KR100964378B1 - 디지털 수신기 - Google Patents

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KR100964378B1
KR100964378B1 KR1020100000144A KR20100000144A KR100964378B1 KR 100964378 B1 KR100964378 B1 KR 100964378B1 KR 1020100000144 A KR1020100000144 A KR 1020100000144A KR 20100000144 A KR20100000144 A KR 20100000144A KR 100964378 B1 KR100964378 B1 KR 100964378B1
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한선호
유현규
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 디지털 수신기에 관한 것으로, 필터 및 증폭기를 포함하여, 아날로그 신호를 증폭 및 대역 통과시키며, 대역 신호 이외의 백색 잡음과 간섭 신호를 감쇠시키는 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부; 기설정된 샘플링 주파수를 이용하여 원하는 신호의 캐리어 주파수에 대해서 서브 샘플링을 수행하고 원하는 신호의 대역에 대해서 오버 샘플링을 수행하여 상기 잡음 감쇠 및 신호 가변증폭부를 통과한 아날로그 신호를 DC 주파수 대역 또는 중간 주파수 대역의 디지털 신호로 변환하며, 샘플링 주파수보다 높은 신호 주파수를 샘플링하기 위한 고속 입력부를 포함하며, 원하는 신호와 이에 인접한 원하지 않는 신호를 모두 처리할 수 있는 다이나믹 레인지(신호 입력 범위)를 갖는 아날로그-디지털 변환부; 및 상기 디지털 신호에서 신호 주파수를 변환하거나 원하지 않는 신호를 디지털 필터링하고, 입력되는 신호의 크기에 따라 일정한 크기의 최종 신호를 얻기 위해 디지털적으로 이득을 조절하여 상기 디지털 신호를 처리하는 디지털 신호 처리부를 포함하여 구성된다.

Description

디지털 수신기 {DIGITAL RECEIVER}
본 발명은 디지털 수신기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수신한 아날로그 RF 신호를 서브 샘플링 기법에 의해 IF 신호 또는 DC 신호로 변환시킴과 동시에 원하는 신호 대역에 대해서는 오버 샘플링을 수행함으로써 원하는 신호에 인접한 잡음 신호까지 디지털 신호로 변환되도록 하여 원하는 신호에 인접한 잡음 신호들을 디지털적으로 처리하기 위한 기술에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-008-01, 과제명: 차세대 무선 융합 단말용 Advanced Digital RF 기술 개발].
도 1은 기존 무선 통신 수신기의 구조를 도시하는 도면으로, 특히 기존의 여러 구조 중에서 직접변환(Direct Conversion) 수신기의 구조를 도시한 것이다. 기존의 무선 통신 수신기는 일반적으로 안테나를 통해 수신한 신호를 대역 필터링하고 증폭한 후 믹서를 사용하여 저주파 대역으로 주파수 변환하고 원하는 채널 신호를 필터링한 후 ADC에서 일정한 크기의 신호를 받아들일 수 있도록 가변 이득 증폭기(VGA)를 거친다. 즉, 기존의 아날로그 방식을 기반으로 한 수신기는 ADC에 의해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때까지 원하지 않는 간섭 신호를 걸러내야 하므로, 믹서와 필터, 그리고 가변 이득 증폭기를 필요로 하며 이들은 모두 아날로그 신호를 처리하는 블록들로써 오랜 설계 시간이 필요하고 공정이 업그레이드될 때마다 재설계해야 한다. 다중 대역의 신호를 처리할 수 있고 다양한 응용 분야에서 적용 가능한 무선 송수신기를 개발함에 있어 종래의 아날로그 설계 방식을 이용하는 경우 전력 소모, 칩의 면적 및 빠른 시장 적응성 측면에서 단점이 있다.
이에 반해, 디지털 설계 요소를 많이 포함하는 무선 송수신기는 아날로그 설계 방식을 이용하는 경우의 단점을 많은 측면에서 보완할 수 있으나, 이를 구현하는데 어려움이 있다.
