Transcript The basic of RF

ByungJoo Kang
3rd The basic of RF
ByungJoo Kang
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RF system의 이해 part 1
IF(중간주파수), 그 존재의 이유
– IF를 이해 할려면 RF전반에 대한 개념이 필요
– IF존재이유 깨닫는 것은 역으로 RF핵심요소들의 기능을 이해하
는데 중요한 단서를 제공!
• 중간주파수 (IF : Intermediate Frequency)
– 베이스밴드 주파수와 Carrier 주파수간을 바로 변환하지 않고, 중
간에 다른 주파수로 한번 변환한 후 다시 변환하는 구조를 사용
– IF가 도입되는 이유는 대부분 Receiver(수신단)
– 수신기를 기준하여 송신기도 만들어지게 되며 수퍼 헤테로다인
수신기라고 정의
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RF system의 이해 part 1
IF(중간주파수), 그 존재의 이유
• 주파수 올리고 내리기 (Up/Down Conversion)
– 주파수는 왜 올리는가?
• 음성이나 데이터 등은 보통 수 MHz단위 정도의 주파수 신호
• 전송하기 위해서는 높은 주파수(캐리어주파수)로 변환하여 전송
• 실제 신호를 싣고(Carry)다니는 주파수를 소위 반송파(캐리어,
Carrier) 주파수라고 한다.
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RF system의 이해 part 1
IF(중간주파수), 그 존재의 이유
• 주파수 올리고 내리기 (Up/Down Conversion)
– 주파수는 무엇으로 올리고 내리는가?
• 주파수 변환하는 것이 믹서의 역할!
• 두 개의 입력 주파수의 합과 차를 출력!
• 국부발진기(local oscillator)의 입력을 더하여 출력 : 주파수 상향변환
• 입력된 고주파신호를 LO 주파수만큼을 뺀 출력 : 주파수 하향변환
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RF system의 이해 part 1
IF(중간주파수), 그 존재의 이유
• 주파수 올리고 내리기 (Up/Down Conversion)
– 주파수가 올라가고 내려간다는 의미
• 신호의 주파수가 변하면 Data는 그래도 보존되는 것일까?
• Data는 그래도인데 주파수만 변한다는 것이 말이 될까?
• 캐리어의 주파수가 변화해도 실제로 전송하고자 하는 신호의 내용
은 변하지 않는다!
• 신호를 실어 나르는 캐리어 주파수만 변하고 있는 것!!
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RF system의 이해 part 1
IF(중간주파수), 그 존재의 이유
• Fractional Bandwidth
(Fractional : 분수의,단편적인,부분적인)
– 대역폭을 그 대역폭의 중심주파수로
나누어주는 개념
– 10M(대역폭) / 1G(중심주파수) =
0.01(Fractional Bandwidth)
– RF적인 특성은 절대적인 대역폭에
의존하는 것이 아니라 상대적인 대
역폭, 즉 Fractional bandwidth에 비
례한다는 것
– BPF의 복잡도는 절대적인 대역폭이
아닌 상대적 대역폭이 중요!
– Circuit Q는 Fractional bandwidth의
역수
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RF system의 이해 part 1
IF(중간주파수), 그 존재의 이유
• 선택도(Selectivity)
– 선택도란 원하는 주파수대역만 정확하게 골라낸다는 의미
– 원하는 주파수 채널을 골라내기 위해서는 수신주파수를
Bandpass filtering해야 한다.
– IF 미 사용시 : Q=중심주파수/대역폭=900M / 1M=900
– IF 사용시 : Q=50M / 1M=50
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RF system의 이해 part 1
IF(중간주파수), 그 존재의 이유
• 민감도 (Sensitivity)
– IF를 이용하면 민감도가 향상된다.
– RF 수신주파수나 임피던스의 변화에 대해서 실제 신호단인 베이
스밴드 대역이 영향을 받지 않는다는 의미
– IF가 존재함으로써 일종의 격리효과(isolation)가 발생
– mixer변환과정에서 생기는 불필요한 주파수들을 잡기 위해 사용
하는 image filter가 다른 주파수대역의 변동을 건너편에 전달하
지 않게한다. 결국 임피던스 관계가 안정이 되고 격리되어서 생
기는 민감도 향상
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RF system의 이해 part 1
IF(중간주파수), 그 존재의 이유
• 안정도(Stability)
– IF를 사용하면 시스템 발진에 대한 부담을 줄일 수 있다.
