본 논문에서는 Zero-Crossing 복조기에 적합한 88MHz에서 108MHz 대역 FM 라디오 수신기를 $0.5{\mu}m$CMOS 공정을 이용하여 설계 및 제작하였다. 본 수신기는 Low-IF 구조를 기초로 설계되었으며, Low-Noise Amplifier (LNA), Down-Conversion Mixer, Phase locked loop (PLL), Low-pass filter (LPF), 비교기를 포함하는 RF/Analog 집적회로로 개발되었다. 측정결과 LNA와 Mixer를 포함하는 RF Block은 23.2dB의 변환 이득과 입력 PldB는 -14dBm였고 전체 잡음지수는 15 dB로 나타났다. IF단 LPF와 비교기를 포함하는 Analog Block은 89dB 이상의 전압 이득을 가지고, IC내부의 레지스터를 제어하여 600KHz에서 1.3MHz까지 100KHz 단위로 Passband 대역를 조절할 수 있도록 설계되었다. 설계된 수신기는 4.5V에서 동작하며, 전체 전류 소모는 15.3 mA로 68.85mW의 전력을 소모한다. 실험결과 성공적으로 FM 라디오 신호를 수신할 수 있었다.
본 논문에서는 Zero-Crossing 복조기에 적합한 88MHz에서 108MHz 대역 FM 라디오 수신기를 $0.5{\mu}m$ CMOS 공정을 이용하여 설계 및 제작하였다. 본 수신기는 Low-IF 구조를 기초로 설계되었으며, Low-Noise Amplifier (LNA), Down-Conversion Mixer, Phase locked loop (PLL), Low-pass filter (LPF), 비교기를 포함하는 RF/Analog 집적회로로 개발되었다. 측정결과 LNA와 Mixer를 포함하는 RF Block은 23.2dB의 변환 이득과 입력 PldB는 -14dBm였고 전체 잡음지수는 15 dB로 나타났다. IF단 LPF와 비교기를 포함하는 Analog Block은 89dB 이상의 전압 이득을 가지고, IC내부의 레지스터를 제어하여 600KHz에서 1.3MHz까지 100KHz 단위로 Passband 대역를 조절할 수 있도록 설계되었다. 설계된 수신기는 4.5V에서 동작하며, 전체 전류 소모는 15.3 mA로 68.85mW의 전력을 소모한다. 실험결과 성공적으로 FM 라디오 신호를 수신할 수 있었다.
In this paper, a FM radio receiver integrated circuit has been developed based on $0.5{\mu}m$ CMOS process for Zero-Crossing FM demodulator over the 88MHz to 108MHz band. The receiver is designed with the low-IF architecture, and includes Low Noise Amplifier(LNA), Down-Conversion Mixer, P...
In this paper, a FM radio receiver integrated circuit has been developed based on $0.5{\mu}m$ CMOS process for Zero-Crossing FM demodulator over the 88MHz to 108MHz band. The receiver is designed with the low-IF architecture, and includes Low Noise Amplifier(LNA), Down-Conversion Mixer, Phase Locked Loop(PLL), IF LPF, and a comparator. The measured results of the LNA and Mixer show that the conversion gain of 23.2 dB, the input PldB of -14 dBm, and the noise figure of 15 dB. The measured analog block of the LPF and comparator show the voltage gain of over 89 dB, and the IF LPF can configure the passband from 600KHz to 1.3MHz with 100KHz step through the internal control register banks. The designed FM radio receiver operates at 4.5V with the total current consumption of 15.3mA, so the total power consumption is about 68.85mW. The commercial FM radio has been successfully received.
In this paper, a FM radio receiver integrated circuit has been developed based on $0.5{\mu}m$ CMOS process for Zero-Crossing FM demodulator over the 88MHz to 108MHz band. The receiver is designed with the low-IF architecture, and includes Low Noise Amplifier(LNA), Down-Conversion Mixer, Phase Locked Loop(PLL), IF LPF, and a comparator. The measured results of the LNA and Mixer show that the conversion gain of 23.2 dB, the input PldB of -14 dBm, and the noise figure of 15 dB. The measured analog block of the LPF and comparator show the voltage gain of over 89 dB, and the IF LPF can configure the passband from 600KHz to 1.3MHz with 100KHz step through the internal control register banks. The designed FM radio receiver operates at 4.5V with the total current consumption of 15.3mA, so the total power consumption is about 68.85mW. The commercial FM radio has been successfully received.
