KR100219773B1

KR100219773B1 - 연속위상 주파수키잉 수신기의 최적 문턱값 설정방법

Info

Publication number: KR100219773B1
Application number: KR1019970004612A
Authority: KR
Inventors: 이광복; 정연균
Original assignee: 이광복
Priority date: 1997-02-15
Filing date: 1997-02-15
Publication date: 1999-09-01
Also published as: KR19980068146A

Abstract

본 발명은 M-CPFSK 신호 수신기의 최적의 문턱값 설정에 관한 것으로, M-CPFSK 신호를 LDI 수신기와 LDL 수신기로 수신하는 경우, 전송 심볼(symbol)을 검출하는 심볼 판정기(decision device)의 판정기준을 신호간의 간섭과 잡음에 의한 영향을 고려한 최적의 값으로 설정하는 방법을 제시한다.

본 발명에 따른 연속위상 주파수키잉(M-CPFKS) 수신기의 최적 문턱값 설정방법은, 안테나를 통해 수신되어 검파수단을 거쳐 심볼판정기로 입력되는 연속위상 주파수키잉 신호의 판정을 위해 상기 심볼판정기의 문턱값을 인접한 신호간의 간섭과 잡음의 영향에 의해 주파수 편이에 따라 달라지는 비대칭 확률분포를 이용하여, 인접한 두 신호값 중 작은값과 두 신호값의 중심값의 사이 값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

Description

연속위상 주파수키잉(M-CPFSK) 수신기의 최적 문턱값(threshold) 설정방법

본 발명은 M-CPFSK(연속위상 주파수키잉) 수신기의 비트 에러율을 최소화하기 위한 최적의 문턱값(threshold) 설정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전송 심볼(symbol)을 검출하는 심볼 판정기(decision device)의 판정기준을 잡음에 의한 영향의 확률분포도를 고려하여 최적의 값으로 설정하기 위한 연속위상 주파수키잉(M-CPFKS) 수신기의 최적 문턱값 설정방법에 관한 것이다.

무선 통신을 위한 신호 표현 방법은 크게 신호의 크기(amplitude), 주파수(frequency), 그리고 위상(phase)을 이용하는 방법의 세 가지가 있다. 연속위상 주파수키잉(CPFSK) 신호는 위 세 가지 신호표현 방법 중 주파수를 이용하는 방법에 해당하며, 송신단의 정보(data)에 따라 전송 신호의 주파수를 달리 함으로써 구현된다. 예를 들면, +1, -1을 보내는 경우 반송파 주파수(carrier frequency)를f _c, 주파수 편이(frequency deviation)를f ₁이라 할때, +1의 정보는f _c+f ₁의 주파수를 갖는 신호가 되고 -1의f _c+f ₁의 주파수를 갖는 신호가 되고 -1의 정보는f _c-f ₁의 주파수를 갖는 신호로 나타내어진다.

M-CPFSK는 M개의 가능한 심볼, 즉 M개의 주파수를 갖는 CPFSK신호이다. 일반적으로 M은 M=2ⁿ의 값으로 설정되며, 이 때 n은 한 심볼이 나타내는 비트의 수가 된다. 2 레벨 CPFSK 신호의 경우 가능한 심볼의 수 M=2 이므로 한 심볼로부터 얻을 수 있는 비트의 수는 1개이며 0과 1이 가능하다. 4 레벨 CPFSK의 경우 M=4이므로 한 심볼로부터 얻을 수 있는 비트의 수는 2개가 되며 00, 01, 10, 11이 가능한 이진표현(binary representation)이다.

M-CPFSK 기술을 이용한 대표적인 통신수단의 예로는 무선호출기를 들 수 있으며 이와 관련된 복조 기술은 크게 대역통과필터(BPF)를 이용하는 방법과 도 2와 같이 LDI 수신기를 사용하는 방법의 두가지로 나눌 수 있다.

대역통과 필터를 이용하는 방법은 전송단에서 보내는 신호를 각 신호에 해당하는 주파수만을 통과시킬 수 있는 필터들을 이용하여 각 필터들의 출력 중 가장 큰 값을 전송신호로 검출해 내는 장치이다. 이는 전송 신호의 주파수에 따른 에너지를 측정하여 신호를 검출해내는 장치로서 도 1의 구성도를 갖는다.

