KR101906149B1 - 개선된 심볼 타이밍 오프셋 보상을 사용하는 블루투스 수신 방법 및 장치 - Google Patents

개선된 심볼 타이밍 오프셋 보상을 사용하는 블루투스 수신 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 블루투스 스마트(Bluetooth Smart) 수신 장치를 위한 심볼 타이밍 오프셋(symbol timing offset)의 추적(tracking) 방법에 관한 기술이다. 본 발명의 블루투스 수신 장치는 수신 신호를 주파수 편이 복조하여 기저 대역 신호를 생성하고, 상기 기저 대역 신호를 심볼 타이밍을 기준으로 샘플링하고, 상기 샘플링된 값에 기초하여 복수의 일련의 비트열을 생성하고, 상기 복수의 일련의 비트열이 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별하고, 상기 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 경우 측정된 오차 척도를 유효한 오차 척도로서 반영하여 상기 기저 대역 신호의 상기 심볼 타이밍을 보정한다.

Description

개선된 심볼 타이밍 오프셋 보상을 사용하는 블루투스 수신 방법 및 장치 {BLUETOOTH SIGNAL RECEIVING METHOD AND DEVICE USING IMPROVED SYMBOL TIMING OFFSET COMPENSATION}
본 발명은 블루투스 스마트(Bluetooth Smart) 수신 장치를 위한 심볼 타이밍 오프셋 보상(Symbol Timing Offset Compensation) 방법에 관한 기술로서, 블루투스 스마트 장치에서 선별적 비트열 결정 지향 기법을 적용하여 심볼 타이밍의 오프셋을 보상하는 방법 및 그 방법을 적용한 회로에 관한 것이다.
본 발명은 산업통상자원부 및 한국산업기술평가관리원의 산업핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호:10052626, 과제명: BLE (Bluetooth Low-Energy) v4.2 지원 통신용 반도체 IP 및 위치 추적 SoC 개발].
일반적인 블루투스 수신기(Bluetooth receiver)의 구성이 도 1에 소개된다. 도 1을 참조하면 블루투스 수신기는 수신된 신호를 복조하여 기저 대역 신호를 획득하는 프론트 엔드 회로(110), 선택적으로 원하는 채널을 통과시키고 원하지 않는 채널을 제거할 수 있는 필터(120), 및 수신된 기저 대역 신호를 주파수 영역에서 시간 영역 심볼로 변환하는 복구 회로(130)를 포함한다.
블루투스 송신기에서는 기저 대역 신호를 변조하여 반송파 주파수에 기반한 변조 신호를 생성한다. 블루투스 스마트 송신기에서는 h = 0.45~0.55의 변조 지수(modulation index)를 가지는 가우시안 주파수 편이 (Gaussian frequency shift keying) 변조 방식을 사용한다. 주파수 편이 변조 방식은 반송파(carrier)의 이산 주파수(discrete frequency) 변화를 통하여 디지털 정보를 전송하는 방식을 의미한다.
도 3은 잡음과 주파수 오프셋 및 심볼 타이밍 오프셋이 존재하지 않는 이상적인 환경에서 블루투스 송신기에서 전송하는 변조 신호의 주파수 특성을 도시하는 도면이다. 도 3을 참조하면 2.4GHz 대역의 반송파 주파수 Fc로 전송되는 심볼 전송속도 Fs = 1 Msps, h = 0.5 신호의 최소-최대(min-max) 주파수 편이가 도시된다. 심볼 전송속도 Fs = 1 Msps일 때, +1 심볼에 해당하는 비트값 "1"의 신호는 중심 주파수 Fc로부터 F+ = +250 kHz의 주파수 편이(양(+) 방향의 주파수 편이)를 가지고, -1 심볼에 해당하는 비트값 "0"의 신호는 중심 주파수 Fc로부터 F- = -250 kHz 의 주파수 편이(음(-) 방향의 주파수 편이)를 가진다.
다시 도 1을 참조하면 블루투스 스마트 수신기의 프론트 엔드 회로(110)는 아날로그 또는 디지털 주파수 복조 장치(frequency demodulator)를 이용하여 기저대역(baseband)의 주파수 복조 파형을 얻게 되고, 심볼 간격으로 부호 판별(decision)함으로써 송신 비트 정보를 추정한다.
도 4는 주파수 복조 파형을 심볼 간격으로 누적한 눈 파형(eye diagram)을 나타낸 것이다. 블루투스 스마트 수신기는 아날로그 또는 디지털 주파수 복조 장치(frequency demodulator)를 이용하여 기저대역(baseband)의 주파수 복조 파형을 얻는다. 주파수 복조 파형을 심볼 간격으로 누적하면 도 4와 같은 눈 파형(eye diagram)이 나타나는데, 양(+) 방향 주파수 편이와 음(-) 방향 주파수 편이 사이의 간격이 가장 많이 벌어지는 시점이 심볼간의 간섭(inter-symbol interference)이 가장 적은 최적의 심볼 타이밍 위상에 해당한다. 최적의 타이밍 위상을 지속적으로 유지하면서 심볼 간격으로 부호 판별(decision)함으로써 오류 없는 송신 비트 정보를 얻는다.
수신 신호는 송수신기 사이의 부정합에 따른 신호 크기 오프셋, 반송파 오프셋 및 타이밍 오프셋 등에 의해 품질이 훼손된 상태로 수신되므로, 수신기는 해당 오프셋에 대한 복원 장치를 구현하여 오류 없는 비트 복조가 가능하도록 준비해야 한다.
도 2는 일반적인 블루투스 스마트의 패킷을 도시하는 도면이다. 도 2를 참조하면 블루투스 스마트의 패킷은 프리앰블(preamble)(210), 액세스 어드레스(220), 프로토콜 데이터 유닛(PDU)(230), 및 CRC(240) 구간을 포함한다. 블루투스 수신기는 액세스 어드레스(220) 구간 동안 어드레스를 식별하고 프로토콜 데이터 유닛(230) 구간 동안 데이터를 식별하여 처리해야 하므로, 프리앰블(210) 구간 동안 어드레스 및 데이터를 식별할 준비가 완료되어야 한다. 따라서 블루투스 수신기의 프론트 엔드 회로(110)에서 자동 이득 제어, 주파수의 오프셋 보상, 타이밍 보정 등의 동작은 블루투스 또는 블루투스 스마트의 프리앰블(preamble)(210) 구간 동안 수행되어야 하는 시간적 제약이 있다.
수신기에서 오프셋 추정을 위해서는 송신기와 수신기 사이에 미리 약속된 파일롯 신호가 필요하다. 블루투스 스마트 표준은 프리앰블(210) 구간에서 패킷의 시작에 해당하는 비트열(bit stream)을 전송하는데, 프리앰블(210) 구간의 비트열은 액세스 어드레스(220)의 첫번째 전송비트에 의해 결정된다. 액세스 어드레스(220)의 첫번째 전송비트가 "1"인 경우 "01010101b", "0"인 경우 "10101010b"의 프리앰블(210) 비트 패턴값이 전송된다. 프리앰블(210)의 주파수 복조 파형은 음(-)과 양(+)의 주파수 편이가 반복되는 유사 사인파(sine wave-like) 형태이므로 심볼 타이밍 오프셋을 추정하기에 매우 적합한 특성을 가지고 있어 파일롯 신호로 사용하기에 적절하다. 초기의 심볼 타이밍 포착(acquisition)은 저장되어 있는 프리앰블과 수신 신호 간의 상관도(correlation)를 구하고 피크가 발생하는 시점을 최적의 심볼 타이밍으로 추정하는 방식으로 이루어진다.
