한국산학기술학회논문지 Vl. 6, N. 5, pp. 4-46, 25 광대역디지털고주파신호복제특성분석 임중수 *, 채규수 An Analysis f Wideband Digial Radi Frequency Signal Reprducin Characerisics Jng-S Lim * and Gy-S Chae 요약디지털신호기억회로는반도체기술의발달과더불어매우빠른속도로발달되었다. 그러나수백 MHz 대역폭의광대역고주파신호를저장하였다가복제하는것은매우어려운기술이다. 고주파신호의기억을위해서과거에는아날로그방식의주파수기억루프가사용되었으나, 광대역신호변환기와광대역주파수증폭기등이개발되면서디지털고주파신호기억장치에대한설계가가능해졌다. 본논문에서는주파수대역이 6MHz 이상되는광대역디지털고주파복제회로를사다리회로를이용하여설계하고그결과를모사하였다. Absrac Digial memry circuis have been develped very fas accrding he prgress f semicnducr echnlgy. Bu i was very difficul memrize a wideband radi frequency signals. Many years ag, an analg frequency memry lp(fml) was used fr sre f radi frequency signal and he digial radi frequency memry was made accrding he develpmen f wideband amplifier and high speed sampler. We presen a design f wideband digial radi frequency reprducin device using ladder circui and he simulain resuls wih respec he sampling speed in his paper.. 서론 ) 2. 고주파신호저장및복제회로동작원리 대용량고속반도체메모리개발로디지털신호기억회로는날마다발전하고있으며, 각종영상이나멀티미디어신호들을복제하기위해서폭넓게사용되고있다. 그러나신호의주파수가 GHz대역의높은고주파신호를디지털신호로변환하여저장하였다가복제하는기술은매우어려운분야로분류되어왔다. 고주파신호의기억을위해서과거에는아날로그주파수기억루프가사용되었으나 [] 고주파신호변환기와광대역주파수증폭기등이개발되면서디지털고주파신호기억장치에대한설계가가능해졌다 [2]. 본연구에서는전체대역폭이 6MHz 이상되는광대역고주파신호를설계하고샘플링속도에따른신호저장및복제특성결과를분석하였다. 천안대학교정보통신학부 /RDRC cener KAIST * 교신저자 : 임중수 (jslim@chenan.ac.kr) 2. 동작개요고주파신호를표본화 ( 샘플링 ) 하여저장하고이를원하는시간에다시복제하는장치를고주파기억장치라부른다. 일반적으로사용하는주파수대역폭이좁은경우에는신호를표본화하기도쉽고표본화자료를양자화하기도쉬우며, 양자화된자료를저장하는데도필요한저장공간이적어서쉽게구현할수있다. 광대역고주파기억회로는높은주파수의고주파신호특성을저장하고분석하는것을목적으로사용되기때문에수 MHz 또는수 GHz 대역의높은고주파신호를디지털데이터로변환하여저장해야하기때문에고주파신호의표본화시간이고주파신호의 2 배이상의표준화속도가요구된다. 고주파신호는표준화된데이터를양자화한후에디지털메모리에저장할때데이터의양이많기때문에저장데이터의양을줄이기위해서특수코드들이사용되기도한다. 광대역고주파기억장치는고주파신호를표본화할때신호의크기를구별하는진폭비교 (ampliude encding) 4
