KR102468231B1 - 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치 및 방법 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 방법은, 양방향 결합기를 통과하여 안테나로 전송되는 신호인 순방향 경로 신호(b3)와 상기 안테나로부터 반사되어 상기 양방향 결합기로 전송되는 신호인 역방향 경로 신호(b4)를 획득하는 과정과, 상기 역방향 경로 신호 대 상기 순방향 경로 신호의 비율 값(b4/b3)을 근사 반사 계수로 확인하는 과정과, 부하 임피던스의 변화에 상응하는 근사 반사 계수들을 추정하여 획득된 룩업 테이블에서 상기 확인된 근사 반사 계수의 상기 비율 값(b4/b3)에 매핑된 안테나 임피던스 매칭 파라미터를 확인하는 과정과, 상기 임피던스 매칭 파라미터를 근거로 안테나 임피던스 매칭을 수행하는 과정을 포함한다.

Description

무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MATCHING ANTENNA IMPEDENCE IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 개시는 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 통신 시스템에서 안테나의 송신 효율은 안테나의 입력 임피던스(impedance)에 의해 영향을 받는다. 이에 따라, 일반적으로 송신기에서는 송신 안테나 포트에서의 반사 계수가 최소가 되도록 임피던스 매칭을 수행한다. 임피던스 매칭이란 안테나를 단말에 설치하는 과정이나 다양한 전파 환경 및 단말의 사용 환경에 따라 변화되는 부하 임피던스를 특성 임피던스(Characteristic impedance)로 매칭시켜 안테나로 최대 전력 전달 송신이 가능하도록 하는 동작을 의미한다.
종래의 고정 임피던스 매칭 회로는 신호원에서 제공된 모든 전력이 부하로 전달될 수 있도록 이들간의 접속 점에서 양쪽의 임피던스를 같게 하여 반사 손실이 없도록 특성 임피던스 값(예컨대, 50옴 또는 75옴)으로 미리 안테나 임피던스 매칭을 진행한다.
종래의 고정 임피던스 매칭 회로는 안테나 임피던스 매칭 네트워크의 구성이 비교적 간단하고, 안테나 임피던스 매칭 네트워크의 면적을 크게 차지하지 않도록 설계가 가능하다.
그러나, 종래의 고정 임피던스 매칭 회로는 임피던스 매칭 범위가 제한적이고, 특히 부하 임피던스가 다양하게 변경될 경우, 안테나 임피던스 매칭이 쉽지 않다. 제조사(Vender)에 의해 해당 S-파라미터(Scattering-matrix)가 제공되기도 하나 실제 회로에서 단말마다 추출하기가 힘들기 때문에 단말 마다 서로 다른 통신 환경 변화에 대한 효율적인 임피던스 매칭 방안이 없다. 상기 S-파라미터는 RF 신호를 처리하는 회로의 각 포트에서 바라본 입력 전압에 대한 출력 전압의 비를 의미하며, 상기 S-파라미터를 통해 RF 회로에서 반사 손실을 최소화하는 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.
한편, 무선 통신 시스템에서 단말의 부하 임피던스가 변화하는 상황에서 전파의 송수신 감도가 급격하게 저하되는 데스 그립(Death Grip) 현상이 있다. 여기서, 데스 그립은 사용자의 손이 도전성 프레임과 접촉하거나 안테나가 내장된 부분을 감쌀 때 발생하는 것으로, 신체와 도전성 프레임의 접촉과 손에 의해 안테나가 가려져 주파수 이동 및 손실이 커지게 되어 성능 저하가 발생하게 되는 현상을 말한다.
이러한 데스 그립 현상이 발생하지 않도록 함과 동시에 송수신 성능을 더욱 향상시킬 수 방안이 요구된다.
본 개시는 무선 통신 시스템에서 안테나의 송신 전력의 효율을 최대화할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.
또한 본 개시는 무선 통신 시스템에서 복잡한 연산 없이 안테나의 송신 전력을 최대화할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.
또한 본 개시는 무선 통신 시스템에서 단말의 부하 임피던스가 변화하는 상황에서 전파의 송수신 감도가 급격하게 저하되는 데스 그립 현상을 방지하는 방법 및 장치를 제공한다.
그밖에, 본 개시에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 방법은, 양방향 결합기를 통과하여 안테나로 전송되는 신호인 순방향 경로 신호(b3)와 상기 안테나로부터 반사되어 상기 양방향 결합기로 전송되는 신호인 역방향 경로 신호(b4)를 획득하는 과정과, 상기 역방향 경로 신호 대 상기 순방향 경로 신호의 비율 값(b4/b3)을 근사 반사 계수로 확인하는 과정과, 부하 임피던스의 변화에 상응하는 근사 반사 계수들을 추정하여 획득된 룩업 테이블에서 상기 확인된 근사 반사 계수의 상기 비율 값(b4/b3)에 매핑된 안테나 임피던스 매칭 파라미터를 확인하는 과정과, 상기 임피던스 매칭 파라미터를 근거로 안테나 임피던스 매칭을 수행하는 과정을 포함한다.
또한 본 개시의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치는, 안테나 임피던스 매칭부와, 양방향 결합기를 통과하여 안테나로 전송되는 신호인 순방향 경로 신호(b3)와 상기 안테나로부터 반사되어 상기 양방향 결합기로 전송되는 신호인 역방향 경로 신호(b4)를 획득하고, 상기 역방향 경로 신호 대 상기 순방향 경로 신호의 비율 값(b4/b3)을 근사 반사 계수로 확인하며, 부하 임피던스의 변화에 상응하는 근사 반사 계수들을 추정하여 획득된 룩업 테이블에서 상기 확인된 근사 반사 계수의 상기 비율 값(b4/b3)에 매핑된 안테나 임피던스 매칭 파라미터를 확인하고, 상기 임피던스 매칭 파라미터를 근거로 상기 안테나 임피던스 매칭부를 이용하여 안테나 임피던스 매칭을 수행하도록 구성된 제어부를 포함한다.
또한 본 개시의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치는, 안테나의 신호 경로에 연결된 양방향 결합기와, 상기 양방향 결합기를 통과하여 상기 안테나로 전송되는 신호인 순방향 경로 신호(b3)와 상기 안테나로부터 반사되어 상기 양방향 결합기로 전송되는 신호인 역방향 경로 신호(b4)를 획득하고, 상기 역방향 경로 신호 대 상기 순방향 경로 신호의 비율 값(b4/b3)을 근사 반사 계수로 확인하며, 부하 임피던스의 변화에 상응하는 근사 반사 계수들을 추정하여 획득된 룩업 테이블에서 상기 확인된 근사 반사 계수의 상기 비율 값(b4/b3)에 매핑된 안테나 임피던스 매칭 파라미터를 확인하고, 상기 임피던스 매칭 파라미터를 근거로 안테나 임피던스 매칭을 수행하도록 구성된 제어부를 포함한다.
또한 본 개시의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치는, 안테나의 신호 경로에 연결된 양방향 결합기의 입력 신호와 출력 신호를 근거로 근사 반사 계수를 결정하고, 부하 임피던스의 변화에 상응하는 근사 반사 계수들을 추정하여 획득된 룩업 테이블에서 상기 결정된 근사 반사 계수에 매핑된 안테나 임피던스 매칭 파라미터를 결정하도록 구성된 제어부와, 상기 임피던스 매칭 파라미터를 근거로 안테나 임피던스 매칭을 수행하도록 구성된 안테나 임피던스 매칭부를 포함하며, 상기 입력 신호와 상기 출력 신호는 상기 양방향 결합기의 순방향 경로와 역방향 경로의 양자에서 전파되며, 상기 제어부는 상기 양방향 결합기의 상기 순방향 경로와 상기 역방향 경로에서 IIR(infinite impulse response) 필터링을 적용하도록 구성된다.
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본 개시에 따르면, 무선 통신 시스템에서 안테나의 송신 전력의 효율을 최대화할 수 있다.
또한 본 개시에 따르면, 무선 통신 시스템에서 복잡한 연산 없이 안테나의 송신 전력을 최대화할 수 있다.
또한, 본 개시에 따르면, 무선 통신 시스템에서 단말의 부하 저항(부하 impedance)이 변화하는 상황에서 전파의 송수신 감도가 급격하게 저하되는 데스 그립(Death Grip) 현상을 방지 할 수 있다.