블루투스 수신기(Bluetooth receiver)에서 수신 신호의 심볼 타이밍 오프셋을 보상하기 위한 선행기술의 일 예가 미국등록특허 제8,401,120호 "SYMBOL ERROR DETECTION FOR BLUETOOTH ENHANCED DATA RATE PACKETS"에 소개되었다.
상기 선행기술은 초기에 프리앰블(preamble) 구간 동안 초기 타이밍을 포착(timing acquisition)하고, 이후 프로토콜 데이터 유닛(PDU) 구간에서 타이밍의 변화를 모니터하여 위상 오차를 검출한다. 즉, 상기 선행기술은 심볼 복조기의 출력 심볼의 위상과 수신 신호의 위상을 비교하여 위상 오차를 검출하고, 위상 오차가 임계값을 초과하면 현재의 심볼 타이밍이 신뢰할 수 없음을 알리고, 심볼 타이밍 오차를 보상하는 기술이다.
그러나 상기 선행기술에 의하더라도, 블루투스 스마트 규격의 주파수 편이 변조 과정에서 사용되는 가우시안 필터에 의하여 인접 심볼간 간섭이 발생하여 주파수 편이 파형이 왜곡되며, 액세스 어드레스와 프로토콜 데이터 유닛 구간의 데이터 심볼의 무작위성(randomness)으로 인하여 심볼 타이밍 오차 검출기의 지터(jitter)가 큰 문제가 있다. 특히 최근 -90dBm 이하의 고감도 수신기에 대한 요구가 높아지고 있는 추세에서는 기존의 선행기술로는 블루투스 스마트 신호에 대한 충분한 오프셋 보상이 이루어지기 어렵기 때문에 이에 대응하기 위한 수단이 필요하다.
미국등록특허 제8,401,120호 (등록일 2013.03.19)
본 발명은 블루투스 스마트 수신 장치를 위한 심볼 타이밍 오프셋의 보상 방법에 관한 기술로서, 심볼 타이밍 오프셋의 1회성 추정으로 끝나지 않고, 지속적으로 심볼 타이밍 오프셋을 추적(tracking)하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
블루투스 스마트 규격에서 정의하는 수신 감도는 -70dBm에 불과하고 해당 신호 크기의 영역에서의 신호 대비 잡음 전력비는 30dB 이상에 해당하므로 실질적으로 잡음 성분이 미미하여 프리앰블(210) 구간에서 포착한 심볼 타이밍 위상은 매우 높은 정확도를 갖는다. 그러나 구현 기술의 발전에 따라 -90dBm 이하의 고감도 수신기에 대한 요구가 높아지고 있고 해당 신호 크기 영역에서의 수신 신호 대비 잡음 전력비는 10dB 이하로 떨어지므로 상대적으로 높아진 잡음 크기로 인하여 프리앰블(210)에서 추정한 심볼 타이밍 위상의 신뢰도가 매우 떨어진다. 그래서 프리앰블(210) 구간에서 한번의 포착(acquisition)으로 타이밍 위상 복원을 끝내는 것이 아니고, 평균화 효과로 타이밍 오프셋 추정 지터(jitter)의 크기를 줄이기 위해서 액세스 어드레스(220)와 프로토콜 데이터 유닛(230) 구간에서도 지속적으로 심볼 타이밍 오프셋을 추적(tracking)하는 장치가 필요하다.
블루투스 스마트는 비용과 저전력을 최우선으로 하기 때문에 아날로그 회로 설계 규격을 완화하기 위해서 패킷 내에서 최대 +/-50ppm의 클럭 부정합(clock inaccuracy)을 허용하고 있다. 클럭 부정합에 의하여 최적의 심볼 타이밍 위상이 지속적으로 변화할 수 있다. 규격에 의하여 액세스 어드레스(220)와 프로토콜 데이터 유닛(230) 구간 내에서 위상 변화가 크지 않도록 제한되므로 별도의 추적 장치가 없어도 성능 열화가 매우 심하지는 않으나, 고감도 수신기의 요구에 부합하기 위해서는 타이밍 추적 장치를 구현하여 최상의 성능을 갖추는 것이 필요하다.
상기 선행기술과 같이 일반적으로 사용되는 특정되지 않은 데이터들에 대한 대략적인 추정값을 이용하는 NDA(non-data aided) 예측기법은 지터(jitter)가 크게 발생하는 단점이 있고, 그 단점을 보완하기 위해서 루프 필터 (loop filter) 등을 이용하여 지터를 줄이는 구조로 구현되는데, 수렴하기까지 걸리는 훈련시간이 크게 문제가 되지 않는 회선통신과 달리 짧은 시간 단위로 버스트 전송(burst transmission)이 이루어지는 패킷 통신에서는 훈련시간 동안 발생하는 자기 잡음(self noise)이 시스템 성능을 직접적으로 떨어뜨리는 문제점을 안고 있다.
따라서 본 발명은 기존의 NDA(non-data aided) 예측기법으로 구현할 경우 나타나는 구조적 문제점(큰 지터와 긴 훈련 시간)과 성능 문제를 극복한 고감도 수신기를 구성하는 장치와 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 발명은 "선별적 비트열 결정 지향(selective bit pattern decision-directed)" 기법을 적용한 심볼 타이밍 위상의 포착 및 추적 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 블루투스 스마트 패킷의 프리앰블(210) 구간에서 심볼 타이밍 위상을 포착하고, 엑세스 어드레스(220) 구간 및 프로토콜 데이터 유닛(230) 구간에서 심볼 타이밍 위상 및 오프셋을 추적하여 랜덤하게 발생하는 심볼 타이밍 오프셋을 동적으로 추적할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 블루투스 수신 장치는 수신 신호를 주파수 편이 복조하여 기저 대역 신호를 생성하는 주파수 편이 복조기 회로; 상기 기저 대역 신호를 심볼 타이밍(초기 포착된 심볼 타이밍)을 기준으로 샘플링하고, 상기 샘플링된 값(특히 샘플링된 신호의 부호)에 기초하여 복수의 일련의 비트열을 생성하는 샘플러 회로; 상기 샘플러 회로로부터 생성된 상기 복수의 일련의 비트열이 훈련 비트열 조건(101b, 010b)을 충족하는 지 여부를 판별하는 훈련 비트열 판별기 회로; 및 상기 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 경우 측정된 오차 척도를 유효한 오차 척도로서 반영하여 상기 기저 대역 신호의 상기 심볼 타이밍을 보정/추적하는 심볼 타이밍 오프셋 보상 회로를 포함한다.
