위상동기회로

[管韻]

위상동기회로

주파수(frequency) 이해하기

위상동기회로(Phase-Locked Loop, PLL)은 입력 신호와 출력신호에서 되먹임된 신호와의 위상차를 이용해 출력신호를 제어하는 시스템을 말한다. 입력된 신호에 맞추어 출력 신호의 주파수 조절이 목적이다. 되먹임 루프 인 현재 출력 신호의 주파수 디바이더 결과와 입력된 신호와의 위상차를 검출하고, 검출된 위상차를 오차로 판단하여 오차가 줄도록 VCO의 입력전압을 조절함으로써 출력 주파수를 변경하도록 조절한다. 입력과 출력의 되먹임 위상차가 동기되면 위상 잠금이 되고, 잠금 상태가 유지되도록 입력에 대한 출력의 주파수를 조절한다.

입력과 출력의 주파수 차이는 결국 주파수 디바이더 N에 따라 달라진다. N의 배수에 따라, 출력신호의 주파수는 입력신호의 주파수의 N배가 된다. 대부분의 PLL에서 입력에 비해 출력의 주파수가 높게 발진한다.

무선신호를 처리하는 위상동기회로는 무선회로에서 사용하는 위상잠금 장치를 의미하며, 송신해온 신호의 위상을 동기시키는 위상동기루프회로를 말한다. 위상동기란 기준신호원에 관해 일정한 위상각에서 동작하도록 발진기 또는 주기신호발생기를 제어하는 것을 말한다.

위상동기루프는 디지털 피변조파의 동기복조, 코히어런트 반송파의 추적, 임계의 연장, 비트의 동기, 심벌의 동기 등에 사용된다. 위상동기는 입력과 출력을 독립적으로 수행할 수 있는 엘러스텍 스토어(ES: Elastic stroe)에 의해 전송로의 지연변동이나 흐트러짐에 따른 입력신호의 위상변동을 흡수해 특정한 시간위치에 입력신호의 프레임 위상을 맞추는 것을 말한다.

주파수 동기 제어방법 및 이를 수행하는 위상 동기 루프

본 발명은 주파수 동기 제어방법 및 이를 수행하는 위상 동기 루프를 개시한다. 위상 동기 루프에서의 본 발명에 의한 주파수 동기 제어방법은, 먼저, 입력된 기준 신호와 전압 제어 발진기간의 주파수차를 검출한다. 그 다음에, 검출된 주파수차를 제1 주파수 동기 범위내로 조정하여 주파수 동기를 유지한다. 그 다음에, 주파수차가 제1 주파수 동기 범위보다 넓은 제2 주파수 동기 범위내에 있는 한 주파수 동기를 계속 유지하는 것을 특징으로 한다.

주파수 동기 제어방법 및 이를 수행하는 위상 동기 루프

본 발명은 위상 동기 루프에서의 주파수 동기에 관한 것으로서, 특히 히스테리시스 개념을 이용한 주파수 동기 제어방법 및 이를 수행하는 위상 동기 루프에 관한 것이다.

위상 동기 루프(PLL:Phase-Locked Loop)는 통상 위상 비교기, 저역통과 필터 및 전압 제어 발진기(VCO:Voltage Controlled Oscillator)를 포함하며, 입력된 기준 신호의 주파수 및 위상과, 전압 제어 발진기의 발진 주파수 및 위상을 위상 비교기에 의해 비교하여 그 오차를 저감시키는 방향으로 전압 제어 발진기의 주파수를 변화시킨다. 이러한 위상 동기 루프는 또한, 기준 신호의 주파수를 인식하기 위해 주파수 검출기를 포함한다.