특히, 높은 주파수 대역 신호를 직접 샘플링하여 디지털 신호 처리를 수행하는 디지털 수신기의 경우, 아날로그-디지털 변환기(Analog-Digital Converter; ADC)가 상당히 높은 주파수에서 동작하면서 동시에 높은 비트 레졸루션(Bit Resolution)을 가져야 하므로 현재의 기술로는 실제로 구현하기가 어렵다. 도 2는 이상적인 SDR(Software Defined Radio) 수신기의 개념도로서, 높은 주파수의 신호를 필터링하고 증폭한 후 바로 오버 샘플링 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하게 되어 있다. 그러나 도 2에 도시된 수신기 구조는 개념도일 뿐 실제 현재의 기술로는 신호 대역이 높은 캐리어 주파수에 실려 있을 경우 도 2의 구조를 구현하는 것은 불가능하다. 이는 ADC의 샘플링 주파수가 최소한 캐리어 신호의 2배가 되어야 나이퀴스트 이론(Nyquist theorem)을 만족함으로써 신호를 복원할 수 있기 때문이다. 예를 들면, 2GHz대역의 신호를 처리하기 위해서는 4GHz로 샘플링 할 수 있는 ADC가 있어야 하며 동작 속도뿐만 아니라 넓은 입력 신호 크기를 받아들이기 위해서는 ADC의 다이나믹 레인지 (Dynamic range)도 커야 한다. 또한 이러한 ADC를 구현한다 하더라도 ADC의 출력 데이터 속도가 상당히 높아 ADC 뒷 단의 디지털 프로세서가 동작하기 어려우며 동작하더라도 엄청난 전력 소모를 부담해야 한다.
따라서, 종래의 디지털 수신기는, 높은 주파수 대역의 신호를 처리하기 위해서, ADC의 전단에 신호의 주파수 대역을 낮춰주기 위한 믹서, 잡음 제거를 위한 필터 및 일정한 크기의 신호를 얻기 위해 신호의 이득을 조절하는 가변 이득 증폭기(Variable Gain Amplifier; VGA) 등을 구비해야 했던 것이다. 이러한 아날로그 신호 처리 블록들을 갖춤으로써, ADC는 최대한 원하는 신호만을 받아들일 수 있었고 또한 최대한 일정한 크기의 신호를 입력받을 수 있어 ADC의 설계를 용이하게 할 수 있었다.
도 3은 서브 샘플링의 개념과 문제점을 설명하기 위한 도면으로, 서브 샘플링 방식에 의해 높은 주파수를 갖는 신호를 낮은 주파수로 변환하는 방법을 도시한 것이다. 일반적인 나이퀴스트 샘플링 방식에 비해, 서브 샘플링에 의하면 샘플링 주파수(fs)의 배수에 해당되는 곳에 위치한 모든 신호가 알리아싱 (aliasing)에 의하여 최종 샘플링된 신호에 모두 중첩되게 된다. 그러므로 이러한 단순한 방식으로는 최종 신호에서 원하는 신호 대 잡음비를 얻기가 사실상 불가능하다. 그러므로 일반적으로 나이퀴스트 샘플링 방식에서도, 서브샘플링 방식에서도, ADC 앞 단에는 안티 알리아싱(Anti-aliasing) 필터가 필수적으로 위치해야만 한다.
도 4는 이산 신호 프로세서를 이용한 디지털 수신기의 구조를 도시하는 도면으로, 구현 가능한 기존 아날로그 방식의 수신기와 이상적인 디지털 수신기의 중간적인 위치에 있다고 볼 수 있다. 도 4에 도시된 디지털 수신기는 신호의 필터링과 증폭 후 이산 신호 프로세서에 의해 신호가 처리되도록 하여 필요한 필터와 가변 이득 증폭기의 부담을 상당히 줄여 설계를 간단히 할 수 있도록 한 구조를 갖는다. 그러나 이산 시간 영역(Discrete time domain)에서 신호가 처리되도록 구조를 개량했다고는 하나 신호 자체는 여전히 아날로그 신호이기 때문에, 완전한 디지털 수신기를 구현할 경우 얻을 수 있는 많은 이점을 얻기는 역부족이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 기존의 아날로그 영역에서 설계하던 것을 최대한 디지털 영역에서 설계하기 위한 디지털 수신기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 디지털 수신기는, 필터 및 증폭기를 포함하여, 아날로그 신호를 증폭 및 대역 통과시키며, 대역 신호 이외의 백색 잡음과 간섭 신호를 감쇠시키는 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부; 기설정된 샘플링 주파수를 이용하여 원하는 신호의 캐리어 주파수에 대해서 서브 샘플링을 수행하고 원하는 신호의 대역에 대해서 오버 샘플링을 수행하여 상기 잡음 감쇠 및 신호 가변 증폭부를 통과한 아날로그 신호를 DC 주파수 대역 또는 중간 주파수 대역의 디지털 신호로 변환하며, 샘플링 주파수보다 높은 신호 주파수를 샘플링하기 위한 고속 입력부를 구비하며, 원하는 신호와 이에 인접한 원하지 않는 신호를 모두 처리할 수 있는 다이나믹 레인지(입력 신호 범위)를 갖는 아날로그-디지털 변환부; 및 상기 디지털 신호에서 신호 주파수를 변환하거나 원하지 않는 신호를 디지털 필터링하고, 입력되는 신호의 크기에 따라 일정한 크기의 최종 신호를 얻기 위해 디지털적으로 이득을 조절하여 상기 디지털 신호를 처리하는 디지털 신호 처리부를 포함한다.
