KR102060029B1 - 빔형성 엔진 - Google Patents

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KR102060029B1
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다니엘 톰슨
해리 마
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레이데온 컴퍼니
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Abstract

본 발명은 실시간 지연을 이용하는 빔 형성을 위한 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은, 직렬 데이터 스트림을 수신하고, 직렬 데이터 스트림을 복수의 병렬 데이터 스트림으로 변환하도록 구성된 직병렬 변환기(deserializer); 병렬 데이터 스트림 각각에 제로를 삽입하도록 구성된 제로 삽입 블록(zero-insertion block); 및 복수의 입력 및 이와 동일한 수의 출력을 가진 크로스바 스위치를 포함한다. 복수의 입력은 제로 삽입 블록에 연결되고, 출력 각각은 복수의 입력 중 하나에 대응한다. 크로스바 스위치는, 제1 상태에서 각각의 출력을 대응하는 입력에 연결하고, 제2 상태에서 각각의 출력을 대응하는 입력과는 다른 입력에 연결하도록 구성되며, 출력의 세트는 입력의 세트의 순환 시프트이다.

Description

빔형성 엔진
본 발명에 따른 실시예의 하나 이상의 양태는 빔 형성에 관한 것으로, 더 상세하게는 계산 효율적인 방식으로 실시간 지연을 제공하는 시스템에 관한 것이다.
빔 형성 시스템은, 상용 애플리케이션을 구비한 통신 시스템을 포함하여 고충실도 레이더 시스템(high-fidelity radar system), 전자전 시스템(electronic warfare system), 및 통신 시스템 내의 다소자 어레이(many-element array)와 함께 사용될 수 있다. 이러한 빔 형성 시스템에서는, 각각의 소자에 있는 위상 천이기가 빔(beam)과 널(null)을 조향하는 데 사용될 수 있다. "빔 스퀸트(beam squint)"로 인해, 위상 천이기(협대역 근사화에서 시간 지연 효과와 동등한 효과를 가질 수 있음)가 광대역 애플리케이션에 적합하지 않을 수 있다. 높은 순시 대역폭을 가진 시스템에는 위상 천이기 대신 실시간 지연 시스템이 사용될 수 있다. FIR(finite impulse response) 필터 및 콘볼루션 연산을 수행하기 위한 회로(디지털 신호 프로세서(DSP)와 같은 중요한 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field programmable gate array, FPGA) 자원을 필요로 할 수 있는 회로)를 포함하는 복잡한 디지털 회로를 사용하는 디지털 접근법에서는 실시간 지연이 구현될 수 있다. 이러한 복잡한 디지털 회로는 경우에 따라 단일 프로세서 에 적합하지 않을 수 있다.
따라서, 계산 효율적인 방식으로 실시간 지연을 제공하는 시스템이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 빔형성을 위한 시스템이 제공된다. 상기 빔형성을 위한 시스템은, 직렬 데이터 스트림을 수신하고, 상기 직렬 데이터 스트림을 복수의 병렬 데이터 스트림으로 변환하도록 구성된 직병렬 변환기(deserializer); 상기 병렬 데이터 스트림 각각에 제로를 삽입하도록 구성된 제로 삽입 블록(zero-insertion block); 및 복수의 입력 및 이와 동일한 수의 출력을 가진 크로스바 스위치를 포함한다. 여기서, 상기 복수의 입력은 상기 제로 삽입 블록에 연결되고, 상기 출력 각각은 상기 복수의 입력 중 하나에 대응한다. 상기 크로스바 스위치는, 제1 상태에서 각각의 출력을 대응하는 입력에 연결하고, 제2 상태에서 각각의 출력을 대응하는 입력과는 다른 각각의 대체 입력(alternate input)에 연결하도록 구성된다. 여기서, 대체 입력의 세트는 순환 시프트(circular shift)에 의해 대응하는 입력의 세트와 관련되는 것이다.
일 실시예에서, 상기 크로스바 스위치는 p개의 멀티플렉서를 포함하고, p는 상기 크로스바 스위치의 입력의 개수와 출력의 개수이며, 각각의 멀티플렉서는 상기 크로스바 스위치의 각각의 입력에 연결된 p개의 입력; 및 1개의 출력을 가지고 있고, 각각의 멀티플렉서의 출력은 상기 크로스바 스위치의 각각의 출력에 연결된다.
일 실시예에서, 상기 멀티플렉서는 p개의 상태로 동작하도록 구성되고, 상기 p개의 상태 중 k번째 상태에서는 각각의 멀티플렉서의 k번째 입력이 선택된다.
일 실시예에서, 상기 시스템은 시스템 클록을 포함한다. 상기 제2 상태에서, 상기 크로스바 스위치는 지연 블록을 통해 상기 크로스바 스위치의 출력을 상기 크로스바 스위치의 입력에 연결하도록 구성되고, 상기 지연 블록은 상기 시스템 클록의 1 사이클만큼 신호를 지연시키도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 시스템은 상기 병렬 데이터 스트림 각각을 주 지연(major delay)만큼 지연시키도록 구성된 주 지연 블록을 더 포함하고, 상기 주 지연은 상기 시스템 클록의 1 사이클의 증분 단위로 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 주 지연 블록은 선입선출(first-in-first-out) 데이터 구조를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제로 삽입 블록은 복수의 멀티플렉서를 포함하고, 상기 복수의 멀티플렉서 각각은 2개의 입력과 1개의 출력을 가지고 있으며, 각각의 멀티플렉서의 제1 입력이 상기 복수의 병렬 데이터 스트림 각각에 연결되고, 각각의 멀티플렉서의 제2 입력이 일정한 제로 값에 연결된다.