훈련 비트열 조건은 선별적 비트열 결정 지향(selective bit pattern decision-directed) 기법을 적용하여 설정될 수 있다. 또한 훈련 비트열 조건은 상기 복수의 일련의 비트열 내에서 최적의 심볼 타이밍 위상을 기준으로 음의 방향의 주파수 천이와 양의 방향의 주파수 천이가 대칭적 관계를 가지는 분포를 가지는 비트열로 선별한다.
블루투스 수신 장치는 복수의 일련의 비트열이 훈련 비트열 조건을 충족하는 경우 복수의 일련의 비트열에 대한 심볼 타이밍의 오차를 검출하는 타이밍 오차 검출기 회로; 및 상기 검출된 심볼 타이밍의 오차를 이용하여 상기 유효한 오차 척도를 생성하고, 상기 유효한 오차 척도가 임계값보다 큰지 여부를 검출하는 타이밍 오차 임계값 검출기 회로를 더 포함할 수 있다.
타이밍 오차 임계값 검출기 회로는 적분기를 이용하여 상기 검출된 심볼 타이밍의 오차를 누적 연산하여 상기 유효한 오차 척도를 생성하고, 상기 검출된 심볼 타이밍의 오차가 누적 연산된 상기 유효한 오차 척도가 상기 임계값보다 큰지 여부를 검출할 수 있다.
타이밍 오차 검출기 회로는 상기 심볼 타이밍을 기준으로 샘플링된 제1 샘플 값 및 양과 음의 방향으로 각각 1/2 심볼 오프셋 타이밍을 기준으로 샘플링된 제2 샘플 값을 이용하여 상기 심볼 타이밍의 오차를 검출할 수 있다.
심볼 타이밍 오프셋 보상 회로는 상기 유효한 오차 척도를 반영하여 보간기를 이용하여 상기 심볼 타이밍의 위상을 변경할 수 있다.
훈련 비트열 판별기 회로는 블루투스의 프리앰블(210) 구간 뿐만 아니라 액세스 어드레스(220) 또는 프로토콜 데이터 유닛(230) 구간에서 복수의 일련의 비트열이 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별할 수 있다.
블루투스 수신 장치는 샘플러로부터 생성되는 비트열을 미리 설정된 개수만큼 누적하여 저장하는 메모리(FIFO 메모리)를 더 포함하고, 상기 훈련 비트열 판별기 회로는 상기 메모리에 저장된 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별할 수 있다.
주파수 복조기의 출력은 비트의 정보에 따라서 음(-)과 양(+)의 주파수로 천이하는 파형을 갖는데, 심볼 타이밍 위상을 중심으로 좌우 대칭성을 갖는 파형의 세그먼트만을 유효한 오차 척도로 선별하여 추적에 사용할 수 있다면 데이터의 무작위성과 심볼간의 간섭에 강인한 추정이 가능하다.
수신 신호가 가우시안 필터를 경유하여 송신된 신호의 수신 신호인 경우, 상기 가우시안 필터의 대역폭 또는 길이에 따라서 상기 훈련 비트열 조건의 최대 길이가 결정될 수 있다. 심볼간의 간섭 특성은 가우시안 필터의 길이에 의해서 결정되는데, 블루투스 스마트 규격에서 정의하는 BT=0.5의 가우시안 필터는 3심볼 이내에 99.999% 이상의 에너지가 집중되는 특성을 갖고 있으므로 현재 비트를 포함해서 전후의 3비트가 현재 주파수 편이 파형을 결정한다. 이때에는 가우시안 필터의 대역폭은 3이고, 따라서 훈련 비트열 조건은 3비트 이내로 설정될 수 있다.
해당 패킷에 대하여 초기 포착된 타이밍 또는 현재 적용되는 오차 척도가 영(zero)이 되도록 심볼 타이밍 위상을 중심으로 좌우 대칭의 파형을 만드는 비트열을 '훈련 비트열(training bit pattern)'이라고 정의하고, '훈련 비트열'에 대해서 선별적으로 심볼 타이밍 오차 추적에 사용한다. 대표적인 '훈련 비트열'로 {010b, 101b}을 예로 들 수 있다. 또한 훈련 비트열은 {010b, 101b}에만 국한되지 않고, "0"과 "1"이 번갈아가며 반복되는 배열, 즉, "0101b", "01010b", "1010b" "10101b" 등을 모두 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 블루투스 수신 방법은 수신 신호를 주파수 편이 복조하여 기저 대역 신호를 생성하는 단계; 상기 기저 대역 신호를 심볼 타이밍을 기준으로 샘플링하고, 상기 샘플링된 값에 기초하여 복수의 일련의 비트열을 생성하는 단계; 상기 복수의 일련의 비트열이 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별하는 단계; 및 상기 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 경우 측정된 오차 척도를 유효한 오차 척도로서 반영하여 상기 기저 대역 신호의 상기 심볼 타이밍을 보정/추적하는 단계를 포함한다.
블루투스 수신 방법은 상기 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 경우 상기 복수의 일련의 비트열에 대한 상기 심볼 타이밍의 오차를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 심볼 타이밍의 오차를 이용하여 상기 유효한 오차 척도를 생성하고, 상기 유효한 오차 척도가 임계값보다 큰지 여부를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별하는 단계는 블루투스의 프리앰블(210) 구간 뿐만 아니라 액세스 어드레스(220) 또는 프로토콜 데이터 유닛(230) 구간에서 상기 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별할 수 있다.
블루투스 수신 방법은 기저 대역 신호가 심볼 타이밍을 기준으로 샘플링된 값에 기초하여 생성되는 복수의 일련의 비트열을 미리 설정된 개수만큼 누적하여 저장하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이때 상기 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별하는 단계는 상기 미리 설정된 개수만큼 누적하여 저장된 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별할 수 있다.
본 발명에 따르면, 블루투스 클래식과 블루투스 스마트의 심볼 타이밍 오차 검출기를 '선별적 비트열 결정지향(selective bit pattern decision-directed)' 기법으로 구현하여 유효한 오차척도와 유효하지 않은 오차척도를 선별하여 포착 및 추적할 수 있는 방법을 제시함으로써 기존의 NDA(non-data aided) 예측기법이 패킷 통신에서 갖는 큰 지터의 단점을 극복하고 정확도를 높이는 효과를 얻을 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 '선별적 비트열 결정지향' 기법에 의하여 유효한 오차척도와 유효하지 않은 오차척도를 선별하여 심볼 타이밍 오차를 추적할 수 있는 방법을 제시함으로써 훈련시간을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 유효한 오차척도를 선별하여 심볼 타이밍 오프셋 추적에 사용하기 때문에 작은 크기의 지터 특성을 가지게 되어 복잡한 루프 필터를 구현하지 않아도 매우 훌륭한 추적 성능을 보이며 심볼 타이밍 복원기(심볼 타이밍 오차 보상기)의 구현의 복잡도를 획기적으로 낮추는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 블루투스 스마트 규격에 정의된 프리앰블이 연속된 '훈련 비트열(training bit pattern)'에 해당하므로 본 발명을 적용하기에 매우 적합하고, 프리앰블의 비트열과 액세스 어드레스의 첫번째 전송 비트를 결합하면 총 7회의 검출을 수행할 수 있으며, 복수 회 수행된 검출 결과를 누적할 수 있으므로 잡음 평균화에 의해 검출의 정확도를 높이는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 블루투스 수신기의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 일반적인 블루투스 스마트의 패킷을 도시하는 도면이다.
