KR101201202B1

KR101201202B1 - 무선 통신 시스템에서 무선 신호 송/수신 장치

Info

Publication number: KR101201202B1
Application number: KR1020080125781A
Authority: KR
Inventors: 이일구; 강헌식; 이석규
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2012-11-15
Also published as: US20100151898A1; KR20100067294A; US8750814B2

Abstract

본 발명은 무선 통신 시스템에서 신호의 송신 장치에 관한 것으로, 특히 무선 신호의 송신 장치에 관한 것이다.

본 발명에서는 신호 도달거리를 향상시킬 수 있고, 신호대 잡음비에 따라 적응적으로 송신 전력을 제어하기 위한 송/수신 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 송신 장치는, 무선 통신 시스템에서 데이터 송신 장치로, 송신할 신호를 요구되는 전력 레벨로 증폭하는 전력 증폭기 이후에 연결되는 외부 증폭기와, 상기 전력 증폭기에서 증폭된 신호를 모드 제어 신호에 근거하여 상기 안테나로 직접 출력하거나 상기 외부 증폭기를 통해 증폭하도록 하는 송신 선택기와, 수신 장치로부터 제공되는 신호의 수신 신호의 전력 레벨을 미리 결정된 전력 레벨과 비교하여 상기 외부 증폭기의 동작 여부를 결정하는 상기 모드 신호를 생성하는 모드 선택기를 포함한다.

RF 프론트엔드 설계 방법 및 장치, 적응형 RF 도달 거리 확장, 외부 저잡음 증폭기, 송신 파워 엠프, 이득 안테나, 자동 이득 조절, 수신 신호 강도

Description

무선 통신 시스템에서 무선 신호 송/수신 장치{APPARATUS FOR TRANSMITTING/RECEIVING RF SIGNAL IN A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}

"본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제고유번호: 2006-S-014-03, 과제명: 200Mbps급 IEEE 802.11n 모뎀 및 RF 칩셋 개발]."

일반적으로 무선 통신 시스템은 데이터를 가공하고, 소정의 주파수를 이용하여 신호를 송신하도록 하는 시스템이다. 이러한 무선 통신 시스템에는 주로 음성 서비스를 위주로 하는 이동 통신 시스템과, 패킷 데이터 서비스를 위주로 하는 무선 랜(Wireless RAN), 와이브로(Wibro), 와이맥스(Wimax) 등의 시스템 등이 있다. 또한 무선 통신 시스템에서는 증가하는 대용량 멀티미디어 콘텐츠에 대한 수요를 만족시키기 위해 다양한 방법들이 제안되고 있다.

최근 무선 랜, 와이브로, 와이맥스 등의 무선 통신 표준에서는 증가하는 대용량 멀티미디어 콘텐츠에 대한 수요를 만족시키기 위해 MAC 계층과 PHY 계층에서 다양한 기술을 개발하여 사용하게 되었다. 그러면 상기한 무선 통신 시스템들에서 공통적으로 사용하고 있는 기술들에 대하여 살펴보기로 한다.

먼저 상기 시스템들에서는 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 방식을 사용하고 있다. 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 방식을 사용함으로써, 멀티캐리어를 사용할 수 있게 되어 제한된 대역폭에서 수십 메가 바이트의 전송 속도를 갖게 되었다. 또한 상기한 시스템들에서는 다중 안테나 기술을 사용하고 있다. 다중 안테나 기술은 복수개의 안테나에 서로 다른 신호를 실어 전송하는 방식이다. 따라서 다중 안테나 기술은 이론적으로 안테나 개수에 비례하는 전송 속도의 개선을 얻을 수 있게 되었다. 즉, 다중 안테나 기술은 하나의 안테나를 사용할 때와 대비하여 안테나의 개수가 2개로 증가하면 2배의 전송 속도를 가지고, 3개로 증가하면 3배의 전송 속도를 가질 수 있도록 하는 기술이다.

예를 들어 무선 랜에서는 IEEE 802.11b에서 CCK 방식으로 11Mbps의 속도를 가졌지만, 직교 주파수 분할 방식을 도입한 IEEE 802.11g/a에서는 54Mbps까지 지원 가능해졌고, 다중 안테나 기술을 도입한 IEEE 802.11n에서는 300Mbps 이상의 물리 계층 데이터 레이트가 지원 가능해졌다.

위와 같은 대비는 물리 계층의 관점에서 본 것이고, 맥(MAC) 계층에서는 이용자가 실제로 사용하면서 느끼는 데이터 레이트로 스루풋(throughput)을 정의한다. 스루풋은 전송된 패킷들 중에서 전송에 성공한 패킷의 길이를 전송하는데 소요 된 시간으로 나눈 값 즉, 전송에 성공한 패킷의 길이를 전체 패킷의 전송에 소요된 시간으로 나눈 값으로 계산한다. 따라서 전체 패킷의 전송에 소요된 시간은 패킷 헤더, 프리엠블, 패킷간 간격, 백오프 시간이 오버헤드로 작용하므로 물리 계층의 데이터 레이트가 54Mbps의 경우 MAC 계층에서는 25Mbps 정도의 스루풋을 갖게 된다. 또한 IEEE 802.11n에서 물리 계층이 300Mbps의 데이터 레이트를 지원해도 MAC 계층에서는 60Mbps 이하의 스루풋 밖에 나오지 않게 된다. 이러한 오버 헤드에 의한 스루풋 저하를 방지하기 위해 MAC 계층에서는 패킷 어그리게이션과 Block Ack 방식을 사용하며, 이 기술을 적용시 200Mbps이상의 스루풋 지원이 가능해진다.