일 실시예에서, 상기 시스템은 입력과 출력을 가진 다상 디지털 다운컨버터(polyphase digital downconverter)를 더 포함한다. 상기 다상 디지털 다운컨버터는, 입력에서 입력 신호를 수신하고, 출력에서 상기 입력 신호의 주파수 시프트된 신호를 생성하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 다상 디지털 다운컨버터는 제1 위상을 가진 신호를 생성하도록 구성된 제1 디지털 국부 발진기; 및 상기 제1 위상과 약 90도 다른 제2 위상을 가진 신호를 생성하도록 구성된 제2 디지털 국부 발진기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 다상 디지털 다운컨버터는, 상기 입력 신호에 상기 제1 위상을 가진 신호를 곱하여 동상 신호(in phase signal)를 형성하도록 구성된 제1 멀티플라이어; 상기 동상 신호를 필터링하도록 구성된 제1 저역 통과 필터; 상기 입력 신호에 상기 제2 위상을 가진 신호를 곱하여 직교 신호를 형성하도록 구성된 제2 멀티플라이어; 및 상기 직교 신호를 필터링하도록 구성된 제2 저역 통과 필터를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수신기가 제공된다. 상기 수신기는, 복수의 안테나 엘리먼트를 포함하는 어레이 안테나; 복수의 아날로그-디지털 컨버터 - 상기 복수의 아날로그-디지털 컨버터 각각은 상기 복수의 안테나 엘리먼트 각각에 연결됨 -; 상기 복수의 아날로그-디지털 컨버터 중 하나로부터 직렬 데이터 스트림을 수신하고, 상기 직렬 데이터 스트림을 복수의 병렬 데이터 스트림으로 변환하도록 구성된 직병렬 변환부(deserializer); 상기 병렬 데이터 스트림 각각에 제로를 삽입하도록 구성된 제로 삽입 블록(zero-insertion block); 및 복수의 입력 및 이와 동일한 수의 출력을 가진 크로스바 스위치를 포함한다. 여기서, 상기 복수의 입력은 상기 제로 삽입 블록에 연결되고, 상기 출력 각각은 상기 복수의 입력 중 하나에 대응한다. 상기 크로스바 스위치는, 제1 상태에서 각각의 출력을 대응하는 입력에 연결하고, 제2 상태에서 각각의 출력을 대응하는 입력과는 다른 각각의 대체 입력(alternate input)에 연결하도록 구성된다. 여기서, 대체 입력의 세트는 순환 시프트(circular shift)에 의해 대응하는 입력의 세트와 관련되는 것이다.
일 실시예에서, 상기 크로스바 스위치는 p개의 멀티플렉서를 포함하고, p는 상기 크로스바 스위치의 입력의 개수와 출력의 개수이며, 각각의 멀티플렉서는 상기 크로스바 스위치의 각각의 입력에 연결된 p개의 입력 및 1개의 출력을 가지고 있고, 각각의 멀티플렉서의 출력은 상기 크로스바 스위치의 각각의 출력에 연결된다.
일 실시예에서, 상기 멀티플렉서는 p개의 상태로 동작하도록 구성되고, 상기 p개의 상태 중 k번째 상태에서는 각각의 멀티플렉서의 k번째 입력이 선택된다.
일 실시예에서, 상기 시스템은 시스템 클록을 포함한다. 상기 제2 상태에서, 상기 크로스바 스위치는 지연 블록을 통해 상기 크로스바 스위치의 출력을 상기 크로스바 스위치의 입력에 연결하도록 구성된다. 여기서, 상기 지연 블록은 상기 시스템 클록의 1 사이클만큼 신호를 지연시키도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 시스템은 상기 병렬 데이터 스트림 각각을 주 지연(major delay)만큼 지연시키도록 구성된 주 지연 블록을 더 포함하고, 상기 주 지연은 상기 시스템 클록의 1 사이클의 증분 단위로 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제로 삽입 블록은 복수의 멀티플렉서를 포함하고, 상기 복수의 멀티플렉서 각각은 2개의 입력과 1개의 출력을 가지고 있으며, 각각의 멀티플렉서의 제1 입력이 상기 복수의 병렬 데이터 스트림 각각에 연결되고, 각각의 멀티플렉서의 제2 입력이 일정한 제로 값에 연결된다.
