KR102551720B1 - 격자구조 변조심볼 생성방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

격자구조 변조심볼 생성장치가 다각 격자구조의 변조심볼 생성하는 방법은, a) 격자구조 변조심볼 생성장치가 직교좌표상의 임의의 지점에 제1성상점을 선택하는 단계;
b) 상기 격자구조 변조심볼 생성장치가 상기 제1성상점을 기준으로 한 변의 길이가 2d인 균일한 다각 격자들을 생성하는 단계; -여기서 d는 인접 성상점 사이의 최소 거리의 1/2을 나타내는 것임.
c) 상기 격자구조 변조심볼 생성장치가 상기 제1성상점을 제외한 격자의 꼭짓점들 중에서 심볼 에너지가 최소인 지점을 제2성상점으로 선택하여 생성하는 단계; 및
d) c) 단계 이후에 이미 생성된 성상점들을 제외하고 순차적으로 반복하여 제M 성상점까지 선택하여 생성하는 단계;- 여기서 M은 자연수임, 를 포함한다.

Description

격자구조 변조심볼 생성방법 및 장치{Method and apparatus for generating modulation symbol with lattice structure}
본 발명은 고속 데이터 전송을 위한 격자구조 변조심볼 생성 방법 및 장치에 관한 것이다.
디지털 통신시스템에서 고속 데이터 전송을 위해 많은 무선통신 기술들이 제공되고 있다. 직교 진폭 변조(QAM, Quadrature Amplitude Modulation)는 DVB-T2, DVB-C2, UHD 등 최신 무선 통신 및 방송 시스템에서 대용량 데이터의 고속 전송을 위해 사용되고 있다.
데이터 전송 디바이스는 비트 열로 구성된 데이터를 송신시에 변조(Modulation)과정을 수행한다. 즉, 데이터 전송 디바이스는 비트 열로 구성된 데이터를 성상도에 매칭(constellation mapping)하여 데이터를 송신한다.
고속 데이터 전송에는 고차변조(high-order modulation) 기법이 연구되었다. 대표적인 종래의 고차변조(high-order modulation) 기법으로 사각직교진폭변조(square quadrature amplitude modulation, SQAM) 방법이 있다.
QAM은 다양한 신호점 배치가 가능하기 때문에 이에 대한 연구가 지금까지 꾸준히 진행되고 있다.
QAM은 두 개의 진폭 변조 신호를 하나의 채널로 결합함으로써, 한정된 주파수 대역에서 2배의 전송 효율을 얻을 수 있다. 하나의 QAM 신호에는 동일한 주파수를 가지며, 90°의 위상 차이가 나는 2개의 반송파를 포함한다. 2개의 반송파 중에서 하나의 신호를 I축 신호, 또 다른 하나를 Q 축 신호로 정의된다.
변조된 두 개의 반송파는 송신단에서 전송을 위해 결합되며, 수신 측에서 분리되어 각 반송파로부터 데이터가 추출된다. 이러한 QAM은 제한된 전송 대역 내에서 데이터 전송을 고속으로 하는데 유용하게 사용될 수 있다.
예를 들어, 데이터 전송 디바이스는 4-QAM(Quadrature Amplitude Modulation), 16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation), 또는 64-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)의 성상도를 이용하여 데이터를 매칭하는 기술들이 연구되어 왔다.
고속 데이터 전송을 위한 방법으로 심볼 당 다수 개의 비트를 전송하는 M진 사각직교진폭변조 기법은 송신구조가 간단하여 각종 유무선 디지털 통신시스템에서 전송속도 개선을 위해 사용된다.
도 10은 종래 기술인 64진 사각직교진폭변조 기법의 성상도(constellation diagram)를 도시한 것이다. 도 10을 참조하면, 변조심볼은 균일한 크기의 사각 격자(square lattice)의 꼭짓점에 배치되고 성상도 전체의 외형(포락선, envelope)은 정사각형 형태를 갖는다. 한편, 각 변조심볼의 에너지는 (I-축 성분의 크기)2+(Q-축 성분의 크기)2로 정의된다. 도 10에서 각 변조심볼의 I-축과 Q-축 좌표는
Figure 112021126545820-pat00001
,
Figure 112021126545820-pat00002
,
Figure 112021126545820-pat00003
또는
Figure 112021126545820-pat00004
이므로 상기 성상도의 평균 심볼 에너지(
Figure 112021126545820-pat00005
)는
Figure 112021126545820-pat00006
로 산출된다.
d는 인접 성상점의 최소 거리의 1/2을 나타낸다. 이러한 종래의 사각직교진폭변조 기법은 구현이 용이하고 오류를 줄이기 위한 방법으로 개선되어 왔으나, 변조심볼 에너지를 줄이기 위한 최적의 성능을 제공하지 못한다.
