KR101289889B1 - 무선 통신 시스템의 송신 장치, 수신 장치, 송신 방법 및 수신 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 송신 장치는 입력 비트열을 세 개의 비트를 각각 포함하는 복수의 심볼로 변환하는 직렬-병렬 변환부, 상기 심볼에 π/4 위상 회전을 적용하여 차동화된 심볼을 생성하는 차동 변조부, 상기 차동화된 심볼을 업 샘플링하는 업 샘플러, 상기 업 샘플링된 심볼을 필터링하는 필터, 상기 필터링된 심볼을 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환부, 그리고 상기 변환된 아날로그 신호를 직교 변조하는 직교 변조부를 포함한다.
DPSSK, 위상회전, 차동변조

Description

무선 통신 시스템의 송신 장치, 수신 장치, 송신 방법 및 수신 방법{TRANSMIITING DEVICE, RECEIVING DEVICE, TRANSMITTING METHOD AND RECEIVING METHOD FOR WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 무선 통신 시스템의 송신 장치, 수신 장치, 송신 방법 및 수신 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT성장동력기술개발의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-050-01, 과제명: WBAN In-body 시스템 및 On-body 시스템 개발 (표준화연계)].
무선 통신 시스템을 설계할 때에 데이터 통신 속도에 대한 요구, 저전력 실현에 대한 요구 및 통신 성능에 대한 요구가 점점 높아지고 있다. 따라서 무선 통신 시스템의 송신 장치 및 수신 장치에서 신호를 처리하는 방식을 선택함에 있어서 이 세 가지 요구를 충분히 고려할 필요가 있다.
한편, 무선 통신 시스템에서 정밀한 타이밍 동기를 유지하기 위하여, 고정밀 수정 발진기를 사용하여 송신 장치와 수신 장치 간의 주파수 옵셋(frequency offset)을 줄이는 방법이 사용될 수 있다. 그러나 인체내의 임플란트(implant) 장 치와 인체 외부 장치간의 무선통신을 위한 무선 인체 영역 네트워크(Wireless Body Area Network, WBAN)와 같은 통신 시스템은 초소형 및 저전력으로 구현해야 하기 때문에 정밀한 수정 발진기를 채용하는 것이 용이하지 않다.
한편, 동기 방식의 무선 통신에서는 동기 획득을 위한 파일럿 채널을 마련하고, 수신된 파일럿 신호를 이용하여 주파수 및 위상 옵셋을 추정하여 정확한 주파수를 복원하여 데이터 복조 시 발생하는 주파수 옵셋에 대한 문제점을 해결할 수 있다. 이러한 동기 수신방식은 주파수와 위상 옵셋을 얼마나 정확히 복원하느냐에 따라 성능이 크게 변화한다.
무선 개인 영역 네트워크(Wireless Personal Area Network, WPAN)와 WBAN 네트워크에 같은 패킷 기반 무선 통신에서는 별도로 파일럿 채널을 지원하는 것이 어렵기 때문에 프리앰블(preamble)을 사용하여 주파수 오차를 추정 및 보상하는 방법을 이용한다. 그러나 이러한 프리앰블을 이용하여 동기를 추정하는 수신 방식에서는 실제 인가된 주파수 옵셋과 추정된 주파수 옵셋간의 차이가 잔류 주파수 옵셋을 생성하여 수신기의 성능을 열화 시키는 요인이 된다.
한편, 차동 변복조 방식은 심볼간의 위상차를 이용하여 변조를 수행하고 이전 심볼과 현재 심볼간의 위상차를 이용하여 복조하는 비동기 수신 방식으로 수신기를 구현할 수 있어, 동기 수신 방식에서 발생하는 주파수 옵셋 변화에 대한 성능 열화의 영향을 크게 줄일 수 있다. 또한 인접한 심볼간에 발생하는 작은 범위의 위상 편이에 강인하고, 위상 잡음에 대한 효과도 줄일 수 있다. 또한 차동 복조를 이용한 비동기 수신기는 별도의 채널 추정 및 보상에 대한 회로가 필요치 않아 간 단한 수신기를 실현하여 복잡도를 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 무선 통신 시스템에서 급격한 위상 천이로 인한 비선형 소자의 백오프 (Back-off) 특성에 대한 성능을 개선하며, 주파수 옵셋 변화에 대한 성능 열화를 방지하고, 복잡도가 줄어든 비동기 차동 방식의 수신 장치 및 송신 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치는 입력 비트열을 세 개의 비트를 각각 포함하는 복수의 심볼로 변환하는 직렬-병렬 변환부, 상기 심볼에 π/4 위상 회전을 적용하여 차동화된 심볼을 생성하는 차동 변조부, 상기 차동화된 심볼을 업 샘플링하는 업 샘플러, 상기 업 샘플링된 심볼을 필터링하는 필터, 상기 필터링된 심볼을 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환부, 그리고 상기 변환된 아날로그 신호를 직교 변조하는 직교 변조부를 포함한다.
상기 차동 변조부는, 상기 심볼 중 첫 번째 비트가 0인 경우 심볼 파형을 전반부(front part)에 위치시키고, 상기 심볼 중 두 번째 비트가 1인 경우 심볼 파형을 후반부(rear part)에 위치시킬 수 있다.