일 실시예에서, 상기 시스템은 입력과 출력을 가진 다상 디지털 다운컨버터(polyphase digital downconverter)를 포함한다. 상기 다상 디지털 다운컨버터는, 입력에서 입력 신호를 수신하고, 출력에서 상기 입력 신호의 주파수 시프트된 신호를 생성하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 다상 디지털 다운컨버터는 제1 위상을 가진 신호를 생성하도록 구성된 제1 디지털 국부 발진기; 및 상기 제1 위상과 약 90도 다른 제2 위상을 가진 신호를 생성하도록 구성된 제2 디지털 국부 발진기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 다상 디지털 다운컨버터는, 상기 입력 신호에 상기 제1 위상을 가진 신호를 곱하여 동상 신호(in phase signal)를 형성하도록 구성된 제1 멀티플라이어; 상기 동상 신호를 필터링하도록 구성된 제1 저역 통과 필터; 상기 입력 신호에 상기 제2 위상을 가진 신호를 곱하여 직교 신호를 형성하도록 구성된 제2 멀티플라이어; 및 상기 직교 신호를 필터링하도록 구성된 제2 저역 통과 필터를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 시스템은 상기 크로스바 스위치를 포함하는 복수의 크로스바 스위치; 및 상기 크로스바 스위치의 출력의 다상 합을 상기 다상 디지털 다운컨버터의 입력에 제공하도록 구성된 합산 회로를 포함한다. 여기서, 상기 다상 디지털 다운컨버터의 출력에서의 상기 신호는 제1 방향으로 뻗도록 형성된 빔에 대응한다.
첨부 도면과 함께 특징, 양태, 및 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 형성기의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연과 빔 방향 간의 관계를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오버샘플링된 실시간 지연의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 형성기의 블록도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 다운컨버터의 블록도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 디지털 다운컨버터와 다상 결합기의 블록도이다.
이하, 첨부 도면과 관련되어 제시된 상세한 설명은 본 발명에 따라 제공되는 빔형성 엔진의 실시예를 설명하기 위한 것으로, 본 발명이 구성되거나 또는 활용될 수 있는 유일한 형태를 나타내기 위한 것이 아니다. 이 설명은 도시된 실시예와 관련하여 본 발명의 특징을 제시한다. 하지만, 동일하거나 또는 동등한 기능과 구조가 본 발명의 사상과 범위 내에 포함되고자 하는 다른 실시예에 의해 달성될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서의 다른 곳에 나타낸 바와 같이, 동일한 엘리먼트 번호는 동일한 엘리먼트 또는 특징을 나타내기 위한 것이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 빔 형성기는 무선 주파수(radio frequency, RF) 프론트 엔드(110), 아날로그-디지털 컨버터(120)의 뱅크, 오버샘플링된 실시간 지연(oversampled true time delay, OSTTD) 회로(130)의 뱅크, 합산 회로(140), 및 다상 디지털 다운컨버터(polyphase digital downconverter)(또는 "다상 데시메이션 필터(polyphased decimation filter)")(150)를 포함한다. RF 프론트 엔드(110)는 어레이 안테나의 일부인 복수의 안테나 엘리먼트(155)에 연결될 수 있다. RF 프론트 엔드(110)는, 예를 들어 복수의 저잡음 증폭기를 포함할 수 있고, 저잡음 증폭기 각각은 어레이 안테나의 각각의 안테나 엘리먼트(155)에 연결된다. RF 프론트 엔드(110)는 복수의 출력(예를 들어, 각각의 출력이 각각의 저잡음 증폭기의 출력임)을 가지고 있을 수 있으며, RF 프론트 엔드의 출력 각각은 각각의 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(120)에 연결될 수 있다. 각각의 ADC(120)의 출력은 복수의 빔 형성기(160) 각각에 공급될 수 있고, 빔 형성기(160) 각각은 수신 빔(receive beam)을 생성할 수 있으며, 즉 출력이 각각의 수신 빔으로 수신되는 신호의 중간 주파수(IF) 또는 베이스밴드 표현을 포함하고 있고, 이 수신 빔은 안테나 엘리먼트(155)로부터의 신호의 선형 조합을 형성하여 합성되는 안테나 패턴이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 무선 주파수 및 RF는 자유 공간에서 전파하는 전자기파의 주파수 대역을 지칭하며, 그 자체로서 예를 들어, 1 MHz에서 마이크로파 주파수와 밀리미터파 주파수까지 확장된 주파수 범위를 포함하고 있을 수 있다.
각각의 빔 형성기(160)는 복수의 시간 지연 회로 또는 OSTTD 회로(130)를 포함할 수 있고, 이들 회로 각각은 각각의 ADC에 연결되며, 안테나 엘리먼트(155) 중 하나로부터의 신호에 시간 지연을 적용하는 역할을 한다. 시간 지연 회로의 출력은 합산 회로에 연결될 수 있으며, 합산 회로의 출력은 다상 디지털 다운컨버터(150)에 연결될 수 있다.
도 2를 참조하면, 각각의 지연 회로에 의해 적용되는 시간 지연이 다음의 시간 지연 수식에 따라 결정될 수 있다.
X = d sin(Τ), 및
시간 지연 = X/c = d/c sin(Τ)
여기서, Τ는 빔 포인팅 방향이고, d는 인접한 안테나 엘리먼트(155)들 간의 이격이며, c는 광속이고, 시간 지연은 인접한 안테나 소자들(155)에 적용되는 시간 지연 간의 차이다.
