KR100593990B1 - 송신 신호 스펙트럼에서의 불필요한 캐리어 성분을제거하기 위한 ｕｗｂ 송수신 장치 - Google Patents

송신 신호 스펙트럼에서의 불필요한 캐리어 성분을제거하기 위한 ｕｗｂ 송수신 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 UWB(Ultra Wide Band) 송수신 장치에 있어서, DC 오프셋(offset) 제거(cancellation) 알고리즘을 구현하기 위한 디지털 신호 프로세서 장치와, 송신부 기저 대역 신호와 상기 디지털 신호 프로세서 장치의 DC 오프셋 제거 알고리즘이 생성하는 교정 신호를 더하는 가산기와, 상기 가산기로부터의 신호를 변조하는 변조기와, 상기 변조된 신호를 증폭하기 위한 송신 증폭기와, 상기 송신부의 출력을 수신부로 인가하기 위한 커플러와, 상기 커플러의 출력을 수신부의 입력에 선택적으로 연결하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
UWB, DC 오프셋

Description

송신 신호 스펙트럼에서의 불필요한 캐리어 성분을 제거하기 위한 ＵＷＢ 송수신 장치{UWB TRANSCEIVER FOR REMOVING INESSENTIAL CARRIER COMPONENT IN TRANSMISSION SIGNAL SPECTRUM}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 UWB 송수신 장치의 구성도를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 UWB 송수신 장치의 구성도를 나타낸 도면.
본 발명은 UWB(Ultra Wide Band) 무선 전송 기술에 관한 것으로 특히, UWB 송수신 장치의 구현에 있어서 반드시 필요할 것으로 예상되는 송신 신호 스펙트럼에서의 불필요한 캐리어 성분을 제거하기 위한 송수신 장치에 관한 것이다.
현재 UWB 표준화에서 제시되고 있는 표준안들은 기존의 임펄스 라디오 방식 UWB 송수신 장치와는 달리 밴드 패스 형태의 신호 스펙트럼을 이용하고 있다. 이것 은 미국 연방통신위원회(Federal Communications Commission;이하 FCC라고 함)에서 제시한 스펙트럼 방출 마스크(Spectrum emission mask)를 충족하기 위한 것이며, 이로 인해 UWB 송수신 장치의 구성은 기존의 헤테로다인 혹은 호모다인 구조와 크게 다르지 않을 것으로 예상되고 있다. 특히, UWB 신호의 특성상 최소 500MHz의 대역폭을 가짐을 감안할 때 실질적으로 적용 가능한 구현 방식은 헤테로다인 방식 보다는 호모다인 방식이 주류를 이룰 것으로 판단되고 있다.
종래의 호모다인 송수신 기술을 UWB 시스템에 그대로 적용할 경우 UWB 송수신 장치의 송신부의 신호 스펙트럼에는 원래 송신 하고자 하는 신호의 스펙트럼과는 무관한 일정량의 캐리어 주파수 성분이 유출되게 된다. 이것은 변조기(modulator)의 물리적 특성의 한계에 따른 것으로 이 값을 완전히 0 수준으로 감소시키기는 불가능한 성분이다.
통상적으로 호모다인 송신기에서 사용하는 변조기의 로컬 주파수 포트(local frequency port)와 RF 주파수 출력 포트 사이의 격리(isolation)는 로컬 주파수 포트의 구동 파워(driving power)에 대비하여 20dBc ~ 40dBc 정도 수준이며, 40dBc는 현재 기술로 구현할 수 있는 한계라고 볼 수 있다.
UWB 송수신 장치에 대하여 미국 FCC가 허용한 주파수 제한치는 3.1GHz ~ 10.6GHz 대역에서 -41.5dBm/MHz 이하의 값으로 유지하도록 규정하고 있다. 현재의 기술로 구현 가능한 변조기의 로컬 주파수 포트에 대한 실제 구동 파워는 -5dBm ~ 0dBm의 수준이며 최상의 조건을 가정하여, 로컬 주파수 포트에 대한 RF 주파수 출력 포트(local-to-RF port)의 격리를 40dBc로 적용할 경우, 송신 단의 캐리어 주파수 누설(carrier frequency leakage) 성분은 -45dBm ~ -40dBm 수준이 되며 FCC 규정을 위반하게 된다.
