KR101202337B1 - 밀리미터파를 이용하는 송수신기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀리미터파를 이용하는 송수신기를 개시한다.

본 발명은 같은 장비의 수신단의 수신신호를 바탕으로 송신신호의 출력전력을 결정함으로써 대기 중에 발생할 수 있는 손실 값을 예측하는 것이 가능하므로 전체 링크 버짓(link budget)의 성능을 향상시킬 수 있으며 출력신호의 제어를 상당히 빠르게 할 수 있다.

Description

밀리미터파를 이용하는 송수신기{Transceiver using milimeterwave}

본 발명은 점대점 무선통신시스템에서의 송수신기에 관한 것으로, 특히 밀리미터파 점대점 고정통신시스템에서 수신신호 전력크기를 이용해 송신신호의 전력크기를 조절하는 송수신기에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발지원사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제번호: 2008-F-013-01, 과제명: 스펙트럼 공학 및 밀리미터파대 전파자원 이용기술개발].

밀리미터파 무선 통신의 경우, 송신기와 수신기 사이에 가시경로(LOS, Line of sight)가 유지되어야 함은 물론 1도 이내의 아주 좁은 빔(pencil beam)을 사용해 통신을 해야 한다. 그렇기 때문에 설치할 때 정확한 안테나의 배치가 중요하다.

그리고 실외의 옥상 등 높은 곳에 설치되는 특성상 강한 바람 때문에 안테나가 흔들려 수신신호의 흔들림이 발생할 수 있으며 강우량에 따라 경로상에 발생하는 손실 값의 차이가 많이 발생하게 된다. 이와 같은 무선링크 손실을 실시간 감시하고 이에 따라 출력전력의 크기를 변화시킬 수 있는 방법이 필요하다.

본 발명은 밀리미터파를 사용하는 고정통신용 시스템에서 동일장비의 수신 신호 전력크기를 이용해 송신 신호의 출력 전력크기를 실시간 조절함으로써 실시간으로 발생하는 무선공간의 변화에 대응할 수 있게 하여 송수신기의 성능을 향상하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명은 밀리미터파 무선 점대점 통신시스템에서 송신기의 출력전력 제어를 위해 수신기의 입력신호의 크기를 제어신호로 이용한다.

본 발명의 송수신기는, 입력 신호로부터 송신 신호를 생성하여 안테나로 전송하는 송신기; 상기 안테나가 수신한 수신 신호를 복구하는 수신기; 및 상기 수신 신호의 전력을 기초로 상기 송신 신호의 출력 전력을 제어하는 제어 신호를 출력하는 전력검출기;를 포함할 수 있다.

보다 바람직하게 상기 전력검출기는 상기 수신기의 IF 단 또는 RF 단 중 하나의 출력 신호의 전력을 검출할 수 있다.

본 발명은 같은 장비의 수신단의 수신신호를 바탕으로 송신신호의 출력신호를 결정함으로써 대기 중에 발생할 수 있는 손실 값을 예측하는 것이 가능하므로 전체 링크 버짓(link budget)의 성능을 향상시킬 수 있으며 출력신호의 제어를 상당히 빠르게 할 수 있다.

그리고 본 발명은 수신신호의 간단한 전력검출로 쉬운 제어회로의 구현이 가능하다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 명세서에 기재된 "…부", "…기", "…블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

본 발명은 송신부에 위치한 가변감쇠기가 수신부에 위치한 전력검출기로부터 수신신호의 전력크기에 대한 정보를 받고 이에 따라 감쇠량을 조절하여 출력전력을 조절하는 구조로 된 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 밀리미터파 점대점 고정통신 송수신 시스템의 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 무선 송수신 시스템은 이더넷 스위치(101)와, O/E 또는 E/O 변환기(102)와, 다이오드 변조기(103), RF 국부발진기(RF LO)(104), 가변감쇠기(105), 고출력 전력증폭기(106)를 포함하는 송신부와, 저잡음 증폭기(109), 하향믹서(110), 대역통과필터(111), AGC 회로(112), 전력검출기(113), 클럭데이터 복구회로(114)를 포함하는 수신부와, 듀플렉서(107)와 안테나(108)를 구비하고 있다. 이와 같은 구성을 갖는 일반적인 밀리미터파 송수신 시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.

