KR100707876B1

KR100707876B1 - 다위상 수신기, 집적 수신기, 및 집적 송수신기

Info

Publication number: KR100707876B1
Application number: KR1020017008991A
Authority: KR
Inventors: 브리안 예이. 민니스; 파울 아. 무레
Original assignee: 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2007-04-16
Also published as: US7092461B1; JP4717309B2; EP1145451B1; EP1145451A1; GB9927289D0; CN100559725C; CN1337096A; TW504911B; WO2001039385A1; KR20010093263A; JP2003516020A

Abstract

다위상(polyphase) 수신기는 반송 신호 상에서 변조되는 원하는 데이터 신호를 수신하기 위한 그리고 직교 관련 낮은 IF 신호를 생성하기 위한 RF 전단(10 내지 28)과, 직교 관련 낮은 IF 신호를 필터링하기 위한 다위상 수신기(30)에 의해 형성되는 이미지 제거 필터, 필터링 된 직교 관련 낮은 IF 신호의 동작 범위를 압축하기 위한 소프트한 제한 수단(36, 38)과 데이터 신호를 복구하기 위한 신호 복조기(41)를 포함한다. 소프트한 수단(36, 38)은 미리 결정된 원하는 최소 신호 레벨보다 10dB이하의 신호 레벨에서는 실질적으로 선형이고 더 높은 신호 레벨에 대해서는 압축되고 수신기의 감도를 떨어뜨리는 것을 피하는 원하는 수신기 감도보다 실질적으로 10dB 이상에서 엄격한 제한을 하는 특성을 갖는다.

Description

다위상 수신기, 집적 수신기, 및 집적 송수신기{A POLYPHASE RECEIVER, AN INTEGRATED RECEIVER, AND AN INTEGRATED TRANSCEIVER}

본 발명은 다위상 수신기와 수신 부분으로서 다위상 수신기를 포함하는 송수신기에 관한 것이다. 본 발명은 셀룰러 및 코드리스 전화와 같은 휴대용 통신 디바이스에 사용하기 위한 집적 가능한 수신기/송수신기에 특정한 그러나 배타적이지 않은 응용을 가진다.

본 명세서와 청구 항에서 참조의 편리를 위해서 단어 "수신기"는 송수신기의 수신 부분을 포함하는 것으로 이해되어야한다.

종래의 무선 수신기(radio receiver)는 거의 필연적으로 수퍼헤테로다인( superheterodyne) 구조를 사용한다. 이 구조에서, 송신기에서 무선주파수(RF) 반송파로 미리 변조된 원하는 신호는 국부 발진기(LO) 신호와 혼합되어 고정된 중간 주파수(IF)로 변환되는데, 여기서 원치 않는 간섭 신호는 고도의 선택적인 필터를 사용하여 제거된다.

리미터(limitter)들은 주파수 변조(FM) 송신을 수신하도록 설계된 수퍼헤테로다인 수신기에서 광범위하게 사용한다. 그 리미터들은 자동 이득 제어(AGC)의 요구를 줄이고 수신기의 진폭 변조(AM) 간섭에 대한 면역성을 향상시킨다. 통상 제어기는, 중간 주파수가 기저대역 변조와 비교하여 매우 높은, 수신기의 한 지점에서 동작을 한다.

집적 수신기를 만들기 위해서 영(zero)-IF 구조가 지금까지 가장 성공적이었으나 반송 주파수에서 또는 근접하여서 원하는 정보를 포함하는 변조 신호를 복구하고 DC 및 저주파수들로 옮겨지는 것에 대한 문제가 없는 것은 아니다.

"다위상" 또는 낮은 중간 주파수 수신기 구조는 디지털 통신 시스템에서 사용되는 수신기에 대해 더욱 널리 보급되고 있다. 이 시스템은, 한 비트 기간 동안 직교 관련 I 및 Q 중간 주파수 신호들에서 부호 변환점(zero crossing)이 하나만 존재하도록, 비트 전송 속도의 1/2 정도의 중간 주파수를 이용한다. 이런 환경에서 하드 리미터(hard limitter)들을 사용하면 수신기의 감도를 심하게 손상시키는 것으로 나타났다. 수신기의 전단의 노이즈는 부호 변환점의 타이밍에서 에러를 야기 시킬 것이고 하드 리미터로 이 타이밍 에러는 큰 위상 에러로 옮겨지고, 차례로 비트 에러로 옮겨진다.

본 발명의 목적은 다위상 수신기에서 큰 부호 변환점 타이밍 에러를 피하는 것이다.