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문제 정의
(3) 그리고 FM 라디오는 200kHz대역으로 채널이 나누어져 있어서 Intermediate Frequency (IF) 를 수 MHz 가 되게설계하면, 원하는 채널에 다른 채널의 신호가 image신호와 간섭을 일으킨다. 본 논문에서는 이러한 Image 간섭을 회피하기 위해 IF를 200KHZ가 되게 설계하여 image 문제를 간접적으로 해결하였다. 이러한 방식이가능한 것은 FM 라디오 방송이 한 지역 내에 인접 채널로 방송 신호를 송출하는 경우가 없기 때문이다.
제안 방법
연속시간 필터에는 Gm-C 필터와 active-RC 필터가 있다. Active-RC 필터는 연산증폭기를 closed-loop로 feed我k하여 사용하기 때문에 Gm-C 필터와 비교하여 고주파 동작이 어렵지만, 높은 선형성을 가지고 있다国 본 논문에서는 수백 KHz의낮은 IF 대역에서 신호를 처리하므로 active-RC 형태의 필터구조로 설계하였다. 설계된 LPF의 아날로그 채널 선택은 5차 Chebyshev 형태를 갖고 있으며, 그림 4.
Active Mixer는 선형성은 좋지 않으나,이득을 얻을 수 있기 때문에, 전체 시스템의 잡음 지수를 줄이고, 수신기의 수신감도를 높일 수 있는 장점이있다. LNA와 마찬가지로 공통모드 제거를 위해 인덕터를 사용하였고, mixer 출력단의 DC값은 다음 블록인 LPF 차동 입력의 공동모드 DC값과 같도록 설계하였다.
선택하였다. Zero-Crossing 방식을 이용하는 경우 대부분의 신호처리가 디지털 회로로 처리할 수 있기 때문에 RF/아날로그 회로가 간단해지고 저전력으로 특성을 구현할 수 있다(2) 이를 위해 본 논문에서는 88MHz에서 108MH대역에서 동작하는 Low-IF 구조의 FM 라디오 방송 수신용 집적회로를 0.5㎛ CMOS 공정을 이용하여 개발 하였다.
이 counter의 zero-crossingse] 비율은 순간 주파수와 같다. 따라서 Counter가 zero-crossing을 잘 구분 하여 셀 수 있도록 RF/Analog Block을 통하여 펄스 신호를 디지털 블록으로 전달도록 설계하였다. 최종 펄스 신호는 수신기에필터로 출력된 FM 신호를 높은 이득을 가진 비교기를거쳐 포화시키면 만들었으며, 펄스 신호로 변형된 FM 신호는 Pulse Width Modulation (PWM)형태의 신호로디지털 블록에 전달된다.
이러한 방식이가능한 것은 FM 라디오 방송이 한 지역 내에 인접 채널로 방송 신호를 송출하는 경우가 없기 때문이다. 따라서 image rejection을 위한 회로는 추가하지 않고, FM 라디오 RF 신호를 I/Q 채널로 나주지 않고 단일 Path의 Low IF신호로 Down conversion하여, 수신기를 단순화하고 전력 소모를 최소화 하였다.
본 설계에서는 LNA 입력 단에 broadband conjugate input matching을 통하여 88MHz에서 108MHz까지의 대역을통과하도록 하였고, 이 대역에서 최대 이득을 가지도록설계하였다. 또한 LNA와 Mixer의 Device 크기를 충분히 크게 하여, 잡음의 영향이 적도록 설계하였다. LNA 는 완전 차동 케스코드 구조로 설계되었으며, common mode 제거를 위해 인덕터를 사용하였다.
본 논문에서는 88MHz ~ 108MHz 대역의 FM 수신기를 0.5/an CMOS 공정으로 구현하였다. 여러 복조방법 중, Zero-Crossing 복조기에 적합하도록 설계된본 수신기는 LNA, Mixer, 주파수 합성기, LPF, 비교기와 같은 최소한의 RF/Analog 블록으로 구성되어 있으며, 단일 path의 Low-IF 구조로 제작되었다 .
잡음지수는 낮게 설계하여야 한다'山. 본 설계에서는 LNA 입력 단에 broadband conjugate input matching을 통하여 88MHz에서 108MHz까지의 대역을통과하도록 하였고, 이 대역에서 최대 이득을 가지도록설계하였다. 또한 LNA와 Mixer의 Device 크기를 충분히 크게 하여, 잡음의 영향이 적도록 설계하였다.
LPF는 600KHz 에서 1300K田까지 lOOKHz 단위로통과대역을 내부 레지스터로 조절할 수 있으며, 억압대역 감쇄 특성은 40dB 이상이다. 비교기는 70dB 이상의높은 이득으로, 입력 신호를 펄스 신호로 만들어, zero-crossing을 검출하는데 적합하게 설계하였다. 제작된 칩은 동작 전압 4.