도 3은 잡음과 주파수 오프셋과 심볼 타이밍 오프셋이 존재하지 않는 이상적인 환경에서 블루투스 송신기에서 전송하는 변조 신호의 주파수 특성을 도시하는 도면이다.
도 4는 주파수 복조 파형을 심볼 간격으로 누적한 눈 파형(eye diagram)을 나타낸 것이다.
도 5는 블루투스 수신기의 주파수 복조기를 통과한 프리앰블의 파형의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 블루투스 수신 장치의 심볼 타이밍 오차 검출 기법의 샘플링 위상을 도시하는 도면이다.
도 7은 데이터의 무작위 특성으로 인하여 최적의 심볼 타이밍임에도 불구하고 오차 척도가 영(zero)이 아닌 예를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 블루투스 수신 장치를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 훈련 비트열에 대한 주파수 복조기의 출력 파형을 도시하는 도면이다.
도 10은 블루투스 스마트 규격에서 정의하는 패킷 파형의 일 예에 대하여 '훈련 비트열' 판정 및 선별적 심볼 타이밍 추적이 적용되는 시점을 도시하는 도면이다.
도 11은 블루투스 스마트 규격이 정하는 Dirty Transmitter의 50 ppm 클럭 부정합 환경에서 타이밍 추적 장치의 유무에 따른 성능을 비교한 것이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 블루투스 수신 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 5는 블루투스 수신기의 주파수 복조기를 통과한 프리앰블의 파형의 일 예를 도시하는 도면이다.
블루투스 스마트는 비용과 저전력을 최우선으로 하기 때문에 아날로그 회로 설계 규격을 완화하기 위해서 패킷 내에서 최대 +/-50ppm의 클럭 부정합(clock inaccuracy)을 허용하고 있으므로 패킷 구간 내에서 최적의 심볼 타이밍이 변한다. 고감도의 수신기를 구현하기 위해서 정교한 타이밍 추적(tracking) 장치가 필요하다.
도 5를 참조하면, 반송파 주파수 오프셋이 모두 보상되었다고 가정하였을 때, 프리앰블의 파형은 0.0 kHz의 주파수 편이를 기준으로 양(+) 방향의 주파수 편이와 음(-) 방향의 주파수 편이가 대칭을 이루며 전송된다. 프리앰블의 주파수 복조 파형은 사인파와 유사한(sine wave-like) 파형을 이루므로 초기의 심볼 타이밍 포착(acquisition)은 미리 파악하고 있는(블루투스 규격에 미리 정해진) 프리앰블 비트열과 수신 신호(도 5와 같은 파형) 간의 상관도(correlation)를 구하고 피크(peak)가 발생하는 시점을 최적의 심볼 타이밍으로 추정한다. 즉 심볼 타이밍 포착(acquisition)은 도 5에 도시된 것과 같은 프리앰블 수신 파형을 이용하여도 정확도 상의 문제가 크지 않다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 블루투스 수신 장치의 심볼 타이밍 오차 검출 기법의 샘플링 위상을 도시하는 도면이다.
심볼 타이밍 오차 검출을 위해서는 보간기, 타이밍 오차 검출기가 폐루프 구조의 궤환(closed loop feedback) 형태로 구현된다. 타이밍 오차 검출기에서 검출된 오차는 실시예에 따라 루프 필터(loop filter) 또는 적분기(integrator)에 의하여 연산 처리되어 오차 척도로 연산되며, 오차 척도는 보간기에 의하여 반영되어 타이밍 위상을 조정할 수 있다.
타이밍 오차 검출기에서 타이밍 오차를 검출하는 방식은 대표적으로 가드너(Gardner) 알고리듬과 뮐러&뮬러(Mueller & Muller) 알고리듬을 들 수 있고, 본 발명의 실시예에서는 두 가지 방법 모두 적용이 가능하다.
설명의 편의상 이하에서는 가드너 알고리즘을 기준으로 타이밍 오차를 검출하는 방식을 설명한다. 가드너 알고리즘은 현재 적용되는 심볼 타이밍에서 결정된 샘플 값(
Figure 112015128697890-pat00001
)과 1/2 심볼 오프셋 시점에서의 샘플 값들
Figure 112015128697890-pat00002
을 이용하여 수신 신호에 대한 심볼 타이밍의 오차를 추정하는 방식이다. 오차 척도(error metric)는 하기 수학식 1과 같이 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015128697890-pat00003
도 6에서 심볼 타이밍(610)은 최적의 심볼 타이밍이다. 심볼 타이밍(610)을 기준으로 신호 파형은 서로 대칭을 이루고 있어서 -1/2 심볼 오프셋 시점(610a)과 +1/2 심볼 오프셋 시점(610b)에서의 샘플 값들이 일치하므로 오차 척도는 0으로 얻어진다.
심볼 타이밍(620)에서는 최적에서 벗어난 심볼 타이밍 위상이 도시된다. -1/2 심볼 오프셋 시점(620a)과 +1/2 심볼 오프셋 시점(620b)에서의 샘플 값이 일치하지 않으므로 오차 척도가 0이 아닌 값으로 얻어진다. 심볼 타이밍(630)에서는 최적에서 벗어난 또 다른 심볼 타이밍 위상이 도시된다. 마찬가지로 -1/2 심볼 오프셋 시점(630a)과 +1/2 심볼 오프셋 시점(630b)에서의 샘플 값이 일치하지 않으므로 오차 척도가 0이 아닌 값으로 얻어진다.
심볼 타이밍(620)에 대해서는 오차 척도가 양(+)의 부호를 가질 것이므로, 유사 사인 파형을 가정하면 심볼 타이밍(620)보다 샘플링 시점을 뒤로 늦추어야 최적의 심볼 타이밍(610)에 가까워질 것임을 알 수 있다. 반대로 심볼 타이밍(630)에 대해서는 오차 척도가 음(-)의 부호를 가질 것이므로 심볼 타이밍(630)보다 샘플링 시점을 앞당겨야 최적의 심볼 타이밍(610)에 가까워질 것임을 알 수 있다. 샘플링 위상의 조정 시 조정되는 타이밍의 크기는 오차 척도의 절대값에 비례하여 선택될 수 있을 것이다.
도 7은 데이터의 무작위 특성으로 인하여 최적의 심볼 타이밍임에도 불구하고 오차 척도가 영(zero)이 아닌 예를 도시하는 도면이다.
심볼 단위의 파형이 유사 사인파의 반주기 세그먼트가 반복되는 형태이면 모든 심볼에 대해서 유효한 오차 척도가 계산되겠지만, 데이터 전송은 무작위의(random) 비트 특성을 가지고 있고, 변조 과정에서 변화하는 진폭을 가지게 되므로 도 7에 도시된 것처럼 심볼 타이밍이 정확히 맞는 경우에도 측정된 오차 척도는 영(zero)이 되지 않기 때문에 지터가 무작위로 매우 크게 발생하는 경우가 있어서 추정 성능을 떨어뜨린다.