종래 사각직교진폭변조에 관한 신호점 배치방법 기술에 대해서는 대한민국 등록특허 10-1653108호에 개시된 바 있다. 또한, 사각직교진폭변조를 이용한 데이터 전송방법으로는 대한민국 공개특허공보 10-2016-0103419호, 10-2020-0017754호에 개시된 바 있다.
또한, 대한민국 등록특허공보 10-1711452호에는 직교진폭변조 성상을 갖는 격자부호 변조기 장치에 대한 구성이 개시된 바 있다.
대한민국 등록특허공보 10-1653108호 대한민국 공개특허공보 10-2016-0103419호 대한민국 공개특허공보 10-2020-0017754호 대한민국 등록특허공보 10-1711452호
본 발명의 목적은 성상점들이 격자 구조의 꼭짓점에 위치하는 성질을 유지하면서도 에너지 효율을 향상시키는 격자구조 변조심볼 생성 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 격자구조 변조심볼 생성장치가 다각 격자구조의 변조심볼 생성하는 방법은, a) 상기 격자구조 변조심볼 생성장치가 직교좌표상의 임의의 지점에 제1성상점을 선택하는 단계; b) 상기 격자구조 변조심볼 생성장치가 상기 제1성상점을 기준으로 한 변의 길이가 2d인 균일한 다각 격자들을 생성하는 단계; -여기서 d는 인접 성상점 사이의 최소 거리의 1/2을 나타내는 것임, c) 상기 격자구조 변조심볼 생성장치가 상기 제1성상점을 제외한 격자의 꼭짓점들 중에서 심볼 에너지가 최소인 지점을 제2성상점으로 선택하여 생성하는 단계; 및 d) c) 단계 이후에 이미 생성된 성상점들을 제외하고 순차적으로 반복하여 제M 성상점까지 선택하여 생성하는 단계;-여기서 M은 자연수임, 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 변조심볼 생성 방법을 수행하는 격자구조 변조심볼 생성장치는, 입력 데이터를 비트 시퀀스로 변환하는 입력신호 처리부; 및 상기 입력신호 처리부에서 변환된 비트 시퀀스를 이용하여 심볼을 획득하고, 획득된 심볼이 나타내는 비트들에 기초하여 성상도 상의 성상점들 중 하나로 매핑하는 기능을 포함하는 직교변조 처리부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 고속 데이터 전송을 위해 고차변조 기법을 사용하는 디지털 통신시스템에서 평균 심볼 에너지를 저감시켜 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 격자구조 변조심볼 생성장치의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사각 격자구조 변조심볼 생성방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 사각직교진폭 변조심볼 생성방법의 제1성상점 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사각직교진폭 변조심볼의 성상점 후보군의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사각직교진폭 변조방법의 제2성상점을 선택하여 생성한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 사각직교진폭변조의 제3성상점을 선택하여 생성한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 사각직교진폭변조의 제4성상점을 선택하여 생성한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 64진 원형포락선 사각직교진폭변조의 성상도의 예시도이다.
도 9는 본 발명의 다각 직교진폭 변조심볼 생성방법의 일 예로 16진 원형포락선 삼각직교진폭변조 심볼 생성방법으로 생성된 성상도를 도시한 것이다.
도 10은 종래 기술인 64진 사각직교진폭변조 기법의 성상도(constellation diagram)를 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 작동을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결', '결합' 또는 '접속'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하 본 발명의 구현에 따른 격자구조 변조심볼 생성 방법 및 장치에 관해 실시 예를 들어 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 격자구조 변조심볼 생성 방법 및 장치는 다각 격자구조의 꼭짓점에 위치하는 성상점으로 형성된 성상도를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 격자구조 변조심볼 생성장치의 구성을 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 격자구조 변조심볼 생성장치(10)는 입력 데이터를 비트 시퀀스로 변환하는 입력신호 처리부(11), 상기 입력신호 처리부(11)에서 변환된 비트 시퀀스를 이용하여 심볼을 획득하여 성상도 상의 성상점들 중 하나로 매핑하는 기능을 포함하는 직교변조 처리부(12), 상기 직교변조 처리부(12)에서 매핑된 성상값을 변조신호로 변환하는 변조신호 처리부(13)를 포함한다.
상기 격자구조 변조심볼 생성장치(10)의 각부는 각각 설정된 프로그램에 의해 처리하는 프로세서를 포함하여 구성된다.
