로 동일하며, 파워 증폭부의 강한 출력 신호가 국부 발진기로 인입되면 TXLO-IP현상이 발생하게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 N=1일때 즉 2¹차 저조파 I/Q 주파수 변조기의 회로도이다. 도시되듯이, 2¹차 저조파 I/Q 주파수 변조기(400)는 부하부(420)와, 스위칭부(440)와, I/Q 입력부(460)와, 출력부(RFP, RFN)를 포함한다. 스위칭부는 I 스위칭부(422, 444) 및 Q 스위칭부(446, 448)로 구성된다.

부하부(420)는 각각 저항, 캐패시터, 인덕터로 구성될 수 있는 임피던스 성분((Z_LP, Z_LN)을 포함하고 있어서, 부하로서 역할을 하며 또한 필터의 역할을 할 수 있다.

스위칭부(440)는 4개의 스위칭 성분(442, 444, 446, 448)으로 이루어져 있으며, 각 스위칭 성분(442, 444, 446, 448)은 4개의 트랜지스터로 구성이 되며, I 스 위칭부(442, 444) 및 Q 스위칭부(446, 448)로 분류할 수 있다. I 스위칭부(422, 444)는 입력되는 국부 발진기의 다상 신호와 I 성분 신호를 변조하는 역할을 하며, Q 스위칭부(446, 448)는 입력되는 국부 발진기의 다상 신호와 Q 성분 신호를 변조하는 역할을 한다.

각 스위칭 성분에 입력되는 LO[0], LO[180], LO[90], LO[270] 등은 국부 발진기에서 생성된 신호가 다상 발생기에서 다상 신호로 생성된 후의 위상을 나타내는 것으로서, LO[0]은 위상이 0°인 신호, LO[90]은 위상이 90°인 신호, LO[180]은 위상이 180°인 신호, LO[270]은 위상이 270°인 신호를 각각 나타낸다.

I/Q 입력부(460)는 4개의 트랜지스터로 구성되며, 입력되는 신호 IP, IN은 기저대역 신호의 I 성분의 양의 성분 신호, 음의 성분 신호를 각각 나타내며, QP, QN은 기저대역 신호의 Q 성분의 양의 성분 신호, 음의 성분 신호를 각각 나타낸다.

출력부(RFP, RFN)는 전술한 변조를 거쳐서 주파수가 F_TX인 RF 신호를 출력한다. 출력부의 출력(RFP, RFN)은 이후 파워 증폭부에서 증폭되어 안테나를 통해 대기중으로 방사된다.

2¹차 저조파 I/Q 주파수 변조기(400)는 주파수가 F_TX/2¹인 신호 LO를 입력받아 변조하여 주파수가 F_TX인 신호를 출력하게 됨으로써, 파워 증폭부의 강한 출력 신호가 국부 발진기로 인입되더라도 TXLO-IP현상이 발생하지 않게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 직접 변환 송신기에서 N=K 일때의 일반적인 2^K차 저 조파 주파수 변조기의 회로도이다. 도시된 바와 같이 2^K차 저조파 주파수 변조기(500)는 부하부(520)와, 스위칭부(540)와 I/Q 입력부(560)와, 출력부(RFP, RFN)를 포함한다.

부하부(520)는 각각 저항, 캐패시터, 인덕터로 구성될 수 있는 임피던스 성분(Z_LP, Z_LN)을 포함하고 있어서, 부하로서 역할을 하며 또한 필터의 역할을 할 수 있다.

스위칭부(540)는 4개의 스위칭 성분(542, 544, 546, 548)으로 이루어져 있으며, 각 스위칭 성분(542, 544, 546, 548)은 2^K쌍, 즉 2*2^K개의 트랜지스터로 구성이 된다. 스위칭부(540)는 I 스위칭부(542, 544) 및 Q 스위칭부(546, 548)로 분류할 수도 있다. I 스위칭부(542, 544)는 입력되는 국부 발진기의 다상 신호와 I 성분 신호를 변조하는 역할을 하며, Q 스위칭부(546, 548)는 입력되는 국부 발진기의 다상 신호와 Q 성분 신호를 변조하는 역할을 한다.