본 발명에 따른, 직교 관련 낮은 중간 주파수 신호가 복조되기 전에 소프트하게 제한되는(soft limited) 다위상 수신기를 제공하는 것이다.

본 발명은 또한 반송 신호 상에서 변조된 원하는 데이터 신호를 수신하기 위한 그리고 직교 관련 낮은 중간 주파수를 생성하기 위한 수단과, 직교 관련 낮은 중간 주파수 신호의 동작 범위를 압축하기 위한 소프트한 제한 수단(soft limiting means)과 데이터 신호를 복구하기 위한 신호 복조 수단을 포함하는 다위상 수신기를 제공하는 것이다.

추가로 본 발명은 반송 신호 상에서 변조된 원하는 데이터 신호를 수신하고 직교 관련 낮은 중간 주파수 신호를 생성하기 위한 수단과, 직교 관련 낮은 중간 주파수를 필터링 하기 위한 이미지 제거 필터링(image rejection filtering) 수단과, 직교 관련 낮은 중간 주파수의 동작 범위를 압축하기 위한 소프트한 제한 수단과 데이터 신호를 복구하기 위한 신호 복조 수단을 포함하는 다위상 수신기를 제공하는 것이다. 상기 이미지 제거 필터링 수단은 다위상 필터링 수단을 포함할 수 있다.

하드 리미터를 사용하는 것과 비교하여, 소프트한 제한 수단은 직교 관련 낮은 중간 주파수 신호의 I 및 Q 성분에서 임의의 노이즈가 그런 큰 위상 에러들/비트 에러들을 생성하지 않는다는 이점을 갖는다. 결과적으로, 소프트 리미터들을 통합시키는 낮은 중간 주파수 수신기는 수퍼헤테로다인 수신기의 감도와 유사한 감도를 얻게 되며 수신기의 많은 부분이 집적될 수 있다는 추가적인 이점을 갖는다.

본 발명의 하나의 실시예에서 소프트한 제한 수단은 전단 노이즈의 감도와 동일한 정도의 신호 레벨에 대해서는 선형이며, 수신기의 특정 감도 레벨에서의 신호에 대해서는 수 dB를 압축하고, 입력 신호가 수신기 감도보다 10dB 높을 때 엄격한 제한(hard limiting)을 적용한다는 특성을 갖는다.

이제 본 발명은 실예로써 첨부 도면을 참고하여 기술될 것이다.

도 1은 다위상 수신기의 실시예의 블록 개략도.

도 2a와 2b는 각각, 위상 에러가 I 성분에서 부호 변환점에 근접하는 경우에 대해서 출력 벡터를 도시하는 도면이고, 어떤 제한도 적용되지 않을 때의 I 및 Q 성분을 도시하는 도면.

도 3a 및 3b는 각각, 위상 에러가 I 성분에서 부호 변환점에 근접하는 경우에 대해서 출력 벡터를 도시하는 도면이고, 소프트한 제한이 적용되었을 때의 I 및 Q 성분을 도시하는 도면.

도 4a 및 4b는 각각, 위상 에러가 I 성분에서 부호 변환점에 근접하는 경우에 대해서 출력 벡터를 도시하는 도면이고, 엄격한 제한이 적용되었을 때의 I 및 Q 성분을 도시하는 도면.

도 5는 소프트 리미터 압축 특성을 도시하는 도면.

도 6은 소프트 리미터를 구비한 DECT 수신기의 비트 에러율(bit error rate: BER) 시뮬레이션을 도시하는 도면.

도면에서 같은 참조 번호는 유사한 특징을 나타내기 위해서 사용되었다.

도 1에 도시된 다위상 수신기는 대역 통과 필터(12)를 한정하는 대역을 통하여 낮은 노이즈 RF 증폭기(14)로 연결되는 안테나(10)를 포함한다. 증폭기(14)의 출력은 신호가 직교 관련 혼합기(18, 20)의 신호 입력(18a, 20a)에 인가되는 신호 분리기(16)에 연결된다. 주파수 합성기로서 구현되는 국부 발진기(22)는 0°위상 신호를 혼합기(18)의 국부 발진기 입력(18b)에 공급하고 90°위상 변환된 신호를 혼합기(20)의 국부 발진기 입력(20b)에 공급하는 위상 변환기로 인가되는 출력 주파수(f_LO)를 갖는다. 국부 발진기 주파수(f_LO)는 비트 전송 속도의 1/2 정도의 주파수를 갖는 낮은 중간 주파수를 공급하기 위해서 선택된다. 직교 관련 낮은 중간 주파수 I와 Q 신호는 각각의 IF 증폭기(26, 28)에서 증폭되고 그 출력은 다위상 IF 필터(30)에 의해 형성된 이미지 제거 필터에 인가된다. DC 차단 커패시터(32, 34)는 다위상 IF 필터의 출력 각각에 연결되어 도시되나 실제로 이것은, DC 차단이 IF 신호의 신호 경로를 통해 분포되기 때문에 도식적(diagrammatic)이다. 소프트한 제한 증폭기(36, 38)는 다위상 IF 필터(30)로부터 I와 Q 신호 경로로 연결된다.

