KR101965847B1 - 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템 및 방법 - Google Patents

핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 방법은, 신호원으로부터 안테나로 신호가 수신되면, 상기 안테나를 회전시키는 단계, 상기 안테나를 통해 수신된 신호를 복조하고, 상기 복조된 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 단계, 상기 디지털 신호의 이득을 조절하는 단계, 상기 이득 조절된 수신 신호의 전력을 측정하는 단계 및 상기 안테나 상의 상기 소정 지점들로 입사되는 입사각 별 측정된 수신 전력의 차와 상기 소정 지점들간의 안테나 이득 차들을 이용하여 상기 수신 신호의 방향을 탐지하는 단계를 포함한다.

Description

핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템 및 방법{System and Method for Finding Direction of Signal in Hand Held Device}
본 발명은 신호 방향을 탐지하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 핸드 헬드 장치와 같이 소형의 장치에서 신호 방향을 탐지하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적인 신호의 방향을 탐지하는 장치들은 배열 안테나를 사용하여 크기가 크며, 소신호를 획득하기 위해 복잡한 하드웨어와 소프트웨어를 탑재하여 하드웨어 크기도 크고 커지고 소프트웨어도 복잡하다.
구체적으로 수신 장치에서 신호의 방향을 탐지하기 위해서는, 다수의 배열 안테나를 빔포밍 기술을 활용하여 신호를 수신하고, 수신된 신호의 크기를 모노펄스 형태로 분석하여 그 방향을 탐지한다. 이를 위해 배열 안테나와 빔포밍 알고리즘(DoA), 모노펄스 분석 알고리즘((ΔΣ 알고리즘)이 함께 사용된다. 또한 넓은 대역의 무선 주파수(Radio Frequency: RF)신호를 아주 낮은 신호 레벨까지 포착하기 위해 높은 이득의 증폭기와 넓은 대역의 필터들이 사용된다.
상술한 종래 기술은 배열안테나 및 RF부에 의해 크기가 크고, 복잡한 알고리즘 연산에 의해 소모전력도 높다. 그래서 간단하게 신호 방향을 탐지할 수 있는 hand-held 장비 형태의 구현이 어려운 한계를 갖고 있다.
본 발명은 상술한 필요성에 따라 안출 된 것으로, 본 발명의 목적은 핸드 헬드(Hand held) 장치와 같은 소형 수신 장치에서 신호 방향을 탐지하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템은, 신호를 수신하는 안테나, 상기 안테나의 방위각을 측정하는 방위 측정부, 상기 안테나 상의 소정 지점들에서 수신된 신호를 복조하고, 상기 복조된 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 RF부, 상기 디지털 신호의 이득을 조절하기 위한 이득 조절 신호를 생성하는 이득 조정부를 포함하며, 상기 신호 방향 탐지 시스템은, 상기 안테나의 이득 특성을 이용한다.
또한, 상기 이득 조절된 수신 신호의 전력을 측정하는 수신 신호 전력 측정부, 및 상기 안테나 상의 상기 소정 지점들로 입사되는 입사각 별 측정된 수신 전력의 차와 상기 소정 지점들간의 안테나 이득 차들을 이용하여 상기 수신 신호의 방향을 탐지하는 방향 탐지부를 포함한다.
그리고, 상기 방향 탐지부는, 상기 수신 신호의 전력이 측정되면, 측정된 수신 전력의 입사각을 측정하는 입사각 측정부, 상기 측정한 입사각에 따른 상기 안테나의 이득을 계산하여 저장하는 안테나 이득부, 상기 입사각 별 수신 전력의 차와 상기 안테나 이득 차의 오차를 계산하고, 상기 오차 중 최소 오차에 해당하는 입사각을 결정하고, 상기 결정된 입사각에 해당하는 방위각을 결정하는 방위각 결정부;및 상기 결정된 방위각으로 상기 안테나 방향을 위치시키도록 제어하는 구동 제어 신호를 발생하는 안테나 구동 신호 발생부를 포함한다.
또한, 상기 구동 제어 신호에 따라 상기 안테나의 지향 방향을 조절하는 안테나 구동부;를 더 포함한다.
그리고, 상기 수신 신호 전력 측정부는, 상기 수신 신호를 상기 안테나 상의 소정 지점들(a, b, c)에서 수신된 수신 신호(Received Signal)인 Ra, Rb, Rc와, 진폭 변이(Amplitude Variance)인 K, 안테나 이득(Antenna Gain w, r, t Φ)(Intensity)인 A(Φ), 각주파수(Radian Frequency)인 w, 위상(Phase)인 α, 잡음(noise)인 n을 이용하여 표현하고, 상기 수신 신호를 표현한 식에서 상기 잡음을 독립적이고 동일한 분포를 가진 부가 백색 가우시안 잡음(AWGN(Additive White Gaussian Noise) i.i.d(Independent, Identically Distributed)이라고 가정하여 수신 신호 전력을 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방위각 결정부는, 상기 안테나 상의 소정 지점들(a, b, c)에서 각각의 안테나 이득(Antenna Gain w, r, t Φ)(Intensity)인 A(Φ)을 구하여 제곱한 값 사이의 차를 이용하여 상기 수신 신호 전력의 차를 계산함을 특징으로 한다.