관련 기술의 빔 형성기는 FIR(finite impulse response) 필터("보간 FIR 필터"라고 함)를 이용하여 보간하여 시간 지연을 제공할 수 있다. 이 필터는 실시간 지연 또는 근사 실시간 지연을 제공할 수 있으나 곱셈이 수행되는 것이 필요하므로 계산 비용이 많이 들 수 있다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에서, 빔 형성기는 곱셈을 이용하지 않고 데이터 스트림의 개략적이고 미세한 지연을 제공한다. 직병렬 변환부(310)가 직렬 데이터 스트림을 수신하고, 수신된 직렬 데이터 스트림을 복수의 병렬 데이터 스트림, 예를 들어 p개의 병렬 데이터 스트림으로 재배열한다. 여기서, p는 1보다 큰 양의 정수이다. 직렬 데이터 스트림은 고속 ADC의 샘플로 구성되어 있을 수 있고, 직렬 변환기의 출력은 예를 들어 "다상"라고도 할 수 있는 4개의 병렬 데이터 경로 상에서 전송되는 동일한 샘플을 포함할 수 있으며, 각각의 데이터 경로는 직병렬 변환부의 입력보다 낮은 레이트로 데이터를 싣고 있다. 신호를 "다상화(polyphasing)"한다고 할 수 있는 이러한 접근법은, 처리 회로(예를 들어, FPGA)가 ADC의 샘플링 레이트보다 낮은 클록 레이트로 동작하면서 ADC의 샘플링 레이트와 동일한 샘플링 레이트(또는 더 높은 샘플링 레이트)로 데이터를 처리할 수 있게 한다. 그 다음에, 병렬 데이터 경로 각각에서, 각각의 업샘플링 회로(320)의 출력에서의 데이터 레이트가 그 입력에서의 데이터 레이트보다 높을 수 있도록, 업샘플링 회로(320)가 제로를 삽입할 수 있다. 각 업샘플링 회로(320) 출력은 주 지연(major delay)(또는 "개략적 지연(coarse delay)") 회로(330)에 연결될 수 있다. 주 지연 회로(330)는 가변 지연을 구현하는 선입선출(first-in-first-out, FIFO) 데이터 구조로 구성될 수 있다. 예를 들어, FIFO는 FIFO의 입력를 가리키는 제1 포인터와 FIFO의 출력을 가리키는 제2 포인터를 가진 메모리로서 구현될 수 있다. FIFO가 기입될 때마다 제1 포인터는 전진될 수 있고, FIFO가 판독될 때마다 제2 포인터는 전진될 수 있으며, 각각의 포인터는 메모리의 상단에 도달한 후 메모리의 하단으로 되돌아간다. 포인터들 간의 분리가 지연을 나타낼 수 있으며, 1개의 데이터 워드의 크기보다 크거나 작은 양만큼 판독 또는 기록 이후에 포인터 중 하나를 전진시켜서 조절할 수 있다.
p개의 주 지연 회로의 p개의 출력은 크로스바 스위치(340)의 각각의 p개 입력에 연결될 수 있고, 크로스바 스위치(340)도 p개의 출력을 가지고 있으며 또한 미세한 지연 제어를 제공하기 위해 사용된다. 제1 상태에서, 크로스바 스위치는 패스-스루(pass-through) 역할을 한다. 이 상태에서, 각각의 입력은 대응하는 출력에 연결된다. 즉, 제1 입력이 제1 출력에 연결되고, 제2 입력이 제2 출력에 연결되며, 나머도 이와 유사하다. 크로스바 스위치의 출력은 OSTTD 회로의 출력이다. 예를 들어, 제1 멀티플렉서가 자체의 제1 입력을 선택하도록 설정되면, 나머지 멀티플렉서도 그들 각각의 제1 입력을 선택하도록 각각 설정될 수 있도록, 크로스바 스위치가 공통 제어 신호를 가진 p개의 p-방향(p-way) 멀티플렉서(예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 4개의 4-방향 멀티플렉서(350))를 이용하여 구현될 수 있다.
각각의 OSTTD 회로의 각각의 출력은 M-1개의 다른 OSTTD 회로의 M-1개의 대응하는 출력으로 합산 회로(140)(도 1)에서 합산될 수 있다. 여기서, M은 빔 형성기를 제공하는 ADC(120)의 개수이다. M개의 OSTTD 회로 각각은 자체 처리하는 신호에 서로 다른 지연을 적용할 수 있으며, 적용된 M개의 지연의 세트는 도 2에 관해 설명한 바와 같이 빔 방향을 결정할 수 있다. 다음, 합산 회로의 출력이 합산 신호를 나타내는 p개의 병렬 데이터 경로도 포함할 수 있다. 빔에 대응하는 IF 또는 베이스밴드 신호를 형성하기 위해, 이 합산 신호가 다상 디지털 다운컨버터(150)에 의해 처리될 수 있다.