첫 번째 스위칭 성분(542)에 입력되는 신호의 위상은 2^K개의 트랜지스터 쌍 각각에 대해서 각각 [0+180/2^K*(i-1), 180+180/2^K*(i-1)] (i는 1에서 2^K까지)로 표현되며, 따라서, 첫 번째 트랜지스터 쌍의 위상 LO[a], LO[b]는 각각 LO[0], 및 LO[180]의 위상을 가지며, 마지막 트랜지스터 쌍의 위상 LO[c], LO[d]는 각각 LO[180-180/2^K], 및 LO[360-180/2^K]의 위상을 가진다.

마찬가지로, 두 번째 스위칭 성분(544)에 입력되는 신호의 위상은 2^K개의 트랜지스터 쌍 각각에 대해서 각각 [180/2^K-180/2^K*(i-1), 180+180/2^K-180/2 ^K*(i-1)](i는 1에서 2^K까지)로 표현되며, 따라서, 첫 번째 트랜지스터 쌍의 위상 LO[e], LO[f]는 각각 LO[180/2^K], 및 LO[180+180/2^K]의 위상을 가지며,, 마지막 트랜지스터 쌍의 위상 LO[g], LO[h]는 각각 LO[180+180/2^K-1], 및 LO[180/2^K-1]의 위상을 가진다.

세 번째 스위칭 성분(546)의 각 트랜지스터의 위상은 첫 번째 스위칭 성분(542)의 각 트랜지스터의 위상을 90°만큼 이동시킨 위상으로써, [90+180/2^K*(i-1), 270+180/2^K*(i-1)] (i는 1에서 2^K까지)로 표현되므로, 첫 번째 트랜지스터 쌍의 위상 LO[i], LO[j]는 각각 LO[90], 및 LO[270]의 위상을 가지며, 마지막 트랜지스터 쌍의 위상 LO[k], LO[l]은 각각 LO[270-180/2^K], 및 LO[90-180/2^K]의 위상을 가진다.

네 번째 스위칭 성분(548)의 각 트랜지스터의 위상은 두 번째 스위칭 성분(544)의 각 트랜지스터의 위상을 90°만큼 이동시킨 위상으로써, 각각 [90+180/2^K-180/2^K*(i-1), 270+180/2^K-180/2^K*(i-1)](i는 1에서 2^K까지)로 표현되므로, 첫 번째 트랜지스터 쌍의 위상 LO[m], LO[n]은 각각 LO[90+180/2^K], 및 LO[270+180/2^K]의 위상을 가지며, 마지막 트랜지스터 쌍의 위상 LO[o], LO[p]는 각 각 LO[270+180/2^K-1], 및 LO[90+180/2^K-1]의 위상을 가진다.

I/Q 입력부(560)는 4개의 트랜지스터로 구성되며, 입력되는 신호 IP, IN은 기저대역 신호의 I 성분의 양의 성분 신호, 음의 성분 신호를 각각 나타내며, QP, QN은 기저대역 신호의 Q 성분의 양의 성분 신호, 음의 성분 신호를 각각 나타낸다.

2^K차 저조파 I/Q 주파수 변조기(400)는 주파수가 F_TX/2^K인 신호 LO를 입력받아 변조하여 주파수가 F_TX인 신호를 출력하게 되므로써, 파워 증폭부의 강한 출력 신호가 국부 발진기로 인입되더라도 TXLO-IP현상이 발생하지 않게 된다.

도 6은 종래의 직접 변환 송신기의 출력과 본 발명에 따른 직접 변환 송신기의 출력에서의 반송파 억압비 특성을 비교한 도면이다. 도 6에서, F_LS는 하부 측대역 주파수, F_반송파는 반송파의 주파수, F_US는 상부 측대역 주파수를 의미하며, 반송파 억압비(CSR)는 원하는 측대역 신호 파워 대 반송파 신호 파워의 비율로서 정의된다. 도시된 바와 같이, F_LS를 기준으로 살펴보면, 종래 송신기의 F_반송파에서의 파워보다 본 발명에 따른 송신기의 F_반송파에서의 파워가 작아지므로, 종래의 송신기에서의 반송파 억압비(CSRc)보다 본 발명에 따른 송신기에서의 반송파 억압비(CSRi) 가 커지는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직접 변환 송신기의 블록도이다. 도시되듯이 본 발명에 따른 직접 변환 송신기(700)는 디지털 변조부(710)와, D/A 변환부(720)와, DC 보정 및 저역통과필터부(730)와, N차 저조파 I/Q 주파수 변조부(240)와, 다상 신호 발생부(750)와, 국부 발진기(760)와, 파워 증폭부(770)와, 안테나(780)를 포함한다.