캐리어 주파수 누설 성분은 신호 전력 대비 -20dBc 이하로 유지되어야 수신부에서 복조 가능한 SNR(Signal-to-Noise Ratio)을 유지할 수 있다고 알려져 있다. 이러한 점을 감안한다면 UWB 송수신 장치의 송신부에서의 격리 수준은 적어도 60dBc 이상이 요구되며 이러한 값은 RF 회로 설계 기술 만으로는 달성이 불가능한 수준으로 판단된다.
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 변조기에서 DSP 알고리듬을 적용하여 적응적으로 제어함으로써 필요한 수준의 로컬 주파수 포트(local frequency port)와 RF 주파수 출력 포트 사이의 격리(isolation)값을 간접적으로 달성하기 위한 송신 신호 스펙트럼에서의 불필요한 캐리어 성분을 제거하는 UWB 송수신 장치를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, UWB(Ultra Wide Band) 송수신 장치에 있어서, DC 오프셋(offset) 제거(cancellation) 알고리즘을 구현하기 위한 디지털 신호 프로세서 장치와, 송신부 기저 대역 신호와 상기 디지털 신호 프로세서 장치의 DC 오프셋 제거 알고리즘이 생성하는 교정 신호를 더하는 가산기와, 상기 가산기로부터의 신호를 변조하는 변조기와, 상기 변조된 신호를 증폭하기 위한 송신 증폭기와, 상기 송신부의 출력을 수신부로 인가하기 위한 커플러와, 상기 커플러의 출력을 수신부의 입력에 선택적으로 연결하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 이하 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 UWB 송수신 장치의 구성도를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 UWB 송수신 장치는 송신과 수신에 따라 안테나(80)를 선택적으로 사용하기 위해 안테나 스위치(50)를 포함한다. 그리고 UWB 송수신 장치는 DC 오프셋(offset) 제거(cancellation) 알고리즘을 구현하기 위한 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor; 이하 DSP라고 함) 장치(10), 송신부 기저 대역 신호와 DSP 장치(10)의 알고리즘이 생성하는 교정 신호를 더하는 가산기(20)와 가산기(20)로부터의 신호를 변조하는 변조기(30), 변조된 신호를 증폭하기 위한 송신 증폭기(40), 송신부의 출력을 수신부로 인가하기 위한 커플러(coupler)(100) 및 커플러(100)의 출력을 수신부의 입력에 선택적으로 연결하는 스위치(110)를 포함한다. 또한, UWB 송수신 장치는 수신 증폭기(60) 및 상관기(correlator)로 동작하는 변조기(70)를 포함한다.
이하 도 1에 도시된 UWB 송수신 장치의 동작을 설명한다. 본 발명에 따른 UWB 시스템은 송신부와 수신부가 동일한 주파수 스펙트럼 마스크를 이용한다. 즉 UWB 시스템의 송신부와 수신부는 동일한 캐리어 주파수를 사용한다. 그리고 UWB 시스템의 송신부와 수신부는 시분할 방식으로 동작하기 때문에 동시에 동작하지 않는다. 따라서 송신부가 동작할 경우 수신부는 원칙적으로 휴면 상태에 있게 된다. 수신부는 호모다인 방식이므로 DSP 장치(10)는 수신부에 대한 DC 오프셋 제거 알고리즘을 구현하고 있다고 가정한다.
본 발명은 송신부가 동작하고 있을 때 휴면 상태에 있는 수신부를 이용하여 송신부를 통과한 신호의 일부 또는 전부를 수신부에 재인가하여 수신부에 대한 DC 오프셋 제거 알고리즘을 통해 캐리어 피드쓰루(carrier feed-through) 성분을 추정하고 이 결과를 송신부의 기저 대역 신호에 반영하는 것을 특징으로 한다.
