KR19990009325A - 듀플렉서를 제거한 안테나 전환 다이버시티 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

무선통신장치의 안테나 전환 다이버시티 장치가, 복수개의 안테나들과, 안테나들과 수신계 사이에 연결되는 수신스위치 및 상기 안테나들과 송신계 사이에 연결되는 송신스위치를 구비하며, 수신신호의 전계 강도를 분석하여 설정 전계강도 이하일 시 수신스위치 및 송신스위치를 스위칭 제어하여 안테나들을 전환 연결하여, 양호한 수신 전계강도를 갖는 안테나와 수신계를 연결한다.

Description

듀플렉서를 제거한 안테나 전환 다이버시티 장치 및 방법

본 발명은 무선 통신 시스템의 안테나 전환 다이버시티 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 듀플렉서를 제거한 안테나 전환 다이버시티 장치 및 방법에 관한 것이다.

도 1은 안테나 다이버시티를 하지않는 일반적인 무선 송수신 장치의 블럭 구성을 도시하고 있다. 상기 도 1과 같은 구성을 갖는 무선 송수신장치는 송신신호의 경로와 수신신호의 경로를 분리하고, 상기 송신 경로와 수신 경로를 하나의 안테나에 결합하기 위하여 부피가 큰 듀플렉서(duplexer)123을 사용한다.

상기 도 1을 참조하여 수신계의 동작을 살펴보면, 안테나101을 통해 수신된 무선신호는 듀플렉서123의 공통 안테나단자103에 인가되어 수신필터105를 통해 출력단자106에 출력된다. 상기 듀플렉서123에서 출력되는 신호는 수신경로107을 통해 저잡음 증폭기108에 인가되며, 상기 저잡음 증폭기109에서 증폭되는 수신신호는 경로109를 통해 영상제거필터110에서 영상주파수 성분의 상대적 감쇄량이 증가된 후, 신호처리부112에서 처리된다.

또한 상기 송신계의 동작을 살펴보면, 사이 신호처리부112에 출력된 신호는 경로113을 통해 송신대역통과필터114에 인가된다. 이때 상기 신호처리부112에 출력되는 신호에는

필요한 송신신호 이외에 스퓨리어스(spurious) 성분이 포함되어 있다. 이런 신호는 상기 송신대역통과필터114에서 제거되며, 경로115를 통해 송신전력증폭기116에 인가된다. 이때 상기 송신전력증폭기116에서는 정해진 진폭으로 송신 전력을 증폭하여 출력하는데, 일반적으로 상기 송신전력증폭기116의 전력 효율 때문에 선형성이 제한되므로, 상기 증폭신호에는 고조파 왜곡 성분이 다량 포함되어 있다. 상기 송신전력증폭기116에서 출력되는 신호는 송신저역통과필터118에 인가되어 고조파 왜곡 성분이 제거된 후 듀플렉서123의 송신필터121에 인가되며, 다시 공통안테나단자103을 통해 안테나101에 출력된다.

상기와 같은 도 1의 구성에서, 상기 듀플렉서123은 송신용 주파수 대역의 신호를 여파 출력하는 송신필터121과 수신용 주파수 대역의 신호를 여파 출력하는 수신필터105로 구성되는 2개의 필터로 이루어지며, 상기 수신필터105의 입력단104와 상기 송신필터121의 출력단122가 공통 안테나단자103에 접속되고, 수신필터106의 출력단106은 수신측의 신호경로107에 접속되며 송신필터121의 입력단은 송신측의 신호경로119에 접속되는 구성을 갖는다. 상기 공통 안테나단자103은 송신 주파수신호와 수신 주파수신호가 모두 존재하게 된다.

이때 상기 수신필터105의 입력단104는 송신 주파수신호에 대해서는 임피던스가 매우 크고, 수신 주파수 신호에 대해서만 안테나 측 신호경로102의 임피던스에 정합되어 있다. 또한 상기 송신필터121의 출력단122는 수신 주파수신호에 대해서는 임피던스가 매우 크고, 송신 주파수 신호에 대해서만 안테나 측 신호경로102의 임피던스에 정합되어 있다. 따라서 상기 송신필터121의 출력신호 전력의 대부분은 신호경로102를 통해 안테나101에 전달되고, 상기 수신필터105의 입력단104 측으로는 송신신호의 전력이 거의 전달되지 않는다. 또한 상기 안테나101을 통해 수신되는 수신 주파수신호 전력의 대부분은 상기 수신필터105의 입력단104 측에 전달되며, 송신필터121의 출력단122 측에는 수신신호의 전력이 거의 전달되지 않는다.

그리고 상기 송신필터121은 송신주파수에 대해서는 작은 삽입 손실을 갖지만, 수신주파수에 대해서는 매우 큰 감쇄를 갖게되고, 수신필터105는 수신주파수에 대해서는 작음 삽입 손실을 갖지만, 송신 주파수에 대해서는 매우 큰 감쇄를 갖게된다. 그러므로 상기 공통 안테나단자103에서 송신신호와 수신신호가 만나도 송신계와 수신계 사이에는 상기한 바와 같은 큰 격리도 때문에 상호 영향이 작아지게 된다. 이와 같이 공동 안테나101을 사용하면서 송신기와 수신기를 격리시키는 기능을 수행하는 것이 듀플렉서123이며, 이런 듀플렉서 필터는 일반적인 대역통과 필터와는 다소 다른 특성을 갖는다.