상기 차동 변조부는, 상기 심볼 중 두 번째 비트 및 세 번째 비트를 이용하여 복소 변수를 생성하고, 이전 차동 부호화된 심볼과 상기 복소 변수를 곱하여 현재 차동 부호화된 심볼을 생성하며, 초기 심볼은 1일 수 있다.
상기 차동 변조부는, 상기 심볼 중 두 번째 비트 및 세 번째 비트를 이용하여 복소 변수를 생성하고, 이전 차동 부호화된 심볼의 위상과 상기 복소 변수의 위상을 곱하여 현재 차동 부호화된 심볼의 위상을 생성하며, 초기 심볼의 위상은 0ㅀ일 수 있다.
상기 필터는 제곱근 상승형 코사인(square root raised cosine, SRRC) 필터를 포함할 수 있다.
상기 필터의 시간 주기는 상기 업 샘플링된 심볼의 주기의 절반이며, 심볼내 간섭을 최소화하는 롤오프 계수(Roll-off factor)를 1로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 송신 방법은 무선 통신 시스템의 송신 장치가 신호를 송신하는 방법으로서, 입력 비트열을 수신하는 단계, 상기 입력 비트열을 세 개의 비트를 각각 포함하는 복수의 심볼로 변환하는 단계, 상기 심볼에 π/4 위상 회전을 적용하여 차동화된 심볼을 생성하는 단계, 상기 차동화된 심볼을 업 샘플링하는 단계, 상기 업 샘플링된 심볼을 필터링하는 단계, 상기 필터링된 심볼을 아날로그 신호로 단계, 그리고 상기 변환된 아날로그 신호를 직교 변조하여 송신하는 단계를 포함한다.
상기 차동화된 심볼을 생성하는 단계는, 상기 심볼 중 첫 번째 비트가 0인 경우 심볼 파형을 전반부(front part)에 위치시키고, 상기 심볼 중 두 번째 비트가 1인 경우 심볼 파형을 후반부(rear part)에 위치시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 차동화된 심볼을 생성하는 단계는, 상기 심볼 중 두 번째 비트 및 세 번째 비트를 이용하여 복소 변수를 생성하는 단계, 그리고 이전 차동 부호화된 심 볼과 상기 복소 변수를 곱하여 현재 차동 부호화된 심볼을 생성하는 단계를 포함하며, 초기 심볼은 1일 수 있다.
상기 차동화된 심볼을 생성하는 단계는, 상기 심볼 중 두 번째 비트 및 세 번째 비트를 이용하여 복소 변수를 생성하는 단계, 그리고 이전 차동 부호화된 심볼의 위상과 상기 복소 변수의 위상을 곱하여 현재 차동 부호화된 심볼의 위상을 생성하는 단계를 포함하며, 초기 심볼의 위상은 0°일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수신 장치는 세 개의 비트를 포함하며 차동화된 심볼을 수신하여 짝수 번째 심볼의 크기와 홀수 번째 심볼의 크기를 비교하는 비교부, 상기 짝수 번째 심볼와 상기 홀수 번째 심볼 중 어느 하나를 복호하는 차동 복호부, 그리고 상기 복호된 심볼을 직렬 변환하는 병렬-직렬 변환부를 포함한다.
상기 비교부는 상기 짝수 번째 심볼의 크기가 상기 홀수 번째 심볼의 신호의 크기보다 작거나 같을 경우 상기 세 개의 비트 중 첫 번째 비트를 1로 결정하고, 상기 짝수 번째 심볼의 크기가 상기 홀수 번째 심볼의 크기보다 클 경우 상기 세 개의 비트 중 첫 번째 비트를 0으로 결정할 수 있다.
상기 차동 복호부는, 상기 짝수 번째 심볼 및 상기 홀수 번째 심볼 중 크기가 큰 심볼을 지연시켜 지연된 심볼을 생성하는 심볼 지연부, 상기 큰 심볼과 상기 지연된 심볼을 공액 복소 곱셈하는 공액 복소 곱셈부, 그리고 상기 공액 복소 곱셈 결과를 복호하는 신호 검출부를 포함할 수 있다.
상기 신호 검출부는 상기 복호 결과에 따라 상기 세 개의 비트 중 두 번째 비트 및 세 번째 비트를 결정할 수 있다.
상기 차동화된 심볼을 송신 장치로부터 수신하여 직교 복조하는 직교 복조부, 상기 직교 복조된 심볼을 디지털 심볼로 변환하는 아날로그 디지털 변환부, 상기 변환된 디지털 심볼을 필터링하는 필터, 그리고 상기 필터링된 심볼을 샘플링하여 상기 비교부에 전송하는 동기부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수신 방법은 무선 통신 시스템의 수신 장치가 신호를 수신하는 방법으로서, 세 개의 비트를 포함하며 π/4 위상 회전이 적용되어 차동화된 심볼 중 짝수 번째 심볼의 크기와 홀수 번째 심볼의 크기를 비교하는 단계, 상기 짝수 번째 심볼와 상기 홀수 번째 심볼 중 크기가 큰 심볼을 복호하는 단계, 그리고 상기 복호된 심볼을 직렬 변환하는 단계를 포함한다.