그 밖에, 본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 개시의 제1 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치 블록 구성도;
도 2는 본 개시의 제1 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치에서 양방향 결합기의 상세 구성도;
도 3은 본 개시의 제1 실시 예에 따른 LUT(loolup table) 기반의 실시간 안테나 임피던스 매칭을 위한 근사 반사 계수 측정을 위한 순서도;
도 4는 본 개시의 제1 실시 예에 따른 LUT 기반의 실시간 안테나 임피던스 매칭을 위한 근사 반사 계수 측정을 위한 상세 순서도;
도 5 및 도 6은 본 개시의 제1 실시 예에 따라 측정되는 반사 계수와 실제 부하 임피던스와 관계를 나타낸 그래프;
도 7은 본 개시의 제1 실시 예에 따른 LUT 사이즈 효율화를 위해 LUT가 포함할 임피던스 기준점(reference impedance point)의 개수에 따른 임피던스 매칭 성능을 나타낸 그래프;
도 8은 본 개시의 제1 실시 예에 따른 임피던스 매칭 전과 23 포인트 LUT를 이용하여 매칭한 결과 및 모든 임피던스 매칭 조합에 대해 가정 정확한
Figure 112016071685705-pat00001
Figure 112016071685705-pat00002
을 추정하여 매칭한 결과를 나타낸 그래프;
도 9 및 10은 본 개시의 제1 실시 예에 따른 CL-AIT 적용전과 적용 후의 부하 임피던스에 따른 송신 전력을 나타낸 그래프;
도 11는 도 9(AIT LUT 솔루션 적용 전)와 도 10(AIT LUT 솔루션 적용 후) 사이의 전력 이득을 나타낸 그래프;
도 12는 본 개시의 제2 실시 예에 따른 안테나 임피언스 매칭 방법에 따른 방법을 적용한 일 예를 나타낸 그래프;
도 13은 본 개시의 제2 실시 예에 따른 안테나 임피던스 매칭 장치 블록 구성도;
도 14는 본 개시의 제2 실시 예에 따른 안테나 임피던스 매칭 방법을 도시한 순서도;
도 15는 본 개시의 제2 실시 예에 따른 IIR(infinite impulse response) 필터의 고정된 포인트 구조도;
도 16a, 도 16b와 도 17a, 17b는 LTE에서 RB 사이즈가 각각 1과 50일 때, 타임 도메인 신호와 상관 결과를 나타낸 그래프;
도 18a는 본 개시의 제2 실시 예에 따른 순방향 및 역방향의 실시간 측정 지연 값을 나타낸 그래프;
도 18b는 본 개시의 제2 실시 예에 따른 순방향 및 역방향의 IIR 필터 출력값이 임계값 이상일 경우, 지연 등록기 설정 값이 19로 수렴하고 있는 것을 나타낸 그래프;
도 18c는 본 개시의 제2 실시 예에 따른 순방향 및 역방향의 IIR 필터 출력 변화를 나타낸 그래프; 및
도 19는 본 개시의 제2 실시 예에 따라 b4/b3 값을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 개시의 실시예를 상세하게 설명한다. 하기에서 본 개시를 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 개시에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 개시의 자세한 설명에 앞서, 본 명세서에서 사용되는 몇 가지 용어들에 대해 해석 가능한 의미의 예를 제시한다. 하지만, 아래 제시하는 해석 예로 한정되는 것은 아님을 주의하여야 한다.
기지국(Base Station)은 단말과 통신하는 일 주체로서, BS, NodeB(NB), eNodeB(eNB), AP(Access Point) 등으로 지칭될 수도 있다.
단말(User Equipment)(또는, 통신 단말)은 기지국 또는 다른 단말과 통신하는 일 주체로서, 노드, UE, 이동국(Mobile Station; MS), 이동장비(Mobile Equipment; ME), 디바이스(device), 터미널(terminal) 등으로 지칭될 수도 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 개시의 제1 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치 블록 구성도이다.
본 개시의 제1 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치는 도 1a와 같이, AIT(Antenna Impedance Tuning) 제어부(103)가 제1 TMN(104)과 제2 TMN(105)을 모두 제어할 수 있도록 구성할 수 있다.
제1 TMN(104)는 임피던스 튜너를 나타내고, serial로 붙어서 상기 TMN 파라미터를 이용하여 임피던스 매칭하여 전력 전달을 최대화한다.
제2 TMN(105)는 애퍼처(aperture) 튜너를 나타내고, parallel로 붙여서 상기 TMN 파라미터를 이용하여 임피던스 매칭 또는 공진 주파수를 튜닝하여 자유 공간 상의 방사 효율을 최대화한다.
AIT(Antenna Impedance Tuning) 제어부(103)는 본 개시의 실시 예에 따라 반사 계수(이하, 근사 반사 계수)를 근거로 안테나 단의 부하 임피던스를 조절하도록 상기 제1 TMN(104)과 제2 TMN(105) 중 적어도 하나의 TMN 파라미터(들)을 업데이트하여 임피던스 매칭을 수행한다.
가능한 실시 예로써, 본 개시의 제1 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치는 도 1b와 같이, AIT 제어부(103)가 제1 TMN(104)을 제어할 수 있도록 구성할 수 있다.
다른 실시 예로써, 본 개시의 제1 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치는 도 1c와 같이, AIT 제어부(103)가 제2 TMN(105)을 제어할 수 있도록 구성할 수 있다.
이와 같이 본 개시의 실시 예에서 임피던스 매핑은 AIT 제어부(103)가 상기 근사 반사 계수를 근거로 제1 TMN(104)의 TMN 파라미터를 업데이터(조정) 하거나 또는 제2 TMN(105)의 TMN 파라미터를 업데이트(조정)하거나 또는 제1 TMN(104) 및 제2 TMN(105)의 TMN 파라미터들을 모두 업데이트(조정)하는 방식으로 수행될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 안테나 임피던스 매칭 장치는 전력 증폭부(power amplifier : PA), 저잡음 증폭부(low noise amplifier : LNA), 듀플렉서(100), 양방향 결합기(101), 피드백 제어부(102), 제1 TMN(tunable matching network)(104), AIT(antenna impedance tuning) 제어부(103), 및 제2 TMN(105) 등을 포함한다. 안테나 임피던스 매칭 장치에서 전력 증폭부, 저잡음 증폭부의 이전 단에는 모뎀과 RF 부가 구성될 수 있다.
전력 증폭부는 이전 단에서 변환된 신호를 미리 설정된 신호 크기로 증폭한 후 증폭된 신호를 듀플렉서(100)로 전송한다.
듀플렉서(100)는 전력 증폭부로부터 수신된 신호를 양방향 결합기(101)로 전송한다.
양방향 결합기(101)는 RF 프론트 엔드(RF Front End)의 피드백 제어부(102)와 연결되며, 2개 이상의 포트로 신호를 분배하거나 하나의 포트로 모은다. 또한 양방향 결합기(101)는 근사 반사 계수(reflection coefficient) 측정을 위한 피드백 루프(피드백 loop)와 순방향 경로 또는 역방향 경로의 시그널링을 수행한다.
즉, 양방향 결합기(101)는 안테나로 송신되는 신호를 순방향으로 피드백 경로로 전송하거나 송신 신호의 반사파를 역방향으로 피드백 제어부(102)로 전송한다.
피드백 제어부(102)는 순방향 경로 시그널링 또는 역방향 경로 시그널링 상황에서 전파되는 신호의 수신 신호를 검출하여 도면에 도시하지 않은 메모리에 저장된다. 메모리에 저장된 신호들은 타임 얼라인먼트(time alignment)를 통해서 변경된 부하 인피던스를 근사화 추정하는 데이터로 사용된다.
또한 피드백 제어부(102)는 순방향 경로 시그널링 또는 역방향 경로 시그널링 상황에서 전파되는 신호의 수신 신호를 기반으로 하여 상기 근사 반사 계수를 계산하고, 상기 계산된 근사 반사 계수를 AIT 제어부(103)로 전송한다.
AIT(Antenna Impedance Tuning) 제어부(103)는 계산된 b4/b3를 근사 반사 계수로 설정하고, 상기 근사 반사 계수를 룩업테이블에 기반으로 하여 실시간 안테나 임피던스 매칭을 수행하도록 제1 TMN(104) 및 제2 TMN(105) 모두를 제어하거나, 또는 제1 TMN(104)와 제2 TMN(105) 중 하나를 제어할 수 있다. 상기 계산된 b4/b3를 근사 반사 계수로 설정하는 과정에 대해서는 하기 <수학식 1> 내지 <수학식 5>를 이용하여 설명하기로 한다.
