KR100233836B1 - 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템의 변조 장치 - Google Patents

다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템의 변조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템의 신호 변조 장치에 관한 것이다. 동일한 기저 대역 신호를 이용하여 각각 다른 주파수를 갖는 다중 반송파를 변조할 때 여러 주파수의 신호가 합해짐에 의해 송신 신호의 크기 변화가 증가하는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 단일 코드로 스펙트럼 확산된 기저 대역 신호를 다수의 서로 다른 주파수를 갖는 반송파로 변조 할 경우에는 그 중 하나의 반송파를 변조하는 기저 대역 신호의 극성을 반대로 하고, 다중 코드로 스펙트럼 확산된 기저 대역 신호를 사용할 경우에는 월쉬 함수의 특징을 이용하여 두 개의 인접 인덱스를 갖는 월쉬 코드 두 쌍을 생성한 후 그 중 하나의 극성을 반대로 하여 스펙트럼 확산된 각 신호에 곱한 후 네 개의 반송파를 변조하므로써 신호의 크기 변화를 감소시킬 수 있는 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템의 변조 장치가 제시된다.

Description

다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템의 변조 장치
본 발명은 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템의 신호 변조에 관한 것으로, 특히 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템(Multicarrier Direct Sequence Spread Spectrum System)의 변조 장치에 관한 것이다.
직접 시퀀스 스펙트럼 확산 통신 방법을 이용한 코드 분할 다중 접속(Code Division Multiple Access ;이하 CDMA라 함) 방법은 현재 실룰러 및 개인 이동 통신 시스템에서 사용되고 있다. 데이터 전송률이 높은 차세대 CDMA 시스템에서는 현재보다 더 넓은 대역을 사용하여야 하는데, 광대역 CDMA 신호를 송신하는 방법으로 데이터 전송 효율을 향상시키기 위해 단일 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 통신 방법과 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 통신 방법을 사용할 수 있다.
단일 반송파를 이용한 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 통신 방법은 코드 칩 발생율이 현재 보다 훨씬 빠른 시퀀스와 데이터를 결합하여 얻은 스펙트럼 확산된 신호로 반송파를 변조하는 방법이다. 이와 달리, 다중 반송파를 이용한 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 통신 방법은 현재와 같은 코드 칩 발생률의 시퀀스와 데이터를 결합하여 얻은 스펙트럼 확산된 신호로 각각 다른 주파수를 갖는 다중 반송파를 변조하여 송신하는 방법이다. 이러한 방법을 사용하는 경우, 각 주파수에 대한 채널 특성이 다르므로 신호 수신시 다양성의 이득(diversity gain)을 얻을 수 있고 기저 대역 신호의 처리에도 빠른 소자를 사용할 필요가 없어 전력 소모를 줄일 수 있으며, 단일 주파수를 사용할 때와는 달리 연속된 주파수 대역을 사용할 필요가 없어지므로 주파수 자원의 효율을 높일 수 있다. 그러나 다중 반송파를 사용하는 방법에서는 동일한 기저 대역 신호를 이용하여 각기 다른 주파수를 갖는 다중 반송파를 변조하여 더하므로써 송신 신호의 크기 변화가 단일 반송파를 사용할 때에 비하여 상당히 큰 문제점이 있다. 이로 인하여 다중 반송파를 사용하는 시스템의 송신단의 전력 증폭기는 단일 반송파를 사용하는 시스템에 비하여 훨씬 좋은 선형 특성을 가져야 신호의 왜곡을 막을 수 있다.
다중 반송파 신호 전송시에 송신 신호의 크기 변화를 줄이기 위해 송신 신호에 두 가지 방법이 제시되었다. 첫 번째 방법은 대해 퓨리어 변환(Fourier Transform)과 역 퓨리어 변환(Inverse Fourier Transform)을 반복하므로써 기저 대역 신호의 크기를 조정하는 방법이며, 두 번째 방법은 데이터를 다중 반송파 신호로 보내는 경우 각 데이터를 블럭 코딩하여 작은 신호 크기 변화를 갖도록 하는 방법이다.
