1. Mixer 의 이해
RF H/W 엔지니어가 아니기때문에, 관련부분의 이해 목적으로 각 부분 요약으로만 정리하며 기술한다.
틀린 부분이 있을 수 있으며, 추후 발견을 하면 수정을 하도록 하겠다.
- Audio Mixer 와 RF Mixer 차이
| 구분 | Audio Mixer | RF Mixer |
|---|---|---|
| 동작 방식 | 덧셈 (Summation) | 곱셈 (Multiplication) |
| 대표 수식 | Vout = V1 + V2 | xout(t) = xRF(t) · xLO(t) |
| 주파수 관계 | 주파수 변환 없음 | fIF = fRF ± fLO (Difference / Sum) |
| 입력 신호 | 여러 오디오 신호 | RF 신호 + LO(Local Oscillator) |
| 출력 신호 | 합쳐진 오디오 신호 | 1.IF(Frequency/Phase Difference) 2.HF(Frequency/Phase Sum) (LPF제거) |
| 출력 신호의 의미 | 음량·채널 조정, 믹스된 오디오 | 통신·레이더용 주파수 변환 결과 |
| I/Q 개념 필요 여부 | × 필요 없음 | ✓ 필요 (QAM, FMCW, AoA 등) |
- RF Mixer 사용
| Component | Frequency Term | Phase Term | Usage |
|---|---|---|---|
| IF (Difference) | Δf = ω1 − ω2 | Δφ = φ1 − φ2 | ✔ Radar / RF Mixer Used |
| HF (Sum) | Δf = ω1 + ω2 | Δφ = φ1 + φ2 | ✖ Removed by LPF |
HF(Sum)은 LPF(Low Pass Filter)제거 하고 사용
- RF Mixer Input/Output 의 Frequency 비교
- Input Signal(100KHz,120KHz)
- Output Signal
- Frequency Difference: 20KHz, Sum: 22KHz 확인
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| https://github.com/JeonghunLee/phy_simulation/blob/main/notebooks/mixer_compare.ipynb |
- RF Mixer Output 의 Frequncy LPF 분리
- RF Mixer Ouput 후 LPF(Low Pass Filter) 이용하여 Sum 제거
- Frequency Difference : 20KHz 만 파악 가능
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| https://github.com/JeonghunLee/phy_simulation/blob/main/notebooks/mixer_compare.ipynb |
- RF Mixer Output 의 Phase 비교
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| https://github.com/JeonghunLee/phy_simulation/blob/main/notebooks/mixer_compare.ipynb |
- Audio Mixer 와 RF Mixer 차이
Notebook(Python) 으로 간단하게 Python으로 작성하여 아래와 같이 정리를 하였다.
Audio Mixer vs RF Mixer
RF Mixer 와 FIR Filter
- Notebook(Python)으로 다양한 테스트 진행
추후 시간이 되면 아래에 더 보강해서 넣도록 하겠음
1.1 I/Q Mixer 이해
처음에 왜 필요한지를 인식을 못했으며, SDR(Soft Defined Radio)하면서 아래 부분의 필요성을 알게되었다.
I Mixer만으로는 0와 180의 위상 차이만 명확하게 감지가능하다.
이유 아래와같이 I 가 1D 기준이기 때문이다.
0~ 360 위상 정보를 정확하게 얻을 수 없기 때문에 I/Q Mixer가 필요하다.
I Mixer 만 사용할 경우, I Amp도 정확성 떨어진다.
간단히 생각해서 I/Q로 2D를 만든다고 생각하면 되겠다.
- I/Q Signal
- I (In-Phase) 신호 : Real 실수 = Cos(thetha)
- Q(Quadrature(= 90° shift)) 신호 : Image 허수 = Sin(theta)
- I+Q = 1 = arctan(Q/I)
고등학교때 배운 Sin/Cos 복소수 평면 그리는 것을 생각하면 될 듯하다.
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| Sine and cosine - Wikipedia |
- I/Q Modulation
I+Q Amp vs I/Q Amp 비교해서 이해하도록 하자
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| https://en.wikipedia.org/wiki/In-phase_and_quadrature_components#/media/File:IQ_phasor_diagram.svg |
- I+Q Amp vs I/Q Amp 비교
- IQ Modulation 관련 이해
아래의 그림을 보면 쉽게 이해가 가며, Wiki에 자세히 설명이 나와 있다.
https://en.wikipedia.org/wiki/In-phase_and_quadrature_components#/media/File:IQ_phasor_diagram.svg- IQ Imbalance 문제
I/Q 의 신호가 이론적으로 정확히 맞아야 한다 ( Sin/Cos, 90도 위상차이)
하지만, 모든 것이 이론적으로 만 되지 않기 때문에 맞지 않는 경우가 발생한다.
