KR100788067B1 - 안테나 다이버시티 수신기 - Google Patents

안테나 다이버시티 수신기 Download PDF

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Abstract

안테나 다이버시티 수신기는, 스위치(532, 534)를 경유하여 두 안테나(102a, 102b)에 연결된 제로-IF 수신기를 포함한다. 제 1 안테나(102a)로부터의 신호를 제 1 혼합기(106)와 채널 필터(116)를 경유하도록 보내고 제 2 안테나(102b)로부터의 신호를 제 2 혼합기(108)와 채럴 필터(118)를 경유하도록 보냄으로써 두 안테나로부터의 신호 품질의 동시적 측정이 가능하다. 다이버시티 제어기(536)는 선호하는 안테나를 선택하기 위하여 데이터 프리엠블 동안에 안테나(102a, 102b)로부터 수신된 신호 품질을 비교하고, 그 후 선호하는 안테나로부터의 신호를 두 입력 혼합기(106, 108)로 보내도록 스위치(532, 534)를 조정한다. 선택되지 않은 안테나에 연결된 증폭기(104a, 104b)는 데이터 수신 동안에 스위칭 오프될 수 있고, 그럼으로써 여분의 전력 소비를 최소화할 수 있다. 그러한 안테나 다이버시티 수신기는, 수신기 구성에 대해 매우 짧은 프리엠블만이 제공되는 블루투스와 같은 시스템에서조차, 효과적인 안테나 선택이 실행될 수 있게 한다.

Description

안테나 다이버시티 수신기{ANTENNA DIVERSITY RECEIVER}
본 발명은 무선(radio) 통신 시스템에서 사용하기 위한 안테나 다이버시티(antenna diversity) 수신기에 관한 것이다. 비록 본 발명이 블루투스(Bluetooth) 시스템을 특히 참조하여 기술되지만, 안테나 다이버시티가 채용될 수 있는 일정한 범위의 다른 통신 시스템에도 응용가능하다.
무선 통신 시스템은 종종 다중경로 전파(multipath propagation) 효과를 경험하는데, 이 효과에 의해 하나의 송신된 신호가 해당 송신기로부터 복수의 구별되는 경로를 통하여 하나의 수신기에 도달된다. (직접 경로 - 존재한다면 - 가 아닌) 각각의 경로는 하나 이상의 물체에서 반사되고, 따라서 상기 경로들은 서로 다른 길이를 가진다. 모든 전파가능한 경로들로부터의 신호들은 하나의 안테나에서 재결합되고 해당 수신기에 공급된다. 경로 길이들의 순간적인 집합에 의존하여, 수신된 신호들은 안테나에서 보강적으로 또는 소멸적으로 간섭할 수 있다.
소멸적인 간섭의 경우에, 순간적인 신호 세기는 직접 경로의 신호 세기에 비교하여 20dB 이상만큼 감소될 수 있다. 이 문제는 실내에서 사용하기 위한 시스템에서 특히 심각한데, 실내에서는 일반적으로 서로 가까이 위치한 산란시키는 물체(예컨대, 벽, 가구, 사람)들이 많으며 그 중에 몇몇은 움직이는 것들이다. 극단적인 경우 수신기는 사용하기에 충분한 세기의 신호를 수신할 수 없고 널(null) 상태에 있다고 말해진다.
이 문제에 대한 하나의 해결책은 안테나 다이버시티이며, 여기서는 두 개 이상의 수신용 안테나들이 하나의 수신기에 제공된다. 한 안테나에서 수신된 신호들이 다른 안테나에 의해 수신된 신호들과 실질적으로 상관되지 않도록 충분하게 분리되어 있는 조건으로, 한 안테나가 널 상태에 있을 때에 다른 안테나는 양호한 신호를 수신할 수 있을 것이다.
안테나 다이버시티를 사용할 수 있는 무선 통신 시스템의 예는 블루투스 특별 관심 그룹(Bluetooth Special Interest Group)에 의해 규정된 스펙에 따라 동작하는 블루투스 네트워크이다. 그러한 네트워크는 이동 PC, 이동 전화와, 휴대용이거나 아니거나 간에, 다른 디바이스 사이에 저가이며 단거리인 무선 링크를 제공하고자 한다. 블루투스 네트워크 내의 통신은 대략 2.45 GHz에서 허가가 불필요한(unlicensed) ISM 대역 내에서 이루어진다. 그러한 주파수에서, 몇 cm 정도의 안테나 분리는 성공적인 다이버시티 동작을 위해 충분하다.