– RF 수신단에는 매우 작은 레벨의 신호가 들어오기 때문에 RF처
리부에 증폭 부담
– RF단과 IF단에서 서로 다른 주파수로 증폭을 하면 발진에 영향을
줄 수 있는 gain이 분산
– 한 주파수에 gain이 몰리게 되면 될수록 그 시스템은 불안정되기
때문에 발진이 일어날 가능성이 커진다
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RF system의 이해 part 1
IF(중간주파수), 그 존재의 이유
• 반복성 (Repeatability)
– IF를 사용하지 않는다면 고주파 RF단에 거의 모든 아날로그 신호처
리기능이 몰리게 된다.
– IF단을 이용하고 동일한 IF주파수를 사용하면 이런 문제가 많이 향
상된다.
– 일정한 IF주파수를 쓰게 되면 RF단의 변화가 기저대역(baseband)
신호처리에 영향을 주지 않게 된다.
• IF를 이해하면 많은 것이 보인다
– IF를 이해하면서 통신시스템 전체가 파악
– IF가 있으면 모두 좋아질까?
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RF system의 이해 part 2
RF송수신 시스템의 이해
•
RF부의 의무와 목표
•
–
송신부 Tx (Transmitter)
•
•
•
–
수신단에서 충분히 신호를 받을 수 있도록 적절한 최종단 전력으로 내보낸다.
자기가 사용하는 주파수 이외의 성분을 방출되지 않도록 주의한다.
여러 주파수 채널을 쓰는 경우, 서로 간섭이 없이 내보낼 수 있도록 주의한다.
수신부 Rx (Receiver)
•
•
•
•
–
공기중에 전자파를 쏘고 받아서 무언가 신호를 교류한다는 것 자체가 모두 유사한 시스템으
로 구성된다
송신단에서 날아온 미약한 신호를 키워야 하므로 많은 증폭이 필요하다.
공기중에서 타고들어오는 많은 잡음들을 최대한 억제해야 한다.
여러 주파수 채널을 쓰는 경우, 원하는 채널만 정확하게 골라내어야 한다.
외부에서 잡스런 주파수 성분이 들어오는 것을 막거나 걸러내야 한다.
아날로그 RF부의 의무와 목적
•
•
•
•
•
베이스밴드단에서 만들어진 의미있는 전송신호를 고주파 신호로 변환하여
적절한 전력으로 증폭하여 남에게 간섭없이 전송하고,
공기중의 각종 잡음과 남의신호 중에서 원하는 주파수대역만 걸러내어 수신한 후
잡음을 최소화하면서 미약한 신호를 증폭하여 쓸 만한 크기로 만들어서
베이스밴드 주파수로 낮추어서 실제 신호를 복구해낸다.
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RF system의 이해 part 2
RF송수신 시스템의 이해
•
Image frequency
–
mixer를 논할 때 Image frequency란
말이 자주 나오는 것을 볼 수 있다.
Image frequency는 말 그대로 상상의
주파수 혹은 거울처럼 반사된 주파수
라고 해석
–
mixer를 통과하면 합과 차의 출력이 나
오기 때문에, 결과적으로 출력단에는
LO주파수 양쪽에 대칭형으로 합과 차
가 존재
–
결국 mixing을 하면 항상 대칭형으로
나오기 때문에, 믹서에 집어넣기 전의
저주파 신호에서는 마치 -대역에 반대
의 주파수가 존재하는 것처럼 가정할
수 있다.
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RF system의 이해 part 2
RF송수신 시스템의 이해
•
Image frequency
–
정상적인 수신부의 다운믹싱(down
mixing : 주파수하향변환)
–
LO주파수에서 IF주파수 만큼 아래로
떨어진 지역에 f3라는 주파수 입력이
존재하는 상황
–
성분 f3은 원래 원하는 정보가 담긴
신호의 캐리어주파수가 아니다.
