This paper presents a continuous phase phase-shift keying (CP-PSK) modulation scheme and a novel quadrature modulation transmitter architecture. Thanks to the characteristic of the smooth and continuous phase shift, the proposed CP-PSK modulation scheme can be generated by the indirect modulation transmitter. The proposed quadrature modulation architecture consists of only two frequency synthesizers, thereby reducing the RF and analog components such as RF mixers and analog filters. Simulation results show that the bit error rate (BER) and the spectral efficiency of the proposed methods are close to those of conventional quadrature modulation schemes. The quadrature modulation transmitter can be implemented fully digitally through the proposed architecture if the all digital frequency synthesizers are used.
19세기 말 무선 통신이 시작된 이래로 지난 100여년 간 무선 통신은 끊임없는 발전을 거듭해왔으며 많은 무선 통신 표준들이 제시되고 소멸되기를 반복해왔다. 최근엔 네트워크 응용 분야와 자동 제어 및 감시 분야에서의 잠재적인 가능성 때문에 근거리 무선 통신이 각광을 받고 있다. 무선랜, 블루투스, 지그비, 울트라와이드밴드 등으로 대표되는 근거리 무선 통신은 각각의 표준이 요구하는 데이터 전송 속도라든지 데이터 변조 방식이 다르다. 이 때문에 이런 여러가지의 표준을 모두 만족시킬 수 있는 최적의 송수신기를 개발한다는 것은 매우 도전적인 과제이다.
무선 송수신기를 개발하는데 있어서 고려해야 할 점은 통신 표준 뿐만이 아니다. 최근에 디지털 CMOS 공정이 발달하여 나노 단위의 공정에 접어 듦에 에 따라 아날로그 회로를 디지털 신호 처리를 통해서 구현하려는 경향이 커지고 있다. RF 송신기(transmitter)의 경우도 이 경향에 예외는 아니다. 주로 아날로그나 RF 구성요소와 같은 비디지털 소자로 이뤄졌던 RF 송신기 회로 역시 이런 경향을 따라서, 각 기능을 디지털 적으로 구현하려는 노력이 계속되고 있다. 폐루프 간접 변조화 송신기(closed-loop indirectly modulation) 구조의 경우, 프랙셔널-N 주파수 합성기(fractional-N frequency synthesizer)의 특성을 이용하였다. 이 구조들의 경우, RF 혼합기(mixer) 없이도 기저대역(baseband)의 신호를 RF 대역으로 바로 변환시켜줄 수 있다. 또한, 이 구조는 지금까지 연구된 많은 기법을 이용하여 높은 데이터 전송률도 지원할 수 있게 되었다. 최근에 TI 사에 의해서 폐루프 간접 변조화 송신기는 디지털 요소만을 이용하여 구현되었다. 하지만 위의 송신기 구조들은 최종 출력이 연속 위상 신호를 출력하는 전압제어 발진기로부터 나오기 때문에 출력할 수 있는 변조 방식에 제한이 있다. 예를 들면 직교 위상천이 변조(QPSK)와 같은 불연속 위상 변조 방식은 출력할 수 없다. 본 논문에서는 이런 문제점을 해결하기 위해서 위상천이변조를 연속적인 위상 신호로 구현한 연속적 위상 위상천이 변조 방식과 새로운 구조의 직교 변조 송신기 구조를 제안 하였다. 먼저 연속적 위상 위상천이 변조 방식에 대해 알아보자. 연속적 위상 위상천이 변조 방식(이하 CP-PSK)의 기본 원리는 주파수 변화의 일정 시간에 대한 적분이 위상 변화량이라는 것이다. 일반적인 PSK 신호가 신호의 위상을 순간적으로 급격하게 변화시키는데 반해, CP-PSK는 데이터 주기의 일정 시간 동안 캐리어 신호의 주파수를 증가시킴으로 인해 점진적인 위상 변화를 한다. 따라서 본 제안된 위상천이 변조 방식은 주파수 합성기를 이용한 폐루프 간접 변조 송신기에 의해서도 만들어질 수 있다. 시뮬레이션을 통해 위상 변화에 걸리는 시간이 데이터 주기의 1/10 이하정도만 되면 성능 저하가 거의 없음을 확인할 수 있었다. 다음으로, 새로운 구조의 직교 변조 송신기 구조에 대해 알아보자. 새로운 구조의 직교 변조 송신기는 기본의 직교 변조 송신기에서 아날로그 필터, 혼합기, 디지털-아날로그-변환기(DAC) 등으로 이루어져있던 I, Q 단자를 간접 변조 송신기 두개로 대체하였다. 따라서 아날로그 회로의 수를 줄였으며, 간접 변조 송신기가 디지털적으로 구현된다면 모든 회로가 디지털적인 직교 변조 송신기의 구현이 가능하다. 본 논문에서는 제안된 송신기의 구조와 실제로 신호를 출력해 내는 동작을 수학적 기법과 성상도(constellation) 상에서의 위상 변화 궤적을 이용하여 분석하였으며, 제안한 송신기의 성능(주파수 효율, 비트에러율)을 시뮬레이션을 통해서 검증하였다. 또, 실제로 직교 변조 송신기를 구현할 때 생길 수 있는 I, Q 부정합 효과, 제한된 전원 전압 등과 같은 문제에 대해서도 고찰하였다.
제안한 직교 변조 송신기의 장점에 대해서 정리해보면 제안한 직교 변조 송신기는 혼합기와 아날로그 필터 등의 아날로그 회로를 줄였음에도 기존의 직교 변조 송신기에 뒤지지 않는 성능을 낼 수 있다.