또 다른 실시 예에서는 상기 입력신호 처리부(11), 상기 직교변조 처리부(12) 및 변조신호 처리부(13)는 하나의 모듈레이터 프로세서에 의해 수행될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사각 격자구조 변조심볼 생성방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 격자구조 변조심볼 생성 방법은 삼각 및 사각을 포함함 다각 격자구조의 꼭짓점에 위치하는 성상점으로 형성된 성상도를 포함한다.
도 2는 다각 구조의 일 예인 사각구조의 변조심볼 생성 방법을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 상기 격자구조 변조심볼 생성장치(10)가 사각 격자(square lattice)에 기반한 변조심볼 생성방법은, 먼저 격자구조 변조심볼 생성장치(10))의 직교변조 처리부(12)가 직교좌표상의 임의의 지점에 제1성상점을 선택하는 단계(110)가 수행된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 사각직교진폭 변조심볼 생성방법의 제1성상점 예시도이다.
도 3을 참조하면, 110단계에서 원점을 기준으로 임의의(dx dy) 위치에 제1성상점(S1)이 선택된다.
다음은 직교변조 처리부(12)가 제1성상점을 기준으로 한 변의 길이가 2d인 균일한 사각 격자들을 생성하는 단계(120)가 수행된다.
여기서 d는 인접 성상점 간 최소 거리의 1/2을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사각직교진폭 변조심볼의 성상점 후보군의 예시도이다.
도 4를 참조하면, 120단계에서 제1성상점을 기준으로 한 변의 길이가 2d인 균일한 사각 격자들이 생성된다.
다음은, 이미 선택된 상기 제1성상점을 제외한 격자의 꼭짓점들 중에서 심볼 에너지가 최소인 지점을 제2성상점으로 선택하여 생성하는 단계(130)가 수행된다. 130단계에서 심볼 에너지가 최소인 지점이 여러 개일 경우, 그 중 하나를 임의로 선택한다. 제2성상점을 선택하는 과정에서, 꼭짓점 중에서 심볼 에너지가 최소인 지점은 (I-축 성분의 크기)2+(Q-축 성분의 크기)2로 산출하여 선택된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사각직교진폭 변조방법의 제2성상점을 선택하여 생성한 예시도이다.
도 5를 참조하면, 제1성상점을 제외하고, 격자의 꼭짓점들 중에서 심볼 에너지가 최소인 지점인 2사분면에 제2성상점(S2)으로 선택하여 생성한다.
다음은 120단계 이후에 이미 생성된 성상점들을 제외하고 순차적으로 반복하여 제3성상점, 제4성상점, …, 제64성상점을 선택하여 생성하는 단계(140)가 수행된다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 사각직교진폭변조의 제3성상점을 선택하여 생성한 예시도이다.
도 6을 참조하면, 제1성상점, 제2성상점을 제외하고, 나머지 격자의 꼭짓점들 중에서 심볼 에너지가 최소인 지점인 3사분면에 제3성상점(S3)으로 선택하여 생성한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 사각직교진폭변조의 제4성상점을 선택하여 생성한 예시도이다.
도 7을 참조하면, 제1성상점, 제2성상점 및 제3성상점을 제외하고, 나머지 격자의 꼭짓점들 중에서 심볼 에너지가 최소인 지점인 4사분면에 제4성상점(S4)으로 선택하여 생성한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 64진 원형포락선 사각직교진폭변조의 성상도의 예시도이다.
도 8은 발명의 일 실시 예에 따른 사각직교진폭 변조심볼 생성방법을 거쳐 획득한 64진 원형포락선 사각직교진폭변조의 성상도를 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 사각직교진폭 변조심볼 생성방법에 의해 생성한 성상도는 원형포락선 형상으로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 의해 생성한 성상도의 포락선은 변조심볼의 개수 M이 증가할수록 원의 형태에 수렴하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 생성한 도 8의 사각직교진폭 변조심볼 성상도(수학식 2)와 도 10의 종래의 성상도(수학식1)와 64진의 평균 심볼 에너지를 계산해보면 다음과 같다.
Figure 112021126545820-pat00007
Figure 112021126545820-pat00008
평균 심볼에너지는 각 심볼에너지 즉, (I-축 성분의 크기)2+(Q-축 성분의 크기)2를 모두 산출한 후, 이들의 산술평균을 구하여 평균 심볼에너지 Es를 산출한다. 이렇듯, 성상도가 주어지면 평균 심볼에너지를 계산할 수가 있다.