퓨리어 변환을 사용하는 첫 번째 방법은 코드의 선택에 따라서 변조 신호의 크기를 조절해야 하고 각 채널마다 신호의 크기가 달라지므로 주파수 다양성(frequency diversity) 효과를 최대한 이용하지 못하며 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템에 적용하기에는 너무 복잡한 단점이 있다. 블록 코딩을 사용하는 두 번째 방법은 직접 시퀀스 스펙트럼 확산에 사용하는 코드 칩 단위의 블럭 코딩을 해야 하는 방법이다. 이 방법의 원리는 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 통신 시스템에 적용할 수는 있지만 블럭 코딩 후에 생성된 새로운 코드의 성질이 다른 사용자의 코드와 구별할 수 있는 성질을 갖는다는 보장이 없고, 코드 생성 장치가 복잡해지는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 네 개의 각각 다른 반송파를 변조하는 기저 대역 이진 신호에 있어서 한 개의 기저 대역 신호가 나머지 세 개의 기저 대역 신호와 반대 부호를 갖도록 하므로써 변조 신호의 크기 변화를 줄일 수 있는 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템의 변조 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템의 변조 장치는 이진 의사 잡음 코드를 발생하는 의사 잡음 코드 발생 장치, 상기 이진 의사 잡음 코드와 사용자 디지털 데이터를 익스클루시브 오알 연산하여 스펙트럼 확산된 신호를 발생하는 스펙트럼 확산 결합기, 상기 스펙트럼 확산된 신호의 파형을 성형하여 성형된 스펙트럼 확산된 신호를 발생하는 파형 성형 장치, 상기 파형 성형된 신호를 아날로그 값으로 변환하는 디지털/아날로그 변환기, 상기 아날로그 값을 입력으로 각기 다른 주파수의 다수의 반송파를 변조하는 다수의 반송파 변조 장치, 상기 다수의 반송파 변조 장치 중 하나의 입력 신호에 대해 극성을 반전시키는 인버터로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템의 변조 장치는 이진 의사 잡음 코드를 발생하는 의사 잡음 코드 발생 장치, 상기 이진 의사 잡음 코드와 사용자 디지털 데이터를 익스클루시브 오알 연산하여 스펙트럼 확산된 신호를 발생하는 스펙트럼 확산 결합기, 인접 인덱스를 갖는 월쉬 시퀀스 짝을 발생하는 다수의 월쉬 코드 발생 장치, 상기 스펙트럼 확산된 신호와 다수의 월쉬 시퀀스를 익스클루시브 오알 연산하여 다수의 월쉬 코드화된 신호를 발생하는 다수의 신호 결합기, 상기 신호 결합기에서 발생한 다수의 월쉬 코드화된 네 개의 신호 중 어느 하나의 신호에 대해 극성을 반전시키는 반전 장치, 상기 신호 결합기에서 발생한 다수의 월쉬 코드화된 신호의 파형과 상기 반전 장치에서 발생한 반전된 월쉬 코드화된 신호의 파형을 성형하여 성형된 스펙트럼 확산된 신호를 발생하는 다수의 파형 성형 장치, 상기 파형 성형된 신호를 아날로그 값으로 변환하는 다수의 디지털/아날로그 변환기로 구성된 것을 특징으로 한다.
도 1은 일반적인 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템의 구조도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 변조기의 구조도.
도 3은 인접 월쉬 코드의 곱 특성도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 변조기의 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
11 : 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 변조기
12a 내지 12d : 믹서 13 : 변조 반송파 결합기
21, 41 : 스펙트럼 확산 결합기 22, 42 : PN 코드 발생 장치
23 : 파형 성형 장치 24 : 디지털/아날로그 변환기
25 : 인버터
43a 내지 43d : 월쉬 코드 발생 장치
44a 내지 44d : 신호 결합기 45 : 반전기
46a 내지 46d : 파형 성형 장치
47a 내지 47d : 디지털/아날로그 변환기
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템의 구조도로서, 네 개의 각기 다른 주파수의 다중 반송파를 변조하는 일반적인 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템의 구조를 나타낸다.
먼저, 사용자 디지털 데이터는 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 변조기(11)로 입력되어 4개의 신호로 스펙트럼 확산된다. 이와 같이 다중 반송파 직접 시퀀스 스펙트럼 확산된 신호들은 각각 믹서(12a 내지 12d)로 입력되어 제 1 주파수(f1)를 갖는 제 1 반송파 cos(2∏f1t), 제 2 주파수(f2)를 갖는 제 2 반송파 cos(2∏f2t), 제 3 주파수(f3)를 갖는 제 3 반송파 cos(2∏f3t) 및 제 4 주파수(f4)를 갖는 제 4 반송파 cos(2∏f4t)를 변조한다. 변조된 다중 반송파들은 변조 반송파 결합기(13)에서 더해진 후 주파수 업-컨버터(up-converter)로 전송된다. 이후 주파수를 변환한 후 증폭기와 안테나를 거쳐 송신된다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 변조기의 구조도로서, 각 반송파를 단일 코드를 이용하여 스펙트럼 확산된 신호로 변조하는 시스템에서의 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 변조기를 나타낸다. 각 반송파를 단일 코드를 이용하여 변조하는 방법은 각 반송파의 위상이 랜덤한 경우, 또는 각 주파수에서의 채널 특성상 위상 변화가 독립적으로 일어나 신호 수신측에서 타 사용자의 신호를 수신하였을 때 다른 주파수로 변조된 타 사용자 간섭 신호 성분 간의 상관 관계가 전혀 없을 경우에 사용할 수 있다.
