KR100313677B1 - 4레벨 디지털 신호의 데이터 복원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 4레벨 디지털 전송 신호를 수신하여 복조한 후 이를 디지털 데이터로 복원하는 장치에 관한 것으로, 4레벌 디지털 전송 신호를 수신하고, 이를 복조한다. 이렇게 복조된 신호를 데이터 검출 수단(23)에 의해 디지털 데이터로 변환시킨 후, 비트 동기 신호를 추출하고, 그 동기 신호를 기준으로 MSB 적분 수단(25)과 LSB 적분 수단(30)에 의해 한 주기를 적분한다. 제 1 및 제 2적분 시간 발생 수단(27)에 의해 한 주기의 신호 중에서 적분 수단의 적분 구간을 한정하는 신호를 발생한다. LSB 적분 수단(25)은 한 주기의 출력치 중에서 주기의 시작으로부터 일정 시간(d1)이 경과된 시점부터 적분을 시작하고, 한 주기 내에서 주기의 시작으로부터 일정 시간(d2) 경과된 시점까지 적분한다. MSB 데이터 판별 수단(26) 및 LSB 데이터 판별 수단(31)은 이들 적분 수단(25)(30)의 적분치로부터 데이터를 판별함으로써 디지털 데이터를 복원한다. 본 발명에 따른 장치에 의하면, 디지털 송수신 과정에서 발생하는 잡음으로 인한 데이터 복원의 오류를 최소화시킴으로써 디지털 통신의 신뢰성 및 안정성을 높일 수 있는 장점이 있다.

Description

4레벨 디지털 신호의 데이터 복원 장치 {Data Recovery Apparatus for 4-Level Digital Signal}

본 발명은 본 발명은 디지털 전송 시스템에서 4 레벨로 디지털 변조된 전송 신호를 수신하여 데이터를 복원하는 데이터 기술에 관한 것이다. 본 발명에서는 특히, 전송된 디지털 데이터가 4 레벨 신호이므로 한번 복원에 두 비트가 동시에 복원되기 때문에, 데이터 복원 특성상 두 비트 열(bit stream) 중 한 비트 열 (LSB: Least Significant Bit)이 다른 비트 열(MSB: Most Significant Bit)보다 전송로 상의 잡음으로 인하여 발생 할 수 있는 오류 확률이 높아지는 것을 개선하기 위한 기술에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 종래의 기술에서는 4레벨 신호를 이상적으로 복원하기 위하여 두 개의 비트 동기 복원 장치를 사용했던 것과는 달리 한 개의 비트 동기 복원 장치를 사용하여도 성능의 저하가 일어나지 않으므로 디지털 데이터 복원 장치를 간단하게 구현할 수 있는 효과가 있다.

디지털 데이터 전송 방식은 고전적인 아날로그 전송 방식에 비하여 신뢰성 있는 데이터 전송이 가능하므로 그 수요가 날로 늘고 있다. 또한 디지털 데이터 전송 방식은 로직 게이트(logic gate) 또는 DSP(Digital Signal Processor) 등을 사용한 송수신기의 구현이 가능하므로 회로의 소형화, 저전력화가 가능한 이점이 있다.

사회의 정보화가 가속화됨에 따라 송수신되는 정보량의 증가하기 때문에 한정된 채널 대역에 많은 데이터를 효율적으로 전송할 필요가 점증되는 추세에 있다.따라서, 기존의 이진 데이터 전송 방식에서 더욱 효율적인 전송 방식으로 다 레벨(Multi-Level) 변조 방식이 사용되고 있다. 일 예로 기존의 무선 호출 방식인 POCSAG 방식에서는 이진 데이터에 의한 주파수 변조(FSK: Frequency Shift Keying) 방식이 사용되었으나, 고속 무선 호출 방식인 FLEX 방식에서는 정보량에 따라 4 레벨 주파수 변조(4-Level FSK) 방식이 사용되고 있다.

이진 주파수 변조의 경우 전송하고자 하는 디지털 정보의 로직 값에 따라 그에 해당하는 두개중의 한 개의 주파수에 변조를 거는 방식인 반면, 4 레벨 주파수 변조의 경우는 전송 하고자 하는 정보 중 연속되는 두개의 비트를 모아 4가지의 주파수중 한 개의 주파수로 변조를 거는 방식이다. 따라서 같은 주파수 대역폭 내에서는 4 레벨 주파수 변조 신호가 이진 주파수 변조보다 전송 효율이 두 배로 증가하게 된다.

