KR102282475B1

KR102282475B1 - 멀티-모듈 시스템에서의 기준 신호 분배

Info

Publication number: KR102282475B1
Application number: KR1020187020904A
Authority: KR
Inventors: 나프탈리 하야트; 조나단 로젠펠트
Original assignee: 바야르 이미징 리미티드
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2021-07-27
Also published as: JP7109825B2; KR20180085076A; JP2021007265A; US20180309473A1; US20200119762A1; JP6945890B2; US11108428B2; JP2018157609A; KR101882897B1; WO2016051406A1; US20170214427A1; US20210028812A1; US10804954B2; KR20170075737A; KR102376405B1; US10020836B2; JP6370480B2; JP2017536005A; JP2021192546A; KR20210095720A

Abstract

다중-모듈 무선-주파수 시스템에서 기준 신호 누설의 효과를 감소시키며 제거하기 위한, 특히 무선-주파수 집적-회로 디바이스를 위한 방법 및 시스템. 격리가 주파수 편이에 의해, 분리 및 식별을 가능하게 하기 위해 고유 서명을 상이한 기준 신호에 제공하기 위한 기준 신호의 이진 위상-편이 키잉에 의해, 그리고 송신기 기준 신호의 누설에 의한 수신기 신호의 오염을 회피하기 위해 수신기에서 송신기로의 기준 신호의 역방향 전송에 의해 제공된다. 교정을 개선하는 것 외에, 본 발명의 방법은 또한 특정한 다중-모듈 무선 주파수 시스템에서 잡음 감소를 제공한다.

Description

멀티-모듈 시스템에서의 기준 신호 분배 {REFERENCE SIGNAL DISTRIBUTION IN MULTI-MODULE SYSTEMS}

본 발명은 다중-모듈 무선-주파수 교정에 관한 것이며, 특히 무선 주파수 집적 회로(radio frequency integrated circuit: RFIC)의 교정에 관한 것이다.

다중-모듈 시스템은 통상적으로 실시간 교정을 위해 주파수 및 위상 기준 신호의 공유를 요구한다. 이러한 시스템에서, 모듈의 임의로-선택된 부분 사이에서 송신 특성을 측정하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 위상-배열 레이더 시스템에서, 특정한 방향으로 위상 빔을 향하게 할 수 있도록 각각의 안테나에서 상대적 위상 특성을 아는 것이 필요하다. 또 다른 예에서, 다중 입력/다중 출력(MIMO) 레이더 시스템은 서로에 대해 수신 신호를 참조하는 것을 요구한다.

이상적인 조건 하에서, 기준 신호(reference signal)의 측정은 일반적으로 간단하다. 그러나, 송신 손실이 높을 때, 모듈 포트 중에서의 신호 누설은 기준 측정을 방해한다. 예를 들면, 벡터 네트워크 분석기(vector network analyzer: VNA)로 다중-포트 측정을 할 때, 통상적으로 VNA 포트 사이에 몇몇 신호 누설이 있으며, 이것은 측정의 동적 범위를 제한한다. 이러한 문제점은 단일 RFIC의 경우에 특히 두드러지며, 여기에서 격리는 RFIC, 패키지, 및 인쇄 회로 보드(PCB)의 작은 포트-간 거리 및 본질적으로-제한된 격리 때문에 제한된다. 여기에서, 격리를 위한 가능한 제한은 약 50dB이며, 가장 멀리-분리된 RFIC 포트 사이에서 달성된다.

상기 설명된 격리 문제에 대한 알려진 개선은 각각의 포트에 대한 별개의 차폐 RFIC를 사용하는 것이다. 이러한 방식으로, 테스트 중인 디바이스(또는 매체)(이후, "DUT"로 표시된)로 송신된 신호는 상당히 양호한 격리를 가지며, 단지 DUT를 통과한 신호만이 다른 RFIC에 도달한다. 불운하게도, 그러나, 이것은 짝을 이룬 RFIC에 위상 기준을 제공하는 문제점을 도입한다. RFIC는 별개의 합성기를 가질 수 있으며, 따라서 또 다른 RFIC 내에서 하향 변환된 하나의 RFIC로부터의 신호의 위상이 직접 측정될 수 있으며 - 단지 비교 측정만이 이루어질 수 있다. 이것은 기준 신호의 샘플이 수신 RFIC에 제공됨을 요구한다. 기준을 제공하기 위한 간단한 접근법은 수신 포트를 통해 송신된 신호의 샘플을 수신한 RFIC로 이끌며, 그 후 DUT로부터의 신호와 송신 RFIC로부터의 기준 신호 간의 위상차를 측정하는 것이다. 그러나, 테스트 시퀀스에서 신호를 가져오는 것은, 수신 RFIC가 제한된 격리를 갖기 때문에, DUT로부터의 신호를 오염시킬 수 있다. 문제점은 기준 신호를 약화시킴으로써 줄어들게 될 수 있지만, 그렇게 하는 것은 또한 기준의 저하된 신호 대 잡음 비 때문에 측정 정확도를 감소시킨다.