한국산학기술학회논문지제 6 권제 5 호, 25 표본화방식과고주파신호의위상을구분하는위상비교 (phase encding) 표본화방식으로나뉘어지며, 본논문에서는샘플링주파수에비해서주파수복제특성이우수한위상비교방식을중심으로연구하였다. CLOCK 동위상채널 A/D DIG MEM D/A V COS w V COS w SIN w 역위상채널 f BW f BW SAMPLE SAMPLE COS w SUM A/D DIG MEM D/A V SIN w SIN w CLOCK 그림. 광대역디지털고주파신호복제장치구성도 2.2 고주파복제신호장치구성도제안된광대역디지털고주파신호기억장치는그림 과같이구성된다. 본장치는높은주파수의고주파신호를표본화하기위해서입력신호를입력신호와위상이같은동위상 (inphase : I) 신호와입력신호와 9도의위상차를갖는구적위상 (quadraure :Q) 신호로분리하여표준화함으로써샘플링비를높게설계했다. 본장치에입력된고주파신호는고주파신호분배기에서두채널로분류된뒤에한채널은기준신호회로즉동위상 (inphase : I) 회로로사용하고나머지는 9도위상차를갖는구적위상 (quadraure : Q) 회로로사용한다. I신호와 Q신호의변환은믹서 (mixer) 에서이루어진다. 저장될신호대역의중심주파수에맞추어진국부발진기 (lcal scillar) 신호는입력되는고주파신호와믹서에서혼합되어 I, Q신호로변환되는데여기에서사용되는국부발진기의주파수는저장하고자하는고주파신호의대역폭과최대샘플링속도등을고려하여결정한다. 믹서에서생성된 I, Q 신호는아날로그-디지털변환기 (A/D cnverer) 나위상변별기 (phase discriminar) 를사용하여 I채널과 Q채널의디지털데이터로변환된다 [3][4]. 고주파신호의진폭을저장할경우에는아날로그- 디지털변환기를사용하고고주파신호의위상을저장할경우에는위상변별기를사용하여디지털변환을수행하며, 이디지털변환을수행하기위해서는입력되는신호의가장높은주파수보다적어도두배이상의주파수로샘플링해야하기때문에아날로그-디지털변환기와위 상변별기의샘플링속도가디지털신호저장장치의주파수대역폭결정에매우중요하다. 신호의샘플링속도가낮은경우에는샘플링할수있는신호의대역폭이좁기때문에고주파신호를여러단의믹서를사용하여기저대역신호로변환해야하며, 이경우에는여러단을구성하는복잡한고주파회로가필요할뿐만아니라신호를복제할때더많은시간이소요되어 ns 이내의짧은시간안에신호를복제하지못하게된다. 예를들어, 광대역고주파기억장치의주파수대역폭이 6MHz라고가정하면그림 에서 6 MHz 대역은 3MHz 대역폭을가진 I와 Q 채널로나눠진다. 이경우에펄스내의모든정보를유지할수있는아날로그-디지털변환기의샘플링주파수는일반적으로 6MHz 이상이어야한다. 일반적으로진폭비교방식에사용되는아날로그-디지털변환기는 I와 Q를 4 6비트로양자화하는데, 이는동시에다중신호들이저장될때불요신호를줄이고소신호 (small signal) 의왜곡을막아준다. 양자화된신호는이제 4 6비트데이터형태인 6MHz샘플링주파수로아날로그-디지털변환된 I 데이터와같은수의 Q 데이터로생성되어데이터형태로디지털메모리에저장된다. 저장된신호를재생하려면, I와 Q채널의메모리에저장된데이터들을 6MHz의속도로읽어내면서, 디지털-아날로그변환을하고이신호를저역통과필터 () 를통과시킨후상향변환하여원래의고주파신호로출력하여송신한다. 아날로그하향변환기 (analg dwn-cnverer) 는광대역의신호를처리할수있기때문에일반적으로 Q 채널광대역기억장치에사용된다. 아날로그하향변환기의가장큰결점은채널간위상과진폭의평형을맞추기어려운것이다. 아날로그 I/Q 하향변환기를구현하는가장일반적인방법은그림 과같이 9도위상변위기 (phase shifer) 를국부발진기의출력에연결하여 9도위상변위를갖는국부발진신호 (quadraure lcal scillar signal) 를만드는것이다. 2.3 고주파신호저장및복제광대역고주파기억장치의어려운점은동작주파수범위의중심에맞추어진국부발진기를사용하여입력되는신호를중대역으로변환하는것이다. 이방법으로는국부발진주파수를기준으로하여보았을때, 입력되는신호의상측대역 (upper band) 과하측대역 (lwer band) 이모두동일한기저대역으로겹쳐진다. 이상의과정에서발생하는주파수모호성은 I채널과 Q채널간의위상차이를측정하여해결할수있다. 예를들면, Q채널의위상이 I 채널보다앞서면 (lead), 입력신호의주파수가국부발진기주파수보다높은것이며, 반면에 Q 채널의위상이 I채널 42
