KR100522204B1 - 위상동기루프회로에서 락업 타임을 단축시키는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위상동기루프에서 주파수 천이시에 분주된 기준 주파수와 출력 주파수를 동기 시키는 데 소요되는 락업 타임으로 인해서 주파수가 천이되는 시간이 결정되어지는 문제점을 해결하기 위해, 분주된 기준 주파수와 분주된 출력 주파수가 동기 되지 않았을 경우 분주기 제어부가 제1 분주기의 기준 주파수 분주비와 제2 분주기의 출력 주파수 분주비를 일정배수만큼 비율을 높게 변경시켜 기준 주파수와 출력 주파수의 파장을 짧게 함으로써 락업 타임을 단축시키는 장치를 제공한다.

Description

위상동기루프회로에서 락업 타임을 단축시키는 장치{THE APPARATUS OF REDUCING LOCK-UP TIME IN PHASE LOCKED LOOP}

본 발명은 위상동기루프회로에 관한 것으로, 특히 기준 주파수와 출력 주파수를 동기 시키는 데 소요되는 시간인 락업 타임에 관한 것이다.

통상적으로 RF(Radio Frequency)장비는 주파수원을 필요로 한다. 그리고 특정 전압을 입력 받으면 특정 주파수를 생성하는 VCO(Voltage Controlled Oscillator : 전압 제어 발진기)를 그 주파수원으로서 사용한다. 그러나 VCO 단독으로는 주변회로와 외부환경요인 등의 영향을 받아서 안정적인 주파수원으로 사용할 수가 없게 되는데, 이에 따라 출력 주파수를 초기에 생성되었던 주파수에 동기 시키기 위해서 위상동기루프회로를 사용한다.

통상적인 위상동기루프의 동작을 살펴보면 RF장비의 VCO에서 출력되는 출력 주파수와 OSC(Oscillator)에서 출력되는 기준 주파수를 위상 비교기에서 비교하여 두 주파수간의 위상차를 출력한다. 그리고 그 양 또는 음의 위상차에 따라 VCO에 입력되는 제어 전압을 조절함으로써 항상 기준 주파수와 동기된 주파수가 VCO에서 발생되도록 한다.

이러한 통상적인 위상동기루프회로의 블록 구성도를 나타낸 도면인 도 1을 참조하여 살펴보면, 기준 주파수(F_OSC)를 발생하는 OSC(100), 기준 주파수(F_OSC)와 출력 주파수(F_OUT)의 위상차를 검출하고, 그 위상차에 따른 제어 전류를 루프 필터(108)로 출력하는 위상 비교기(104), 위상 비교기(104)로부터 입력되는 제어 전류에 따른 제어 전압을 VCO(108)로 출력하는 루프 필터(106), 그리고 루프 필터(106)로부터 제어 전압을 입력 받아 그 제어 전압에 따른 특정 주파수를 발생하는 VCO(108)로 구성되어 있다.

그러나 통상적인 RF장비에서 사용하는 고주파를 OSC(100)에서 생성할 수 없기 때문에, OSC(100)에서 출력되는 기준 주파수(F_OSC)와 출력 주파수(F_OUT)를 비교하기 위해서는, VCO(108)에서 출력되는 출력 주파수(F_OUT)를 정확하게 일정 비율(N)로 나눔으로써 같은 주파수 성질을 가지고 있는 저주파를 만들어야 할 필요성이 생긴다. 따라서 출력 주파수(F_OUT)를 입력 받아 이를 일정 비율(N)로 분주하여 비교 주파수(Fp)를 출력하는 역할을 하는 N분주기(110)가 필요하다. 또한 OSC(100)에서 생성되는 주파수의 대역이 넓으면 넓을수록 생성 가능한 기준 주파수(F_OSC)의 수가 줄어들게 되기 때문에, 이러한 주파수 대역의 낭비를 막기 위해서 기준 주파수(F_OSC)를 입력 받고 이 주파수가 일정 비율(R)에 의해 분주된 기준 주파수(Fr)를 출력하는 R분주기(102)가 필요하다.

그러므로 R분주기(102)가 분주된 기준 주파수(Fr)를 위상 비교기(104)에 출력하고, N분주기(110)가 비교 주파수(Fp)를 위상 비교기(104)에 출력하면, 위상 비교기(104)는 입력 받은 두 주파수를 비교하여 그 두 주파수의 양의 위상차 또는 음의 위상차를 검출하고, 그 위상차에 따른 제어 전류를 루프 필터(106)로 출력한다. 그리고 루프 필터(106)는 위상 비교기(104)로부터 제어 전류를 입력 받고, 그 제어 전류에 따른 제어 전압을 VCO(108)로 출력한다. 따라서 VCO(108)에서는 궤환루프를 통한 미세한 제어전압변화로 보상된 출력 주파수(F_OUT)가 출력되게 된다.