–
image filter 혹은 image reject filter는
image frequency유입을 차단
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RF system의 이해 part 2
RF송수신 시스템의 이해
•
–
–
–
–
–
RF 수신부(Rx)
– RF local oscillator (RF LO, RF 국부발진
기)
Antenna (안테나)
– Phase Locked Loop (PLL, 위상고정루프)
Band select filter (대역선택 필터)
Low Noise Amplifier (LNA, 저잡음 증폭 – Channel select filter (채널선택 필터)
– IF amplifier (IF 증폭기)
기)
– IF down mixer (IF -> 기저대역 하향변
Image reject filter (이미지 제거필터)
환 혼합기)
RF down mixer (RF -> IF 하향변환 혼합
– IF local oscillator (IF LO, IF 국부발진기)
기)
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RF system의 이해 part 2
RF송수신 시스템의 이해
•
RF 송신부(Tx)
– Drive amplifier (DA, 구동증픅기)
– Band select filter (대역선택 필터)
– Power amplifier (PA, 전력증폭기)
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– Isolator (아이솔레이터)
– Band select filter (대역선택 필터)
– Antenna
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RF system의 이해 part 2
RF송수신 시스템의 이해
• Direct Conversion
– IF를 사용하면 단가가 증가하는 단점이 있지만 그에 비해서 성능
적으로 얻을 수 있는 이점이 있다. Ex 선택도, 안정도, 민감도 등
– 하지만 단가부담 및 시스템 복잡성 문제 때문에 IF를 없애는 시
도가 되고 있다. -> Direct Conversion (Zero – IF)
– 시스템이 간단해지고 one-chip화 되며 단가를 낮출 수 있다
– 단점 : 발진문제, 선택도 문제, mixer의 역할부담, DC offset
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RF system의 이해 part 2
RF송수신 시스템의 이해
• Direct Conversion
– RF주파수를 바로 베이스밴드로 내리다 보면 RF주파수와 LO주파
수가 같게 된다
– LNA를 거쳐서 증폭된 LO leakage신호가 mixer에서 진짜 LO주파
수랑 mixing되어 의미 없는 DC 신호성분이 출력된다
– 외부에서 다른 주파수의 강한 신호가 들어오면, LO path에
leakage를 일으켜서 mixer에서 신호끼리 혼성되어 또다른 DC
offset 성분을 만들 수도 있다
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RF system의 이해 part 2
RF송수신 시스템의 이해
• IF는 어떻게 결정되는가?
– IF 주파수를 얼마로 쓸지를 고민하는 경우는 많지 않다
– 통신시스템 마다 주로 사용하는 IF는 정해져 있기 때문
– 하지만 어떤 기준으로 특정한 IF주파수가 선정되는지 알아보는
것은 의미가 있다
특성
IF 가 높을때
IF 가 낮을때
선택도
보다 높은 Q값의 BPF로 채널을 선택해야 하므 Q값이 낮은 필터로 채널선택을 할 수 있으므
로 나빠짐
로 좋아짐
민감도
잡신호 제거가 쉬워서 민감도가 좋아짐
영상주파수
잡신호 제거가 어려워서 민감도가 나빠짐
영상주파수가 RF신호와 멀리 떨어짐으로써 제 영상주파수가 RF 근처에 발생해서 완벽히 제
거하기가 쉬움
거하기 어려움
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RF system의 이해 part 2
RF송수신 시스템의 이해
•
IF는 어떻게 결정되는가?
–
–
–
–
IF주파수가 낮을수록 채널필터의 Q값요구가
작아지기 때문에 더 좋은 선택도를 구현하기
가 쉽다
선택도와 주파수간섭문제는 정반대의 trade
off 특성을 갖고 있기 때문에 적절한 IF주파수
를 골라야 한다.
이 문제를 해결하기 위해 사용하는 방법이
double conversion 방식이다.
일반적으로 권장되는 IF주파수와 그 주파수 주
요용도 ->
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Common IF frequency
IF 주파수
주요 이용용도
455 kHz
일반장비
10.7 MHz
일반 수신기
21.4 MHz
고성능 수신기
45 MHz
TV, 셀룰러폰
70 MHz
위성 TV, 군사용
160 MHz
위성장비
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RF system의 이해 part 2
RF송수신 시스템의 이해
• LO주파수의 위치?
