KR101581378B1 - 스펙트럼 효율을 위한 변조 방법 및 장치 - Google Patents

스펙트럼 효율을 위한 변조 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 실시예는 변조 신호를 생성하는 과정에서 변조를 위한 별도의 필터를 사용하지 않으면서도, 입력 데이터 신호로부터 생성되는 채널 데이터 신호를 채널 데이터 신호의 심볼 길이 대비 긴 펄스 폭 길이를 갖는 RC 또는 SRC 펄스를 사용하여 펄스 정형화함으로써 기존의 변조 방식 대비 잡음에 강인하면서도 스펙트럼 특성 효율이 향상될 수 있도록 하는 변조 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

스펙트럼 효율을 위한 변조 방법 및 장치{Modulation Method And Apparatus for Spectrum Efficiency}
본 실시예는 스펙트럼 효율을 위한 변조 방법 및 장치에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
최근 스마트폰의 확산으로 인하여 다양한 멀티미디어 데이터 전송이 빈번하게 이뤄지고 있다. 이에, 제한된 주파수 자원을 효율적으로 사용하여 고속의 데이터 전송을 하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 여러 시스템이 공존하는 상황에서 상호 간의 간섭을 해결하기 위한 다양한 방법이 함께 제시되고 있다.
2.4 GHz의 ISM(Industrial Scientific Medical) 대역은 비면허 대역으로서 IEEE 802.11에 정의되어 있는 무선랜(Wireless Local Area Network: WLAN)과 IEEE 802.15 Wireless Personal Area Network(WPAN)에 포함된 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee) 등의 다양한 통신 장치들이 혼재되어 사용되는 복잡한 주파수대이다. 이와 같이, 이종 및 동종 시스템이 다수 존재하는 환경에서 동작하는 통신시스템을 위해서는 잡음에 강인하면서도 스펙트럼 특성이 우수하여 타 시스템 및 동일 시스템에 대하여 간섭을 적게 주는 변조 방식이 요구된다.
이러한, 변조 방식 중 CPM(Continuous Phase Modulation) 방식은 출력 신호의 진폭이 일정하여 전력 효율이 좋은 비선형 증폭기를 사용할 수 있으며 스펙트럼 특성이 우수하여 인접 채널에 대한 간섭 영향이 작은 장점이 있으나, 상대적으로 데이터 전송률이 낮은 단점이 있다. 직교 역위상 천이 기반의 Q2PSK(Quadrature Quadrature Phase Shift Keying)나 QMSK(Quadrature Minimum Shift Keying)의 경우 입력 데이터를 여러 개의 채널로 다중화하여 전송하므로 CPM에 비하여 데이터 전송률이 향상되는 장점이 있으나, 다중화로 인하여 출력 신호의 진폭이 일정하지 않아 비선형 증폭기의 사용이 제한되고 CPM에 비하여 부엽의 크기가 크므로 인접 채널에 대한 간섭이 증가하는 단점이 있다. 이 밖에도 상기에 명시된 변조 방식의 단점을 보완한 QM-GMSK 및 OQ2PSK와 같은 변조 방식이 제시되었으나, 여전히 기존의 변조 방식 대비 잡음에 강인하면서도 스펙트럼 특성 효율이 보다 향상될 수 있도록 하는 새로운 변조 기법을 필요로 한다.
본 실시예는, 변조 신호를 생성하는 과정에서 변조를 위한 별도의 필터를 사용하지 않으면서도, 입력 데이터 신호로부터 생성되는 채널 데이터 신호를 채널 데이터 신호의 심볼 길이 대비 긴 펄스 폭 길이를 갖는 RC 또는 SRC 펄스를 사용하여 펄스 정형화함으로써 기존의 변조 방식 대비 잡음에 강인하면서도 스펙트럼 특성 효율이 향상될 수 있도록 하는 변조 방법 및 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 실시예는, 입력 데이터 신호에 포함된 각 비트를 비트 정렬 순서에 따라 홀수 비트 및 짝수 비트로 구분하고, 상기 홀수 비트 및 상기 짝수 비트를 각각 직병렬 변환하여 한 쌍의 I 채널 데이터 신호 및 한 쌍의 Q 채널 데이터 신호를 생성하는 변환부; 상기 변환부로부터 생성된 4개의 채널 데이터 신호를 채널 데이터 신호의 심볼 길이 대비 긴 펄스 폭 길이를 갖는 정현파를 n(n=2의 배수)승한 신호의 파형을 이용하여 펄스 정형화(Pulse Shaping)하는 정형화부; 상기 정형화부로부터 펄스 정형화된 4개의 채널 데이터 신호에 대하여 각 채널 데이터 신호가 상기 홀수 비트에 기초하여 생성된 신호인지 상기 짝수 비트에 기초하여 생성된 신호인지 여부에 따라 서로 다른 반 파장의 정현파를 곱하는 제1 곱셈부; 상기 제1 곱셈부로부터 출력되는 4개의 채널 데이터 신호에 대하여 각 채널 데이터 신호가 어느 채널에 대응되는 