KR100616657B1 - Ｏｑｐｓｋ방식 근거리 무선 통신 시스템의 비동기 복조기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입력신호에 대한 위상 오차와 주파수 오차를 효과적으로 보상하여 수신성능을 향상시킬 수 있는 OQPSK방식 근거리 무선 통신 시스템의 비동기 복조기에 관한 것으로서, 그 구성은 OQPSK 방식 근거리 무선 통신시스템에 있어서, 안테나로 수신되어 주파수 변환 후, 디지털 신호로 변환된 신호를 입력받아 수신신호의 심볼을 판별하는 비동기 복조기에 있어서, 싱기 디지털 변환된 수신신호를 입력받아, 현재 입력된 수신신호와 소정 시간 전의 수신신호를 곱하여 미분값으로 변환하는 미분기; 각각 복수개의 심볼에 일대일 대응되어, 대응되는 심볼의 PN 코드의 미분값과 상기 미분기로부터 출력된 수신신호의 미분값을 곱하고, 상기 곱한 결과를 적분하여 수신신호에 대한 각 심볼별 에너지값을 구하는 복수의 연산기; 및 상기 복수의 연산기에서 산출된 에너지값을 비교하여, 최고의 에너지값의 경로에 대응하는 심볼을 수신신호로 판단하는 최대값 선택기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

비동기 복조기, 근거리 무선 통신, WPAN, 미분, 주파수 오차, 위상오차

Description

ＯＱＰＳＫ방식 근거리 무선 통신 시스템의 비동기 복조기{Asynchronous demodulator in OQPSK WPAN}

도 1은 근거리 무선 통신시스템에 사용된 종래의 비동기 복조기의 구조를 나타낸 블럭구성도이다.

도 2는 본 발명에 의한 근거리 무선 통신시스템의 비동기 복조기 구성을 나타낸 블럭도이다.

도 3은 본 발명에 의한 비동기 복조기에 있어서, 미분기의 구성예를 나타낸논리회로도이다.

도 4는 본 발명에 의한 비동기 복조기의 비트에러율을 측정하여 종래의 비동기 복조기와 대비한 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

21 : 미분기 22 : 연산부

23 : 최대값 선택기 222, 223 : 곱셈기

224 : 가산기

225 : 적분기

본 발명은 입력신호에 대한 위상 오차와 주파수 오차를 효과적으로 보상하여 수신성능을 향상시킬 수 있는 OQPSK방식 근거리 무선 통신 시스템의 비동기 복조기에 관한 것이다.

최근 유비쿼터스(ubiquitous) 세상에 대한 요구의 일환으로, 무선 사설망(Wireless PAN), 센서네트워크, RFID등에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

상기 유비쿼터스란 언제, 어디서나 무슨 기기를 통해서도 컴퓨팅할 수 있는 것을 의미하는 것으로서, 컵이나, 자동차, 안경, 신발과 같은 일상적인 사물에 제 각각의 역할에 부합되는 컴퓨터 기능과 네트워크 장치를 넣어 물체간, 그리고 물체와 인간 간의 효과적인 정보 교환 및 활용이 가능토록 한다는 것이다. 이와 관련된 WLAN, WPAN, 센서네트워크 등과 같은 무선 통신 시스템들은 고성능 기술보다는 초소형, 저가격, 저전력 소비를 목적으로 하기 때문에, 기존의 셀룰러 통신망에서 사용되던 고성능 기기들을 그대로 사용할 수 없다.

특히, 수신성능에 큰 영향을 미치는 복조기에 있어서, 저가격으로 구현가능하면서 무선경로를 통해 전달과정에서 발생된 주파수 오차와 위상 오차를 효과적으로 보상할 수 있어야 한다. 이러한 복조기로서, 기존에는 도 1에 도시된 바와 같은, OQPSK 방식 비동기 복조기를 사용하였다.

OQPSK 방식 무선통신시스템의 수신기에서는 RF 회로에서 변환된 IF 신호를 상호 90도의 위상차를 갖는 I,Q신호로 분리하고, 상기 IF I,Q 신호를 IF발진신호와 혼합되어, 베이스밴드신호로 변환된 후, 디지털 신호로 변환되는데, 상기 디지털신호로 변환된 수신신호r(k)는 실수부(real part)와 허수부(imaginary part)로 분리되어 도 1에 보인 비동기 복조기의 연산기(11)로 입력된다.