그리고, 상기 방위각 결정부는, 상기 입사각 별 수신 전력의 차와 상기 안테나 이득 차의 오차를 상기 입사각 별 수신 전력의 차와 상기 안테나 이득 차의 오차를 입사각의 각도별로 반복하여 계산하여 구한 안테나 이득 패턴 행렬의 차의 역행렬을 이용하여 계산한 후, 상기 오차 중 최소 오차에 해당하는 입사각을 결정하고, 상기 결정된 입사각에 해당하는 방위각을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 방법은, 신호원으로부터 안테나로 신호가 수신되면, 상기 안테나를 회전시키는 단계, 상기 안테나를 통해 수신된 신호를 복조하고, 상기 복조된 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 단계, 상기 디지털 신호의 이득을 조절하는 단계; 상기 이득 조절된 수신 신호의 전력을 측정하는 단계; 및 상기 안테나 상의 상기 소정 지점들로 입사되는 입사각 별 측정된 수신 전력의 차와 상기 소정 지점들간의 안테나 이득 차들을 이용하여 상기 수신 신호의 방향을 탐지하는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 수신 신호의 방향을 탐지하는 단계는, 상기 수신 신호의 전력이 측정되면, 측정된 수신 전력의 입사각을 측정하는 단계; 상기 측정한 입사각에 따른 상기 안테나의 이득을 계산하여 저장하는 단계; 상기 입사각 별 수신 전력의 차와 상기 안테나 이득 차의 오차를 계산하는 단계; 상기 오차 중 최소 오차에 해당하는 입사각을 결정하고, 상기 결정된 입사각에 해당하는 방위각을 결정하는 단계;및 상기 결정된 방위각으로 상기 안테나 방향을 위치시키도록 제어하는 구동 제어 신호를 발생하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 구동 제어 신호에 따라 상기 안테나의 지향 방향을 조절하는 단계;를 더 포함한다.
그리고, 상기 이득 조절된 수신 신호의 전력을 측정하는 단계는, 상기 수신 신호를 상기 안테나 상의 소정 지점들(a, b, c)에서 수신된 수신 신호(Received Signal)인 Ra, Rb, Rc와, 진폭 변이(Amplitude Variance)인 K, 안테나 이득(Antenna Gain w, r, t Φ)(Intensity)인 A(Φ), 각주파수(Radian Frequency)인 w, 위상(Phase)인 α, 잡음(noise)인 n을 이용하여 표현하고, 상기 수신 신호를 표현한 식에서 상기 잡음을 독립적이고 동일한 분포를 가진 부가 백색 가우시안 잡음(AWGN(Additive White Gaussian Noise) i.i.d(Independent, Identically Distributed)이라고 가정하여 수신 신호 전력을 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 결정된 입사각에 해당하는 방위각을 결정하는 단계는, 상기 안테나 상의 소정 지점들(a, b, c)에서 각각의 안테나 이득(Antenna Gain w, r, t Φ)(Intensity)인 A(Φ)을 구하여 제곱한 값 사이의 차를 이용하여 상기 수신 신호 전력의 차를 계산함을 특징으로 한다.
그리고, 상기 결정된 입사각에 해당하는 방위각을 결정하는 단계는, 상기 입사각 별 수신 전력의 차와 상기 안테나 이득 차의 오차를 입사각의 각도별로 반복하여 계산하여 구한 안테나 이득 패턴 행렬의 차의 역행렬을 이용하여 계산한 후, 상기 오차 중 최소 오차에 해당하는 입사각을 결정하고, 상기 결정된 입사각에 해당하는 방위각을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따르면 하나의 안테나와 간단한 RF 구성을 이용하여 저가의 소형 하드웨어로 구성된 수신 장치로 신호의 방향을 탐지할 수 있다.
또한 상술한 본 발명의 실시 예에 따르면 신호의 방향을 탐지하는 장치 중 소형 경량화를 필요로 하는 장치들에 활용 가능한 장치 내부의 수신 전력 측정 장치를 소형으로 구현 가능하고, 정확도도 0.1dB 이하의 성능을 갖고 있어 실내 외의 전력 측정을 할 수 있는 소형 장비에 활용 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 신호원으로부터 핸드 헬드 시스템 상의 안테나 상 소점 지점들(a, b, c)에 수신된 신호의 수신 전력들(Ra, Rb, Rc)를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템의 흐름도이다.