상기 비교하는 단계는, 상기 짝수 번째 심볼의 크기가 상기 홀수 번째 심볼의 신호의 크기보다 작거나 같을 경우 상기 세 개의 비트 중 첫 번째 비트를 1로 결정하는 단계, 그리고 상기 짝수 번째 심볼의 크기가 상기 홀수 번째 심볼의 크기보다 클 경우 상기 세 개의 비트 중 첫 번째 비트를 0으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복호하는 단계는, 상기 짝수 번째 심볼과 상기 홀수 번째 심볼 중 크기가 큰 심볼을 지연하여 지연된 심볼을 생성하는 단계, 상기 큰 심볼과 상기 지연된 심볼을 공액 복소 곱셈하는 단계, 그리고 상기 공액 복소 곱셈 결과를 복호하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복호하는 단계는, 상기 공액 복소 곱셈 결과를 복호한 결과에 따라 상 기 세 비트 중 두 번째 비트 및 세 번째 비트를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
송신 장치로부터 상기 차동화 심볼을 수신하여 직교 복조하는 단계, 상기 직교 복조된 심볼을 디지털 심볼로 변환하는 단계, 상기 변환된 디지털 심볼을 필터링하는 단계, 그리고 상기 필터링된 심볼을 샘플링하여 상기 비교부에 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 무선 통신 시스템에 있어서 π/4 위상 회전을 적용하여 심볼간 180°위상 천이를 근원적으로 차단하여 비선형 소자의 백오프 (Back-off) 특성을 개선할 수 있으며, 비교적 간단한 비동기 수신기를 통해 주파수 옵셋 및 주파수 변이에 강인하고 채널 추정 및 보상을 위한 회로를 필요하지 않는 송신 장치 및 수신 장치를 구현할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 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. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이제 도 1을 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 송신 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 송신 장치를 도시하는 블록도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치(100)는 직렬-병렬 변환부(serial parallel converter)(110), 차동 변조부(differential modulator)(120), 업 샘플러(up-sampler)(131, 132), 필터(filter)(141, 142), 디지털-아날로그 변환부(digital analog converter)(151, 152) 및 직교 변조부(160)를 포함한다.
직렬-병렬 변환부(110)는 입력 비트열(an)을 수신하여 이를 3 비트(ap,n, ai,n, aq,n)를 포함하는 비트열의 복수의 심볼로 심볼화한다. 따라서 입력 비트열(an)의 시간 주기(Tb)는 심볼(ap,n, ai,n, aq,n) 각각의 시간 주기(Ts)의 관계는 다음 수학식 1과 같다
[수학식 1]
Ts=3Tb
차동 변조부(120)는 심볼(ap,n, ai,n, aq,n)을 수신하여 π/4 위상 회전을 적용하여 차동화된 심볼(dn)을 생성하여 출력한다. 이에 대하여 도 2를 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치의 차동 변조부가 심볼을 차동화된 심볼로 변조하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 2를 참고하면, 예를 들어 직렬-병렬 변환부(110)로 입력되는 입력 비트열(an)이 "010111100001111001100010"와 같으면, 입력 비트열(an)은 직렬-병렬 변환부(110)를 통하여 3 개의 비트로 각각 묶인 복수의 심볼(ap,n, ai,n, aq,n)로 변환되어 출력된다.
차동 변조부(120)는 각 심볼(ap,n, ai,n, aq,n) 중 첫 번째 비트(ap,n)가 "0"인 경우는 심볼 파형을 전반부(front part, F)로 위치시키고, 후반부에는 무성 구간(silence period)이 위치한다. 각 심볼(ap,n, ai,n, aq,n) 중 첫 번째 비트(ap,n)가 "1"인 경우는 전반부에 무성 구간이 위치하며, 심볼 파형을 후반부(rear part, R)로 위치시킨다. 또한 차동 변조부(120)는 각 심볼(ap,n, ai,n, aq,n) 중 두 번째 비트(ap,n) 및 세 번째 비트(ai,n)를 네 개의 위상을 갖는 그레이(gray) 코드화된 복소 2차 평면에 매핑(mapping)하여 복소 변수(An)를 생성한다. 복소 변수(An)는 위상 천이를 위한 위상(ΔΦn)을 갖는다. 이러한 위상은 다음 표 1과 같이 결정될 수 있다.
[표 1]
(ai,n, aq,n)의 패턴 복소 변수(An) 위상 (ΔΦn)
11
Figure 112009071886193-pat00001
Figure 112009071886193-pat00002
01
Figure 112009071886193-pat00003
Figure 112009071886193-pat00004
10
Figure 112009071886193-pat00005
Figure 112009071886193-pat00006
00
Figure 112009071886193-pat00007
Figure 112009071886193-pat00008
표 1에 따라 입력 비트열(an)에 따른 위상(ΔΦn)은 도 2와 같이 결정된다.
또한 차동 변조부(120)는 다음 수학식 2에 따라 차동 부호화 심볼을 결정한다.
[수학식 2]
dn=dn-1ㆍAn
여기서 현재 차동 부호화된 심볼을 dn이라 하고 이전 차동 부호화된 심볼 dn-1이라 하면, 현재 차동 부호화된 심볼(dn)은 현재의 복소 변수(An)와 이전 차동 부호화 심볼(dn-1)을 곱하여 결정된다.