위에서 설명한 바와 같은 기술을 사용함으로써 무선 통신 시스템에서 단말은 이동 중 인터넷 사용이 가능해지고, 동영상 통화와 대용량 멀티미디어 콘텐츠를 이용할 수 있게 되었다.

하지만, 무선 통신 시스템을 설계함에 있어 가장 중요한 두 가지는 지원 가능한 최대 전송 레이트와 신호 도달 거리이므로, 최대 전송 레이트 개선과 더불어 신호 도달 거리도 고려 대상이 되어야 한다.

그러면 먼저 신호 도달 거리를 향상시키기 위해 사용되고 있는 방법에 대하여 살펴보기로 한다. 신호 도달 거리를 향상시키기 위한 방법은 여러 가지가 있을 수 있다. 신호 도달 거리를 향상시키기 위해 일반적으로 사용되고 있는 방법으로 MAC 계층에서 링크 적응 방법과 프로토콜을 이용한 개선 방법이 있다. 또한 PHY 계층의 채널 코딩 혹은 디지털 프론트 엔드를 이용한 개선 방법에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 이를 보다 구체적으로 설명하면, MAC 계층에서는 송신 출력 및 데이터 레이트 조절 방법을 사용하여 도달 거리를 확장할 수 있다. 왜냐하면, 무선 통신 시스템에서는 단말과 단말간 또는 단말과 시스템의 기지국간 또는 단말과 액세스 포인트(Access Point)간의 거리와 채널 환경 등에 따라 전송할 수 있는 데이터의 양과 전송 속도 등이 결정되기 때문이다. 즉, 상호 무선 통신을 수행하는 대상 상호간 거리가 가깝고 신호대 잡음비(SNR)가 좋은 경우에는 높은 데이터 레이트를 이용하여 고속으로 전송할 수 있다. 반면에 상호 무선 통신을 수행하는 대상 상호간 거리가 멀거나 또는 신호대 잡음비가 나쁜 경우에는 낮은 데이터 레이트를 이용하여 저속으로 전송하여야 한다. 이러한 방법을 통해 무선 통신을 수행하는 대상간 거리를 확장할 수 있다.

또한 전력의 측면에서 살펴보면, 무선 통신을 수행하는 대상 상호간 거리가 가까운 경우 낮은 송신 출력을 사용해도 수신 가능하므로 송신 출력을 낮춰서 전력 소모를 최소화한다. 반변에 무선 통신을 수행하는 대상 상호간 거리가 먼 경우 높은 송신 출력을 사용하여 도달 거리를 확장한다. 이와 같은 송신 출력 제어 방법 및 장치에 관한 연구는 꾸준히 이루어져 왔다.

그러나, RF 처리부 내부에 구비된 다단 증폭기를 활용한 이득의 개선은 비선형 특성을 갖는 아날로그 소자를 기반으로 하기 때문에 한계가 있다. 만일 송신 신호의 전송 효율을 높이기 위해 무조건 이득이 큰 파워 엠프를 사용하면 가까운 거리의 신호가 포화 상태가 되어 신호가 왜곡된다. 또한 포화 상태 방지를 위해 낮은 이득의 파워 엠프를 사용하면 신호대 잡음비가 저하되어 성능이 떨어지는 문제가 있다.

한편, RF 모듈에서도 구성 소자별 성능 개선에 대한 연구가 활발히 이루어 지고 있다. RF 모듈은 아날로그 소자로 구성이 되며, 아날로그 소자는 비선형적인 특성을 갖고 있으므로 이득의 선형성을 보장하는 범위가 한정되어 있다. 따라서 입력단부터 출력단까지 이득의 분배가 중요하다. 또한 고주파를 베이스밴드로 변환하거나 베이스밴드를 고주파로 변환하기 위해 기본 주파수를 분주하는 과정에서 생기는 페이즈 노이즈, 센터 주파수(frequency)의 안정성 등 여러 가지 난관들이 산재해 있다. 이러한 문제들을 해결하고 성능을 개선하려는 연구가 꾼준히 진행되어 왔다. 최근에는 제한된 밴드폭에서 직교 주파수 분할 다중화 방식을 적용하여 고속의 데이터를 전송하기 위한 RF 모듈에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 이는 단일 캐리어 방식보다 멀티 케리어를 사용하는 직교 주파수 분할 다중화 방식의 경우 설계와 요구 성능치 만족이 더욱 어려워지게 되었기 때문이다. 즉, 무선 통신 시스템들이 점차로 단일 캐리어에서 멀티 캐리어로 바뀌고, 단일 안테나에서 다중 안테나로 기술이 발전해가면서 설계와 검증이 복잡해짐에 따라 시스템 수준의 검증 방법 및 시스템 관점의 접근이 필요하게 되었다.