상기 연산기(11)로 입력되는 수신신호의 실수부를 real{r(k)}라 하고, 허수부를 imag{r(k)}라 한다. 상기 연산기(11)는 복수개로 이루어진 것으로서, 각 연산기(11)는 또한 복수개(0~15) 심볼에 각각 대응하는 PN 코드 real{Si(k)}, imag{Si(k)}를 입력받아, 입력신호 real{r(k)}, imag{r(k)}와 해당 PN 코드 real{Si(k)}, imag{Si(k)}를 곱셈기(111~114)로 곱한 후, 가산기(115) 및 감산기(116)로 그 합과 차신호를 취하여 각각 적분기(117,118)로 적분하고, 상기 적분결과를 제곱기(119,120)로 제곱하여, 최종적으로 가산기(121)를 통해 합하여, 입력신호의 에너지 값을 얻는다.

그리고, 상기와 같은 연산기(11)의 작용을 통해서, 입력신호와 16개의 심볼에 해당하는 PN 코드 데이타 각각과의 연산을 통해 얻어진 16개의 에너지 값들이 도출되면, 최대값 선택기(12)에서, 그중 에너지 값이 가장 큰 경로에 해당하는 PN 코드의 심볼을 현재 수신된 심볼로 판정한다.

이와 같이 구성된 비동기 복조기의 작용을 수식적으로 나타내면, 입력신호 r(k)가 수학식 1과 같다고 하면, 상기 연산기(11)의 출력 z는 수학식 2와 같이 표현된다.

상기 수학식1,2에 있어서,

는 위상 오프셋이고, fo는 주파수 오프셋이며, Ts는 샘플링 시간이고, Tc는 미분기(21)에서의 시간 지연값이고,

는 베이스밴드 신호이다.

상기 수학식 2에 나타낸 바와 같이, 종래의 비동기 복조기에서는

에 시간 인덱스(time index)인 k가 곱해지기 때문에, 시간이 지날 수록 주파수 오프셋(frequency offset)의 영향이 커지고, 위상 오프셋도 보상이 되지 않는다.

즉, 근거리 통신시스템에서 요구하는 저가격화를 위해서, 수신단에 성능이 낮은 국부발진기등을 사용하게 되고, 이로 인해 큰 주파수 오차와 위상 오차에 대한 수신 성능이 열화되는데, 상기와 같은 비동기 복조기에서는 상술한 바와 같이, 이러한 오차가 보상되지 않는다. 따라서, 종래에는 별도의 오프셋 보상회로를 추가하여야 하며, 이 경우라도 수신기의 국부 발진기에서 발생되는 주파수 오차와 위상 오차가 매우 클 경우 보상이 쉽지가 않다는 문제점이 있다. 또한, 성능 개선을 위하여, 복잡한 보상 시스템을 추가하는 경우, 수신 시스템의 단순성 및 저가격화를 도모할 수 없게 된다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 입력신호에 대한 위상 오차와 주파수 오차를 효과적으로 보상하여 수신성능을 향상시킬 수 있는 OQPSK방식 근거리 무선 통신 시스템의 비동기 복조기에 관한 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 OQPSK 방식 근거리 무선 통신시스템에 있어서, 안테나로 수신되어 주파수 변환 후, 디지털 신호로 변환된 신호를 입력받아 수신신호의 심볼을 판별하는 비동기 복조기에 있어서, 싱기 디지털 변환된 수신신호를 입력받아, 현재 입력된 수신신호와 소정 시간 전의 수신신호를 곱하여 미분값으로 변환하는 미분기; 각각 복수개의 심볼에 일대일 대응되어, 대응되는 심볼의 PN 코드의 미분값과 상기 미분기로부터 출력된 수신신호의 미분값을 곱하고, 상기 곱한 결과를 적분하여 수신신호에 대한 각 심볼별 에너지값을 구하는 복수의 연산기; 및 상기 복수의 연산기에서 산출된 에너지값을 비교하여, 최고의 에너지값의 경로에 대응하는 심볼을 수신신호로 판단하는 최대값 선택기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 OQPSK방식 근거리 무선 통신 시스템의 비동기 복조기에 있어서, 상기 복조기로 입력되는 수신신호는 실수값과 허수값으로 이루어진 복소신호이다.