이 때 초기 심볼의 위상은 0°(=1)로 설정한다. 이러한 수학식 2를 위상 관계로 변환하면 다음 수학식 3으로 표현할 수 있다.
[수학식 3]
Φn=Φn-1+ΔΦn
즉 차동 변조부(120)는 이전 차동 부호화된 심볼의 위상(Φn-1)에 복소 변수의 위상(ΔΦn)을 더하여 현재 차동 부호화된 심볼의 위상(Φn)을 생성한다.
다시 도 1을 참고하면, 업 샘플러(131, 132)는 차동 부호화된 심볼(dn)을 L 배 업샘플링(up-sampling)한다.
필터(141, 142) 업샘플된 심볼(dn)을 대역을 제한하는 송신 펄스 성형 필터 (transmitted pulse shaping filter)이며, 필터링된 신호(di,k, dq,k)를 출력한다. 필터링된 신호(di,k, dq,k)는 도 2와 같이 서로 중첩되면서 송신 신호 형태를 형성한다. 필터(141, 142)는 예를 들어 제곱근 상승형 코사인(square root raised cosine, SRRC) 필터일 수 있다. 필터(141, 142)는 SRRC 필터 이외에 다른 필터를 사용할 수도 있지만 한 심볼 안에서 전반부와 후반부의 직교성을 이용하여 정보량이 증가하기 때문에 심볼 내 간섭 (Intra-symbol Interference)를 최소화 할 수 있는 송신 필터를 사용할 수 있으며, 롤오프 계수 (Roll-off factor:β)를 결정하여 사용할 수 있다. 또한 필터(141, 142)의 시간 주기를 심볼 주기(Ts)가 아닌 다음 수학식 4와 같이 심볼 주기의 절반 주기(Tp)로 수행할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112009071886193-pat00009
심볼내 간섭을 최소화 하는 롤오프 계수로 β를 '1'로 주고 성형 시간 주기를
Figure 112009071886193-pat00010
로 주면 수학식 5와 같이 정리할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112009071886193-pat00011
디지털 아날로그 변환부(151, 152)는 송신 성형 필터링된 신호(di,k, dq,k)를 다음 수학식 6과 같이 아날로그 신호로 변환한다.
[수학식 6]
Figure 112009071886193-pat00012
아날로그 신호(s(t))는 도 2에 도시된 바와 같다.
직교 변조부(160)는 아날로그 신호(S(t))를 직교 변조하여 출력한다.
이제 도 3 내지 도 10을 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치의 송신 출력에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3 는 위상 무성 변조 방식 (Phase Silence Shift Keying : PSSK)에 따른 송신 장치의 송신 출력을 스캐터 다이어그램(scatter diagram)을 이용하여 도시한 그래프이며, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치의 송신 출력을 스캐터 다이어그램을 이용하여 도시한 그래프이다.
도 3을 참고하면, 위상 무성 변조 방식에 따른 송신 장치의 송신 출력에서는 공간 상에 4개의 성상점(constellation point)을 확인할 수 있다. 반면 도 4를 참고하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치의 송신 출력에서는 현재 심볼이 이전 심볼에서 π/4만큼 회전된 공간 상에 심볼의 성상점이 발생하기 때문에 공간 상에 8 개의 성상점을 확인할 수 있다.
도 5는 신호 궤적 다이어그램(signal trajectory diagram)을 이용하여 위상 무성 변조 방식에 따른 송신 장치의 아날로그 송신 신호의 궤적을 복소 평면상에서 도시한 그래프이며, 도 6은 신호 궤적 다이어그램을 이용하여 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치의 아날로그 송신 신호의 궤적을 복소 평면상에서 도시한 그래프이다.
도 5를 참고하면, 이용하여 위상 무성 변조 방식에 따른 송신 장치의 아날로그 송신 신호의 궤적은 정사각형 궤적과 대각선 방향의 궤적을 그리고 있다. 이때에는 180°의 급격한 위상 변이가 발생하여 무선 주파수 영역의 증폭기와 같은 비선형 소자에 의한 스펙트럼 왜곡이 발생할 수 있다. 이러한 비선형 특성의 열화를 보상하려면 증폭기의 동작 영역인 백오프(back-off)를 통한 전력 손실을 발생시킬 수 있다.
도 6을 참고하면 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치의 아날로그 송신 신호의 궤적은 180°의 급격한 위상 변이가 발생하지 않고, 최대 135°의 위상 변이가 나타난다. 따라서 위상 무성 변조 방식에 따른 송신 장치의 아날로그 송신 신호와 같이 비선형 소자에 의한 스펙트럼 왜곡이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 아이 다이어그램(Eye Diagram)을 이용하여 위상 무성 변조 방식에 따른 송신 장치의 송신 신호 중 동위상 진폭(In-phase amplitude, I) 신호의 출력을 도시하는 그래프이며, 도 8은 아이 다이어그램을 이용하여 위상 무성 변조 방식에 따른 송신 장치의 송신 신호 중 직교 진폭(quadrature amplitude, Q) 신호의 출력을 도시하는 그래프이며, 도 9는 아이 다이어그램을 이용하여 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치의 송신 신호 중 I 신호의 출력을 도시하는 그래프이며, 도 10은 아이 다이어그램을 이용하여 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치의 송신 신호 중 Q 신호의 출력을 도시하는 그래프이다.