가우시안 주파수 편이 변조 방식은 스펙트럼 효율성을 높이기 위해서 비트 열에 가우시안 필터(Gaussian filter)를 적용하는 방식인데, 필터링 과정에서 심볼간 간섭(inter-symbol interference)이 발생해서 신호 파형을 왜곡시킨다. 예를 들어 앞서 언급한 프리앰블은 최적의 심볼 타이밍 위상을 중심으로 음(-)의 주파수 천이와 양(+)의 주파수 천이가 대칭으로 나타나는 비트조합이므로 타이밍 오차 추정 방식을 적용하는 것에 문제가 없지만, 임의(random)하게 발생하는 액세스 어드레스와 프로토콜 데이터 유닛 구간에서는 심볼간 간섭으로 인하여 음(-)의 주파수 편이와 양(+)의 주파수 편이가 대칭으로 나타나지 않기 때문에 일반적인 타이밍 오차 추정 방식을 추적에 적용할 경우 지터(jitter)가 발생할 수 있다. 즉, 데이터 구간에서는 송신 비트열의 조합에 따라서 비대칭인 파형이 발생하므로 타이밍의 정확도와 무관하게 잘못된 오차 척도가 반영되어 기대하는 성능을 얻을 수 없다.
도 5와 도 6을 참조하여 포착된 심볼 타이밍을 반영하여 심볼 타이밍(710)이 적용되었다고 가정한다. 신호가 대칭이면 -1/2 심볼 오프셋 시점(710a)과 +1/2 심볼 오프셋 시점(710b)의 샘플링 값이 동일해야 하겠지만, 심볼 간 간섭에 의하여 신호의 대칭성이 깨어짐은 물론, 신호의 진폭 또한 변화를 일으켜 포착된 심볼 타이밍(710)은 지터(jitter) 를 포함하고 있는 것처럼 보인다.
종합하면 가우시안 필터에 의한 심볼간의 간섭과 데이터 심볼의 무작위성 때문에 심볼 타이밍 오차 추정기의 지터가 크게 발생하고, 지터에 의한 성능열화를 줄이기 위해서 루프 필터(loop filter)가 필요하다. 루프 필터는 평균화 기능을 하면서 잡음성분을 제거하게 되는데, 필터의 대역폭을 줄이면 타이밍 추정의 정확도가 높아지는 장점과 수렴속도가 느려지는 단점이 존재하고, 반대로 대역폭을 늘리면 수렴속도가 빨라지는 장점과 정확도가 낮아지는 단점을 갖는다. 절충안으로 동작 초기에서는 루프 필터의 대역폭을 늘려서 빠르게 수렴을 시키고 오차 척도가 어느 수준 이하로 낮아지면 대역폭을 줄여서 정확도를 높이는 방식으로 구현된다.
그러나 상기의 방식은 DTV와 같이 훈련 시간에 크게 제한을 받지 않은 회선 통신에 적합하지만 블루투스 스마트와 같이 8μs의 프리앰블 외에는 따로 훈련시간이 존재하지 않는 패킷 통신에 적합하지 않다. 액세스 어드레스와 프로토콜 데이터 유닛 데이터 구간까지 훈련을 지속할 경우 초기의 넓은 루프 필터 대역폭으로 인하여 발생하는 큰 지터(self noise)들이 역으로 성능을 떨어뜨려서 패킷오류를 발생시키는 취약점을 안고 있어서 선형 복조 방식에서 사용되는 타이밍 오차 검출 알고리듬을 비선형 복조 방식의 패킷 통신으로 그대로 적용하기 어렵게 만드는 요인이 된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 블루투스 수신 장치를 도시하는 도면이다. 도 8을 참조하면 본 발명의 블루투스 수신 장치에서 수행되는 심볼 타이밍 포착, 추적 및 오프셋 보상(타이밍 복원) 과정이 도시된다.
블루투스 수신 장치는 각각 I 신호와 Q 신호를 수신하여 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하는 ADC pair(810)가 도시된다. ADC pair(810)의 출력은 정합 필터(820)를 통과하여 주파수 편이 복조기 회로(830)로 전달된다. 예시적으로 정합 필터(820)는 심볼 당 4샘플 간격의 신호를 입력받아서 처리할 수 있다. 주파수 편이 복조기 회로(830)를 거친 파형은 최대 +/- 250 kHz 범위 내에서 주파수 편이하는 파형의 특성을 보일 것이다. 블루투스 수신 장치에서 초기의 심볼 타이밍 포착(acquisition)은 저장되어 있는 프리앰블과 수신 신호 간의 상관도를 구하고 피크(peak)가 발생하는 시점을 최적의 심볼 타이밍으로 추정한다. 포착된 초기의 심볼 타이밍 위상을 기준으로 삼아 시간 이산 판별기/샘플러 회로(850)는 심볼 간격으로 신호의 부호로 비트를 결정하여 메모리(860)에 전달한다. 훈련 비트열 판별기(870)는 메모리(860)에 저장된 비트열이 '훈련 비트열(training bit pattern)'과 일치하면 타이밍 위상 오차 척도를 계산하기에 유효한 샘플임을 타이밍 오차 검출기 회로(880) 및 타이밍 오차 임계값 검출기 회로(890)로 통지할 수 있다.
타이밍 오차 검출기 회로(880) 및 타이밍 오차 임계값 검출기 회로(890)는 유효한 타이밍 위상 오차 척도를 계산하여 선별적으로 타이밍 오차 추적에 사용한다.
메모리(860)는 선입선출(FIFO, First-In First-Out) 방식으로 동작할 수 있다. 메모리(860)는 미리 결정된 수만큼 판별된 비트를 저장하고, 새로운 비트를 저장할 때 가장 오래된 비트를 방출(evict)할 수 있다.
훈련 비트열 판별기 회로(870)는 시간 이산 판별기/샘플러 회로(850)로부터 생성된 복수의 일련의 비트열이 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별한다. 훈련 비트열 판별기 회로(870)는 앞서 설명한 것처럼 메모리(860)에 저장된 복수의 일련의 비트열 패턴으로부터 훈련 비트열 조건을 충족하는 비트열이 존재하는 지 여부를 판별할 수도 있다. 저장된 비트열 또는 생성된 비트열이 '훈련 비트열(training bit pattern) 조건'을 충족하면 타이밍 오차 검출기 회로(880) 및 타이밍 오차 임계값 검출기 회로(890)는 훈련 비트열 조건을 충족하는 각 비트열로부터 선별적으로 심볼 타이밍 오프셋을 포착 및 추적한다.
가우시안 주파수 편이 변조 통신에서는 비트열의 가우시안 필터링에 의해서 심볼간의 간섭이 발생하고 무작위한 데이터 패턴으로 최소/최대 주파수 편이가 서로 대칭적으로 나타나지 않기 때문에 실제로는 심볼 타이밍 오프셋이 존재하지 않음에도 불구하고(적합한 심볼 타이밍임에도 불구하고) 타이밍 오차 검출기 회로(880)의 검출 값이 영(zero)으로 나타나지 않는 문제점이 있고 고감도 수신기를 구현하기 위해서 상대적으로 큰 잡음에 강인한 포착 및 추적 성능이 요구된다. 기존의 NDA(non-data aided) 예측기법은 상기의 조건에서 크게 발생하는 지터를 줄이기 위해서 루프 필터를 이용하는데, 루프 필터의 훈련시간이 길기 때문에 훈련시간 동안 발생하는 비트오류가 패킷 통신에 악영향을 미치는 측면이 있다.