무선 통신 시스템의 수신기는 고주파 신호를 입력 받아 베이스 밴드 신호로 복조하고, 아날로그 디지털 신호로 변환한다. 그리고 수신기의 모뎀에서는 채널 및 아날로그 소자에서 왜곡된 신호를 보상하여 복호한다. 또한 무선 통신 시스템의 송신기는 보낼 데이터를 인코딩하여 디지털 아날로그 변환기에서 아날로그 신호로 변환하여 RF부에서 고주파로 변조하여 전송하게 된다. 이러한 송/수신 과정 전반에 걸처 신호 도달 거리 확장을 위해 두 가지 관점으로 접근해야 하는데 송신 출력과 수신 신호 노이즈이다. 송신 출력에서 디지털-아날로그 변환기를 통과하기 전 신호는 기본적으로 디지털-아날로그 변환기의 비트 수와 시스템 사용 전압에 의해 결정된다. 따라서 상기 신호는 시스템 가격과 제한된 전력 때문에 가급적 작은 비트 수와 전압을 사용해야 한다. 디지털-아날로그 변환기 이후 신호는 RF부에서 송신 파워 엠프를 이용하여 아날로그 신호를 증폭된다. 이때 모든 파워 엠프는 비선형적인 특성을 갖고 있고, 보통 선형적인 구간에서 이득을 조절하여 사용하게 된다. 이 선형적인 구간은 보통 20dB에서 25dB인데, 이 선형적인 구간은 크게 증가시키기 어려우며, 시스템이 요구하는 최대 송신 출력에 따라 선형 구간의 시작점을 결정하게 된다. 예를 들어 일반적인 무선 랜용 송신 파워 앰프는 -30dBm에서 -5dBm까지의 신호를 입력받아 -10dBm에서 15dBm 범위의 신호를 출력한다. 이것을 고이득 파워 엠프로 교체할 경우 10dBm에서 35dBm 범위의 신호를 출력할 수 있다.

두 번째로 신호 도달 거리 확장을 위해 수신 신호 노이즈에 관한 고려가 필요하다. 무선 통신 시스템의 수신기는 내부에 저잡음 증폭기를 두어 수신 신호가 작을 경우 크게 증폭하여 사용하게 되는데, 저잡음 증폭기는 일반 베이스 밴드 증폭기와 다르게 잡음에 대한 영향을 최소화하여 증폭하도록 설계된다. 이때, 신호가 크게 입력되는 경우, 저잡음 증폭기는 저이득 모드로 동작하여 신호를 작게 입력되게 하고, 신호가 작게 입력되는 경우 고이득 모드로 동작하여 신호를 크게 입력되게 한다. 일반적으로 저이득 모드일 때는 잡음 지수가 작지만 하이 고모드일 경우에는 잡음 지수가 크다. 따라서 고이득 모드는 입력 신호가 작을 때 동작하는 모드이므로 상대적으로 큰 잡음 지수는 수신 신호의 신호대 잡음비 특성을 나쁘게 하여 성능을 저하시키는 요인이 된다. 이와 같은 작은 신호 입력시 저잡음 증폭기의 하이 이득 모드 동작 시 큰 잡음 지수를 개선하기 위해 RF 시스템 외부에 보다 잡음 지수가 좋은 저잡음 증폭기를 사용하면 잡음 지수가 개선될 수 있다. 하지만 무조건 RF 외부 저잡음 증폭기가 사용된다면 큰 신호 입력시 RF부에서 신호 포화 상태가 발생하게 된다.

요약하면 신호 도달 거리 확장을 위해 사용될 수 있는 두 가지 방법으로 고이득 송신 파워 엠프 및 이득 안테나와 외부 저잡음 증폭기를 사용할 수 있지만, 가까운 거리에서 고이득 송신 파워 엠프와 외부 저잡음 증폭기를 사용하면 수신단에서 신호 포화가 발생할 수 있으며, 그렇다고 항상 사용하지 않으면 신호 도달 거리가 작아진다는 문제가 있다.

따라서 본 발명에서는 신호 도달거리를 향상시킬 수 있는 송/수신 장치를 제공한다.