주파수 검출기에서 주파수를 인식한다는 것은 설계자가 정한 목표치로부터 현재 입력된 기준 신호의 주파수가 얼마나 떨어졌는가를 판단하는 것이다. 흔히, 주파수 검출기는 카운터와 간단한 멀티플렉서를 이용하여 구현될 수 있다. 예컨대, 주파수 검출기는 기준 신호의 주파수가 목표 주파수의 N%내에 포함되면, 이를 주파수 동기로 인식하고, 즉시 위상 동기 루프의 다음 제어 시퀀스가 수행되도록 전압 제어 발진기를 제어한다.

도 1은 종래의 주파수 동기 제어방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.

도 1을 참조하여 주파수 검출기에 의해 수행된 종래의 주파수 동기 제어방법을 설명하면, 먼저, 입력된 기준 신호와 전압 제어 발진기(VCO) 사이의 주파수차를 검출한다(제102단계). 검출된 주파수차가 목표 주파수의 N%내에 있는가를 판단한다(제104단계). N%내에 없으면, N%내에 들어오도록 전압 제어 발진기(VCO)의 주파수를 정렬시키고(제106단계), 제102단계로 진행하여 전술한 동작을 반복한다. N%내에 있으면, 주파수 동기로 인식하여 위상을 동기시킨다(제108단계).

그러나, 실제로 도 1에 도시된 종래의 주파수 동기 제어방법으로는 N값의 설정에 따라서 위상을 동기시키기가 어렵다. 구체적으로 설명하면, 주파수 동기로 인식된 기준 신호(R)는 위상 동기 루프에서 위상 비교기를 통해 전압 제어 발진기로부터의 클럭(V)과 위상을 정렬하는 작업을 거치게 된다. 위상을 정렬하는 과정에서, 두 신호(R,V) 사이의 주파수차가 크면, 다시 말해서 주파수 검출기에서 설정된 N값이 크면, 위상 동기 루프의 과도기적 반응은 느린 응답을 보인다. 만일, N값이 커서 위상 정렬을 이룰 수 없을 땐 위상 동기 루프는 주파수 동기 제어와 위상 정렬을 번갈아 수행하며 방황하게 된다.

따라서, N값이 작을 수록 시스템의 과도 응답 특성은 빨라지고, 전술한 비정상적인 현상들도 억제할 수 있다. 그러나, 또한 N값이 작을 경우 외부 신호인 기준 신호(R)의 미세한 변화에도 주파수 오차가 유기될 수 있고, 이에 따라 주파수 동기가 풀어지면 위상 동기 루프의 풀아웃(pull-out)을 초래할 수 있다.

도 2는 정상적인 위상 동기 루프의 제어 시퀸스를 나타내는 도면이며, 도 3은 비정상적인 위상 동기 루프의 제어 시퀀스를 나타내는 도면이다.

도 2와 비교되는 도 3에서 알 수 있듯이, 위상 동기 루프의 제어 시퀀스는 정상적인 작업이 수행되지 못할 때는 "위상 동기 루프 잠금(PLL LOCK)"라는 상태를 갖지 못한다.

결국, 전술한 바에 의하면, 목표 주파수의 N%의 값이 크지도 작지도 않게 적당히 설정되어야 한다는 모호한 결론이 나온다. 따라서, 이러한 시스템 디자인상의 모호성을 해결하는 위상 동기 루프의 주파수 동기 제어방법이 요구된다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 위상 동기 루프에서 주파수가 동기되는 시점을 진입할 때와 벗어날 때로 구분하여 서로 다른 목표 주파수의 N%값으로 제어함으로써, 위상 정렬시 과도 응답 특성을 빠르게 하고, 위상 정렬 도중에 발생되는 주파수 오차를 억제하는 위상 동기 루프에서의 주파수 동기 제어방법을 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는, 상기 주파수 동기 제어방법을 수행하는 주파수 검출기를 구비하는 위상 동기 루프를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 주파수 동기 제어방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.

도 2는 정상적인 위상 동기 루프의 제어 시퀸스를 나타내는 도면이다.

도 3은 비정상적인 위상 동기 루프의 제어 시퀸스를 나타내는 도면이다.