데이터 신호인지 여부에 따라 서로 다른 반송파를 곱하는 제2 곱셈부; 및 상기 제2 곱셈부로부터 출력되는 4개의 채널 데이터 신호를 합산하여 변조 신호를 생성하고, 상기 변조 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변조 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 입력 데이터 신호에 포함된 각 비트를 비트 정렬 순서에 따라 홀수 비트 및 짝수 비트로 구분하고, 상기 홀수 비트 및 상기 짝수 비트를 각각 직병렬 변환하여 한 쌍의 I 채널 데이터 신호 및 한 쌍의 Q 채널 데이터 신호를 생성하는 생성과정; 상기 생성과정에서 생성된 4개의 채널 데이터 신호를 채널 데이터 신호의 심볼 길이 대비 긴 펄스 폭 길이를 갖는 정현파를 n(n=2의 배수)승한 신호의 파형을 이용하여 펄스 정형화하는 정형화 과정; 상기 정형화 과정에서 펄스 정형화된 4개의 채널 데이터 신호에 대하여 각 채널 데이터 신호가 상기 홀수 비트에 기초하여 생성된 신호인지 상기 짝수 비트에 기초하여 생성된 신호인지 여부에 따라 서로 다른 반 파장의 정현파를 곱하는 제1 변환과정; 상기 제1 변환과정에서 생성된 4개의 채널 데이터 신호에 대하여 각 채널 데이터 신호가 어느 채널에 대응되는 데이터 신호인지 여부에 따라 서로 다른 반송파를 곱하는 제2 변환과정; 및 상기 제2 변환과정에서 생성된 4개의 채널 데이터 신호를 합산하여 변조 신호를 생성하고, 상기 변조 신호를 출력하는 출력과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 변조 방법을 제공한다.
본 실시예에 의하면, 변조 신호를 생성하는 과정에서 변조를 위한 별도의 필터를 사용하지 않으면서도, 입력 데이터 신호로부터 생성되는 채널 데이터 신호를 채널 데이터 신호의 심볼 길이 대비 긴 펄스 폭 길이를 갖는 RC 또는 SRC 펄스를 사용하여 펄스 정형화함으로써 기존의 변조 방식 대비 잡음에 강인하면서도 스펙트럼 특성 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 변조 장치를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 변조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3 내지 도 9는 본 실시예에 따른 변조 방법을 수행 시의 스펙트럼 특성을 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 실시예에 따른 변조 장치를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
MSK(Minimum Shift Keying) 보다 스펙트럼의 부엽 억제 특성이 우수한 GMSK(Gaussian filtered MSK)를 직교 다중화한 QM-GMSK(Quadrature Multiplexed Gaussian Minimum Shift Keying)는 Q2PSK(Quadrature Quadrature Phase Shift Keying)나 QMSK(Quadrature Minimum Shift Keying)에 비해 주엽의 폭은 다소 넓지만 부엽이 크게 억제되므로 실제 스펙트럼 효율이 상대적으로 더 높다. 한편, QM-GMSK에서 기저대역 기본 펄스를 반파장 정현파의 제곱으로 근사화시키면 QM-GMSK 변조에서 필요한 가우시안 저역통과필터(GLPF)를 사용하지 않고 송신기 즉, 변조 장치를 구현할 수 있다. 이것이 OQ2PSK(Offset-Q2PSK)이다. 예컨대, QM-GMSK에서 기저대역 기본 펄스는 인접 비트 dk와 dk -1가 동일한 경우의 파형인 PI(t) 및 인접 비트 dk와 dk -1가 다른 경우의 파형인 PD(t)로 근사화될 수 있다. 이때, PI(t) 및 PD(t)의 파형은 인접한 비트들의 상태에 따라 다르지만 cos2(πt/2Tb)의 수식에 매우 근접하다. 즉, PI(t) 나 PD(t)를 cos2(πt/2Tb)로 대체한 것은 정보 데이터 신호열에 대해 cos(πt/2Tb)로 펄스 정형하고 Q2PSK 변조한 것과 동등하다. 본 실시예에 따른 변조 장치(100)는 상기에 명시된 OQ2PSK의 특성을 반영하여 신호 변조를 위한 별도의 필터를 구비하지 않고 곱셈기와 덧셈기만으로 변조 장치(100)를 구현하였으며, 이를 통해, 필터 특성으로 인한 신호의 왜곡을 방지하는 한편, 기존 다른 변조 장치를 대비 변조 장치(100)의 구조를 간소화하였다. 더불어, 수신시 즉, 복조 장치에서는 차동 복호화 과정을 생략함으로써 비트오율 성능을 개선할 수 있도록 하였다.
도 1에서 도시하듯이, 본 실시예에 따른 변조 장치(100)는 변환부(110), 딜레이부(120), 정형화부(130), 제1 곱셈부(140), 제2 곱셈부(150) 및 출력부(160)를 포함한다.