도 4는 도 3의 이득 제어 단계의 상세 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이득 조정부의 상세 동작 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 신호 방향 탐지 시스템을 포함하는 핸드 헬드 장치(Hand held)에 안테나를 장착했을 경우의 이득 패턴을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 안테나를 통해 입력된 신호의 전력을 계산할 때 이득 조정부의 결정 기법(Decision rule)의 일 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 이해를 돕기 위해 방향 탐지 시스템에 실제 입력된 신호 전력과 AGC를 이용하여 예측된 신호 전력의 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 방향 탐지부에서 안테나 이득 패턴을 이용하여 신호 방향을 탐지하는 방법 흐름도이다.
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시 예들뿐만 아니라 특정 실시 예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 예를 들어, 본 명세서의 블럭도는 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 기능 블럭을 포함하는 도면에 도시된 다양한 소자의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 상기 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다.
또한 프로세서, 제어 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 명확한 사용은 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니되고, 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하기 위한 롬(ROM), 램(RAM) 및 비 휘발성 메모리를 암시적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 주지관용의 다른 하드웨어도 포함될 수 있다.
본 명세서의 청구범위에서, 상세한 설명에 기재된 기능을 수행하기 위한 수단으로 표현된 구성요소는 예를 들어 상기 기능을 수행하는 회로 소자의 조합 또는 펌웨어/마이크로 코드 등을 포함하는 모든 형식의 소프트웨어를 포함하는 기능을 수행하는 모든 방법을 포함하는 것으로 의도되었으며, 상기 기능을 수행하도록 상기 소프트웨어를 실행하기 위한 적절한 회로와 결합된다. 이러한 청구범위에 의해 정의되는 본 발명은 다양하게 열거된 수단에 의해 제공되는 기능들이 결합되고 청구항이 요구하는 방식과 결합되기 때문에 상기 기능을 제공할 수 있는 어떠한 수단도 본 명세서로부터 파악되는 것과 균등한 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 신호원(100)으로부터 핸드 헬드 시스템 상의 안테나(105) 상 소점 지점들(a, b, c)에 수신된 신호의 수신 전력들(Ra, Rb, Rc)를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템의 블록 구성도이다.
본 발명의 실시 예에 따라 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템은 신호가 수신되면, 사용자는 신호원(100)을 찾기 위해 신호 방향 탐지 시스템을 회전시킨다. 사용자가 신호 방향 탐지 시스템을 회전시키면, 신호 방향 탐지 시스템의 수신 신호 전력 측정부(206)는 각 방위에서 수신되는 신호의 수신 전력을 측정하고, 방위각 결정부(226)는 그 수신 전력의 차와 안테나의 이득 패턴, 방위 측정부(210)가 측정한 방위각을 이용하여 신호가 발생하는 방향을 탐지하게 된다.
그럼, 이하에서 본 발명의 실시 예에 따른 핸드 헬드 장치에서의 신호 탐지 시스템의 블록 구성도를 설명하기로 한다.
안테나(202)를 통해 신호가 수신되면, RF부(204)는 안테나(202)를 통해 수신된 신호를 복조하고, 수신 신호의 이득(Gain)을 조절하며 디지털로 변환하여 출력한다.
이득 조정부(208)는 상기 RF부(204)에 의해 디지털 변환된 신호에 대하여 이득을 조절하기 위한 이득 조절(Gain control) 신호를 생성하여 RF부(204)로 출력한다.
수신 신호 전력 측정부(206)는 상기 RF부(204)에서 이득 조절된 수신 신호의 전력을 측정하고, 측정된 수신 전력을 저장한다.
방위 측정부(210)는 안테나(20)의 방위각을 측정하고, 측정된 방위각을 방향 탐지부(220)로 출력하며, 나침반(compass)을 이용하여 구현할 수 있다.
방향 탐지부(220)는 입사각 측정부(222), 안테나 이득부(224), 방위각 결정부(226) 및 안테나 구동 신호 발생부(228)를 포함하며, 상기 안테나 상의 상기 소정 지점들로 입사되는 입사각 별 측정된 수신 전력의 차와 상기 소정 지점들간의 안테나 이득 차들을 이용하여 상기 수신 신호의 방향을 탐지한다.
입사각 측정부(222)는 수신 신호 전력 측정부(222)에서 수신 신호의 전력이 측정되면, 측정된 수신 전력의 입사각을 측정하고, 안테나 이득부(224)는 상기 측정한 입사각에 따른 상기 안테나의 이득을 계산하여 저장한다.
방위각 결정부(226)는 상기 입사각 별 수신 전력의 차와 상기 안테나 이득 차의 오차를 계산하고, 상기 오차 중 최소 오차에 해당하는 입사각을 결정하고, 상기 결정된 입사각에 해당하는 방위각을 결정하고, 안테나 구동 신호 발생부(228)는 상기 결정된 방위각으로 상기 안테나(202) 방향을 위치시키도록 제어하는 구동 제어 신호를 발생한다.