4레벨 디지털 변조된 신호를 수신하고 복조한 후, 복조(Demodulation) 된 기저대역 신호(baseband signal)는 도 1에 표시된 S1과 같다. 이 기저 대역 신호로부터 매 데이터 주기마다 두 비트의 데이터를 복원할 때에는 일반적으로 도 2에 도시한 예와 같은 문턱 전압 검출(Threshold Voltage Detection) 방식을 사용한다. 이는 공지의 기술로 TH1, TH2, TH3 세 개의 기준 전압을 두고 이를 비교기 10, 11, 12에서 각각 비교한 3개의 정보를 이용하여 두 비트의 데이터를 복원한다.

예를 들어, 도 1의 T1 주기 구간에서의 기저대역 신호 크기는 TH1, TH2, TH3 보다 크므로 세 개의 비교기 10, 11, 12 모두 H를 출력하고 이를 도 2에 나타난 비교 로직(13)에서 받아 MSB인 S2에는 로직 H, LSB인 S4에는 로직 L을 출력한다.

또 다른 예로 T4 주기 구간에서는 기저대역 신호 크기는 TH1보다 크고, TH2, TH3보다는 작으므로 세 개의 비교기 중 10의 출력은 H를, 11 및 12의 출력에는 L을 출력하고, 이를 비교 로직 13에서 받아 MSB인 S2에는 로직 L을, LSB인 S4에는 로직 H를 출력한다.

상기 문턱 전압 검출(Threshold voltage Detection) 방식 출력 중 LSB 비트 열은 도 1의 신호 파형 S3과 같이 출력되는 것이 이상적이나, 실제의 경우는 신호 파형 S4와 같이 출력된다. 이는 대부분의 디지털 전송 시스템의 송신시 대역 제한을 위하여 필터 수단을 거친 관계로 수신된 기저대역 신호 S1이 구형파가 아니고 일정한 기울기를 가진 정현파 모양을 가지기 때문이다. 즉, 신호가 기준 점을 천이하는 시간이 수직이 아니고 일정한 기울기를 가지므로 기준 점에 도달하기까지에는 약간의 공간(gap)이 발생되는 것이다. 이때 원하지 않는 데이터 파형이 발생하는 것이다. 상기 원치 않는 불요 파형은 비트 동기 복원시와 데이터 복원시 영향을 준다.

수신신호의 복원 과정에서, 한 비트의 기준 주기 시간을 알 필요가 있다. 따라서 수신기에서는 데이터에 포함된 기본 클럭 성분 추출하여 수신된 데이터를 샘플링 함으로써 정확한 주기의 데이터를 복원한다. 이 기술을 비트 시간 복원 (Bit timing recovery) 기술 또는 비트 동기 (Bit synchronization) 기술이라 한다. 일반적인 비트 동기 복원 장치에서는 수신 데이터의 천이 시점들을 찾아 이곳에서 송신시 사용된 클럭 정보를 추출하는 방식을 사용한다. 이때 상기와 같은 불필요 파형은 데이터의 천이가 정확한 시점에 일어나지 않고, 잘못된 위치에서 자주 일어나게 하므로 비트 동기 복원시 오류를 발생할 수도 있다.

4레벨 디지털 신호에서 시간 정보를 추출하는 종래의 기술로는 도3과 같이 MSB, LSB 두개의 비트열 각각에 비트 동기 복원 장치(15, 16)를 설치하여 각각 독립적으로 비트 기준 시간을 복원한 후 데이터를 샘플링 하여 복원하는 방법이 있다. 이때 각 적분 수단(17, 18)은 샘플링 수간에 잡음으로 인한 오류를 막고, 데이터 복원을 확실히 하기 위한 수단으로 한 데이터 주기 동안의 신호를 축적하여 합이 0보다 크면 로직 H, 작으면 로직 L로 판단하기 위함이다.

그러나 이 방법은 신뢰성 있는 데이터 복원이 가능한 데 반하여 비트 동기 복원 장치를 두개 사용하여야 하기 때문에 실제 장치의 구현이 매우 복잡하고 가격이 높아지는 단점이 있다. 또한 LSB 비트 열의 비트 동기 복원 장치(16)에서는 앞서 설명한 바와 같이 기저대역 신호의 기울기에 의해 발생되는 불필요 파형이 비트 동기 복원에 영향을 주어 오류가 발생될 확률이 높아진다.

또 다른 종래의 기술로는 도 4에 보인 바와 같이, MSB 비트 열에서만 데이터를 받아 한 개의 비트 동기 복원 수단(21)에서만 기준 클럭을 복원한 후 MSB, LSB 모두의 데이터 샘플링의 기준 클럭으로 사용하는 방법이 있다.