또한, 상기 본 발명에 의한 OQPSK방식 근거리 무선 통신 시스템의 비동기 복조기에 있어서, 상기 미분기는 입력된 수신신호를 기설정된 시간만큼 지연시키는 딜레이부; 입력된 수신신호와 상기 딜레이부로부터 출력된 설정시간 전의 수신신호를 각각 허수값과 실수값끼리 곱하는 복수의 곱셈기; 상기 복수의 곱셈기로부터 출력된 실수값의 곱과 허수값의 곱을 합하여 미분된 수신신호의 실수값을 출력하는 가산기; 및 상기 복수 곱셈기로부터 출력된 실수값의 곱에서 허수값의 곱을 감산하여 미분된 수신신호의 허수값을 출력하는 감산기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 본 발명에 의한 OQPSK방식 근거리 무선 통신 시스템의 비동기 복조기에 있어서, 상기 각 연산기는 상기 미분기로부터 출력된 미분된 수신신호의 허수값과 실수값을 각각 미분된 PN코드의 허수값과 실수값과 각각 곱하는 제1,2곱셈기; 상기 제1,2곱셈기로부터 출력된 결과를 합산하는 가산기; 및 상기 가산기의 출력값을 적분하여 에너지값을 출력하는 적분기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 본 발명의 OQPSK방식 근거리 무선 통신 시스템의 비동기 복조기에 있어서, 미분기에 구비되는 상기 딜레이부는 입력된 수신신호를 1칩(I/Q 1개의 펄스신호) 보다 작은 시간 동안 지연시키는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명에 의한 비동기 복조기의 구성을 나타낸 블럭도이다.

상기 도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 비동기 복조기는, 현재의 입력신호를 소정 시간전의 입력신호를 곱하여 미분을 취하는 미분기(21)와, 각각 소정 심볼에 대응하는 PN코드의 미분신호를 상기 미분기(21)의 출력신호와 곱한 후, 합산, 적분하여 각각의 에너지값을 구하는 복수의 연산기(22)와, 상기 복수의 연산기(22)에서 출력된 각 에너지값을 비교하여, 최고의 에너지값의 경로에 대응하는 심볼값을 수신된 심볼로 판단하는 최대값 선택기(23)로 이루어진다.

더 구체적으로, 상기 각 연산기(22)는 상기 미분기(21)의 출력신호와 각 PN 코드의 미분값을 입력받아, 상기 두 신호의 실수부와 허수부로 각각 곱하는 제1,2곱셈기(222,223)와, 상기 제1,2곱셈기(222,223)의 출력을 합하는 가산기(224)와, 상기 가산기(224)의 출력신호를 적분하는 적분기(225)로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 비동기 복조기의 작용은 다음과 같다.

앞서 도 1에 보인 종래의 복조기는 입력신호 r(k)와 PN 코드 s(k)를 그대로 곱한 후, 적분 제곱하여 에너지를 구하였으나, 본 발명에 의한 복조기는 도 2에 나타낸 바와 같이, 에너지값을 연산하기 전에 미분기(21)를 통해서 현재 입력신호와 소정 시간 전의 입력신호를 곱하여 그 미분을 취한다. 상기 미분처리시 1칩(I/Q 신호의 1개 펄스신호를 나타냄)의 주기보다 작은 시간을 지연시간으로 설정하는 것이 바람직하다. 이 경우, 보다 정확한 수신 성능을 얻을 수 있다.

이때, 상기 미분기는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 딜레이(31)를 통해서 입력신호 r(k)를 설정된 시간(0.5 칩 시간간격(Tc)) 만큼 지연시킨다. 그리고, 상기 지연된 신호와 현재 입력된 신호를 곱셈기(33)을 통해 곱한다. 이때, 입력신호 r(k)는 실수부와 허수부로 이루어지는 복소신호이므로, 두 신호의 공액근(conjugate)을 취하여 각각 곱셈한다. 즉, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 곱셈기(331~334)에서 각각 현재 입력신호의 실수값 real{r(k)}과, 허수값 imag{r(k)}을 각각 Tc 이전의 입력신호의 실수값 real{r(k-Tc)}과, 허수값 imag{r(k-Tc)}를 각각 곱셈하고, 상기 실수부와 허수부의 곱셈값의 합과 차를 가산기(335)와 감산기(336)를 통해 각각 구한다. 상기 가산기(335)의 출력값은 미분된 입력신호의 실수값 real{Dr(k)}이고, 감산기(336)의 출력값은 미분된 입력신호의 허수값 imag{Dr(k)}가 된다. 상기 두 미분 신호는 복수개(0~15)의 심볼에 대응하는 복수의 연산기(22)에 동시에 입력된다.

