KR19980064800A - 직교 위상 쉬프트 키잉 변조된 백스캐터 시스템 - Google Patents

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KR19980064800A
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맥랠런존오스틴
쇼버알안토니
배누치지오배니
라이트그레고리알렌
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말본씨엔
루슨트테크놀로지스인코포레이티드
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Abstract

본 발명에 따라, 듀플렉스 무선 통신 시스템(duplex radio communication system)은 무선 신호를 생성하여 적어도 하나의 원격 태그(tag)로 전송하는 호출기(Interrogator)를 포함한다. 원격 태그는 무선 신호를 수신한다. 이어서, 태그는 부반송파 신호를 생성하며, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)를 이용하여 정보 신호를 부반송파로 변조한다. 백스캐터 변조기(Backscatter Modulator)는 변조된 부반송파를 이용하여 무선 신호의 반사 신호를 변조하는데, 반사된 신호는 반사된 변조 신호이다. 호출기는 반사된 변조 신호를 수신한 후 이를 복조하여 정보 신호를 획득한다. 일실시예에서, 복조를 수행하는 경우 호모다인 검출기(homodyne detector)를 이용한다. 다른 실시예에서, 호출기는 정보 신호를 무선 신호로 변조한 후 변조된 무선 신호를 태그로 송신하며, 태그는 변조된 무선 신호를 복조하여 정보 신호를 복원한다. 다른 실시예에서, 보다 높은 차수의 위상 변조는 정보 신호를 부반송파로 변조하는데 사용된다.

Description

직교 위상 쉬프트 키잉 변조된 백스캐터 시스템
본 발명은 무선 통신 시스템(wireless communication systems)에 관한 것으로서, 특히, 변조된 백스캐터 기법(modulated backscatter technology)을 이용한 무선 통신 시스템에 관한 것이다.
본 발명과 관련된 주요 내용들은 본 발명의 출원과 동시에 그리고 동일한 대리인에 의해 출원된 다음의 출원, 즉, 미국 특허 출원 제 호의Shielding Technology In Modulated Backscatter System, 제 호의Encryption for Modulated Backscatter System, 제 호의Antenna Array In An RDID System, 제 호의Modulated Backscatter Location System, 제 호의Modulated Backscatter Sensor System, 제 호의Subcarrier Frequency Division Multiplexing Of Modulated Backscatter Signals, 제 호의IQ Combiner Technology In Modulated Backscatter System, 제 호의In-Building Personal Pager And Identifier제 호의In-Building Modulated Backscatter System, 제 호의Inexpensive Modulated Backscatter Reflector, 제 호의Passenger, Baggage, And Cargo Reconciliation System에 개시되어 있다. 또한, 본 발명과 관련된 주요 내용들은 본 발명의 출원인과 동일한 대리인에 의해 출원된 다음의 출원, 즉,Modulated Backscatter Communications System Having An Extended Range란 명칭의 미국 특허 출원 제 08/504,188 호,Dual Mode Modulated Backscatter System이란 명칭의 미국 특허 출원 제 08/492,173 호,Full Duplex Modulated Backscatter System이란 명칭의 미국 특허 출원 제 08/492,174 호, 및Enhanced Uplink Modulated Backscatter System이란 명칭의 미국 특허 출원 제 08/571,004 호에 개시되어 있다.
무선 주파수 식별기(Radio Frequency IDentification; RFID) 시스템은 장비, 재고품, 또는 생활품의 식별 및/또는 추적에 사용된다. RFID 시스템은 호출기(Interrogator)라고 지칭되는 무선 트랜시버(transceiver)와 태그 또는 트랜스폰더(transponder)라고 지칭되는 저렴한 여러 장치들간에 통신을 하는 무선 통신 시스템이다. RFID 시스템에서, 호출기는 변조된 무선 신호를 이용하여 태그들과 통신을 하며, 태그들은 변조된 무선 신호에 응답한다. 우선, 호출기는 진폭 변조된 신호를 태그로 송신한다. 그 후, 호출기는 연속파(Continuous-Wave; CW) 무선 신호를 태그로 송신한다. 그 후, 태그는 변조된 백스캐터링(Modulated BackScattering; MBS)을 이용하여 CW 신호를 변조하며, 여기서 태그의 변조 신호에 의해 RF 방사(radiation)의 흡수기(absorber)가 있는 곳으로부터 RF 방사의 반사기(reflector)가 있는 곳까지 안테나가 전기적으로 스위치되며, 이것에 의해 태그의 정보가 CW 무선 신호로 부호화된다. 호출기는 수신되는 변조된 무선 신호를 복조한 후 태그의 정보 메시지를 디코드한다.