변환부(110)는 펄스 폭이 Tb인 입력 데이터 신호를 수신하고, 수신한 입력 데이터 신호를 직병렬 변환하여 펄스 폭이 T=2Tb인 4개의 채널 데이터 신호를 생성한다. 이러한, 변환부(110)는 바람직하게는 입력 데이터 신호를 직병렬 변환하기 위한 직병렬 변환기로 구현될 수 있다. 즉, 변환부(110)는 입력 데이터 신호에 포함된 각 비트를 비트 정렬 순서에 따라 홀수 비트 및 짝수 비트로 구분하고, 구분된 홀수 비트 및 짝수 비트를 각각 직병렬 변환하여 한 쌍의 I 채널 데이터 신호(b1(t), b2(t)) 및 한 쌍의 Q 채널 데이터 신호(b3(t), b4(t))를 생성한다. 이후, 변환부(110)는 생성된 한 쌍의 I 채널 데이터 및 한 쌍의 Q 채널 데이터 신호를 각각 I와 Q 채널로 구분하여 출력한다.
딜레이부(120)는 변환부(110)로부터 생성된 4개의 채널 데이터 신호 중 적어도 어느 하나의 채널 데이터 신호를 다른 채널 데이터 신호 대비 일정 시간만큼 지연시켜 출력한다. 본 실시예에 따른, 딜레이부(120)는 변환부(110)로부터 생성된 4개의 채널 데이터 신호 중 짝수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호 및 짝수 비트에 기초하여 생성된 Q 채널 데이터 신호를 각각 홀수 비트에 기초하여 생성된 홀수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호 및 홀수 비트에 기초하여 생성된 Q 채널 신호 대비 한 비트(Tb) 구간만큼 지연시켜 출력한다. 이를 위해, 본 실시예에 따른 딜레이부(120)는 짝수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호를 지연시키기 위한 제1 딜레이부(122) 및 짝수 비트에 기초하여 생성된 Q 채널 데이터 신호를 지연시키기 위한 제2 딜레이부(124)를 포함한다. 한편, 짝수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호 및 짝수 비트에 기초하여 생성된 Q 채널 데이터 신호는 딜레이부(120)를 이용한 채널 데이터 신호의 지연 과정을 거침에 따라 이후, 정형화부(130)를 거쳐 제1 곱셈부(140)로 입력 시 그 심볼 구간이 제1 곱셈부(140)의 곱셈 계수 중 해당 채널 데이터 신호에 대응되는 곱셈 계수인 반 파장의 정현파(S(t))에 맞춰지게 된다. 본 실시예에 따른 변조 장치(100)는 변환부(110)로부터 생성된 4개의 채널 데이터 신호 중 짝수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호 및 짝수 비트에 기초하여 생성된 Q 채널 데이터 신호를 딜레이부(120)를 이용하여 지연시키고, 이를, 제1 곱셈부(140)를 이용하여 반 파장의 정현파(S(t))와 곱셈하여 출력시킴으로써 이후, 복조 과정 수행 시 지연된 심볼과 지연되지 않은 심볼 간 간섭 즉, ISI(InterSymbol Inteference)가 0이 되도록 할 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 딜레이부(120)가 변환부(110)로부터 생성된 4개의 채널 데이터 신호 중 짝수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호 및 짝수 비트에 기초하여 생성된 Q 채널 데이터 신호를 지연시켜 출력하는 것으로 명시하였지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서는 딜레이부(120)가 변환부(110)로부터 생성된 4개의 채널 데이터 신호 중 홀수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호 및 홀수 비트에 기초하여 생성된 Q 채널 데이터 신호를 지연시켜 출력할 수도 있다.
정형화부(130)는 변환부(110) 및 딜레이부(120)를 거쳐 출력되는 4개의 채널 데이터 신호를 각각 해당 채널 데이터 신호의 심볼 길이(2Tb) 대비 긴 펄스 폭 길이를 갖는 정현파를 n(n=2의 배수)승한 신호의 파형을 이용하여 펄스 정형화(Pulse Shaping) 한다. 이러한, 정형화부(130)에 의한 펄스 정형화 과정은 변환부(110) 및 딜레이부(120)를 거쳐 출력되는 4개의 채널 데이터 신호를 부드럽게 정형시킴으로써 스펙트럼 특성 효율을 개선하는 효과를 야기한다. 본 실시예에 따른 정형화부(130)는 각각의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화하기 위한 제1 내지 제4 정형화부(132, 134, 136, 138)를 포함하며, 이를 통해, 펄스 정형화된 4개의 채널 데이터 신호(x1(t), x2(t), x3(t), x4(t))를 생성하여 출력시킨다. 이러한, 제1 내지 제4 정형화부(132, 134, 136, 138)는 예컨대, 펄스정형 필터로 구현될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른, 정형화부(130)는 바람직하게는 펄스 정형화 과정에서 정형화부(130)에 입력되는 4개의 채널 데이터 신호의 심볼 길이 2배의 길이를 갖는 정현파를 n승한 신호의 파형을 이용하여 각각의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화한다. 정형화부(130)에 입력되는 4개의 채널 데이터 신호의 심볼 길이 2배의 길이를 갖는 정현파는 수학식 1과 같다.
Figure 112015006475215-pat00001
수학식 1에서 Tb는 입력 데이터 신호의 비트 길이를 의미한다.
본 실시예에 따른 정형화부(130)는 펄스 정형화 과정에서 정형화부(130)에 입력되는 4개의 채널 데이터 신호의 심볼 길이 2배의 길이를 갖는 정현파를 2승한 상승 코사인(RC: Raised Cosine)를 사용하여 각각의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화를 수행할 수 있다. 이러한, 상승 코사인 함수는 수학식 2와 같다.