상기 복수의 연산기(22)는 각각 수신신호의 심볼(0~15)에 일대일로 대응하여, 해당 심볼(0~15)과의 근사정도와 관련된 에너지값을 산출하는 것이다.

즉, 상기 복수의 연산기(22)는 미분된 입력신호 real{Dr(k)}, imag{Dr(k)}를 입력받고, 또한 각 설정된 심볼에 대응하는 PN코드의 미분값 real{Ds(k)}, imag{Ds(k)}를 입력받는다. 이때, 상기 PN 코드는 이미 알고 있는 값이기 때문에, 별도의 미분기를 구비할 필요없이, 사전에 계산된 미분값은 바로 입력시켜 복조기의 구성을 간략화시키는 것이 바람직하다.

상기와 같이, 본 발명에 의한 복조기에서는, 에너지값의 연산전에 입력신호와 PN 코드를 미분함으로서, 위상오차와 주파수 오차를 효과적으로 보상할 수 있게 된다. 이때, 상기 보상 처리를 위하여 단지 하나의 미분기(21)만 추가되므로서, 시스템의 구성이 복잡해지는 문제점은 없다.

상기 연산기(22)는 입력되는 미분 입력신호 real{Dr(k)}, imag{Dr(k)}와, PN코드 미분값 real{Ds(k)}, imag{Ds(k)}을 곱셈기(222,223)를 통해 공액끼리 곱한 후, 가산기(224)로 합한다. 이어서, 상기 가산기(224)의 출력을 적분기(225)로 적분하여, 에너지 값을 구한다. 상기 복수의 연산기(22)에서 구해진 에너지 값 Ei는 최대값 선택기(23)로 입력되어, 비교된다. 즉, 가장 높은 에너지 값을 갖는 경로의 심볼이 해당 입력신호의 심볼이 된다.

상기와 같이, 본 발명에 의한 복조기는 실수값과 허수값을 각각 곱하여 합산 한 후에 적분처리하여 에너지를 구함으로서, 통신 채널에서 유입된 백색잡음의 크기가 종래 보다 줄어들고, 결과적으로 수신 성능을 향상시킬 수 있으며, 더불어, 연산기(22)의 구성이 더 간략해진다.

이상의 작용은 다음의 수학적 해석을 통해 이해될 수 있다.

상기 연산기(22)로 입력되는 미분된 PN 코드 Ds(k)와 입력신호의 미분값 Dr(k)는 다음의 수학식 3 및 수학식 4와 같이 정의된다.

상기 수학식 4에 나타낸 미분된 입력신호 Dr(k)에 수학식 3의 미분된 PN 코드 Ds(k)를 대입하면, Dr(k)는 다음의 수학식 5와 같이 된다.

상기 수학식 3 ~ 수학식 5에 있어서, a(k)=1이라 가정하고,

로 간주한다.

상기 수학식 3의 미분된 PN 코드와, 수학식 5의 미분된 입력신호 Dr(k)를 연산기(22)에 인가하여, 출력값 z를 구하면 다음의 수학식 6와 같이 나타난다.

상기 수학식에서,

는 위상 오프셋이고, fo는 주파수 오프셋이며, Ts는 샘플링 시간이고, Tc는 미분기(21)에서의 시간 지연값이고,

는 베이스밴드 신호이다.

상기 수학식에 나타난 바와 같이, 입력신호 r(k)와 PN 코드 s(k)의 미분연산에 의해 주파수 오프셋 성분 fo는 연산후에 작은 상수값의 위상 오프셋으로 변화된다. 따라서, 연산기(22)의 최종 출력에서

형태로 나타난다. 여기서, TsTc의 값을 매우 작게 설정할 경우,

는 거의 1에 근사하게 되어 결과적으로 최종 출력 z에서 주파수 오프셋의 영향이 감소됨을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 비동기 복조기와 도 1에 보인 종래의 비동기 복조기에서의 수신성능을 비교한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

상기 도 4에 있어서, □는 이상적인 동기식 복조기에서 나타나는 비트 에러율을 나타낸 것이고, △는 도 1에 보인 종래 비동기식 복조기에서의 비트에러율을 나타낸 것이며, ＊는 본 발명에 의한 비동기식 복조기에서의 비트에러율을 나타낸다.