MBS 시스템은 전형적으로 진폭 변조 기법을 이용하여 호출기로부터 태그까지 통신을 한다. 태그 대 호출기 MBS 통신의 경우, 종래 기술은 주파수 쉬프트 키잉 변조 기법을 계속해서 이용한다. 또한, 종래 기술은 호출기에서 MBS 신호의 베이스밴드 호모다인 검출을 그래로 유지한다. 그러나, 베이스밴드 호모다인 검출은 발진기 위상 잡음, 커다란 DC 오프셋, 및 믹서 잡음의 문제가 있다.
본 발명의 실시예에서는, MBS 시스템에서 직교 위상 쉬프트 키잉(Quadrature Phase Shift Keying; QPSK)을 이용하기 위한 기법을 개시하며, 또한, QPSK를 보다 높은 차수의 위상 변조로 확장하는 기법을 개시한다.
본 발명의 실시예에 따라, 듀플렉스 무선 통신 시스템(duplex radio communication system)은 적어도 하나의 원격 태그로 무선 신호를 생성하는 호출기를 포함한다. 원격 태그는 무선 신호를 수신한다. 그 후, 태그는 부반송파 신호를 생성하며, QPSK를 이용하여 정보 신호를 부반송파로 변조한다. 백스캐터 변조기는 이 변조된 부반송파를 이용하여 무선 신호의 반사 신호를 변조하며, 반사된 신호는 반사된 변조 신호로 존재한다. 호출기는 반사된 변조 신호를 수신한 후 복조하여 정보 신호를 얻는다. 일실시예에서, 호모다인 검출기(homodyne detector)를 이용하여 복조를 한다. 다른 실시예에서, 호출기는 정보 신호를 무선 신호로 변조한 후 이 변조된 무선 신호를 태그로 송신하며, 태그는 이 변조된 무선 신호를 복조하여 정보 신호를 복원한다. 다른 실시예에서, 보다 높은 차수의 위상 변조를 이용하여 정보 신호를 부반송파로 변조한다.
도 1은 예시적인 무선 주파수 식별 시스템의 블럭도.
도 2는 도 1의 RFID 시스템에서 사용된 예시적인 호출기 유닛의 블럭도.
도 3은 도 1의 RFID 시스템에서 사용된 태그 유닛의 블럭도.
도 4는 DQPSK 베이스밴드 부호화기 프로세스를 도시한 블럭도.
도 5는 예시적인 외부 MBS 부반송파 변조 회로의 논리도.
도 6은 부반송파의 4 개의 위상을 도시한 도면.
도 7은 게이트 어레이 DQPSK 수신기의 논리도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101 : 응용 프로세서 102 : LAN
103, 104 : 호출기 105, 106, 107 : 태그
200, 305 : 프로세서 201 : 무선 신호 소스
202 : 변조기 203 : 송신기
204 : 송신 안테나 206 : 수신 안테나
207 : 저잡음 증폭기 208 : 직교 믹서
210 : 필터 증폭기 212 : 부반송파 복조기
302 : 검출기 변조기 303 : 증폭기
304 : 클럭 복원 회로 307 : 변조기 제어 회로
309 : 디스플레이 310 : 배터리
410 : 그레이 부호화기 420 : 위상 가산기
602 : 쉬프트 레지스터 605 : 누산 회로
RFID 응용들 중 하나의 부류는 RFID 기법을 이용하여 콘테이너(container) 또는 팰넛(pallet)에 부착된 태그로부터 정보를 판독하는 기법을 포함한다. 이 응용에서, 콘테이너는 호출기의 판독 필드를 통해 이동한다. 판독 필드는 성공적으로 통신할 수 있는 공간의 볼륨으로서 정의된다. 태그가 판독 필드에 있는 동안, 호출기와 태그는 태그가 필드로부터 벗어나기 전에 정보 교환을 완료해야 한다. 태그는 판독 필드를 통해 이동하므로, RFID 시스템은 한정된 시간내에 트랜잭션을 성공적으로 종료해야 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 응용을 기술하기에 유용한 예시적인 RFID 시스템의 전체 블럭도가 도시되어 있다. 응용 프로세서(101)는 LAN(Local Area Network)(102)을 통해 복수의 호출기들(103-104)과 통신한다. 그 후, 호출기는 하나 이상의 태그들(105-107)과 각각 통신한다. 예를 들어, 호출기(103)는 전형적으로 응용 프로세서(101)로부터 정보 신호를 수신한다. 