엄격하지 않게 제한하는 IF 증폭기(36, 38)로부터의 엄격하지 않게 제한된 출력 신호는 엄격하지 않게 제한하는 증폭기(36, 38)에서 생성된 원하는 신호의 고조파를 제거하는 다위상 고조파 필터(42)에 인가된다. 이들 고조파들이 영 주파수(zero frequency)에 대해서 비대칭적으로 바뀌므로, 다위상 필터를 사용하는 것이 바람직하다.

다위상 주파수 판별기(41)는 IF 신호를 복조하기 위해 고조파 필터(40)의 출력으로 연결된다. 판별기(41)는 고조파 필터(40)의 출력 각각에 연결된 I와 Q 입력(42a, 42b)을 갖는 대역통과 필터(42)를 포함한다. 필터(42)의 각각의 출력(42c, 42d)은 곱셈기(44, 46)의 제 1 입력(48, 50)에 연결된다.

곱셈기의 제 2 입력(52, 54)은 필터(42)의 입력(42a, 42b)으로 가는 신호 경로 상에서 접합점(55,53)으로 각각으로 교차 연결된다. 감산 스테이지(subtracting stage)(56)는 곱셈기(44, 46)의 출력 각각과 기저대역 필터링 및 비트 슬라이서 스테이지(bit slicer stage)(57)에 연결된 출력에 연결된 입력을 갖는다. 스테이지(57)는 고유 동작 부분으로서 판별기(41)에 의해 생성된 고주파 노이즈를 제거하는 데이터 필터(58)를 포함한다. 데이터 필터(58)는 차단 주파수가 논리 1과 논리 0이 번갈아 나타나는 시퀀스를 포함하는 데이터 스트림에 존재될 것으로 기대되는 가장 높은 기본 주파수의 통과를 허용하도록 비트 전송 속도 1/2의 영역에서 존재하는 저역 필터이다. 데이터 필터(58)는 전원(source)(62)에 의해 공급되는 임계 전압에 대해 또 다른 입력을 갖는 비트 슬라이서 회로(60)의 하나의 입력에 연결된다. 비트 슬라이스 회로(60)는 디코더(64)에 데이터 비트를 공급한다.

광학적으로 RSSI 출력(66)은 소프트한 제한 증폭기(36, 38)로부터 유도될 수 있다.

설명의 편의상 도 1에 도시된 수신기의 동작은 DECT(Digitally Enhanced Cordless Telecommunication) 표준에 대해 기술될 것이다.

동작 시, 안테나(10)에서 수신된 무선주파수(RF) 신호는 대역 한정 필터(12)에 인가되고, 그 후에 저 노이즈 증폭기(14)에서 증폭된다. 국부 발진기 주파수(f_LO)는 원하는 채널의 더 낮은 주파수의 에지에서 세팅된다. 그러므로 폭 1728kHz의 원하는 채널은 864kHz의 낮은 IF로 낮게 옮겨진다. 동시에, DECT 대역에서 잠재적으로 활성적인 다른 모든 채널은 원하는 채널 중 어느 하나 위에서 여러 낮은 주파수로 혼합된다. 종래의 실제적인 필터는 대부분의 이런 간섭 신호들을 제거하기 위해서 사용될 수 있으나 원하는 신호의 더 낮은 쪽에 위치한 인접 채널은 특별한 취급을 요구한다. 인접 채널은 -864kHz의 IF상의 중심에 있으므로, 그것은 원하는 채널의 이미지와 동일한 주파수에 정확하게 위치한다. 이 두 신호를 판별하기 위해서 다위상 필터(30)는 하나의 복소수 쌍(complex pair)으로서 혼합기(18, 20)로부터 I 및 Q 신호들을 처리하기 위해서 사용된다. 다위상 필터(30)를 사용하면 원하는 제거부분이 인접 채널에 인가되도록 할 수 있다. 증폭기(26, 28)는 I 및 Q 신호들이 다위상 채널에 진입하기 위해 적당한 동작 범위에 존재할 수 있도록 제공된다. 충분한 이득은, 다위상 필터(30)에 의해서 생성되는 노이즈가 수신기의 전단으로 되돌려질 때 무의미하다는 것을 보증하기 위해서 인가되어야 한다.