본 발명에서는 신호대 잡음비에 따라 적응적으로 송신 전력을 제어하기 위한 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 송신 장치는, 무선 통신 시스템에서 데이터 송 신 장치로, 송신할 신호를 요구되는 전력 레벨로 증폭하는 전력 증폭기 이후에 연결되는 외부 증폭기와, 상기 전력 증폭기에서 증폭된 신호를 모드 제어 신호에 근거하여 상기 안테나로 직접 출력하거나 상기 외부 증폭기를 통해 증폭하도록 하는 송신 선택기와, 수신 장치로부터 제공되는 신호의 수신 신호의 전력 레벨을 미리 결정된 전력 레벨과 비교하여 상기 외부 증폭기의 동작 여부를 결정하는 상기 모드 신호를 생성하는 모드 선택기를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 수신 장치는, 무선 통신 시스템에서 데이터 수신 장치로, 안테나로부터 수신된 신호를 미리 저잡음 증폭하는 외부 저잡음 증폭기와, 상기 안테나로부터 수신된 신호와 상기 외부 저잡음 증폭기의 출력을 입력으로 하고, 모드 선택 신호에 의거하여 상기 두 신호 중 하나를 선택하여 출력하는 수신 선택기와, 상기 수신 신호의 수신 전계 강도가 미리 결정된 임계값과 비교하여 상기 외부 저잡음 증폭기의 동작 여부를 결정하는 상기 모드 선택 신호를 생성하여 출력하는 모드 선택기를 포함한다.

본 발명 방법 및 장치를 사용함으로써 가까운 거리에서는 고이득 송신 출력 장치 및 외부 저잡음 증폭기를 사용하지 않고, 먼 거리에서는 사용함으로써 신호 도달 거리를 확장할 수 있게 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 당업자에게 자명한 부분에 대하여는 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략하기로 한다. 또한 이하에서 설명되는 각 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 사용된 것일 뿐이며, 각 제조 회사 또는 연구 그룹에서는 동일한 용도임에도 불구하고 서로 다른 용어로 사용될 수 있음에 유의해야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 송신기의 내부 구성도이다. 도 1에서는 본 발명에 필요한 구성들만을 도시하였으며, 실제적인 무선 송신기는 도 1의 구성에 추가적인 구성들을 더 포함할 수 있음에 유의해야 한다.

먼저 본 발명에서는 서로 다른 특성을 가지는 2가지 안테나들(ANT #1, ANT #2)을 가진다. 제1안테나(ANT #1)는 일반적인 특성 즉, 이득을 가지지 않는 안테나이며, 제2안테나(ANT #2)는 높은 이득을 가지는 안테나이다. 이러한 안테나들(ANT #1, ANT #2)은 스위치(101)에 연결된다. 스위치(101)는 안테나 선택 신호에 의거하여 일반적인 특성을 가지는 제1안테나(ANT #1) 또는 높은 이득을 가지는 제2안테나(ANT #2) 중 하나의 안테나를 선택한다.

먼저 본 발명에 따른 수신단의 구성을 살펴보기로 한다.

스위치(101)로부터 수신된 신호는 무선 프론트 앤드부(RF Front-End Unit)(110)로 입력되며, 둘로 분기되어 하나의 신호는 본 발명에 따라 구비된 외부 저잡음 증폭기(LNA)(111)로 입력되고, 나머지 하나의 신호는 수신 선택기(112)로 입력된다. 외부 저잡음 증폭기(111)는 스위치(101)를 통해 수신된 신호를 저잡음 증폭하여 수신 선택기(112)로 입력된다. 수신 선택기(112)는 후술될 모드 선택기(114)의 제어에 의해 스위치(101)로부터 수신된 신호 또는 외부 저잡음 증폭기(111)로부터 수신된 신호 중 하나의 신호를 선택하여 출력한다. 여기서 수신기의 수신 전력을 줄이기 위해 선택 신호가 외부 저잡음 증폭기(111)의 신호를 수신하지 않도록 하는 경우 외부 저잡음 증폭기(111)로 공급되는 전원을 차단하도록 구성할 수도 있다. 수신 선택기(112)에서 선택된 신호는 일반적인 무선 프론트 앤드부(110)에 구비되는 증폭부(113)로 입력된다. 증폭부(113)에는 저잡음 증폭기(113a) 및 수신용 전압 제어 증폭기(113b)를 포함한다. 상기 저잡음 증폭기(LNA)(113a) 및 수신용 전압 제어 증폭기(VGA)(113b)는 후술할 소정의 제어 값에 의해 수신 신호의 이득을 조절하여 수신기 디지털 프론트 앤드부(Receiver Digital Front-End Unit)(120)로 출력한다. 도 1에서는 무선 신호의 대역 하강 변환을 위한 구성은 도시하지 않았다. 대역 하강 변환에서는 일반적으로 널리 사용되는 슈퍼헤테로다인 방식을 사용할 수도 있고, 직접 변환 방식을 사용할 수도 있다. 이러한 대역 하강 변환에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

수신기 디지털 프론트 앤드부(120)로 입력된 신호는 아날로그-디지털 변환기(ADC)(121)로 입력된다. 아날로그-디지털 변환기(121)는 입력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 아날로그-디지털 변환기(121)에서 출력된 신호는 둘로 분기되어 하나의 신호는 왜곡 보상부(122)로 입력되고, 나머지 하나의 신호는 자동 이득 제어기(AGC)(124)로 입력된다. 왜곡 보상부(122)는 입력된 신호의 왜곡을 보상하여 출력한다. 왜곡 보상부(122)에서 왜곡 보상된 신호는 수신 전계 강도(RSSI) 측정부(123)로 입력되며, 수신 전계 강도 측정부(123)에서 수신 전계 강도를 측정하고, 측정된 수신 전계 강도 값을 출력하며, 동시에 왜곡 보상된 신호를 모뎀(140)으로 전달한다.