여기서, 본 발명은 서브 샘플링의 운용 방식에 있어서, 샘플링 주파수가 상기 캐리어 주파수보다 작고, 상기 대역의 유리수배보다 크며, 상기 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부의 필터가 서브 샘플링시 발생하는 알리아싱 잡음 및 간섭신호를 충분히 감쇠시켜 상기 아날로그-디지털 변환부의 출력에서 필요한 신호대 잡음비를 얻을 수 있도록 샘플링 주파수가 결정되는 것을 특징으로 한다. 즉, 서브 샘플링을 수행함에 있어서, 사용되는 필터의 성능이 중첩되는 알리아싱 잡음이나 간섭신호들을 충분히 감쇠시키지 못한다면 샘플링 주파수를 좀더 높게 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가변 증폭기는 상기 아날로그-디지털 변환부의 출력에서 원하는 신호대 잡음비를 얻을 수 있도록 신호 증폭도를 가지며, 상기 제1 필터에서 출력된 신호의 크기에 따라 상기 아날로그-디지털 변환부에 입력되는 신호의 크기를 조절하는 가변 이득 특성을 구비하여 넓은 신호 크기 영역을 갖는 상기 가변 증폭기의 입력 신호 범위를 상기 아날로그-디지털 변환부의 입력 신호 범위로 전환해 주며, 가변 증폭기 자체는 회로적으로 원하지 않는 다른 신호의 크기를 감쇠시킬 수 있는 기능을 부가적으로 수행할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 수신한 아날로그 RF 신호를 서브 샘플링 기법에 의해 IF 신호 또는 DC 신호로 변환시킴과 동시에 원하는 신호 대역에 대해서는 오버 샘플링을 수행함으로써 원하는 신호에 인접한 잡음 신호까지 디지털 신호로 변환되도록 하여 원하는 신호에 인접한 잡음 신호들을 디지털적으로 처리하도록 한다.
이처럼, 기존에 아날로그 영역에서 설계되던 것을 최대한 디지털 영역에서 설계되도록 함으로써, 멀티 스탠다드에 적용하기 쉽고, 공정이 업그레이드될 때마다 디지털 적으로 설계될 수 있으며, 타임투마켓(Time-to-Market)이 단축된 디지털 수신기를 제공할 수 있다.
도 1은 기존 무선 통신 수신기의 구조를 도시하는 도면,
도 2는 이상적인 SDR 수신기의 개념도,
도 3은 서브 샘플링의 개념과 문제점을 설명하기 위한 도면,
도 4는 이산 신호 프로세서를 이용한 디지털 수신기의 구조를 도시하는 도면,
도 5는 본 발명에 의한 디지털 수신기의 구조를 도시하는 도면,
도 6은 본 발명에 의한 디지털 수신기에 의해 잡음을 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명에 의한 디지털 수신기에 의해 입력 신호 및 인접한 간섭신호를 처리하기 위한 신호 크기 매핑 방법을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 디지털 수신기의 상세 구조를 도시하는 도면,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 디지털 수신기의 상세 구조를 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 디지털 수신기의 상세 구조를 도시하는 도면, 그리고
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 디지털 수신기의 상세 구조를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 5는 본 발명에 의한 디지털 수신기의 구조를 도시하는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 디지털 수신기 (100)는 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부(110), 서브 샘플링 ADC(120) 및 디지털 신호 처리부(130)를 포함하여 구성된다.
잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부(110)는 수신한 아날로그 RF(Radio Frequency) 신호를 증폭 및 대역 필터링하여 수신한 아날로그 RF 신호에 포함된 간섭(interferer) 신호나 백색 잡음(White Noise) 등과 같은 잡음의 전력을 소정 수준 이하로 감소시킨다. 여기서, 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부(110)는 필터, 또는 잡음 제거 기능을 구비한 증폭기, 또는 하나 이상의 필터와 증폭기의 조합으로 구현될 수 있다.