커패시터(32, 34)에 의해서 나타나는 분포된 DC 차단은 적당한 복구 시간을 수신기에 제공하기에 충분히 넓으나 너무 넓지 않아서 왜곡된 변조를 발생하지 않는 DC에서 노치(notch)를 IF 신호의 스펙트럼에 삽입한다. DECT의 경우에 50kHz가 최적의 차단 주파수임이 발견되었다.

소프트한 제한 증폭기(36, 38)는 그 후의 복조에 대비하여 다위상 IF 필터(30)로부터 획득한 I 및 Q 신호의 동작 범위를 압축한다. DECT 수신기의 경우, 증폭기(36, 38)는 도 5에 도시된 형태의 압축 특성을 가진다. 이런 특성은 최소의 원하는 신호 레벨보다 10dB 낮은 신호에서는 실질적으로 선형적이고, -107.6dBm에 있는 전단 노이즈의 동일 부근에서는 신호 레벨이 증가하면서 그 특성이 점진적으로 압축되어가고, -96dBm의 감도 레벨에서는 리미터의 전압 진동범위(swing)는 전체 스케일(full scale)의 95%에 도달할 것이다. 신호 레벨이 필요한 수신기 감도보다 대략 10dB높을 때는 엄격한 제한만이 발생한다. 결과적으로 제한 증폭기(36, 38)는 더 이상 수신기의 감도를 떨어뜨리지 않는다.

제한 증폭기(36, 38)의 비-선형성은 필터링에 의해서 제거될 수 있는 원하는 신호의 고조파를 생성한다. 이런 고조파가 영 주파수에 대해서 대칭적으로 재치될 수 있으므로, 필터링에 의해서 그 고조파를 제거하는 것이 결정되면 복소수 신호 처리로 계속하고 고조파 필터(40)로서 다위상 디바이스를 사용하는 것이 바람직하다.

다위상 판별기(41)는 864kHz의 IF에 중심이 있는 다위상 필터(42)를 포함한 다.

복조된 신호의 신호 대역폭은 판별기(41)에 의해 생성된 임의의 고주파 노이즈를 제거하기 위해서 필터(58)에서 필터링된다. 위에서 언급한 바와 같이, 필터(58)의 차단 주파수는 본 예에서 576kHz인 데이터 스트림에 존재할 것으로 기대되는 최고 기본 주파수의 영역에 세팅된다.

만약 도 1에서 도시된 수신기가 송수신기의 수신 부분을 포함한다면, 송신기 부분(68)이 또한 제공되고 안테나(10)에 연결된다. 송신기 부분은 국부 발진기(22)와 같은 구성요소를 이용할 수 있는 곳이면 어디나 수신 부분에서 제공된다.

a)리미터를 전혀 사용하지 않는 수신기(도 2a, 2b), b)소프트 리미터를 사용한 수신기(도 3a, 3b) c)하드 리미터를 사용한 수신기(도 4a, 4b)를 각각 예시하는 도 2a, 2b, 도 3a, 3b와 도 4a, 4b를 참조한다.

어떤 리미터도 사용되지 않고(도 2a, 2b), 신호가 선형 증폭기에서 단순히 증폭되는 경우에, 원하는 신호보다 약 10dB 낮은 입력에서의 노이즈는 I 또는 Q 성분의 부호 변환점에서 이따금씩 타이밍 에러를 발생할 것이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, I 성분의 경우에 시간 t₁에서 조기 부호 변환점은 복소수 신호 벡터에서 비교적 작은 위상 에러, θ_e를 야기할 것이다. 이같이 작은 에러는, 이것이 90°에 접근하는 어떤 위상 에러를 필요로 하기 때문에, 복조 후에는 비트 에러를 일으키지 않을 것이다. 소프트 리미터(도 3a, 3b)의 경우에, 입력에서 동일한 노이즈는 또한 시간 t₁에서 잘못된 부호 변환점을 발생시킬 수 있으나, 증가된 이득 때문에, 대응하는 위상 에러 θ_e는 이제도 3a에 도시된 바와 같이 증가된다. 정확하게 에러가 얼마나 커지는지는 리미터의 동적인 특성에 달려 있다. 실제로 입력 신호의 주어진 레벨에 대해서 비트 에러가 여전히 존재하지 않는다는 것을 보장할 만큼 충분히 작게 증가를 유지하는 것이 목적이다. 하드 리미터의 경우(도 4a, 4b)에, 부호 변환 점 부근의 이득은 이제 매우 크다. 그 입력 노이즈는 I와 Q 신호 성분의 극성에서 전체 스케일 천이(full scale transition)를 발생시킬 것이며 그러므로 만약 천이가 시간적으로 잘못된 순간에 발생한다면, 생성된 위상 에러 θ_e는 완전한 90°가 될 것이다. 중간 주파수가 대략 심볼 전송 속도(symbol rate)(DECT에 대해서는 1152kHz)의 1/2인 낮은 IF 수신기에서는, 심볼 당 I와 Q 신호 성분 각각에서 부호 변환점이 1개만이 있는데, 이는 90°위상 에러가 비트 에러를 매우 잘 생성한다는 것을 의미한다. 이런 상황은, 신호 레벨이 입력 노이즈가 무의미하게 되는 지점으로 올라갈 때까지 개선되지 않는다. 그러므로 하드 리미터는 수신기의 감도를 떨어뜨린다.