이는 상기의 도 3에 의한 방법보다는 간단하지만, MSB 데이터가 심하게 잡음의 영향을 받아, 비트 동기가 잘못 잡혔을 경우 LSB 데이터에도 영향을 주는 단점이 있다. 또한 LSB 비트 열의 경우, 상기 설명된 기저대역 신호의 기울기에 의해 발생되는 불필요 파형이 LSB 신호 적분 수단 22에서 누적되어 오류로 판단될 확률이 높아진다. 즉, 신호 파형이 잡음에 의하여 왜곡되어 불필요 파형의 폭이 넓어지면, 적분수단에서 한 주기에 누적되는 전압 중 불필요 파형이 차지하는 비율이 많아져 오류가 발생될 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은, 4 레벨 디지털 변조된 전송 신호를 수신하여 데이터 복원 시, 상기 데이터 천이에 있어서 기울기에 의해 발생되는 불필요 파형에 의한 데이터의 판단 오류를 감소할 수 있는 데이터 복원 장치를 제공함에 있다.

도 1은 4레벨 디지털 신호를 수신하고 복조한 기저 대역의 신호 파형을 보인 도면,

도 2는 종래 기술에 따른 문턱 전압 검출 장치의 구성을 보인 블록도,

도 3은 다른 종래 기술에 따라 독립적인 비트 동기 복원 수단에 의해 수신치를 적분한 후 데이터를 샘플링하는 장치의 구성을 나타낸 블록도,

도 4는 하나의 비트 동기 복원 수단을 이용하여 MSB, LSB의 데이터 샘플링의 기준 클럭으로 사용하는 장치의 구성을 도시한 블록도,

도 5는 본 발명에 따라 수신 신호의 적분 구간을 제한한 디지털 데이터 복원 장치의 구성을 보인 블록도,

도 6은 본 발명의 장치에 따라 한 주기의 신호에서 적분 구간을 제한하여 데이터를 복원하는 것을 보인 모식도.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

10, 11, 12: 비교기

19, 20: 샘플링 수단

26, 31: 데이터 판별 수단

이와 같은 본 발명의 목적은, 4레벨 디지털 전송 신호를 수신하여 복조한 후 이를 디지털 데이터로 복원하는 장치에 있어서, 상기 복조된 신호를 수신 신호의 크기에 따라 디지털 데이터로 변환시켜 MSB 및 LSB 데이터를 출력하는 데이터 검출 수단과; 상기 복조된 신호로부터 동기 신호를 추출하여 한 주기의 시간을 제공하는 비트 동기 복원 수단과; 상기 데이터 검출 수단의 출력 MSB 데이터로부터 한 주기의 출력치를 적분하는 MSB 적분 수단과; 상기 데이터 검출 수단의 출력 LSB 데이터로부터 한 주기의 출력치를 적분하는 LSB 적분 수단과; 상기 MSB 적분 수단으로 하여금 상기 MSB 데이터의 한 주기의 출력치를 적분하도록 시작 및 종료 신호를 지시하는 제 1적분 시간 발생 수단과; 상기 LSB 적분 수단으로 하여금 상기 LSB 데이터의 한 주기의 출력치 중에서 주기의 시작으로부터 일정 시간이 경과된 시점부터 적분을 시작하고, 한 주기 내에서 주기의 시작으로부터 일정 시간 경과된 시점까지 적분하도록 시작 신호 및 종료 신호를 지시하는 제 2적분 시간 발생 수단과; 상기 비트 동기 복원 수단에 의한 한 주기마다 상기 MSB 적분 수단의 적분치로부터 데이터를 판별하는 MSB 데이터 판별 수단과; 상기 비트 동기 복원 수단에 의한 한 주기마다 상기 LSB 적분 수단의 적분치로부터 데이터를 판별하는 LSB 데이터 판별 수단;을 포함하는 장치에 의해 달성될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 디지털 수신 장치의 구성을 블록으로 보인 도면이다. 데이터 검출 수단(23)은 복조된 수신 신호의 크기에 따라 두 개의 디지털 데이터로 변환시킨다. 본 발명은 4-레벨 변조 신호이므로 2개의 데이터를 모아 한 개의 신호로 변조되어 있기 때문에, 이 신호를 복원하면 MSB와 LSB의 2개의 데이터가 동시에 출력된다.

이렇게 복원된 디지털 데이터는 단지 복조된 신호의 크기만 비교하여 1 또는 0의 디지털 데이터로 샘플링한 것에 불과하기 때문에, 디지털 데이터를 완전히 복원하려면 주기 성분이 포함되어야 한다.