도 2는 통상적인 위상동기루프회로의 분주된 기준 주파수(Fr), 비교 주파수(Fp)와, 위상 비교기(104)에서 출력되는 제어 전류(Icp), 그리고 락 검출 신호의 예를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하여 살펴보면, R분주기(102)가 출력하는 분주된 기준 주파수(Fr)의 위상과 N분주기(110)가 출력하는 비교 주파수(Fp)의 위상이 어긋나 있다가 점차 시간이 지남에 따라 같아지는 것을 보이고 있다. 위상 비교기(104)에서 이러한 두 주파수 간의 위상차가 검출되면, 그 위상차에 따른 제어 전류(Icp)가 루프 필터(108)로 출력된다. 그리고 이러한 위상차가 점차 줄어들어서 더 이상 발생하지 않게 되면 위상 비교기(104)에서 출력되는 락(Lock) 검출 신호에서 락이 검출되게 되는데, 이러한 락이 검출되면 분주된 표준 주파수(Fr)와 비교 주파수(Fp)는 동기가 된 것을 의미한다. 이러한 락 검출 신호에서 락이 검출되기까지 걸리는 시간을 락업 타임이라고 하며, 이 락업 타임 내에서는 RF장비가 기준 주파수(F_OSC)와 출력 주파수(F_OUT)가 동기되지 않은 상태이기 때문에 정상적인 동작을 할 수 없다. 따라서 이러한 락업 타임이 길다면 그 만큼 RF장비가 정상적인 동작을 할 수 없는 시간이 길어진다는 문제점이 있다.

그런데 위상동기루프회로는 안정적인 주파수원을 제공하는 것 이외에도 출력 주파수(F_OUT)를 분주하는 분주비(N)를 변화시킴으로써 출력 주파수(F_OUT)를 전혀 다른 주파수로 천이 시키는 역할을 하기도 한다. 예를 들어 현재 위상동기루프회로의 분주 기준 출력 주파수(Fr)는 80KH_Z, 출력 주파수(F_OUT)가 800MH_Z, 그리고 N분주기(108)의 분주비(N)가 1/10000로서 현재 동기가 되어있는 상태를 가정하였을 경우 N분주기(108)의 분주비(N)를 1/9900로 변화시킨다면 N분주기(108)에서는 80.8KH_Z의 비교 주파수(Fp)를 출력한다. 따라서 위상 비교기(104)는 이 두 주파수 80KH_Z와 80.8KH_Z를 비교하고, 그 두주파수의 차이인 -0.8KH_Z에 해당하는 제어 전류를 루프 필터(106)로 출력하고, 루프 필터(106)는 위상 비교기(104)로부터 출력되는 제어 전류를 입력 받아서 그 제어 전류에 따른 제어 전압을 VCO(108)로 출력한다. 따라서 VCO(108)에서는 처음 출력되던 800MH_Z의 출력 주파수(F_OUT)가, 8KH_Z 에 N분주기(108)의 분주비(1/10000)의 역수인 10000을 곱한 8MH_Z가 낮아진 792MH_Z로 천이하게 된다.

