KR101377205B1 - 단일 편파 신호를 전송하는 무선통신 시스템의 무선 송수신 신호 처리장치 - Google Patents

단일 편파 신호를 전송하는 무선통신 시스템의 무선 송수신 신호 처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일 편파 신호를 전송하는 무선통신 시스템의 무선 송수신 신호 처리장치에 관한 것으로서, 무선 송신신호를 수직 편파 안테나를 통해 전송하는 제1송신RF모듈과, 수직 편파 안테나에 접속되어 수직 편파 안테나를 통해 수신된 신호를 처리하는 제1수신RF모듈과, 수평 편파 안테나에 접속되어 수평 편파 안테나를 통해 수신된 신호를 처리하는 제2수신RF모듈과, 신호 전송시에는 제1송신 RF모듈을 통해 수직 편파 안테나로만 전송하고, 신호 수신시에는 수직 편파 안테나와 수평 편파 안테나 모두를 통해 수신되어 제1 및 제2수신RF모듈을 통해 수신된 신호를 다이버서티 결합하여 처리하는 신호 처리부를 구비한다. 이러한 단일 편파 신호를 전송하는 무선통신 시스템의 무선 송수신 신호 처리장치에 의하면, 서로 다른 채널 환경을 통과한 편파 신호를 각 채널 환경에 맞는 편파용 빔 형성기를 이용하여 수신 하게 함으로써, 안테나 간의 간격을 줄이면서도 빔 이득과 다이버서티 이득을 동시에 얻을 수 있다.

Description

단일 편파 신호를 전송하는 무선통신 시스템의 무선 송수신 신호 처리장치{wireless signal processing apparatus}
본 발명은 단일 편파 신호를 전송하는 무선통신 시스템의 무선 송수신 신호 처리장치에 관한 것이다.
향후의 무선 통신 시스템에서는 고속 및 고성능의 통신이 서비스 되어야 한다. 하지만 실제의 무선 채널 환경에서 전송된 신호는 크기, 위상 및 도플러 특성이 서로 다른 다중경로 신호의 합으로 수신되며, 이러한 다중경로 페이딩에 의해 신호의 질이 크게 저하된다. 따라서 통신의 성능을 향상시키기 위해 다이버서티 및 빔 형성 기술을 통신 시스템에 적용하는 연구가 많이 수행되고 있다.
빔형성 시스템은 복수개의 배열 안테나 소자를 이용하여 각각의 안테나 소자에서 수신되는 신호들의 이득 및 위상을 조절하여, 원하는 사용자의 방향으로부터 전파되어 오는 신호만을 수신하고 그 이외의 방향에서 전파되어오는 간섭에 의한 잡음 신호레벨은 크게 감소시켜, 시스템의 성능을 향상시키고 채널 용량을 증가시키는 시스템이다. 또한, 다이버서티 기술은 페이딩이 심한 다중 채널 환경에서 복수개의 안테나를 이용하여 신호를 송수신하고, 안테나에 송수신되는 신호들이 서로 독립적인 페이딩 환경으로 송수신되게 함으로써 다이버서티 이득을 얻는 방식이다.
따라서 다이버서티 기술을 적용하기 위해서는 수신되는 신호 중간주파수의 10 내지 20 파장 이상으로 안테나 간의 간격을 충분히 이격시켜야지만, 각 안테나에 수신되는 신호가 서로 다른 채널 환경으로 수신되어 다이버서티 이득을 기대할 수 있다. 하지만 이러한 다이버서티 기술을 실제의 통신 시스템에 적용하는데 문제가 될 수 있어 최근 수직 편파와 수평 편파를 이용하는 편파 다이버서티 방식이 많이 연구되고 있다.
편파 다이버서티 방식은 도 1에서 보이는 바와 같이 수직편파 안테나(11)와 수평편파 안테나(12)로 이루어진 단위 안테나(10)를 통해 생성되는 수직 및 수평 편파를 이용하여 신호를 송신하고, 수직 및 수평 편파 안테나(11)(12)를 이용하여 신호를 수신하는 방식으로, 안테나 간의 간격을 증가시키지 않으면서도 채널 환경에 따라 다이버서티 이득을 얻을 수 있다. 하지만 이 경우 다이버서티용 안테나는 총 두 개가 최대이고, 향후 더 많은 안테나를 이용하여 다이버서티 이득이나 용량 증대 효과를 얻기 위해서는 추가되는 단위 안테나(10) 간의 간격이 증가되어야 하는 문제가 있다. 특히 해양 채널 환경과 같이 수직 편파만을 사용하는 채널 환경에서는 도 1과 같은 구조의 다이버서티 이득을 얻을 수 없다.