AIT 제어부(103)는 상기 근사 반사 계수를 이용하여 정밀하게 룩업테이블을 서치하고, 서치된 룩업테이블을 통해 상기 근사 반사 계수에 해당하는 가장 이상적인 TMN 파라미터를 도출할 수 있다. 이때, 룩업테이블은 근사 반사 계수에 기반으로 하여 미리 정의된 기준 임피던스 위치들에 대해 최대 출력 전력을 내도록 매칭할 수 있는 TMN 파라미터들을 포함하도록 구현될 수 있다. 예컨대, 상기 룩업테이블은 근사 반사 계수들의 인덱스들에 대응되는 TMN 파라미터들이 각각 매핑되어 있는 테이블로 구현될 수 있다. 상기 근사 반사 계수들은 본 개시의 실시 예에 따라 안테나 단의 부하 임피던스의 변화에 상응하도록 미리 설정된 기준 부하 점들(즉 상기 기준 임피던스 위치들)을 의미한다. 따라서 안테나 단의 변화된 부하 임피던스에 따라 근사 반사 계수가 계산되면, 상기 룩업테이블을 이용하여 그 근사 반사 계수에 대응되는 TMN 파라미터가 결정된다. 그러면 결정된 TMN 파라미터를 이용하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 상기 TMN 파라미터는 예컨대,
Figure 112016071685705-pat00003
네트워크 또는 T 네트워크의 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 나타낸다.
AIT 제어부(103)는 추가 가능한 실시 예로써, 사용되는 TMN의 부하 커버리지를 바탕으로 선행 조사된 매칭 이득이 낮은 영역을 설정하고, 이 영역에 속하는 부하는 특성 임피던스로 매칭시키는 대신 최대 출력 전압 점으로 바로 이동시킨다.
AIT 제어부(103)는 추가 가능한 실시 예로써, VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)에 따른 TMN의 임피던스 매칭 이득을 선별하는 기준점을 제시하여, 현재 임피던스 수준과 비교한다. 비교 결과, 매칭 이득이 적은 구간은 임피던스 매칭을 수행하는 대신 가장 최적의 출력점으로 바로 이동시킨다. 상기 VSWR은 반사 계수의 다른 표현 방법으로 반사에 의해 생성되는 정재파(standing wave)의 높이 비를 의미한다. VSWR은 반사가 거의 없는 경우 1에 가까운 값을 가지며, 반사량에 비례한다.
AIT 제어부(103)는 룩업테이블을 활용하여 기준 임피던스를 설정하고, 측정된 임피던스(즉 근사 반사 계수)에 상응하는 기준 임피던스에 매핑된 TMN 파라미터들 이용하여 안테나 단의 부하 임피던스를 보상한다.
AIT 제어부(103)는 load pull tuner를 이용하여 부하를 설정하고, 설정된 부하 임피던스의 보상을 위해 TMN 파라미터를 사전 데이터베이스(DB)화한다. 여기서, load pull tuner는 안테나 대신 단말에 연결하여 원하는 안테나 임피던스를 생성하는 외부 장비로 안테나 대신 연결하여 원하는 임피던스를 단말에 적용한다.
AIT 제어부(103)에서 가장 이상적인 TMN 파라미터를 이용하여 제1 TMN(104) 및 제2 TMN(105) 중 적어도 하나를 활성화시켜 실시간 안테나 임피던스 매칭을 수행하도록 제어한다. 여기서, 룩업테이블은 처리 과정에서 연산 횟수를 줄이기 위해 미리 연산의 결과를 메모리에 저장한 후 이를 활용하여 신속히 처리하는 행렬을 의미한다.
도 2는 본 개시의 제1 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치에서 양방향 결합기의 상세 구성도이다.
도 2의 안테나 임피던스 매칭 장치는 양방향 결합기(201), TMN(203), AIT 제어부(202) 등을 포함한다. 여기에서 TM N(203)는 도 1a 내지 도 1c에서 도시한 바와 같이, 제1 TMN(104) 및 제2 TMN(105) 중 적어도 하나가 될 수 있다. 상기 양방향 결합기(201)는 도 1a 내지 도 1c에서 양방향 결합기(101)에 해당된다.
도 2에서의 a1, a2, b1, b2는 순방향 및 역방향의 신호 흐름을 나타낸다. 여기에서, a1, a2는 양방향 결합기(201)의 각 포트의 입력 신호를 나타내고, b1, b2, b3, b4는 양방향 결합기(201)의 각 포트의 출력 신호를 나타낸다.
양방향 결합기(201)의 출력과 LNA의 입력이 적절히 매칭되어 있다고 가정할 때 4-포트의 S-파라미터는 하기 <수학식 1>과 같은 메트릭스(matrix)로 나타낸다.
Figure 112016071685705-pat00004
상기 <수학식 1>에서 S-파라미터는 각 포트에서 입력 전력에 대한 출력 전력의 비를 나타낸다. 예를 들어, S12은, 2번 포트에서 입력 전압과 1번 포트에서 출력 전압의 비율을 의미한다. 따라서 S11, S22, S33, S44는 각 포트의 반사 계수를 의미한다.
상기 <수학식 1>의 메트릭스를 통해, 안테나로 송신되는 신호를 순방향 경로(a1 => Port 1 => Port 3 => b3의 신호 경로)로 전송하는 신호 b3와 송신 신호의 반사파를 역방향 경로(a2 => Port 2 => Port 4 => b4의 신호 경로)로 피드백 제어부(102)로 전송하는 신호 b4는 하기 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016071685705-pat00005
이때, 양방향 결합기(201)는
Figure 112016071685705-pat00006
와 같이, 대칭(symmetric)하고, cross-talk이 거의 없다고 가정(
Figure 112016071685705-pat00007
,
Figure 112016071685705-pat00008
)하면, b4/b3는 하기 <수학식 3>과 같이 근사화가 가능하다.
Figure 112016071685705-pat00009
따라서 양방향 결합기(201)의 출력에서 계산되는 반사 계수
Figure 112016071685705-pat00010
는 하기 <수학식 4>와 같이 근사화가 가능하다.
Figure 112016071685705-pat00011
상기 <수학식 4>에서 결정된 반사 계수
Figure 112016071685705-pat00012
를 이용한 b4/b3는 하기 <수학식 5>와 같다.
Figure 112016071685705-pat00013
양방향 결합기(201)의 선형이득인 S21은 캐리어 주파수가 고정되면 상수이므로, b4/b3는 본 개시에 따른 부하 변화에 따른 근사 반사 계수가 될 수 있다. 또한 상기 b4/b3는 하기 <수학식 6>과 같이 피드백 경로를 통한 순방향 경로에서 양방향 결합기(201)의 출력과 역방향 경로에서 양방향 결합기(201)의 출력의 비로 측정 가능하다.
Figure 112016071685705-pat00014
상기 <수학식 6>에서, 각 신호 s(t)의 첨자 중 "fwd"는 양방향 결합기(201)의 순방향 브랜치(forward branch)를 통과하는 것을 나타내고, "rev"는 양방향 결합기(201)의 역방향 브랜치(reverse branch)를 통과하는 것을 나타낸다. 그리고 "tx"는 전송된 컴플렉스 베이스밴드 신호(transmitted complex baseband signal)를 나타내고, "rx"는 수신된 컴플렉스 베이스밴드 신호(received complex baseband signal)를 나타낸다.
상기한 설명과 같이, 측정을 통해 계산된 b4/b3 값은 반사 계수
Figure 112016071685705-pat00015
과 1대 1 매핑될 수 있다. 그리고 본 개시의 실시 예를 통해 구해진 근사 반사 계수(즉 b4/b3)가 반사 계수
Figure 112016071685705-pat00016
과 1대 1 매핑됨은 후술할 도 5 및 도 6의 실험 결과를 통해 또한 확인된다. 이하에서 b4/b3(b4/b3는 b4/b3값을 나타냄)와 b4/b3 메트릭스는 혼용하여 사용하며 동일한 의미로 사용될 수 있음을 유의해야 한다.
따라서 본 개시에서는 근사 반사 계수를 이용한 LUT 기반의 실시간 안테나 임피던스 매칭을 수행하게 된다.