앞에서 설명한 예와 같이 VCO(108)에서 출력되는 출력 주파수(F_OUT)가 800MH_Z에서 792MH_Z로 천이하는 것을 주파수 도약이라 한다. 도 3은 위상동기루프회로를 이용해서 주파수를 도약 시킬 때에 주파수의 변화를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하여 살펴보면, 초기 주파수 F₁에서 주파수 F₂로 도약하는 경우, 기준 주파수에 동기 되어있는 F₁에서 주파수 도약에 따른 주파수의 위상을 고정시키기 위해 주파수가 F₂를 중심으로 흔들리다가 락업 타임이 지나면 주파수가 고정되는 것을 보이고 있다. 그러나 이러한 락업 타임은 기준 주파수(F_OSC)의 주기가 고정되어 있음에 따라서 그 시간적 길이가 고정되어 있었다. 그렇기 때문에 주파수 도약 시에 고정적인 소요시간이 되어 전체적인 주파수 도약 시간을 증가시킨다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 위상동기루프회로에서 출력 주파수를 기준 주파수에 동기시키는데 소요되는 락업 타임을 단축시킬 수 있도록 하는 장치를 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기준 주파수를 발생하는 OSC(Oscilator)와, 상기 기준 주파수를 가변되는 제1 분주비로 분주하는 제1 분주기와, 입력되는 제어 전압에 따라 출력 주파수를 발생하는 VCO(Voltage Controlled Oscillator)와, 상기 출력 주파수를 가변되는 제2 분주비로 분주하는 제2 분주기와, 상기 제1, 제2 분주기에서 각각 출력되는 주파수들 간의 위상차를 검출하고, 상기 두 주파수의 위상 동기 여부를 나타내는 락 검출 신호와 상기 위상차에 대응되는 제어 전류를 출력하는 위상 비교기와, 상기 위상 비교기에서 출력된 상기 제어 전류에 대응되는 상기 제어 전압을 발생하여 상기 VCO에 인가하는 루프 필터와, 상기 락 검출 신호가 상기 위상 동기 상태를 나타내지 않는다면 상기 제1, 제2 분주비를 락업 타임 단축을 위한 분주비로 변경시키고, 이후 상기 락 검출 신호가 상기 위상 동기 상태를 나타낸다면, 변경된 상기 제1, 2 분주비를 복원시키는 분주기 제어부를 구비한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명이 적용된 실시 예에 따른 위상동기루프회로의 블록 구성도를 나타내고 있는 도 4를 참조하여 살펴보면, 통상적인 위상동기루프회로의 구성과 같이 기준 주파수(F_OSC)를 발생하는 OSC(100), 기준 주파수(F_OSC)와 출력 주파수(F_OUT )의 위상차를 검출하고 그에 따른 제어 전류를 연결된 루프 필터(106)로 출력하는 위상 비교기(104), 위상 비교기(104)로부터 입력되는 제어 전류에 따른 제어 전압을 VCO(108)로 출력하는 루프 필터(106), 그리고 루프 필터(106)로부터 제어 전압을 입력 받아서 그 제어 전압에 따른 특정 주파수를 발생하는 VCO(108), VCO(108)로부터 입력되는 출력 주파수(F_OUT)를 일정 비율(N)로 분주하고, 출력 주파수(F_OUT)를 분주한 비교 주파수(Fp)를 위상 비교기(104)로 출력하기 위한 N분주기(110)와 OSC(100)로부터 입력되는 기준 주파수(F_OSC)를 일정 비율(R)로 분주하고, 분주된 기준 주파수(Fr)를 위상 비교기(104)로 출력하기 위한 R분주기(102), 그리고 R분주기(102)와 N분주기(110)를 제어하기 위한 분주기 제어부(400)를 구비한다.

이러한 분주기 제어부(400)의 동작을 나타내는 도 5를 참조하여 살펴보면, 분주기 제어부(400)는 위상 비교기(104)로부터 락 검출 신호를 입력 받아, (500)단계에서 락이 검출되었는지를 확인한다. 그리고 락이 검출되었다면 계속 락이 검출되었는지를 확인한다. 그리고 (500)단계에서 락이 검출되지 않았다면 (502)단계에서 R분주기(102)로 R값을 일정수(K)배 증가시키는 분주기 제어신호를 출력하고, N분주기(110)로 N값을 일정수(K)배 증가시키는 분주기 제어신호를 출력하여, R분주기(102)의 분주비(R)와 N분주기(110)의 분주비(N)를 각각 일정수(K)배 한 분주비로 변경시킨다.