상기 설명된 조건 및 제약 하에서, 신호 누설을 감소시키거나 또는 제거하고; 측정 시 신호 누설의 영향을 감소시키거나 또는 제거하며; 신호 누설에도 불구하고 정확한 측정을 하기 위한 방법을 갖는 것이 바람직할 것이다. 이들 목표는 본 발명의 실시형태에 의해 충족된다.

본 발명의 다양한 실시형태는 다수의 수신기 및 송신기를 갖는 RF 시스템에서 기준 신호의 효율적이며 순서화된 분배를 제공한다. 이들 실시형태는, 모두-대-모두 기준 결합을 특징으로 하는 성형(star) 결합기; 및 이웃하는 모듈-대-모듈 기준 공유를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아닌 구성에서, 모듈의 상이한 포트 중에서 기준 공유를 제공한다.

또한, 본 발명의 특정한 실시형태는 각각의 기준 신호에 고유 서명(unique signature)을 제공함으로써, 모듈 간에 공유되는 기준 신호에 대한 격리를 제공하여, 개개의 기준 신호가 시스템 전체에 걸쳐 필요에 따라 식별되고 분리되도록 허용한다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따르면, 서명은 주파수-편이(frequency-shifting) 또는 이진 위상-편이 인코딩을 통해 적용될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 실시형태에 따르면, 무선-주파수 송신기-수신기 시스템이 제공되고 있으며, 상기 무선-주파수 송신기-수신기 시스템은, (a) 송신 주파수에서 송신된 신호를 송신하기 위한 송신기; (b) 수신된 송신 신호로서 상기 송신된 신호를 수신하기 위한 수신기로서, (c) 상기 수신기는 수신기 중간 주파수 신호로서 상기 수신된 송신 신호를 상기 송신 주파수에서 중간 주파수로 하향 변환시키기 위해, 국부 발진기 주파수에서 국부 발진기 신호를 갖는 국부 발진기를 포함하는, 상기 수신기; (d) 송신기 중간 주파수 신호로서 상기 송신된 신호를 상기 송신 주파수에서 상기 중간 주파수로 하향 변환시키기 위한, 상기 송신기와 연관된 송신기 하향 변환기(transmitter downconverter); (e) 상기 국부 발진기 신호를 상기 국부 발진기에서 상기 송신기 하향 변환기로 전달하기 위한, 상기 국부 발진기로부터 상기 송신기 하향 변환기까지의 기준 신호 경로; 및 (f) 상기 수신기 중간 주파수 신호와 상기 송신기 중간 주파수 신호 간의 위상차를 측정하기 위한 위상 비교기를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 송신된 신호를 갖는 송신기, 국부 발진기 신호 및 수신기 중간 주파수 신호를 갖는 수신기, 및 송신기 하향 변환기를 갖는 무선-주파수 송신기-수신기 시스템을 교정하기 위한 방법이 또한 제공되고 있으며, 상기 방법은, (a) 상기 국부 발진기 신호에 따라 상기 송신된 신호를 상기 하향 변환기를 통해 송신기 중간 주파수 신호로 하향 변환시키는 단계; (b) 상기 수신기 중간 주파수 신호와 상기 송신기 중간 주파수 신호 간의 위상차를 측정하는 단계; 및 (c) 상기 위상차에 따라 상기 송신기-수신기 시스템을 교정하는 단계를 포함한다.

개시된 주제는 첨부 도면과 함께 읽을 때 다음의 상세한 설명을 참조하면 가장 잘 이해될 수 있다:
도 1은 무선-주파수 집적 회로(RFIC)의 최상위 블록도이다.
도 2는 대표적인 송신/수신 모듈의 블록도이다.
도 3은 두 개의 RFIC의 시스템의 블록도이다.
도 4a는 교정을 위해 사용된 양방향 포트를 가진 다중-모듈 RFIC 시스템의 블록도이다.
도 4b는 교정을 위해 사용된 전용 포트를 가진 다중-모듈 RFIC 시스템의 블록도이다.
도 5a는 송신 모듈에서 수신 모듈로 전송된 기준 신호를 도시한 블록도이다.
도 5b는 수신 모듈에서 송신 모듈로 전송된 기준 신호를 도시한 블록도이다.
도 6a는 간소화된 모두-대-모두 대칭 성형 결합기(all-to-all symmetric star coupler)의 개략도이다.
도 6b는 대칭형 모두-대-모두 기준 신호 분배기(symmetric all-to-all reference signal distributor)의 블록도이다.
도 6c는 예시적인 8-포트 모두-대-모두 버틀러-아다마르 결합기(8-port all-to-all Butler/Hadamard coupler)의 블록도이다.
예시의 간략화 및 명료화를 위하여, 도면에 도시된 요소는 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니며, 몇몇 요소의 치수는 다른 요소에 비해서 과장될 수 있다. 또한, 기준 부호는 대응하는 또는 유사한 요소를 나타내기 위해 도면 간에 반복될 수 있다.