디지털 변조부(710)와, D/A 변환부(720)와, DC 보정 및 저역통과필터부(730)와, 파워 증폭부(770)와, 안테나(780)의 역할은 도 2에 도시된 직접 변환 송신기에서의 디지털 변조부(210)와, D/A 변환부(220)와, DC 보정 및 저역통과필터부(230)와, 파워 증폭부(270)와, 안테나(280)와 동일하므로 설명을 생략한다.

국부 발진기(760)는 주파수가 F_TX/N(N은 3이상의 홀수)인 정현파 신호를 발생시킨다. 이 경우 F_TX/2^N차인 주파수를 발생시키는 도 2에서의 국부 발진기(260)에 비해서 구현상의 복잡함이 있으나, 송신기 전체의 주파수 배정문제를 유연하게 설계할 수 있는 장점이 있으므로, F_TX/N인 정현파 신호를 발생시켜서 사용할 수 있도록 한다.

다상 신호 발생부(750)는 상기 정현파 신호를 입력받아 2N개의 위상을 지니는 다상 신호를 발생한다. 예컨대, N=3인 경우, 6개, 즉 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°의 위상을 지니는 다상 정현파 신호를 발생시킨다.

N차 저조파 I/Q 주파수 변조부(740)는 상기 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성 분을 각각 상기 다상 신호와 혼합하여 주파수가 F_TX인 출력 신호를 생성한다. 여기서 N차 저조파 변조라는 의미는 출력 주파수 F_TX의 1/N의 주파수를 가지는 신호를 입력받는다는 의미에서 N차 저조파 변조라는 용어를 사용하였다.

도 5의 2^N차 저조파 I/Q 주파수 변조기와 마찬가지로, N차 저조파 I/Q 주파수 변조부(740)는 I 성분 및 Q 성분 신호를 입력받는 I/Q 입력부와, 주파수가 F_TX/N(N은 2 이상의 자연수임)이고 2N개의 위상을 가지는 저조파 신호들 및 상기 I 성분 신호를 입력받아 변조하여 주파수가 F_TX인 신호를 출력하는 I 스위칭부와, 상기 저조파 신호들 및 상기 Q 성분 신호를 입력받아 변조하여 주파수가 F_TX인 신호를 출력하는 Q 스위칭부와, 부하로서 작용하는 부하부와, 상기 I 스위칭부 및 Q 스위칭부의 출력을 RF 신호로 출력하는 출력부를 포함한다(도시되지 않음). 여기서 N은 일반적으로 2이상의 자연수이지만, 도 8에 도시된 다상 국부 발진기(860)를 사용하는 경우가 아니라면, 본 발명에 따른 N차 저조파 I/Q 주파수 변조부는 N이 3이상의 홀수인 경우에 한정할 수 있다.

상기 I 스위칭부는 N쌍의 트랜지스터로 구성된 2개의 스위칭 성분(첫번째, 두 번째 스위칭 성분)을 포함하며, 상기 첫 번째 스위칭 성분의 각 트랜지스터 쌍에 입력되는 신호의 위상은, [0+180/N*(i-1), 180+180/N*(i-1)] (i는 1에서 N까지의 자연수)로 표현되고, 상기 두 번째 스위칭 성분의 각 트랜지스터 쌍에 입력되는 신호의 위상은, [180/N-180/N*(i-1), 180+180/N-180/N*(i-1)](i는 1에서 N까지)로 표현되며, 상기 Q 스위칭부는 N쌍의 트랜지스터로 구성된 2개의 스위칭 성분(세 번째, 네 번째 스위칭 성분)을 포함하며, 상기 세 번째 스위칭 성분의 각 트랜지스터 쌍에 입력되는 신호의 위상은, [90+180/N*(i-1), 270+180/N*(i-1)] (i는 1에서 N까지의 자연수)로 표현되고, 상기 네 번째 스위칭 성분의 각 트랜지스터 쌍에 입력되는 신호의 위상은, [90+180/N-180/N*(i-1), 270+180/N-180/N*(i-1)](i는 1에서 N까지)로 표현될 수 있다. 또한 상기 부하부는 저항, 캐패시터, 인덕터를 포함하는 임피던스 성분들로 이루어진다.