Figure 112015006475215-pat00002
또한, 본 실시예에 따른 정형화부(130)는 펄스 정형화 과정에서 정형화부(130)에 입력되는 4개의 채널 데이터 신호의 심볼 길이 2배의 길이를 갖는 정현파를 4승한 제곱근 상승 코사인(SRC: Squared Raised Cosine)를 사용하여 각각의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화를 수행할 수도 있다. 이러한, 제곱근 상승 코사인 함수는 수학식 3과 같다.
Figure 112015006475215-pat00003
한편, 정형화부(130)는 본 실시예에 따른 변조 장치(100)를 이용하여 향상시키고자 하는 스펙트럼 특성 효율에 따라 서로 다른 파형을 펄스 정형화를 위한 파형으로서 사용한다. 예컨대, 정형화부(130)는 본 실시예에 따른 변조 장치(100)를 통해 스펙트럼 특성 중 대역폭과 관련된 특성 효율을 향상시키고자 하는 경우에는 상승 코사인 파형을 사용하여 각각의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화하도록 설계된다. 또한, 정형화부(130)는 본 실시예에 따른 변조 장치(100)를 통해 스펙트럼 특성 중 부엽과 관련된 특성 효율을 향상시키고자 하는 경우에는 제곱근 상승 코사인 파형을 사용하여 각각의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화하도록 설계된다.
제1 곱셈부(140)는 정형화부(130)로부터 펄스 정형화된 4개의 채널 데이터 신호에 대하여 각 채널 데이터 신호가 홀수 비트에 기초하여 생성된 신호인지 짝수 비트에 기초하여 생성된 신호인지 여부에 따라 서로 다른 반 파장의 정현파를 곱하여 출력시킨다. 즉, 제1 곱셈부(140)는 정형화부(130)로부터 펄스 정형화된 4개의 채널 데이터 신호 중 홀수 비트에 기초하여 생성된 신호의 경우 반 파장의 정현파(C(t))
Figure 112015006475215-pat00004
(Tb= 입력 데이터 신호의 비트 길이)를 곱하고, 짝수 비트에 기초하여 생성된 신호의 경우 반 파장의 정현파(S(t))
Figure 112015006475215-pat00005
를 곱하여 출력시킨다. 이때, 반 파장의 정현파
Figure 112015006475215-pat00006
와 반 파장의 정현파
Figure 112015006475215-pat00007
는 서로 직교한다. 이를 위해, 본 실시예에 따른 제1 곱셈부(140)는 정형화부(130)로부터 펄스 정형화된 4개의 채널 데이터 신호 각각에 대하여 대응되는 반 파장의 정현파를 곱셈하여 출력시키기 위한 제1 내지 제N 곱셈기(142, 144, 146, 148)를 구비한다.
제2 곱셈부(140)는 제1 곱셈부(140)로부터 출력되는 4개의 채널 데이터 신호에 대하여 각 채널 데이터 신호가 어느 채널에 대응되는 데이터 신호인지 여부에 따라 서로 다른 반송파를 곱하여 출력시킨다. 즉, 제2 곱셈부(140)는 제1 곱셈부(140)로부터 출력되는 4개의 채널 데이터 신호 중 I 채널에 대응되는 데이터 신호의 경우 반송파
Figure 112015006475215-pat00008
(fc는 반송파 주파수)를 곱하고, Q 채널에 대응되는 데이터 신호의 경우 반송파
Figure 112015006475215-pat00009
를 곱하여 출력시킨다. 이때, 반송파
Figure 112015006475215-pat00010
와 반송파
Figure 112015006475215-pat00011
는 서로 직교한다. 이를 위해, 본 실시예에 따른 제2 곱셈부(150)는 제1 곱셈부(150)로부터 출력되는 4개의 채널 데이터 신호 각각에 대하여 대응되는 반송파를 곱셈하여 출력시키기 위한 제1 내지 제N 곱셈기(152, 154, 156, 158)를 구비한다.
한편, 기존의 변조 방식 중 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)는 두 개의 BPSK(Biphase Shift Keying) 신호를 서로 직교하는 반송파에 각각 실어 전송함으로써 수신기에서 각각의 반송파에 실린 데이터에 대해 개별적으로 복조가 가능하다. 이에, QPSK는 BPSK와 동일한 성능을 가지면서 데이터 전송률을 두 배로 개선할 수 있다. 그러나, QPSK는 심볼 길이가 2Tb인 경우 사용가능한 총 신호 차원 수 4개 중에서 절반인 두 개의 신호 차원만을 사용하므로 데이터 전송률을 더 개선할 수 있는 여지가 있다. 본 실시예에 따른 복조 장치(100)는 이러한 특성을 반영하여, 정형화부(130)로부터 펄스 정형화된 4개의 채널 데이터 신호를 제1 곱셈부(140) 즉, 서로 직교하는 데이터 펄스를 사용하여 다중화시키고, 이를 제2 곱셈부(150) 즉, 서로 직교하는 반송파를 이용하여 추가 다중화하여 출력시킴으로써 사용 가능한 4개의 신호 차원을 모두 사용할 수 있도록 구현된다. 이를 통해, 본 실시예에 따른 복조 장치(100)는 기존 대비 더 높은 대역 폭 효율을 얻을 수 있다. 예컨대, 본 실시예에 따른 복조 장치(100)에 의해 생성되는 변조 신호를 보면, 제2 곱셈부(150)를 통해 서로 직교하는 반송파를 이용하여 다중화되었으므로 수신기에서 동위상(In-Phase) 성분과 역위상(Quadrature-Phase) 성분으로 각각 분리될 수 있다. 이후, 분리된 I 채널 신호와 Q 채널 신호는 본 실시예에 따른 변조 신호가 제1 곱셈부(140)를 통해 서로 직교하는 데이터 펄스를 이용하여 다중화되었으므로 수신기에서 재차 분리될 수 있다.