안테나 구동부(230)는 상기 구동 제어 신호를 입력 받아, 상기 안테나(202)의 지향 방향을 제어한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 수신 신호 탐지 시스템에서는 수신 전력을 측정하기 위해서는 아날로그 수신 신호를 복조하고, 디지털 신호로 변환하기 위해 RF부(204)가 포함된다. 상기 RF부(204)는 근래 판매되고 있는 RF 소자들로 구성될 수 있으며, 근래 RF 소자들은 단일 소자로 구현되어, RF처리부와 아날로그 디지털 변환부(ADC)가 포함되어 있어 소형이면서, 저가(低價)로 구현이 가능하다.
그러나 정확한 수신 전력 측정을 위해서는 정확한 AGC(Auto Gain control) 기능이 필요로 하므로, 본 발명의 실시 에에 따른 이득 조정부(208)는 2비트(Bit) ADC를 사용하는 경우에도 RF부(204)를 제어하여 약 0.1dB 이하의 정확도로 수신 전력을 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템의 흐름도이다.
302단계에서 신호 방향 탐지 시스템은 안테나로 신호가 수신되면, 상기 안테나를 회전시키고, 304단계에서 수신 신호를 복조하고, 상기 복조된 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 306단계에서 신호 방향 탐지 시스템은 상기 디지털 변환된 신호의 이득을 조절하고, 308단계에서 상기 안테나 상 적어도 3 지점(a, b, c)들에 대한 수신 신호 전력을 측정한다.
310단계에서 신호 방향 탐지 시스템은 상기 308단계에서 측정된 수신 전력의 입사각을 측정하고, 312단계에서 입사각 별 안테나 이득을 계산하여 저장한 후, 입사각 별 안테나의 이득 차를 계산한 후, 314단계에서 입사각 별 수신 전력 차와 안테나 이득 차 오차를 저장한다.
316단계에서 신호 방향 탐지 시스템은 상기 314단계에서 저장된 오차들 중 최소 오차에 해당하는 입사각을 판별하고, 318단계에서 상기 판별된 입사각에 해당하는 방위각을 결정한 후, 320단계에서 상기 결정된 방위각으로 상기 안테나의 방향을 위치시키도록 제어하는 구동 제어 신호를 발생시키고, 322단계에서는 수신 전력을 측정한다.
도 4는 도 3의 이득 제어 단계(306)의 상세 흐름도로, 신호 방향 탐지 시스템의 수신 신호 전력 측정부(206)에서 수행된다.
402단계에서 신호 방향 탐지 시스템의 수신 신호 전력 측정부(206)는 이득 조정부(208)로부터의 이득 조정 신호를 입력 받아 RF부(204)로부터 입력된 신호에 대하여 이득 제어를 수행하고, 404단계에서 상기 RF부(204)로부터 출력되는 신호를 측정한 후, 406단계에서 상기 측정된 출력 신호와 미리 정해진 임계 값(Thr)을 비교한다.
상기 406단계의 비교 결과, 상기 출력 신호가 상기 미리 정해진 임계 값보다 작다면, 수신 신호 전력 측정부(206)는 상기 402단계로 진행하여 이득 제어를 계속 수행하고, 상기 출력 신호가 상기 미리 정해진 임계 값보다 작지 않다면, 408단계에서 상기 RF부(204)로부터 출력된 신호의 RF 이득을 보정한 후, 입사각 추정부(222)로 출력한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이득 조정부(208)의 상세 동작 흐름도이다.
500단계에서 이득 조정부(208)는 RF부(204)로 수신된 신호가 자동 이득 제어(Automatic Gain Control)(AGC) 종료(End) 구간(710)에 포함되는지를 검사하고, 포함되지 않았다면, 502단계에서 RF부(204)부 이득을 설정하고, 504단계에서 수신 신호의 로 데이터(Raw Data)를 입력 받는다. 상기 500단계에서의 AGC 종료 구간(710)은 후술할 도 7을 참고하여 상세히 설명하기로 한다.
그리고, 506단계에서 이득 조정부(208)는 상기 입력된 로 데이터의 전력 예측을 수행하고, 508단계에서 자동 이득 제어를 수행하고, 다시 500단계로 진행하여 AGC 종료 구간에 해당하는지 검사한다.
반면, 이득 조정부(208)는 상기 500단계에서 상기 RF부(204)로 수신된 신호가 AGC 종료 구간에 포함된다면, 510단계에서 전력 보정을 수행한다.