예컨대, N=3인 경우라면, I 스위칭부의 첫 번째 스위칭 성분의 트랜지스터 쌍에는 각각 [0, 180], [60, 240], [120, 300]의 위상을 가지는 정현파 신호가 입력될 것이며, 두 번째 스위칭 성분의 트랜지스터 쌍에는 [60, 240], [0, 180], [300, 120]의 위상을 가지는 정현파 신호가 입력될 것이며, Q 스위칭부의 세 번째 네 번째 스위칭 성분에는 상기 첫 번째 두 번째 스위칭 성분의 위상에 90°만큼 더해진 위상이 입력될 것이다. 이러한 N차 저조파 I/Q 주파수 변조부는 특히 N이 홀수인 자연수일때 주파수 계획 및 구현에 유리한 점이 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직접 변환 송신기의 블록도이다. 도시되듯이 본 발명에 따른 직접 변환 송신기(800)는 디지털 변조부(810)와, D/A 변환부(820)와, DC 보정 및 저역통과필터부(830)와, N차 저조파 I/Q 주파수 변조부(840)와, 다상 국부 발진기(860)와, 파워 증폭부(870)와, 안테나(880)를 포함한다.

디지털 변조부(810)와, D/A 변환부(820)와, DC 보정 및 저역통과필터부(830) 와, 파워 증폭부(870)와, 안테나(880)의 역할은 도 2에 도시된 직접 변환 송신기에서의 디지털 변조부(210)와, D/A 변환부(220)와, DC 보정 및 저역통과필터부(230)와, 파워 증폭부(270)와, 안테나(280)와 동일하므로 설명을 생략한다.

도 8에 도시된 직접 변환 송신기의 블록도와 도 2 또는 도 7에 도시된 직접 변환 송신기의 블록도의 가장 큰 차이점은 다상 신호 발생부(250 또는 750)이다. 도 8에 도시된 직접 변환 송신기는 다상 정현파 신호를 발생시키는 다상 국부 발진기(860)를 사용하여 주파수가 F_TX/N(N은 1이상의 자연수)인 정현파 신호를 발생시킨다. 예컨대, 링 발진기를 이용하여 이러한 다상 국부 발진기를 구현할 수 있다.

다상 국부 발진기(860)는 주파수가 F_TX/N이고 2N개의 위상을 지니는 다상 정현파 신호(N은 2이상의 자연수임)를 발생시킨다.

N차 저조파 I/Q 주파수 변조부(840)는 상기 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 각각 상기 다상 정현파 신호와 혼합하여 주파수가 F_TX인 출력 신호를 생성한다. 여기서 N차 저조파 변조라는 의미는 출력 주파수 F_TX의 1/N의 주파수를 가지는 신호를 입력받는다는 의미에서 N차 저조파 변조라는 용어를 사용하였다.

도 9는 다상 신호를 생성하는 링 발진기의 예시적인 블록도이다. 도시된 바와 같이, 링 발진기는 복수의 위상지연수단을 다단으로 연결하여 복수의 위상을 가지는 신호를 생성한다.

즉 도 9(a)는 4개의 위상지연수단을 사용하여 위상이 각각 0°, 90°, 180°, 270°인 다상 신호를 생성하는 4단 링 발진기의 블록도를 도시한 것이며, 도 9(b)는 8개의 위상 지연 수단을 사용하여 위상이 각각 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°인 다상 신호를 생성하는 8단 링 발진기의 블록도를 도시한 것이다. 또한 도 9(c)는 N개의 단을 가지는 N단 링 발진기의 블록도를 도시한 것이며, 총 2N개의 위상을 가지는 정현파 신호를 생성하게 된다.

이러한 링 발진기를 이용하여 다상 신호를 발생하는 것은 위상 마진에 대한 조건이 엄격하지 않은 시스템, 예컨대, LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Networks), WCDMA 등의 시스템에서 적용될 수 있을 것이다.

비록 본 발명이 구성이 예시적으로 설명되었지만 이는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 보호 범위가 이들 예시에 의해 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 보호 범위는 청구범위의 기재를 통하여 정하여진다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 2^N차 저조파 주파수 변조기를 채택한 직접 변환 송신기를 이용하여 TXLO-IP 문제를 완전히 해소하고 반송파 억압비(CSR) 특성을 향상시킬 수 있어서, 파워를 적게 소모하고 소형화가 가능하며 저비용으로 제작이 가능한 직접 변환 송신기의 구현을 가능하게 할 수 있다.