출력부(160)는 제2 곱셈부(150)로부터 출력되는 4개의 채널 데이터 신호를 합산하여 변조 신호를 생성하고, 생성된 변조 신호를 출력한다. 이를 위해, 본 실시예에 따른 출력부(160)는 합산기를 구비할 수 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 변조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 실시예에 따른 변조 장치(100)는 펄스 폭이 Tb인 입력 데이터 신호를 수신하고, 수신한 입력 데이터 신호를 직병렬 변환하여 펄스 폭이 T=2Tb인 한 쌍의 I 채널 데이터 신호 및 한 쌍의 Q 채널 데이터 신호를 생성한다(S202). 단계 S202에서 변조 장치(100)는 입력 데이터 신호에 포함된 각 비트를 비트 정렬 순서에 따라 홀수 비트 및 짝수 비트로 구분하고, 구분된 홀수 비트 및 짝수 비트를 각각 직병렬 변환하여 한 쌍의 I 채널 데이터 신호(b1(t), b2(t)) 및 한 쌍의 Q 채널 데이터 신호(b3(t), b4(t))를 생성한다.
변조 장치(100)는 단계 S202에서 생성된 4개의 채널 데이터 신호 중 짝수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호 및 짝수 비트에 기초하여 생성된 Q 채널 데이터 신호를 각각 홀수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호 및 홀수 비트에 기초하여 생성된 Q 채널 신호 대비 한 비트(Tb) 구간만큼 지연시켜 출력한다(S204). 한편, 짝수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호 및 짝수 비트에 기초하여 생성된 Q 채널 데이터 신호는 단계 S204를 통해 신호 지연되어 출력됨에 따라 이후, 변조 장치(100)의 정형화부(130)를 거쳐 제1 곱셈부(140)로 입력 시 그 심볼 구간이 제1 곱셈부(140)의 곱셈 계수 중 해당 채널 데이터 신호에 대응되는 곱셈 계수인 반 파장의 정현파(S(t))에 맞춰지게 된다.
변조 장치(100)는 단계 S202 및 단계 S204를 거쳐 출력되는 4개의 채널 데이터 신호를 각각 해당 채널 데이터 신호의 심볼 길이(2Tb) 대비 긴 펄스 폭 길이를 갖는 정현파를 n(n=2의 배수)승한 신호의 파형을 이용하여 펄스 정형화한다(S206). 이때, 변조 장치(100)는 바람직하게는 단계 S202 및 단계 S204를 거쳐 출력되는 4개의 채널 데이터 신호의 심볼 길이 2배의 길이를 갖는 정현파를 n승한 신호의 파형을 이용하여 각각의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화한다.
한편, 변조 장치(100)는 단계 S206에서 단계 S202 및 단계 S204를 거쳐 출력되는 4개의 채널 데이터 신호의 심볼 길이 2배의 길이를 갖는 정현파를 2승한 상승 코사인 파형을 사용하여 각각의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화를 수행할 수 있다.
또한, 변조 장치(100)는 단계 S206에서 단계 S202 및 단계 S204를 거쳐 출력되는 4개의 채널 데이터 신호의 심볼 길이 2배의 길이를 갖는 정현파를 4승한 제곱근 상승 코사인 파형을 사용하여 각각의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화를 수행할 수도 있다.
변조 장치(100)는 단계 S206에서 펄스 정형화된 4개의 채널 데이터 신호에 대하여 각 채널 데이터 신호가 홀수 비트에 기초하여 생성된 신호인지 짝수 비트에 기초하여 생성된 신호인지 여부에 따라 서로 다른 반 파장의 정현파를 곱하여 출력시킨다(S208). 단계 S208에서 변조 장치(100)는 단계 S206에서 펄스 정형화된 4개의 채널 데이터 신호 중 홀수 비트에 기초하여 생성된 신호의 경우 반 파장의 정현파(C(t))
Figure 112015006475215-pat00012
를 곱하고, 짝수 비트에 기초하여 생성된 신호의 경우 반 파장의 정현파(S(t))
Figure 112015006475215-pat00013
를 곱하여 출력시킨다.