호출기(103)는 이 정보 신호를 수신하며, 프로세서(200)(도 2 참조)는 태그로 송신될 다운링크 메시지(downlink message)(정보 신호(200a))를 적절히 포맷한다. 어느 태그가 응답할 것인지를 지정하는 정보(각각의 태그는 고정되거나 프로그램된 식별 번호를 갖고 있을 것이다)와 같은 정보 신호(200a) 정보는 태그의 프로세서가 수행하는 것을 나타내거나 태그의 프로세서에 의해 사용 및/또는 저장될 다른 정보를 나타낸다. 도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 무선 신호 소스(201)는 무선 신호를 생성하고, 변조기(202)는 정보 신호(200a)를 무선 신호로 변조하며, 송신기(203)는 안테나(204)를 통해 이 변조된 신호를, 예시적으로 진폭 변조를 이용하여 태그로 송신한다. 태그가 이러한 신호를 (다이오드와 같은) 단일의 저렴한 비선형 장치로 복조할 수 있기 때문에 진폭 변조 방법이 일반적으로 이용된다.
태그(105)에서(도 3 참조), (일반적으로 루프 또는 페치 안테나인) 안테나(301)는 변조된 신호를 수신한다. 이 신호는 예시적으로 단일의 쇼트키 다이오드(Schottky diode)일 수 있는 검출기/변조기(302)를 이용하여 베이스밴드로 직접 복조된다. 다이오드는 무선 신호의 손실이 최소가 되도록 하기위해 다이오드의 임피던스가 안테나(301)의 임피던스와 정합되는 전류의 레벨로 적절히 바이어스되어야 한다. 결과적으로 다이오드 검출기에 의해 수신된 신호는 베이스밴드로 직접 복조된다. 그 후, 정보 신호(200a)는 증폭기(303)에 의해 증폭되며, 클럭 및 프레임 복원 회로(304)에서 동기 복원된다. 클럭 복원 회로(304)는 호출기가 맨체스터 부호화(Manchester encoding)를 이용하여 진폭 변조된 신호를 송신하도록 함으로써 향상될 수 있다. 만약 프레임내에 많은 양의 데이터가 전송된다면, 예를 들면, 프레임의 시작을 의미하는 사전결정된 비트 패턴을 검출함으로써 프레임 동기가 되도록 할 수 있다. 비트 패턴은 클럭 복원 회로(304) 또는 프로세서(305)에 의해 검출될 수 있다. 본 발명의 기술 분야에서 비트 패턴 검출은 잘 알려져 있다. 결과 정보는 프로세서(305)로 전송된다. 프로세서(305)는 전형적으로 저렴한 4 비트 또는 8 비트 마이크로프로세서 및 그것과 관련된 메모리이며, 클럭 복원 회로(304)는 프로세서(305)와 함께 동작하는 ASIC(Applied Specific Integrated Circuit)에서 구현될 수 있다. 또한, 태그는 디스플레이를 필요로하므로 이 프로세서(305)는 선택적인 디스플레이 유닛(309)에 대한 구동기로서의 역할을 할 수 있다. 프로세서(305)는 프로세서(305)에 의해 수행되고 있는 소정의 프로그램을 기초로 하여 정보 신호(306)를 생성한다. 결국, 신호(306)는 태그(105)로부터 다시 호출기(예를 들면, (103))로 통신된다. 이 정보 신호(306)는 변조기 제어 회로(307)로 전송되며, 변조기 제어 회로(307)는 정보 신호(306)를 이용하여 부반송파 주파수 소스(308)에 의해 생성된 부반송파 주파수를 변조한다. 주파수 소스(308)는 프로세서(305)로부터 분리된 크리스탈 발진기이거나, 프로세서의 기본 클럭 주파수 분배기와 같은 프로세서(305)내에 존재하는 신호로부터 도출된 주파수 소스일 수 있다. 검출기/변조기(302)는 변조된 부반송파 신호(311)를 이용하여 태그(105)로부터 수신된 변조된 신호를 변조하여 변조된 백스캐터(예를 들면, 반사된) 신호를 생성한다. 이것은 변조된 부반송파 신호(311)를 이용하여 쇼트키 다이오드를 온 및 오프로 스위칭함으로써 행해지며, 이것에 의해 안테나(301)의 반사율이 변화된다. 배터리(310) 또는 다른 전원은 태그(105)의 회로에 전력을 공급한다. 또한, 전력은, 예를 들면, 마이크로파에 대한 유도성 결합을 이용함으로써 수신될 수 있다.