예컨대 US-A-5,940,452 에서 개시된 바, 안테나 다이버시티 수신기에서, 다이버시티 제어기가 신호 품질 측정에 따라 가장 양호한 신호를 제공하는 안테나를 선택하며, 상기 신호 품질 측정은 대개 통상적으로 RSSI(Received Signal Strength Indication)이다. 다른 채널 품질의 측정이 사용될 수 있는데, 예컨대 체크섬(checksum)이 DECT(Digital Enhanced Cordless Telecommunications) 시스템에서 특정 경우에 사용된다. 데이터가 패킷으로 송신되는 무선 통신 시스템에서는, 상기 다이버시티 제어기가 패킷 단위(packet-by-packet) 기반 상에서 최적 안테나를 선택하는 것이 바람직하다. 이것은 특히 블루투스와 같은 주파수-호핑 시스템에서의 경우인데, 왜냐하면 연속하는 패킷들이 서로 다른 주파수로 보내질 것이고 상기 주파수의 특성들은 상관되지 않을 것이기 때문이다.
그러나, 패킷 단위 기반 상에서 안테나 다이버시티를 구현하는 것에는 (복수개의 수신기가 제공 - 이는 일반적으로 실제적인 해결책이 아니다 - 되지 않는 한) 차례로 각 안테나로부터의 신호 품질의 측정이 필요하다. 따라서, 종래 수신기에서 채용된 순서적인 RSSI 측정 프로세스는, 특히 각 패킷의 프리엠블이 짧은 경우(예컨대, 블루투스에서는 프리엠블은 겨우 4 ㎲ 길이이다), 너무 오래 걸릴 수 있다.
본 발명의 목적은 복수개의 수신기에 대한 필요성없이, 두 안테나로부터의 신호 품질의 동시 비교를 가능케하는 안테나 다이버시티 수신기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 동위상(in-phase) 및 직교위상(quadrature) 채널과, 제 1 및 제 2 안테나에 연결하기 위한 수단과, 상기 제 1 안테나로부터의 신호가 상기 동위상 채널을 경유하며 상기 제 2 안테나로부터의 신호가 상기 직교위상 채널을 경유하는 제 1 상태와, 상기 제 1 안테나로부터의 신호가 동위상 및 직교위상 채널 모두를 경유하는 제 2 상태, 및 상기 제 2 안테나로부터의 신호가 동위상 및 직교위상 채널 모두를 경유하는 제 3 상태를 구비하는 스위칭 수단과, 상기 스위칭 수단이 제 1 상태에 있을 때 상기 동위상 및 직교위상 채널 내의 수신된 신호의 상대 적인 품질을 판정하기 위한 신호 품질 비교 수단, 그리고 상기 신호 품질 비교 수단에 의해 판정된 상기 상대적인 신호 품질에 의존하여 상기 스위칭 수단의 상태를 제어하기 위한 다이버시티 제어 수단을 포함하는 안테나 다이버시티 수신기가 제공된다.
본 발명의 실시예들이 이제 첨부된 도면을 참조하여, 예시로서, 기술될 것이다.
도 1은 제로-IF 무선 수신기의 도식적인 블록도.
도 2는 수신된 때 원하는 및 인접 채널 신호의 그래프.
도 3은 제로 IF에 혼합하는 도 2의 신호의 그래프.
도 4는 채널 필터링 후 도 3의 신호의 그래프.
도 5는 본 발명에 따라 만들어진 안테나 다이버시티 제로-IF 무선 수신기의 도식적인 블록도.
도면에서 동일한 참조 번호는 대응하는 특징부를 가리키기 위해 사용되었다.
종래의 제로-IF 수신기의 도식적인 블록도가 도 1에 도시된다. 그 동작은 도 2 내지 4를 참조하여 설명될 것인데, 도 2 내지 4는 수신된 때 및 상기 수신기에서 프로세싱된 후 신호를 보여주는 그래프들이다. 무선주파수(RF : Radio Frequency) 신호는 안테나(102)에 의해 수신되고 저잡음증폭기(LNA : Low Noise Amplifier) (104)에 의해 증폭된다. 이 단계에서 상기 RF 신호는 도 2에 도시된 바와 같은데, 도 2는 주파수(f)에 대한 신호의 진폭(A)의 그래프이다. 제 1 주파수 대역(202)은 원하는 신호(W)를 포함하며, 한편 제 2 및 제 3 주파수 대역(204, 206)은 원하지 않는 인접 채널 신호(A1, A2)를 포함한다.