도 7 내지 도 10은 수신기에서 최대 수직 눈 열림의 최적 샘플링 시간을 추정하여 신호를 복원하여 나타내었다.
도 7 및 도 8를 참고하면, 위상 무성 변조 방식에 따른 송신 장치에 따르면 송신 출력의 I 신호 및 Q 신호의 레벨이 각각 약 0.5, 0 및 -0.5의 세가지 종류이다. 이에 반하여 도 9 및 도 10을 참고하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치에 따르면 송신 출력의 I 신호 및 Q 신호의 레벨이 약 1, 0.707, -0.707 및 -1의 네 가지 종류이다.
이제 도 11을 참고하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 송신 장치의 송신 방 법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송신 방법을 도시하는 흐름도이다.
먼저 입력 비트열(an)을 수신하여 이를 세 개의 비트를 각각 포함하는 복수의 심볼로 심볼화 한다(S310).
이어서 심볼 각각에 π/4 위상 회전을 적용하여 차동화된 신호로 변조한다(S320). 여기서 차동화된 신호로 변조하는 단계는 심볼 중 첫 번째 비트에 따라 심볼 파형을 전반부 또는 후반부에 위치시키고 두 번째 및 세 번째 비트를 4개의 위상을 갖는 그레이 코드화 된 복소 2차 평면에 매핑하여 복소 변수를 생성한다. 이와 같이 생성된 복소 변수와 이전 차동 부호화된 심볼을 곱하여 현재 차동 부호화된 심볼을 생성한다. 즉, 현재 차동 부호화된 심볼의 위상은 이전 차동 부호화된 심볼의 위상과 복소 변수의 위상을 더하여 결정된다. 이 때 복소 변수의 위상은 π/4, -π/4, 3π/4 및 -3π/4 등으로 정해진다.
이어서 차동화된 심볼을 업 샘플링하고(S330), 업 샘플링된 신호를 송신 펄스 성형 필터링한다(S340).
그런 후 필터링된 신호를 아날로그 신호로 변환하고(S350), 변환된 아날로그 신호를 직교 변조한다(S360).
이제 도 12를 참고하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 수신 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신 장치의 블록도이다.
도 12를 참고하면, 수신 장치(200)는 직교 복조부(210), 아날로그 디지털 변환기(221, 222), 필터(231, 232), 동기부(240), 비교부(250), 심볼 지연부(261, 262), 공액 복소 곱셈부(270), 신호 검출부(281, 282, 283) 및 병렬-직렬 변환부(290)를 포함한다.
송신 장치(100)가 송신한 신호(s(t))는 무선 채널을 거치면서 잡음과 주파수 에러가 포함된다. 따라서 수신 장치(200)에서 수신한 신호(r(t))는 다음 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112009071886193-pat00013
여기서
Figure 112009071886193-pat00014
는 국부 발진기 오차에 의한 불일치의 영향으로 합성된 위상 신호이며,
Figure 112009071886193-pat00015
는
Figure 112009071886193-pat00016
전력 스펙트럼 밀도를 갖는 복소 가우시안 백색 잡음이다.
직교 복조부(210)는 수신 신호(r(t))를 직교 복조하며, 송신 장치(100)의 직교 변조부(160)에 대응된다.
아날로그 디지털 변환부(221, 222)는 직교 변조된 신호를 디지털 신호로 변환한다.
필터(231, 232)는 변환된 아날로그 신호를 수신하여 입력 신호의 최대 출력값을 출력하는 정합 필터이다. 필터(231, 232)는 송신 장치(100)의 송신 펄스 성형 필터(141, 142)와 동일한 필터를 사용할 수 있다.
동기부(240)는 타이밍 동기 및 초기 위상 옵셋을 획득한 후 정합 필터(231, 232)의 출력 신호를
Figure 112009071886193-pat00017
시간 간격으로 샘플링한다. 이때 샘플링되고 평균화 된 신호의 복소 표현식은 다음 수학식 8과 같다.
[수학식 8]
Figure 112009071886193-pat00018
여기서
Figure 112009071886193-pat00019
는 반송파 주파수 옵셋에 대한 영향으로 인한 인자이며,
Figure 112009071886193-pat00020
은 0에서 2π까지 균일하게 분포된 초기 위상 옵셋이다.
비교부(250)는 동기부(240)로부터의 출력 신호(ri,k, rq,k)를 수신하여 다음 수학식 9와 같이 신호의 절대값을 취하여 신호의 크기를 구한 후 짝수 번째 신호(r2k)와 홀수 번째 신호(r2k+1)의 크기를 서로 비교한다.
[수학식 9]
Figure 112009071886193-pat00021
짝수 번째 신호(r2k)는 심볼의 전반부(F)에 해당하고 홀수 번째 신호(r2k+1)는 심볼의 후반부(R)에 해당된다.
비교부(250)는 다음 수학식 10과 같이 짝수 번째 신호(r2k)가 홀수 번째 신호(r2k+1)보다 작거나 같을 경우에는 심볼의 후반부(R)에 신호의 파형이 위치하는 것 이므로 복조 신호의 첫 번째 비트(zp,n)를 '1'로 결정하고 짝수 번째 신호(r2k)가 홀수 번째 신호(r2k+1)보다 클 경우 복조 신호의 첫 번째 비트(zp,n)를 '0'으로 결정한다.