동작 모드는 실제로 신호가 송출되는 경우와 그렇지 않을 경우의 두 가지로 나누어 설명한다.
먼저 신호를 송출하는 경우를 설명하면, UWB 송수신 장치는 정상적인 송신 동작 상태에서 안테나로 송출되고 있는 신호의 일부를 샘플링하여 휴면 상태에 있는 수신부로 인가하고, 이 신호를 정상적으로 수신된 신호와 동일한 방식으로 처리하여 그 속에 포함된 캐리어 성분을 추정한다. 이때 수신부는 휴면 상태에서 깨어나 정상적인 수신 상태로 동작하고 있다고 가정한다. 구체적으로, UWB 송수신 장치에서 신호를 송신하는 경우 먼저 안테나(80)를 통해 송신되는 신호를 커플러(100)를 통해 송신 신호의 일부를 수신부로 인가한다. 이때 스위치(110)는 소정의 제어 장치(도시 생략)로부터의 제어 신호에 의해 커플러(100)의 출력이 수신부의 수신 증폭기(60)에 입력되도록 닫힌다. 그리고 이 수신부의 수신 증폭기로(60)로 입력된 송신 신호는 변조기(70)를 거쳐 DSP 장치(10)에 입력된다. DSP 장치(10)는 변조기(70)로부터 입력된 신호로부터 송신부의 DC 오프셋 성분을 추정한다. 즉, 송신 신호의 캐리어 성분은 커플러(100)를 통해 수신부를 거치게 되면 DC 오프셋 성분으로 변화되므로 기존 호모다인 수신부의 DC 오프셋 제거 알고리즘을 이용하여 추정이 가능하다. DSP 장치(10)는 송신부에서 샘플링된 신호의 원래 형태를 정확히 알고 있으므로 수신부의 DC 오프셋 제어 알고리즘을 이용하여 추정한 값을 송신부의 불완전성으로 인해 발생된 오류 성분으로 간주할 수 있다. 여기에서, DSP 장치(10)에는 미리 수신부에 의한 DC 오프셋 성분을 미리 계산하여 저장되어 있다고 가정하며, 이에 대해서는 후술한다. 이 추정치를 근거로 하여 DSP 장치(10)는 송신부의 기저 대역 신호에 일정량의 교정 신호를 발생시켜 가산기(20)에 출력한다. 가산기(20)는 이 교정 신호를 송신 신호의 기저 대역에 가산함으로써, 송신되고 있는 신호의 캐리어 피드-쓰루(carrier feed-through) 성분을 적응적으로 제어할 수 있다.
한편, 송신부에서 신호를 송출하지 않는 경우는 UWB 송수신 장치가 정상적인 모드에 있지 않고 셀프 교정 모드(Self calibration mode)에 있는 경우이다. 셀프 교정 모드에서 송신부는 미리 설정된 신호를 발생시키는데, 안테나(80)를 통하여 송출하지는 않고 수신부에 인가한다.
이어서, 수신부의 DC 오프셋 교정에 대하여 설명한다. 추정된 DC 오프셋 값에는 송신부에서 기인한 성분 외에 수신부에서 기인한 성분이 포함되어 있으며, 두 가지의 성분은 동시에 구분될 수 없다. 따라서 수신 단에 기인하는 스태틱(Static) DC 오프셋 성분은 사전에 추정하여 DSP 장치(10)에 저장하도록 한다. 이 값을 이용하여 송신 단에 대한 캐리어 피드쓰루(carrier feed-through) 성분의 추정 과정에서 사전에 저장된 수신 단의 확정(deterministic) DC 오프셋을 제거함으로써 송신부만의 DC 오프셋 성분을 추정해 낼 수 있다. 여기서 확정 DC 오프셋(deterministic DC offset)이라 함은 정상적인 수신 상태와는 달리 송신부의 캐리어 피드쓰루(carrier feed-through) 성분 추정 상태에서의 수신 단은 입력 신호가 랜덤하지 않고 원래 형태를 이미 알고 있으므로 DC 오프셋 값을 확정적으로(deterministically) 결정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 UWB 송수신 장치의 구성도를 나타낸 도면이다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 UWB 송수신 장치는 송신부의 증폭기의 출력이 아니라 변조기(30)의 출력이 수신부의 증폭기(60)의 입력으로 연결되도록 구성된다는 점에서 제1 실시예와 다르다. 따라서, 송신부의 출력을 수신부의 입력으로 연결하기 위한 커플러(200)는 변조기(30)의 출력과 스위치(210) 사이에 연결된다. 그에 따라 송신부의 증폭기(30)의 출력은 스위치(210)가 폐쇄 상태에서 수신부로 입력된다. 나머지 구성요소 및 그 동작은 제1 실시예와 동일하므로 그 설명을 생략한다.