도 3은 유럽과 북미 지역의 여러 셀룰라 이동전화기에 사용되는 대표적인 듀플렉서 들의 주파수 특성 그래프 들을 도시하고 있다. 상기 도 3을 참조하면, 3a의 401은 송신필터121의 통과 특성곡선으로서, 수신 주파수 대역에서만 감쇄량이 크고 이외의 주파수는 통과시키는 전형적인 대역 차단 필터(Band Stop Filter)의 특성을 도시하고 있다. 반면에 이때 수신필터105의 특성 곡선은 수신 주파수 대역만 통과시키고 이외의 수신 주파수 대역은 감쇄시키는 대역 통과 필터(Band Pass Filter)의 특성을 보이고 있으나, 송신 주파수

측으로 가면 감쇄 곡선의 기울기가 급격하고 반대측으로 가면 감쇄 곡선의 기울기가 완만하다. 이와같은 특성은 다른 그래프 3b, 3c, 3d 들에서 거의 동일하게 반복된다.

상기와 같이 듀플렉서123은 원하는 주파수 대역만 통과시키고, 원치 않는 대역은 차단시키는 대역통과 필터임을 알 수 있고, 이는 공동 안테나101의 사용에 기인하는 당연할 결과이다. 상기 도 4에 도시된 바와 같이 송수신시 급격한 격리 특성을 얻을 수 있는 필터의 폴(pole) 수는 일반적인 대역통과필터에 요구되는 것보다 많고, 따라서 듀플렉서123의 부피가 커지는 문제점이 있었다. 따라서 이동 무선전화기의 부피도 커지게되는 문제점이 있었다.

도 2는 두개의 안테나를 사용하여 안테나 다이버시티를 구현하는 무선송수신장치의 블럭 구성을 도시하고 있다. 상기 도 2의 구성에서 스위치205, 제어부220 및 제2안테나202을 제외한 나머지 구성을 상기 도 1과 동일한 구성을 갖는다. 여기서는 상기 안테나 다이버시티 동작 부분만을 살펴보기로 한다.

상기 도 2를 참조하면, 상기 스위치205는 제어부220의 제어하에 스위칭되어 상기 제1안테나201 또는 제2안테나202를 상기 듀플렉서231에 연결하는 기능을 수행한다. 여기서 는 상기 스위치205가 제1안테나201를 듀플렉서231에 연결하고 있다고 가정한다. 상기 신호처리부217은 상기 제1안테나201을 통해 수신되어 처리된 신호의 세기(Receive Signal Strength Indicator: RSSI)를 측정한 후, 이에 비례하는 직류신호를 신호경로219를 통해 제어부220에 출력한다. 그러면 상기 제어부220은 상기 신호를 수신하여 미리 설정한 값 또는 소정의 연산 과정을 통해 추출되는 값과 비교 및 분석한 후, 수신신호의 상태가 양호한지 또는 불량한지를 판단한다. 이때 상기 수신신호가 양호한 상태로 판단되면, 상기 제어부220은 상기 제1안테나201이 상기 듀플렉서231에 연결되도록 상기 스위치205를 제어한다. 그러나 상기 수신신호가 불량한 상태로 판단되면, 상기 제어부220은 상기 제2안테나202가 상기 듀플렉서231에 연결되도록 스위치제어신호를 천이시켜 상기 스위치205를 제어한다.

상기와 같이 상기 도 2와 같은 구조를 갖는 안테나 다이버시티 장치는 최적의 수신 상태를 유지하기 위하여, 두개의 안테나 가운데 수신상태가 양호한 안테나를 선택하는 동작을 반복 수행한다. 그러나 상기 도 2와 같은 안테나 다이버시티 장치도 여전히 부피가 큰 듀플렉서를 사용한다. 이런 경우 상기 듀플렉서는 반도체 회로로 집적이 불가능하므로, 여전히 시스템의 부피를 크게하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 무선 통신시스템에서 듀플렉서를 제거하면서 안테나 다이버시티 기능을 수행할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 무선 통신시스템에서 복수개의 안테나를 구비하며, 상기 안테나들로부터 수신되는 신호의 세기를 검색하여 양질의 수신신호를 출력하는 안테나를 수신계에 연결하고 다른 안테나를 송신계에 연결하여 듀플렉서를 제거하면서 안테나 전환 다이버시티 기능을 수행할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 무선통신장치의 안테나 전환 다이버시티 장치가, 복수개의 안테나들과, 상기 안테나들과 수신계 사이에 연결되는 수신스위치 및 상기 안테나들과 송신계 사이에 연결되는 송신스위치를 구비하며, 수신신호의 전계 강도를 분석하여 설정 전계강도 이하일 시 상기 수신스위치 및 송신스위치를 스위칭 제어하여 상기 안테나들을 전환 연결하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 무선 통신장치의 구성을 도시하는 도면