LNA(104)의 출력은 한쌍의 직교-관계 혼합기(106, 108) 내로 공급되며, 이 혼합기에는 각각 동위상(I) 및 직교위상(Q) 국부발진기(LO : Local Oscillator) 신호가 제공된다. LO 신호는 전압제어발진기(VCO)(110)에 의해 생성되며, 이 전압제어발진기는 안정한 기준 신호원(114)을 구비하는 주파수 신시사이저(SYN)(112)에 의해 구동된다. LO 신호는 원하는 신호를 포함하고 있는 주파수 대역(202)의 중심과 동일한 주파수에 있고, 따라서 혼합기(106, 108)는 상기 신호를 제로 주파수로 혼합하고, 수신된 스펙트럼이 이 주파수 주위로 접힌다. 상기 신호는 이제 도 3에 도시된 바와 같고, 낮은 주파수 대역(302)이 제로 주파수 주위로 접힌 원하는 신호를 포함하며 높은 주파수 대역(304)은 중첩된 인접 채널 신호(A1 및 A2)를 포함한다.
상기 I 및 Q 혼합기(106, 108)로부터의 출력 신호는 그 후 저역통과 I 및 Q 채널 필터(116, 118)에 의해 필터링되는데, 상기 필터는 높은 주파수 대역(304)을 감쇄시킨다. 도 4는, 높은 주파수 대역(304)이 제거된 결과로서 점선으로 도시된 이상화된 필터 특성(402)과 함께, 그 결과로 생긴 신호를 보여준다. 채널 필터(116, 118)로부터의 출력 신호는 그 후 I 및 Q 제한기(limiter)(120, 122)를 통과하고 그 다음으로 I 및 Q 단일-비트 아날로그-디지털 변환기(ADC)(124, 126)에 의하여 디지털 신호로 변환된다. 제한기(120, 122)는 ADC(124, 126)로의 입력에 앞서 진폭 정보를 제거한다. 상기 디지털 신호는 그 후 주파수 판별기(DISC)(128)를 통과하여 이 디지털 신호가 복조되는 기저대역 프로세싱 블록(BB)(130)으로 간다. 스펙트럼 접힘의 효과는 I 및 Q 채널을 사용함으로써 상기 기저대역 프로세싱에 의하여 제거될 수 있다.
도 1의 수신기는 두 안테나(102)로 동작하고, 안테나(102) 중 하나로부터의 신호의 선택을 가능하게 하도록 LNA(104) 앞에 스위치를 추가함으로써, 다이버시티 스위칭이 가능하도록, 수정될 수 있다. 그러면 각 안테나(102)로부터의 신호 품질의 표시는 순서적으로, 예컨대 송신된 데이터 내의 프리엠블 동안에, 유도될 수 있을 것이다. 일단 이 측정이 실행되면, 더 양호한 신호를 제공하는 안테나(102), 예컨대 더 높은 RSSI를 가진 안테나가 선택된다.
비록 그러한 기술이 성공적으로 사용되어 왔지만, 한번에 단 하나의 신호만이 수신될 수 있다는 사실은 그 측정 프로세스가 상대적으로 더 길게 걸린다는 것을 의미한다. DECT 시스템에서 상기 측정 프로세스가 완료될 수 있도록 하기 위하여 연장된 프리엠블을 제공하는 옵션이 존재한다. 그러나, 프리엠블이 단지 4 ㎲로 매우 짧은 블루투스와 같은 시스템에서는 상기 측정 프로세스를 위한 충분한 시간이 존재하지 않는다. 대안으로서, 동시적인 신호 품질 측정을 가능케하도록 두개의 별도의 수신기를 구비하는 것도 가능할 것이지만, 그러한 수신기는 경제적으로 실용적이지 못할 것이다.
본 발명은 단일 수신기로 동시적인 신호 품질 측정을 가능하게 하는 문제에 대한 해결책을 제공한다. 본 발명에 따라 만들어진 수신기의 도식적인 블록도가 도 5에 도시된다. 수신기의 대부분은 도 1의 것과 동일하며, 따라서 재차 설명되지는 않을 것이다.