한편, 아날로그-디지털 변환기(121)의 출력을 수신한 자동 이득 제어기(124)는 수신된 신호의 레벨을 검사하고, 검사된 수신 레벨에 따라 무선 프론트 앤드부(110)에 구비된 증폭부(113)의 저잡음 증폭기(113a) 및 수신용 전압 제어 증폭기(113b)의 이득을 결정하여 증폭부(113)의 이득 값을 제공한다.

다음으로 송신 신호에 대하여 살펴보기로 한다. 모뎀(140)에서 변조 및 부호화된 신호는 송신 프론트-앤드부(Transmitter Front-End Unit)(130)의 디지털-아날로그 변환기(131)로 입력된다. 디지털-아날로그 변환기(131)는 입력된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 무선 프론트 앤드부(110)로 제공한다. 여기서도 송신 신호를 대역 상승 변환하기 위한 구성은 도시하지 않았으며, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한 송신 프론트-앤드부(130)에는 송신 전력 제어기(132)를 가진다. 송신 전력 제어기(131)는 송신할 신호의 송신 전력값 즉, 무선 프론트-앤드부(110)의 송신 증폭기의 이득값을 결정하여 출력한다.

무선 프론트 앤드부(110)의 송신용 전압 제어 증폭기(VGA)(115)는 입력된 신호를 송신 전력 제어기(132)로부터 수신된 이득값으로 증폭하여 송신 선택기(116)로 제공한다. 그러면 송신 선택기(116)는 후술될 제어 신호에 의해 제1출력 또는 제2출력을 선택적으로 출력한다. 송신 선택기(116)의 제1출력은 본 발명에 따른 외부 전압 제어 증폭기(VGA)(117)로 입력된다. 외부 전압 제어 증폭기(117)는 입력된 신호를 소정의 증폭값으로 증폭하여 출력한다. 외부 전압 제어 증폭기(117)의 출력과 송신 선택기(116)의 제2출력은 서로 연결되어(wired) 스위치(101)로 입력된다.

스위치(101)는 앞에서 설명한 바와 같이 안테나 선택 신호에 의거하여 제1안테나(ANT #1) 또는 제2안테나(ANT #2) 중 하나의 안테나를 선택하여 송신 신호를 출력하도록 한다.

본 발명에 따른 수신 선택기(112)와 송신 선택기(116)의 제어 신호를 생성하는 모드 선택기(114)는 전술한 바와 같이 RSSI 측정부(123)로부터 수신된 신호를 하나의 입력으로 하고, 도 1에는 도시하지 않았으나, 무선 신호로부터 직접 측정한 RSSI 신호를 다른 하나의 입력으로 한다. 모드 선택기(114)는 두 신호를 제어 신호(CTL)에 의거하여 선택적으로 출력한다. 상기 제어 신호는 일반적으로 레지스터(도면에 도시하지 않음)에 프로그래머블(programmable)하게 구현된 장치로부터 제공될 수도 있고, 제어 기능을 수행하는 프로세서로부터 제공될 수도 있다. 여기서는 설명의 편의를 위해 제어부로부터 제공되는 것으로 가정하기로 한다.

다음으로 본 발명에 따른 동작에 대하여 살펴보기로 한다.

이상에서 설명한 바와 같은 도 1의 구성에서 수신기에서 신호를 수신하는 경우 최초 동작에서는 높은 이득 특성을 가지는 제2안테나(ANT #1)를 이용하고, 외부 저잡음 증폭기(111)를 사용하지 않는 상태로 신호를 수신한다. 이러한 방식으로 수신된 신호는 아날로그-디지털 변환기(121)로 입력되어 디지털 신호로 변환된다. 따라서 디지털 신호는 자동 이득 제어기(124)로 입력되어 증폭부(113)를 제어하기 위한 이득값이 출력된다. 이를 통해 증폭부(113)의 이득을 제어할 수 있다.

또한 디지털 신호는 왜곡 보상부(122)에서는 왜곡 보상되어 RSSI 측정부(123)로 입력된다. 그러면 RSSI 측정부(123)는 왜곡 보상된 신호로부터 수신 전 계 강도를 측정한다. 이때, RSSI 측정부(123)에서 측정된 수신 전계 강도는 하기 <수학식 1>과 같이 계산된 값이 된다.

