선형적인 RF 송신기 설계에 대한 연구

Abstract

무선 통신 시스템이 발달하면서 제한된 대역폭 내에서 더 많은 정보를 전달하기 위한 기술 개발이 계속 되고 있다. 그에 따라 선형적인 송신기의 설계가 요구 되었고 이를 위한 노력이 계속되고 있다. 본 논문에서는 차세대 무선 통신 시스템을 위한 선형적인 송신기 설계에 관해 소개한다.첫째로, 송신기의 한 부분인 주파수 혼합기를 선형적으로 설계하는 방법을 소개한다. 무선통신을 하기 위해서는 저주파의 신호를 고주파의 신호로 변환해주어야 하는데 이러한 역할을 하는 것이 주파수 혼합기이고 그 중에서 많이 사용하는 것은 길버트 혼합기이다. 그러나 길버트 혼합기는 비선형 성분이 많이 생긴다는 단점을 갖고 있으므로 문제가 된다. 따라서 이를 선형화하기 위해 부귀환 회로를 이용해 선형화 하는 방법을 소개하고 이를 분석 한다. 상기 제안된 구조로 부터 주파수 변환기는 OIP3가 10dBm으로 측정 되었으며, 이 값은 기존의 길버트 주파수 변환기에 비해 8.85dB 향상된 값이다. 이때, 칩의 크기는 패드를 포함하여 0.78mm^2이고, 정상동작 시 11.7mW의 전력을 소모한다.둘째로, 다양한 이동통신 표준을 하나의 칩으로 만족하기 위해 디지털 신호 처리를 기반으로 한 RF DAC를 소개한다. 공정의 발달로 집적도가 높아짐에 따라 공급전압이 낮아지고 추가적인 레이어 마스크를 요구되면서 가격도 비싸져 아날로그 회로 설계에 많은 제한점들이 생기고 있는 반면 집적도가 높고 공급전압이 낮아도 충분한 성능을 보장할 수 있는 디지털 회로 설계에 적합해 지고 있다. 따라서 앞으로의 기술의 흐름에 맞추어 디지털 회로를 기반으로 한 높은 선형성을 갖는 RF DAC를 소개한다.기존에는 디지털 아날로그 변환기를 이용해 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸고, 필터를 거친 뒤, 주파수 변환기를 이용하여 고주파의 출력 신호를 만들어 전송하였으나, RF DAC를 기반으로 한 송신기는 중간 단계를 모두 디지털로 처리하여, 디지털 신호를 바로 고주파의 출력 신호로 만들어 전송한다. 이렇게 함으로써 생산비용을 절감하고 전력소모를 줄일 수 있고 클럭을 변화 시켜서 다양한 이동통신의 표준을 하나의 칩으로 동작 가능하게 되었다. 또한 이번 설계에서는 델타 시그마 변조를 통해 적은 비트로 많은 비트를 표현하여 높은 신호 잡음비를 얻을 수 있었고 서로 다른 4가지 위상을 갖는 LO 신호를 이용하여 타이밍 노이즈를 제거한다. 뿐만 아니라, 기존 RF DAC에서도 I/Q 데이터를 각각 주파수 변환기를 사용하는데 제안된 RF DAC는 I/Q 데이터를 하나의 주파수 변환기로 디지털 동작을 하기 때문에 소자 수를 줄일 수 있었을 뿐만아니라 I/Q 데이터의 불일치도 줄 일 수 있었다. 이때, 칩의 크기는 1.48mm^2이고, 출력이 0dBm일 때, 107mW의 전력을 소모한다.본 논문에서 제시하는 선형적인 송신기 설계는 각 표준을 만족 시키며, 우수한 성능을 보여준다. 이러한 내용을 바탕으로 본 논문이 선형적인 송신기 설계에 큰 도움이 되기를 바란다.

As a wireless communication evolves, there has been many efforts to transmit more information in a limited bandwidth.Not only the phase information, in the recent wireless communication system, but also the amplitude information is modulated to increase the data rate with the limited bandwidth. The complex modulation scheme makes it hard to linearly transmit the signal through the transmitter chain so that a lot of research have done.This thesis focuses on design challenges of the linear transmitter for modern wireless communication systems.In Chapter 2, an analog Gilbert mixer with a Gm linearization circuit is presented for the traditional direct-up transmitter consisting of many analog blocks. The detailed circuit design for the linearization is described, analyzed and verified through the chip fabrication using TSMC 0.18um CMOS process. The measured results verify the effectiveness of the designed feedback linearization circuits and the linearized up-conversion mixer satisfies the linearity specification of the Mobile-WiMAX with the enough margin.In Chapter 3, the design of RF DAC for a highly linear system-independent transmitter architecture is introduced and designed to overcome the design constraints of analog circuit in deep sub-micron CMOS and to meet the specifications for the multi-band/multi-mode operations. It is fully reconfigurable and inherently operate multi-mode/multi-band by changing the clock frequency. Moreover, it is easily scaled with technology evolution, and the chip can be small size and low cost because no additional mask or layer is required and an integration with MODEM is possible for silicon SoC.Even at a low supply voltage, it presents a superior adjacent channel leakage ratio less than -65dBc at the band of interest. A high ENOB of 10.5b is realized with less complexity by the novel segmented Delta-Sigma modulation. In addition, a new digital I/Q modulator mixing I/Q signals together in a voltage domain reduces the number of elements compared to the conventional RF DAC reported in other publications. The RF output signal with a low jitter noise is obtained by adopting the jitter masking technique using the 4-phase LO signals.