[수학식 10]
Figure 112009071886193-pat00022
또한 비교부(250)는 다음 수학식 11과 같이 심볼(rn) 중 신호의 크기가 큰 신호를 결정한다.
[수학식 11]
Figure 112009071886193-pat00023
차동 복호부(260)는 비교부(250)에서 결정된 심볼(rn)을 수신하여 차동 복호하며, 심볼 지연부(261, 262), 공액 복소 곱셈부(263) 및 신호 검출부(264, 264, 266)를 포함한다.
심볼 지연부(261, 262)는 비교부(250)에서 결정된 심볼(rn)을 지연하여 지연된 심볼(rn-1)을 생성하고, 공액 복소 곱셈부(263)은 심볼(rn)과 지연된 심볼(rn-1)을 공액 복소 곱셈을 수행함으로써 심볼간 위상차를 획득한다. 신호 검출부(264)는 비교부(250)로부터 결정된 첫 번째 비트(zp,n)를 수신하여 최종 복호하여 출력하며, 신호 검출부(265, 266)는 공액 복소 곱셈 결과(wi,n, wq,n)를 수신하여 다음 표 2와 같은 복조 테이블을 통하여 최종 복호를 수행하여 복호된 신호(zi,n, zq,n)를 출력한다.
[표 2]
공액 복소 곱셈 결과 (wi,n, wq,n)의 부호 복호된 신호 (zi,n, zq,n)
+,+ 11
+,- 01
-,+ 10
-,- 00
이와 같이 차동 복호부(260)의 동작은 다음 수학식 12로 표현할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112009071886193-pat00024
여기서
Figure 112009071886193-pat00025
은 혼합된 복소 잡음을 의미한다.
병렬-직렬 변환부(270)는 복호된 신호(zp,n, zi,n, zq,n) 즉 심볼의 첫 번째, 두 번째 및 세 번째 비트를 수신하여 이를 직렬 변환하여 최종 신호(zn)로서 출력한다.
이제 도 13을 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 수신 장치의 성능에 대하여 상세하게 설명한다.
도 13은 종래 기술에 따른 여러 가지 수신 장치 및 본 발명의 한 실시예에 따른 수신 장치에서 각각 수신하여 처리한 최종 신호의 백색 잡음에 따른 비트오율(bit error rate, BER)을 도시하는 그래프이다.
도 13을 참고하면, 8진 위상 편이 변조(8-phase shift keying, 8PSK), 직교 위상 편이 변조(, QPSK), 차등 직교 위상 편이 변조(differential , DQPSK) 및 8진 위상 무성 변조(8PSSK) 방식에 따른 수신 장치에서 처리한 최종 신호의 백색 잡음에 따른 비트오율이 이론적인 수치로 기재되어 있으며, 8진 위상 무성 변조 방식에 따른 수신 장치에서 처리한 최종 신호의 백색 잡음에 따른 비트오율이 주파수 옵셋이 0ppm인 경우, 1.5ppm인 경우에 따라 기재되어 있으며, 본 발명의 한 실시예에 따른 수신 장치(100)에서 처리한 최종 신호의 백색 잡음에 따른 비트오율이 주파수 옵셋이 0ppm인 경우, 40ppm인 경우(8DPSSK) 에 따라 기재되어 있다.
8PSSK 방식은 비트오율이 10- 6 에서 8PSK 방식 보다 5.4dB 이득이 있으며, QPSK 방식보다 약 1.2 dB 정도 이득이 있다. 그러나, 8PSSK 방식에서 잔류 주파수 옵셋에 대한 영향이 1.5 ppm 남아있을 경우에는 크게 성능이 열화 되어 6 dB 이상의 큰 성능 열화가 나타난다. 본 발명에 따른 수신 장치는 8PSSK 방식보다 약 1.7 dB 정도 성능이 떨어지지만, 차동 방식인 DQPSK 방식보다는 약 1.7 dB 정도 이득이 있으며, ±40 ppm 이내의 주파수 옵셋에서 성능 열화가 0.5 dB 이내로 큰 주파수 옵셋에서 안정정인 성능을 얻을 수 있다.
이제 도 14를 참고하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 수신 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 수신 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 14를 참고하면, 무선 통신 시스템의 수신 장치(200)의 직교 복조부(210)는 송신 장치(100)로부터의 수신 신호(r(t))를 직교 복조한다(S410).
이어서 수신 장치(200)의 아날로그 디지털 변환부(220)는 직교 복조된 신호를 수신하여 디지털 신호로 변환한다(S420).
정합 필터(230)는 변환된 디지털 신호를 수신하여 필터링 하여 최대 출력값을 출력한다(S430).
동기부(240)는 필터링된 신호를 수신하여
Figure 112009071886193-pat00026
시간 간격으로 샘플링한다(S440).
비교부(250)는 샘플링된 신호를 수신하고 심볼을 이루는 첫 번째 비트를 결정한다(S450). 즉 비교부(250)는 샘플링된 신호의 절대값을 구하여 신호의 크기를 구하고 샘플링된 신호 중 짝수 번째 신호와 홀수 번째 신호의 크기를 비교하여 첫 번째 비트를 결정한다.