도 4는 히스테리시스 개념을 적용한 본 발명의 주파수 동기 제어방법의 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 본 발명에 의한 주파수 동기 제어방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.

도 6은 종래의 위상 동기 루프의 풀인 특성에 따른 시뮬레이션도이다.

도 7는 본 발명의 위상 동기 루프의 풀인 특성에 따른 시뮬레이션도이다.

상기 과제를 이루기 위하여, 위상 동기 루프에서의 본 발명에 의한 주파수 동기 제어방법은, 먼저, 입력된 기준 신호와 전압 제어 발진기간의 주파수차를 검출한다. 그 다음에, 검출된 주파수차를 제1 주파수 동기 범위내로 조정하여 주파수 동기를 유지한다. 그 다음에, 주파수차가 제1 주파수 동기 범위보다 넓은 제2 주파수 동기 범위내에 있는 한, 주파수 동기를 계속 유지한다.

상기 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명에 의한 위상 동기 루프는, 입력된 제1 신호와 내부의 제2 신호 사이의 주파수차에 상응하는 제1 제어전압을 발생하거나 위상 제어신호를 발생하는 주파수 검출기, 위상 제어신호에 응답하여 제1 및 제2 신호 사이의 위상차에 상응하는 제2 제어전압을 발생하는 위상 비교기, 제1 또는 제2 제어전압을 직류 제어신호로 필터링하는 저역통과 필터 및 직류 제어신호에 응답하여 제2 신호를 출력하는 전압 제어 발진기를 구비하며, 여기서, 주파수 검출기는, 제1 주파수 동기 범위 및 제2 주파수 동기 범위를 미리 설정해 두고, 제1 및 제2 신호 사이의 주파수차를 제1 주파수 동기 범위내로 조정시키는 제1 제어전압을 발생하며, 주파수차가 제1 주파수 동기 범위내에 들어오면 위상 제어신호를 발생하며, 주파수차가 제1 주파수 동기 범위를 벗어나 제2 주파수 동기 범위내에 있으면 위상 제어신호를 계속 발생한다.

이하, 본 발명에 의한 주파수 동기 제어방법 및 이를 수행하는 위상 동기 루프를 첨부한 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 4는 히스테리시스 개념을 적용한 본 발명의 주파수 동기 제어방법의 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 목표 주파수를 90%~112%로 예시하였지만 이러한 수치들에 의해 본 발명이 제한되지는 않는다.

본 발명의 주파수 동기 제어방법은 주파수 응답특성에 히스테리시스 개념을 적용하여, 위상 동기 루프에서 주파수가 동기되는 시점을 주파수 동기로 진입할 때와 벗어날 때로 구분하여 서로 다른 목표 주파수의 N%값으로 제어한다.

즉, 주파수 동기로 진입할 때는 목표 주파수의 N%값을 작게 하여(즉, 주파수 동기 범위를 좁게 하여) 위상 정렬시에 과도응답 특성을 빠르게 한다. 다음에, 일단 위상 정렬로 들어가면 N%값을 크게 하여(즉, 주파수 동기 범위를 넓게 하여) 위상 정렬 도중 외란에 의해 주파수 오차가 발생되더라도 의도하는 기간동안 주파수 동기가 쉽게 풀어지지 않게 하고, 이에 따라 위상을 동기시킨다.

구체적으로 도 4를 참조하면, 위상 동기 루프로 입력된 기준 신호의 주파수 변화에 따른 주파수 동기 제어 시퀀스를 알 수 있다. 여기서, 두 영역 "FOKZW"와 "FOKZN"은 모두 주파수 동기 범위로서, 각각 넓은 주파수 동기 범위와 좁은 주파수 동기 범위를 나타낸다. 이러한 영역들을 주파수 검출기에 미리 설정하여 화살표로 표시한 바와 같이 히스테리시스를 적용한다.