회로 내의 다양한 지점의 p개의 병렬 데이터 경로는 T/p에 의해 분리된 시점에 대응하는 p개의 샘플을 아무때나 포함하고 있을 수 있다. 여기서, T는 p개의 병렬 데이터 경로 중 어느 하나의 경로 내의 연속적인 샘플 사이의 시간이다. 즉, T는 회로 또는 FPGA 내부에서 분산된 시스템 클록의 주기일 수 있다. 따라서, 크로스바 스위치는 제1 입력을 제2 출력에 연결하고, 제2 입력을 제3 출력에 연결하는 등의 방식으로, 1 사이클 지연(360)(즉, 1개의 클록 사이클의 지연, 또는 T의 지연)을 통해 제1 출력으로 연결될 수 있는 마지막 입력까지 T/p의 미세한 지연을 적용할 수 있다. 1 이상의 오프셋을 가진 순환 시프트(circular shift)인 다른 순열로 입력을 출력에 연결함으로써 미세한 지연의 추가적인 증분이 적용될 수 있다. 이 오프셋이 1보다 큰 경우, 1개의 사이클 지연이 더해지는 경로의 개수가 순환 시프트의 오프셋과 동일하다.
다시 말해, 먼저 신호가 p개의 병렬 경로로 역직렬화됨으로써, 시스템 클록 레이트가 X Hz이면, 이제는 신호의 총 샘플링 레이트가 pX Hz이다. 신호의 지연을 제어하기 위해, 제어 워드가 적용되어 신호에 적용될 일부 또는 전체 시스템 클록 사이클 지연의 개수를 나타낸다. 이 비트들 중에서, log2(p) LSB 비트가 1/p개의 클록 사이클 지연을 나타내고, 이 클록 사이클 지연은 p개의 다상 신호의 서로 다른 배열을 선택하는 멀티플렉서에 의해 구현된다. 이러한 지연은 X Hz 시스템 클록의 주기의 1/p을 나타낸다. 예를 들어, 1/pX의 최소 지연이 달성 가능하다. 주 지연 값의 MSB 비트가 전체 클록 지연, 또는 1/X을 나타낸다. M개의 MSB 비트는 0 내지 2M-1개의 클록 지연이 있을 수 있음을 나타낸다. 전체 시스템 클록 사이클 지연을 구현하도록 나중에 어떤 개수의 클록 사이클 동안 기입되거나 또는 판독되는 판독될 듀얼 포트 블록 램으로 주 지연이 구현될 수 있고, 그 다음에 멀티플렉서 네트워크가 부분적인 시스템 클록 사이클 지연을 구현한다.
도 3에서 4개의 4-방향 멀티플렉서(350)에 공급하는 네트워크(p=4인 실시예를 나타냄)가 입력에서 출력까지 선택가능한 순환 시프트를 제공한다. 멀티플렉서는 4개의 상태 중 하나로 함께 동작하도록 제어될 수 있다. 제1 상태에서 각각의 멀티플렉서의 제1 입력이 선택되고; 제2 상태에서 각각의 멀티플렉서의 제2 입력이 선택되며; 제3 상태에서 각각의 멀티플렉서의 제3 입력이 선택되고; 제4 상태에서 각각의 멀티플렉서의 제4 입력이 선택된다. 제1 상태에서, 4개의 멀티플렉서 각각이 제1 입력을 선택하도록 설정되는 경우, 크로스바 스위치(340)가 패스-스루 역할을 하는데, 제1 멀티플렉서(350)의 제1 입력이 크로스바 스위치(340)의 제1 입력에 연결되고, 제2 멀티플렉서(350)의 제1 입력이 크로스바 스위치(340)의 제2 입력에 연결되며, 제3 멀티플렉서(350)의 제1 입력이 크로스바 스위치(340)의 제3 입력에 연결되고, 제4 멀티플렉서(350)의 제1 입력이 크로스바 스위치(340)의 제4 입력에 연결되기 때문이다.
제2 상태에서, 4개의 멀티플렉서 각각이 제2 입력을 선택하도록 설정되는 경우, 크로스바 스위치(340)가 1의 오프셋을 가진 순환 시프트를 제공하는데, 제1 멀티플렉서(350)의 제2 입력이 크로스바 스위치(340)의 제4 입력에 연결되고, 제2 멀티플렉서(350)의 제2 입력이 크로스바 스위치(340)의 제1 입력에 연결되며, 제3 멀티플렉서(350)의 제2 입력이 크로스바 스위치(340)의 제2 입력에 연결되고, 제4 멀티플렉서(350)의 제2 입력이 크로스바 스위치(340)의 제3 입력에 연결되기 때문이다. 유사하게, 제3 상태에서, 크로스바 스위치(340)가 2의 오프셋을 가진 순환 시프트를 제공하고, 제4 상태에서, 크로스바 스위치(340)가 3의 오프셋을 가진 순환 시프트를 제공한다.