서브 샘플링 ADC(120)는 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부(110)를 통과한 아날로그 RF 신호를 서브 샘플링 기법에 의해 중간 주파수(Intermediate Frequency; IF) 또는 DC(Direct Current)의 디지털 신호로 변환함과 동시에, 임의의 대역폭(bandwidth; BW)을 갖는 원하는 신호 대역에 대해서는 일반적인 나이퀴스트(Nyquist) 샘플링 주파수(또는 샘플링 클럭)에 비해 높은 샘플링 주파수를 사용하여 오버 샘플링을 수행함으로써 아날로그 RF 신호에 포함된 원하는 신호뿐만 아니라 원하는 신호에 인접한 잡음 신호들까지 디지털 신호로 변환시킨다. 이처럼, 서브 샘플링 ADC(120)는 수신한 아날로그 RF 신호에 포함된 원하는 신호뿐만 아니라 이에 인접한 신호들까지도 디지털 신호로 변환할 수 있는 다이나믹 레인지(Dynamic Range)를 갖는다. 여기서, 서브 샘플링 클럭(fs)은 서브 샘플링을 위해 아날로그 RF 신호의 캐리어 주파수(fRF)보다 작고, 오버 샘플링의 위해 원하는 신호의 대역폭의 유리수배(BW*M, M은 유리수)보다 크게 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 서브 샘플링 ADC(120)는 샘플링 방식에 따라 특성의 차이가 있으며 클럭의 듀티(Duty) 동안 또는 클럭의 에지(Edge)에서 샘플링을 수행할 수 있다. 본 발명에서는 클럭의 에지(Edge)에서 샘플링을 수행하는 것이 바람직하다.
디지털 신호 처리부(130)는 서브 샘플링 ADC(120)에 의해 변환된 디지털 신호를 필터링하여 원하는 신호에 인접한 잡음 신호들을 제거하고, 입력되는 신호의 크기에 따라 이득을 조절하여 원하는 신호들만 복원한다. 이와 같은 기능을 수행하는 디지털 신호 처리부(130)는 원하는 신호의 대역폭, 크기 등에 따라 적절하게 디지털적으로 설계될 수 있다.
도 6은 본 발명에 의한 디지털 수신기에 의해 잡음을 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 서브 샘플링에 의해 샘플링된 신호가 DC 또는 IF 신호인지 여부에 따라 다르게 도시될 수 있다. 또한, 도 6은 아날로그 RF 신호의 대역이 샘플링 주파수의 정수 배에 위치한 경우를 도시한 것으로, 샘플링 주파수의 유리수 배에 위치할 수도 있다.
도 6의 (a)를 참조하면, 원하는 신호 주변에 다수의 간섭 신호(510, 530)가 존재하고, 아날로그 RF 신호에 대하여 오버 샘플링 주파수(fos)를 이용하여 서브 샘플링을 수행하면, 폴딩 주파수(fos/2)를 기준으로 대역 외 오버 샘플링 구간에 존재하는 간섭 신호들(510)은 대역 내 오버 샘플링 구간에 존재하는 간섭 신호들(530)과 중첩되어 알리아싱 현상이 발생하게 된다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 도 6의 (b)에서와 같이 필터 특성 (520)을 이용하여 샘플링시 대역 외 오버 샘플링 구간에 존재하는 간섭 신호들 (510)이 대역 내 오버 샘플링 구간에 존재하는 간섭 신호들(530)에 중첩되더라도 문제가 되지 않도록 대역 외 오버 샘플링 구간에 존재하는 간섭 신호들(510)의 전력 크기를 충분히 감쇠시킨 후, 서브 샘플링을 수행한다. 이때, 사용되는 필터의 특성과 샘플링 주파수는 서로 트레이드 오프(trade-off) 관계에 있어서 필터가 충분히 간섭신호를 줄여주지 못할 경우 샘플링 주파수를 늘려서 샘플링 되는 대역을 넓힘으로써 중첩되는 간섭신호가 충분히 감소되도록 설계를 한다. 또한, 과도하게 샘플링 주파수를 높이면 신호 처리를 위한 주파수가 올라가 전력 소모를 가져오므로, 샘플링 주파수는 필터의 특성을 고려하여 결정한다. 따라서, 본 발명에 의한 디지털 수신기는 원하는 신호에 인접한 잡음 신호들까지도 디지털 신호로 변환할 수 있는 다이나믹 레인지(Dynamic Range)를 가진다.
도 7은 본 발명에 의한 디지털 수신기에 의해 입력 신호 및 인접한 간섭신호를 처리하기 위한 신호 크기 매핑 방법을 설명하기 위한 도면이다.