주파수 편이 복조기 회로(830)의 출력은 비트의 정보에 따라서 음(-)과 양(+)의 주파수로 편이되는 파형을 갖는데, 대칭성을 갖는 파형의 세그먼트만을 유효한 오차 척도로 선별하여 추적에 사용할 수 있다면 심볼간의 간섭에 강인한 추정이 가능하다.
설명의 편의 상 타이밍 오차 검출기 회로(880)는 Gardner 알고리듬을 사용하는 경우가 도시되었으나, 본 발명의 블루투스 수신 장치는 뮐러&뮬러(Mueller & Muller) 알고리듬을 타이밍 오차를 검출하기 위하여 사용할 수도 있으며, 공지의 알려진 다양한 타이밍 오차 검출 기법은 본 발명의 블루투스 수신 장치에 적합하게 변형되어 사용 가능하다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 훈련 비트열에 대한 주파수 복조기의 출력 파형을 도시하는 도면이다.
도 9를 참조하면, "10101b"의 비트열이 수신되어 주파수 편이 복조기 회로(830)를 통과한 출력 파형이 도시된다.
최적의 심볼 타이밍 위상에서 오차 척도가 영(zero)가 되는 '훈련 비트열'의 바람직한 실시예로서 {010b, 101b}과 그 조합을 들 수 있다. 예를 들어 0101b은 010b와 101b가 연이어 2회 반복되는 '훈련 비트열'의 조합이고, 도 9와 같이 두번째와 세번째 심볼 타이밍에서 측정한 오차 척도를 유효한 오차 척도로 선별하여 타이밍 추적에 반영할 수 있다. 즉, 두번째 심볼 "0"은 앞뒤로 상반되는 극성의 심볼 "1" 사이에 위치하므로 두번째 심볼 "0"의 파형은 대칭성을 유지할 것이다. 또한 세번째 심볼 "1" 은 앞뒤로 상반되는 극성의 심볼 "0" 사이에 위치하므로, 세번째 심볼 "1"의 파형도 대칭성을 유지할 것이다. 이 경우 두번째 심볼 "0"과 세번째 심볼 "1"은 모두 유효한 오차 척도를 구하는 데에 적합한 샘플일 수 있다.
종래 기술인 NDA(non-data aided) 예측기법은 모든 심볼에 대해서 오차 척도를 추정하고 반영하기 때문에 무분별하게 큰 지터가 유입되어 정확도와 훈련시간 측면에서 손실을 발생시킬 가능성이 높다. 종래 기술과 달리 본 발명에서 제안한 기법은 유효한 오차 척도만 선별적으로 반영되기 때문에 지터가 크게 발생하지 않고, 자기 잡음(self noise)을 줄이기 위한 루프 필터(loop filter)와 같은 장치가 필요하지 않다. 타이밍 오차 검출기 회로(880)는 유효한 것으로 판정된 샘플링 비트열에 대하여 타이밍 오차를 검출하고, 이를 타이밍 오차 임계값 검출기 회로(890)에 전달한다. 타이밍 오차 임계값 검출기 회로(890)는 유효한 샘플링 비트열에 대하여 검출된 타이밍 오차를 적분기를 통하여 단순히 누적해서 임계값을 넘어서면 리샘플러/보상 회로(840)에 전달한다. 이때 전달되는 타이밍 오차의 누적 값이 유효한 오차 척도로 인식될 수 있다. 리샘플러/보상 회로(840)는 보간기와 같은 단순한 구성으로도 구현 가능하며, 타이밍 오차 임계값 검출기 회로(890)로부터 수신된 유효한 오차 척도를 반영하여 심볼 타이밍 위상을 변경함으로써 심볼 타이밍 위상의 오프셋을 보정할 수 있다.
타이밍 오차 검출기 회로(880), 타이밍 오차 임계값 검출기 회로(890), 및 리샘플러/보상 회로(840)는 루프 필터와 같은 복잡한 구성을 포함하지 않고도 구현 가능하며, 별도의 훈련 시간을 필요로 하지 않으므로 신속하게 타이밍 오차를 보상할 수 있다. 이로 인하여 타이밍 상의 여유가 많지 않은 블루투스 클래식 또는 블루투스 스마트 규격의 패킷 내에서 심볼 타이밍 위상을 적합하게 선택하고 최적의 비트열을 샘플링할 수 있다.
심볼 간의 간섭 특성은 가우시안 필터의 길이에 의해서 결정되는데, 블루투스 스마트 규격에서 정의하는 BT=0.5의 가우시안 필터는 3심볼 이내에 99.999% 이상의 에너지가 집중되는 특성을 갖고 있으므로 현재 비트를 포함해서 전후의 3비트가 현재 주파수 편이 파형을 결정한다. 예를 들어 송신기에서 "101b"의 비트열이 전송되었다고 가정하면 가운데 비트 위치에서 음(-)의 방향으로 최소 주파수 편이가 이루어지는 세그먼트가 출력된다. "010b" 비트열이 전송되었다고 가정하면 가운데 비트 위치에서 양(+)의 방향으로 최대 주파수 편이가 이루어지는 세그먼트가 출력된다. 두 세그먼트는 각각 4와 같이 피크에 해당하는 최적의 심볼 타이밍 위상을 기준으로 좌우 대칭성을 갖고 있으므로 심볼 타이밍 오프셋 추정에 적합한 경우가 된다. 이처럼 3심볼의 가우시안 ?터를 예시적으로 훈련 비트열 조건이 도출되는 실시예가 소개되었으나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 심볼의 개수는 송/수신 환경, 또는 회로의 구성을 고려하여 확률적으로 유의미한 심볼 구간, 또는 일정한 기준 비율 이상의 에너지가 집중되는 심볼 구간에 기반하여 결정할 수 있다.
본 발명의 블루투스 수신 장치의 동작을 도 2의 블루투스 스마트의 패킷을 참조하여 설명하면, 블루투스 스마트의 패킷에는 8 μs의 프리앰블 구간(210)과 32 μs의 액세스 어드레스 구간(220)이 존재하고, 본 발명의 블루투스 수신 장치는 8 μs의 프리앰블 구간(210) 내에서 선별적 비트열 결정 지향 기법에 의하여 심볼 타이밍 오프셋을 포착(acquisition)하고, 32 μs의 액세스 어드레스 구간(220)과 그 이후의 프로토콜 데이터 유닛 구간(230) 동안 심볼 타이밍 오프셋을 추적(tracking)할 수 있다.
프리앰블 구간(210)에서 최초 포착된(610) 심볼 타이밍 오프셋은 액세스 어드레스 구간(220)과 프로토콜 데이터 유닛 구간(230)에서 그대로 유지된다는 보장이 없으므로, 본 발명의 블루투스 수신 장치는 액세스 어드레스 구간(220)과 프로토콜 데이터 유닛 구간(230)에서 송/수신 환경의 변화 또는 클럭 부정합 규격 내에서의 오프셋의 변화를 추적할 수 있다.