도 3에 따른 일 실시예의 동작을 설명하기 위해 구체적인 예가 사용될 수 있고; 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 본 실시예에 제한되지 않는다. ADC는 각각 초당 1 기가샘플(1 GS/s)의 샘플링 레이트로 동작할 수 있고, 빔 형성기(160)는 직병렬 변환부(310)(ADC로부터 수신된 데이터를 판독하기 위해 1 GHz로 동작할 수 있음)를 제외한, 500 MHz의 클록 레이트로 동작하는 FPGA에 구현되어 있을 수 있다. 직병렬 변환부(310)는 4개의 병렬 데이터 스트림을 생성할 수 있고, 각각의 병렬 데이터 스트림은 초당 250 메가샘플(250 MS/s)의 레이트로 동작한다. 각각의 업샘플링 회로(320)는 각각의 샘플 뒤에 제로를 삽입할 수 있고, 교번하는 샘플과 제로의 스트림을 500 MS/s의 총 데이터 레이트로 출력한다. 일련의 샘플이 S1, S2, 및 S3 등이라고도 할 수 있도록, ADC 샘플에 1로 시작하는 번호가 매겨지고, 그 다음에 제1 업샘플링 회로(320)의 출력이 S1, 0, S5, 0, 및 S9 등일 수 있으며, 제2 업샘플링 회로(320)의 출력이 S2, 0, S6, 0, 및 S10 등일 수 있다. FPGA의 클록 주파수가 500 MHz이므로 주 지연(T)이 2 나노초(ns)일 수 있고, 4개의 병렬 데이터 경로가 있으므로 미세한 또는 "작은(minor)" 지연 증분이 0.5 ns일 수 있다.
일 실시예에서, 직병렬 변환부(310)는 1 GHz에서 동작하고 또한 예를 들어 JESD204B 표준을 따르는 수신기로서 동작할 수 있는 FPGA 칩 상의 전용 회로이다. 직병렬 변환부(310)는 고정 배선(hard-wired)되어 있을 수 있고(즉, 넌프로그래머블 로직(non-programmable logic)으로 구성될 수 있고), 그에 따라 FPGA의 다른 부분보다 높은 클록 레이트로 동작할 수 있다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에서, 업샘플링 회로(320)의 기능과 주 지연 회로(330)의 기능이 도시된 바와 같이 업샘플링 및 지연 회로(410)에 결합되어 있을 수 있다. 도 3의 실시예에서와 같이, 각각의 ADC로부터의 데이터 스트림이 직병렬 변환부(310)(도 4에는 도시하지 않음)에 의해 p개의 병렬 데이터 스트림으로 역직렬화(deserialize)되고, p개의 병렬 데이터 스트림 각각은 그 다음에 FIFO(420)에 공급된다(도 4에서 "FIFO"로 표기된 블록 각각은 병렬로 배열된 p개의 FIFO 구조를 포함한다). 각각의 FIFO의 출력에서의 각각의 병렬 데이터 경로가 각각의 양방향 멀티플렉서의 제1 입력에 공급되고, 각각의 양방향 멀티플렉서의 제2 입력이 상수 0에 연결된다. 도 4의 각각의 멀티플렉서 블록(430)은 탄뎀으로 제어되는 p개의 병렬 멀티플렉서의 뱅크를 나타낸다. 상태 머신(440)은, 업샘플링(즉, 제로 삽입)과 주 지연 모두를 수행하기 위해 FIFO와 멀티플렉서 모두를 제어한다. 예를 들어, 주 지연이 적용되지 않은 경우, FPGA의 제3 클록 사이클에서 시작하는 제1 멀티플렉서의 출력이 S5, 0, S9, 및 0 등이면, 1개의 클록 사이클의 주 지연(예를 들어, 500 MHz의 FPGA 클록 주파수용 2 ns)을 생성하기 위해, 제1 멀티플렉서의 출력이 0, S5, 0, 및 S9 등일 수 있도록, 상태 머신이 제1 FIFO와 제1 멀티플렉서를 제어할 수 있다. 예를 들어, 회로의 나머지가 도 3에서와 같을 수 있으며, 업샘플링 및 지연 회로(410)의 출력이 크로스바 스위치(340)(도 4에는 도시하지 않음), 합산 회로(140), 및 다상 디지털 다운컨버터(150)에 송신될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 일 실시예에서, 각각의 다상 디지털 다운컨버터(150)는 p개의 디지털 다운컨버터 회로(510)를 포함할 수 있고, 디지털 다운컨버터 회로(510) 각각은 각각 φk 및 φk + 90°의 위상 오프셋을 가진 2개의 국부 발진기(520)(예를 들어, 정현파 발생기)를 포함할 수 있다. 여기서, k는 병렬 데이터 스트림의 인덱스이고, 1과 p 사이의 값을 가지며, φk는 k-1에 비례할 수 있다. 각각의 국부 발진기는 멀티플라이어(530)의 1개의 입력을 공급하고, 멀티플라이어(530)의 다른 입력은 OSTTD 회로(130)에 의해 생성되는, 지연되고 업샘플링된 RF 신호이다. 각각의 멀티플라이어의 출력은 저역통과 필터(540)에 의해 필터링된다. 도 5a의 실시예에서, 각각의 디지털 다운컨버터 회로(510)의 출력은 동위상 성분과 직교 성분을 포함하는 베이스밴드 신호일 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 출력은 단일 IF 신호일 수 있다.
전술한 바와 같이, 각각의 동위상 국부 발진기는 연관된 병렬 데이터 경로에 대응하는 위상, 예를 들어 2개의 인접한 데이터 경로에 대한 동위상 국부 발진기의 위상이 360/p° 다른 위상을 가지고 있을 수 있다. 각각의 국부 발진기는 예를 들어, 룩업 테이블로서 구현될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 일 실시예에서, 다상 디지털 다운컨버터(150)는 p(예를 들어, 4)개의 디지털 다운컨버터 회로(510)와 다상 결합기(550)를 포함할 수 있다. 다상 결합기는, 4개의 다상 데이터 스트림을 빔에 대응하는 출력인 하나의 데이터 스트림으로 병합하기 위한 보간 필터와 합산 회로를 포함할 수 있다.