도 3은 본 개시의 제1 실시 예에 따른 LUT 기반의 실시간 안테나 임피던스 매칭을 위한 근사 반사 계수 측정을 위한 순서도를 나타낸다.
단말은 300 단계에서 트리거 조건(trigger condition)에 의해 CL-AIT 동작점 이상이 될 때까지 대기 상태에 있다. 단말은 302 단계에서 트리거 조건에 의해 CL-AIT 동작점 이상이 되었는가를 판단한다. 즉, 상기 CL-AIT 동작점은 안테나를 통해 전송되는 신호의 전력을 측정하여 안테나 임피던스 매칭이 필요한 지 여부를 판단하기 위한 기준(조건)으로 이해될 수 있다.
만약 트리거 조건에 의해 CL-AIT 동작점 이상된 경우(즉 임피던스 매칭이 필요한 경우), 단말은 304 단계에서 양방향 결합기에 대해 실시간 모니터링을 수행한다. 그리고 단말은 306 단계에서 전술한 순방향 경로 또는 역방향 경로로 양방향 결합기를 동작시킨다. 단말은 308 단계에서 양방향 결합기의 순방향 경로 또는 역방향 경로에서 전파되는 입출력 신호를 검출한다. 이때, 단말은 검출된 입출력 신호를 메모리에 저장할 수도 있다. 다시 말해서, 단말은 양방향 결합기를 동작시켜 결합기 모드에 따른 입출력 신호(도 2 및 상기 <수학식 6>에 명시되었던 실시 예에 따른 신호들 즉,
Figure 112016071685705-pat00017
등을 피드백 루프를 통하여 전용 하드웨어 블록(dedicated H/W block)(예컨대, 메모리 등)에 전달하여 저장한다.
단말은 310 단계에서 도 2 및 상기 <수학식 6>에 명시되었던 실시 예에 따른 신호들 즉,
Figure 112016071685705-pat00018
신호를 타임 정렬(alignment)하고, 이 신호들을 이용하여 b4/b3를 계산하고, 계산된 b4/b3를 근사 반사 계수로 설정한다. 단말은 312 단계에서 계산된 근사 반사 계수를 이용하여 룩업테이블을 서치하고, 근사 반사 계수에 대응되게 매핑된 TMN 파라미터를 도출하여, 314 단계에서 안테나 단의 부하 임피던스 설정을 위한 TMN 파라미터를 업데이트한다. TMN 파라미터를 업데이트한다는 것은 미리 정의된 기준 임피던스 위치에서 업데이트된 위치에 대해 최대 출력 파워를 내도록 정밀하게 룩업 테이블 서치를 수행하고, 가장 이상적인 TMN 파라미터를 설정하는 것을 의미한다. 이하에서 "정밀하게 룩업 테이블 서치한다"는 것을 "정밀 룩업 테이블 서치"로 기재하기로 한다.
정밀 룩업 테이블 서치가 필요하지 않은 경우(즉 계산된 근사 반사 계수가 특정 경계 조건(boundary condition)에 부합되는 경우), 선택적으로 기본 TMN 모드(Default TMN mode)로 설정한다. 기본 TMN 모드로 설정한다는 것은 미리 정의된 기준 임피던스 위치에 대해 최대 출력 파워를 내도록 설정하는 것을 의미한다.
단말은 314 단계까지 동작이 완료되면, 300 단계로 진행하여 대기 모드로 돌아가서 이후 동작을 반복한다.
도 4는 본 개시의 제1 실시 예에 따른 룩업테이블 기반의 실시간 안테나 임피던스 매칭을 위한 근사 반사 계수 측정을 위한 순서도를 나타낸다. 도 4는 도 3에 대한 구체적인 실시 예이다.
다양한 형태의 구현 시나리오가 나올 수 있으며, 여기서는 양방향 결합기를 이용하는 경우를 예를 들어 설명한다.
단말은 400 단계에서 트리거 조건에 의해 CL-AIT 동작점 이상이 될 때까지 대기 상태에 있다. 단말은 402 단계에서 트리거 조건에 의해 CL-AIT 동작점 이상이 되었는가를 판단한다. 즉, 안테나를 통해 전송되는 신호의 전력을 측정하였는가를 판단하여 안테나 임피던스 매칭이 필요한가를 판단한다. 만약 트리거 조건에 의해 CL-AIT 동작점 이상된 경우, 단말은 404 단계에서 양방향 결합기에 대해 실시간 모니터링을 수행한다.
단말은 406 단계에서 TMN을 바이패스 모드(bypass mode)로 설정한다. 여기서 바이패스 모드는 TMN에 의한 임피던스 변화가 없고 삽입 손실(insertion loss)이 가장 적은 상태로 TMN 파라미터를 설정한다는 것을 의미한다. 단말은 408 단계에서 양방향 결합기를 순방향 경로로 동작시키고(또는 스위칭하고), 410 단계에서 각 전송 및 수신 신호 즉,
Figure 112016071685705-pat00019
신호와
Figure 112016071685705-pat00020
신호를 각각 검출하고, 피드백 루프를 통하여 메모리에 저장한다.
다음으로, 단말은 412 단계에서 양방향 결합기를 역방향 경로로 동작시키고(또는 스위칭하고), 414 단계에서 각 전송 및 수신 신호 즉, s rev,tx (t) 신호와
Figure 112016071685705-pat00021
신호를 각각 검출하고, 피드백 루프를 통하여 메모리에 저장한다.
단말은 416 단계에서 각 전송 및 수신 신호(
Figure 112016071685705-pat00022
신호)를 타임 정렬하고, 이 신호들을 이용하여 b4/b3를 계산하고, 계산된 b4/b3를 근사 반사 계수로 설정한다.
단말은 418 단계에서 안테나 임피던스 매칭을 위한 메트릭스 결정 조건이 case 1 또는 case 2를 만족하는가를 판단한다.
만약, 418 단계에서 메트릭스가 case 1을 만족할 경우(즉 근사 반사 계수가 특정 경계 조건(boundary condition)에 부합되는 경우), 단말은 추가적인 정밀 TMN 서치는 필요하지 않으며, 기본 TMN(최대 전송 전력을 보장하는 TMN 설정)값으로 설정한 뒤, 양방향 결합기를 원위치 시키고, 대기 모드로 들어간다. 기본 TMN 모드로 설정한다는 것은 미리 정의된 기준 임피던스 위치에 대해 최대 출력 파워를 내도록 설정하는 것을 의미한다.
반면에 418 단계에서 메트릭스가 case 2를 만족할 경우(근사 반사 계수가 특정 경계 조건(boundary condition)에 부합되지 않는 경우), 단말은 420 단계에서 보다 정밀한 임피던스 매칭을 위하여 정밀하게 룩업테이블을 서치하고, 가장 이상적인 TMN 설정값을 도출하여, 424 단계에서 TMN 파라미터를 업데이트한다. TMN 파라미터를 업데이트한다는 것은 미리 정의된 기준 임피던스 위치에서 업데이트된 위치에 대해 최대 출력 파워를 내도록 TMN 파라미터를 설정하는 것을 의미한다.
단말은 422 단계의 동작이 완료되면, 424 단계에서 양방향 결합기를 원위치로 돌려놓고 대기 모드로 돌아간다.
도 5 및 도 6은 본 개시의 제1 실시 예에 따라 측정되는 반사 계수와 실제 부하 임피던스와 관계를 나타낸다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 개시의 실시 예에 따라 측정되는 근사 반사 계수와 실제 부하 임피던스와 관계를 보여준다. 보다 구체적으로, 도 5는 실제 부하 임피던스를 나타내고, 도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 근사 반사 계수를 나타낸다.
반사 계수(
Figure 112016071685705-pat00023
)는 하기 <수학식 7>과 같이, 극좌표계에서 반사 계수의 크기(|
Figure 112016071685705-pat00024
|)와 위상(
Figure 112016071685705-pat00025
)으로 나타낼 수 있으며, |
Figure 112016071685705-pat00026
|는 0에서 1 사이의 범위를 가지며 위상은
Figure 112016071685705-pat00027
사이의 범위를 갖는다.
Figure 112016071685705-pat00028
도 5는 load pull tuner를 통해 전달한 부하 임피던스 설정값을 나타낸다. 반사 계수의 크기를 0부터 0.1 간격으로 0.9까지, 위상은
Figure 112016071685705-pat00029
까지 조절하여 최대한의 기준을 제시하였다.
