RF system의 이해 - 선형성 등
The basic of RF
RF system의 이해 part 1
IF(중간주파수), 그 존재의 이유
– IF를 이해 할려면 RF전반에 대한 개념이 필요
– IF존재이유 깨닫는 것은 역으로 RF핵심요소들의 기능을 이해하는데 중요한 단서를 제공!
• 중간주파수 (IF : Intermediate Frequency)
– 베이스밴드 주파수와 Carrier 주파수간을 바로 변환하지 않고, 중간에 다른 주파수로 한번 변환한 후 다시 변환하는 구조를 사용
– IF가 도입되는 이유는 대부분 Receiver(수신단)
– 수신기를 기준하여 송신기도 만들어지게 되며 수퍼 헤테로다인 수신기라고 정의
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.
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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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 내용은 변하지 않는다!
• 신호를 실어 나르는 캐리어 주파수만 변하고 있는 것!!
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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 대역폭, 즉 Fractional bandwidth에 비례한다는 것
– BPF의 복잡도는 절대적인 대역폭이 아닌 상대적 대역폭이 중요!
– Circuit Q는 Fractional bandwidth의 역수
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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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IF(중간주파수), 그 존재의 이유
• 민감도 (Sensitivity)
– IF를 이용하면 민감도가 향상된다.
– RF 수신주파수나 임피던스의 변화에 대해서 실제 신호단인 베이스밴드 대역이 영향을 받지 않는다는 의미
– IF가 존재함으로써 일종의 격리효과(isolation)가 발생
– mixer변환과정에서 생기는 불필요한 주파수들을 잡기 위해 사용하는 image filter가 다른 주파수대역의 변동을 건너편에 전달하지 않게한다. 결국 임피던스 관계가 안정이 되고 격리되어서 생기는 민감도 향상
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IF(중간주파수), 그 존재의 이유
• 안정도(Stability)
– IF를 사용하면 시스템 발진에 대한 부담을 줄일 수 있다.
– RF 수신단에는 매우 작은 레벨의 신호가 들어오기 때문에 RF처리부에 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
RF system의 이해 part 1
IF(중간주파수), 그 존재의 이유
• 반복성 (Repeatability)
– IF를 사용하지 않는다면 고주파 RF단에 거의 모든 아날로그 신호처리기능이 몰리게 된다.
– IF단을 이용하고 동일한 IF주파수를 사용하면 이런 문제가 많이 향상된다.
– 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?
RF system의 이해 part 2
RF송수신 시스템의 이해
• RF부의 의무와 목표
• 공기중에 전자파를 쏘고 받아서 무언가 신호를 교류한다는 것 자체가 모두 유사한 시스템으로 구성된다
– 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)
• 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.
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 주파수라고 해석
– mixer를 통과하면 합과 차의 출력이 나오기 때문에, 결과적으로 출력단에는 LO주파수 양쪽에 대칭형으로 합과 차가 존재
– 결국 mixing을 하면 항상 대칭형으로 나오기 때문에, 믹서에 집어넣기 전의 저주파 신호에서는 마치 -대역에 반대의 주파수가 존재하는 것처럼 가정할 수 있다.
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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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RF송수신 시스템의 이해
• RF 수신부(Rx)
– Antenna (안테나)
– Band select filter (대역선택 필터)
– Low Noise Amplifier (LNA, 저잡음 증폭기)
– Image reject filter (이미지 제거필터)
– RF down mixer (RF -> IF 하향변환 혼합기)
– RF local oscillator (RF LO, RF 국부발진기)
– Phase Locked Loop (PLL, 위상고정루프)
– Channel select filter (채널선택 필터)
– IF amplifier (IF 증폭기)
– IF down mixer (IF -> 기저대역 하향변환 혼합기)
– IF local oscillator (IF LO, IF 국부발진기)
RF system의 이해 part 2
RF송수신 시스템의 이해
• RF 송신부(Tx)
– Drive amplifier (DA, 구동증픅기)
– Band select filter (대역선택 필터)
– Power amplifier (PA, 전력증폭기)
– Isolator (아이솔레이터)
– Band select filter (대역선택 필터)
– Antenna
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RF송수신 시스템의 이해
• Direct Conversion
– IF를 사용하면 단가가 증가하는 단점이 있지만 그에 비해서 성능적으로 얻을 수 있는 이점이 있다. Ex 선택도, 안정도, 민감도 등
– 하지만 단가부담 및 시스템 복잡성 문제 때문에 IF를 없애는 시도가 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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RF송수신 시스템의 이해
• Direct Conversion
– RF주파수를 바로 베이스밴드로 내리다 보면 RF주파수와 LO주파수가 같게 된다
– LNA를 거쳐서 증폭된 LO leakage신호가 mixer에서 진짜 LO주파수랑 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
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
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RF송수신 시스템의 이해
• IF는 어떻게 결정되는가?