엘리먼트 또는 층이 다른 엘리먼트에 "연결"되거나, 또는 "결합"되어 있다고 할 때, 이는 다른 엘리먼트에 직접 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 하나 이상의 엘리먼트를 사이에 두고 연결된 것을 포함한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이에 반하여, 엘리먼트가 다른 엘리먼트에 "직접 연결"되거나 또는 "직접 결합"되어 있다고 할 때, 그 중간에는 어떠한 엘리먼트도 존재하지 않는다. 빔 성형 엔진의 제한된 실시예에 대해 본 명세서에 구체적으로 설명되고 예시되었지만, 다수의 변형과 변경이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 원리에 따라 사용되는 빔 형성 엔진은 본 명세서에서 구체적으로 기술된 것 이외의 다른 형태로 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 또한 다음의 특허 청구 범위 및 그 등가물에 정의되어 있다.

Claims (20)

  1. 빔 형성을 위한 시스템으로서,
    직렬 데이터 스트림을 수신하고, 상기 직렬 데이터 스트림을 복수의 병렬 데이터 스트림으로 변환하도록 구성된 직병렬 변환기(deserializer);
    상기 병렬 데이터 스트림 각각에 제로를 삽입하도록 구성된 제로 삽입 블록(zero-insertion block); 및
    복수의 입력 및 이와 동일한 수의 출력을 가진 크로스바 스위치 - 상기 복수의 입력은 상기 제로 삽입 블록에 연결되고, 상기 출력 각각은 상기 복수의 입력 중 하나에 대응함 -
    를 포함하고,
    상기 크로스바 스위치는,
    제1 상태에서 각각의 출력을 대응하는 입력에 연결하고,
    제2 상태에서 각각의 출력을 대응하는 입력과는 다른 각각의 대체 입력(alternate input)에 연결하도록 구성되고, 대체 입력의 세트는 순환 시프트(circular shift)에 의해 대응하는 입력의 세트와 관련되는 것인, 빔 형성을 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 크로스바 스위치는 p개의 멀티플렉서를 포함하고, p는 상기 크로스바 스위치의 입력의 개수와 출력의 개수이며,
    각각의 멀티플렉서는,
    상기 크로스바 스위치의 각각의 입력에 연결된 p개의 입력; 및
    1개의 출력을 가지고 있으며,
    각각의 멀티플렉서의 출력은 상기 크로스바 스위치의 각각의 출력에 연결된, 빔 형성을 위한 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 멀티플렉서는 p개의 상태로 동작하도록 구성되고, 상기 p개의 상태 중 k번째 상태에서는 각각의 멀티플렉서의 k번째 입력이 선택되는, 빔 형성을 위한 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 시스템 클록을 더 포함하고,
    상기 제2 상태에서, 상기 크로스바 스위치는 지연 블록을 통해 상기 크로스바 스위치의 출력을 상기 크로스바 스위치의 입력에 연결하도록 구성되고, 상기 지연 블록은 상기 시스템 클록의 1 사이클만큼 신호를 지연시키도록 구성된, 빔 형성을 위한 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 병렬 데이터 스트림 각각을 주 지연(major delay)만큼 지연시키도록 구성된 주 지연 블록을 더 포함하고,
    상기 주 지연은 상기 시스템 클록의 1 사이클의 증분 단위로 조절할 수 있는, 빔 형성을 위한 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 주 지연 블록은 선입선출(first-in-first-out) 데이터 구조를 포함하는, 빔 형성을 위한 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제로 삽입 블록은 복수의 멀티플렉서를 포함하고, 상기 복수의 멀티플렉서 각각은 2개의 입력과 1개의 출력을 가지고 있으며, 각각의 멀티플렉서의 제1 입력이 상기 복수의 병렬 데이터 스트림 각각에 연결되고, 각각의 멀티플렉서의 제2 입력이 일정한 제로 값에 연결되는, 빔 형성을 위한 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 입력과 출력을 가진 다상 디지털 다운컨버터(polyphase digital downconverter)를 더 포함하고,
    상기 다상 디지털 다운컨버터는,
    입력에서 입력 신호를 수신하고,
    출력에서 상기 입력 신호의 주파수 시프트된 신호를 생성하도록 구성된, 빔 형성을 위한 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다상 디지털 다운컨버터는,
    제1 위상을 가진 신호를 생성하도록 구성된 제1 디지털 국부 발진기; 및
    상기 제1 위상과 90도 다른 제2 위상을 가진 신호를 생성하도록 구성된 제2 디지털 국부 발진기
    를 포함하는, 빔 형성을 위한 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 다상 디지털 다운컨버터는,
    상기 입력 신호에 상기 제1 위상을 가진 신호를 곱하여 동상 신호(in phase signal)를 형성하도록 구성된 제1 멀티플라이어;
    상기 동상 신호를 필터링하도록 구성된 제1 저역 통과 필터;
    상기 입력 신호에 상기 제2 위상을 가진 신호를 곱하여 직교 신호를 형성하도록 구성된 제2 멀티플라이어; 및
    상기 직교 신호를 필터링하도록 구성된 제2 저역 통과 필터
    를 더 포함하는, 빔 형성을 위한 시스템.