본 발명의 특정한 실시형태는 송신된 신호와는 별개인 기준 신호를 제공하며, 따라서 DUT로부터의 신호로의 기준 신호의 누설은 측정 에러를 야기하지 않는다. 이들 실시형태 중 일부에서, 기준 신호는 송신된 신호에 수학적으로 직교한다. 관련된 실시형태에 따르면, 직교성은 주파수 오프셋팅에 의해 달성되며; 또 다른 관련된 실시형태에 따르면, 직교성은 고속 또는 저속인, 이진 위상 편이 키잉(binary phase shift keying: BPSK)에 의해 달성된다.

일 실시형태에서, 송신 RFIC는 BPSK(비-제한적인 예는 1㎒ 변조를 사용함)를 사용하여 다른 RFIC에 기준을 전달한다. DUT로의 신호는 연속파(continuous wave: CW)로서 전송된다. 그 결과, 기준 신호는 0Hz(DC)에서 어떤 스펙트럼 구성요소도 포함하지 않는다. 수신 RFIC는 DUT로부터의 CW 신호(포트 중 하나에서) 및 BPSK-변조 신호(또 다른 포트에서) 양쪽 모두를 수신한다. 기준 신호는 기준 페이저(reference phasor)를 획득하기 위해 소프트웨어로 BPSK-복조되고, 하향 변환되며 통합된다. 기준 및 DUT 신호는 직교하기 때문에, 어떤 상호 오염도 없다. BPSK 변조는 기준을 전송하는 TR 모듈에서 BPSK 토글링(toggling)을 통해 구현될 수 있으며(그것이 잡음을 도입할 수 있지만) - 임의 파형 발생(arbitrary waveform generation: AWG)을 통한 변조는 RFIC₁이 송신된 CW 신호를 발생시키는데 전용되며 RFIC₂는 CW 수신 신호를 발생시키는데 전용되므로 옵션이 아니다. 대안적인 실시형태에서, BPSK 변조는 기준을 수신한 송신 모듈에서 국부 발진기(LO) 신호에 대해 수행된다.

본 발명의 또 다른 실시형태에서, 송신 칩은 스냅샷 단위 기반으로 BPSK 변조를 사용하여 다른 칩으로 기준을 전달한다. 하나의 스냅샷은 규칙적 극성에서 전송된 기준과 함께 취해지며 다른 것은 반대 극성에서 취해진다. 두 개의 스냅샷은 규칙적 신호에 대해 합산되며 기준 신호에 대해 감산된다. 스냅샷은 동일한 분해능 대역폭(resolution bandwidth: RBW)을 유지하기 위해 시간적으로 절반이 될 수 있다. 관련된 실시형태에서, BPSK 변조는 송신 모듈에서 소프트웨어 극성 토글링을 통해 구현된다(소프트웨어-기반 토글링은 잡음을 주입하는 것을 회피한다).

추가 실시형태에서, 송신 RFIC는 송신된 신호보다는 기준으로서 수신 국부 발진기(RX_LO)를 수신 RFIC로 전송한다. 수신 RFIC는 송신된 신호 및 RX_LO 주파수 양쪽 모두로부터 오프셋되는 RX_LO' 주파수로 구성된다. 비-제한적인 예에서, 송신 주파수는 10.010㎓이고, RX_LO는 10.008㎓이며 RX_LO'는 10.007㎓이다. 그 후 송신 RFIC는 2㎒에서 송신을 수신하는 반면, 수신 RFIC는 수신된 1㎒ 하향 변환된 RX_LO 신호로 3㎒를 디지털로 하향 변환함으로써 3㎒에서 송신을 및 1㎒에서 RX_LO를 수신할 것이다. 실제로, 이것은 하향 변화된 1㎒ 샘플의 공액과 하향 변환된 3㎒ 샘플을 곱함으로써 행해진다. 송신 주파수에서 수신 RFIC로 전달된 어떤 신호도 없기 때문에, DUT로부터의 신호의 측정은 누설에 의해 오염되지 않는다.