이와 같이 본 발명은 송신부가 동작하고 있을 때 휴면 상태에 있는 수신부를 이용하여 송신부를 통과한 신호의 일부 또는 전부를 수신부에 재인가하여 수신부에 대한 DC 오프셋 제거 알고리즘을 통해 캐리어 피드쓰루(carrier feed-through) 성분을 추정하고 이 결과를 송신부의 기저 대역 신호에 반영한다.
상기한 본 발명의 실시예는 단일 밴드를 사용하는 UWB 송수신 장치에 관련하여 설명하였지만, 당업자라면 복수개의 밴드를 사용하는 UWB 송수신 장치에 적용될 수 있음이 명백할 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
본 발명에 따른 UWB 송수신 장치는 신호 송출시 사용되지 않는 수신부를 이용하여 송신부에서의 캐리어 피드쓰루(carrier feed-through) 성분의 추정하고, 사전에 저장된 수신 단의 확정(deterministic) DC 오프셋을 제거함으로써 송신부만의 DC 오프셋 성분을 추정해 낼 수 있다.

Claims (4)

  1. UWB(Ultra Wide Band) 송수신 장치에 있어서,
    DC 오프셋(offset) 제거(cancellation) 알고리즘을 구현하기 위한 디지털 신호 프로세서 장치와,
    송신부 기저 대역 신호와 상기 디지털 신호 프로세서 장치의 DC 오프셋 제거 알고리즘이 생성하는 교정 신호를 더하는 가산기와,
    상기 가산기로부터의 신호를 변조하는 변조기와,
    상기 변조된 신호를 증폭하기 위한 송신 증폭기와,
    상기 송신부의 출력을 수신부로 인가하기 위한 커플러와,
    상기 커플러의 출력을 수신부의 입력에 선택적으로 연결하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 UWB(Ultra Wide Band) 송수신 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 디지털 신호 프로세서 장치는 송신부에서의 샘플링된 신호의 원래 형태 및 상기 수신부에 의한 DC 오프셋을 이용하여 송신부에 의한 캐리어 피드쓰루(carrier feed-through) 성분을 추정하고 추정한 값을 송신부의 불완전성으로 인해 발생된 오류 성분으로 간주하는 것을 특징으로 하는 UWB 송수신 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 커플러로부터의 송신 신호를 입력받아 증폭하여 출력하는 수신 증폭기와,
    상기 수신 증폭기로부터의 신호를 변조하여 상기 디지털 신호 프로세서 장치로 출력하는 변조기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 UWB 송수신 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 피드백부는,
    상기 송신부의 전력 증폭기로부터의 출력을 상기 피드백시키기 위한 방향성 결합기와,
    상기 방향성 결합기의 출력을 송신 주파수 대역 필터링하기 위한 대역통과 필터와,
    상기 대역 통과 필터링된 신호를 위상 조정하여 상기 수신부의 저잡음 증폭기의 입력단으로 출력하는 위상 변위기와,
    상기 복조기의 출력 신호 및 상기 안테나를 통해 송신할 신호를 비교하기 위한 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 송수신 장치.
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