수신기는 각각 제 1 및 제 2 LNA(104a, 104b)에 연결된 제 1 및 제 2 안테나(102a, 102b)를 포함한다. LNA(104a, 104b)의 출력은 제 1 및 제 2 투웨이(two-way) 스위치(532, 534)를 경유하여 직교-관계 혼합기(106, 108)에 연결된다. 덧붙여서, 다이버시티 제어기(DC)(536)가 제공되는데, 이것은 수신된 신호 품질을 비교하고 이에 따라 스위치(532, 534) 및 LNA(104a, 104b)를 제어한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 두 스위치(532, 534) 모두 '업(up)' 위치에 있을 때, 상기 수신기는 도 1에 도시된 종래의 제로-IF 수신기와 동일한 방식으로 작동하여, 제 1 안테나(102a)로부터 신호를 수신한다. 유사하게, 두 스위치(532, 534) 모두 '다운(down)' 위치에 있을 때, 신호는 제 2 안테나(102b)로부터 수신된다.
동시적인 신호 품질 측정(또는 비교)은 제 1 스위치(532)가 '업' 위치에 있고 제 2 스위치(534)가 '다운' 위치에 있는 때에 이루어질 수 있다. 제 1 안테나(102a)로부터의 신호는 I 혼합기(106)로 공급되어, 제로 주파수로 혼합되어 다운되고 필터링된다. 그 결과적인 신호는 도 4에 도시된 바와 같이 제로 주파수 주위로 접히고, 따라서 복조될 수 없지만, 유효한 신호 세기 측정은 여전히 이루어질 수 있다. 유사하게, 제 2 안테나(102b)로부터의 신호는 Q 혼합기(108)로 공급되고 필터링 후 그 신호의 세기가 측정될 수 있다. 제 1 안테나(102a)로부터의 신호가 동위상 LO 신호와 혼합되고 제 2 안테나(102b)로부터의 신호가 직교위상 LO 신 호와 혼합된다는 사실은 측정된 신호 세기에 아무런 영향을 미치지 않기 때문에 중요하지 않다.
다이버시티 제어기(536)는 송신된 데이터 내의 프리엠블 동안에 두 안테나로부터 신호 품질을 비교할 수 있고 상기 데이터의 나머지 부분을 위하여 어느 안테나(102a, 102b)가 사용되어질 지를 판정할 수 있다. 그리하여 상기 판정이 이루어진 때에는 상기 다이버시티 제어기는 이에 따라 상기 스위치(532, 534)를 셋팅하며, 상기 수신기는 통상의 제로-IF 수신기로서 기능한다. 사용되지 않은 안테나(102a, 102b)에 연결된 LNA(104a, 104b)는 데이터 수신 동안에 스위칭 오프될 수 있고, 그럼으로써 수신기 전력 소비를 최소화할 수 있다.
종래의 제로-IF 수신기와 비교하면, 본 발명에 따라 만들어진 수신기는 작은 양의 여분의 회로(예시된 실시예에서는 하나의 LNA 및 두 개의 스위치)만을 요구할 뿐이며, 상기에서 제안한 바와 같이 데이터 수신 동안에 상기 여분의 LNA가 스위칭 오프되는 경우에는 상기 수신기의 전력 소비에서 작은 증가만을 야기한다.
도 5에 도시된 수신기 설계 상의 변형예가 가능하다. 예컨대, 제한기(120, 122)는 제거되고 단일-비트 ADC(124, 126)는 다중-비트 ADC로 대체되어, 신호 세기 측정이 수신기의 디지털 부분에서 직접 이루어질 수 있도록 할 수 있다. 본 발명에 따라 만들어진 수신기의 본질적 특징은 두 개의 채널이 통상 동작을 위해서 요구되지만, 각 채널은 신호 품질 측정 또는 비교 기간 동안에는 서로 다른 신호가 공급될 수 있다는 점이다.
상기에 개시된 실시예는 직접-변환 수신기인데, 여기서 RF 신호는 직접 제로 주파수로 혼합되어 다운된다. 그러나, 본 발명은 2-단계 다운-변환을 채용하는 것과 같은 다른 제로-IF 구조에도 응용가능하다. 또한 다중위상(polyphase) 필터를 채용하는 저-IF 구조에도 응용가능한데, 다만 그러한 구조를 구현하는 것은 더 많은 추가적 회로가 요구된다. 특히 도 5의 채널 필터(116, 118)를 대체하는 다중위상 필터와 혼합기(106, 108) 사이에서 I 및 Q 채널 각각으로부터 신호가 유도될 필요가 있을 것이다. 이들 신호 각각은 그 후 별도의 채널 필터를 통과하고, 인접 채널 신호가 필터링되어 제거되고, 그 다음에 신호 품질 측정이 이루어질 수 있다.