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도 6은 도 5에서 도시된 압축 특성을 갖는 소프트한 제한 증폭기를 갖는 DECT 수신기의 BER 시뮬레이션을 도시하며, BER은 실질적으로 -92dBm에서 떨어지며, 요구되는 감도 수치(10^-3)를 얻는데, 이 수치는 -96.6dBm의 입력 전력에서 수평 점선으로 표시되며, 수직의 굵은 선으로 표시된 것과 같이 목표 입력 전력은 -96.0dBm이다. 3dB의 안테나 손실에 대해 허용하면, 수신기는 10dB의 실질적인 마진으로 DECT 명세(specification)를 통과하는 감도를 갖는다.

본 명세서와 청구항에서 요소 앞에 오는 단어 "하나의(a) 또는 "하나의(an)"는 복수의 그런 요소들의 존재를 배제하지 않는다. 게다가, 단어 "포함하는"은 나열된 것들 이외 다른 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다.

본 명세서를 읽음으로부터, 다른 변경이 당업자에게 명백할 것이다. 그런 변경은 다위상 수신기와 그 구성요소 부분들의 설계, 제조 및 사용에서 이미 알려지고 본 명세서에서 이미 기술된 특징들 대신에 또는 이에 덧붙여 사용될 수 있는 다른 특징을 포함할 수 있다.

집적된 다위상 송수신기와 수신기는 셀룰러와 코드리스 전화와 같은 휴대용 통신 디바이스에 대해 유용하게 사용할 수 있다.

Claims

반송 신호 상에서 변조되는 원하는 데이터 신호를 수신하고 직교 관련 낮은 IF 신호(quadrature related low IF signal)를 생성하기 위한 수단과,

상기 직교 관련 낮은 IF 신호를 필터링하기 위한 이미지 제거 필터링 수단과,

필터링된 상기 직교 관련 낮은 IF 신호의 동작 범위를 압축하기 위한 소프트한 제한 수단(soft limiting means)과,

상기 데이터 신호를 복구하기 위한 신호 복조 수단

을 포함하는, 다위상 수신기.
제 1 항에 있어서,

상기 이미지 제거 필터링 수단은 다위상 필터링 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다위상 수신기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 이미지 제거 필터링 수단에 입력하기 위한 상기 직교 관련 낮은 IF 신호의 동작 범위를 조정하기 위하여 증폭 수단이 상기 이미지 제거 필터링 수단의 입력에 연결된 것을 특징으로 하는, 다위상 수신기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 소프트한 제한 수단의 출력과 상기 신호 복조 수단의 입력 사이에 연결된 고조파 필터링 수단을 특징으로 하는, 다위상 수신기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 신호 복조 수단은 다위상 판별기와 데이터 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다위상 수신기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 소프트한 제한 수단은 신호 레벨의 최저 범위에서 실질적으로 선형인 특성을 갖는 것을 특징으로 하는, 다위상 수신기.
제 6 항에 있어서,

상기 소프트한 제한 수단은, 미리 결정된 최소 원하는 신호 레벨보다 10dB 낮은 신호 레벨에서는 실질적으로 선형이고, 더욱 높은 신호 레벨에 대해서는 압축으로 이동하며, 원하는 수신기 감도보다 실질적으로 10dB 높은 신호 레벨에서는 엄격하게 제한되는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는, 다위상 수신기.
제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 기재된 다위상 수신기의 집적 가능한 일부를 포함하는 집적 수신기.
제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 기재된 다위상 수신기와 송신기를 포함하는 집적 송수신기.
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