변조 장치(100)는 단계 S208에서 출력되는 4개의 채널 데이터 신호에 대하여 각 채널 데이터 신호가 어느 채널에 대응되는 데이터 신호인지 여부에 따라 서로 다른 반송파를 곱하여 출력시킨다(S210). 단계 S210에서 변조 장치(100)는 단계 S208에서 출력되는 4개의 채널 데이터 신호 중 I 채널에 대응되는 데이터 신호의 경우 반송파
Figure 112015006475215-pat00014
를 곱하고, Q 채널에 대응되는 데이터 신호의 경우 반송파
Figure 112015006475215-pat00015
를 곱하여 출력시킨다.
변조 장치(100)는 단계 S210에서 출력되는 4개의 채널 데이터 신호를 합산하여 최종 변조 신호를 생성한다(S212).
여기서, 단계 S202 내지 S212는 앞서 설명된 변조 장치(100)의 각 구성요소의 동작에 대응되므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
도 3 내지 도 9는 본 실시예에 따른 변조 방법을 수행 시의 스펙트럼 특성을 설명하기 위한 예시도이다. 한편, 본 실시예에 따른 변조 방법의 경우 펄스 정형화 수행 시 정형화부(130) 즉, 펄스정형 필터의 임펄스 응답으로서 기존의 심볼 길이 대비 2배의 길이를 갖는 상승 코사인(RC) 파형 또는 제곱근 상승 코사인(SRC) 파형을 사용한다. 이러한, 상승 코사인(RC) 파형 또는 제곱근 상승 코사인(SRC) 파형은 각각 수학식 2 및 수학식 3과 같으며 이하, 도 3 내지 도 9에서는 펄스 정형화 수행 시 상승 코사인 파형이 사용된 경우에 대하여 중점적으로 설명하도록 한다.
본 실시예에 따른 변조 장치(100)가 펄스 정형화 수행 시 펄스정형 필터의 임펄스 응답으로서 기존의 심볼 길이 대비 2배의 길이를 갖는 상승 코사인(RC) 파형을 사용한 경우에 생성되는 펄스 정형화된 4개의 채널 데이터 신호는 수학식 4와 같다.
Figure 112015006475215-pat00016
수학식 4에서 di n는 i번째 채널에 입력되는 부호화된 n번째 양극성 데이터이다.
본 실시예의 경우 펄스정형 필터의 임펄스 응답 길이가 기존의 심볼 길이(2Tb) 대비 2배의 길이를 갖으므로 특정 심볼 구간의 펄스 정형 출력은 그 심볼뿐만 아니라 인접 심볼 데이터에 의해서도 영향을 받는다. 한편, 펄스 정형화된 채널 데이터 신호의 파형 모양을 관찰하기 위해 n=0번째 데이터 구간의 펄스를 수학식 5와 같이 표현하였다.
Figure 112015006475215-pat00017
도 3은 본 실시예에 따른 펄스정형 필터의 임펄스 응답으로서 사용되는 상승 코사인 qRC(t)의 파형 및 이를 통해 펄스 정형화된 채널 데이터 신호 xRC(t)의 파형을 예시한 예시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 펄스 정형화된 채널 데이터 신호 xRC(t)에 반 파장의 정현파(C(t))
Figure 112015006475215-pat00018
를 곱하는 과정을 예시한 예시도이다.
도 5는 도 4의 과정을 통해 생성된 xRC(t)C(t) 신호의 파형을 예시한 예시도이다. 한편, 도 5에 도시된 xRC(t)C(t) 신호는 펄스 폭이 2Tb인 기본 펄스 p(t)들의 열(Train) 형태가 된다. 여기서 기저대역 기본 펄스 p(t)는 수학식 6과 같이 정의된다.
Figure 112015006475215-pat00019
한편, 기저대역 기본 펄스는 인접한 세 개의 심볼 데이터에 의해 결정되므로 총 8가지 파형이 가능하다. 펄스의 모양이 같으면서 부호만 반대인 파형이 2개씩 존재하므로 세 개의 심볼로 이루어진 펄스의 모양은 총 4가지라 할 수 있다.
도 6은 4가지의 기저대역 기본 펄스 파형 P1(t), P2(t), P3(t), P4(t)을 예시한 도면이다. 기저대역 기본 펄스 pi(t)의 푸리에 변환을 Pi(f)라 정의하고, 4가지 펄스가 발생되는 통계적 확률이 동일하다고 가정하면 전력 스펙트럼 밀도(PSD: Power Spectral Density)는 수학식 7과 같이 근사화가 가능하다.
Figure 112015006475215-pat00020
한편, 본 실시예에 따른 변조 장치(100)가 펄스 정형화 수행 시 펄스정형 필터의 임펄스 응답으로서 기존의 심볼 길이 대비 2배의 길이를 갖는 제곱근 상승 코사인(SRC) 파형을 사용하는 경우의 기저대역 기본 펄스 정의 방법은 상기에 명시된 방법과 동일하며 이에 자세한 설명은 생략하도록 한다.
도 7은 본 실시예에 따른 변조 방법에 의한 전력 스펙트럼 밀도와 기존의 변조 방법에 의한 전력 스펙트럼 밀도를 비교한 비교도이다. 기존의 변조 방법에 의한 전력 스펙트럼 밀도로는 OQ2PSK, QMSK, Q2PSK을 사용한 경우의 전력 스펙트럼 밀도를 도시하였다.