또 다른 한가지 기술인 LDI 수신기를 사용하는 방법은 전송신호의 주파수에 따른 에너지를 검출하는 대역통과필터 방식과 달리 주파수 변별기(discriminator)를 이용하여 송신신호의 주파수를 직접 구해냄으로써 신호를 검출하는 장치로서, 도 2의 구성도를 갖는다. 잡음이 없는 2 레벨 CPFSK신호를 검출하는 경우 주파수 변별기의 출력은 도 4와 같이 구분가능한 2개의 값을 가지며, 4 레벨 CPFSK 신호를 검출하는 경우 출력은 도 5와 같이 구분가능한 4개의 값을 갖게 된다. M-CPFSK 신호가 채널을 통과하여 잡음이 섞인 경우, 도 4, 도 5 의 주파수 변별기 출력은 각각 도 6, 도 7과 같은 왜곡(distortion)이 가해진 형태가 된다.

수신 심볼의 판정은 심볼 시간의 중심에서 샘플(sample)을 취하여 그 값을 정해진 문턱값(threshold)과 비교함으로써 이루어진다. 문턱값 설정은 종래기술을 따르면 인접한 신호점간의 중심점을 택하게 된다. 2 레벨의 경우 문턱값은 주파수 변별기 출력이 0인 값(65)을 기준으로 심볼을 판정한다. 즉, 수신값이 문턱 값보다 클 때 심볼은 1로 판정되고 문턱 값보다 작을 때 -1로 판정된다. 도 4와 도 6을 비교할 때 시간 (61), (62), (63)일 때의 심볼은 오류없이 판정되는 예이고 시간 (64)의 심볼은 오류가 발생하는 예이다. 4 레벨의 경우도 마찬가지로 심볼 시간(symbol duration)의 중심에서 수신값을 택하지만 수신 심볼의 판정을 위한 문턱값은 3개가 필요하다. 따라서 도 5의주파수 변별기 출력에 잡음이 섞이는 경우는 도 7과 같이 나타나게 되며 이때 수신 심볼을 결정하는 문턱값은 (75), (76), (77)과 같이 인접한 신호값의 중심값이 된다. 시간 (71), (72), (74)의 샘플들은 오류없이 판정되는 예이고 시간(73)의 샘플은 오류로 판정되는 예이다.

위의 두 기술이 현재 가장 많이 이용되고 있는 분야는 무선 호출기 부문이며 2 레벨의 CPFSK 신호가 채택되고 있다. 하지만 점점 더 많아지는 무선호출 서비스에 대한 요구에 의해 같은 시간내에 보다 많은 정보를 보내기 위해 2 fp벨 이상의 CPFSK 신호가 요구되고 있는 상황으로 국내와 국외의 무선호출 신호가 점차 4 레벨 CPFSK 신호로 바뀌고 있다.

2 레벨 이상의 CPFSK 신호가 LDI 수신기 또는 LDL 수신기를 이용하여 수신될 경우, 수신 신호의 확률분포는 인접한 두 신호의 중심에 대하여 대칭이 되지 않고 보내어진 신호 즉, 주파수 편이에 따라 다른 형태를 갖는다. 따라서, 종래의 기술과 같이 두 신호값의 중심값을 문턱 값으로 택할 경우 전체 수신 성능의 저하를 가져올 수 있으며 또한 한 심볼로부터 검출되는 각 비트의 에러율(ber)차이가 커지는 문제가 발생한다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 M-CPFSK 신호를 LDI 수신기와 LDL 수신기로 수신하는 경우, 전송 심볼(symbol)을 검출하는 심볼 판정기(decision device)의 판정기준을 신호간의 간섭과 잡음에 의한 영향을 고려한 최적의 값으로 설정하는 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 대역통과필터(BPF)를 이용한 M-CPFSK 신호 수신기의 구성도,

도 2는 본 발명이 적용되는 수신기의 할 실시예로서 리미터(Limiter), 주파수 변별기(Discriminator), 적분기(IntegrateDump filter)를 포함하는 형태의 수신기(이하, LDI 순신기라 한다)의 구성도,

도 3은 본 발명이 적용되는 수신기의 또다른 일실시예를 나타내는 것으로서, 도 2의 적분기(ID filter) 대신 저역통과필터(LPF)를 사용한 수신기(이하, LDL 수신기라 한다)의 구성도,