따라서 락이 검출되지 않으면, 분주된 기준 주파수(Fr)와 비교 주파수(Fp)가 통상적인 위상동기루프회로에서 보다 일정수(K)배가 되는 고주파가 된다. 일 예를 들어 설명하면 OSC(100)에서 출력되는 기준 주파수(F_OSC)가 8MH_Z, R분주기(102)의 분주비가 1/100(즉, R은 1/100)일 때에 분주 기준 주파수(Fr)는 80KH_Z가 된다. 또한 VCO(108)에서 출력되는 출력 주파수(F_OUT)가 800MH_Z일 때 N분주기(110)의 분주비가 1/10000(즉, N은 1/10000)일 때 비교 주파수(Fp)는 80KH_Z가 출력되며, 출력 주파수(F_OUT)는 800MH_Z로 고정된다. 그러나 N분주기의 분주비를 1/9900으로 변화시킬 경우 출력 주파수(F_OUT)는 앞에서 통상적인 위상동기루프회로에서의 주파수 도약에 대한 설명에서와 같은 과정을 통해 792MH_Z로 도약하게 된다. 그런데 여기서 본 발명의 실시 예에 따라 R분주기(102)의 분주비(R)와 N분주기(110)의 분주비(N)를 분주기 제어부(400)의 분주기 제어신호(406,408)에 따라 2배(즉, K는 2)로 할 경우, R분주기(102)의 분주비(R)는 1/50이 되어 분주 기준 주파수(Fr')은 160KH_Z가 되고, N분주기(110)의 분주비(N)는 1/4950이 되어 비교 주파수(Fp')는 161.6KH_Z가 된다. 따라서 통상적인 위상동기루프회로에서 80KH_Z의 분주 기준 주파수(Fr)가 1초 동안 80000번의 진동이 이루어지는 데 반해 본 발명에서는 160KH_Z의 분주 기준 주파수(Fr')를 사용함으로써 1초 동안 160000번의 진동이 이루어진다. 따라서 위상동기루프회로의 동작에 따라 일정 시간동안 분주 기준 주파수와 비교 주파수를 동기 시키기 위해 두 주파수를 비교하는 횟수는 통상적인 위상동기루프회로에서보다 2배가 되며 따라서 분주 기준 주파수(Fr')에 비교 주파수(Fp')를 동기 시키는 데 소요되는 시간인 락업 타임(300)은 그만큼 단축된다. 여기서 사용한 예는 일정수(K)가 '2'인 경우를 들어 설명하였지만, 본 발명에서 언급하고 있는 일정수(K)는 '2'에 국한되는 것이 아니며, 이 일정수(K)는 본 발명이 적용되는 RF장비와 주파수의 상태에 따라 장비 시험을 통해 결정된 값을 사용하도록 한다.

그리고 분주기 제어부(400)는 (502)단계에서 R분주기(102)와 N분주기(110)의 분주비(R값과 N값)가 일정수(K)배 한 분주비로 변경되었다면, (504)단계로 진행하여 락이 검출되었는지 다시 확인한다. 그리고 락이 검출되었다면, 즉 분주된 기준 주파수(Fr)와 비교 주파수(Fp)가 동기가 된 상태라면, (508)단계로 진행하여 (502)단계에서 일정수(K)배 한 R분주기(102)와 N분주기(110)의 분주비인 R값과 N값을 다시 원래의 값으로 복원시키는 복원 제어신호를 R분주기(102)와 N분주기(110)로 각각 출력하여 R분주기(102)와 N분주기(110)의 분주비를 복원시킨다. 그리고 (500)단계로 진행하여 락이 검출되었는지를 다시 확인한다. 그러나 락이 검출되지 않는 상태, 즉 분주된 기준 주파수(Fr)와 비교 주파수(Fp)가 동기가 아직 이루어지지 않은 상태라면, (506)단계에서 현재 R분주기(102)와 N분주기(110)의 분주비(R값과 N 값)를 일정수(K)배로 변경한 상태를 그대로 유지하도록 하고, 다시 (504)단계에서 락이 검출되었는지를 확인한다.

도 6은 본 발명이 적용된 실시 예에 따른 위상동기루프회로의 분주된 기준 주파수(Fr'), 비교 주파수(Fp')와, 위상 비교기(104)에서 출력되는 제어 전류(Icp'), 그리고 락 검출 신호의 예를 나타낸 것이다. 이 도 6을 통상적인 위상동기루프회로의 분주된 기준 주파수(Fr), 비교 주파수(Fp)와, 위상 비교기(104)에서 출력되는 제어 전류(Icp), 그리고 락 검출 신호의 예를 보이고 있는 도 2와 비교하여 보면 락 신호가 검출되는 동안에는 분주 기준 주파수(Fr')와 비교 주파수(Fp')의 파장이 락 검출 신호에 락이 검출되지 않을 때에는 짧고, 락이 검출될 때에는 긴 것을 보이고 있다. 그러므로 락이 검출되지 않을 때에는 일정 시간 내에 통상적인 위상동기루프회로에서 두 주파수의 주기를 비교하는 횟수는 증가하게 되고, 따라서 두 주파수가 동기 되는 시간은 더 짧아지게 된다.

또한 본 발명이 적용된 실시 예에 따른 위상동기루프회로를 이용한 주파수 도약시의 주파수의 예를 보이고 있는 도 7을, 통상적인 위상동기루프회로를 이용한 주파수 도약시의 주파수의 예를 보이고 있는 도 3과 비교하여 살펴보면, 도 7의 락업 타임이 분주 기준 주파수(Fr')와 비교 주파수(Fp')의 파장이 짧아짐에 따라 도 3의 락업 타임보다 단축된 것을 보이고 있다. 또한 락업 타임이 지나게 되면 다시 분주 기준 주파수(Fr)에 비교 주파수(Fp)의 분주비를 복원 시킴으로써 파장이 복원되어 최종적인 출력 주파수(F_OUT)가 도 3과 도 7에서 동일한 것을 보이고 있다.