1.2 RF Radar/RF Comm.
RF Radar의 경우, Mixer 사용 후에 LPF 사용하기 때문에
아래 와 같이 Frequency, Phase Diffrence 로 Phase Detect 와 위치가 파악 가능하다
- RF Radar TI 문서를 보면 아래와 같이 쉽게 설명
X1 과 X2 신호의 Frequency, Phase Diffrence 즉 LPF 후 사용
Frequency/Phase Difference(차이)로 쉽게 Phase Detect 가능
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| https://www.ti.com/content/dam/videos/external-videos/ko-kr/2/3816841626001/5415203482001.mp4/subassets/mmwaveSensing-FMCW-offlineviewing_0.pdf |
처음에 Radar는 I Mixer 만 사용하는 줄 알았으나, AoA를 정확하게 하려면,
어쩔 수 없이 I/Q Mixer기반으로 정확한 Phase 구한 것 같다.
생각을 해보면, Amp 정확성을 위해서라도 I/Q Mixer를 사용하는게 맞는 듯하다.
- TI Radar I/Q Mixer 사용
처음에는 I만 사용하는 줄 알았으나, I/Q Mixer를 사용한다고 한다.
하지만, I만 실수만 가지고도 AoA까지는 힘들지 몰라도 일반적인 Range Radar 기능은 가능하다.
TI Complex-baseband implementation
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| https://www.ti.com/solution/radar |
Complex baseband architecture using TI mmWave
- WIFI/SDR(Soft Defined Radio)
WIFI의 경우를 생각해보면, I/Q Mixer는 당연히 사용해야 한다 (QAM방식과 OFDM)
SDR(Soft Defined Radio)는 WIFI Sensing 때문에 오래전부터 계속 봤는데, 이 부분도 정리를 해야 할 듯 하다.
WIFI CSI (I/Q) Signal 확인가능
2. RF Mixer 의 확장 이해
Mixer 의 Phase Detect 이용하여 각 기능을 좀 더 생각을 확장적으로 할 수 있어진 것 같다.
- PLL 도 쉽게 이해
- I/Q Mixer (Phase 차이) Splitter/Combiner 이해
- 고속 Serial PHY 칩도 비슷할 것이라 추측 (개인적 추측)
- 이 부분 DSP 관점에 추후 다시 설명
1/2번까지만 이곳에서 정리하고, 3번은 다음 블로그
2.1 PLL 의 이해
- PLL(Phase Locked Loop) 목적
Phase Locked Loop가 Phase 차이에 따라 Loop를 돌면서 각 변화에 따라 Lock하여 동일한 주파수를 내는 것 인것 같다.
- PLL(Phase Locked Loop) 동작정리
RFDH 설명이 너무 멋져서 쉽게 이해했으며, 간단히 이해 한 것만 정리
PD -> Phase 차이 -> Pulse 생성(+/-) -> Charge Pump -> LPF -> Voltage 변환 -> Divide(Count) 변경
개인적으로 멋진 것은 Charge Pump 와 LPF의 평준화 인것 같음(Voltage 안정, AC 제거)
https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/phase-locked-loop-pll-fundamentals.html
PLL(Phased-Locked Loop)
PLL(Phased-Locked Loop)의 종류
2.2 Phase Detector vs Mixer(Frequency)
- Phase Detector 와 RF Mixer 의 차이
- RF Mixer는 상위와 같이 Analog
- Phase Detector는 상위 PLL 보면 Pulse로 되는 것을 보면 Digital .
Phase Detector
Phase 차이를 Digital Pulse 길이 와 +/-으로 구분하여 쉽게 인식
(현재 이해하길, PFD 좀 더 봐야 할듯)
Frequency Mixer
Analog 기반의 Phase 차이 와 합
- PLL 과 DLL
나의 경우, 항상 PLL 과 DLL 여러번 봤지만, PLL의 경우는 매번 PD까지는 제대로 이해하지 못한 것 같다.
DLL의 경우는 항상 DRAM에서 Timing 보정용으로 사용했다
DLL(Delay-Locked Loop)
DLL 의 DRAM의 Trace length Timing 보정
DLL의 경우는, DRAM에서 Clock 보정으로 사용
2.3 I/Q Mixer 의 Splitter/Combiner
Clock/Power Splitter 관련있을 거며, 이것을 보다가 Splitter 의 기능 때문에
고속 Serial PHY도 PD기반으로 DSP 관점으로 확장하여 생각하게 되어짐
좀 더 생각을 해보면, Analog 신호의 Splitter와 Power도 좀 더 생각을 하다가,
이 부분은 너무 더 나아가는 것 같어서 일단 생각 중지
예전에, DVR을 DM355+FPGA기반으로 직접 국내 최초 개발해봤기때문에,
NTSC의 Combiner도 생각을 했으나, 머리가 너무 복잡해셔서 이 부분도 나중에~
TI Cacade Radar 구조 (Splitter 예제 )
1.2 TI Cascade Radar Clock Sync (Clock Splitter)