다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 변조기로 입력된 사용자 디지털 데이터는 의사 잡음(Pseudo Noise ;이하 PN이라 함) 코드 발생 장치(22)에서 발생된 코드와 함께 스펙트럼 확산 결합기(21)에서 익스클루시브 오알(EXclusive OR ;이하 EXOR이라 함) 연산을 통해 스펙트럼 확산된다. 스펙트럼 확산된 신호는 인접 채널 간의 간섭을 없애기 위하여 파형 성형 장치(23)인 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response ;이하 FIR라 함) 여파기를 통하여 파형이 성형된다. 이후 파형 성형된 신호는 디지털 아날로그(Digital/Analog ;이하 D/A라 함) 변환기(24)에서 아날로그 값으로 변환된다. 아날로그 값으로 변환된 신호는 각각 반송파 변조 장치(25a 내지 25d)로 입력되어 각기 다른 주파수의 반송파를 변조한 후 각각 믹서로 입력된다. 이때 네 개의 신호 중 하나의 신호는 인버터(26)를 통해 D/A 변환기에서 변환된 아날로그 신호의 반대 극성으로 변환된 후 입력된다. 이후 변조된 반송파들은 결합기에서 더해져서 주파수 업-컨버터로 보내져 주파수 변조된 후 증폭기 및 안테나를 거쳐 송신된다. 이와 같은 방법으로 각기 다른 주파수를 변조하는 네 개의 기저 대역 신호 중 하나의 신호가 나머지 세 개의 신호와 반대의 극성을 갖도록 하므로써 송신 신호의 크기 변화를 줄일 수 있다.
도 3은 인접 월쉬 코드의 곱 특성도이다. 하다마드(Hadamard) 행렬은 다음의 [수학식 1]과 같이 표현할 수 있으며 반복 절차(recursive procedure)로 만들어 질 수 있다.
Figure kpo00000
이때 임의의 정수 p에 대하여 M=2p이고 W(i, j)는 행렬 HM의 (i+1, j+1) 번째 요소이다. 또한 W(2i, j)와 W(2i+1, j)의 EXOR 연산은 도 3에 도시된 바와 같이 W(1, j)이 된다. 인덱스가 i 인 월쉬 시퀀스 Wi는 HM의 (i+1)번째 행의 반복을 의미한다. 따라서 네 개의 코드 발생기가 각각 W2i, W2i+1, W2k, /W2k+1를 발생하면, 임의의 순간에 세 개의 코드 발생기 출력과 나머지 하나의 코드 발생기 출력의 극성이 반대가 될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 변조기의 구성도이다.
모든 사용자가 사용하는 반송파들이 같은 위상 관계를 갖고, 다른 반송파 주파수 간의 채널 특성이 독립적이지 못할 경우에는 수신 측에서 수신한 타 사용자 간섭 신호를 주파수 다양성(frequency diversity)에 의하여 줄이지 못하게 된다. 이러한 경우에는 각 반송파를 다른 코드로 스펙트럼 확산 된 신호로 변조하여야 충분한 처리 이득(processing gain)을 얻을 수 있다. 각각 다른 코드로 변조하지 않을 경우 다른 주파수로 변조되어 수신한 타 사용자 간섭이 동 위상으로 더해지게 되므로 처리 이득은 반송파 수만큼 줄어들게 된다. 따라서 충분한 처리 이득을 얻기 위해서는 각 반송파를 변조하는 기저 대역 신호가 자기 상관 사이드 로브(auto-correlation side lobe) 특성이 다른 코드로 스펙트럼 확산된 신호이어야 한다.