도 4는 잡음이 없는 경우의 2 레벨 CPFSK 신호에 대한 주파수 변별기 출력의 예시도,

도 5는 잡음이 없는 경우의 4 레벨 CPFSK 신호에 대한 주파수 변별기 출력의 예시도,

E3H 6은 잡음이 섞인 2 레벨 CPFSK 신호에 대한 주파수 변결기 출력의 예시도,

도 7은 잡음이 섞인 4 레벨 CPFSK 신호에 대한 주파수 변별기 출력의 예시도,

도 8은 2 레벨 신호의 심볼 판정기(decision device) 입력값의 확률분포도,

도 9는 4 레벨 CPFSK 신호의 심볼 판정기 입력값의 확률분포도,

도 10은 도 7에 대해 본 발명이 제시하는 최적 문턱값 설정 적용예를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

24, 34 : 중간주파수 필터 25, 35 : 리미터

26, 36 : 주파수 변별기 27 : 적분기

28, 38 : 심볼 판정기 37 : 저역통과필터

본 발명에 따른 연속위상 주파수키잉(M-CPFKS) 수신기의 최적 문턱값 설정방법은, 안테나를 통해 수신되어 검파수단을 거쳐 심볼판정기로 입력되는 연속위상 주파수키잉 신호의 판정을 수행하기 위하여 상기 심볼판정기의 문턱값을 인접한 신호간의 간섭과 잡음의 영향에 의해 주파수 편이에 따라 달라지는 확률분포의 비대칭성을 이용하여, 인접한 두 신호값 중 작은값과 두 신호값의 중심값의 사이값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기의 검파수단은 적분기 또는 저역통과필터를 이용하여 구현할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 CPFSK 신호 수신에 사용되는 장치의 일실시예를 나타낸다. 송신단에서 보낸 고주파 CPFSK 신호는 채널을 거치면서 부가되는 잡음(noise)과 함께 안테나(21)에 의해 수신되며 이 신호는 수신기 내부의 국부발진기(L.O.: Local Oscillator)(22) 신호와 믹서(mixer)(23)를 통해 곱해져 중간주파수(IF : intermediate frerluency)대로 천이된다. LDI 장치 사용에 적합한 중간 주파수 대의 CPFSK 신호는 중간주파수 필터(IF filter)(24)를 통해 신호 대역밖의 잡음이 제거되고, 리미터(25)를 통해 크기가 조절되며, 주파수 변별기(26)에 의해 주파수 성분이 변별된다. 변별된 주파수 값은 검파수단인 적분기(27)에 의해 심볼 시간(symbol duration)동안 적분되어진다. 이 값은 기저 대역의 CPFSK 신호가 심볼 시간 동안 변화한 위상 값을 나타내며, 심볼 판정기(decision device)(28)에 적용되어 수신신호가 결정된다.

도 3은 도 2의 수신기의 변형된 또다른 일실시예이다. 도 2의 경우와 달리 주파수 변별기(26)의 출력을 적분기(27) 대신 다른 검파수단인 저역통과필터(37)에 적용시킨 형태로서, 저역통과필터(37)는 적분기(27)와 비슷한 역할을 한다.

LDI 수신기와 LDL 수신기는 각각 적분기(27)와 저역통과필터(37)의 출력을 심볼 판정기(28)(38)에 적용함으로써 수신 신호를 결정한다. 만약 수신 신호에 잡음이 섞이지 않는다면 심볼 판정기(28)(30)의 입력은 도 4 또는 도 5와 같이 전송 신호에 해당하는 값만을 취하게 되므로 문턱값을 중심점으로 취하는 경우 아무런 오류없이 신호를 검출해 낼 수 있다. 그러나, 수신 신호에 잡음이 섞이게 되는 경우, 수신 신호는 왜곡된 형태로 나타나게되므로 도 4와 같은 2 레벨 시스템의 신호는 도 6과 같은 형태가 되고 각 심볼 시간의 중심에서 취한 샘플의 분포는 많은 2 레벨 시스템에서 나타나는, 도 8과 같은 확률분포를 따라 수신값이 넓게 퍼진 형태로 분포하게 된다. 이 때 서로 다른 심볼들간의 가능한 수신값의 범위가 서로 겹치게 되는 부분(84)이 발생하게 되므로 수신 신호를 결정하는 기준인 문턱값(threshold)이 설정되어야 한다. 그러나, 서로 다른 심볼들의 수신값의 범위가 겹치는 부분이 있으므로 신호점의 중심점으로 문턱값을 설정하더라도 오류가 생기는 것을 피할 수 없게 된다. 도 8의 경우 비트 에러율을 최소화하는 최적문턱값은 잡음이 없을 때의 수신값인 신호점(81), 신호점(82)에 대하여 수신값이 갖는 확률분포가 대칭을 이를 때 두 신호점의 중심에 위치하게 된다. 도 8의 예에서 신호점(81)과 신호점(82)를 구분하는 최적의 결정기준은 문턱값(83)으로 설정된다.