일반적으로 반사계수의 크기는 스미스 챠트(Smith chart) 상의 중심 포인트(즉 특성 임피던스를 나타내는 포인트)에서 부하 임피던스 포인트까지의 거리를 전체 반지름으로 나눈 값이고, 반사계수의 위상은 상기 부하 임피던스 포인트까지의 각도를 의미한다.
도 6은 본 개시의 제1 실시 예에 따라 전달된 각 부하 임피던스에 대해 도 2에서 설명한 바와 같이 양방향 결합기를 통해 실제 측정한 b4/b3 메트릭스(근사 반사 계수)를 나타낸다. 도 6 또한 반사 계수의 크기를 0부터 0.1 간격으로 0.9까지, 위상은
Figure 112016071685705-pat00030
까지 조절하여 최대한의 기준을 제시하였다.
근사화로 인한 magnitude scaling과 위상 회전 및 센터 포인트 쉬프트(center point shift)가 있으나, 각 부하 포인트에 대해서 1대 1 매핑이 정확하게 수행되는 것을 볼 수 있다.
결과적으로, 도 6은 도 5와 동일하지 않지만, b4/b3 메트릭스가 반사 계수임을 표현하는 효과적인 메트릭스임을 반증한다.
도 7은 본 개시의 제1 실시 예에 따른 룩업테이블 사이즈 효율화를 위해 룩업테이블이 포함할 임피던스 기준점의 개수에 따른 임피던스 매칭 커버리지(성능)를 나타낸다.
도 7을 참조하면, x축은 부하 임피던스의 VSWR을 나타내며, y축은 룩업테이블을 이용하여 임피던스 매칭이 된 후의 해당 VSWR을 만족하는 포인트들의 CDF(cumulative distribution function)를 나타낸다.
본 개시의 실시 예는 실시간 CL-AIT 구현을 위해 S-파라미터의 측정없이 실제 반사 계수와 1대 1 매핑되는 근사 반사 계수 측정을 통해 부하 임피던스를 측정하고, 이를 미리 정의된 룩업테이블로 판별하여 안테나 임피던스 매칭한다.
부가적인 복잡도(complexity)를 줄이기 위해 사전에 정밀 룩업 테이블 서치를 통해 효율적이면서도 가장 작은 룩업테이블 사이즈를 계산한다. 이때, 정밀 룩업 테이블 서치는 설정 가능한 모든 TMN 값들을 모두 대입해 보고 가장 매칭이 좋은 값을 선택하는 방식을 나타낸다. VSWR(voltage standing wave ratio) 10:1을 상한으로 두고, 스미스 챠트 상에서 무작위 10,000 포인트의 부하 임피던스를 설정하여 룩업테이블 사이즈에 따른 임피던스 매칭 결과, LTE 로우 밴드(Low Band)의 경우, 도 7에서 나타낸 바와 같이, 누적분포함수(cumulative distribution function, CDF)를 통해서 10:1 보다 감소된 VSWR를 결정할 수 있음을 알 수 있다.
룩업테이블 생성시 필요한 포인트를 결정하는 방법은 전체 임피던스 영역에 대해 해당 VSWR을 만족하는 CDF를 구하여 원하는 CDF 값을 나타내는 룩업테이블 포인트 개수를 선택하는 방법을 포함한다. 추가 가능한 실시 예로써, 룩업테이블 생성시 load pull tuner를 이용하여 원하는 안테나 임피던스를 생성하고, 이에 대한 근사 반사 계수 및 최대 전력을 송신하는 TMN 값을 추정하여 룩업테이블을 생성할 수 있다.
도 8은 본 개시의 제1 실시 예에 따른 임피던스 매칭 전, 23 포인트 룩업테이블을 이용하여 매칭한 결과 및 정밀한 서치를 통해 정확한
Figure 112016071685705-pat00031
을 계산하여 매칭한 결과를 나타낸다.
이때, x축은 부하 임피던스의 크기(|
Figure 112016071685705-pat00032
|)를 나타내며, y축은 임피던스 매칭이 된 후의
Figure 112016071685705-pat00033
의 VSWR을 의미한다. 임피던스 매칭이 없는 경우 반사 계수의 크기가 커질수록 VSWR이 급격히 증가하는 것과 달리 임피던스 매칭이 진행된 경우 반사 계수 크기와 상관없이 일정한 VSWR을 유지하는 것을 볼 수 있다. 또한 도 8은 정밀 룩업 테이블 서치 등을 통해 정확한
Figure 112016071685705-pat00034
을 계산하여 각각 매칭한 결과와 23 포인트의 룩업테이블만을 사용하여 매칭한 결과가 VSWR 3:1 기준으로 볼 때 오차범위 안에서 큰 차이 없이 비슷하게 분포함을 볼 수 있다. 즉, 23 포인트 정도의 룩업테이블만을 이용하여 임피던스 매칭을 하더라도 충분한 보정 효과를 볼 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 룩업테이블에는 임의의 성좌 포인트(constellation point)를 사용할 수 있으며, 그 실시 예로서 최소한의 룩업테이블로 효율성을 극대화 하기 위해 23 포인트의 격자형 부하 임피던스 구조를 24 포인트의 방사형 형태 또는 polar 형태로 조정하여 효율적인 커버리지를 높인 룩업테이블을 사용할 수 있다. 이러한 룩업테이블의 기준 임피던스는 향후 효율성 증대를 위해 계속 변경 될 수 있다.
도 9 및 10은 본 개시의 제1 실시 예에 따른 CL-AIT 적용전(TMN 바이패스 모드)과 CL-AIT 적용 후의 부하 임피던스에 따른 송신 전력 분포를 나타낸다.
도 9는 TMN 바이패스 모드(TMN insertion loss가 가장 적은 TMN 설정) 상태에서 부하 임피던스에 따른 출력전력을 나타낸다.
도 10은 동일 부하 임피던스에서 본 개시의 제1 실시 예에 따른 AIT 룩업테이블 솔루션에 의해 안테나 임피던스 매칭 후의 각 부하 별 출력전력을 나타낸다.
비교를 위하여, 도 11는 도 9(AIT 룩업테이블 솔루션 적용 전)와 도 10(AIT 룩업테이블 솔루션 적용 후) 사이의 전력 이득을 나타낸다.
부하 임피던스의 VSWR(voltage standing wave ratio)이 작은 중앙(center) 주변은 반사파에 의한 전송 전력 저하(TX power degradation)가 작기에 성능 개선 효과가 적다. 그러나, VSWR이 커지는 큰 부하 임피던스 지점에 대해서는 성능 개선 효과가 3.5dB ~ 4dB까지 증대된다. 즉, VSWR이 클수록 성능 개선 효과가 크다. 예를 들어, VSWR 10:1은 반사 계수 크기(
Figure 112016071685705-pat00035
)가 0.818이 되는 지점을 나타낸다.
본 개시의 실시 예에 따른 실시간 CL-AIT 방식은 낮은 복잡도의 근사 반사 계수 측정을 통해 실제 부하 임피던스를 추정함으로써 실시간 안테나 임피던스 매칭을 할 수 있다. 또한 본 개시의 실시 예에 따른 실시간 CL-AIT 방식은 근사 반사 계수와 실제 반사 계수와의 1대 1 매핑을 통해 거의 대부분의 부하 임피던스 변화를 추정하여 송신단의 출력 전력 손실을 최소화 할 수 있다. 특히 본 개시는 b4/b3 메트릭스, 즉 역방향 경로를 통한 반사된 신호만으로 반사계수를 측정하지 않고, 양방향 결합기의 순방향 경로를 통해 전달되는 전송된 신호와의 비를 통하여 반사계수를 측정함으로써 전력소모를 줄이기 위해 모듈 온/오프 또는 슬립 모드 동작이 진행되어 매번 소자들의 위상이 초기화가 진행된다 하더라도(특히 Local 오실레이터(oscillator)를 비롯한 RF 부의 소자들) 항상 정확한 반사계수의 위상을 계산할 수 있다.
본 개시는 금속 설계(Metalic design)의 모바일 디바이스에서 발생하는 데스 그립(전화를 하기 위해 손으로 잡는 동작 자체만으로 안테나 감도를 낮춰지는 현상)에 의한 통화 품질 저하를 회피할 수 있으며, 다양한 부하 변화에도 실시간으로 적정한 전송 전력을 유지시킴으로써 배터리 사용시간을 증가 시킬 수 있다.