변조
MBS를 이용하여 태그로부터 호출기로 정보를 송신하는 기법에는 여러 가지가 있다. 몇 가지 MBS 기법에서, 태그의 변조기 제어 회로(307) 정보 신호(306)에서 주파수 f2로 변조된 진폭 변조된 신호를 생성한다. 만약 무선 신호 소스(201)가 CW 주파수 fc를 생성하면, 그 후, 호출기는 대역폭이 2f2인 fc에서 신호를 수신하며, 이 대역폭 범위 밖의 신호를 필터링한다. 이러한 방식은 베이스밴드에서의 MBS' 방식이라고 지칭된다.
다른 방식은 도 3에 도시된 바와 같이 태그가 주파수 소스(308)에 의해 생성된 부반송파 주파수 fs를 생성하는 것이다. AM, FSK 또는 위상 쉬프트 키잉(PSK)을 이용하여 기본 주파수 f2의 정보 신호(306)로 주파수 fs의 부반송파를 변조함으로써 정보가 전달될 수 있다. 호출기는 대역폭이 2f2인 fc에서, 그러나, fc로부터는 떨어진 주파수 fs에서 신호를 수신한다. 이 방법은 부반송파의 MBS라고 지칭된다.
BPSK(Binary PSK) 시스템에서 부반송파 전이의 위상은 일반적으로 0과 180 도 사이이다. 본 명세서에서는 QPSK(Quadrature PSK)를 MBS 시스템에 적용하는 소정의 기법을 개시한다. 이러한 개시 내용을 기초로 하여 (MPSK와 같은) 일반적 레벨의 위상 변조가 가능하며, 또는, DBPSK(Differentially-encoded BPSK) 또는 DQPSK(Differentially-encoded QPSK)와 같은 다른 복합 변조 방법이 가능하다.
태그는 호출기 다운링크 신호가 존재함을 검출했을 때 자신의 RFID 데이터를 송신함으로써 응답한다. 일실시예에서, 태그는 업링크 데이터를 차등적으로 부호화하며, 차등적으로 부호화된 데이터를 이용하여 부반송파를 QPSK 변조한다. QPSK 변조된 부반송파(311)는 신호(311)를 이용하여 안테나(301)의 반사율을 변화시킴으로써 주파수 fc를 갖는 반사된 CW 신호를 변조한다. 도 4는 DQPSK를 위한 베이스밴드 부호화 알고리즘을 도시한다. 비트율 f2의 데이터 비트(예를 들면, 100kbit/sec)가 한 번에 2 개가 취해져, 그레이 부호화되며, 그 후 그레이 부호화된 비트 GI및 GQ는 QPSK 변조된 신호의 이전 위상에 더해져 결과적으로 베이스밴드 DQPSK 신호의 현재 위상이 된다. 그레이 부호화기(410)는 다음과 같은 단순한 변환을 한다. 즉, IQ = 00 → GIGQ= 00; IQ = 01 → GIGQ= 01; IQ = 10 → GIGQ= 11; IQ = 11 → GIGQ= 10. 그레이 부호화기(410)의 출력 GIGQ는 위상 가산기(420)에 제공된다. 위상 가산기(420)는 단순히 GIGQ와 GI'GQ'의 현재값을 모듈(module) 2 가산하여 GI'GQ'의 새로운 값을 생성한다. 예를 들어, 만약 GIGQ= 11 이고 GI'GQ'의 현재값이 01 이면 GIGQ의 새로운 값은 00이다. 정보 신호(306)는 주파수 fs(예를 들어, 250 kHz)를 갖는 부반송파를 변조하는데 사용된다. 변조된 서브 캐리어 신호(311)는 검출기 변조기(302)의 반사율을 제어하는데 사용되며, 그것에 의해 DQPSK 변조된 부반송파에 의해 변조된 (주파수 fc의) CW 신호를 다시 호출기로 송신한다. QPSK 시스템의 경우 호출기는 대역폭이 f2인 fc에서, 그러나, fc로부터는 떨어진 주파수 fs에서 신호를 수신한다.