원하는 채널 대역폭(Channel BW)에서 수신기에서 발생하는 잡음을 고려하여 최종적으로 얻을 수 있는 신호대 잡음비를 고려하면, DRIN은 입력되는 신호 전력의 최대값과 최소값 사이의 범위를 말한다. 본 발명에서는, 가변증폭기의 이득 조정(Gain Control)을 이용하여 ADC의 기술적인 설계를 가능하게 하고 또한 효율적인 설계를 위하여 DRIN을 ADC의 입력 신호 가능 범위로 매핑(mapping)시킨다. 이때, DRIN을 임의의 개수의 구간으로 나누어 이득 조정함으로써 ADC로 매핑한다. 또한 신호를 잘 받아들일 수 있도록 양자화(Quantization) 잡음을 고려한 Pmargin과 신호의 최대크기와 평균크기의 비를 고려한 PAPR등의 설계 여유를 두고 원하는 신호가 Psig로 매핑되도록 하여 ADC의 전체 입력 신호 범위는 DRADC가 되며 이는 PFS , ADC와 PNOISE,ADC사이의 범위다. ADC의 입력 신호 범위가 충분히 넓을 경우 이득 조정을 하지 않아도 되는 것은 구현 가능성을 떠나 이론적으로는 가능하다. 그러나 현재 기술로서 부담스러운 면이 있으며 ADC의 효율적인 설계를 위해서 증폭기에 의한 이득이 필요한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 디지털 수신기의 상세 구조를 도시하는 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 디지털 수신기(200)는 제1 필터(210), 가변증폭기(220), 제2 필터(230), 서브 샘플링 ADC(240) 및 디지털 신호 처리부(250)를 포함하여 구성된다.
제1 필터(210)는 수신한 아날로그 RF 신호를 대역 필터링하여 아날로그 RF 신호에 포함된 간섭 신호나 백색 잡음 등과 같은 잡음의 전력을 감소시킨다.
가변증폭기(220)는 제1 필터(210)를 통과한 신호를 가변 증폭하는 것으로, 신호 증폭 기능에 더하여 잡음 제거 기능을 갖는다.
구체적으로, 가변증폭기(220)는 제1 필터(210)에서 출력된 신호의 크기에 따라 서브 샘플링 ADC(240)에 입력되는 신호의 크기를 조절할 수 있도록 가변 이득 특성을 갖고, 서브 샘플링 ADC(240)가 디지털 신호를 출력할 때 원하는 신호 대 잡음비를 얻을 수 있도록 소정의 증폭도를 갖는다.
제2 필터(230)는 가변증폭기(220)에서 출력된 신호를 대역 필터링하여 아날로그 RF 신호에 포함된 간섭 신호나 백색 잡음 등과 같은 잡음의 전력을 다시 한번 감소시킨다. 여기서, 제2 필터(230)는 가변증폭기(220)에 회로적으로 포함되어 구현될 수 있다.
본 발명에 의한 디지털 수신기는 제1 필터(210), 가변증폭기 (220) 및 제2 필터(230)를 모두 포함할 필요는 없으며, 이 중 어느 하나 이상을 구비하면 된다. 이는, 서브 샘플링 ADC(240)의 전단에서 서브 샘플링에 의해 중첩될 수 있는 간섭 신호를 충분히 제거해 줄 수만 있으면 되기 때문이고, 인접한 간섭 신호들은 서브 샘플링 ADC(240)의 전단에서 아날로그 RF 신호에 포함된 잡음이 완벽하게 제거되지 않더라도 상술한 바와 같이 서브 샘플링 ADC(240)에서 원하는 신호 주변의 잡음 신호들까지 디지털 신호로 변환시키고 디지털 신호 처리부(250)에서 디지털 필터를 통해 디지털 신호에 포함된 잡음 신호들을 제거할 수 있기 때문이다. 따라서, 제1필터(210), 가변증폭기(220), 제2 필터(230)로 이루어진 구성뿐만 아니라, 제1필터(210)와 가변증폭기 (220)로 이루어진 구성, 그리고 가변증폭기(220)와 제2필터(230)로 이루어진 구성도 가능하며, 서브 샘플링 ADC(240)의 다이나믹 레인지가 클 경우 필터만으로도 구현 가능하다. 그러나 현재의 기술 수준과 무선 통신 응용분야로의 적용을 감안할 때, 도 8에 도시된 바와 같이 제1필터(210), 가변 증폭기(220) 및 제2 필터(230)를 모두 포함하는 구성이 가장 효과적이다. 또한, 제1필터(210), 가변증폭기(220), 제2필터(230) 등은 서브 샘플링 ADC(240)로 입력되는 신호 전압의 크기를 바꾸기 위해서 임피던스 변환기 등을 포함할 수도 있다. 이때, 서브 샘플링 ADC(240)의 입력부는 서브 샘플링 ADC(240)의 샘플링 주파수보다 높은 주파수의 신호를 받아들여야 하므로 신호 입력 가능 대역폭이 고려되어야 한다. 가변 증폭기 자체는 회로적으로 원하지 않는 다른 신호의 크기를 감쇠시킬 수 있는 기능을 부가적으로 수행할 수 있도록 하여 필터들의 역할을 대신할 수 있도록 설계할 수도 있다. 이러한 기능을 수행하는 가변 증폭기는 일반적인 기법으로는 Feedforward, Feedback Interferer Cancelling 등이 있을 수 있다.