도 12는 본 개시의 제2 실시 예에 따른 안테나 임피언스 매칭 방법에 따른 방법을 적용한 일 예를 나타낸 그래프이다.
보다 구체적으로, 도 12는 순방향 경로와 역방향 경로의 지연 차이를 다르게 했을 때 측정된 b4/b3값이 퍼지는 현상을 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 전술한 양방향 결합기의 순방향 경로에서 지연값은 일 예로 20으로 유지하고, 역방향 경로에서 지연값을 일 예로 17, 19, 21, 23으로 설정했을 경우의 b4/b3의 위상 변화를 나타낸다.
도 2와 같이 양방향 결합기를 4 포트로 가정했을 때, 양방향 결합기에 순방향 경로로 들어오는 Tx 출력 신호 b3와 양방향 결합기에 역방향 경로로 들어오는 Tx 반사 신호 b4의 비로 임피던스를 근사화 할 수 있다.
b4/b3를 통해 반사 계수 추정하는 것은 상기 <수학식 1> 내지 <수학식 5>를 이용하여 설명한 바 있다.
실제로 b4/b3는 모뎀단에서 디지털 신호로 결정되며, 하기 <수학식 8>와 같이 모뎀에서의 송신 신호 s와 양방향 결합기를 거쳐 들어온 수신 신호 r의 상관의 최대값의 비로 구할 수 있다.
Figure 112016071685705-pat00036
상기 <수학식 8>에서 지연
Figure 112016071685705-pat00037
는 아날로그 프론트 경로를 포함하므로 단말마다 오차가 있으며, 대표값으로 설정할 경우 이 오차에 의해, b4/b3의 오차가 발생한다.
또한, 실시간 온도 변화에 따른 지연 변화로 더 많은 오차가 발생할 수 있으며, 이를 해결하기 위해, 추가적인 지연 추정 장치 없이도 실시간으로 지연 추정 가능한 방식이 필요하다. 본 개시에서는 상기 <수학식 8>와 같이 최대 상관값을 찾는 과정에서 발생하는 지연차 값을 이용하여 아날로그 프론트 지연을 추정함으로써, 추가적인 장치 없이도 실시간으로 지연을 추정할 수 있다.
실제 지연에 대한 추정은 하기 <수학식 9>과 같이 나타낼 수 있으며, 순방향 경로 및 역방향 경로에 대해 각각 측정한다.
Figure 112016071685705-pat00038
여기서, Δ는 지연값을 나타낸다. Δ 값이 클 경우, 수렴 속도가 빠르면 지연 추정이 빠르지만, 연산량이 많아진다. 반면에, Δ 값이 작을 경우, 수렴 속도가 느리면 지연 추정이 느리지만, 연산량이 작다는 장점이 있다. 연산량을 줄이기 위해 D={-1, 0, +1}로 설정하였고, 대신, 교정(calibration)을 통해 측정한 대표값을 초기 지연값으로 넣어 수렴 시간을 짧게 하였다.
도 13은 본 개시의 제2 실시 예에 따른 안테나 임피던스 매칭 장치 블록 구성도이다.
도 13의 안테나 임피던스 매칭 장치 블록은 모뎀(1300)을 포함하고, 모뎀(1300)은 전송기(1304), 데이터 덤프부(1306), 복호화부, 피드백 수신기(1302) 등으로 구성된다.
도 13의 전력 증폭부(1310), FEM(Front-end module)(1330), 양방향 결합기(1340), 피드백 수신기(1302)는 도 1a 의 전력 증폭부, 듀플렉서(100), 양방향 결합기(101), 피드백 제어부(102)와 각각 유사하므로 그의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 13의 모뎀(1300)은 상관 계산을 위한 데이터 덤프 및 측정한 지연을 보상하는 데이터 덤프부(1306)를 포함한다. 지연은 모뎀의 데이터 덤프부(1306)에서 전송기(1304)와 피드백 수신기(1302) 사이의 덤프 타이밍을 조절하여 보상할 수 있으며, 도면에 도시하지 않았지만 간단히 등록기 설정(register setting)으로 모뎀(1300)에서 조절할 수 있다.
CL-AIT 방식에서 발생하는 최대 상관값의 지연을 IIR filtering하고, 그로 인해 계산되는 지연 값을 다시 등록기에 적용함으로써, 초기 지연 설정 값은 calibration을 통한 대표값을 적용해 수렴 속도를 빠르게 할 수 있다.
도 14는 본 개시의 제2 실시 예에 따른 안테나 임피던스 매칭 방법을 도시한 순서도이다. 구체적으로, 도 14는 지연을 추정하는 순서도를 나타낸다.
먼저, 단말은 1400 단계에서 각 지연값 별로 상관값을 계산하고, 계산된 상관값들 중에서 최대 상관값을 선택한다. 이후 단말은 1402 단계에서 선택된 최대 상관에 대한 지연값을 선택한다.
단말은 1404 단계에서 선택된 지연값에 대한 대역폭을 계산하고, IIR 필터 가중치를 선택한다. 이는 신호 대역폭에 따라 IIR 필터 입력에 가중치를 적용하기 위해서이다. 실시간 지연 추정 시, 신호 대역폭에 따라 IIR filter 입력에 가중치를 둠으로써, 신호 대역폭이 좁을 경우 발생하는 지연 오차 영향을 줄일 수 있다. 상기 신호 대역폭은 통신 시스템 방식에 따른 대역폭과 신호 할당에 따른 대역폭 변화를 모두 포함한다.
단말은 1406 단계에서 실시간으로 측정되는 지연에 대해 IIR 필터링을 수행한다. 계산된 지연 값을 다음 상관 측정 시, 지연값으로 사용함으로써, 적응적으로 지연 추적(tracking)을 수행할 수 있다.
IIR 필터링의 구체적인 동작은 다음과 같다.
단말은 1408 단계에서 IIR 필터링 출력값 y[n]이 임계값 보다 큰 가를 판단한다.
단말은 IIR 필터링 출력값 y[n]이 임계값 보다 크면, 1410 단계에서 지연값에서 1을 빼고, IIR 필터 버퍼에서 임계값을 뺀다.
반대로, 단말은 1414 단계에서 IIR 필터링 출력값 y[n]이 임계값보다 작으면, 1416 단계에서 지연값에서 1을 더하고, IIR filter 버퍼에서 임계값을 더한다.
단말은 1414 단계에서 IIR 필터링 출력값 y[n]이 임계값보다 크면, 1418 단계로 진행하여 바이패스 모드로 진행한다.
최종적으로, 1410 단계, 1416 단계, 1418 단계 이후, 단말은 1412 단계에서 IIR 필터링을 통해 계산되는 지연값을 실제 상관 시 지연 설정 값으로 적용한다. 즉, 단말은 계산된 지연 값을 다음 상관 측정 시, 지연값으로 사용한다.
전술한 IIR 필터링 과정을 통해 추정된 지연 변수 값을 등록기에 계속 써주면서 지연이 보상될 수 있다.
도 15는 본 개시의 제2 실시 예에 따른 IIR filter의 고정된 포인트 구조도를 나타낸다.
도 15는 IIR filter 입력 가중치를 적용한 일 예를 나타낸 것이고, 예를 들어, IIR filter 입력 가중치는 참조번호 1510과 같이, 12RB 이상일 경우 1로 설정하고, 12RB 이하일 경우 0으로 설정한다.
참조번호 1510과 같이, 신호 대역폭에 따라 IIR 필터 입력에 가중치를 적용하는 것은 실시간 추정 시, 대역폭이 낮은 신호가 들어올 수 있고, 이 경우 상관이 정확하지 않아 지연 오차가 발생하기 때문이다.
참조번호 1512와 같이, 단말은 IIR 필터링 출력값 y[n]이 임계값 보다 크면, 지연 오프셋에서 1을 빼고, IIR 필터 버퍼에서 임계값을 뺀다. 반대로, 참조번호 1512와 같이, 단말은 IIR 필터링 출력값 y[n]이 임계값보다 작으면, 지연 오프셋에서 1을 더하고, IIR filter 버퍼에서 임계값을 더한다.
도 16a, 도 16b와 도 17a, 17b는 LTE에서 RB 사이즈가 각각 1과 50일 때, 타임 도메인 신호와 상관 결과를 나타낸 것이다.