무선 통신 채널 환경에서 신호는 각각 진폭, 위상 및 도달각이 서로 다른 다중경로 신호의 합으로 수신되며, 이러한 다중경로 페이딩의 영향으로 수신 신호의 질이 크게 저하되기 때문에, 향후 고성능 및 고속의 데이터 통신 시스템을 구현하는데 많은 문제가 된다.
일반적으로 수직 편파 안테나만을 이용하여 신호를 전송하더라도 전송된 신호는 주변의 건물 예를 들면, 해양 채널 환경에서는 인근 선박이나 섬 등에 의해, 수중 채널 환경에서는 물 입자에 의한 산란 등의 반사파에 의한 수평 방향의 다중 경로 성분과 도로(해양 채널 환경은 바다 등, 수중 채널 환경은 해수면이나 해저면 등) 등의 반사파에 의한 수직 방향의 다중 경로 성분의 합으로 수신되며, 이에 의해 수신 신호의 질이 크게 저하된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 수직 편파 만을 이용하여 신호를 전송하는 무선통신 시스템에서도 빔 이득과 다이버서티 이득을 동시에 얻을 수 있는 단일 편파 신호를 전송하는 무선통신 시스템의 무선 송수신 신호 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 단일 편파 만을 이용하는 통신 시스템에서 안테나 간의 간격을 줄이면서도 다이버서티 이득 증대 및 빔 이득을 통해 송수신되는 신호 질의 향상, 통신 거리 증대 및 채널 용량 증대의 효과를 얻고, 이를 통한 통신 시스템의 성능을 향상시키는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 단일 편파 신호를 전송하는 무선통신 시스템의 무선 송수신 신호 처리장치는 수직편파 안테나와 수평 편파 안테나로 된 단위 안테나가 적어도 하나 이상 마련된 무선 통신시스템의 무선 송수신 신호 처리장치에 있어서, 무선 송신신호를 상기 수직 편파 안테나를 통해 전송하는 제1송신RF모듈과; 상기 수직 편파 안테나에 접속되어 상기 수직 편파 안테나를 통해 수신된 신호를 처리하는 제1수신RF모듈과; 상기 수평 편파 안테나에 접속되어 상기 수평 편파 안테나를 통해 수신된 신호를 처리하는 제2수신RF모듈과; 신호 전송시에는 상기 제1송신 RF모듈을 통해 상기 수직 편파 안테나로만 전송하고, 신호 수신시에는 상기 수직 편파 안테나와 상기 수평 편파 안테나 모두를 통해 수신되어 상기 제1 및 제2수신RF모듈을 통해 수신된 신호를 다이버서티 결합하여 처리하는 신호 처리부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 신호 처리부는 상기 제1수신RF모듈에서 수신된 신호를 복조하는 제1복조기와; 상기 제2수신RF모듈에서 수신된 신호를 복조하는 제2복조기와; 상기 제1복조기의 출력신호와 상기 제2복조기의 출력신호를 상호 다이버서티 결합하는 다이버서티 결합기와; 상기 다이버서티 결합기의 출력신호를 처리하는 제어부와; 상기 제어부에서 출력되는 송신정보를 변조하여 상기 제1송신RF모듈로 출력하는 변조기;를 구비한다.
또 다르게는, 상기 단위 안테나들이 상호 일렬 또는 원궤도 형태가 되게 상호 이격되게 배열되어 있고, 상기 제1수신 RF모듈과 상기 신호처리부 사이에 마련되어 수신된 신호들에 대한 빔방향을 조정하는 제1 수신빔 방향 형성기와; 상기 제2수신 RF모듈과 상기 신호처리부 사이에 마련되어 수신된 신호들에 대한 빔방향을 조정하는 제2수신빔 방향 형성기와; 상기 제1송신 RF모듈과 상기 신호처리부 사이에 마련되어 송신될 신호들에 대한 빔방향을 조정하는 제1 송신빔 방향 형성기;를 더 구비할 수 있다. 이 경우 상기 신호처리부는 상기 제1수신 RF모듈과 상기 제2수신 RF모듈을 통해 수신된 신호로부터 수신빔의 방향을 추정하고, 추정된 빔방향에 따라 신호 송신시에 상기 제1송신빔 방향 형성기를 통해 송신빔의 방향을 제어한다.