부반송파(311)를 변조하는 방법에는 적어도 2 가지가 있다. 제 1 방법은 마이크로프로세서 크리스탈 회로(312)로부터 부반송파를 도출하며, 부반송파는 마이크로프로세서(305)에 의해 내부적으로 생성된다. 여기서 DQPSK 데이터는 마이크로프로세서 메모리내에 위상 워드로서 저장된다. 업링크가 송신되는 동안 현재의 데이터 비트를 나타내는 워드는 외부 포트에 기록되어 백스캐터링 변조기(307)를 제어하는 신호(306)를 생성한다. 워드는 부반송파 주파수율의 2 배의 주파수율에서 포트 밖으로 쉬프트되며, 그것에 의해 원하는 부반송파 주파수 fs가 생성된다. 예를 들어, 주파수 fs의 사각파를 얻기 위해 교류의(alternating) 1.0 패턴이 2fs의 율로 포트에 기록된다. 워드가 포트로부터 쉬프트되는 사이클의 수는 DQPSK 변조된 업링크 신호의 요구되는 채널 심볼율을 생성한다. (이것은 BPSK의 채널 심볼율의 절반이며, 전술한 채널 대역폭 f2이내가 된다.)
변조된 업링크를 생성하는 제 2 방법은 마이크로프로세서(305)의 외부에 부반송파 주파수를 생성하는 것이다. 일실시예에서, 도 5의 4 대 1 멀티플렉서(503)는 QPSK 변조기 제어(307)로서 사용된다. 멀티플렉서는 프로세서 포트로부터 멀티플렉서의 선택 라인에 신호(306)로서 기록된 GI' 및 GQ'의 현재값에 의해 부반송파(311)의 위상을 선택한다. 부반송파 신호는 버퍼 회로(501) 및 디지털 클럭 분배기 회로(502)를 (만약 필요하면) 마이크로프로세서의 클럭 회로(312)에 접속함으로써 마이크로프로세서의 외부 크리스탈 또는 클럭 회로(312)로부터 생성될 수 있다. 클럭 분배기 회로(502)를 포함하는 2 개의 O-플립-플롭은 부반송파 신호(504)의 4 위상 쉬프트를 생성하며, 멀티플렉서(503)는 멀티플렉서(503)의 선택 입력에 존재하는 신호 GI' 및 GQ'를 기초로 하여 4 위상 중 하나를 선택한다. 도 6은 버퍼(501)의 출력과 2 개의 O-플립-플롭의 출력간의 관계를 도시한다. 부반송파 신호(504)는 멀티플렉서 회로(503)에 의해 위상 변조되며, 그것에 의해 제 2 정보 신호가 생성된다.
내부적으로 또는 외부적으로 변조된 부반송파 신호(311)를 생성하는 전술한 방법들은 M-ary 위상 쉬프트 키 변조로 확장할 수 있다. 예를 들어, DMPSK는 한 번에 그레이 부호화된 M 비트인 데이터 비트가 필요하며, 디지털 클럭 분배기는 부반송파 신호의 M 위상 쉬프트를 생성하기 위해 추가적인 단계가 필요하다. 즉, M 대 1 멀티플렉서가 변조기 제어기(307)로서 사용된다.
수신기
도 2를 다시 참조하면, 호출기(103)는 반사 및 변조된 신호를 수신 안테나(206)로 수신하고, 저잡음 증폭기(207)로 신호를 증폭하며, 믹서(208)에서 호모다인 검출을 이용하여 신호를 단일 부반송파 fs의 중간 주파수(Intermediate Frequency; IF) 이하로 복조한다. (일부 호출기 설계에서는, 단일의 송신기 안테나(204) 및 수신기 안테나(206)가 사용된다. 이 경우, 수신기 체인에 의해 수신된 신호로부터 송신된 신호를 분리하는 전자 방법이 필요하며, 이것은 순환기(Circulator)와 같은 장치에 의해 행해질 수 있다.) 송신 체인 수단에서 사용된 것과 동일한 무선 신호 소스(201)를 이용하여 IF로의 복조는 호모다인 검출을 이용하여 행해지며, 이것은 수신기 회로에서 위상 잡음을 크게 감소시킨다는 이점이 있다. 그 후, 믹서(208)는 복조된 신호(209)를 필터/증폭기(210)로 전송(만약 직교 믹서를 이용한다면 믹서는 I(동위상)와 Q(직교) 신호 모두를 전송)하여 필터 처리한다. 결과적으로 필터링된 신호(전형적으로 IF 부반송파상에서 수행된 정보 신호(211))는 그 후 부반송파 복조기(212)에서 부반송파로부터 복조되며, 그 후, 부반송파 복조기(212)는 정보 신호(213)를 프로세서(200)로 전송하여 메시지의 내용을 결정한다. 신호(209)의 I 및 Q 채널은 필터/증폭기(210)에서 또는 부반송파 복조기(212) 또는 프로세서(200)에서 조합될 수 있다.