서브 샘플링 ADC(240)는 서브 샘플링 클럭(fs)을 이용하여 입력된 아날로그 RF 신호를 서브 샘플링 기법에 의해 중간 주파수(Intermediate Frequency; IF) 또는 DC(Direct Current)의 디지털 신호로 변환함과 동시에, 임의의 대역폭(bandwidth; BW)을 갖는 원하는 신호 대역에 대해서는 오버 샘플링을 수행한다. 여기서, 서브 샘플링 클럭(fs)은 서브 샘플링을 위해 아날로그 RF 신호의 캐리어 주파수(fRF)보다 작고, 오버 샘플링의 위해 원하는 신호의 대역폭의 유리수배(BW*M, M은 유리수)보다 크게 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부의 필터 기능이 서브 샘플링시 발생하는 알리아싱 잡음 및 간섭신호를 충분히 감쇠시켜 서브 샘플링 ADC 출력에서 필요한 신호대 잡음비를 얻을 수 있도록 샘플링 주파수가 결정되는 것이 중요한 구조 설계 사항이다. 즉, 본 발명에서는 ADC 전단의 대역 필터링 기능이 부족하여 서브 샘플링에 의한 알리아싱 잡음이 원하는 신호 대역으로 들어와 신호대 잡음비를 나쁘게 할 경우 서브 샘플링 주파수를 높이는 기술을 이용하여 무선통신 응용분야에서 현재 기술 수준으로 극복하지 못하는 서브 샘플링의 문제점을 해결하고자 하는 것이다.
디지털 신호 처리부(250)는 서브 샘플링 ADC(240)에 의해 변환된 디지털 신호를 신호 주파수를 변환하거나 필터링하여 원하는 신호에 인접한 잡음 신호들을 제거하고, 입력되는 신호의 크기에 따라 이득을 조절하여 원하는 신호들만 복원한다. 디지털 신호 처리부(250)는 아날로그 영역과는 달리 디지털 영역에서 필터를 샤프하게 설계할 수 있으므로 원하는 신호만을 복원하는데 유리하다.
따라서, 본 발명에 의한 디지털 수신기는 믹서, 필터, VGA 등과 같은 아날로그 요소를 최대한 배제하고, 보다 단순한 구성만으로 구현되어 디지털 영역에서 잡음을 효과적으로 제거할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 디지털 수신기의 상세 구조를 도시하는 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 의한 디지털 수신기(300)는 제1 필터(310), 가변증폭기(320), 제2 필터(330), 제1 및 제2 서브 샘플링 ADC(341, 342) 및 디지털 신호 처리부(350)를 포함하여 구성된다.
도 9에 도시된 디지털 수신기(300)는 두 개의 서브 샘플링 ADC(341, 342)를 구비한다는 것을 제외하면 도 8에 도시된 디지털 수신기(200)와 동일한 바, 제1 필터(310), 가변증폭기(320), 제2 필터(330) 및 디지털 신호 처리부(350)에 대한 상세한 설명은 생략한다.
제1 및 제2 서브 샘플링 ADC(341, 342)는 각각 I패스 및 Q패스를 구성한다. I 패스상의 제1 서브 샘플링 ADC(341)와 Q패스상의 제2 서브 샘플링 ADC(342)는 각각 직교 관계에 있는 I 클럭 신호와 Q 클럭 신호를 이용하여 입력받은 아날로그 RF 신호를 직교 관계에 있는 I 신호 및 Q 신호로 변환하도록 구현된다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 디지털 수신기의 상세 구조를 도시하는 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 디지털 수신기(400)는 제1 필터(410), 가변증폭기(420), 제2 필터(430), 복수의 서브 샘플링 ADC(440) 및 디지털 신호 처리부(450)를 포함하여 구성된다.
도 10에 도시된 디지털 수신기(400)는 복수의 병렬 연결된 서브 샘플링 ADC(440)를 구비한다는 것을 제외하면 도 8에 도시된 디지털 수신기(200)와 동일한 바, 제1 필터(410), 가변증폭기(420), 제2 필터(430) 및 디지털 신호 처리부(450)에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이 경우, 제2 필터(430)를 통과한 신호는 복수의 서브 신호로 나누어져 각각의 서브 샘플링 ADC로 입력되어 디지털 신호로 변환되고, 디지털 신호 처리부(450)는 복수의 디지털 신호를 재조합하는 기능을 추가로 수행하도록 구현된다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 디지털 수신기의 상세 구조를 도시하는 도면으로, 도 9에 도시된 제1 및 제2 서브 샘플링 ADC(341, 342) 각각이 도 10에 도시된 바와 같이 복수의 병렬 연결된 서브 샘플링 ADC로 구현된 것을 도시한다.