– 이미지 필터의 위치 문제, 하모닉이 겹치는 문제, 부품수급과 가
격문제, LO leakage, spurious 제거와 image rejection의 용이함
등이 주요 결정 기준이 된다
변환방식
장점
단점
- spurious 해결이 쉬움
HSLO 상향변환 - 구조가 간단해서 가격이 싸고 쉽다
- image 성분을 제거하기가 쉽다
- Dynamic range가 줄어든다
- energy distortion이 생긴다
- IMD의 영향을 많이 받는다
LSLO 상향변환 - IF/image rejection이 잘 된다
- 안테나로의 leakage의 우려가 있다
- IF 주파수를 높게 잡아야 한다
HSLO 하향변환 - LO와 RF 하모닉의 영향이 거의 없다
- image rejection이 필요하다
- 결국 수신기가 복잡해진다
LSLO 하향변환 - HSLO와 비슷한 장점을 가진다
- HSLO와 비슷한 단점을 가진다.
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RF system의 이해 part 2
RF송수신 시스템의 이해
• RF의 매력
– 먼저 시스템을 이해하면 부품의 어떤 기능이 필요해지는지 알
수 있고, 부품의 특성수준을 이해하면 시스템이 구현가능한 성능
을 짐작할 수도 있는 법!
– IF의 단점은 성능상의 단점보다는 대부분 돈문제와 size문제, 복
잡성 문제로 귀결된다. 하지만 반대급부로 성능상의 장점이 크다
는 점도 잘 기억해둘 필요가 있으며, 그와 더불어 direct
conversion의 태생과 사용이유를 이해하는 것도 중요하다.
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제 3장 선형성 정복
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Harmonic은 왜 생기나?
• Harmonic(고조파)의 정의
– 원천주파수(Fundamental Frequency)의 배수 주파수 성분을 말
한다. (Ex. 1.2GHz의 Harmonic 주파수는 2.4GHz, 3.6GHz, 4.8GHz...)
• 생활속의 사례
– 주파수(frequency)를 가지고 있는 어떤 주기적 성분은 그 주파수
가 2배, 3배, 4배 쯤 되는 지점에서 무엇인가 유사한 특성을 가지
게 된다
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Harmonic은 왜 생기나?
• 공진을 통한 선형 Harmonic의 이해
– 네모난 사각 금속상자안에 AC 신호를 sweep시
키면 그 육면체의 각 변의 길이에 맞게 공진이
발생하고 주기적으로 S21이 집중되면서 점점
작아지는 것을 볼 수 있다.
– cavity의 공진원리는 반 파장길이와 직접적인 관
련이 있다. 한 주기의 sine 파형의 180도의 위상
차를 가진 반 파장 길이는 중요한 의미를 갖고
있다
– harmonic 주파수가 올라갈수록 한 구조물에서
여러파장을 갖고 공진하게 되기 때문에 loss도
증가하여 반파장에서 공진하는 mode 1보다 에
너지가 약해지게 된다
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Harmonic은 왜 생기나?
• Nonlinear Harmonic Generation (비선형 하모닉 생성)
– 선형성이 중요한 이유는 시스템이 비선형적이기 때문이다
– 우리가 주로 관심을 가져야 할 것은 바로 비선형 소자의
harmonic generation이다
– 원하지 않는 비선형 소자의 harmonic들은 시스템적으로 선형성
을 깨뜨리는 source가 된다.
– Mixer나 Freuquency Doubler/Multiplier 에 있어서는 주요한 주
파수변환의 source가 되기도 한다.
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Harmonic은 왜 생기나?
• 비선형 소자는 왜 harmonic을 생성하는가?
– Transistor와 Diode를 비선형소자라고 부를까? 그 이유는 입출력
전류/전압 특성이 비선형적이기 때문이다
– 선형소자, 비선형소자라고 부르는 것은 바로 이런 입출력 특성
때문인데 비선형소자는 내부의 반도체소자 물성과 접합의 문제
로 인해 이러한 비선형적인 특성을 가지게 된다.
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Harmonic은 왜 생기나?
• 비선형 소자는 왜 harmonic을 생성하는가?