송신의 경우, 사용자망을 통해 이더넷 스위치(101)로 입력된 데이터는 O/E 변환기(102)에서 광신호가 전기적 신호로 변환되고, 다이오드 변조기(103)로 입력된다. 다이오드 변조기(103)로 입력된 신호는 OOK 신호로 변조되고, 가변감쇠기(105)에서 외부 제어 신호에 의해 전력이 조절되어 출력된다. 가변감쇠기(105)의 출력 신호는 최종단의 고출력 전력증폭기(106)에서 증폭된 후, 듀플렉서(107)와 안테나(108)를 통해 방사된다. 송신 RF 국부발진기(104)의 출력은 다이오드 변조기(103)에 인가된다.

수신의 경우, 타 송신부로부터 방사된 신호는 안테나(108)와 듀플렉서(107)를 거쳐 입력된다. 듀플렉서(107)의 출력 신호는 저잡음증폭기(109)에서 저잡음 증폭된 후, 하향믹서(110)를 통해 낮은 주파수의 신호로 변환된다. 하향믹서(110)의 출력 신호는 대역통과필터(112)에서 대역 외 신호가 제거된 후, 데이터의 원활한 복구를 위해 AGC(Automatic Gain Control)회로(113)와 전력검출기(114)에 의해 일정한 전력크기로 출력된다. 이 출력 신호는 클럭 데이터 복구회로(115)에서 클럭 및 데이터로 복구되고, 전기적 신호를 광신호로 변환하는 E/O 변환기(102)를 거쳐 사용자망으로 출력된다. 수신 RF 국부발진기(111)의 출력은 하향믹서(110)에 인가된다.

우선 송신부의 가변감쇠기(105)는 밀리미터파 점대점 통신 장비의 설치시에 사용되는 것으로 장비가 설치되는 거리에 따른 손실 값을 보상하기 위해 외부에서 수동으로 조절하게 되어있다. 즉 멀리 떨어져 있는 수신단의 수신전력을 보고 원하는 수신신호의 전력 값이 될 때까지 가변감쇠기(105) 값이 조절된다. 이는 초기 설치가 어려울 뿐만 아니라 안테나의 흔들림이나 강우 감쇠에 의한 무선링크 손실을 보상할 수 없다.

또 다른 방법으로 각 링크는 송신기의 출력 전력을 제어하기 위해서 신호를 수신한 반대편 수신기에서는 수신신호의 크기를 측정해 이 값을 프레임에 실어서 중앙제어장치로 보낸다. 또한 송신기는 출력 전력에 대한 정도를 중앙제어장치로 보낸다. 중앙제어장치는 이 모든 정보를 종합해 각 링크의 출력전력 값을 제어한다. 하지만 이러한 구조는 구현상 복잡성이 높으며 송수신기 장치 내의 CPU와 데이터 전송을 위한 스위치 사이의 통신이 필수적이므로 비용이 증가하게 된다.

70/80GHz 대역의 점대점 통신시스템에서는 날씨 및 대기조건이 변하면 링크 경로상의 손실 값도 같이 변하게 된다. 이는 수신전력 값의 변화를 발생시킨다. 70/80GHz 대역을 예로 들어 손실 값을 계산해보면 다음과 같다.

안테나 사이의 거리가 최소 100m에서 1000m가지 변할 수 있고 강우 감쇠를 시간당 45mm까지 고려하여 설계해야 하는 시스템을 가정하자.

우선 거리에서 10배의 가변범위가 있기 때문에 수신전력에서는 20dB의 차이가 발생할 수 있다. 그리고 시간당 45mm의 강우 감쇠는 1km 당 18dB의 감쇠를 가진다. 이 둘을 고려하면 수신기에서 발생할 수 있는 최대 전력차이가 발생하는 조건은 다음과 같다.