본 발명에 따른 단일 편파 신호를 전송하는 무선통신 시스템의 무선 송수신 신호 처리장치에 의하면, 서로 다른 채널 환경을 통과한 편파 신호를 각 채널 환경에 맞는 편파용 빔 형성기를 이용하여 수신 하게 함으로써, 안테나 간의 간격을 줄이면서도 빔 이득과 다이버서티 이득을 동시에 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 수직 편파 및 수평 편파를 이용하여 신호를 송수신 하는 통신 시스템의 블록도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 편파 신호를 전송하는 무선통신 시스템의 무선 송수신 신호 처리장치를 나타내 보인 도면이고,
도 3은 단위 안테나가 수직상으로 열을 지어 배열된 상태를 나타내 보인 도면이고,
도 4는 단위 안테나가 수평상으로 열을 지여 배열된 상태를 나타내 보인 도면이고,
도 5는 단위 안테나가 원궤도 형태로 배열된 상태를 나타내 보인 도면이고,
도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따라 복수 개의 단위 안테나가 적용된 무선 송수신 신호 처리장치의 신호를 전송하는 부분을 나타내 보인 도면이고,
도 7은 본 발명의 제2실시 예에 따라 복수 개의 단위 안테나가 적용된 무선 송수신 신호 처리장치의 신호를 수신하는 부분을 나타내 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단일 편파 신호를 전송하는 무선통신 시스템의 무선 송수신 신호 처리장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 편파 신호를 전송하는 무선통신 시스템의 무선 송수신 신호 처리장치를 나타내 보인 도면이다.
도 2를 참조하면, 무선 송수신 신호 처리장치는 단위 안테나(10), 제1송신RF모듈(21), 제1수신RF모듈(31), 제2수신RF모듈(32) 및 신호 처리부를 구비한다.
단위 안테나(10)는 수직편파 안테나(11)와 수평 편파 안테나(12)로 되어 있다.
제1송신RF모듈(21)은 수직 편파 안테나(11)와 접속되어 무선 송신신호를 수직 편파 안테나(11)를 통해 전송한다.
제1수신RF모듈(31)은 수직 편파 안테나(11)에 접속되어 수직 편파 안테나(11)를 통해 수신된 신호를 처리한다.
제2수신RF모듈(32)은 수평 편파 안테나(12)에 접속되어 수평 편파 안테나(12)를 통해 수신된 신호를 처리한다.
신호 처리부는 신호 전송시에는 제1송신 RF모듈(21)을 통해 수직 편파 안테나(11)로만 전송하고, 신호 수신시에는 수직 편파 안테나(11)와 수평 편파 안테나(12) 모두를 통해 수신되어 제1 및 제2수신RF모듈(31)(32)을 통해 수신된 신호를 다이버서티 결합하여 처리한다.
이러한 신호 처리부는 제1복조기(demodulator)(42), 제2복조기(demodulator)(43), 다이버서티 결합기(50), 제어부(60) 및 변조기(modulator)(41)를 구비한다.
제1복조기(demodulator)(42)는 제1수신RF모듈(31)에서 수신된 신호를 복조한다.
제2복조기(demodulator)(43)는 제2수신RF모듈(32)에서 수신된 신호를 복조한다.
다이버서티 결합기(50)는 제1복조기(42)의 출력신호와 제2복조기(43)의 출력신호를 상호 다이버서티 결합하여 출력한다.
제어부(60)는 다이버서티 결합기(50)의 출력신호를 처리하고, 송신정보를 변조기(41)를 통해 전송한다.
변조기(modulator)(41)는 제어부(60)에서 출력되는 송신정보를 변조하여 제1송신RF모듈(21)로 출력한다.