이 경우, 제1 및 제2 멀티 서브 샘플링 ADC(541, 542)는 각각 I패스 및 Q패스를 구성하며, I 패스상의 제1 멀티 서브 샘플링 ADC(541)와 Q패스상의 제2 멀티 서브 샘플링 ADC(542)는 각각 직교 관계에 있는 I 클럭 신호와 Q 클럭 신호를 이용하여 입력받은 아날로그 RF 신호를 직교 관계에 있는 I 신호 및 Q 신호로 변환하도록 구현된다.
또한, 도 10에 도시된 디지털 수신기와 마찬가지로, 제2 필터(530)를 통과하여 I 패스 및 Q 패스로 입력된 신호 각각은 복수의 서브 신호로 나누어져 각각의 서브 샘플링 ADC로 입력되어 디지털 신호로 변환되고, 디지털 신호 처리부(550)는 복수의 디지털 신호를 재조합하는 기능을 추가로 수행하도록 구현된다.
한편, 도 8 내지 도 11에 도시된 서브 샘플링 ADC(240, 341, 342, 440, 541, 542)는 기존의 나이퀴스트 ADC와 달리 서브 샘플링을 위해 캐리어 주파수에 실린 RF 입력 신호의 감쇠를 최소화하기 위해 입력되는 신호를 고속으로 수신하기 위한 고속 입력부(미도시)를 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 고속 입력부는 샘플러 등의 부트스트래핑(Bootstrapping) 과정을 거치는 등 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이를 위해 고속 입력부는 임피던스 정합을 할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
210: 제1 필터 220: 인터피어러 캔슬링 가변증폭기 또는 가변증폭기
230: 제2 필터 240: 서브샘플링 ADC
250: 디지털 신호 처리부

Claims (13)

  1. 필터 및 가변 증폭기를 포함하여, 아날로그 신호의 전력을 복수의 구간으로 나누고 구간별로 이득을 조정하여서 상기 아날로그 신호의 크기를 조절하고, 상기 아날로그 신호에서 백색 잡음과 간섭 신호를 감쇠시키는 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부,
    샘플링 주파수를 이용하여 원하는 신호의 캐리어 주파수에 대해서 서브 샘플링을 수행하고 상기 원하는 신호의 대역에 대해서 오버 샘플링을 수행하여 상기 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부를 통과한 아날로그 신호를 DC 주파수 대역 또는 중간 주파수 대역의 디지털 신호로 변환하며, 상기 디지털 신호로 변환 시에 상기 원하는 신호와 상기 오버 샘플링을 이용하여 상기 원하는 신호에 인접한 원하지 않는 신호를 모두 처리할 수 있는 다이나믹 레인지를 갖는 아날로그-디지털 변환부, 그리고
    상기 디지털 신호에서 신호 주파수를 변환하거나 상기 원하지 않는 신호를 디지털 필터링하고, 디지털적으로 이득을 조절하여 상기 디지털 신호를 처리하는 디지털 신호 처리부
    를 포함하며,
    상기 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부는 임피던스 변환 기능을 가져서 상기 아날로그-디지털 변환부로 전달되는 신호 전력의 신호 전압 크기를 변환하는
    디지털 수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 샘플링 주파수는 상기 캐리어 주파수보다 작고, 상기 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부의 필터가 서브 샘플링시 발생하는 알리아싱 잡음 및 간섭신호를 감쇠시켜 상기 아날로그-디지털 변환부의 출력에서 필요로 하는 신호대 잡음비를 얻을 수 있도록 결정되는 디지털 수신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 필터는
    상기 아날로그 신호를 대역 통과시키고 백색 잡음과 상기 간섭 신호를 감쇠시켜서 상기 가변 증폭기에 입력하는 제1 필터, 그리고
    상기 가변 증폭기에서 출력된 신호를 대역 통과시켜서 백색 잡음과 간섭 신호를 감쇠시키는 제2 필터
    를 포함하며,
    상기 가변 증폭기는 구간별로 이득을 조정하여서 상기 제1 필터에서 출력된 신호를 증폭하는 디지털 수신기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 필터는 상기 아날로그 신호를 대역 통과시키고 백색 잡음과 간섭 신호를 감쇠시켜서 상기 가변 증폭기에 입력하고,
    상기 가변 증폭기는 구간별로 이득을 조정하여서 상기 필터에서 출력된 신호를 증폭하는 디지털 수신기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가변 증폭기는 구간별로 이득을 조정하여서 상기 아날로그 신호를 증폭하고, 상기 필터는 상기 가변 증폭기에서 출력된 신호를 대역 통과시키고 백색 잡음과 간섭 신호를 감쇠시키는
    디지털 수신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가변 증폭기는 상기 아날로그 신호의 크기를 구간별로 이득을 조정하여서 상기 아날로그 신호의 신호 범위를 상기 아날로그-디지털 변환부의 입력 신호 범위로 전환하는 디지털 수신기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환부는 복수의 아날로그-디지털 변환기를 포함하며,
    상기 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부를 통과한 아날로그 신호는 복수의 서브 채널로 나누어지며,
    각 아날로그-디지털 변환기는 상기 복수의 서브 채널 중 대응하는 서브 채널의 신호를 디지털 신호로 변환하며,
    상기 디지털 신호 처리부는 상기 복수의 아날로그-디지털 변환기로부터 각각 출력되는 복수의 디지털 신호를 조합하는 디지털 수신기.