모드 선택부(114)는 제어 신호에 의거하여 상기 <수학식 1>과 같이 계산되는 RSSI 값 또는 무선 신호로부터 직접 측정한 신호 중 하나의 신호를 선택하여 출력한다. 상기한 값들 중 선택된 하나의 신호가 미리 정해진 임계값을 초과하면 저이득 모드가 되어 무이득 안테나인 제1안테나(ANT #1)를 사용한다. 따라서 이때에는 수신기의 소모 전력을 줄이기 위해 본 발명에 따른 외부 저잡음 증폭기(111) 및 외부 전압 제어 증폭기(117)로 제공되는 전원을 차단한다. 즉, 2개의 외부 증폭기들(111, 117)은 증폭 동작을 하지 않도록 한다. 반면에 선택된 두 신호 중 하나의 신호가 미리 정해진 임계값을 이하인 경우 높은 이득이 필요한 경우가 된다. 따라서 이러한 경우 고이득 모드가 되어 높은 이득을 가지는 제2안테나(ANT #2) 및 외부 저잡음 증폭기(111) 및 외부 전압 제어 증폭기(117)로 전류를 공급하여 신호를 증폭하도록 한다. 따라서 무선 채널 상황 및 거리에 적응적으로 신호를 송/수신할 수 있도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 무선 프론트 앤드부의 상세 구성 및 무선칩의 연결 관계를 도시한 도면이다.

무선 프론트 앤드부(110)는 도 1에서 설명한 무선 프론트 앤드부와 동일하 다. 다만, 도 2에서는 도 1에서 생략된 부분들에 대하여 더 포함하도록 구성한 것이며, 스위치(101)를 더 포함하여 도시하였다.

먼저 스위치(101)는 앞에서 살펴본 바와 같이 일반적인 특성을 가지는 이득이 없는 제1안테나(ANT #1)와 연결되는 단자와 높은 이득 특성을 가지는 제2안테나(ANT #2)와 연결되는 단자를 가지며, 안테나 선택 신호는 ant_sel/ant_selb 신호를 이용하여 각 안테나를 선택하여 스위칭 할 수 있다. 또한 송신 신호를 입력받는 단자(tx)와 수신 신호를 출력하는 단자(rx)를 포함한다. 스위치(101)로 수신된 수신 신호는 둘로 분기되어 하나는 외부 저잡음 증폭기(111)로 입력되며, 나머지 하나는 수신 선택기(112)로 입력된다. 또한 외부 저잡음 증폭기(111)는 입력된 신호를 저잡음 증폭하여 수신 선택기(112)의 다른 한 입력으로 출력한다. 그러면 수신 선택기(112)는 제어 신호에 의거하여 하나의 신호를 선택적으로 출력한다. 상기 수신 선택기(112)의 출력 신호는 RFIC 칩(210)의 RXRFH 단자로 입력된다.

한편, 무선 송신 신호인 TXRFH+ 및 TXRFH- 신호는 발룬(201)의 서로 다른 입력단들(diff1, diff2)로 입력되며, 발룬(201)에서 위상 변환된 신호는 endout 단자로 출력된다. 상기 신호는 제1대역 통과 필터(BPF)(202)에서 불요파가 제거되어 송신 선택기(116)로 입력된다. 그러면 송신 선택기(116)는 모드 선택기(114)에서 출력된 선택 신호에 의거하여 전력 증폭기로 동작하는 외부 전압 제어 증폭기(117)로 입력되거나 또는 특정 증폭 동작을 수행하지 않는 전력 증폭기(204)로 입력된다. 상기 전력 증폭기들(117, 204) 중 하나에서 출력된 신호는 제2대역 통과 필터(205)로 입력된다. 제2대역 통과 필터(205)는 원하는 신호 대역을 제외한 신호를 제거한 후 스위치(101)의 송신단(tx)으로 입력한다. 또한 모드 선택기(114)는 도 1에서는 설명하지 않았으나, RFIC 칩(210)에서 무선 신호로부터 획득된 수신 전계 강도(RSSI)를 하나의 입력으로 하고, 도 1에서 살핀 바와 같이 <수학식 1>과 같이 계산된 RSSI 값을 다른 하나의 입력으로 한다. 이러한 입력은 소정의 제어 신호에 의거하여 두 개의 RSSI 중 하나의 RSSI 값을 선택하여 출력한다.

RFIC 칩(210)은 아날로그로 변환된 송신 신호를 송신 대역의 신호로 대역 상승하며, 수신 선택기(112)로부터 입력된 아날로그의 무선 신호를 대역하강 변환한다. 도 2에서 RFIC 칩(210)의 나머지 포트들은 참조를 위해 도시하였으며, 본 발명과 크게 연관이 없으므로 여기서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

이상에서 설명된 본 발명에 따른 무선 송/수신기는 이전에 사용되고 있던 송/수신기와 대비하여 아래와 같은 효과를 가지게 된다.

먼저 이전에 사용되고 있던 송/수신기는 최대 100m 내외의 신호 도달 거리를 가지게 되지만, 본 발명에 따른 송/수신기는 약 800 미터 혹은 1Km 이상으로 신호 도달 거리를 확장할 수 있다. 또한 물리(PHY) 계층에서는 비터비 디코더, 터보 코딩, LDPC, STBC와 같은 코딩 방법을 사용하여 채널에 의해 노이즈가 섞인 신호의 오류를 정정하는 방법과 디지털 프론트 엔드의 채널 및 아날로그 소자에서 발생하는 왜곡된 신호의 보상 방법을 사용하여 신호 도달 거리를 확장할 수 있다.