예컨대, 현재 입력된 기준 신호의 주파수가 넓은 주파수 동기 범위(FOKZW)이외의 범위 예컨대, 목표 주파수의 94~106%이외의 범위에 있다면, 도 3에 도시된 바와 같이 무조건 주파수 비동기 상태로 본다. 초기에 비동기 상태에서 최초로 동기 상태로 진입하기 위해서는(즉, 도 3을 참조하면 주파수 비동기 범위에서 주파수 동기 범위로의 화살표 방향으로 진입하기 위해서는), 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN) 예컨대, 목표 주파수의 98~102%내까지 들어가도록 한다. 따라서, 주파수 동기로 진입할 때는 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)를 기준으로 주파수 동기가 이루어져, 위상 정렬시에 시스템의 과도 응답 특성을 빠르게 한다.

한편, 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)를 기준으로 주파수 동기된 상태에서, 위상 정렬 도중에 외부 조건에 의해 좁은 주파수 동기 범위를 벗어날 때에는(즉, 도 3을 참조하면, 주파수 동기 범위에서 주파수 비동기 범위로의 화살표 방향으로 벗어날 때에는), 넓은 주파수 동기 범위(FOKZW)를 벗어나야만 주파수 동기가 풀린 것으로 본다. 즉, 주파수 동기로부터 벗어날 때는 넓은 주파수 동기 범위(FOKZW)를 기준으로 하여 이 범위를 벗어나지 않는 한 주파수 동기가 풀리지 않도록 한다.

따라서, 위상 동기 루프의 위상 비교기는 도 3에 도시된 주파수 동기 범위에서 위상 정렬을 이룬다.

도 5는 본 발명에 의한 주파수 동기 제어방법을 설명하기 위한 플로우챠트로서, 위상 동기 루프내의 주파수차를 검출하는 단계(제502단계), 검출된 주파수차를 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)내로 조정하여 주파수 동기시키는 단계(제504~506단계) 및 주파수차가 넓은 주파수 동기 범위(FOKZW)내에 있는 한 주파수 동기를 유지하는 단계(제508~510단계)를 구비한다.

구체적으로 설명하면, 먼저 위상 동기 루프로 입력된 기준 신호와 전압 제어 발진기(VCO) 사이의 주파수차를 검출한다(제502단계). 기준 신호가 목표 주파수의 범위내에 있는가를 판단하기 위해서는 전압 제어 발진기(VCO) 사이의 주파수차를 검출하고, 그 주파수차를 줄이는 방향으로 전압 제어 발진기(VCO)를 조정한다. 주파수차를 줄여 주파수 동기로 진입할 때, 기준이 되는 목표 주파수의 범위는 좁은 주파수 범위(FOKZN)가 된다.

제502단계에서 검출된 주파수차가 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)에 있는가를 판단한다(제504단계). 즉, 초기에 기준 신호가 주파수 비동기 상태에 있다면 주파수차를 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)내로 조정하며, 또한 초기에 기준 신호가 넓은 주파수 동기 범위내에 있더라도 위상 정렬시에 위상 동기 루프의 과도 응답 특성을 빨리 가져가기 위해서는 주파수차를 좁은 주파수 동기 범위내로 조정한다.

제504단계에서 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)내에 있으면, 주파수 동기가 이루어진 것으로 본다. 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)내에 없으면, 전압 제어 발진기(VCO)의 주파수를 정렬시킨다(제506단계). 즉, 주파수차에 상응하는 직류 제어신호에 따라 전압 제어 발진기(VCO)의 주파수를 가감시킨다. 주파수 정렬후에, 다시 제502단계로 진행하여 전술한 동작을 반복하고, 결국 주파수차가 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)내에 들어오도록 한다.

제504단계에서 주파수차가 좁은 주파수 동기 범위내에 있는 것으로 판단되면, 위상 동기 루프에서 주파수 검출기는 주파수 동기를 이룸과 동시에 위상 비교기의 위상 정렬이 시작된다. 전압 제어 발진기(VCO)의 주파수는 이미 기준 신호에 충분히 가깝게 근접시켜 놓았기 때문에 위상 비교기의 과도 응답 특성을 충분히 빨리 가져갈 수 있다.