한편, 도시된 예와 다르게, 단위 안테나(10)는 도 3에 도시된 바와 같이 수직상으로 다수개가 이격되어 열을 지어 배열되거나, 도 4에 도시된 바와 같이 수평으로 다수개가 이격되어 열을 지어 배열되거나, 도 5에 도시된 바와 같이 원궤도 형태가 되게 다수개가 이격되어 배열된 것이 적용될 수 있다.
이와 같이 단위 안테나(10)가 다수개 적용되는 경우 바람직한 무선 송수신 신호 처리장치의 예를 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다. 앞서 도시된 도면에서와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
무선 송수신 신호 처리 장치는 복수 개의 단위 안테나(10), 복수 개의 제1송신RF모듈(21), 복수 개의 제1수신RF모듈(31), 복수 개의 제2수신RF모듈(32), 제1 수신빔 방향 형성기(120), 제2수신빔 방향 형성기(130), 제1송신빔 방향 형성기(140) 및 신호 처리부를 구비한다.
제1수신빔 방향 형성기(120)는 제1수신 RF모듈(31)과 다이버서티 결합기(50) 사이에 마련되어 원하는 방향으로부터 전파되어 오는 신호만을 수신하고 그 이외의 방향에서 전파되어오는 간섭에 의한 잡음 신호레벨은 크게 감소시킬 수 있도록 제1수신 RF모듈(31) 각각의 채널을 통해 수신된 신호들에 대해 신호처리부에 의해 결정된 이득 및 위상에 대한 복소 가중치를 조절하여 출력한다. 참조부호 121은 신호처리부에 의해 각 제1수신 RF모듈(31) 채널별로 적용되는 복소 가중치를 승산하는 승산기이다.
제2수신빔 방향 형성기(130)는 제2수신 RF모듈(32)과 신호처리부 사이에 마련되어 수신된 신호들에 대한 빔방향을 조정한다.
여기서, 참조부호 61은 제1수신 RF모듈(31) 및 제2수신 RF모듈(32)을 통해 수신되어 제1복조기(42) 및 제2복조기(43)를 거쳐 생성된 신호로부터 빔방향을 추정하는 추정기이고, 참조부호 63은 빔방향 추정기(61)에 의해 추정된 빔방향에 따라 제1수신 RF모듈(31) 및 제2수신RF모듈(32) 각각의 채널을 통해 수신된 신호들에 대해 복소 가중치를 조정하는 빔방향 제어기(63)이다.
제1 송신빔 방향 형성기(140)는 제1송신 RF모듈(21)과 신호처리부 사이에 마련되어 송신될 신호들에 대한 빔방향을 조정한다.
여기서 제1 송신빔 방향 형성기(140)를 통해 신호 송신 시 생성되는 수직편파 빔 형성방향은 앞서 설명된 바와같이 신호 수신시에 수직 편파 안테나(11)에서 수신한 신호를 이용하여 추정한 빔 형성 방향을 적용하며, 수신 신호 방향에 대한 추정은 MUSIC, ESPRIT 알고리즘 등 기존의 빔 방향 추정 알고리즘이 사용될 수 있다.
여기서 신호 처리부는 앞서 설명된 다이버서티 결합기(50), 빔방향 추정기(61), 빔방향 제어기(63) 및 제어부(60)를 포함한다.
이러한 신호 처리부는 제1수신 RF모듈(31)과 제2수신 RF모듈(32)을 통해 수신된 신호로부터 수신빔의 방향을 추정하고, 추정된 빔방향에 따라 신호 송신시에 제1송신빔 방향 형성기(140)를 통해 송신빔의 방향을 제어하고, 수신된 신호에 대해서도 제1 및 제2 수신빔 방향형성기(120)(130)를 통해 수신빔을 제어한다.
한편, 도시된 예와 다르게, 수직편파 안테나(11)를 통해 접속되는 제1수신RF모듈(31)과, 제1송신RF모듈(21)이 하나로 통합된 구조로 형성될 수 있음은 물론이다.
한편, 수직 편파 안테나(11) 만을 이용하여 전송된 신호는 땅 등에 의한 반사파에 의해 상하의 다중경로(수직방향)로 수신되며, 주변 건물 등의 반사파에 의해서는 좌우의 다중경로(수평방향)로 수신된다.