즉, 이상에서 살펴본 본 발명은 디지털 모뎀 혹은 RF단에서 수신 신호 강도를 측정하여 송신 파워 엠프와 외부 저잡음 증폭기를 스위칭하도록 하여 먼 거리 신호는 신호 증폭도를 높여 송신하며, 수신시에는 신호의 레벨을 높여서 수신하도 록 한다. 하지만, 가까운 거리 신호는 작은 레벨로 송신하고, 수신시에는 신호 레벨의 증폭도를 낮춰 수신하게 한다. 이와 같이 구성함으로써 다른 단말과의 간섭을 억제할 수 있으며, 신호 송/수신 효율을 높일 수 있다.

그러면 본 발명에 따른 장치를 사용하여 3가지 모드를 이용할 수 있다. 첫째로 고이득 모드가 있고, 둘째로 중간 이득 모드가 있으며, 셋째로 저이득 모드가 있다. 고이득 모드는, 이득이 있는 안테나와 고이득 증폭기, 예컨대 외부 전압 제어 증폭기와 외부 저잡음 증폭기를 사용한 경우이고, 중간 이득 모드는 이득이 없는 안테나와 고이득 증폭기, 예컨대 외부 전압 제어 증폭기와 외부 저잡음 증폭기를 사용한 경우이며, 저이득 모드는 이득 없는 안테나를 사용하고, 고이득 증폭기, 예컨대 외부 전압 제어 증폭기 및 외부 저잡음 증폭기를 사용하지 않은 경우이다. 이러한 경우를 거리에 따른 EVM 측정치는 도 3과 같이 도시할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 장치에서 거리와 EVM 측정치를 각 이득 모드별로 구분하여 도시한 도면이다.

도 3의 실험은 장애물이 없는 실외 환경에서 시행했으며, IEEE 802.11a 표준에 따라 5GHz 대역에서 6Mbps 모드, 변조 방식은 BPSK 방식을 사용하고, 직교 주파수 분할 다중화 방식 신호로 실험하였다. 도 3의 실험 결과는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 일 예가 될 수 있으며, 다른 무선 통신 표준 및 어플리케이션에 적용 가능하다.

도 3에서 'x'표시는 고이득 모드이고, 'o' 표시는 된 중간 이득 모드이며, '+' 표시는 저이득 모드이다. 도 3의 측정 결과를 통해 알 수 있듯이 실험에서 이용한 BPSK 신호는 5dB 이상의 신호대 잡음비를 요구하므로 저이득 모드의 경우는 신호 도달 거리가 100m가 안 된다. 하지만, 중간 이득 모드의 경우는 신호 도달 거리가 약 500m까지 가능함을 알 수 있다. 또한 고이득 모드의 경우 신호 도달 거리는 750m까지 가능하다. 이 측정 결과는 실외에서 거리에 따른 신호대 잡음비 (에러 벡터 크기, EVM과 비례하는 지표)와의 관계를 나타내지만, 실내 공간에서 장애물의 개수와 거리 지표는 비례 관계가 성립하는 것으로 알려져 있다. 즉, 먼 거리까지 도달 가능하도록 설계한 시스템은 실내 공간에서도 여러 개의 장애물을 통과하여 송수신 가능하다. 도 3의 측정 결과에서와 같이 수신 신호의 크기를 RSSI로 판단하여 고이득 모드의 경우와 저이득 모드의 경우를 스위칭하는 구조 및 방법을 이용한 본 발명을 이용하면 30m 내의 거리에서 저이득 모드로 높은 신호대 잡음비를 유지할 수 있으므로 높은 데이터 레이트 모드 지원이 가능하며, 그 이상의 거리부터 약 750m거리까지 그 보다 낮은 데이터 레이트로 도달 거리 확장이 가능해진다.

도 4는 RFIC 내부 저잡음 증폭기의 모드와 외부 저잡음 증폭기의 동작 여부에 따라 입력 신호 크기와 EVM 측정값을 나타낸 그래프이다.

도 4에서 L은 내부 저잡음 증폭기의 저이득 모드(Low gain mode), M은 중간 이득 모드(Medium gain mode), H는 고이득 모드(High gain mode)를 나타내며, 각 모드에 병기되어 있는 숫자는 1이 외부 저잡음 증폭기를 사용하지 않은 경우이며, 2가 외부 저잡음 증폭기를 사용한 경우이다. 예를 들어 L2는 내부 저잡음 증폭기가 저이득 모드이고, 외부 저잡음 증폭기를 사용한 경우의 입력 신호 크기 대 EVM 측정 결과이다. 도 4에 도시되어 있는 그래프들에서 알 수 있듯이 외부 저잡음 증폭기를 사용시 내부 저잡음 증폭기의 모드에 상관없이 노이즈의 개선 효과를 나타낸 다. 특히 작은 신호가 입력되어 신호대 잡음비 특성이 나쁜 내부 저잡음 증폭기의 고이득 모드의 경우에 그 효과가 월등함을 볼 수 있다.