그러나, 위상 정렬로의 수렴 과정에서 발생될 수 있는 오버슈트는 저역 통과 필터에 따라 다를 수 있지만 주파수 오차를 가져오고, 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)의 구간이 목표 주파수에 상당히 근접한 관계로 주파수 오차에 민감하게 반응한다. 따라서, 전술한 주파수차는 위상 정렬로 들어감과 동시에 곧 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)를 벗어날 수 있다. 여기서, 종래에는 주파수 동기가 풀어지고, 이에 따라 다시 주파수 정렬을 수행한 후에 위상 정렬로 들어가는 식의 오실레이션(oscillation)현상이 반복되었다.

본 발명에서는 위상 정렬로 들어가면서 주파수 오차에 의해 주파수차가 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)내에서 벗어날 것을 감안하여, 넓은 주파수 동기 범위(FOKZW)를 둔다. 즉, 주파수 동기로부터 벗어날 때, 기준이 되는 목표 주파수의 범위는 넓은 주파수 동기 범위(FOKZW)가 된다.

다시 도 5를 참조하면, 제504단계에서, 계속 기준 신호와 전압 제어 발진기(VCO) 사이의 주파수차가 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)내에 있는가를 판단한다. 이때, 주파수차가 여전히 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)내에 있으면, 위상을 동기시킨다. 한편, 주파수차가 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)내에 없으면, 주파수차가 넓은 주파수 동기 범위(FOKZW)내에 있는가를 판단한다(제508단계). 만일, 주파수차가 넓은 주파수 동기 범위(FOKZW)내에 있으면 마찬가지로 위상을 동기시킨다(제510단계).

여기서, 주파수차가 넓은 주파수 동기 범위(FOKZW)내에 없으면 주파수 동기가 풀린 것이므로, 더이상 위상 정렬을 중지하고 주파수 정렬을 위해 제506단계로 진행한다. 그러나, 실제로 주파수차가 넓은 주파수 동기 범위(FOKZW)를 벗어나기 전에 위상 동기 루프의 위상 동기가 이루어지고, 종래와 같이 주파수 동기 제어, 위상 정렬을 반복하는 오실레이션 현상이 없어진다. 즉, 넓은 주파수 동기 범위(FOKZW)를 둠으로써 주파수 동기가 쉽게 풀어지지 않고, 위상 정렬을 계속 수행할 수 있도록 버퍼링 역할을 하기 때문이다.

전술한 주파수 동기 제어방법을 수행하는 본 발명에 의한 위상 동기 루프는 일반적으로, 위상 동기 루프로 입력된 기준 신호와 내부 신호 사이의 주파수차를 검출하고, 그에 상응하는 제1 제어전압을 발생하거나 위상 제어신호를 발생하는 주파수 검출기, 위상 제어신호에 응답하여 제1 및 제2 신호 사이의 위상차를 검출하고, 그에 상응하는 제2 제어전압을 발생하는 위상 비교기, 제1 또는 제2 제어전압을 직류 제어신호로 필터링하는 저역통과 필터 및 직류 제어신호에 응답하여 발진 주파수를 가변하고, 발진 주파수에 상응하는 내부 신호를 출력하는 전압 제어 발진기를 구비한다.

여기서, 본 발명에 따른 주파수 검출기는 미리 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)와 넓은 주파수 동기 범위(FOKZW)를 설정해 두고, 주파수 비동기상태에서 검출된 제1 신호와 제2 신호 사이의 주파수차가 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)내에 들어오도록 하기 위해서 제1 제어전압을 발생한다. 주파수 검출기는 주파수차가 일단 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)내에 들어오면 위상 제어신호를 발생하고, 주파차가 좁은 주파수 동기 범위(FOKZN)를 벗어나더라도 넓은 주파수 동기 범위(FOKZW)내에 있는 한, 위상 제어신호를 발생한다.