상술한 도 5에서 이득 조정부(208)가 502단계에서 RF부 이득 설정을 먼저 수행하는 이유는 초기 이득이 있어야 신호 출력 값을 알 수 있기 때문이다. 상기 도 5를 다시 설명하면, 이득 조정부(208)는 상기 502단계에서의 RF부 이득 설정을 한 이후에는 504단계에서 RF부(204)로부터 이득이 반영되어 아날로그-디지털 변환(Analog Digital Converter: ADC)된 출력 신호를 획득하고, 506단계에서 전력을 예측하고 다음 508단계에서 이득(Gain)을 확정한다. 그리고 이득 조정부(208)는 전력 예측 값이 특정 범위(AGC 종료 구간(AGC_END)) 안에 포함될 때까지 502단계 내지 508단계를 반복 수행(500단계)하며, 전력 예측 값이 특정 범위에 포함되면, 510단계에서 AGC를 종료시키면서 예측된 전력 값을 출력한다. 이 후 이득 조정부(208)는 예측된 전력 값을 보정하여 수신전력을 예측한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 신호 방향 탐지 시스템을 포함하는 핸드 헬드 장치(Hand held)에 안테나를 장착했을 경우의 이득 패턴을 도시한 도면이다.
도 6에서 참조번호 605는 핸드 헬드 장치를 세웠을 때의 안테나 이득 패턴이고, 참조번호 610은 핸드 헬드 장치를 눕혔을 때의 이득 패턴이다. 참조번호 605와 참조번호 610에 도시된 안테나 이득 패턴을 보면 일반적인 안테나 이득 패턴과 달리 안테나 이득 패턴에 주름이 많다. 통상적인 통신 환경에서는 이러한 안테나 이득 패턴의 변화가 성능의 저하를 가져오지만, 본 발명의 실시 예에 따른 신호 방향 탐지 시스템에서의 입력 신호의 세기를 이용한 방향 탐지에서는 세기의 차이들을 이용할 수 있어 더 정밀한 방향 탐지가 가능하다.
참조번호 605 및 610에서 보는 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 신호 방향 탐지 시스템이 소형의 핸드 헬드 장치에 장착될 경우의 안테나의 이득 패턴은 일반적인 패턴과 다르게 많은 굴곡을 갖게 된다. 이러한 안테나 이득 패턴은 핸드 헬드 장치의 기울임 각도나 방향에 따라 안테나 이득이 상이함에 따라, 실제 통신에서 사용하기에는 불리하다. 그러나 본 발명의 실시 예에서는 이러한 안테나 이득 패턴의 상이함을 역으로 이용하여 신호원(100)의 방향을 탐지할 수 있으며, 패턴 데이터의 resolution이 1도 간격일 경우 약 1도의 방향 정확도를 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 안테나(202)를 통해 입력된 신호의 전력을 계산할 때 이득 조정부(208)의 결정 기법(Decision rule)의 일 예를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이득 조정부(208)는 RF부(204)로부터 디지털 변환되어 출력된 2비트의 ADC 출력 샘플들을 이용하여 신호의 세기를 계산하고, 상기 계산된 신호의 세기에 따라 RF부(204)의 이득을 조절한다. 이를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 신호 방향 탐지 시스템은 AGC 기능을 구현할 수 있으며, RF부(204)의 이득과 신호의 세기를 이용하여 신호의 전력을 추정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 이해를 돕기 위해 방향 탐지 시스템에 실제 입력된 신호 전력과 AGC를 이용하여 예측된 신호 전력의 차이를 설명하기 위한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이 실제 입력된 신호 전력과 AGC를 이용하여 예측된 신호 전력 간의 차이가 꽤 커 단순한 전력 예측만으로는 수신 신호의 측정 값을 사용하는 것이 어렵다.
이에 본 발명의 실시 예에서는 RF부(204)의 이득 값에 따라 참조번호 805와 같이 수식 y=ax+b에서 보정 상수 a, b를 달리하며 예측 값을 보정하면 약 0.1dB 이하의 정확도로 예측할 수 있다. 예측 정확도를 높이기 위해서 본 발명의 실시 예에서는 ADC 샘플을 많이 사용하여 예측하면 되고, 이럴 경우 일반적인 Estimation 성능을 따르게 된다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 방향 탐지부(220)에서 안테나 이득 패턴을 이용하여 신호 방향을 탐지하는 방법 흐름도이다.
먼저, 사용자가 신호 방향 탐지 시스템이 장착된 핸드 헬드 장치를 수회회전 시킬 경우, 902단계에서 방향 탐지부(220)는 적어도 3개 지점(a, b, c)에 대한 방위각과 수신 전력을 측정하는데, 이때는 방위각의 범위에 따라 계산해야 하는 범위가 결정되며, 이를 기반으로 반복횟수를 계산한다.
904단계에서 방향 탐지부(220)는 상기 계산된 반복 횟수만큼 상기 적어도 3개 지점에 대한 방위각과 수신 전력이 측정되지 않았다면, 906단계에서 입사각에 따른 안테나의 이득 차를 계산하고, 908단계에서 수신 전력 차와 안테나 이득차의 오차를 각도 별로 계산한 후, 904단계로 회귀한다.