도 7에 도시하듯이, 펄스정형 필터의 임펄스 응답으로 기존의 심볼 길이 대비 2배의 길이를 갖는 상승 코사인(RC) 파형을 사용한 경우 주엽의 폭은 약 0.375Tb로 QMSK나 Q2PSK와 동일하면서 부엽의 크기가 대폭 억제되어 대역폭 효율이 더 높음을 알 수 있다. 또한, 펄스정형 필터의 임펄스 응답으로 기존의 심볼 길이 대비 2배의 길이를 갖는 제곱근 상승 코사인(SRC) 파형을 사용한 경우 주엽의 폭은 약 0.5Tb로 기존의 OQ2PSK와 유사하나 첫 번째 부엽의 크기가 더욱 억제되는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 실시예에 따른 변조 방법에 대한 주기도(Periodogram)와 기존의 변조 방법에 대한 주기도를 비교한 비교도이다.
도 8에 도시하듯이, 펄스정형 필터의 임펄스 응답으로 기존의 심볼 길이 대비 2배의 길이를 갖는 상승 코사인(RC) 파형 또는 제곱근 상승 코사인(SRC) 파형을 사용한 제안된 변조 방법의 경우 First-Null 대역폭이 각각 0.375Tb 및 0.5Tb로서 이론적 스펙트럼 결과와 일치하며, 부엽의 크기가 대폭 억제되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제안된 변조 방법을 사용하면 인접 채널 간 간섭이 감소할 것으로 예상할 수 있다.
본 실시예에 따른 변조 방법은 OQ2PSK와 동일한 구조의 송신기를 사용하여 구현할 수 있다. 또한, 펄스정형 필터의 임펄스 응답 모양과 길이는 다르지만 C(t) 및 S(t)를 곱함으로써 지연된 심볼과 지연되지 않은 심볼 간 간섭이 0이 되므로 OQ2PSK와 같은 수신기를 사용하여 복조할 수 있다.
AWGN(Additive White Gaussian Noise) 환경에서 OQ2PSK는 동기식 BFSK와 동일한 비트오율 성능을 갖는 것이 보고되어 있다.
도 9는 본 실시예에 따른 변조 방법의 비트오율 성능을 시뮬레이션을 통해 분석한 결과를 예시한 예시도이다.
도 9에 도시하듯이, 본 실시예에 따른 펄스 정형 필터의 임펄스 응답으로 기존의 심볼 길이 대비 2배의 길이를 갖는 상승 코사인(RC) 파형을 사용한 경우나 제곱근 상승 코사인 파형을 사용한 경우 비트오율 성능은 거의 유사한 것을 확인할 수 있다. 또한, 두 경우 모두 OQ2PSK와 같이 동기식 BFSK와 대응한 성능이 얻어지는 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 변조 방법을 사용하면 대역 외 스펙트럼 억제 특성을 얻으면서 비트오율 성능은 BFSK와 같은 성능을 얻을 수 있어 밀집된 공간에 다수의 사용자가 존재하는 환경에서 적용이 가능하다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 변조 장치 110: 변환부
120: 딜레이부 130: 정형화부
140: 제1 곱셈부 150: 제2 곱셈부
160: 출력부

Claims (12)

  1. 입력 데이터 신호에 포함된 각 비트를 비트 정렬 순서에 따라 홀수 비트 및 짝수 비트로 구분하고, 상기 홀수 비트 및 상기 짝수 비트를 각각 직병렬 변환하여 한 쌍의 I 채널 데이터 신호 및 한 쌍의 Q 채널 데이터 신호를 생성하는 변환부;
    상기 변환부로부터 생성된 4개의 채널 데이터 신호를 채널 데이터 신호의 심볼 길이 대비 긴 펄스 폭 길이를 갖는 정현파를 n(n=2의 배수)승한 신호의 파형을 이용하여 펄스 정형화(Pulse Shaping)하는 정형화부;
    상기 정형화부로부터 펄스 정형화된 4개의 채널 데이터 신호에 대하여 각 채널 데이터 신호가 상기 홀수 비트에 기초하여 생성된 신호인지 상기 짝수 비트에 기초하여 생성된 신호인지 여부에 따라 서로 다른 반 파장의 정현파를 곱하는 제1 곱셈부;
    상기 제1 곱셈부로부터 출력되는 4개의 채널 데이터 신호에 대하여 각 채널 데이터 신호가 어느 채널에 대응되는 데이터 신호인지 여부에 따라 서로 다른 반송파를 곱하는 제2 곱셈부; 및
    상기 제2 곱셈부로부터 출력되는 4개의 채널 데이터 신호를 합산하여 변조 신호를 생성하고, 상기 변조 신호를 출력하는 출력부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 변조 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 변환부로부터 생성된 4개의 채널 데이터 신호 중 상기 짝수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호 및 상기 짝수 비트에 기초하여 생성된 Q 채널 데이터 신호를 각각 상기 홀수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호 및 상기 홀수 비트에 기초하여 생성된 Q 채널 데이터 신호 대비 한 비트 구간만큼 지연시켜 출력시키는 딜레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변조 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 정형화부는,
    상기 채널 데이터 신호의 심볼 길이 2배의 길이를 갖는 정현파(
    Figure 112015006475215-pat00021
    , Tb= 상기 입력 데이터 신호의 비트 길이)를 n승한 신호의 파형을 이용하여 상기 변환부로부터 생성된 4개의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화하는 것을 특징으로 하는 변조 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 정형화부는,
    상기 채널 데이터 신호의 심볼 길이 2배의 길이를 갖는 정현파(
    Figure 112015006475215-pat00022