따라서 본 무선 송수신 신호 처리장치에서 수직 편파 안테나(11)를 이용하여 수직 편파 성분의 다중경로 신호를 수신하고, 수평 편파 안테나(12)를 이용하여 수평 편파 성분의 다중 경로 신호가 수신된다. 또한, 수평편파 안테나(12)에서 수신한 신호와 수직 편파 안테나(11)에서 수신한 신호는 서로 다른 다중경로를 통과한 신호이기 때문에, 일반적으로 서로 독립적인 페이딩 특성으로 수신되며, 이러한 수직 및 수평 편파 안테나(11)(12)로부터 수신한 신호의 다이버서티 결합을 수행하면 수신 다이버서티 이득을 얻을 수 있다.
또한, 각 수직 및 수평 편파 안테나(11)(12)에서 수신된 신호는 무선 채널 환경에 의해 페이딩의 영향을 크게 받은 신호가 수신되더라도 제1 및 제2 수신빔 방향형성기(120)(130)에 의해 빔 형성을 수행해 줌으로써 통신 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
이러한 빔형성방식에 의해 원하는 방향에서 수신되는 신호만을 수신하고, 원하지 않는 방향에서 수신되는 신호를 제거할 수 있기 때문에, 수신되는 신호에 대한 페이딩 영향이 크게 낮아지고, 이에 의해 수신되는 신호의 질이 크게 향상된다.
10: 단위 안테나 21: 제1송신RF모듈
31: 제1수신RF모듈 32: 제2수신RF모듈

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 수직편파 안테나와 수평 편파 안테나로 된 단위 안테나가 적어도 하나 이상 마련된 무선 통신시스템의 무선 송수신 신호 처리장치에 있어서,
    무선 송신신호를 상기 수직 편파 안테나를 통해 전송하는 제1송신RF모듈과;
    상기 수직 편파 안테나에 접속되어 상기 수직 편파 안테나를 통해 수신된 신호를 처리하는 제1수신RF모듈과;
    상기 수평 편파 안테나에 접속되어 상기 수평 편파 안테나를 통해 수신된 신호를 처리하는 제2수신RF모듈과;
    신호 전송시에는 상기 제1송신 RF모듈을 통해 상기 수직 편파 안테나로만 전송하고, 신호 수신시에는 상기 수직 편파 안테나와 상기 수평 편파 안테나 모두를 통해 수신되어 상기 제1 및 제2수신RF모듈을 통해 수신된 신호를 다이버서티 결합하여 처리하는 신호 처리부;를 구비하고,
    상기 신호 처리부는
    상기 제1수신RF모듈에서 수신된 신호를 복조하는 제1복조기와;
    상기 제2수신RF모듈에서 수신된 신호를 복조하는 제2복조기와;
    상기 제1복조기의 출력신호와 상기 제2복조기의 출력신호를 상호 다이버서티 결합하는 다이버서티 결합기와;
    상기 다이버서티 결합기의 출력신호를 처리하는 제어부와;
    상기 제어부에서 출력되는 송신정보를 변조하여 상기 제1송신RF모듈로 출력하는 변조기;를 구비하며,
    상기 단위 안테나들이 상호 일렬 또는 원궤도 형태가 되게 상호 이격되게 배열되어 있고,
    상기 제1수신 RF모듈과 상기 신호처리부 사이에 마련되어 수신된 신호들에 대한 빔방향을 조정하는 제1 수신빔 방향 형성기와;
    상기 제2수신 RF모듈과 상기 신호처리부 사이에 마련되어 수신된 신호들에 대한 빔방향을 조정하는 제2수신빔 방향 형성기와;
    상기 제1송신 RF모듈과 상기 신호처리부 사이에 마련되어 송신될 신호들에 대한 빔방향을 조정하는 제1 송신빔 방향 형성기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선통신 시스템의 무선 송수신 신호 처리장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 신호처리부는
    상기 제1수신 RF모듈과 상기 제2수신 RF모듈을 통해 수신된 신호로부터 수신빔의 방향을 추정하고, 추정된 빔방향에 따라 신호 송신시에 상기 제1송신빔 방향 형성기를 통해 송신빔의 방향을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선통신 시스템의 무선 송수신 신호 처리장치.
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