이에 따라, 주파수 검출기에서 주파수 동기가 이루어진 상태에서 위상 동기 루프의 위상 비교기는 위상차를 줄이는 위상 정렬을 수행하고, 결국 위상 동기 루프의 풀인(pull-in)이 이루어진다.

도 6은 종래의 위상 동기 루프의 풀인 특성에 따른 시뮬레이션도이며, 도 7는 본 발명의 위상 동기 루프의 풀인 특성에 따른 시뮬레이션도이다.

도 6을 참조하면, 종래의 위상 동기 루프의 수렴 특성은 최초에 주파수 동기에 진입한 후에 위상 정렬 과정에서 오버슈트로 인해 주파수 동기가 풀어진다. 따라서, 재차 풀인이 이루어지고, 위상 정렬을 수행한 후에 다시 이러한 과정이 여러번 반복되고 나서야 위상 동기 루프가 수렴됨을 알 수 있다. 이로 인해 위상 동기 루프를 포함하는 전체적인 시스템의 응답 특성이 지연되고 있다.

본 발명의 위상 동기 루프의 수렴 특성은 최초에 주파수 동기가 성공적으로 이루어진 후에 곧바로 위상을 동기시켜 위상 동기 루프가 수렴에 진입함을 알 수 있다. 따라서, 고속 데이타 처리에 있어서, 종래의 위상 동기 루프의 느린 과도 응답 특성 및 시스템의 불안 요인을 매우 경제적이며 효과적으로 제거시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 주파수 동기 제어방법 및 이를 수행하는 위상 동기 루프는, 주파수가 동기되는 시점을 진입할 때와 벗어날 때로 구분하여 서로 다른 목표 주파수의 N%값으로 제어함으로써, 위상 정렬시 과도 응답 특성을 빠르게 하고, 위상 정렬 도중에 발생되는 불필요한 주파수 오차 및 외란에 의한 오차를 억제하는 이점이 있다.

[管韻]

주파수에 주자만 나와도 머리속이 어지럽습니다. 요즘 중국을 여행하면서 가전제품을 직접 구매해서 우리나라에서 사용하면 바로 고장나는 경우가 있습니다. 같은 220V용이지만 주파수가 다르기 때문입니다. 중국에서는 50Hz를 주로 사용하고 보통 50~60Hz라고 표기해 놓기 때문입니다. 어떤 제품은 50Hz라고 표기해 놓은 것도 있습니다. 우리나라에서는 60Hz를 사용합니다. 50Hz와 60Hz는 플러그 모양도 약간 다릅니다.

[管韻]

오래전 한전에서 사용하는 TRS(Trunked Radio System) 무전기를 유지보수 했습니다. 아마추어 무선하시는 분들은 TRS 무전기에 대해 잘 모르시는 분들도 있습니다. 당시 경찰서와 소방서도 같은 시스템을 사용했다고 합니다. 한참 시간이 흐른 다음 무전기 수리 전문가에게 무전기에 왜 Radio가 들어가냐고 물었습니다. 그분 왈 "라디오와 무전기 같은 의미"라고 하더군요. 우리나라 왠만한 산 정상에는 무전기 기지국이 있습니다. 이 기지국과 기지국 사이에는 유선으로 연결되어 있어서 기지국을 중심으로 반경 40km 이내에는 무선으로 통화할 수 있고 유선을 통하면 다른 기지국과도 통신을 할 수 있습니다. 휴대폰이 없었을 때에는 무전기의 역할이 매우 중요했는데 요즘은 무전기 보다 스마트폰이 통화품질이 더 좋기 때문에 무전기는 보조적 기능으로 떨어지고 말았습니다. 무전기는 반이중통신이고 한번에 다자를 호출할 수 있는 장점이 있습니다.