  11. 수신기로서,
    복수의 안테나 엘리먼트를 포함하는 어레이 안테나;
    복수의 아날로그-디지털 컨버터 - 상기 복수의 아날로그-디지털 컨버터 각각은 상기 복수의 안테나 엘리먼트 각각에 연결됨 -;
    상기 복수의 아날로그-디지털 컨버터 중 하나로부터 직렬 데이터 스트림을 수신하고, 상기 직렬 데이터 스트림을 복수의 병렬 데이터 스트림으로 변환하도록 구성된 직병렬 변환부(deserializer);
    상기 병렬 데이터 스트림 각각에 제로를 삽입하도록 구성된 제로 삽입 블록(zero-insertion block); 및
    복수의 입력 및 이와 동일한 수의 출력을 가진 크로스바 스위치 - 상기 복수의 입력은 상기 제로 삽입 블록에 연결되고, 상기 출력 각각은 상기 복수의 입력 중 하나에 대응함 -
    를 포함하고,
    상기 크로스바 스위치는,
    제1 상태에서 각각의 출력을 대응하는 입력에 연결하고,
    제2 상태에서 각각의 출력을 대응하는 입력과는 다른 각각의 대체 입력(alternate input)에 연결하도록 구성되며, 대체 입력의 세트는 순환 시프트(circular shift)에 의해 대응하는 입력의 세트와 관련되는 것인, 수신기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 크로스바 스위치는 p개의 멀티플렉서를 포함하고, p는 상기 크로스바 스위치의 입력의 개수와 출력의 개수이며,
    각각의 멀티플렉서는,
    상기 크로스바 스위치의 각각의 입력에 연결된 p개의 입력, 및
    1개의 출력
    을 가지고 있으며,
    각각의 멀티플렉서의 출력은 상기 크로스바 스위치의 각각의 출력에 연결된, 수신기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 멀티플렉서는 p개의 상태로 동작하도록 구성되고, 상기 p개의 상태 중 k번째 상태에서는 각각의 멀티플렉서의 k번째 입력이 선택되는, 수신기.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 수신기는 시스템 클록을 더 포함하고,
    상기 제2 상태에서, 상기 크로스바 스위치는 지연 블록을 통해 상기 크로스바 스위치의 출력을 상기 크로스바 스위치의 입력에 연결하도록 구성되고, 상기 지연 블록은 상기 시스템 클록의 1 사이클만큼 신호를 지연시키도록 구성된, 수신기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 병렬 데이터 스트림 각각을 주 지연(major delay)만큼 지연시키도록 구성된 주 지연 블록을 더 포함하고,
    상기 주 지연은 상기 시스템 클록의 1 사이클의 증분 단위로 조절할 수 있는, 수신기.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제로 삽입 블록은 복수의 멀티플렉서를 포함하고, 상기 복수의 멀티플렉서 각각은 2개의 입력과 1개의 출력을 가지고 있으며, 각각의 멀티플렉서의 제1 입력이 상기 복수의 병렬 데이터 스트림 각각에 연결되고, 각각의 멀티플렉서의 제2 입력이 일정한 제로 값에 연결되는, 수신기.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 수신기는 입력과 출력을 가진 다상 디지털 다운컨버터(polyphase digital downconverter)를 더 포함하고,
    상기 다상 디지털 다운컨버터는,
    입력에서 입력 신호를 수신하고,
    출력에서 상기 입력 신호의 주파수 시프트된 신호를 생성하도록 구성된, 수신기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 다상 디지털 다운컨버터는,
    제1 위상을 가진 신호를 생성하도록 구성된 제1 디지털 국부 발진기; 및
    상기 제1 위상과 90도 다른 제2 위상을 가진 신호를 생성하도록 구성된 제2 디지털 국부 발진기
    를 포함하는, 수신기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 다상 디지털 다운컨버터는,
    상기 입력 신호에 상기 제1 위상을 가진 신호를 곱하여 동상 신호(in phase signal)를 형성하도록 구성된 제1 멀티플라이어;
    상기 동상 신호를 필터링하도록 구성된 제1 저역 통과 필터;
    상기 입력 신호에 상기 제2 위상을 가진 신호를 곱하여 직교 신호를 형성하도록 구성된 제2 멀티플라이어; 및
    상기 직교 신호를 필터링하도록 구성된 제2 저역 통과 필터
    를 더 포함하는, 수신기.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 수신기는,
    상기 크로스바 스위치를 포함하는 복수의 크로스바 스위치; 및
    상기 크로스바 스위치의 출력의 다상 합을 상기 다상 디지털 다운컨버터의 입력에 제공하도록 구성된 합산 회로
    를 포함하고,
    상기 다상 디지털 다운컨버터의 출력에서의 상기 신호는 제1 방향으로 뻗도록 형성된 빔에 대응하는, 수신기.
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