따라서 본 발명을 적용하는 경우의 무선 통신 시스템과 본 발명을 적용하지 않는 경우의 무선 통신 시스템을 대비하면 본 발명을 적용하는 경우가 탁월한 효과를 가짐을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 송신기의 내부 구성도,

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 무선 프론트 앤드부의 상세 구성 및 무 선칩의 연결 관계를 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 장치에서 거리와 EVM 측정치를 각 이득 모드별로 구분하여 도시한 도면,

도 4는 RFIC 내부 저잡음 증폭기의 모드와 외부 저잡음 증폭기의 동작 여부에 따라 입력 신호 크기와 EVM 측정값을 나타낸 그래프.

Claims

무선 통신 시스템에서 데이터 송신 장치에 있어서,

송신 신호를 요구되는 전력 레벨로 제1증폭하는 전력 증폭기;

상기 제1증폭된 송신 신호를 제2증폭하는 외부 증폭기;

상기 제1증폭된 송신 신호 및 상기 제2증폭된 송신 신호를 송신하는 제1안테나 및 제2안테나;

상기 제1증폭된 송신 신호를 제어 신호에 근거하여, 상기 제1안테나 및 상기 제2안테나로 출력하거나, 상기 외부 증폭기로 출력하는 송신 선택기; 및

상기 제1안테나 및 상기 제2안테나를 통해 수신되는 수신 신호의 전력 레벨을 미리 결정된 전력 레벨과 비교하여, 상기 외부 증폭기의 동작 여부를 결정한 후, 상기 제어 신호를 출력하는 모드 선택기;를 포함하며;

상기 제2안테나는 상기 제1안테나보다 높은 이득을 가지며;

상기 제1안테나 및 상기 제2안테나를 통해, 저이득 모드, 중간 이득 모드, 및 고이득 모드 중 하나의 모드로 상기 송신 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 무선 신호 송신 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제1안테나 및 상기 제2안테나 중 하나의 안테나를 선택하는 스위치; 및

상기 수신 신호의 전력 레벨이 상기 미리 결정된 전력 레벨 이하인 경우, 상기 제1안테나에서 상기 제2안테나로 스위칭시키는 안테나 선택 신호를 출력하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 신호 송신 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 모드 선택기는,

상기 수신 신호의 전계 강도와 왜곡 보상된 수신 신호의 전계 강도를 비교하여, 상기 수신 신호의 전력 레벨과 상기 미리 결정된 전력 레벨 간을 비교하는 것을 특징으로 하는 무선 신호 송신 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 저이득 모드에서는 상기 제1증폭된 송신 신호를 상기 제1안테나를 통해 송신하고;

상기 중간 이득 모드에서는 상기 제1증폭된 송신 신호를 상기 제2안테나를 통해 송신하며;

상기 고이득 모드에서는 상기 제2증폭된 송신 신호를 상기 제2안테나를 통해 송신하는 것을 특징으로 하는 무선 신호 송신 장치.
무선 통신 시스템에서 데이터 수신 장치에 있어서,

제1안테나;

상기 제1안테나 보다 높은 이득을 갖는 제2안테나;

상기 제1안테나 및 상기 제2안테나를 통해 수신되는 수신 신호를 제1증폭하는 외부 저잡음 증폭기;

상기 수신 신호와 상기 제1증폭된 수신 신호 중 하나의 신호를, 제어 신호에 의거하여 선택한 후 출력하는 수신 선택기;

상기 수신 선택기의 선택에 따라, 상기 수신 신호와 상기 제1증폭된 수신 신호 중 하나의 신호를 제2증폭하는 증폭부; 및

상기 수신 신호의 전력 레벨을 미리 결정된 전력 레벨과 비교하여, 상기 외부 저잡음 증폭기의 동작 여부를 결정한 후, 상기 제어 신호를 출력하는 모드 선택기;를 포함하며;

상기 제1안테나 및 상기 제2안테나를 통해, 저이득 모드, 중간 이득 모드, 및 고이득 모드 중 하나의 모드로 상기 수신 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 무선 신호 수신 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 제1안테나 및 상기 제2안테나 중 하나의 안테나를 선택하는 스위치; 및

상기 수신 신호의 전력 레벨이 상기 미리 결정된 전력 레벨 이하인 경우, 상기 제1안테나에서 상기 제2안테나로 스위칭시키는 안테나 선택 신호를 출력하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 신호 수신 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 모드 선택기는,

상기 수신 신호의 전계 강도와 왜곡 보상된 수신 신호의 전계 강도를 비교하여, 상기 수신 신호의 전력 레벨과 상기 미리 결정된 전력 레벨 간을 비교하는 것을 특징으로 하는 무선 신호 수신 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 저이득 모드에서는 상기 제1안테나를 통해 수신되는 수신 신호가 상기 제2증폭되고;

상기 중간 이득 모드에서는 상기 제2안테나를 통해 수신되는 수신 신호가 상기 제2증폭되며;

상기 고이득 모드에서는 상기 제2안테나를 통해 수신되는 수신 신호가 상기 제1증폭된 후 상기 제2증폭되는 것을 특징으로 하는 무선 신호 수신 장치.
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