광대역디지털고주파신호복제특성분석 보다늦으면 (lag) 입력신호의주파수는국부발진기의주파수보다낮은것이다. 구적채널신호처리 (quadraure channel prcess) 를고려하면, 고주파신호는다음과같다. v()=x() cs w -y() sin w () 여기에서 x() 와 y() 는반송파각주파수 w 에비해서느리게변화하는신호이다. 식 () 에서신호스펙트럼을도출하면식 (2) 와같다. V(w)= 2 [X(w - w )+jy(w-w )] + 2 [X(w+w )-jy(w + w )] (2) 여기서 X( w) 와 Y( w) 는 x( ) 와 y( ) 의퓨리에변환 (Furier ransfrm) 들이다. 식 (2) 는복소표현 (cmplex nain) 으로다시쓰면식 (3) 과같다 [5]. V()= 2 [V' *(w - w )+V'(w-w )] (3) 여기서 V'(w)=X(w)-jY(w) 이며 * 는공액 (cnjugae) 을나타낸다. 국부발진기 W LO 와혼합되고저역통과필터를거친후에, I 채널신호와 Q 채널신호는아래와같다. v I ()= 2 [x() cs (w -w LO ) - y() sin(w -w LO )] (4) v Q ()= 2 [x() sin(w -w LO ) -y() cs(w -w LO )] (5) 상기의신호를국부발진주파수를신호의주파수와일치 ( w = w LO ) 시키면 v I ()=x() (6) v Q ()=y() (7) 광대역고주파기억장치에서출력되기위하여국부발진기에서다시혼합된뒤에하향신호성분을제거한상향변환된신호는식 (8) 과같다. v'()=v I ()cs(w LO ) + v Q ()sin(w LO ) (8) 여기에서 I 신호성분을보면식 (9) 와같다. v' I ()= 2 [ x( ) 2 ( cs (w )+cs(w -2w LO )] - 2 [ y( ) 2 (sin(w )+sin(w -2w LO ))] (9) 반면, Q 신호성분은식 () 과같다. v' Q ()= 2 [ x( ) (- 2 ) ( cs (w - cs (w -2w LO )) + 2 y( )sin(w )-sin(w -2w LO ))] () 윗식에서 w LO = w 이면출력은식 () 에서나타낸입력신호를복제할수있게된다. 3. 고주파신호복제장치설계 광대역고주파신호복제장치는그림 과같이고주파입력모듈, 국부발진기모듈, 디지털메모리모듈, 컨트롤모듈과고주파출력모듈등으로나눌수있으며각모듈별구성은다음과같다 3. 고주파입력모듈고주파입력모듈 (inpu assembly) 은고주파입력단으로부터고주파신호와고주파신호대역폭의중심주파수에해당하는 LO신호를입력받는다. LO신호는 QIFM 에서고주파신호와혼합되어대역폭이 ±3MHz인 I, Q 의 IF신호를발생한다. QIFM에서발생된 IF신호는차단주파수가 3MHz인 Lw Pass Filer를거쳐믹서에서발생된원하지않은신호를제거한다. 이때국부발진기의주파수를대역폭의중심주파수설정했을경우의이점은 A/D 샘플링클럭을절반으로줄일수있다. 필터를거친 IF(I, Q) 신호는아날로그드라이브 (analg driver) 를이용하여 I+, I-, Q+, Q- 신호로분리되고, Angle Digiizer를거쳐 8개의위상신호 I( ), I45(45 ), Q(9 ), Q45(35 ), -I(8 ), -I45(225 ), -Q(27 ), -Q45(35 ) 를얻어서한쌍의위상신호 ( 예, I( ) 과 -I(8 )) 를비교기에입력하여 ECL Level의디지털위상신호 I, I+45, Q, Q+45를추출한다. 이때비교기에한쌍의위상신호를입력하는것은비교기에서의선택도를높이기위함이다. 비교기에서생성된디지털위상신호는디지털메모리모듈의쉬프트레지스터 (shif regiser) 에입력되어고속으로샘플링된 43