– 상수항 (Constant : Zero order)
• DC term을 의미
– 1승째 항(First order)
• 주파수 출력, Fundamental Frequency
– 2승째 항(Second orher)
• 2ω, 2배 주파수에 해당하는 Harmonic성분
– 3승째 항(Third orher)
• cosωt의 Fundamental Freq 성분과 cos3ωt의 Harmonic성분
– 비선형 소자를 통과하고 나면 위와 같이 원래 주파수의 배수에 해당되
는 harmonic 성분들이 튀어나온다는 사실!!
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Intermodulation의 정체
• Intermodulation(혼변조)의 정의
– 비선형 소자를 통한 RF신호처리 과정에서, 두 개의 다른 입력 주
파수신호의 harmonic 주파수들끼리의 합과 차로 조합된 출력주
파수 성분이 나오는 현상
– 두 개 이상의 주파수 신호가 동시에 처리될 때 나타나는 현상
– IMD(Intermodulation Distortion)
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Intermodulation의 정체
• Harmonic을 제거하고파..
– BPF를 통해 Harmonic성분
제거
– 하지만 BPF two-tone신호의
Harmonic을 제거했어도 제
거되지 않은 것!
– 바로 intermodulation 중에
서 제거하기 힘든 3rd IMD
(IM3)입니다.
– BPF로 신호를 제거해도 원
신호에 가까이 붙어있어서
잘 제거 되지 않는다.
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Intermodulation의 정체
• 선형/비선형 시스템의 차이
– 두 개의 다른 주파수 신호가
섞여도 완벽히 구분되는 시스
템 ->선형 시스템/회로
– 각각의 주파수 신호 harmonic
출력 뿐만 아니라 임의의 신호
들을 부가적으로 출력되는 시
스템 -> 비선형 시스템/회로
– 비선형 시스템 출력 = 지저분!
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Intermodulation의 정체
• Intermodulation의 발생 원리
– intermodulation이 발생하는 원리는 결국 수학적으로 분석할 수
밖에 없다
– 입력에 두 개의 주파수 신호 ω1 과 ω2가 동시에 들어간다고 가
정하고 계산하고 x가 입력이라고 생각하고 y를 출력식으로 계산
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Intermodulation의 정체
• Intermodulation의 발생 원리
– 2승째 항 (Second order)
- 정상적인 Harmonic 주파수
- 2승항에서 발생한 Intermodulation 주파수
– 3승째 항 (Thrid order)
- 3승항에서 발생한 Intermodulation
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Intermodulation의 정체
• Thrid Order IMD의 괴로움
– Third order(3rd)의 의미는, 비선형 출력단의 3승항에서 나왔다는
의미입니다. 즉 3rd IMD란
의 IMD
주파수 성분을 의미
– Intermodulation 계산에서 보여진 출력주파수들을 정리
비선형 출력 주파수 종류
출력주파수 (단위 : MHz)
fundamental
890, 900
harmonic
1780 (2*890), 1800 (2*900),
2670 (3*890), 2700 (3*900)
2nd Intermodulation
1790 (890 + 900), 10 (900 - 890)
3rd Intermodulation
2680 (2*890 + 900), 2690 (890 + 2*900)
880 (2*890 - 900), 910 (2*900 - 890 )
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선형성이 뭐길래?
• 선형 시스템의 기본정의
– 선형적이란 것은 어떤 성질이 변하는데 그 변수가 1차원적이다,
즉 어떤 신호에 기울기만 곱한 형태와 같다는 것
– 직선적인 어떤 변화의 양상을 가진다는 것은 초기값만으로 그
변화가 쉽게 유추가 가능하다는 의미
– 두 신호 사이에는 어떤 연관관계도 발생하지 않는다는 것이다.
– 이것이 바로 선형성이 실제적으로 의미하는 가장 중요한 테마이
다
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선형성이 뭐길래?
• 선형성은 왜 중요한가?
– 모든 RF시스템은 비선형적이기 때문이다!
• 서로 한정된 자기 주파수 내에서만 동작하면서 다른 주파수 신호를
방해해서는 안되며, 방해 받아도 안된다.
– 디지털 통신에서 선형성이 더 강조되는 이유?
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선형성이 뭐길래?
• 선형성이 왜 중요한가?
• 선형성이 나타내는 궁극적인 의미
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ByungJoo Kang
감사합니다!
•Q&A
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선형성을
정복 못하
면!!
너희들은
오늘 살아
갈
자격이 없
다!!