수신기 하드웨어의 데이터 복원(212)부를 구현하는 방법에는 몇 가지가 있다. 즉, 예를 들면, 코스타스 루프(Costas Loop), 샘플된 부반송파의 디지털 신호 처리(DSP), 또는 디지털 논리에서 수신기 구현을 이용한 부반송파 신호의 기존의 아날로그 I/Q 복조 방법이 있다. 시스템의 비용을 최소화하는 것이 하나의 목표이므로, 본 발명의 일실시예는 디지털 논리에서 구현되었다.
데이터 복원 회로(212)는 게이트 어레이 회로, 도 6에서 구현된다. 이것은 2 가지 기능을 갖는다.
1) 차등적으로 부호화된 위상 쉬프트 키 데이터의 복조(데이터 복원 회로),
2) 변조된 데이터 스트림에 대해 수신된 비트 클럭 도출(클럭 복원 회로).
데이터 복원 회로(212)에 대한 입력은 많이 제한된 부반송파(601)이며, 이것은 차등 QPSK에 의해 변조된다. 부반송파(601)는 주파수율 Fs에서 샘플되며(예를 들어, 4 MHz)(601a), N+2 단계 쉬프트 레지스터(602)(이 예에서 N=80)로 입력되고, Nth단계는 1 심볼 지연(603)(또한, 쉬프트 레지스터(602)는 샘플링율 Fs에서 클럭된다.)을 제공한다. 부반송파(601)에 대해 N+2 단계(603a)는 45o, N-2 단계(603b)는 -45o직교 변조된 부반송파 신호를 앞서도록 설계되어 있다. 샘플된 부반송파(601)는 본질적으로 (배타적 OR 게이트를 이용하여) 각각의 지연된 부반송파들(603a 및 603b)과 곱해지고(604), 그 결과는 1 심볼 주기 동안 집적(interate)하는(이 예에서, 1 심볼 주기는 쉬프트 레지스터(602)의 클럭이며, 여기서 N=80, Fs=4MHz이다) 기존의 집적 및 덤프(매치드 필터(Matched Filter)) 수신기와 동등한 디지털이다.
누산기(accumulator)의 출력은 심볼 판정 비교기(606)로 전달되며, 결과적인 판정 심볼들은 I 및 Q 정보 심볼 비트이며, 이것들은 다중화 되어(섞여 짜여져) 복조된 데이터 스트림(607)을 생성한다. 심볼 판정 비교기(606)에 대해서, 만약 누산기의 출력이 N/2 이상이면(이 경우 N/2=40) 비교기(606)는 a1을 출력하고, 만약 누산기의 출력이 N/2 미만이면 비교기(606)는 a0을 출력한다.