한국산학기술학회논문지제 6 권제 5 호, 25 다. 비교기와쉬프트레지스터는처리속도를향상시키기위해서 ECL Level로인터페이스된다. I+ I+45 Q+ Q+45 Memry PWB ASSY Sampling Clck Buffering, Phase Crrecin I+ I+45 Q+ Q+45 Quad IF Mixer 샘플링클럭 (666MHz) RF_IN Limi AMP LO /2 I+ I- Q+ Q- Inernal Inerface DMA Daa Memry Inerface Dual Pr Ram CONTROL PWB ASSY Address Cnrl RF SW Cnrl BP Cnrl Cusmer Inerface 그림 2. 입력고주파신호와 QIFM 믹서구성도 그림 4. 디지털메모리회로모듈 I+ I- Q+ Q- Angle Digiizer Vlage Ladder Newrk Cmparar 도 8 도 9(Q+) 45 (I+) 45 도 225 도 35 35 9 도 27 도 35 도 8(I-) 225 27(Q-) 35 도 I_ I_45 Q_ Q_45 디지털메모리회로모듈은그림 2와같이제한된일정주파수범위의고주파입력을 QIFM과 Hybrid( 혹은 phase shif) 를사용하여 I+, Q+ 신호를생성하고, 생성된각신호는 45도위상차를갖는 4개의신호로변경한다. 디지털메모리모듈은 6MHz로동작하는직렬대병렬레지스터를이용하여이산신호를디지털화하고, 디지털신호를 6비트로저장하는기능을수행한다. 저장된데이터는직렬대병렬레지스터를통해 D/A 변환기에입력되어아날로그신호로변경되어고주파출력모듈의입력으로사용된다. 그림 3. Ladder Newrk을이용한각도변환회로 3.2 디지털메모리모듈제한된범위의고주파신호값을디지털로저장하는부분은디지털메모리모듈이다. RF 입력모듈에서입력된비동기디지털 I, I+45, Q, Q+45를 666MHz의클럭에동기시킨다. 저속의메모리에저장하기위해 6Bi 직렬대병렬레지스터 (serial parallel regiser) 를이용하여 4.625 MHz의메모리제어클럭에동기된 6Bi의버스폭을갖는데이터로바꾸어메모리에저장한다. 이때쉬프트레지스터의출력과메모리의입력에는 ECL level의신호를 TTL level의신호로변경하는회로를필요로한다. 저장된신호를복원하기위해메모리에서꺼낼때는저장할때와반대로 666MHz에동기된 I, I+45, Q, Q+45 의펄스열로만들어고주파출력모듈의 D/A 변환기에입력시킨다. 3.3 고주파출력모듈고주파출력모듈은그림 5와같이 D/A 변환기에입력된디지털위상신호를아날로그의 I, Q 신호로변환하고저대역필터를통과시켜최대한원래의신호에가까운중간주파수신호를만들어 SSB 변조기의 I, Q 입력단에입력시켜고주파입력모듈에서사용한국부발진기신호와합하여고주파신호로복원시킨다. SSB 변조기에서복원된고주파신호는제한증폭기를거쳐일정한출력전력을갖는신호로증폭되어출력된다. DI_ Single Side Band Mixer I_ DI_45 RF_OUT D/A DQ_ Cnverer Q_ DQ_45 /2 Swiched LO 그림 5. 출력고주파회로모듈 44