상기에서 백색잡음(AWGN)과 주파수 오차가 80ppm(197kHz)이다.

상기 그래프에 나타낸 바와 같이, 동기식 복조기에 의한 가장 이상적인 비트에러율은 신호대 잡음비가 커질수록 현저히 줄어든다. 그러나, 종래의 비동기식 복조기에 있어서는 신호대 잡음비의 증가에 관계없이 항상 높은 값을 나타내 잡음에 의한 영향을 많이 받는 것을 알 수 있다. 이에 비하여, 본 발명의 비동기식 복조기는 상기 동기식 복조기와 유사하게, 신호대잡음비가 증가할수록 현저히 줄어드는 비트에러율을 나타내었다.

즉, 본 발명의 비동기식 복조기는 연산 과정을 개선함으로서, 종래보다 백색 잡음의 크기를 상대적으로 더 많이 감소시켜, 수신 성능을 개선시키고, 연산기에서 적분과 제곱 연산부분의 크기를 절반으로 감소시킬 수 있다.

더하여, 복조기에서 주파수 오차 및 위상 오차 보상이 가능해짐으로서, 수신기 시스템의 구현시 성능이 떨어지는 저가격의 국부발진기를 사용할 수 있어, 수신시스템의 구현비용을 절감시킬 수 있다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 상기에 한정되지 않고 여러가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 한 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 비동기 복조기는 시스템의 구성을 복잡하게 하지 않으면서 통신채널에 포함된 위상오차 및 주파수 오차를 효과적으로 보상할 수 있으며, 그 결과, 저전력 저가를 지향하는 근거리 무선 통신 시스템에 적절한 수신시스템의 구성을 가능케 한다.

Claims (5)

1. OQPSK 방식 근거리 무선 통신시스템에 있어서, 안테나로 수신되어 주파수 변환 후, 디지털 신호로 변환된 신호를 입력받아 수신신호의 심볼을 판별하는 비동기 복조기에 있어서,

   싱기 디지털 변환된 수신신호를 입력받아, 현재 입력된 수신신호와 소정 시간 전의 수신신호를 곱하여 미분값으로 변환하는 미분기;

   각각 복수개의 심볼에 일대일 대응되어, 대응되는 심볼의 PN 코드의 미분값과 상기 미분기로부터 출력된 수신신호의 미분값을 곱하고, 상기 곱한 결과를 적분하여 수신신호에 대한 각 심볼별 에너지값을 구하는 복수의 연산기; 및

   상기 복수의 연산기에서 산출된 에너지값을 비교하여, 최고의 에너지값의 경로에 대응하는 심볼을 수신신호로 판단하는 최대값 선택기를 포함하는 OQPSK방식 근거리 무선 통신 시스템의 비동기 복조기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 복조기로 입력되는 수신신호는 실수값과 허수값으로 이루어진 복소신호인 것을 특징으로 하는 OQPSK방식 근거리 무선 통신 시스템의 비동기 복조기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 미분기는

   입력된 수신신호를 기설정된 시간만큼 지연시키는 딜레이부;

   입력된 수신신호와 상기 딜레이부로부터 출력된 설정시간 전의 수신신호를 각각 허수값과 실수값끼리 곱하는 복수의 곱셈기;

   상기 복수의 곱셈기로부터 출력된 실수값의 곱과 허수값의 곱을 합하여 미분된 수신신호의 실수값을 출력하는 가산기; 및

   상기 복수 곱셈기로부터 출력된 실수값의 곱에서 허수값의 곱을 감산하여 미분된 수신신호의 허수값을 출력하는 감산기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 OQPSK방식 근거리 무선 통신 시스템의 비동기 복조기.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 각 연산기는

   상기 미분기로부터 출력된 미분된 수신신호의 허수값과 실수값을 각각 미분된 PN코드의 허수값과 실수값과 각각 곱하는 제1,2곱셈기;

   상기 제1,2곱셈기로부터 출력된 결과를 합산하는 가산기; 및

   상기 가산기의 출력값을 적분하여 에너지값을 출력하는 적분기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 OQPSK방식 근거리 무선 통신 시스템의 비동기 복조기.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 딜레이부는

   입력된 수신신호를 1 칩 이하의 시간 동안 지연시키는 것을 특징으로 하는 OQPSK방식 근거리 무선 통신 시스템의 비동기 복조기.

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