따라서 본 발명은 분주된 기준 주파수(Fr')와 비교 주파수(Fp')가, 동기가 이루어지지 않았을 때에는 통상적인 위상동기루프회로에서의 주파수보다 일정수(K)배가 되는 고주파가 된다. 그러므로 통상적인 위상동기루프회로에서 보다 기준 분주 주파수(Fr')와 비교 주파수(Fp')의 파장이 짧아지고, 이에 따라 락업 타임은 단축된다. 그리고 락 검출 신호에서 락이 발생하면 분주기 제어부(400)가 분주 주파수(Fr)와 비교 주파수(Fp)가 동기 된 것으로 인식하여 R분주기(102)와 N분주기(110)의 분주비를 다시 원래의 분주비로 복원하도록 한다. 그러므로 본 발명의 실시 예에 따른 위상동기루프회로와 통상적인 위상동기루프회로에서 최종적으로 출력되는 출력 주파수(F_OUT)는 동일하지만, 본 발명의 실시 예에 따른 위상동기루프회로에서 소요되는 락업 타임은 단축된다.

따라서 상술한 바와 같이 본 발명은 통상적인 위상동기루프회로에서 고정적으로 소요되는 시간인 락업 타임을 단축시킴으로써 RF장비가 정상적인 동작을 할 수 없는 시간을 단축시킨다는 효과가 있다. 또한 주파수 도약시에 전체적인 주파수 도약 시간을 단축시킨다는 효과가 있다.

도 1은 통상적인 위상동기루프회로의 블록 구성도,

도 2는 통상적인 위상동기루프회로의 분주된 기준 주파수, 비교 주파수, 위상 비교기에서 출력되는 제어 전류, 그리고 락 검출 신호의 예시도,

도 3은 통상적인 위상동기루프회로를 이용한 주파수 천이시의 주파수의 예시도,

도 4는 본 발명이 적용된 실시 예에 따른 위상동기루프회로의 블록 구성도,

도 5는 본 발명이 적용된 실시 예에 따른 위상동기루프회로의 분주기 제어부의 동작 흐름도,

도 6은 본 발명이 적용된 실시 예에 따른 위상동기루프회로의 분주된 기준 주파수, 비교 주파수, 위상 비교기에서 출력되는 제어 전류, 그리고 락 검출 신호의 예시도,

도 7은 본 발명이 적용된 실시 예에 따른 위상동기루프회로를 이용한 주파수 천이시의 주파수의 예시도.

Claims (3)

1. 위상동기루프회로에 있어서,

   기준 주파수를 발생하는 OSC(Oscilator)와,

   상기 기준 주파수를 가변되는 제1 분주비로 분주하는 제1 분주기와,

   입력되는 제어 전압에 따라 출력 주파수를 발생하는 VCO(Voltage Controlled Oscillator)와,

   상기 출력 주파수를 가변되는 제2 분주비로 분주하는 제2 분주기와,

   상기 제1, 제2 분주기에서 각각 출력되는 주파수들 간의 위상차를 검출하고, 상기 두 주파수의 위상 동기 여부를 나타내는 락 검출 신호와 상기 위상차에 대응되는 제어 전류를 출력하는 위상 비교기와,

   상기 위상 비교기에서 출력된 상기 제어 전류에 대응되는 상기 제어 전압을 발생하여 상기 VCO에 인가하는 루프 필터와,

   상기 락 검출 신호가 상기 위상 동기 상태를 나타내지 않는다면 상기 제1, 제2 분주비를 락업 타임 단축을 위한 분주비로 변경시키고, 이후 상기 락 검출 신호가 상기 위상 동기 상태를 나타낸다면, 변경된 상기 제1, 2 분주비를 복원시키는 분주기 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 위상동기루프회로에서 락업 타임을 단축시키는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 락업 타임을 위한 분주비는,

   상기 제1, 2 분주비의 일정배수만큼 높여진 비율임을 특징으로 하는 위상동기루프회로에서 락업 타임을 단축시키는 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 분주비는,

   상기 출력 주파수를 상기 기준 주파수와 동기 시키기 위하여 상기 출력 주파수를 분주하는 분주비와, 주파수 도약을 위해 미리 설정된 분주비들 중에 어느 하나임을 특징으로 하는 위상동기루프회로에서 락업 타임을 단축시키는 장치.