상기 예에서, RX_LO'가 RX_LO보다 주파수가 더 높다면(예로서, LO_RX는 10.007㎓이며 RX_LO'는 10.008㎓이다), 기준은 "음의 주파수"("-1㎒")로 변환되며, 재구성 동안 어떤 공액도 요구되지 않는다.

각각의 관련된 실시형태에서, 상기 경우는 임의의 수의 다수의 수신 RFIC로 확대된다. 단지 하나의 RFIC만이 임의의 주어진 시간에 송신하므로, 프로세싱된 기준 신호는 다른 RFIC로 분배된다.

본 발명의 추가 실시형태에서, 동시 송신은 다수의 RFIC로부터 행해진다. 관련된 실시형태에서, 스태거링된 주파수(RBW의 순서에 의해)가 사용되며, 여기에서 RBW 주파수 오프셋은 측정을 만족스럽지 않게 저하시키지 않는다.

다른 실시형태는 다수의 기준 신호가 분배될 필요가 있는 경우에 송신된 신호의 BPSK 조작을 제공한다. 관련된 실시형태에서, (아다마르 행렬 행들(Hadamard matrix rows)에 의해서와 같은) 송신 신호의 BPSK 인코딩은 다수의 기준 신호를 구별하기 위해 사용된다. 이 실시형태에서, RFIC의 기준 신호의 인코딩은 상호 직교하며 그에 따라 구별 가능하다. BPSK 코드([1 1 ... 1])는 송신된 신호를 오염시키는 것을 피하기 위해, 사용되지 않는다.

추가 관련된 실시형태는 다수의 RX_LO 주파수를 제공하며, 따라서 혼합 주파수 차이가 뚜렷하다. 비-제한적인 예에서, 각각 F₀, F₀+df, F₀+3df 및 F₀+4df의 RX_LO 주파수를 가진 4개의 RFIC가 사용될 수 있다. df 계수(0, 1, 3, 및 4)는 발진기에 의해 야기된 중첩 ± 혼합을 회피하기 위해 선택된다. 즉, RFIC₁은 주파수(+df, +3df 및 +4df)에서 수신할 것이고, RFIC₂는 -df, +2df 및 +3df에서 기준을 수신할 것이며, 따라서 모든 절대값은 개별적이다. 기법은 추가로 확대될 수 있으며 - 예를 들면 8개의 RFIC에 대해, 주파수 오프셋은 [0,1,3,4,9,10,12,13]df일 수 있다. 이러한 기술은 송신을 위한 동일한 주파수를 사용하는 것과 함께 각각의 모듈에서(예컨대, FMCW, CW 또는 단계식 CW 레이더에서) 국부 발진기로서 사용될 수 있으며, 따라서 각각의 모듈은 기준 경로 및 오버-디-에어(over-the-air) 경로 양쪽 모두에서, 모듈의 나머지 모두를 수신하며 그것들의 신호를 구별할 수 있다.

또 다른 실시형태는 여러 개의 모듈이 송신 중일 때 다중-모듈 동작을 위한 직교 다중화를 제공한다. 이 실시형태는 기준 신호 격리의 이득뿐만 아니라, 다중상태 레이더 애플리케이션을 위해서와 같은, 스윕마다 시간- 및 메모리-효율적 다중 동작을 또한 달성한다.

본 발명의 부가적인 실시형태는 송신된 신호와 동일한 LO로부터 도출된 신호로 수신된 신호를 복조할 때 발생하는 문제점에 대한 해결책을 추가로 제공한다. LO 주위에 위치된 임의의 스퍼(spur) 또는 아티팩트는 효과적인 잡음 플로어에 기여한다. 이러한 아티팩트의 예는, LO 주위에 위치된 직교 변조 불균형 및 기준 스퍼와 연관된 이미지 구성요소를 포함한다. 본 발명의 이 실시형태에 따르면, 문제점은 모든 다른 것에 대한 각각의 모듈의 LO를 편이시키며, 그에 따라 또한 연관된 아티팩트를 편이시킴으로써 다중-모듈 경우에서 회피될 수 있다.