Claims

직접 변환 송신기에 사용되는 I/Q 주파수 변조기로서,

I 성분 및 Q 성분 신호를 입력받는 I/Q 입력부와,

주파수가 F_TX/2^N이고(N은 1 이상의 자연수임) 2^N+1개의 위상을 가지는 저조파(sub-harmonic) 신호들 및 상기 I 성분 신호를 입력받아 변조하여 주파수가 F_TX인 신호를 출력하는 I 스위칭부와,

상기 저조파 신호들 및 상기 Q 성분 신호를 입력받아 변조하여 주파수가 F_TX인 신호를 출력하는 Q 스위칭부와,

부하로서 작용하는 부하부와,

상기 I 스위칭부 및 Q 스위칭부의 출력을 RF 신호로 출력하는 출력부

를 포함하는 직접 변환 송신기에 사용되는 I/Q 주파수 변조기.
제1항에 있어서,

상기 I 스위칭부는 2^N쌍의 트랜지스터로 구성된 2개의 스위칭 성분(첫번째, 두 번째 스위칭 성분)을 포함하며,

상기 첫 번째 스위칭 성분의 각 트랜지스터 쌍에 입력되는 신호의 위상은,

[0+180/2^N*(i-1), 180+180/2^N*(i-1)] (i는 1에서 2^N까지의 자연수)로 표현되 고,

상기 두 번째 스위칭 성분의 각 트랜지스터 쌍에 입력되는 신호의 위상은,

[180/2^N-180/2^N*(i-1), 180+180/2^N-180/2^N*(i-1)](i는 1에서 2^N까지의 자연수)로 표현되며,

상기 Q 스위칭부는 2^N쌍의 트랜지스터로 구성된 2개의 스위칭 성분(세 번째, 네 번째 스위칭 성분)을 포함하며,

상기 세 번째 스위칭 성분의 각 트랜지스터 쌍에 입력되는 신호의 위상은,

[90+180/2^N*(i-1), 270+180/2^N*(i-1)] (i는 1에서 2^N까지의 자연수)로 표현되고,

상기 네 번째 스위칭 성분의 각 트랜지스터 쌍에 입력되는 신호의 위상은,

[90+180/2^N-180/2^N*(i-1), 270+180/2^N-180/2^N*(i-1)](i는 1에서 2^N까지의 자연수)로 표현되는 것을 특징으로 하는 직접 변환 송신기에 사용되는 I/Q 주파수 변조기.
제1항에 있어서,

상기 부하부는 저항, 캐패시터, 인덕터를 포함하는 임피던스 성분들로 이루어진 것을 특징으로 하는 직접 변환 송신기에 사용되는 I/Q 주파수 변조기.
직접 변환 송신기에 사용되는 I/Q 주파수 변조기로서,

I 성분 및 Q 성분 신호를 입력받는 I/Q 입력부와,

주파수가 F_TX/N(N은 2 이상의 자연수임)이고 2N개의 위상을 가지는 저조파 신호들 및 상기 I 성분 신호를 입력받아 변조하여 주파수가 F_TX인 신호를 출력하는 I 스위칭부와,

상기 저조파 신호들 및 상기 Q 성분 신호를 입력받아 변조하여 주파수가 F_TX인 신호를 출력하는 Q 스위칭부와,

부하로서 작용하는 부하부와,

상기 I 스위칭부 및 Q 스위칭부의 출력을 RF 신호로 출력하는 출력부

를 포함하는 직접 변환 송신기에 사용되는 I/Q 주파수 변조기.
제4항에 있어서,

상기 I 스위칭부는 N쌍의 트랜지스터로 구성된 2개의 스위칭 성분(첫번째, 두 번째 스위칭 성분)을 포함하며,

상기 첫 번째 스위칭 성분의 각 트랜지스터 쌍에 입력되는 신호의 위상은,

[0+180/N*(i-1), 180+180/N*(i-1)] (i는 1에서 N까지의 자연수)로 표현되고,

상기 두 번째 스위칭 성분의 각 트랜지스터 쌍에 입력되는 신호의 위상은,

[180/N-180/N*(i-1), 180+180/N-180/N*(i-1)](i는 1에서 N까지의 자연수)로 표현되며,

상기 Q 스위칭부는 N쌍의 트랜지스터로 구성된 2개의 스위칭 성분(세 번째, 네 번째 스위칭 성분)을 포함하며,

상기 세 번째 스위칭 성분의 각 트랜지스터 쌍에 입력되는 신호의 위상은,

[90+180/N*(i-1), 270+180/N*(i-1)] (i는 1에서 N까지의 자연수)로 표현되고,

상기 네 번째 스위칭 성분의 각 트랜지스터 쌍에 입력되는 신호의 위상은,

[90+180/N-180/N*(i-1), 270+180/N-180/N*(i-1)](i는 1에서 N까지의 자연수)로 표현되는 것을 특징으로 하는 직접 변환 송신기에 사용되는 I/Q 주파수 변조기.
제4항에 있어서,