그리고, 상기 904단계에서 방향 탐지부(220)는 상기 계산된 반복 횟수만큼 상기 적어도 3개 지점에 대한 방위각과 수신 전력이 측정되었다면, 910단계로 진행하여 최소 오차를 갖는 입사 각을 결정하며, 912단계에서 최소 오차를 갖는 입사각에 해당하는 수신 신호의 방위각과 수신전력을 계산한다. 도 9에 도시된 신호 방향 탐지 과정은 최대우도(Maximum Likelihood)(ML)를 갖는 방위각을 계산하는 방식이나, 본 발명의 실시 예에는 이에 한정되지 않고 최소 자승법(Least Square)(LS), 위너 필터(Wiener Filter) 또는 칼만 필터(Kalman Filter)를 이용하여 수신 신호의 방위각을 추정하는 것도 가능하다. 또한 방위각을 계산 할 때 나침반의 틸트(Tilt) 각도를 함께 이용하면, 3차원 방위각의 추정(방위각, Tilt 추정) 또한 가능하다.
이하에서는 본 발명의 실시 에에 따라 수신 신호 전력 측정부(206)에서 수신 신호 전력을 계산하는 수학식과, 방위각 결정부(226)에서 수신 전력의 차, 입사각 별 수신 전력의 차와 안테나 이득 차의 오차를 계산하는 수학식을 설명하기로 한다.
상술한 도 1에 도시된 바와 같이 안테나(205) 상에 신호가 수신되는 지점이 3곳(a, b, c)일 때, 각 지점에 수신되는 수신 전력(Received power)을 Ra, Rb, Rc라고 표현할 수 있다. 이때 각 지점들(a, b, c)에 전달되는 신호의 세기는 같고, 잡음을 독립적이고 동일한 분포를 가진 부가 백색 가우시안 잡음(AWGN(Additive White Gaussian Noise) i.i.d(Independent, Identically Distributed)이라고 가정하였을 때, 방위각 결정부(226)는 안테나(202, 105)로 입사되는 입사각 별 수신 전력의 차들을 이용하여 방위 각을 찾는다.
구체적으로 본 발명의 실시 예에 따른 수신 신호 전력 측정부(206)는 수신 신호를 아래의 수학식 1내지 수학식 2에 의해 측정한다.
Figure 112018105608564-pat00001
상기 수학식 1에서 Ra, Rb, Rc는 상기 안테나 상의 소정 지점들(a, b, c)에서 수신된 수신 신호(Received Signal)이고, K는 진폭 변이(Amplitude Variance), A(Φ)는 안테나 이득(Antenna Gain w, r, t Φ)(Intensity), w는 Radian Frequency, α는 위상(Phase), n은 잡음(noise)이다.
상기 수학식 1에서, 잡음을 독립적이고 동일한 분포를 가진 부가 백색 가우시안 잡음(AWGN(Additive White Gaussian Noise) i.i.d(Independent, Identically Distributed)이라고 가정하면, 수신 신호 전력 측정부(206)는 수신 신호 전력을 아래의 수학식 2로 가정한다.
Figure 112018105608564-pat00002
상기 수학식 2에서 E[Ka 2], E[Kb 2], E[Kc 2]는 a 지점, b 지점, c 지점에서의 진폭변이 제곱의 에너지는 2B라고 가정하고(여기서, B는 임의의 가정을 위해 지정한 것이다.), a 지점, b 지점, c 지점에서의 잡음의 에너지가 부가 백색 가우시안 잡음이라고 가정한다. 또한, a 지점에서의 수신 신호의 에너지 (E[Ra])는 a 지점에서의 안테나 이득의 제곱(A2(Φa))과 B의 곱과 같고, b 지점에서의 수신 신호의 에너지 (E[Rb])는 b 지점에서의 안테나 이득의 제곱(A2(Φb))과 B의 곱과 같고, c 지점에서의 수신 신호의 에너지(E[Rc])는 c 지점에서의 안테나 이득의 제곱(A2(Φc))과 B의 곱과 같다고 가정한다.
수신 신호 전력 측정부(206)가 상기 수학식 1 내지 수학식 2에 의해 수신 진호 전력을 계산하면, 방위각 결정부(226)는 a, b, c 지점에서 측정된 수신 전력들의 차를 아래의 수학식 3에 의해 계산한다.
Figure 112018105608564-pat00003
상기 수학식 3에서 Φa, Φb, Φc 는 방위 측정부(210)로부터 획득할 수 있으며, 안테나 이득부(224)를 통해 측정한 안테나 패턴을 통해 A2(Φa)-A2(Φb) 및 A2(Φa)-A2(Φc)도 획득할 수 있다.
상기 수학식 3에서와 같이 본 발명의 실시 예에 따라 수신 신호 전력 측정부(206)가 측정하는 신호는 Ra, Rb, Rc이며, 본 발명의 실시 예에서는 이 신호 값들의 차를 이용하여 수신 신호의 방향을 탐지한다.