최소수신전력: 1km 거리에서 45mm/hr의 비가 내리는 경우

최대수신전력: 100m 거리에서 맑은 날의 경우

이때 둘 사이의 전력 차이는 20+18=38dB이며 이를 수신기의 다이나믹레인지(dynamic range)로 모두 처리하기에는 무리가 있다. 그렇게 때문에 송신기의 전력조절을 통해 얼마만큼의 전력조절 범위를 나누어 갖는 것이 필요하다.

거리에 따른 전력크기 변화의 경우 초기 안테나 설치시 송신기의 가변감쇠를 사용해 고정값으로 셋팅한다고 가정하자. 그러면 강우 감쇠에 의해 발행하는 18dB의 전력차이가 발생한다. 이것은 자유공간에서 8배의 링크거리에 해당한다. 즉, 1km 거리의 링크거리가 8km 거리 밖에서도 데이터를 복구할 수 있을 만큼의 전력크기를 수신하는 것이 가능하다. 이는 또한 다른 시스템에 간섭으로 작용할 수 밖에 없다.

도 2는 강우량과 수신전력 간의 관계와 이에 따른 성능 변화를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 우선 최대 강우량 45mm/hr의 경우를 기준으로 시스템 링크버짓을 계산하여 수신단에 입력되는 수신전력 값을 계산한다. 링크버짓은 신호의 가능한 최소 SNR(signal to noise ratio) 값을 의미하며 이 값을 바탕으로 맑은 날 최대 수신전력 값을 알 수가 있다. 이에 따라, 최대 강우량에서 최소수신레벨은 -39dBm이며 강우 감쇠 18dB를 제외한 -21dBm이 최대수신레벨이 된다. 여기서 최소수신레벨은 필요한 SNR 마진이 부족할 수 있기 때문에 성능열화를 나타내며 최대수신레벨은 수신기의 입력 IP1dB값에 가깝기 때문에 성능열화를 일으킬 수 있다. 그렇기 때문에 적절한 수신레벨을 유지시켜주는 것은 성능향상에 큰 도움이 된다.

밀리미터파 고정 점대점 통신 시스템의 경우, 기본적으로 가시경로를 기본적으로 확보해야 하며 1도 이하의 좁은 빔 폭을 가져야만 하기 때문에 일반적으로 다중경로(multipath)가 존재하지 않는다. 그렇기 때문에 무선 링크 상에서 발생하는 손실이 동일 시간에 발생하고 상당히 좁은 빔폭을 가지는 안테나에 의해 방사되기 때문에 공간적으로도 같은 조건을 가진다고 가정할 수 있다.

도 3은 일반적인 링크 구성도를 나타낸다.

장치A와 장치B의 송신기 출력전력이 같고 장치A에서 장치B로의 무선경로손실과 장치B에서 장치A로의 무선경로손실이 같다면, 장치B의 수신기에서 측정되는 수신전력과 장치A의 수신기에서 측정되는 수신전력은 동일할 것이다. 따라서 이를 이용해 자신의 수신기로 입력되는 수신신호의 전력크기를 바로 송신기의 가변감쇠기의 제어신호로 이용하는 것이 가능하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송수신기 구조의 개략적 블록도이다.

도 4의 송수신기(400)는 입력 신호로부터 송신 신호를 생성하여 안테나로 전송하는 송신기(450), 안테나가 수신한 수신 신호를 복구하는 수신기(480), 송신 기(450)와 수신기(480)가 공유하는 광전변환기(402), 듀플렉서(408), 안테나(409), IF 국부발진기(416), 전력검출기(417) 및 RF 국부발진기(418)를 포함한다.

송신기(450)는 송신모뎀/DAC(Digital to Analog Converter)(403), IF 상향믹서(404), 가변감쇠기(405), RF 상향믹서(406), 고출력 전력증폭기(407)를 포함한다.

수신기(480)는 저잡음 증폭기(410), RF 하향믹서(411), AGC 회로(412), 전력검출기(413), IF 하향믹서(414), 수신모뎀/ADC(Analog to Digital Converter)(415)를 포함한다.

전력검출기(417)는 수신 신호의 전력을 기초로 상기 송신 신호의 출력 전력을 제어하는 제어 신호를 출력하며, 수신기(480)에 위치할 수도 있고 송신기(450)와 수신기(480) 간에 위치할 수도 있다.