정보 비트 복조 후에, 데이터 클럭이 생성된다. 복조기는 최대 에이 포스테리오리(Maximum A Posteriori; MAP) 비트 타이밍 회로를 구현한다. 복조된 데이터는 상관기(correlator)(608)의 뱅크로 송신되며, 그것들 각각은 서로 다른 클럭 위상을 검사한다. 상관기는 B 데이터 비트 윈도우를 통해 그들의 클럭으로 입력 데이터의 배열(alignment)을 검사한다. 이 예에서, B 비트 윈도우는 8 데이터 비트의 길이를 갖지만, 더 큰 값의 B는 1의 또는 0의 긴 스트링(strings)에 덜 민감하다. 그러나, 구현시에 하드웨어(또는 소프트웨어/시간)를 더 필요로한다. 각각의 상관기는 집적 및 덤프 필터(integrate-and-dump filter), 높은 신호 대 잡음 데이터에 보다 높게 가중하는 가중 함수, 및 누산기(B의 주기를 통해 누산)로 만들어진다. 가중 함수는 필요치 않지만, 보다 높은 가중은 보다 높은 상관기 출력을, 보다 낮은 가중은 낮은 상관기 출력을 제공한다. 예를 들어, +1 또는 -1에 근접한 상관기 출력이 계수 10으로 곱해지고, 0에 근접한 상관기 출력이 주어진다면 값은 실제 출력의 루트와 동일하다. B 비트가 검사된 후 가장 높은 누산기 값을 갖는 상관기가 발견되며, 그것과 관련된 클럭 위상(609)은 다음의 B 비트의 데이터를 샘플하는데 사용된다. 그 후, 누산기는 리셋되며, 다음의 B 비트가 검사된다. 여기서 중요한 것은 1 세트의 비트로부터 다음 까지는 메모리가 없다는 것이며, 모든 B 비트 클럭 평가 회로는 이전의 평가에 의존하지 않는 최상의 클럭 위상의 새로운 평가를 만든다. 이것은 적당한(modest) SNR의 경우에서 비트 클럭을 제공하면서 비트 클럭을 신속히 얻을 수 있다. 종래의 기술은 위상 동기 루프(Phase Locked Loop)(디지털 또는 아날로그)를 클럭 복원시에 그대로 유지한다. 그러나, 위상 동기 루프는 최소 루프 필터의 함수인 동기(lock-up) 시간을 갖는다. 또한, 이러한 동기 시간은 시스템의 잡음이 증가함에 따라 증가하며, 적당한 SNR에 대해 신뢰성이 없다.
게이트 어레이 칩에 통합될 수 있는 몇 가지 다른 함수들이 있다. 예를 들어, 가장 큰 상관기 값을 체크하여 그것이 고정된 임계값 보다 높은지를 관찰한다. 만약 크다면, 비트 클럭이 유효함을 의미하는 신호(610)가 생성된다. 프레이밍 방법(framing scheme)은 바커 코드(Barker code)를 이용하여 페이로드(payload) 데이터의 시작을 나타낸다. 바커 워드의 존재는 검출되며, 다음 비트는 페이로드(611)의 부분임을 나타내는 신호를 생성한다.
샘플된 부반송파 신호(601)를 복조하는 전술한 방법은 M-ary 위상 쉬프트 키 변조로 확장할 수 있다. 예를 들어, DMPSK는 샘플된 변조 부반송파 신호 및 추가적인 XOR의 M 위상 쉬프트를 생성하는 추가적인 쉬프트 레지스터 지연 단계, 누산기 및 M 병렬 비트 경로를 디코드하는 판정 회로를 필요로 한다.
또한, 이 방법은 MSK(Minimum Shift Keyed), GMSK(Gaussian Minimum Shift Keyed) 등과 같은 보다 정교한 위상 변조 방법으로 확장될 수 있다. MSK의 경우 프로세서의 메모리에 사전 계산된 위상 전이가 저장될 수 있다. 또한, 예를 들어, 프로세서에서의 계산을 통해, 태그는 하나의 위상으로부터 다른 위상으로 자연스럽게 전이할 수 있으며, 그것에 의해 적절히 필터링된 위상 변조를 생성하여 GMSK 변조된 부반송파를 생성한다. 또한, 다른 위상 변조 방법도 가능하다.
일예로서 전술한 기법을 이용하여, 저렴하고 범위가 짧은 양방향 디지털 무선 통신 채널이 구현된다. 태그의 소자들은 (예를 들면) 쇼트키 다이오드, 신호 세기를 부스트하는 증폭기, 비트 및 프레임 동기 회로, 저렴한 4 또는 8 비트 마이크로프로세서, 부반송파 생성 회로, 배터리로 구성되므로 이러한 기법들은 저렴하다. 이러한 항들의 대부분은 다른 응용 분야에서 이미 대량으로 제작되어 있으며, 따라서, 아주 비싸지는 않다. 또한, 부반송파 생성에 대해 전술한 회로들은 마이크로프로세서 코어를 둘러싼 논리에서 구현될 수 있으며, 따라서, 비교적 작은 양의 칩 실 자산(chip real estate)을 제외하고 이러한 기능들은 거의 공짜이다.
본 명세서에서 기술한 내용은 본 발명의 원리 응용의 예시에 불과하다. 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않고도 당업자에 의해 다른 장치 및 방법들이 구현될 수 있다.