1 RB 신호의 경우 타임 도메인 신호가 느리게 변하고, 상관 또한 완만하여 50 RB 대비 지연 변화량(variation)(즉, 산포)이 크며, 이로 인해 b4/b3이 흔들리는 현상이 나타난다. 따라서, 신호 대역폭이 큰 경우에만 선택적으로 IIR 필터링을 수행하고, 작은 대역폭의 신호 대비, 큰 대역폭의 신호에 가중치를 높게 주어 신호 대역폭에 상관없이 강인한 임피던스 추정이 가능하다.
도 18a는 순방향 및 역방향의 실시간 측정 지연값을 나타낸다.
도 18a는 실제 지연값이 19인 단말에서 초기 지연 등록기 설정 값으로 순방향은 23을 적용하고, 역방향은 22를 적용하여 오차를 주었을 때, 지연 추정 결과를 보여준다. 예컨대, LTE Band 5(주파수 대역폭이 UL 844Mhz), 50RB 할당이며, 지연 1 샘플은 약 8ns(61.44Mhz 샘플율)이다.
도 18b는 IIR 필터 출력값이 임계값 이상일 경우, 지연 등록기 설정 값이 19로 수렴하고 있는 것을 나타낸다.
도 18c는 IIR 필터 출력 변화를 나타내고, 누적된 값이 임계값을 넘을 경우 임계값을 빼주고 지연 등록기 설정값을 1만큼 줄이는 것을 볼 수 있다.
이와 같은 방식으로 지연 보정하고, b4/b3을 측정 시, 도 19와 같이 일정한 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 도 19에서 참조번호 1910은 측정한 b4/b3를 나타내고, 나머지 점들은 폐루프 안테나 임피던스 매칭에 사용한, 각 부하 포인트의 룩업테이블 인덱스를 나타낸다. IIR 필터 출력이 수렴하여 steady state일 경우, 이 값을 사용해 임계값에 대한 IIR 필터 출력의 비로 fractional 지연 추정도 가능하다. 예를 들어, 임계값이 1200이고, steady state 상태의 IIR filter output 값이 23이면, fractional 지연은 1 sample
Figure 112016071685705-pat00039
23/1200 (8ns
Figure 112016071685705-pat00040
23/1200 = 0.15ns )가 된다. Fractional 지연 보상은 도 13의 덤프 지연 제어 블록(1306)에서 보상하며, 해당 블록의 하드웨어 resolution에 따라 보상할 수 있는 resolution은 달라진다. Fractional 지연에 의해 발생하는 b4/b3의 위상 옵셋은 하기 <수학식 10>와 같다.
Figure 112016071685705-pat00041
여기서
Figure 112016071685705-pat00042
가 순방향 경로/역방향 경로의 fractional 지연이라고 하면, 이로 인해
Figure 112016071685705-pat00043
만큼의 위상 옵셋이 발생하게 된다. 따라서, 하드웨어 resolution 이하의 위상 옵셋에 대해서도 b4/b3의 위상 옵셋값을 직접 보상할 수 있다.
본 개시는 실시간 폐루프 안테나 임피던스 매칭 방법에서 발생하는 최대 상관값의 지연을 IIR 필터링하고, 그로 인해 계산되는 지연 계산 값을 다시 지연 등록기에 적용하는 방법으로 초기 지연 설정 값은 calibration을 통한 대표값을 적용해 수렴 속도를 빠르게 한다.
본 개시는 실시간 지연 추정 시 신호 대역폭에 따라 IIR 필터 입력에 가중치를 두어, 신호 대역폭이 좁을 경우 발생하는 지연 오차 영향을 줄일 수 있다. 여기서, 상기 신호 대역폭은 통신 시스템 방식에 따른 대역폭과 신호 할당에 따른 대역폭 변화를 모두 포함한다.
본 개시는 실시간 폐루프 안테나 임피던스 매칭시 순방향 경로의 양방향 결합기 및 역방향 경로의 양방향 결합기 각각에 IIR 필터를 적용하고 그 지연을 다음 상관 측정 시 적용함으로써, 능동적인 실시간 지연 추정이 가능하며, 이로 인해, 공정 과정에서 발생하는 지연 측정 시간을 줄일 수 있다.
상기 도 1 내지 도 19에서 예시하는 예시도, 신호 흐름 예시도, 블록 구성도 등은 본 개시의 권리범위를 한정하기 위한 의도가 없음을 유의하여야 한다. 즉, 상기 도 1 내지 도 19에 기재된 모든 정보, 필드, 구성부, 또는 동작의 단계가 본 개시의 실시를 위한 필수구성요소인 것으로 해석되어서는 안되며, 일부 구성요소 만을 포함하여도 본 개시의 본질을 해치지 않는 범위 내에서 구현될 수 있다.
앞서 설명한 동작들은 해당 프로그램 코드를 저장한 메모리 장치를 통신 시스템의 엔터티, 기능(Function), 기지국, 단말 또는 차량 장치 내의 임의의 구성부에 구비함으로써 실현될 수 있다. 즉, 엔터티, 기능(Function), 기지국, 단말 또는 차량 장치의 제어부는 메모리 장치 내에 저장된 프로그램 코드를 프로세서 혹은 CPU(central processing unit)에 의해 읽어내어 실행함으로써 앞서 설명한 동작들을 실행할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 엔터티, 기능(Function), 기지국, 단말 또는 차량 장치의 다양한 구성부들과, 모듈(module)등은 하드웨어(hardware) 회로, 일 예로 상보성 금속 산화막 반도체(complementary metal oxide semiconductor) 기반 논리 회로와, 펌웨어(firmware)와, 소프트웨어(software) 및/혹은 하드웨어와 펌웨어 및/혹은 머신 판독 가능 매체에 삽입된 소프트웨어의 조합과 같은 하드웨어 회로를 사용하여 동작될 수도 있다. 일 예로, 다양한 전기 구조 및 방법들은 트랜지스터(transistor)들과, 논리 게이트(logic gate)들과, 주문형 반도체와 같은 전기 회로들을 사용하여 실시될 수 있다.
한편, 본 개시의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 개시의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 개시의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (34)

  1. 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 방법에 있어서,
    양방향 결합기를 통과하여 안테나로 전송되는 신호인 순방향 경로 신호(b3)와 상기 안테나로부터 반사되어 상기 양방향 결합기로 전송되는 신호인 역방향 경로 신호(b4)를 획득하는 과정;
    상기 역방향 경로 신호 대 상기 순방향 경로 신호의 비율 값(b4/b3)을 근사 반사 계수로 확인하는 과정;
    부하 임피던스의 변화에 상응하는 근사 반사 계수들을 추정하여 획득된 룩업 테이블에서 상기 확인된 근사 반사 계수의 상기 비율 값(b4/b3)에 매핑된 안테나 임피던스 매칭 파라미터를 확인하는 과정; 및
    상기 임피던스 매칭 파라미터를 근거로 안테나 임피던스 매칭을 수행하는 안테나 임피던스 매칭 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나를 통해 전송되는 신호의 전력을 측정하여 상기 안테나 임피던스 매칭이 필요한 지 여부를 확인하는 과정을 더 포함하는 안테나 임피던스 매칭 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 근사 반사 계수가 특정 경계 조건에 부합하는지를 확인하는 과정;
    상기 근사 반사 계수가 상기 특정 경계 조건에 부합되지 않는 경우, 추가적인 안테나 임피던스 매칭 파라미터를 탐색하는 과정; 및
    상기 근사 반사 계수가 상기 특정 경계 조건에 부합되는 경우, 최대 전송 전력을 위한 디폴트 안테나 임피던스 매칭 파라미터를 설정하는 과정을 포함하는 안테나 임피던스 매칭 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    아날로그 프론트 경로에서 지연에 의한 상기 근사 반사 계수의 오차를 획득하는 과정을 더 포함하는 안테나 임피던스 매칭 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 오차를 획득하는 과정은,
    송신 신호에 대한 수신 신호의 상관값들을 획득하는 과정;
    상기 획득된 상관값들 중 최대 상관값을 선택하는 과정;
    상기 최대 상관값에 상응하는 지연값을 선택하는 과정;
    상기 선택된 지연값에 대해 IIR(infinite impulse response) 필터링을 수행하는 과정; 및
    다음 상관값을 획득하기 위해 상기 필터링된 지연값을 적용하는 과정을 포함하는 안테나 임피던스 매칭 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 적용하는 과정은,
    상기 필터링된 지연값을 지연 레지스터에 적용하여 지연을 보상하는 과정을 포함하는 안테나 임피던스 매칭 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 최대 상관값에 상응하는 상기 지연값에 대한 신호 대역폭을 획득하는 과정; 및
    상기 신호 대역폭을 기반으로 IIR 필터 가중치를 선택하는 과정을 더 포함하는 안테나 임피던스 매칭 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 신호 대역폭은 통신 방식에 따른 대역폭과 신호 할당에 따른 대역폭 중 적어도 하나에 대한 변화를 포함하는 안테나 임피던스 매칭 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 IIR 필터링은 상기 양방향 결합기의 상기 순방향 경로 신호와 상기 역방향 경로 신호의 각각에 적용되는 안테나 임피던스 매칭 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    전체 안테나 임피던스 영역에 대한 VSWR(voltage standing wave ratio)을 만족하는 CDF(cumulative distribution function)를 확인하는 과정; 및
    상기 CDF를 근거로 상기 룩업 테이블에서 포인트 수를 선택하고 상기 선택된 포인트 수를 이용하여 상기 룩업 테이블을 생성하는 과정을 더 포함하는 안테나 임피던스 매칭 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    부하 풀 튜너(load pull tuner)를 이용하여 상기 부하 임피던스를 생성하는 과정; 및
    상기 부하 임피던스의 상기 변화에 상응하는 상기 근사 반사 계수들과, 최대 송신 전력에 상응하는 상기 안테나 임피던스 매칭 파라미터를 추정하여 상기 룩업 테이블을 생성하는 과정을 포함하는 안테나 임피던스 매칭 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 근사 반사 계수의 값들은 대응되는 임피던스 매칭 파라미터들에 매핑되어 있는 안테나 임피던스 매칭 방법.