    )를 2승한 상승 코사인(Raised Cosine) 신호의 파형을 이용하여 상기 변환부로부터 생성된 4개의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화하는 것을 특징으로 하는 변조 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 정형화부는,
    상기 채널 데이터 신호의 심볼 길이 2배의 길이를 갖는 정현파(
    Figure 112015006475215-pat00023
    )를 4승한 제곱근 상승 코사인(Squared Raised Cosine) 신호의 파형을 이용하여 상기 변환부로부터 생성된 4개의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화하는 것을 특징으로 하는 변조 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 곱셈부는,
    상기 정형화부로부터 펄스 정형화된 4개의 채널 데이터 신호 중 상기 홀수 비트에 기초하여 생성된 신호의 경우 반 파장의 정현파
    Figure 112015006475215-pat00024
    (Tb= 입력 데이터 신호의 비트 길이)를 곱하고, 상기 짝수 비트에 기초하여 생성된 신호의 경우 상기 반 파장의 정현파와 직교하는 반 파장의 정현파
    Figure 112015006475215-pat00025
    를 곱하는 것을 특징으로 하는 변조 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 곱셈부는,
    상기 제1 곱셈부로부터 출력되는 4개의 채널 데이터 신호 중 상기 I 채널에 대응되는 데이터 신호의 경우 반송파
    Figure 112015006475215-pat00026
    (fc= 반송파 주파수)를 곱하고, 상기 Q 채널에 대응되는 데이터 신호의 경우 상기 반송파와 직교하는 반송파
    Figure 112015006475215-pat00027
    를 곱하는 것을 특징으로 하는 변조 장치.
  8. 입력 데이터 신호에 포함된 각 비트를 비트 정렬 순서에 따라 홀수 비트 및 짝수 비트로 구분하고, 상기 홀수 비트 및 상기 짝수 비트를 각각 직병렬 변환하여 한 쌍의 I 채널 데이터 신호 및 한 쌍의 Q 채널 데이터 신호를 생성하는 생성과정;
    상기 생성과정에서 생성된 4개의 채널 데이터 신호를 채널 데이터 신호의 심볼 길이 대비 긴 펄스 폭 길이를 갖는 정현파를 n(n=2의 배수)승한 신호의 파형을 이용하여 펄스 정형화하는 정형화 과정;
    상기 정형화 과정에서 펄스 정형화된 4개의 채널 데이터 신호에 대하여 각 채널 데이터 신호가 상기 홀수 비트에 기초하여 생성된 신호인지 상기 짝수 비트에 기초하여 생성된 신호인지 여부에 따라 서로 다른 반 파장의 정현파를 곱하는 제1 변환과정;
    상기 제1 변환과정에서 생성된 4개의 채널 데이터 신호에 대하여 각 채널 데이터 신호가 어느 채널에 대응되는 데이터 신호인지 여부에 따라 서로 다른 반송파를 곱하는 제2 변환과정; 및
    상기 제2 변환과정에서 생성된 4개의 채널 데이터 신호를 합산하여 변조 신호를 생성하고, 상기 변조 신호를 출력하는 출력과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 변조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 생성과정에서 생성된 4개의 채널 데이터 신호 중 상기 짝수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호 및 상기 짝수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호 Q 채널 데이터 신호를 각각 상기 홀수 비트에 기초하여 생성된 I 채널 데이터 신호 및 상기 홀수 비트에 기초하여 생성된 Q 채널 데이터 신호 대비 한 비트 구간만큼 지연시켜 출력시키는 지연과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변조 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 정형화 과정은,
    상기 채널 데이터 신호의 심볼 길이 2배의 길이를 갖는 정현파(
    Figure 112015006475215-pat00028
    )를 n승한 신호의 파형을 이용하여 상기 생성과정에서 생성된 4개의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화하는 것을 특징으로 하는 변조 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 정형화 과정은,
    상기 채널 데이터 신호의 심볼 길이 2배의 길이를 갖는 정현파(
    Figure 112015006475215-pat00029
    )를 2승한 상승 코사인(Raised Cosine) 신호의 파형을 이용하여 상기 생성과정에서 생성되는 4개의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화하는 것을 특징으로 하는 변조 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 정형화 과정은,
    상기 채널 데이터 신호의 심볼 길이 2배의 길이를 갖는 정현파(
    Figure 112015006475215-pat00030
    )를 4승한 제곱근 상승 코사인(Squared Raised Cosine) 신호의 파형을 이용하여 상기 변환과정에서 생성되는 4개의 채널 데이터 신호를 펄스 정형화하는 것을 특징으로 하는 변조 방법.

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