도 10은 블루투스 스마트 규격에서 정의하는 패킷 파형의 일 예에 대하여 '훈련 비트열' 판정 및 선별적 심볼 타이밍 추적이 적용되는 시점을 도시하는 도면이다.
도 10을 참조하면 블루투스 스마트 패킷 신호가 수신기의 주파수 편이 복조기(830)를 통과한 후의 파형의 일 예가 도시된다. 도 10에 도시된 파형은 설명의 편의 상 반송파 주파수 오프셋 및 DC 오프셋은 제거되었다고 가정한 도면이다.
도 10을 참조하면 초기 8μs동안 프리앰블(1010)이 수신되고 이어서 32μs 동안 액세스 어드레스(1020)가 수신되고 이어서 프로토콜 데이터 유닛(1030)가 수신된다. 본 발명의 블루투스 수신 장치의 동작의 이해를 돕기 위하여 유효한 오차 척도의 샘플링 기준이 될 수 있는 '훈련 비트열'(1040)을 강조 표시하였다. 훈련 비트열(1040)은 중심의 비트 값과 인접한 앞뒤의 비트 값이 상반된 경우를 의미하며, 이 경우 중심의 비트 값의 파형은 대칭성이 유지될 것이므로 가우시안 필터 또는 송/수신 환경으로 인한 잡음 오차 등의 영향에도 불구하고 심볼 타이밍 위상의 정확도를 유지하고 있다고 볼 수 있다.
도 10을 참조하면 훈련 비트열이 순차적으로 반복되는 프리앰블(1010) 구간과 같은 경우에는, 잇달아 8회의 훈련 비트열을 추출할 수 있다. 프리앰블(1010)은 8개의 서로 교번하는 비트열로 이루어지고, 액세스 어드레스(1020) 구간의 첫 비트와 프리앰블(1010)의 마지막 비트는 상반된 극성을 가지도록 프리앰블(1010)이 선택되므로 교번되는 비트열의 길이는 9이고, 첫번째 비트열은 훈련 비트열에서 제외되므로 프리앰블(1010) 훈련 구간 동안에는 7회의 훈련 비트열을 추출할 수 있으며, 액세스 어드레스(1020) 구간 초기에 1회의 훈련 비트열이 더 주어진다.
이후에는 랜덤하게 송신/수신되는 비트열 가운데 유효한 샘플이 될 수 있는 훈련 비트열을 블루투스 수신 장치가 판별하고, 유효한 샘플이 될 수 있는 훈련 비트열에 대해서만 타이밍 오차 검출기 회로(880)가 타이밍 오차를 검출하며, 이를 토대로 블루투스 수신 장치는 타이밍 위상을 보상하고 리샘플링할 수 있다.
도 11은 블루투스 스마트 규격이 정하는 Dirty Transmitter의 50 ppm 클럭 부정합 환경에서 타이밍 추적 장치의 유무에 따른 성능을 비교한 것이다.
도 11을 참조하면 동일한 PER(Packet Error Rate)을 얻기 위하여 종래 기술의 타이밍 오류 검출 기법을 사용하지 않는 블루투스 수신 방식은 11 dB의 SNR을 유지해야 하지만, 본 발명의 선별적 비트열 결정 지향 기법의 타이밍 오류 검출 기법을 사용한 블루투스 수신 방식은 9.6 dB 레벨의 SNR을 유지하면 되므로 약 1.4 dB의 성능개선을 보임을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 블루투스 수신 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.
도 12를 참조하면 블루투스 수신 방법은 수신 신호를 주파수 편이 복조하여 기저 대역 신호를 생성한다(S1210).
블루투스 수신 방법은 기저 대역 신호를 심볼 타이밍 기준으로 샘플링하고(S1220), 샘플링된 값에 기초하여 복수의 일련의 비트열을 생성한다(S1230). 이때 단계 S1220에서 사용되는 심볼 타이밍은 초기 포착된 심볼 타이밍 또는 이전에 보상되어 조정된 심볼 타이밍일 수 있다. 단계 S1230은 샘플링된 신호의 부호를 기준으로 복수의 일련의 비트열을 생성할 수 있다. 즉, 양의 부호(+)의 신호는 "1" 비트로, 음의 부호(-)의 신호는 "0"비트로 맵핑하여 일련의 비트열을 생성할 수 있다.
블루투스 수신 방법은 일련의 비트열이 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별한다(S1240). 훈련 비트열 조건은 복수의 일련의 비트열 내에서 최적의 심볼 타이밍 위상을 기준으로 음의 방향의 주파수 천이와 양의 방향의 주파수 천이가 대칭적 관계를 가지도록 분포하는 비트열만을 선별하는 것이다.
훈련 비트열 조건은 선별적 비트열 결정 지향(selective bit pattern decision-directed) 기법을 적용하여 설정될 수 있다.
블루투스 수신 방법은 훈련 비트열 조건을 충족하는 것으로 판별된 일련의 비트열에 대하여 오차 척도를 측정하고, 측정된 오차 척도를 유효한 오차 척도로서 기저 대역 신호의 심볼 타이밍에 보상한다(S1250). 오차 척도는 판별된 일련의 비트열에 대하여 가드너(Gardner) 알고리듬과 뮐러&뮬러(Mueller & Muller) 알고리듬 등 공지의 알려진 기술을 적용하여 얻어질 수 있다.
유효한 오차 척도를 구하기 위하여 블루투스 수신 방법은 구분되는 일련의 비트열을 미리 설정된 개수만큼 누적하여 메모리에 저장할 수 있다. 미리 설정된 개수만큼 누적하여 저장된 일련의 비트열이 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별할 수 있다.
블루투스 수신 방법은 일련의 비트열이 훈련 비트열 조건을 충족하는 경우 일련의 비트열에 대한 심볼 타이밍의 오차를 검출하고, 검출된 심볼 타이밍의 오차를 적분 연산을 통하여 누적 연산한 후 누적된 오차 척도가 임계값보다 큰 지 여부를 검출할 수 있다. 이때 블루투스 수신 방법은 누적된 오차 척도가 임계값을 넘어서면 보간기로 구현된 리샘플러가 심볼 타이밍 위상을 변경함으로써 심볼 타이밍 오프셋을 보정할 수 있다.