비록 본 발명이 블루투스 시스템 또는 매우 짧은 프리엠블을 가진 다른 시스템과 관련하여 기술되었으나, 두 안테나로부터 신호 세기의 동시적 측정은 큰 이점을 가지며 넓은 범위의 무선 통신 시스템, 예컨대 UMTS(Universal Mobile Telecommunication System), GSM(Global System for Mobile communications) 또는 DECT에 쉽게 응용될 수 있다.
본 명세서를 읽음으로써, 다른 변경사항들이 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 그러한 변경사항들은 안테나 다이버시티 수신기 및 그 구성 부품들의 설계, 제조 및 사용분야에서 이미 알려져 있고, 또한 여기서 이미 기술된 특징들에 대신하여 또는 추가하여 사용될 수 있는 다른 특징들을 포함할 수 있다. 비록 본 출원에서 특정한 특징들의 조합으로 청구범위가 형성되었으나, 본 출원의 개시 범위에는, 임의의 청구항에서 현재 청구하는 바와 동일한 발명이건 아니건 그리고 본 발명이 해결하는 것과 동일한 기술적 문제들의 임의의 문제 또는 모든 문제들을 경감하든 하지 않던간에, 여기서 명시적으로 또는 암시적으로 개시 된 임의의 신규한 특징 또는 임의의 신규한 특징들의 조합 또는 그것들의 임의의 일반화도 역시 포함한다는 점이 이해되어야 할 것이다. 본 출원인은 여기서, 본 출원의 계속 중 또는 여기서부터 유래하는 임의의 추가적인 출원의 계속 중에 그러한 특징들 및/또는 특징들의 조합에 대해 새로운 청구항들이 만들어질 수 있다는 점을 예고하는 바이다.
본 명세서 및 청구범위에서 임의의 요소를 표현하는 단수 형태로 쓰여진 단어는 그 요소의 복수개의 존재를 배제하지 않는다. 또한 "포함하는"이라는 단어는 열거된 요소들 또는 단계들이 아닌 다른 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 무선(radio) 통신 시스템에서 사용하기 위한 안테나 다이버시티 수신기 등에 이용할 수 있다.

Claims (5)

  1. 안테나 다이버시티 수신기로서, 동위상 및 직교위상 채널과; 제 1 및 제 2 안테나에 연결하기 위한 수단과; 제 1 안테나로부터의 신호가 동위상 채널을 경유하며 제 2 안테나로부터의 신호가 직교위상 채널을 경유하는 제 1 상태와, 제 1 안테나로부터의 신호가 동위상 및 직교위상 채널 둘 모두를 경유하는 제 2 상태, 및 제 2 안테나로부터의 신호가 동위상 및 직교위상 채널 둘 모두를 경유하는 제 3 상태를 구비하는 스위칭 수단과; 스위칭 수단이 제 1 상태에 있을 때 동위상 및 직교위상 채널 내의 수신된 신호의 상대적인 품질을 판정하기 위한 신호 품질 비교 수단; 그리고 신호 품질 비교 수단에 의해 판정된 상대적인 신호 품질에 따라 스위칭 수단의 상태를 제어하기 위한 다이버시티 제어 수단을 포함하는, 안테나 다이버시티 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서, 수신기는 제로-IF 수신기인 것을 특징으로 하는, 안테나 다이버시티 수신기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 신호 품질 비교 수단은 각 신호에 대해 수신된 신호 세기 표시를 판정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 안테나 다이버시티 수신기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 1 및 제 2 증폭 수단이 제 1 및 제 2 안테나 중 각 하나로부터의 신호를 증폭하기 위하여 제공되며, 다이버시티 제어 수단은, 스위칭 수단이 제 2 상태에 있을 때 제 2 안테나에 대응하는 제 2 증폭 수단과 스위칭 수단이 제 3 상태에 있을 때 제 1 안테나에 대응하는 제 1 증폭 수단을 스위칭 오프하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 안테나 다이버시티 수신기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 하나의 집적 회로로서 구현되는, 안테나 다이버시티 수신기.
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