먼저 송신기의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

사용자망을 통해 이더넷 스위치(401)로 입력된 데이터는 O/E 변환기(402)로 입력된다. O/E 변환기(402)는 입력 광신호를 전기적 신호로 변환하고 송신 모뎀(403)은 O/E 변환기(402)의 출력 신호를 변조한 뒤 DAC(403)를 통해 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한 후 IF 상향믹서(404)로 출력한다. 송신모뎀/DAC(403)의 출력 신호는 무선상에 방사되기 위해 IF 상향믹서(404)와 RF 상향믹서(406)를 통해 원하는 주파수로 상향 변환되고 또한 원하는 출력전력을 제어하기 위한 가변감쇠기(405)를 통해 출력전력이 제어된다. IF 상향믹서(404)는 송신모뎀/DAC(403)의 출력 신호와 IF 국부발진기(416)로부터 출력되는 신호를 업 믹싱하여 기저대역 신호 를 IF 신호로 변환한다. RF 상향믹서(406)는 가변감쇠기(405)의 출력 신호와 RF 국부발진기(418)의 출력 신호를 업 믹싱하여 IF 신호를 RF 신호로 변환한다. 이때 가변감쇠기(405)의 제어 신호는 전력검출기(417)가 검출한 수신기(480)의 전력크기가 이용된다. RF 상향믹서(406)의 출력은 고출력 전력증폭기(407)에서 높은 출력 신호로 증폭된 후 듀플렉서(408)와 안테나(409)를 거쳐 방사된다.

다음으로 수신기의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

안테나(409)와 듀플렉서(408)를 통해 입력된 밀리미터파 신호는 저잡음증폭기(410)에서 저잡음 증폭되고, RF 하향믹서(411)를 통해 IF 주파수로 하향 변환된 후, 데이터의 원활한 복구를 위해 AGC 회로(412)에서 자동 이득 제어에 의해 일정 크기로 증폭된 후 전력검출기(413)를 거쳐 일정한 전력크기의 신호로 출력된다. 전력검출기(413)의 출력 신호는 IF 하향믹서(414)에서 기저대역 신호로 하향 변환되고, ADC(415)에서 아날로그 신호가 디지털 신호로 변환되고 수신모뎀(415)에서 신호 복조된다. 수신모뎀(415)의 출력 신호는 E/O 변환기(402)에서 전기적 신호가 광신호로 변환되고, 이더넷 스위치(401)를 통해 사용자망으로 출력된다. RF 하향믹서(411)는 저잡음증폭기(410)의 출력 신호와 RF 국부발진기(418)의 출력 신호를 다운 믹싱하여 RF 신호를 IF 신호로 변환한다. IF 하향믹서(414)는 전력검출기(413)의 출력 신호와 IF 국부발진기(416)의 출력 신호를 다운 믹싱하여 IF 신호를 기저 대역 신호로 변환한다. RF 하향믹서(411)에 의해 변환된 IF 신호의 출력전력은 전력검출기(417)에 의해 검출되어 송신기(450) 내 가변감쇠기(405)의 제어 신호로 이용된다.

상기 실시예는 송신기(450)의 출력전력을 제어하기 위해 수신기(480)에 위치한 가변감쇠기(405)를 이용한다. 가변감쇠기(405)는 송신 신호의 출력 신호를 일반적인 점대점 통신장비들처럼 외부 제어 신호에 의해 외부에서 원하는 값으로 수동으로 변경할 수 있으며 또한 수신기의 전력검출기를 통과한 제어신호에 의해서 제어될 수도 있다. 가변감쇠기(405) 대신 가변이득증폭기가 동일한 기능을 수행하도록 사용될 수 있다.