본 발명은 블루투스 스마트 패킷 규격에서 반송파 포착 및 추적을 위해서 '훈련 비트열'을 정의하고 '선별적 비트열 결정 지향' 기법을 제안함으로써 유효하지 않은 오차척도는 버리고 유효한 오차척도를 선별적으로 오프셋 추정에 반영할 수 있도록 하여 지터와 훈련시간을 줄인다. 블루투스 스마트 규격에 정의된 프리앰블이 본 발명에 매우 적합한 패턴으로 구성되어 있고, 액세스 어드레스와 프로토콜 데이터 유닛 구간에서 지속적인 갱신을 가능하게 하여 블루투스 스마트 규격에서 허용하는 클럭 부정합에 의한 오차 요인을 효과적으로 제거하고 잡음의 평균화 효과를 얻어서 고감도 수신기 구현에 적합한 방법을 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 블루투스 수신 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
210 : 프리앰블 구간 220 : 액세스 어드레스 구간
230 : PDU 구간 240 : CRC 구간
810 : 아날로그 디지털 변환기 520 : 정합 필터
830 : 주파수 편이 변조기 840 : 리샘플러/보상 회로
850 : 시간 이산 판별기/샘플러 회로
860 : FIFO 메모리 870 : 훈련 비트열 판별기 회로
880 : 타이밍 오차 검출기 회로
890 : 타이밍 오차 임계값 검출기 회로

Claims (15)

  1. 수신 신호를 주파수 편이 복조하여 기저 대역 신호를 생성하는 주파수 편이 복조기 회로;
    상기 기저 대역 신호를 심볼 타이밍을 기준으로 샘플링하고, 상기 샘플링된 값에 기초하여 복수의 일련의 비트열을 생성하는 샘플러 회로;
    상기 샘플러 회로로부터 생성된 상기 복수의 일련의 비트열 내의 특정 비트열과 시간 축 상에서 인접한 비트열들의 패턴이 상기 특정 비트열에 대해서 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별하는 훈련 비트열 판별기 회로; 및
    상기 복수의 일련의 비트열 내의 상기 특정 비트열과 상기 시간 축 상에서 인접한 비트열들의 패턴이 상기 특정 비트열에 대해서 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 것으로 판별된 경우, 상기 특정 비트열에 대하여 상기 심볼 타이밍을 기준으로 측정된 오차 척도를 유효한 오차 척도로서 반영하여 상기 기저 대역 신호의 상기 심볼 타이밍을 보정하는 심볼 타이밍 오프셋 보상 회로;
    를 포함하고,
    상기 훈련 비트열 조건은 상기 복수의 일련의 비트열 내의 상기 시간 축 상에서 인접한 비트열들이 상기 특정 비트열에 대하여 형성하는 음의 방향의 주파수 천이와 양의 방향의 주파수 천이가 상기 특정 비트열의 최적의 심볼 타이밍 위상을 기준으로 상기 시간 축 상에서 대칭적 관계를 가지는 분포를 가지는 조건인 블루투스 수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 훈련 비트열 조건은 선별적 비트열 결정 지향(selective bit pattern decision-directed) 기법을 적용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 블루투스 수신 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 일련의 비트열 내의 상기 특정 비트열과 상기 시간 축 상에서 인접한 비트열들의 패턴이 상기 특정 비트열에 대해서 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 것으로 판별된 경우, 상기 특정 비트열에 대하여 상기 심볼 타이밍의 오차를 검출하는 타이밍 오차 검출기 회로; 및
    상기 검출된 심볼 타이밍의 오차를 이용하여 상기 유효한 오차 척도를 생성하고, 상기 유효한 오차 척도가 임계값보다 큰지 여부를 검출하는 타이밍 오차 임계값 검출기 회로;
    를 더 포함하는 블루투스 수신 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 타이밍 오차 임계값 검출기 회로는
    적분기를 이용하여 상기 검출된 심볼 타이밍의 오차를 누적 연산하여 상기 유효한 오차 척도를 생성하고, 상기 검출된 심볼 타이밍의 오차가 누적 연산된 상기 유효한 오차 척도가 상기 임계값보다 큰지 여부를 검출하는 블루투스 수신 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 타이밍 오차 검출기 회로는
    상기 심볼 타이밍을 기준으로 샘플링된 제1 샘플 값 및 양과 음의 방향으로 각각 1/2 심볼 오프셋 타이밍을 기준으로 샘플링된 제2 샘플 값을 이용하여 상기 심볼 타이밍의 오차를 검출하는 블루투스 수신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 심볼 타이밍 오프셋 보상 회로는 상기 유효한 오차 척도를 반영하여 보간기를 이용하여 상기 심볼 타이밍의 위상을 변경하는 것을 특징으로 하는 블루투스 수신 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 훈련 비트열 판별기 회로는
    블루투스의 프리앰블 구간 뿐만 아니라 액세스 어드레스 또는 프로토콜 데이터 유닛 구간에서 상기 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 블루투스 수신 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 샘플러로부터 생성되는 비트열을 미리 설정된 개수만큼 누적하여 저장하는 메모리;
    를 더 포함하고,
    상기 훈련 비트열 판별기 회로는 상기 메모리에 저장된 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 블루투스 수신 장치.
  10. 수신 신호를 주파수 편이 복조하여 기저 대역 신호를 생성하는 단계;
    상기 기저 대역 신호를 심볼 타이밍을 기준으로 샘플링하고, 상기 샘플링된 값에 기초하여 복수의 일련의 비트열을 생성하는 단계;
    상기 복수의 일련의 비트열 내의 특정 비트열과 시간 축 상에서 인접한 비트열들의 패턴이 상기 특정 비트열에 대해서 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별하는 단계; 및
    상기 복수의 일련의 비트열 내의 상기 특정 비트열과 상기 시간 축 상에서 인접한 비트열들의 패턴이 상기 특정 비트열에 대해서 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 것으로 판별된 경우, 상기 특정 비트열에 대하여 상기 심볼 타이밍을 기준으로 측정된 오차 척도를 유효한 오차 척도로서 반영하여 상기 기저 대역 신호의 상기 심볼 타이밍을 보정하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 훈련 비트열 조건은 상기 복수의 일련의 비트열 내의 상기 시간 축 상에서 인접한 비트열들이 상기 특정 비트열에 대하여 형성하는 음의 방향의 주파수 천이와 양의 방향의 주파수 천이가 상기 특정 비트열의 최적의 심볼 타이밍 위상을 기준으로 상기 시간 축 상에서 대칭적 관계를 가지는 분포를 가지는 조건인 블루투스 수신 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 훈련 비트열 조건은 선별적 비트열 결정 지향(selective bit pattern decision-directed) 기법을 적용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 블루투스 수신 방법.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 일련의 비트열 내의 상기 특정 비트열과 상기 시간 축 상에서 인접한 비트열들의 패턴이 상기 특정 비트열에 대해서 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 것으로 판별된 경우, 상기 특정 비트열에 대하여 상기 심볼 타이밍의 오차를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 심볼 타이밍의 오차를 이용하여 상기 유효한 오차 척도를 생성하고, 상기 유효한 오차 척도가 임계값보다 큰지 여부를 검출하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 블루투스 수신 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별하는 단계는
    블루투스의 프리앰블 구간 뿐만 아니라 액세스 어드레스 또는 프로토콜 데이터 유닛 구간에서 상기 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 블루투스 수신 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 기저 대역 신호가 상기 심볼 타이밍을 기준으로 샘플링된 값에 기초하여 생성되는 복수의 일련의 비트열을 미리 설정된 개수만큼 누적하여 저장하는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별하는 단계는 상기 미리 설정된 개수만큼 누적하여 저장된 복수의 일련의 비트열이 상기 훈련 비트열 조건을 충족하는 지 여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 블루투스 수신 방법.
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