차동 복호부(260)는 샘플링된 신호를 수신하여 이를 차동 복호함으로써 두 번째 및 세 번째 비트를 결정한다(S460). 즉 차동 복호부(260)는 비교부(250)에서 짝수 번째 신호 및 홀수 번째 신호 중에서 신호의 크기가 큰 신호로 결정된 신호와 지연된 신호를 공액 복소 곱셈을 수행하고, 공액 복소 곱셈를 이용하여 복호를 수행한다.
병렬-직렬 변환부(270)는 비교부(250)로부터 첫 번째 비트를 수신하고, 차동 복호부(260)로부터 두 번째 및 세 번째 비트를 수신하여 이들을 직렬 신호로 변환하여 최종 신호를 출력한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 송신 장치를 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치의 차동 변조부가 심볼을 차동화된 심볼로 변조하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 3 는 위상 무성 변조 방식에 따른 송신 장치의 송신 출력을 스캐터 다이어그램을 이용하여 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치의 송신 출력을 스캐터 다이어그램을 이용하여 도시한 그래프이다.
도 5는 신호 궤적 다이어그램을 이용하여 위상 무성 변조 방식에 따른 송신 장치의 아날로그 송신 신호의 궤적을 복소 평면상에서 도시한 그래프이다.
도 6은 신호 궤적 다이어그램을 이용하여 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치의 아날로그 송신 신호의 궤적을 복소 평면상에서 도시한 그래프이다.
도 7은 아이 다이어그램을 이용하여 위상 무성 변조 방식에 따른 송신 장치의 송신 신호 중 동위상 진폭 신호의 출력을 도시하는 그래프이다.
도 8은 아이 다이어그램을 이용하여 위상 무성 변조 방식에 따른 송신 장치의 송신 신호 중 직교 진폭 신호의 출력을 도시하는 그래프이다.
도 9는 아이 다이어그램을 이용하여 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치의 송신 신호 중 동위상 진폭 신호의 출력을 도시하는 그래프이다.
도 10은 아이 다이어그램을 이용하여 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 장치 의 송신 신호 중 직교 진폭 신호의 출력을 도시하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 송신 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 수신 장치를 도시하는 블록도이다.
도 13은 종래 기술에 따른 여러 가지 수신 장치 및 본 발명의 한 실시예에 따른 수신 장치에서 각각 수신하여 처리한 최종 신호의 백색 잡음에 따른 비트오율을 도시하는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 수신 방법을 도시하는 흐름도이다.

Claims (20)

  1. 입력 비트열을 세 개의 비트를 각각 포함하는 복수의 심볼로 변환하는 직렬-병렬 변환부,
    상기 심볼에 π/4 위상 회전을 적용하여 차동화된 심볼을 생성하는 차동 변조부,
    상기 차동화된 심볼을 업 샘플링하는 업 샘플러,
    상기 업 샘플링된 심볼을 필터링하는 필터,
    상기 필터링된 심볼을 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환부, 그리고
    상기 변환된 아날로그 신호를 직교 변조하는 직교 변조부
    를 포함하고,
    상기 차동 변조부는,
    상기 심볼 중 첫 번째 비트가 0인 경우 심볼 파형을 전반부(front part)에 위치시키고, 상기 심볼 중 두 번째 비트가 1인 경우 심볼 파형을 후반부(rear part)에 위치시키는
    송신 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 차동 변조부는,
    상기 심볼 중 두 번째 비트 및 세 번째 비트를 이용하여 복소 변수를 생성하고, 이전 차동 부호화된 심볼과 상기 복소 변수를 곱하여 현재 차동 부호화된 심볼을 생성하며, 초기 심볼은 1인
    송신 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 차동 변조부는,
    상기 심볼 중 두 번째 비트 및 세 번째 비트를 이용하여 복소 변수를 생성하고, 이전 차동 부호화된 심볼의 위상과 상기 복소 변수의 위상을 곱하여 현재 차동 부호화된 심볼의 위상을 생성하며, 초기 심볼의 위상은 0°인
    송신 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 필터는 제곱근 상승형 코사인(square root raised cosine, SRRC) 필터를 포함하는 송신 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 필터의 시간 주기는 상기 업 샘플링된 심볼의 주기의 절반이며, 심볼내 간섭을 최소화하는 롤오프 계수(Roll-off factor)를 1로 하는 송신 장치.
  7. 무선 통신 시스템의 송신 장치가 신호를 송신하는 방법으로서,
    입력 비트열을 수신하는 단계,
    상기 입력 비트열을 세 개의 비트를 각각 포함하는 복수의 심볼로 변환하는 단계,
    상기 심볼에 π/4 위상 회전을 적용하여 차동화된 심볼을 생성하는 단계,
    상기 차동화된 심볼을 업 샘플링하는 단계,
    상기 업 샘플링된 심볼을 필터링하는 단계,
    상기 필터링된 심볼을 아날로그 신호로 단계, 그리고
    상기 변환된 아날로그 신호를 직교 변조하여 송신하는 단계
    를 포함하고,
    상기 차동화된 심볼을 생성하는 단계는,
    상기 심볼 중 첫 번째 비트가 0인 경우 심볼 파형을 전반부(front part)에 위치시키고, 상기 심볼 중 두 번째 비트가 1인 경우 심볼 파형을 후반부(rear part)에 위치시키는 단계를 포함하는 송신 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에서,
    상기 차동화된 심볼을 생성하는 단계는,
    상기 심볼 중 두 번째 비트 및 세 번째 비트를 이용하여 복소 변수를 생성하는 단계, 그리고
    이전 차동 부호화된 심볼과 상기 복소 변수를 곱하여 현재 차동 부호화된 심볼을 생성하는 단계
    를 포함하며,
    초기 심볼은 1인 송신 장치.