설계된 LPF의 아날로그 채널 선택은 5차 Chebyshev 형태를 갖고 있으며, 그림 4. 에서 보이는 것과 같이 캐패시터와 저항을 가변 할 수있도록 설계하여, 필터의 cut-off frequency와 이득을설정할 수 있도록 하였다. Dynamic range를 최대화하고 신호의 왜곡성분을 줄이기 위해 각 연산증폭기 출력의 최대 진폭을 모두 같도록 설계하였다⑸
(a) 는 신호의 정지화면을 나타낸 것이고, (b)는 IF를 중심으로 주파수가 계속 변화되는 신호를 나타낸 것이다. 이 신호의 주파수 특성을 알아보고, 라디오 신호가 제대로 복원 되는지 알아보기 위해, FM 복조가 가능한스펙트럼 분석기를 이용하여 라디오를 재생해 보았다. 결과는 그림 12.
따라서 입력 저항성분의 4배 정도의 load 저항을 이용하여 dynamic range 와 잡음지수에 영향이 최소가 되도록 하였다 LNA의출력 신호는 임피던스가 낮은 쪽으로 전달되는데, 기생캐패시턴스의 영향으로 Mixer의 입력단이 아닌 접지쪽으로 신호가 전달될 수 있다. 이것을 방지하기 위해, LNA의 출력단에 병렬로 인덕터를 연결하여 기생 캐패시턴스의 영향이 상쇄되도록 설계하였다.
최종 펄스 신호는 수신기에필터로 출력된 FM 신호를 높은 이득을 가진 비교기를거쳐 포화시키면 만들었으며, 펄스 신호로 변형된 FM 신호는 Pulse Width Modulation (PWM)형태의 신호로디지털 블록에 전달된다. 이러한 간단한 수신 방식을채택하여 수신기의 RF/Analog 블록을 최소화하여 설계하였다. 그림 1에서와 같이 본 논문의 수신기는 저잡음증폭기 (LNA), 하향주파수 변환기 (Down Mixer), 국부발진기를 위한 PLL, 그리고 IF 필터 와 비교기로 이루어져 있다.
3dB이고, 입력 PldB 전력은 -14dBm이다. 잡음지수는 LNA의 입력 단과 Mixer의 출력 단에 Ferrite Core 변환기를 이용하여 차동신호를 단일 신호로 변환하여 측정하였다. 그 결과 15dB의 잡음 지수를 얻을 수 있었다.
차동 입력 신호의 미세한 차이에도 신호의 비교된 출력을 낼 수 있도록 하기 위해 높은 이득을 가지는 비교기를 설계하였다. 그림 5.
이론/모형
본 논문에서는 간단한 디지털 신호처리로 FM 복조가 가능한 Zero-Crossing 복조방식을 선택하였다. Zero-Crossing 방식을 이용하는 경우 대부분의 신호처리가 디지털 회로로 처리할 수 있기 때문에 RF/아날로그 회로가 간단해지고 저전력으로 특성을 구현할 수 있다(2) 이를 위해 본 논문에서는 88MHz에서 108MH대역에서 동작하는 Low-IF 구조의 FM 라디오 방송 수신용 집적회로를 0.
본 논문의 수신기의 특징은 DC-offset과 1/f noise를최소화 할 수 있는 Low-IF 구조를 채택하였다.(3) 그리고 FM 라디오는 200kHz대역으로 채널이 나누어져 있어서 Intermediate Frequency (IF) 를 수 MHz 가 되게설계하면, 원하는 채널에 다른 채널의 신호가 image신호와 간섭을 일으킨다.
성능/효과
여러 복조방법 중, Zero-Crossing 복조기에 적합하도록 설계된본 수신기는 LNA, Mixer, 주파수 합성기, LPF, 비교기와 같은 최소한의 RF/Analog 블록으로 구성되어 있으며, 단일 path의 Low-IF 구조로 제작되었다 .FM 신호는 수신감도가 낮기 때문에 수신기에 높은 이득을 요구함으로 본 논문의 수신기는 전체 최대 llOdB 이상의전압이득을 가진다. LNA와 Mixer의 잡음 지수는 전체대역에서 최대 15dB이며, 입력 PldB는 -14dBm이다.
비교기는 70dB 이상의높은 이득으로, 입력 신호를 펄스 신호로 만들어, zero-crossing을 검출하는데 적합하게 설계하였다. 제작된 칩은 동작 전압 4.5V에서 15.3mA의 DC 전류를 소모하여 전체 전력 소모는 68.85mW로 측정되었다.
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황진홍, 유창식, "SDR을 위한 광대역 주파수가변 active-RC 채널 선택 필터", 텔레콤, 제 21권, 제 2호, 91-99쪽, 2006년 2월.
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PHILIPS, "Single standard multimedia IF-PLL and FM radio domodulator Datasheet," TDA9809M datasheet, Jan. 1998.
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