  13. 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치에 있어서,
    안테나 임피던스 매칭부; 및
    양방향 결합기를 통과하여 안테나로 전송되는 신호인 순방향 경로 신호(b3)와 상기 안테나로부터 반사되어 상기 양방향 결합기로 전송되는 신호인 역방향 경로 신호(b4)를 획득하고,
    상기 역방향 경로 신호 대 상기 순방향 경로 신호의 비율 값(b4/b3)을 근사 반사 계수로 확인하며,
    부하 임피던스의 변화에 상응하는 근사 반사 계수들을 추정하여 획득된 룩업 테이블에서 상기 확인된 근사 반사 계수의 상기 비율 값(b4/b3)에 매핑된 안테나 임피던스 매칭 파라미터를 확인하고,
    상기 임피던스 매칭 파라미터를 근거로 상기 안테나 임피던스 매칭부를 이용하여 안테나 임피던스 매칭을 수행하도록 구성된 제어부를 포함하는 안테나 임피던스 매칭 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 근사 반사 계수의 값들은 대응되는 임피던스 매칭 파라미터들에 매핑되어 있는 안테나 임피던스 매칭 장치.
  15. 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치에 있어서,
    안테나의 신호 경로에 연결된 양방향 결합기; 및
    상기 양방향 결합기를 통과하여 상기 안테나로 전송되는 신호인 순방향 경로 신호(b3)와 상기 안테나로부터 반사되어 상기 양방향 결합기로 전송되는 신호인 역방향 경로 신호(b4)를 획득하고,
    상기 역방향 경로 신호 대 상기 순방향 경로 신호의 비율 값(b4/b3)을 근사 반사 계수로 확인하며,
    부하 임피던스의 변화에 상응하는 근사 반사 계수들을 추정하여 획득된 룩업 테이블에서 상기 확인된 근사 반사 계수의 상기 비율 값(b4/b3)에 매핑된 안테나 임피던스 매칭 파라미터를 확인하고,
    상기 임피던스 매칭 파라미터를 근거로 안테나 임피던스 매칭을 수행하도록 구성된 제어부를 포함하는 안테나 임피던스 매칭 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어부는 아날로그 프론트 경로에서 지연에 의한 상기 근사 반사 계수의 오차를 획득하고, 상기 오차를 보상하며, 송신 신호에 대한 수신 신호의 최대 상관값에 상응하는 지연값을 결정하고, 상기 지연값에 대해 IIR(infinite impulse response) 필터링을 수행하며, 상기 필터링된 지연값을 이용하여 다음 상관값을 획득하도록 더 구성된 안테나 임피던스 매칭 장치.
  17. 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치에 있어서,
    안테나의 신호 경로에 연결된 양방향 결합기의 입력 신호와 출력 신호를 근거로 근사 반사 계수를 결정하고,
    부하 임피던스의 변화에 상응하는 근사 반사 계수들을 추정하여 획득된 룩업 테이블에서 상기 결정된 근사 반사 계수에 매핑된 안테나 임피던스 매칭 파라미터를 결정하도록 구성된 제어부; 및
    상기 임피던스 매칭 파라미터를 근거로 안테나 임피던스 매칭을 수행하도록 구성된 안테나 임피던스 매칭부를 포함하며,
    상기 입력 신호와 상기 출력 신호는 상기 양방향 결합기의 순방향 경로와 역방향 경로의 양자에서 전파되며,
    상기 제어부는 상기 양방향 결합기의 상기 순방향 경로와 상기 역방향 경로에서 IIR(infinite impulse response) 필터링을 적용하도록 구성된 안테나 임피던스 매칭 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 역방향 경로에서 상기 양방향 결합기의 출력 전력 대 상기 순방향 경로에서 상기 양방향 결합기의 출력 전력의 비율(b4/b3)을 근거로 상기 근사 반사 계수를 결정하도록 구성된 안테나 임피던스 매칭 장치.
  19. 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치에 있어서,
    안테나의 신호 경로에 연결된 양방향 결합기; 및
    역방향 경로에서 상기 양방향 결합기의 출력 전력과 순방향 경로에서 상기 양방향 결합기의 출력 전력을 근거로 근사 반사 계수를 결정하고,
    부하 임피던스의 변화에 상응하는 근사 반사 계수들을 추정하여 획득된 룩업 테이블을 이용하여 상기 결정된 근사 반사 계수에 상응하는 안테나 임피던스 매칭 파라미터를 결정하며,
    상기 임피던스 매칭 파라미터를 근거로 안테나 임피던스 매칭을 수행하도록 구성된 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 순방향 경로와 상기 역방향 경로에서 IIR(infinite impulse response) 필터링을 적용하도록 구성된 안테나 임피던스 매칭 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 역방향 경로에서 상기 양방향 결합기의 상기 출력 전력 대 상기 순방향 경로에서 상기 양방향 결합기의 상기 출력 전력의 비율(b4/b3)을 근거로 상기 근사 반사 계수를 결정하도록 구성된 안테나 임피던스 매칭 장치.
  21. 무선 통신 시스템에서 안테나 임피던스 매칭 장치에 있어서,
    안테나의 신호 경로에 연결된 양방향 결합기;
    임피던스 튜너와 애퍼쳐 튜너(aperture tuner) 중 적어도 하나를 포함하는 TMN(tunable matching network);
    상기 양방향 결합기의 입력 신호와 출력 신호를 근거로 근사 반사 계수를 결정하고,
    부하 임피던스의 변화에 상응하는 근사 반사 계수들을 추정하여 획득된 룩업 테이블에서 상기 결정된 근사 반사 계수에 매핑된 적어도 하나의 안테나 임피던스 매칭 파라미터를 결정하며,
    상기 결정된 적어도 하나의 임피던스 매칭 파라미터를 근거로 상기 적어도 하나의 TMN을 제어하여 안테나 임피던스 매칭을 수행하도록 구성된 제어부를 포함하며,
    상기 입력 신호와 상기 출력 신호는 상기 양방향 결합기의 순방향 경로와 역방향 경로의 양자에서 전파되며,
    상기 제어부는 상기 양방향 결합기의 상기 순방향 경로와 상기 역방향 경로에서 IIR(infinite impulse response) 필터링을 적용하도록 구성된 안테나 임피던스 매칭 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 역방향 경로에서 상기 양방향 결합기의 출력 전력 대 상기 순방향 경로에서 상기 양방향 결합기의 출력 전력의 비율(b4/b3)을 근거로 상기 근사 반사 계수를 결정하도록 구성된 안테나 임피던스 매칭 장치.
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