– IF주파수가 낮을수록 채널필터의 Q값요구가 작아지기 때문에 더 좋은 선택도를 구현하기가 쉽다
– 선택도와 주파수간섭문제는 정반대의 trade off 특성을 갖고 있기 때문에 적절한 IF주파수를 골라야 한다.
– 이 문제를 해결하기 위해 사용하는 방법이 double conversion 방식이다.
– 일반적으로 권장되는 IF주파수와 그 주파수 주요용도 ->
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RF송수신 시스템의 이해
• LO주파수의 위치?
– 이미지 필터의 위치 문제, 하모닉이 겹치는 문제, 부품수급과 가격문제, LO leakage, spurious 제거와 image rejection의 용이함등이 주요 결정 기준이 된다
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 성능을 짐작할 수도 있는 법!
– IF의 단점은 성능상의 단점보다는 대부분 돈문제와 size문제, 복잡성 문제로 귀결된다. 하지만 반대급부로 성능상의 장점이 크다는 점도 잘 기억해둘 필요가 있으며, 그와 더불어 direct conversion의 태생과 사용이유를 이해하는 것도 중요하다.
The basic of RF
제 3장 선형성
Harmonic은 왜 생기나?
• Harmonic(고조파)의 정의
– 원천주파수(Fundamental Frequency)의 배수 주파수 성분을 말한다. (Ex. 1.2GHz의 Harmonic 주파수는 2.4GHz, 3.6GHz, 4.8GHz...)
• 생활속의 사례
– 주파수(frequency)를 가지고 있는 어떤 주기적 성분은 그 주파수가 2배, 3배, 4배 쯤 되는 지점에서 무엇인가 유사한 특성을 가지게 된다
Harmonic은 왜 생기나?
• 공진을 통한 선형 Harmonic의 이해
– 네모난 사각 금속상자안에 AC 신호를 sweep시키면 그 육면체의 각 변의 길이에 맞게 공진이 발생하고 주기적으로 S21이 집중되면서 점점 작아지는 것을 볼 수 있다.
– cavity의 공진원리는 반 파장길이와 직접적인 관련이 있다. 한 주기의 sine 파형의 180도의 위상차를 가진 반 파장 길이는 중요한 의미를 갖고 있다
– harmonic 주파수가 올라갈수록 한 구조물에서 여러파장을 갖고 공진하게 되기 때문에 loss도 증가하여 반파장에서 공진하는 mode 1보다 에너지가 약해지게 된다
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 선형성을 깨뜨리는 source가 된다.
– Mixer나 Freuquency Doubler/Multiplier 에 있어서는 주요한 주파수변환의 source가 되기도 한다.
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 문제로 인해 이러한 비선형적인 특성을 가지게 된다.
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 해당되는 harmonic 성분들이 튀어나온다는 사실!!
Intermodulation의 정체
• Intermodulation(혼변조)의 정의
– 비선형 소자를 통한 RF신호처리 과정에서, 두 개의 다른 입력 주파수신호의 harmonic 주파수들끼리의 합과 차로 조합된 출력주파수 성분이 나오는 현상
– 두 개 이상의 주파수 신호가 동시에 처리될 때 나타나는 현상
– IMD(Intermodulation Distortion)
Intermodulation의 정체
• Harmonic을 제거하고파..
– BPF를 통해 Harmonic성분제거
– 하지만 BPF two-tone신호의 Harmonic을 제거했어도 제거되지 않은 것!
– 바로 intermodulation 중에서 제거하기 힘든 3rd IMD (IM3)입니다.
– BPF로 신호를 제거해도 원신호에 가까이 붙어있어서 잘 제거 되지 않는다.
Intermodulation의 정체
• 선형/비선형 시스템의 차이
– 두 개의 다른 주파수 신호가 섞여도 완벽히 구분되는 시스템 ->선형 시스템/회로
– 각각의 주파수 신호 harmonic 출력 뿐만 아니라 임의의 신호들을 부가적으로 출력되는 시스템 -> 비선형 시스템/회로
– 비선형 시스템 출력 = 지저분!
Intermodulation의 정체
• Intermodulation의 발생 원리
– intermodulation이 발생하는 원리는 결국 수학적으로 분석할 수밖에 없다
– 입력에 두 개의 주파수 신호 ω1 과 ω2가 동시에 들어간다고 가정하고 계산하고 x가 입력이라고 생각하고 y를 출력식으로 계산
Intermodulation의 정체
• Intermodulation의 발생 원리
– 2승째 항 (Second order)
– 3승째 항 (Thrid order)
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
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 테마이다
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?
선형성이 뭐길래?
• 선형성이 왜 중요한가?
• 선형성이 나타내는 궁극적인 의미
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