도 8에서 최적 문턱값이 두 신호점(81)과 신호점(82)의 중심점인 수신점(83)으로 설정되는 결정적 원인은 각 심볼에 해당하는 확률분포가 동일한 형태를 갖는다는 가정으로부터 가능하다. 만약 각 심볼의 확률분포가 동일한 형태를 갖지 않거나 신호점을 기준으로 대칭을 이루지 않을 때는 인접한 신호점간의 중심점이 최적의 문턱값이 되지 못한다.

CPFSK 신호가 잡음(noise)이 섞인 채널을 지나 LDI 또는 LDL 장치로 수신될 때 그 신호는 잡음이 없는 경우의 수신 값보다 작은 값으로 수신될 확률이 반대의 경우보다 매우 크다는 점이 알려져 있다.

도 9는 4 레벨 CPFSK 신호값(-3, -1, 1, 3)의 확률분포중 반송파 주파수보다 큰 주파수와 신호부분(1, 3)을 나타낸다. 즉, CPFSK신호는 잡음이 섞이게 되면 잡음이 없는 경우보다 원점(91)에 가까운 수신값을 가질 확률이 높아지는 특성을 지닌다. 또한 잡음에 의한 수신값의 확률분포가 넓은수신값 집합에 걸쳐 분포하는 것은 주파수 편이(frequency deviation)가 큰신호, 즉 도 9에서 신호점이 원점으로부터 멀리 떨어진 경우일수록 그 정도가 심해진다. 이는 신호점에 따른 수신값의 확률분포가 그 신호점에 해당하는 주파수 편이에 따라 달라진다는 것을 의미한다. 이 특성은 도 9에서 보면 신호점(93)에 잡음이 섞인 형태로 나타날 수 있는 수신값 집합(97)의 확률이 신호점(92)에 잡음이 섞인 형태로 나타나는 수신값 집합(99)의 확률보다 작고, 신호점(93)에 의한 수신값 집합(98)의 확률이 신호점(92)에 의한 수신값 집합(100)의 확률보다 큰 것으로부터 알 수 있다.

도 9에서 이진 CPFSK신호를 가정할 경우, 잡음이 없을 때 수신 신호값은 신호점(92)와 원점(91)을 중심으로 대칭인 점의 두 개로 볼 수 있으며, 이 때 두 신호의 확률분포는 원점(91)에 대하여 대칭을 이루므로 두 신호를 판별하는 문턱값은 원점(91)이 된다. 따라서 심볼판정기(decision device)는 원점(91)을 문턱값으로 수신 신호를 결정한다.