  10. 필터 및 가변 증폭기 포함하여, 아날로그 신호의 전력을 복수의 구간으로 나누고 구간별로 이득을 조정하여서 상기 아날로그 신호의 크기를 조절하고, 상기 아날로그 신호에서 백색 잡음과 간섭 신호를 감쇠시키는 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부,
    샘플링 주파수를 이용하여 원하는 신호의 캐리어 주파수에 대해서 서브 샘플링을 수행하고 상기 원하는 신호의 대역에 대해서 오버 샘플링을 수행하여 상기 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부를 통과한 아날로그 신호를 DC 주파수 대역 또는 중간 주파수 대역의 디지털 신호로 변환하며, 상기 디지털 신호로 변환 시에 상기 원하는 신호와 상기 오버 샘플링을 이용하여 상기 원하는 신호에 인접한 원하지 않는 신호를 모두 처리할 수 있는 다이나믹 레인지를 갖는 아날로그-디지털 변환부, 그리고
    상기 디지털 신호에서 신호 주파수를 변환하거나 상기 원하지 않는 신호를 디지털 필터링하고, 디지털적으로 이득을 조절하여 상기 디지털 신호를 처리하는 디지털 신호 처리부
    를 포함하며,
    상기 아날로그-디지털 변환부는 I 패스용 서브 샘플링 아날로그-디지털 변환부 및 Q 패스용 서브 샘플링 아날로그-디지털 변환부를 포함하고,
    상기 I 패스용 서브 샘플링 아날로그-디지털 변환부와 상기 Q 패스용 서브 샘플링 아날로그-디지털 변환부는 각각 서로 직교 관계에 있는 제1 클럭 신호 및 제2 클럭 신호에 따른 상기 샘플링 주파수를 이용하여 상기 아날로그 신호를 직교 관계에 있는 I 신호 및 Q 신호로 변환하는
    디지털 수신기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부는 임피던스 변환 기능을 가져서 상기 아날로그-디지털 변환부로 전달되는 신호 전력의 신호 전압 크기를 변환하는 디지털 수신기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 샘플링 주파수는 상기 캐리어 주파수보다 작고, 상기 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부의 필터가 서브 샘플링시 발생하는 알리아싱 잡음 및 간섭신호를 감쇠시켜 상기 아날로그-디지털 변환부의 출력에서 필요로 하는 신호대 잡음비를 얻을 수 있도록 결정되는 디지털 수신기.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 I 패스용 서브 샘플링 아날로그-디지털 변환부는 복수의 I 패스용 서브 샘플링 아날로그-디지털 변환기를 포함하며,
    상기 Q 패스용 서브 샘플링 아날로그-디지털 변환부는 복수의 Q 패스용 서브 샘플링 아날로그-디지털 변환기를 포함하며,
    상기 잡음 감쇠 및 신호 크기 매핑 가변 증폭부를 통과한 아날로그 신호는 복수의 서브 채널로 나누어지며,
    각 I 패스용 서브 샘플링 아날로그-디지털 변환기는 상기 복수의 서브 채널 중 대응하는 서브 채널의 신호를 I 신호로 변환하며,
    각 Q 패스용 서브 샘플링 아날로그-디지털 변환기는 상기 복수의 서브 채널 중 대응하는 서브 채널의 신호를 Q 신호로 변환하며,
    상기 디지털 신호 처리부는 상기 복수의 I 패스용 서브 샘플링 아날로그-디지털 변환기로부터 각각 출력되는 복수의 I 신호와 상기 복수의 Q 패스용 서브 샘플링 아날로그-디지털 변환기로부터 각각 출력되는 복수의 Q 신호를 조합하는 디지털 수신기.
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