상기 부하부는 저항, 캐패시터, 인덕터를 포함하는 임피던스 성분들로 이루어진 것을 특징으로 하는 직접 변환 송신기에 사용되는 I/Q 주파수 변조기.
기저대역 신호를 디지털 변조하여 I 성분 및 Q 성분 신호를 출력하는 디지털 변조부와,

상기 디지털 변조부의 출력 신호인 I 성분 및 Q 성분 신호를 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호로 변환하는 D/A 변환부와,

상기 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호의 DC 인터페이스를 맞추고 이를 저역 통과시켜서 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 생성하는 DC 보정 및 저역통과필터부와,

주파수가 F_TX/2^N(N은 1이상의 자연수임)인 정현파 신호를 발생시키는 국부 발진기와,

상기 정현파 신호를 입력받아 2^N+1개의 위상을 지니는 다상 신호를 발생하는 다상 신호 발생부와,

상기 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 각각 상기 2^N+1개의 위상을 지니는 다상 신호와 혼합하여 주파수가 F_TX인 출력 신호를 생성하는 2^N차 저조파(sub-harmonic) I/Q 주파수 변조부와,

상기 2^N차 저조파 I/Q 주파수 변조부의 출력 신호를 원하는 크기의 출력 신호로 증폭하는 파워 증폭부와,

파워 증폭부의 출력 신호를 방사하는 안테나

를 포함하는 직접 변환 송신기.
기저대역 신호를 디지털 변조하여 I 성분 및 Q 성분 신호를 출력하는 디지털 변조부와,

상기 디지털 변조부의 출력 신호인 I 성분 및 Q 성분 신호를 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호로 변환하는 D/A 변환부와,

상기 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호의 DC 인터페이스를 맞추고 이를 저역 통과시켜서 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 생성하는 DC 보정 및 저역통과필터부와,

주파수가 F_TX/N(N은 3이상의 홀수)인 정현파 신호를 발생시키는 국부 발진기와,

상기 정현파 신호를 입력받아 2N개의 위상을 지니는 다상 신호를 발생하는 다상 신호 발생부와,

상기 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 각각 상기 다상 신호와 혼합하여 주파수가 F_TX인 출력 신호를 생성하는 N차 저조파 I/Q 주파수 변조부와,

상기 N차 저조파 I/Q 주파수 변조부의 출력 신호를 원하는 크기의 출력 신호로 증폭하는 파워 증폭부와,

파워 증폭부의 출력 신호를 방사하는 안테나

를 포함하는 직접 변환 송신기.
기저대역 신호를 디지털 변조하여 I 성분 및 Q 성분 신호를 출력하는 디지털 변조부와,

상기 디지털 변조부의 출력 신호인 I 성분 및 Q 성분 신호를 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호로 변환하는 D/A 변환부와,

상기 아날로그 데이터인 I 성분 및 Q 성분 신호의 DC 인터페이스를 맞추고 이를 저역 통과시켜서 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 생성하는 DC 보정 및 저역통과필터부와,

주파수가 F_TX/N이고 2N개의 위상을 지니는 다상 정현파 신호(N은 2이상의 자연수임)를 발생시키는 다상 국부 발진기와,

상기 기저대역 신호의 I 성분 및 Q 성분을 각각 상기 다상 정현파 신호와 혼합하여 주파수가 F_TX인 출력 신호를 생성하는 N차 저조파 I/Q 주파수 변조부와,

상기 N차 저조파 I/Q 주파수 변조부의 출력 신호를 원하는 크기의 출력 신호로 증폭하는 파워 증폭부와,

파워 증폭부의 출력 신호를 방사하는 안테나

를 포함하는 직접 변환 송신기.
제9항에 있어서, 상기 다상 국부 발진기는 N-단을 가지는 링 발진기(ring oscillator)인 것을 특징으로 하는 직접 변환 송신기.