광대역디지털고주파신호복제특성분석 4. 고주파신호복제특성모사및결론 저장하고자하는고주파신호의대역폭이 6MHz인경우이신호를 I채널, Q채널로분리하면, 각채널에는최대 3 Hz 대역폭의신호가흐른다고가정할수있다. 이회로의신호를 6MHz, 3MHz로디지털화하고디지털신호를 6비트병렬레지스터로지연시켜 Dual Pr RAM에저장한뒤에, 저장된신호를복제한결과가그림 6과그림 7 이다. 그림 6은샘플링주파수를 6MHz로했을경우이며, 결과는입력신호의위상과진폭이잘유지되어서복제되며고주파신호의반송파신호로사용되기에충분하다. 그림 7은샘플링주파수가 3MHz 인경우로입력신호의위상과진폭이잘유지되지않는것을볼수있다. 2.5 2.5.7 2.7.7 2.7 I Q 6MHz 이상의샘플링주파수를사용하면고주파신호를양호하게복제할수있는것을알수있다. 참고문헌 [] Schleher, D. C., "Inrducin Elecrnic Warfare," Arech Huse, 986, pp. 38-45. [2] Schleher, D. C., "Elecrnic Warfare in he Infrmain Age," Arech Huse, 999, pp. 87-99 [3] Richard G. Wiley, "Elecrnic Inelligence: The Analysis f Radar Signals." Arech Huse, 993, pp. 26-2 [4] James Ba-Yen Tsui, "Digial Micrwave Receivers Thery and Cnceps," Arech Huse, 989, pp. 23-2. [5] Tsui, J., "Digial Techniques fr Wideband Receivers," Arech Huse, 996, pp.-34 [6] Jenq, Y. C., "Digial Specra f nnunifrmly sampled signals: fundamenals and high speed wave-frm digiizers" IEEE Trans. Insrumenain and measuremen, Vl. 37, June 988, pp. 245-25..5 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 임중수 (Jng-S Lim) [ 정회원 ] 그림 6. 디지털고주파신호모사특성 ( 샘플링주파수 ; 6MHz).8.6.4.2.8.6.4.2 2 3 4 5 6 7 8 그림 7. 디지털고주파신호모사특성 ( 샘플링주파수 ; 3MHz) I Q 978 년 2 월 : 경북대학교전자공학과 ( 공학사 ) 987 년 8 월 : 충남대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 994 년 3 월 : Auburn Universiy, 초고주파공학 ( 공학박사 ) 98 년 8 월 ~ 989 년 2 월 : 국방과학연구소, 선임연구원 998 년 3 월 ~ 22 년 8 월 : 충남대학교전파공학과겸임교수 994 년 월 ~ 23 년 2 월 : 국방과학연구소, 전자탐지팀장 23 년 3 월 ~ 현재 : 천안대학교정보통신학부교수 < 관심분야 > 전자파이론, 광대역주파수소자설계, 레이다및전자전장비설계 / 분석 따라서그림 과같이설계한디지털고주파신호복제회로는입력신호의대역폭이 6MHz 이하인경우에 45
한국산학기술학회논문지제 6 권제 5 호, 25 채규수 (Gy-S Chae) [ 정회원 ] 993 년 2 월 : 경북대학교전자공학과 ( 공학사 ) 995 년 2 월 : 경북대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 2 년 2 월 : Virginia Tech ( 공학박사 ) 2 년 월 ~ 23 년 2 월 : Amphenl Mbile(RF manager) 23 년 3 월 ~ 현재 : 천안대학교정보통신학부교수 < 관심분야 > 안테나설계, 초고주파이론 46