이를 위해서는 수신기에서의 수신 신호의 전력 검출이 필요하고, 송신기의 전력 제어를 위한 수신 전력의 검출은 IF 단에서 이루어질 수도 있고 RF 단에서도 이루어질 수 있으며, IF 단에서 수행되는 것이 보다 바람직하다. 그 이유는 RF 단의 높은 주파수로 인해 정확한 수신 신호 크기를 측정하는 것이 어려우며 전력검출기를 제작하기 위해 필요한 부품의 가격 또한 비싸다. 그러나 IF 단에서 수신전력을 측정하기 위해서는 측정 전단까지 수신 링크의 이득 및 손실이 정확하게 정의되어 있어야 한다. 그리고 수신기의 AGC에 신호가 입력되기 전에 전력을 검출해야만 원하는 수신 전력을 측정할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 송수신기 구조의 대략적 블록도이다.

도 5의 송수신기는 도 4의 송수신기와 기본적인 원리는 동일하며 다만 출력전력을 제어하기 위한 전력검출기의 입력신호의 위치만이 다르다. 따라서 도 4와 동일한 구성에 대한 상세한 설명은 생략하겠다.

만일 수신기 RF 단의 이득 및 손실이 정확하게 정의되기 어려운 경우, 송수신기는 도 5에 도시된 바와 같이 듀플렉서(509)의 출력 신호에 대한 전력 검출을 수행함으로써, 수신기의 RF 단에서의 수신 전력 값을 가지고 송신 전력제어를 수행해야 한다.

다중 채널 시스템의 경우 송신 전력 제어 신호를 출력하는 전력검출기(417, 517)는 채널별로 구비되어 송신기의 채널별 출력 전력을 제어할 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명은 본 발명을 실시하기 위한 컴퓨터 소프트웨어 명령으로 프로그램된 프로세서/컨트롤러 대신 또는 그 결합에 의한 하드웨어가 사용될 수 있다. 따라서 본 발명은 하드웨어 및 소프트웨어의 특정 결합에 제한되지 않는다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

지금까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.

그러므로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 일반적인 밀리미터파 점대점 고정통신 송수신 시스템의 개념도이다.

도 2는 강우량과 수신전력 간의 관계와 이에 따른 성능 변화를 나타낸다.

도 3은 일반적인 링크 구성도를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송수신기 구조의 개략적 블록도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 송수신기 구조의 대략적 블록도이다.

Claims (8)

1. 입력 신호로부터 송신 신호를 생성하여 안테나로 전송하는 송신기;

   상기 안테나가 수신한 수신 신호를 복구하는 수신기; 및

   상기 수신 신호의 전력을 기초로 상기 송신 신호의 출력 전력을 제어하는 제어 신호를 출력하는 전력검출기;를 포함하고,

   상기 송신기는 상기 제어 신호를 기초로 상기 송신 신호의 출력 전력을 가변하는 감쇠기를 포함하며, 상기 감쇠기를 통과한 신호는 상기 안테나를 통해 전송되는 것을 특징으로 하는 송수신기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전력검출기는 상기 수신기의 IF 단 또는 RF 단 중 하나의 출력 신호의 전력을 검출하는 것을 특징으로 하는 송수신기.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 송신기는,

   상기 입력 신호가 변환된 아날로그 신호를 IF 국부발진기 출력 신호와 업 믹싱하는 IF 상향믹서; 및

   상기 IF 상향믹서의 출력 신호가 상기 감쇠기에 의해 가변된 신호를 RF 국부발진기 출력 신호와 업 믹싱하는 RF 상향믹서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 송수신기.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 수신기는,

   상기 수신 신호를 분리한 듀플렉서의 출력 신호를 RF 국부발진기 출력 신호와 다운 믹싱하는 RF 하향믹서; 및

   상기 RF 하향믹서의 출력 신호가 자동 이득 제어에 의해 증폭된 신호를 IF 국부발진기 출력 신호와 다운 믹싱하는 IF 하향믹서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 송수신기.
7. 제6항에 있어서,

   상기 전력검출기는 상기 듀플렉서의 출력 신호 또는 상기 RF 하향믹서의 출력 신호의 전력을 검출하는 것을 특징으로 하는 송수신기.
8. 제1항에 있어서,

   다중 채널 시스템에서 상기 전력검출기는 채널별로 구비되어 상기 송신기의 채널별 출력 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 송수신기.

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