  10. 제7항에서,
    상기 차동화된 심볼을 생성하는 단계는,
    상기 심볼 중 두 번째 비트 및 세 번째 비트를 이용하여 복소 변수를 생성하는 단계, 그리고
    이전 차동 부호화된 심볼의 위상과 상기 복소 변수의 위상을 곱하여 현재 차동 부호화된 심볼의 위상을 생성하는 단계
    를 포함하며,
    초기 심볼의 위상은 0°인 송신 방법.
  11. 세 개의 비트를 포함하며 차동화된 심볼을 수신하여 짝수 번째 심볼의 크기와 홀수 번째 심볼의 크기를 비교하는 비교부,
    상기 짝수 번째 심볼와 상기 홀수 번째 심볼 중 어느 하나를 복호하는 차동 복호부, 그리고
    상기 복호된 심볼을 직렬 변환하는 병렬-직렬 변환부
    를 포함하고,
    상기 비교부는 상기 짝수 번째 심볼의 크기가 상기 홀수 번째 심볼의 신호의 크기보다 작거나 같을 경우 상기 세 개의 비트 중 첫 번째 비트를 1로 결정하고, 상기 짝수 번째 심볼의 크기가 상기 홀수 번째 심볼의 크기보다 클 경우 상기 세 개의 비트 중 첫 번째 비트를 0으로 결정하는 수신 장치.
  12. 삭제
  13. 제11항에서,
    상기 차동 복호부는,
    상기 짝수 번째 심볼 및 상기 홀수 번째 심볼 중 크기가 큰 심볼을 지연시켜 지연된 심볼을 생성하는 심볼 지연부,
    상기 큰 심볼과 상기 지연된 심볼을 공액 복소 곱셈하는 공액 복소 곱셈부, 그리고
    상기 공액 복소 곱셈 결과를 복호하는 신호 검출부
    를 포함하는 수신 장치.
  14. 제13항에서,
    상기 신호 검출부는 상기 복호 결과에 따라 상기 세 개의 비트 중 두 번째 비트 및 세 번째 비트를 결정하는 수신 장치.
  15. 제11항에서,
    상기 차동화된 심볼을 송신 장치로부터 수신하여 직교 복조하는 직교 복조부,
    상기 직교 복조된 심볼을 디지털 심볼로 변환하는 아날로그 디지털 변환부,
    상기 변환된 디지털 심볼을 필터링하는 필터, 그리고
    상기 필터링된 심볼을 샘플링하여 상기 비교부에 전송하는 동기부
    를 더 포함하는 수신 장치.
  16. 무선 통신 시스템의 수신 장치가 신호를 수신하는 방법으로서,
    세 개의 비트를 포함하며 π/4 위상 회전이 적용되어 차동화된 심볼 중 짝수 번째 심볼의 크기와 홀수 번째 심볼의 크기를 비교하는 단계,
    상기 짝수 번째 심볼과 상기 홀수 번째 심볼 중 크기가 큰 심볼을 복호하는 단계, 그리고
    상기 복호된 심볼을 직렬 변환하는 단계
    를 포함하고,
    상기 비교하는 단계는,
    상기 짝수 번째 심볼의 크기가 상기 홀수 번째 심볼의 신호의 크기보다 작거나 같을 경우 상기 세 개의 비트 중 첫 번째 비트를 1로 결정하는 단계, 그리고
    상기 짝수 번째 심볼의 크기가 상기 홀수 번째 심볼의 크기보다 클 경우 상기 세 개의 비트 중 첫 번째 비트를 0으로 결정하는 단계
    를 포함하는 수신 방법.
  17. 삭제
  18. 제16항에서,
    상기 복호하는 단계는,
    상기 짝수 번째 심볼과 상기 홀수 번째 심볼 중 크기가 큰 심볼을 지연하여 지연된 심볼을 생성하는 단계,
    상기 큰 심볼과 상기 지연된 심볼을 공액 복소 곱셈하는 단계, 그리고
    상기 공액 복소 곱셈 결과를 복호하는 단계
    를 포함하는 수신 방법.
  19. 제18항에서,
    상기 복호하는 단계는,
    상기 공액 복소 곱셈 결과를 복호한 결과에 따라 상기 세 비트 중 두 번째 비트 및 세 번째 비트를 결정하는 단계를 더 포함하는 수신 방법.
  20. 제16항에서,
    송신 장치로부터 상기 차동화 심볼을 수신하여 직교 복조하는 단계,
    상기 직교 복조된 심볼을 디지털 심볼로 변환하는 단계,
    상기 변환된 디지털 심볼을 필터링하는 단계, 그리고
    상기 필터링된 심볼을 샘플링하여 상기 비교부에 전송하는 단계
    를 더 포함하는 수신 방법.
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