따라서, M=64일 때, 일 때, 종래 기법 대비 본 발명에 의한 전력이득은 다음과 수학식3과 같이 계산된다.
Figure 112021126545820-pat00009
상기에서 종래기술과 대비하기 위해 M=64 에 한정하여 설명하였으나 본 발명은 64진뿐 아니라 4, 16, 32, 64, 256 또는 1,024진 등 임의의 M(M은 자연수임)진에 대해 적용할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 변조심볼 생성장치(10)의 변조신호 처리부(13)에서는 상기 생성한 성상도의 회전 또는 대칭 등의 이동으로 새로운 성상도를 생성하는 것을 포함하여 변조에 이용될 수 있다.
또한, 도 2 내지 8은 본 발명의 다각 직교진폭 변조심볼 생성방법 중의 하나의 예로 사각격자구조 변조심볼 생성 방법을 설명하였으나, 본 발명은 삼각 및 사각을 포함함 다각 격자구조의 꼭짓점에 위치하는 성상점으로 형성된 성상도를 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다각 직교진폭 변조심볼 생성방법의 일 예로 16진 원형포락선 삼각직교진폭변조 심볼 생성방법으로 생성된 성상도를 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예로 삼각 격자(triangular lattice)에 기반한 삼각직교진폭변조 심볼 생성방법은 사각직교진폭변조 심볼 생성방법과 동일한 단계를 적용하여 생성될 수 있다.
예를 들면, 상기 격자구조 변조심볼 생성장치(10)가 삼각 격자(triangular lattice)에 기반한 변조심볼 생성방법은 먼저 임의의 지점에 제1성상점을 선택하는 단계(110)가 수행된다.
다음은 제1성상점을 기준으로 한 변의 길이가 2d인 균일한 삼각 격자들을 생성하는 단계(120)가 수행된다.
그리고 이미 선택된 상기 제1성상점을 제외한 격자의 꼭짓점들 중에서 심볼 에너지가 최소인 지점을 제2성상점으로 선택하여 생성하는 단계(130)가 수행된다. 여기서 심볼 에너지가 최소인 지점이 여러 개일 경우, 그 중 하나를 임의로 선택한다.
다음은 위와 같은 단계를 순차적으로 반복하여 제3성상점, 제4성상점, …, 제16진 성상점까지 선택하여 생성하는 단계(140)가 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 고속 데이터 전송을 위해 고차변조 기법을 사용하는 디지털 통신시스템에서 평균 심볼 에너지를 저감시켜 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
10: 격자구조 변조심볼 생성장치
11: 입력신호 처리부
12: 직교변조 처리부
13: 변조신호 처리부

Claims (5)

  1. 격자구조 변조심볼 생성장치가 다각 격자구조의 변조심볼 생성하는 방법에 있어서,
    a) 상기 격자구조 변조심볼 생성장치가 직교좌표상의 임의의 지점에 제1성상점을 선택하는 단계;
    b) 상기 격자구조 변조심볼 생성장치가 상기 제1성상점을 기준으로 한 변의 길이가 2d인 균일한 다각 격자들을 생성하는 단계; -여기서 d는 인접 성상점 사이의 최소 거리의 1/2을 나타내는 것임.
    c) 상기 격자구조 변조심볼 생성장치가 상기 제1성상점을 제외한 격자의 꼭짓점들 중에서 심볼 에너지가 최소인 지점을 제2성상점으로 선택하여 생성하는 단계; 및
    d) 상기 c) 단계 이후에 이미 생성된 성상점들을 제외하고 순차적으로 반복하여 제M 성상점까지 선택하여 생성하는 단계;- 여기서 M은 자연수임.
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자구조 변조심볼 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다각 격자는 사각 격자인 것을 특징으로 하는 격자구조 변조심볼 생성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다각 격자는 삼각 격자인 것을 특징으로 하는 격자구조 변조심볼 생성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 c)단계에서 심볼 에너지가 최소인 지점이 여러 개일 경우, 그 중 하나를 임의로 선택하는 것을 특징으로 하는 격자구조 변조심볼 생성 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 변조심볼 생성 방법을 수행하는 격자구조 변조심볼 생성장치에 있어서,
    상기 격자구조 변조심볼 생성장치는
    입력 데이터를 비트 시퀀스로 변환하는 입력신호 처리부; 및
    상기 입력신호 처리부에서 변환된 비트 시퀀스를 이용하여 심볼을 획득하고, 획득된 심볼이 나타내는 비트들에 기초하여 성상도 상의 성상점들 중 하나로 매핑하는 기능을 포함하는 직교변조 처리부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자구조 변조심볼 생성장치.

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