도 9에서, 4 레벨 CPFSK를 송신신호로 하는 경우, 잡음이 없을 때 신호점은 신호점(92), 신호점(93) 두 개와 이 점들의 원점(91) 대칭인 두 점을 포함하여 네 점이 되며, 잡음이 있을 때는 원점(91)에 대하여만 대칭인 형태의 확률분포를 갖는다. 이 때, 4개의 심볼을 구분하는 기준 즉, 문턱값은 3개가 필요하다. 3개의 문턱값의 경우와 같이 원접(91)이 된다. 그리고, 종래의 M-CPFSK 수신기의 문턱값 설정방법인 인접한 두 신호점의 중심점을 다른 두 개의 문턱값으로 할 때 이 두 개의 문턱값은 신호점(95)와 그 원점(91) 대칭의 신호점이 다른 하나의 문턱값이 된다. 이와 같은 문턱값 설정방법은 M-CPFSK 신호를 검출하는데 있어서 최적이 되지 못한다. 도 9에서 신호점(92)와 신호점(93)의 중간값으로 문턱값(95)을 선택할 경우, 신호점(93)에 잡음이 섞인 형태로만 나타날 수 있는 수신값 집합(94)이 신호점(92)에 의한 것으로 잘못 판정되게 된다. 이는 오류없이 신호를 검출해낼 수 있는 수신값 집합(94)을 오유로 검출하게 되는 결과를 초래한다. 또한, 도 9에서 문턱값을 신호점(95)로 설정하는 경우, 신호점(93)에 의한 수신값(도 9에서 빗금친 부분)이 문턱값(95)보다 작아 오류가 발생할 확률이 신호점(92)에 의한 수신값(도 9에서 점으로 표시된 부분)이 문턱값(91)보다 작아 오류가 발생할 확률보다 크게 되므로 신호점(93)을 전송할 때의 오류율이 신호점(92)을 전송할 때보다 크게 된다. 이러한 현상은 도 9의 원점(91) 대CLED 부분의 확률분포를 통해서도 동일하게 발생한다. 도 9의 경우 도 9의 원점(91) 대칭 부분의 확률분포를 통해서도 동일하게 발생한다. 도 9의 경우 본 발명이 제시하는 최적의 문턱값은 신호점(95)가 아닌 신호점(96)에 가까운 값 즉, 최적의 문턱값은 인접한 두 신호값(92)(93) 중 작은값(92)과 두 신호값의 중심값(95)의 사이값으로 설정된다. 또한, 도 7의 경우를 예로 들면 종래기술의 심볼 판정기준인 문턱값 (76), (77)이 아닌 도 10의 문턱값(101), (102)에 가까운 점이 최적의 문턱값이 된다.

이는 CPFSK 신호의 특성인 신호점을 중심으로 한 수신값의 확률분포가 비대칭인 점을 이용하는 방법으로 인접한 신호점(92)과 신호점(93)간의 비트 에러율을 최소화한다.

본 발명에서 제시하는 최적의 문턱값 설정방법은 M-CPFSK 신호의 수신시 상기와 같은 비대칭 확률분포에 의한 신호점 집합(94)의 손실을 없애는 것을 특징으로 한다. 이는 M개의 가능한 신호점 중 원점과 인접한 두 점의 문턱값을 제외한 나머지 M-1 개의 문턱값에 대해, 종래의 M-CPFSK 수신기의 문턱값인 인접한 두 신호점의 중심값 사용을 배제하고 주파수 편이에 따라 달라지는 확률분포의 비대칭성을 이용하여 인접한 두 신호점간의 비트에러율을 최소화시키는 문턱값을 설정한다. 이 때 연속된 수신 신호들간의 상호간섭(ISI:Intersymbol Interference)의 영향에 의한 신호점의 변화도 고려되어야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 M-CPFSK 수신 신호의 주파수 편이에 따른 비대칭 확률분포를 이용한 최적의 문턱값 설정 방법에 관한 것으로서 다음과 같은 효과를 수반한다.

첫째, 인접한 두 신호점간의 오류를 최소화시키는 문턱값을 사용하기 때문에 전체 수신성능을 향상시킨다.

둘째, 동일한 서비스 등급(Quality of Service) 요구조건을 만족시키기 위한 송신전력의 절약 또는 기지국(base station) 당 서비스 영역(coverage area)의 확대를 가져온다.

셋째, M-CPFSK 신호는 한 심볼로부터 여러 비트를 검출할 수 있으며, 이 때 각각의 비트들의 에러율(ber) 차이를 최소화 한다.

넷째, 한 심볼로 표현되는 각 비트들을 비슷한 에러율(ber)로 서로 다른 사용자가 사용할 수 있다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허 청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims

안테나를 통해 수신되어 검파수단을 거쳐 심볼판정기로 입력되는 연속위상 주파수키잉 신호의 판정을 수행하기 위해 상기 심볼판정기의 문턱값을 인접한 신호간의 간섭과 잡음의 영향에 의해 주파수 편이에 따라 달라지는 비대칭 확률분포를 이용하여, 인접한 두 신호값 중 작은값과 두 신호값의 중심값의 사이값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 연속위상 주파수키잉(M-CPFKS) 수신기의 최적 문턱값 설정방법
청구항 1에 있어서,

상기 검파수단은 적분기인 것을 특징으로 하는 연속위상 주파수키잉(M-CPFKS) 수신기의 최적 문턱값 설정방법
청구항 1에 있어서,

상기 검파수단은 저역통과필터인 것을 특징으로 하는 주파수키잉(M-CPFKS) 수신기의 최적 문턱값 설정방법