먼저, 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 변조기로 입력된 사용자 디지털 데이터는 스펙트럼 확산 결합기(41)에서 PN 코드 발생기(42)의 출력과 EXOR 연산을 통해 결합되어 스펙트럼 확산된다. 스펙트럼 확산된 신호는 네 개의 신호 결합기(44a 내지 44d)에서 각기 네 개의 다른 월쉬 코드를 발생하는 월쉬 코드 발생 장치(43a 내지 43d)의 출력과 EXOR 연산을 통해 결합된다. 이 네 개의 서로 다른 월쉬 코드는 각각 W2i, W2i+1, W2k및 W2k+1(i≠k, k=0, 1, 2,…) 코드를 발생시킨다. 따라서 네 개의 신호 결합기(44a 내지 44d)의 출력 위의 월쉬 시퀀스 성질에 의하여 임의의 순간에 두 월쉬 코드 발생기의 출력이 같으면 나머지 두 월쉬 코드 발생 장치의 출력도 같고, 그 반대도 성립한다. 따라서 월쉬 코드 발생 장치(43a 내지 43d)의 출력 중 하나는 반전기(45)에 의하여 반대 논리 값으로 출력되고, 3개의 신호 결합기(44a 내지 44c)의 출력과 반전기(45)의 출력을 합한 4 개의 출력 중 하나는 나머지 출력과 반대의 논리값을 갖게 된다. 3 개의 신호 결합기(44a 내지 44c)와 반전기(45)의 출력은 각각 네 개의 파형 성형 장치(46a 내지 46d)인 FIR 여파기에서 파형을 성형하고 D/A 변환기(47a 내지 47d)를 각각 통과하여 아날로그 값으로 변환된 후 각 반송파를 변조하기 위하여 믹서로 보내진다. 이후 변조된 반송파들은 결합기에서 더해져서 주파수 업-컨버터로 보내져 주파수 변조된 후 증폭기 및 안테나를 거쳐 송신된다. 이와 같은 방법으로 각기 다른 주파수를 변조하는 네 개의 기저 스펙트럼 신호 중 한 개가 나머지 세 개의 신호와 반대가 되도록 하여 송신 신호의 크기 변화를 줄일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 다중 반송파 직접 시퀀스 스펙트럼 확산 신호의 송신시 각각 다른 주파수를 변조하는 네 개의 기저 대역 신호 중 하나의 신호가 나머지 신호와 반대의 극성을 갖게 하여 송신 신호의 크기 변화를 줄이므로써, 전력 증폭기의 선형성 요구 범위를 줄일 수 있고 증폭기 설계가 용이하며 저가에 더욱 소형화된 시스템을 구성할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 이진 의사 잡음 코드를 발생하는 의사 잡음 코드 발생 장치,
    상기 이진 의사 잡음 코드와 사용자 디지털 데이터를 익스클루시브 오알 연산하여 스펙트럼 확산된 신호를 발생하는 스펙트럼 확산 결합기,
    상기 스펙트럼 확산된 신호의 파형을 성형하여 성형된 스펙트럼 확산된 신호를 발생하는 파형 성형 장치,
    상기 파형 성형된 신호를 아날로그 값으로 변환하는 디지털/아날로그 변환기,
    상기 아날로그 값을 입력으로 각기 다른 주파수의 다수의 반송파를 변조하는 다수의 반송파 변조 장치,
    상기 다수의 반송파 변조 장치 중 하나의 입력 신호에 대해 극성을 반전시키는 인버터로 구성된 것을 특징으로 하는 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템의 변조 장치.
  2. 이진 의사 잡음 코드를 발생하는 의사 잡음 코드 발생 장치,
    상기 이진 의사 잡음 코드와 사용자 디지털 데이터를 익스클루시브 오알 연산하여 스펙트럼 확산된 신호를 발생하는 스펙트럼 확산 결합기,
    인접 인덱스를 갖는 월쉬 시퀀스 짝을 발생하는 다수의 월쉬 코드 발생 장치,
    상기 스펙트럼 확산된 신호와 다수의 월쉬 시퀀스를 익스클루시브 오알 연산하여 다수의 월쉬 코드화된 신호를 발생하는 다수의 신호 결합기,
    상기 신호 결합기에서 발생한 다수의 월쉬 코드화된 다수 개의 신호 중 어느 하나의 신호에 대해 극성을 반전시키는 반전 장치,
    상기 신호 결합기에서 발생한 다수의 월쉬 코드화된 신호의 파형과 상기 반전 장치에서 발생한 반전된 월쉬 코드화된 신호의 파형을 성형하여 성형된 스펙트럼 확산된 신호를 발생하는 다수의 파형 성형 장치,
    상기 파형 성형된 신호를 아날로그 값으로 변환하는 다수의 디지털/아날로그 변환기로 구성된 것을 특징으로 하는 다중 반송파 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 시스템의 변조 장치.
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