그리고, 수신 전력들의 차를 상기 수학식 3에 의해 계산한 상기 방위각 결정부(226)는 상기 입사각 별 수신 전력의 차와 상기 안테나 이득 차의 오차를 아래의 수학식 4에 의해 계산한다.
Figure 112018105608564-pat00004
상기 수학식 4에서 a 지점의 수신 전력인 Pa와 b 지점의 수신 전력이 Pb의 차는 a 지점의 안테나 이득 Φa 과 b 지점에서의 안테나 이득 Φb 의 뺄셈 행렬(Subtract matrix)과 같다.
상기 수학식 4는 a, b 지점에서 측정되는 수신 신호의 차와 각도에 따른 안테나 이득 차를 비교한 것이지만, 수학식 12를 이용하면 b, c 지점에서 측정된 수신 신호의 차와 각도에 따른 안테나 이득 차 및 a, c 지점에서 측정된 수신 신호의 차와 각도에 따른 안테나 이득 차에 대한 비교도 가능하다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따른 수학식들을 정리하면, 본 발명의 실시수식은 예에서는 수신 신호 세 지점(a, b, c)에서 수신될 때, 각각의 수신 전력을 Ra, Rb, Rc로 표현하고, 이 때 각 지점들에 입사되는 신호의 세기는 동일하고, 잡음환경을 AWGN이라고 가정했을 때, 안테나에 입력되는 입사 각 별 수신 전력의 차 들을 이용하여 방위각을 찾는 방식이다. 상기 수학식 12는 신호 방향을 찾기 위한 최종 방정식(Equation)으로, 상기 수학식 12를 계산하는 방식은 도 9와 같이 최대 우도(ML) 방식을 사용할 수도 있으며, 다른 추정(Estimation) 알고리즘들을 사용할 수도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 방위각 결정부(226)는 상기 안테나(105, 202) 상의 a, b, c 지점에서 측정되는 수신 신호 전력의 차와 각도에 따른 안테나 이득 차를 비교하여 신호원(100)의 방향을 탐지할 수 있다.
위에서 설명한 본 발명의 실시 예에 따른 수신 신호 전력 측정부(206)는 신호의 전력을 간단한 하드웨어를 이용하여 측정할 수 있다. 또한 방향 탐지부(220)는 기존 모노 펄스에서 사용하던 ΔΣ 알고리즘의 발전된 형태로써, 하나의 안테나를 핸드 헬드(Hand-Held) 장치에 장착했을 때 발생하는 안테나 이득 패턴 변화를 역으로 이용하여 입사각을 추정한다. 일반적으로 패턴의 변화가 심하면 장비의 수신 성능이 방향에 따라 상이하여 문제가 되나 본 발명에서는 오히려 입사각 추정 정확도를 높일 수 있는 장점을 갖고 있다. 또한 부가적으로 장치에 입력되는 수신 전력은 입사방향에 따라 안테나의 이득 패턴에 의해 상이한데 본 발명을 통해서 안테나 이득과 무관한 수신 전력 값을 얻을 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 동작 방법은 프로그램으로 구현되어 다양한 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다. 비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (13)

  1. 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템에 있어서, 신호를 수신하는 안테나; 상기 안테나의 방위각을 측정하는 방위 측정부; 상기 안테나 상의 소정 지점들에서 수신된 신호를 복조하고, 상기 복조된 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 RF부; 및 상기 디지털 신호의 이득을 조절하기 위한 이득 조절 신호를 생성하는 이득 조정부; 및 상기 안테나 상의 상기 소정 지점들로 입사되는 입사각 별 측정된 수신 전력의 차와 상기 소정 지점들 간의 안테나 이득 차들을 이용하여 수신 신호의 방향을 탐지하는 방향 탐지부;를 포함하며,
    상기 방향 탐지부는, 상기 수신 신호의 전력이 측정되면, 측정된 수신 전력의 입사각을 측정하는 입사각 측정부; 측정한 상기 입사각에 따른 상기 안테나의 이득을 계산하여 저장하는 안테나 이득부; 상기 입사각 별 수신 전력의 차와 상기 안테나 이득 차의 오차를 각각 계산하고, 계산된 상기 오차들 중 최소 오차에 해당하는 입사각을 결정하고, 상기 결정된 입사각에 해당하는 방위각을 결정하는 방위각 결정부; 및 상기 결정된 방위각으로 상기 안테나 방향을 위치시키도록 제어하는 구동 제어 신호를 발생하는 안테나 구동 신호 발생부를 포함함을 특징으로 하는 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이득 조절된 수신 신호의 전력을 측정하는 수신 신호 전력 측정부;를 더 포함함을 특징으로 하는 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 구동 제어 신호에 따라 상기 안테나의 지향 방향을 조절하는 안테나 구동부;를 더 포함함을 특징으로 하는 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 수신 신호 전력 측정부는,
    상기 수신 신호를 상기 안테나 상의 소정 지점들(a, b, c)에서 수신된 수신 신호(Received signal)인 Ra, Rb, Rc와, 진폭 변이(Amplitude Variance)인 K, 안테나 이득(Antenna Gain w, r, t Φ)(Intensity)인 A(Φ), 각주파수(Radian Frequency)인 w, 위상(Phase)인 α, 잡음(noise)인 n을 이용하여 표현하고,