예컨대 변환된 데이터가 1로 1초 동안 연속되었다면 과연 송신기에서 몇 개의 1을 보냈는가를 알아야한다. 또한 변환된 데이터가 '0'으로 1초간 연속되어 있다면, 이 경우에도 송신기에서 몇 개의 '0'을 송신한 것인지를 판단하여야 데이터를 복원할 수 있다.

따라서 원하는 형태로 데이터를 복원하기 위해서는 비트 동기 수단(24)에서 송신시 사용된 기준 클럭으로 정확한 주기를 복원하여 어디부터 어디까지가 의도된 한 주기(one cycle) 시간인지를 알 필요가 있다. 이렇게 복원된 클럭으로 상기 데이터 검출 수단의 출력 신호들을 샘플링 수단(26)(31)으로 샘플링함으로써 정확한주기의 데이터를 복원하게 된다.

이러한 데이터 복원 과정 중에 적분 수단(25)(30)은 일종의 필터링(matched filter) 역할을 하는데, 이는 이론적인 표현으로 비트 에너지를 최대로 하고 잡음 에너지를 최소화하는 것이다.

즉, 데이터 검출 수단(23)의 출력 데이터들은 깨끗한 디지털 파형이 아니고, 잡다하게 빠른 주기로 1010 되는 파형일 경우도 있다. 그 이유는 도 1에서와 같은 아날로그 파형(상단)은 잡음이 없는 경우를 보인 것이지만, 실제로 잡음이 포함되면 매끄러운 곡선이 아니라 미세한 파형이 복합되어 매끄럽지 못한 파형이 될 수 있다. 이 잡음 성분으로 인하여 TH 점을 자주 왔다 갔다 할 수 있다. 즉, 주어진 주기 동안 내에서도 많은 트랜지션(transition)을 겪게 되므로, 이를 그대로 샘플링한다면 TH 점을 여러 번 넘게 되어 실제 데이터와는 다른 형태가 된다. 따라서, 이러한 점을 보완하기 위하여 데이터의 한 주기에서 가장 진폭이 큰 중앙 부분을 샘플링한다. 그럼에도 불구하고 중앙 부분에 잡음이 개재되면 데이터의 판별에 있어 오류가 발생하게 되며, 실제로 이러한 일이 자주 발생한다.

따라서, 적분수단(25)(30)을 사용하여 데이터 검출 수단(23)의 출력신호를 한 주기동안의 적분한다. 그리고 합한 값이 적분 구간의 면적의 반보다 크면 '1' 또는 '0'으로 판별한다. 이렇게 하면, 잡음에 의해 빈발하는 트랜지션에 의한 면적은 한 주기 전체적으로 수신된 신호의 면적에 비해 매우 작기 때문에 무시될 정도로 된다. 결과적으로 적분을 통해 신호는 극대화하고 잡음은 최소화하여 데이터 복원의 신뢰성을 높이는 것이다.

MSB 적분 수단과 LSB 적분 수단의 동작은 기본적으로 동일하여, 기본 클럭의 주기 시작에서부터 끝나는 시점까지 적분하여 값을 출력하고, 출력한 후 다음 데이터 시작 바로 전 순간에 자시의 값을 0으로 초기화(reset)한다(integrate and dump). 다만, 상단의 MSB 적분수단(25)은 데이터 심볼 1 주기동안 적분하고, LSB 적분 수단의 적분은 한 주기 중 d1만큼 지연 된 후에 시작하며, 한 주기의 시작부터d2 만큼 지연된 시점에 종료한다.

즉, d1 및 d2 에 의해 설정되는 구간만 적분이 이루어지며, 여기서 d1 및 d2의 지연 시간은 시스템 설계자 또는 사용자가 가장 좋은 시간으로 설정하되, d2의 경우는 최대 한 심볼 주기를 넘지 못한다.

이 때 각 적분 수단의 적분 시작과 끝은 각각 제 1 및 제 2적분 시간 발생수단(27)(28)에 의해 결정된다. 제 1적분시간 발생 수단(27)은 종래의 기술과 동일한 것으로서, 복원된 기준 클럭 신호를 받아 클럭의 매 시작 점마다 짧은 주기 폭을 가진 펄스 S6을 MSB 적분 수단(25)에 공급해 준다. 이 적분 수단(25)에서는 펄스 S6를 받아 이전 적분 동작을 중지하고 리셋(reset)시킴과 동시에 새로운 신호의 적분을 시작한다.