본 발명의 추가 실시형태는 송신된 신호의 복제본을 수신 모듈로 전송하기 위한 요구를 회피한다. 수신 모듈로 송신된 신호의 복제본을 전달하는 것은 국부 발진기와 수신된 신호의 혼합에서 비롯된 중간 주파수 신호의 상대적 위상을 측정함으로써 테스트 중인 디바이스 또는 매체를 통해 신호 경로와 기준 신호 경로 간의 상대적 위상을 특성화하는 것을 허용한다. 그러나, 수신기에서 송신된 신호의 복제본의 임의의 누설은 수신된 신호를 오염시킬 수 있다. 본 발명의 관련된 실시형태는 송신된 신호의 복제본을 수신 모듈로 전송하는 것을 회피함으로써 이러한 문제를 회피한다. 대신에, 이 실시형태는 수신 모듈의 국부 발진기(local oscillator: LO)의 복제본을 다시 송신 모듈로 제공한다. 송신 모듈은 그 후 송신된 신호와 수신 모듈의 LO를 (전용 하향 변환기를 통해) 국소적으로 혼합하며, 그에 의해 송신기에서 중간 주파수(IF)를 발생시킨다. 이러한 송신기 중간 주파수 신호는 송신된 신호와 수신기의 중간 주파수 신호 간의 상대적 위상을 나타낸다. 수신 모듈에서보다는 송신 모듈에서 이러한 동작을 수행함으로써, 이 실시형태는 단지 DUT를 통과한 송신된 신호만이 수신 모듈에 도달하며, 동일한 주파수에서의 어떤 다른 신호도 거기에 존재하지 않는다는 것을 보장한다.

Claims

무선 주파수(RF) 시스템으로서,
각각의 송신기가 미리결정된 송신 주파수를 갖는 복수의 송신기를 포함하고,
상기 복수의 송신기의 임의의 2개의 송신기의 송신 주파수 간의 차는 실질적으로 미리결정된 df 계수의 정수배인 송신기 주파수 오프셋이고,
상기 복수의 송신기의 임의의 선택된 송신기에 대하여, 상기 선택된 송신기의 송신 주파수와 상기 복수의 송신기 중 각기 다른 송신기의 송신 주파수 간의 주파수 차는 개별적인 절대값을 가지는, RF 시스템.
제1항에 있어서,
미리결정된 국부 발진기 주파수를 가지는 적어도 하나의 수신기를 더 포함하는, RF 시스템.
제2항에 있어서,
각각의 수신기가 각자의 미리결정된 국부 발진기 주파수를 가지는 복수의 수신기를 더 포함하는, RF 시스템.
제3항에 있어서,
각 수신기의 국부 발진기 주파수는 상기 복수의 송신기 중 하나의 송신기의 송신 주파수와 동일하고,
각 수신기가 신호 입력 및 국부 발진기 입력을 수신하도록 동작하는, RF 시스템.
제4항에 있어서,
상기 복수의 수신기 중 하나의 수신기는 기준 신호 수신기인, RF 시스템.
제5항에 있어서,
상기 복수의 송신기 중 적어도 하나의 송신기의 송신 주파수가 각자의 기준 신호 수신기에 제공되는, RF 시스템.
제1항에 있어서,
상기 복수의 송신기는 4개의 송신기로 이루어지고,
상기 송신기 주파수 오프셋은 상기 미리결정된 df 계수에 각각 0, 1, 3 및 4로 곱한 것인, RF 시스템.
제1항에 있어서,
상기 복수의 송신기는 8개의 송신기로 이루어지고,
상기 송신기 주파수 오프셋은 상기 미리결정된 df 계수에 각각 0, 1, 3, 4, 9, 10, 12 및 13으로 곱한 것인, RF 시스템.
제3항에 있어서,
상기 RF 시스템은 다중 입력/다중 출력(MIMO) 레이더 시스템인, RF 시스템.
제9항에 있어서,
각 수신기의 국부 발진기 주파수는 상기 복수의 송신기 중 하나의 송신기의 송신 주파수와 동일하고,
각 수신기가 신호 입력 및 국부 발진기 입력을 수신하도록 동작하는, RF 시스템.
제10항에 있어서,
상기 복수의 수신기 중 하나의 수신기는 기준 신호 수신기인, RF 시스템.
제11항에 있어서,
상기 복수의 송신기 중 적어도 하나의 송신기의 송신 주파수가 각자의 기준 신호 수신기에 제공되는, RF 시스템.
제9항에 있어서,
상기 복수의 송신기는 4개의 송신기로 이루어지고,
상기 송신기 주파수 오프셋은 상기 미리결정된 df 계수에 각각 0, 1, 3 및 4로 곱한 것인, RF 시스템.
제9항에 있어서,
상기 복수의 송신기는 8개의 송신기로 이루어지고,
상기 송신기 주파수 오프셋은 상기 미리결정된 df 계수에 각각 0, 1, 3, 4, 9, 10, 12 및 13으로 곱한 것인, RF 시스템.