    상기 수신 신호를 표현한 식에서 상기 잡음을 독립적이고 동일한 분포를 가진 부가 백색 가우시안 잡음(AWGN(Additive White Gaussian Noise) i.i.d(Independent, Identically Distributed)이라고 가정하여 수신 신호 전력을 계산하는 것을 특징으로 하는 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 방위각 결정부는,
    상기 안테나 상의 소정 지점들(a, b, c)에서 각각의 안테나 이득(Antenna Gain w, r, t Φ)(Intensity)인 A(Φ)을 구하여 제곱한 값 사이의 차를 이용하여 상기 수신 신호 전력의 차를 계산함을 특징으로 하는 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방위각 결정부는,
    상기 입사각 별 수신 전력의 차와 상기 안테나 이득 차의 오차를 입사각의 각도별로 반복하여 계산하여 구한 안테나 이득 패턴 행렬의 차의 역행렬을 이용하여 계산한 후,
    상기 계산된 상기 오차들 중 최소 오차에 해당하는 입사각을 결정하고, 상기 결정된 입사각에 해당하는 방위각을 결정하는 것을 특징으로 하는 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 시스템.
  8. 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 방법에 있어서,
    신호원으로부터 안테나로 신호가 수신되면, 상기 안테나를 회전시키는 단계; 상기 안테나를 통해 수신된 신호를 복조하고, 상기 복조된 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 단계; 상기 디지털 신호의 이득을 조절하는 단계; 상기 이득이 조절된 수신 신호의 전력을 측정하는 단계; 및 상기 안테나 상의 소정 지점들로 입사되는 입사각 별 측정된 수신 전력의 차와 상기 소정 지점들 간의 안테나 이득 차들을 이용하여 상기 수신 신호의 방향을 탐지하는 단계를 포함하며,
    상기 수신 신호의 방향을 탐지하는 단계는, 상기 수신 신호의 전력이 측정되면, 측정된 수신 전력의 입사각을 측정하는 단계; 측정한 상기 입사각에 따른 상기 안테나의 이득을 계산하여 저장하는 단계; 상기 입사각 별 수신 전력의 차와 상기 안테나 이득 차의 오차를 계산하는 단계; 상기 입사각 별 수신 전력의 차와 상기 안테나 이득 차의 오차를 각각 계산하고, 계산된 상기 오차들 중 최소 오차에 해당하는 입사각을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 방위각으로 상기 안테나 방향을 위치시키도록 제어하는 구동 제어 신호를 발생하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 구동 제어 신호에 따라 상기 안테나의 지향 방향을 조절하는 단계;를 더 포함함을 특징으로 하는 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 이득이 조절된 수신 신호의 전력을 측정하는 단계는,
    상기 수신 신호를 상기 안테나 상의 소정 지점들(a, b, c)에서 수신된 수신 신호(Received Signal)인 Ra, Rb, Rc와, 진폭 변이(Amplitude Variance)인 K, 안테나 이득(Antenna Gain w, r, t Φ)(Intensity)인 A(Φ), 각주파수(Radian Frequency)인 w, 위상(Phase)인 α, 잡음(noise)인 n을 이용하여 표현하고,
    상기 수신 신호를 표현한 식에서 상기 잡음을 독립적이고 동일한 분포를 가진 부가 백색 가우시안 잡음(AWGN(Additive White Gaussian Noise) i.i.d(Independent, Identically Distributed)이라고 가정하여 수신 신호 전력을 계산하는 것을 특징으로 하는 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 결정된 입사각에 해당하는 방위각을 결정하는 단계는,
    상기 안테나 상의 소정 지점들(a, b, c)에서 각각의 안테나 이득(Antenna Gain w, r, t Φ)(Intensity)인 A(Φ)을 구하여 제곱한 값 사이의 차를 이용하여 상기 수신 신호 전력의 차를 계산함을 특징으로 하는 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 결정된 입사각에 해당하는 방위각을 결정하는 단계는,
    상기 입사각 별 수신 전력의 차와 상기 안테나 이득 차의 오차를 입사각의 각도별로 반복하여 계산하여 구한 안테나 이득 패턴 행렬의 차의 역행렬을 이용하여 계산한 후,
    상기 오차 중 최소 오차에 해당하는 입사각을 결정하고, 상기 결정된 입사각에 해당하는 방위각을 결정하는 것을 특징으로 하는 핸드 헬드 장치에서의 신호 방향 탐지 방법.
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