제 2적분 시간 발생 수단(28)에서는 역시 비트 동기 복원 수단(24)에서 복원된 기준 클럭을 입력으로 받되 시작 펄스 S7 및 종료 펄스 S8을 출력하여 LSB 적분 수단(30)에 공급한다. 이 적분 수단(30)에서는 상기의 시작 및 종료 펄스 신호에 따라 적분을 시작하고 종료한다. 이러한 제 1 및 제 2적분 시간 발생 수단(27)(28)은 클럭 신호를 정해진 값만큼 지연시키는 것으로, 딜레이라인(delay line)이나 D-플립플롭(D-flip flop) 등의 소자로 구현 가능하다.

데이터 판별 수단(26)(31)들은 적분 수단(25)(30)들의 출력을 입력으로 받고 비트 동기 수단(24)에서 발생된 기본 클럭 받아 한 주기마다의 적분치를 기준으로 데이터를 판별(샘플링)하여 데이터를 복원한다.

도 6은 본 발명의 장치에 따라 d1 및 d2의 수신 신호의 적분 구간을 나타낸 것이다. S5는 비트 동기 복원 수단(24)의 출력 신호로, 한 주기가 1≥0 인 데이터의 기본 클럭 주기와 일치하는 것을 나타낸다. 따라서, 이 클럭을 가지고 모든 신호 발생의 기준으로 한다. S6은 제 1적분 발생수단(27)의 출력 신호로, S5의 매 오름 천이 시점마다 매우 좁은 폭의 펄스 파형을 출력시키는 것이다. 이를 MSB 적분 수단(25)에 제공함으로써 이 펄스가 H일 때 이전 데이터 적분치를 출력함과 동시에 리셋(reset)하고, 새로운 신호의 적분을 시작하도록 한다.

S7은 제 2적분 발생 수단(28)의 두 출력 신호 중 일측 출력으로, S5의 매 오름 천이 시점마다 이로부터 d1 시간 지연 후 매우 좁은 폭의 펄스 파형을 출력시킨다. 이를 LSB 적분 수단(30)에 제공하여 이 펄스가 H일 때 새로운 신호의 적분을 시작하도록 한다.

S8은 제 2적분 발생 수단(28)의 두 출력 신호 중 일측 출력으로, S5의 매 오름 천이마다 이로부터 d2 시간 지연 후 매우 좁은 폭의 펄스 파형을 출력시킨다. 이를 LSB 적분 수단(30)에 제공하여 이 펄스가 H일 때 이전 데이터 적분치를 출력함과 동시에 적분기의 내용을 리셋하도록 한다.

본 발명에 따른 장치에 의하면, 디지털 송수신 과정에서 발생하는 잡음으로 인한 데이터 복원의 오류를 최소화시킴으로써 디지털 통신의 신뢰성 및 안정성을 높일 수 있는 장점이 있다.

Claims (2)

1. 4레벨 디지털 전송 신호를 수신하여 복조한 후 이를 디지털 데이터로 복원하는 장치에 있어서,

   상기 복조된 신호를 수신 신호의 크기에 따라 디지털 데이터로 변환시켜 MSB 및 LSB 데이터를 출력하는 데이터 검출 수단(23)과;

   상기 복조된 신호로부터 동기 신호를 추출하여 한 주기의 시간을 제공하는 비트 동기 복원 수단(24)과;

   상기 데이터 검출 수단(23)의 출력 MSB 데이터로부터 한 주기의 출력치를 적분하는 MSB 적분 수단(25)과;

   상기 데이터 검출 수단(23)의 출력 LSB 데이터로부터 한 주기의 출력치를 적분하는 LSB 적분 수단(30)과;

   상기 MSB 적분 수단(25)으로 하여금 상기 MSB 데이터의 한 주기의 출력치를 적분하도록 시작 및 종료 신호(S6)를 지시하는 제 1적분 시간 발생 수단(27)과;

   상기 LSB 적분 수단(25)으로 하여금 상기 LSB 데이터의 한 주기의 출력치 중에서 주기의 시작으로부터 일정 시간(d1)이 경과된 시점부터 적분을 시작하고, 한 주기 내에서 주기의 시작으로부터 일정 시간(d2) 경과된 시점까지 적분하도록 시작 신호(S7) 및 종료 신호(S8)를 지시하는 제 2적분 시간 발생 수단(28)과;

   상기 비트 동기 복원 수단(24)에 의한 한 주기마다 상기 MSB 적분 수단(25)의 적분치로부터 데이터를 판별하는 MSB 데이터 판별 수단(26)과;

   상기 비트 동기 복원 수단(24)에 의한 한 주기마다 상기 LSB 적분 수단(30)의 적분치로부터 데이터를 판별하는 LSB 데이터 판별 수단(31);을 포함하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2적분 시간 발생 수단(27)(28)이 딜레이라인 수단 또는 D-플립플롭 수단임을 특징으로 하는 장치.