본 발명에 따라, 듀플렉스 무선 통신 시스템은 무선 신호를 생성하여 적어도 하나의 원격 태그로 전송하는 호출기를 포함한다. 원격 태그는 무선 신호를 수신한다. 이어서, 태그는 부반송파 신호를 생성하며, QPSK를 이용하여 정보 신호를 부반송파로 변조한다. 백스캐터 변조기는 변조된 부반송파를 이용하여 무선 신호의 반사 신호를 변조하는데, 반사된 신호는 반사된 변조 신호이다. 호출기는 반사된 변조 신호를 수신한 후 이를 복조하여 정보 신호를 획득한다.

Claims (13)

  1. 변조된 백스캐터 시스템(a modulated backscatter system)에 있어서,
    PSK(Phase Shift Keying) 변조된 부반송파(subcarrier)를 이용하여 제 1 송신 신호를 수신하고, 반사된 제 1 송신 신호를 변조하는 적어도 하나의 트랜스폰더(transponder)와,
    상기 제 1 송신 신호를 송신하는 송신기와, 상기 반사된 제 1 송신 신호를 수신하는 수신기를 구비하고, 상기 반사된 제 1 송신 신호로부터 수신된 PSK 변조 부반송파 신호를 획득하는 복조기와, 상기 수신된 PSK 변조 부반송파 신호를 복조하는 부반송파 복조기를 구비한 적어도 하나의 호출기(interrogator)를 포함하는
    변조된 백스캐터 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 PSK 변조 부반송파 및 상기 수신된 PSK 변조 부반송파 신호는 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 신호인 변조된 백스캐터 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 PSK 변조 부반송파 신호 및 상기 수신된 PSK 변조 부반송파 신호는 DQPSK(Differentially-encoded QPSK) 신호인 변조된 백스캐터 시스템.
  4. 변조된 백스캐터 시스템의 트랜스폰더에 있어서,
    제 1 송신 신호를 수신하는 안테나와,
    PSK 변조 부반송파 신호를 이용하여 반사된 제 1 송신 신호를 변조하는 제 1 변조기와,
    부호화된 정보 신호를 이용해서 부반송파 신호를 PSK 변조한 다음 상기 변조된 부반송파 신호를 생성하는 제 2 변조기와,
    정보 신호를 그레이 부호화(gray encode)하여 상기 부호화된 정보 신호를 생성하는 부호화기와,
    상기 정보 신호를 생성하는 프로세서를 포함하는
    변조된 백스캐터 시스템 트랜스폰더.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 부호화기는 위상 가산기(phase adder)를 포함하는 변조된 백스캐터 시스템 트랜스폰더.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 위상 가산기는 모듈로 2 가산기(modulo two adder)를 포함하는 변조된 백스캐터 시스템 트랜스폰더.
  7. 변조된 백스캐터 호출기(a modulated backscatter interrogator)에 있어서,
    제 1 송신 신호를 송신하는 송신기와,
    반사된 제 1 송신 신호를 수신하는 수신기와,
    상기 반사된 제 1 송신 신호로부터 수신된 PSK 변조 부반송파 신호를 획득하는 복조기와,
    상기 수신된 PSK 변조 부반송파로부터 정보 신호를 획득하는 부반송파 복조기를 포함하는
    변조된 백스캐터 호출기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 부반송파 복조기는 상기 변조된 부반송파 신호를 나타내는 신호를 수신하는 쉬프트 레지스터를 포함하는 변조된 백스캐터 호출기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 부반송파 복조기는 상기 쉬프트 레지스터의 적어도 2 개의 서로 다른 출력으로부터의 신호에 대해 배타적 or(exclusive-or) 기능을 수행하는 적어도 하나의 배타적 or 장치를 포함하는 변조된 백스캐터 호출기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 부반송파 복조기는 상기 배타적 or 장치로부터 입력을 수신하는 누산 및 덤프 회로(an accumulate and dump circuit)를 포함하는 변조된 백스캐터 호출기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 부반송파 복조기는 상기 배타적 or 장치로부터의 입력을 수신하는 데이터 클럭 복원 회로(a data clock recovery circuit)를 포함하는 변조된 백스캐터 호출기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    데이터 클럭 복원 회로는 위상 동기 루프 회로(a phase lock loop circuit)를 포함하는 변조된 백스캐터 호출기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    데이터 클럭 복원 회로는 적어도 하나의 상관기(correlator)를 포함하는 변조된 백스캐터 호출기.
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