도 2는 종래의 무선 통신장치에서 듀플렉서를 채용한 안테나 다이버시티 장치의 구성을 도시하는 도면

도 3은 듀플렉서를 사용하는 무선 통신장치의 주파수 응답 특성을 도시하는 도면

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 통신장치에서 듀플렉서를 제거한 안테나 전환 다이버시티장치의 구성을 도시하는 도면

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선통신 시스템에서 듀플렉서를 제거한 안테나 전환 다이버시티 장치의 구성을 도시하고 있다. 상기 도 4의 구성을 살펴보면, 스위치309의 제1입력단자a는 제1안테나301에 연결되고, 제2입력단자b는 제2안테나302에 연결되며, 공통단자c는 수신계의 수신대역통과필터312의 입력단에 연결된다. 스위치328의 제1입력단자a는 상기 제1안테나301에 연결되고, 제2입력단자b는 제2안테나302에 연결되며, 공통단자c는 송신계의 송신저역통과필터326의 출력단에 연결된다. 상기 수신계는 수신대역통과필터312, 저잡음증폭기314, 영상제거필터316등이 된다. 상기 송신계는 송신대역통과필터322, 송신전력증폭기324, 송신저역통과필터326 등이 된다. 신호처리부318은 수신신호처리부와 송신신호처리부 등으로 구성될 수 있다. 상기 수신신호처리부는 주파수 하강 변환기(frquency down converter), 복조기(demodulator), 수신신호의 세기를 검출하는 검출기 등을 구비한다. 상기 송신신호처리부는 변조기(modulator), 주파수 상승변환기(frquency up converter) 등을 구비한다. 제어부320은 상기 신호처리부318를 통해 무선통신장치의 전반적인 동작을 제어한다. 상기 제어부320은 상기 신호처리부318에서 출력되는 수신신호 세기를 입력하며, 수신신호의 세기를 분석하여 안테나 전환 다이버시티 기능을 수행하는 스위치제어신호를 발생한다. 상기 스위치309 및 329는 상기 제어부320의 스위치제어신호에 의해 스위칭되어 제1입력단자a 또는 제2입력단자b와 상기 공통단자c를 연결한다.

상기 도 4를 참조하면, 먼저 최초의 상태에서 스위치309가 제1입력단자a와 공통단자c가 연결되었다고 가정하면, 인버터330을 통해 반전되는 스위치제어신호에 의해 상기 스위치329는 제2입력단자b와 공통단자c를 연결하게 된다. 이런 경우, 상기 제1안테나301은 수신계의 신호경로311에 접속되고 제2안테나302는 송신계인 신호경로327에 접속된다. 이때 상기 제1안테나301을 통해 수신되는 신호가 스위치309의 제1입력단자a 및 공통단자c, 수신대역통과필터312, 저잡음 증폭기314 및 영상제거필터316을 거쳐 신호처리부318의 수신신호처리부에 인가된다. 그러면 상기 신호처리부318의 수신신호처리부는 상기 수신신호의 주파수를 하강변환하여 기저대역으로 변환하고 이를 복조한다. 또한 상기 수신신호처리부는 수신된 신호의 세기를 측정하여 수신신호의 전계강도에 비례하여 증감하는 직류신호를 신호 경로319를 통해 제어부320에 출력한다.

그러면 상기 제어부320은 상기 신호를 수신한 후, 이 값을 설정된 기준값 또는 소정의 연산 과정을 통해 추출되는 데이터와 비교하여 수신신호의 상태가 양호한지 또는 불량한지를 판단한다. 이때 상기 수신신호의 전계강도가 양호한 상태로 판단되면, 상기 제어부320은 상기 스위치제어신호의 상태를 현재의 상태로 유지한다. 그러면 상기 스위치309 및 329는 현태의 상태를 그대로 유지하며, 따라서 상기 제1안테나301은 수신계와 연결되고 상기 제2안테나302는 송신계와 연결되는 상태를 유지하게 된다. 그러나 상기 수신신호의 전계강도가 불량한 상태로 판단되면, 상기 제어부320은 상기 스위치제어신호의 논리를 천이시킨다. 그러면 상기 스위치309는 스위칭되어 제2입력단자b를 공통단자c에 연결하고, 상기 스위치329도 스위칭되어 제1입력단자a를 공통단자c에 연결한다. 따라서 상기 스위치309 및 329의 스위칭에 의해, 상기 제1안테나301이 송신계와 연결되고 상기 제2안테나302가 수신계와 연결된다. 따라서 무선통신장치가 동작하는 상태에서 상기 제어부320은 수신되는 신호의 전계강도를 측정하여 설정된 전계강도 이하가 되면 자동으로 안테나를 전환시켜 다이버시티 기능을 구현하게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 안테나 전환 다이버시티 장치는 항상 최적의 수신 상태를 유지하기 위하여, 수신 전계강도가 설정된 기준 이하로 떨어질 경우 상기 안테나들 가운데 수신 상태가 더 좋은 안테나를 선택하는 동작을 반복 수행한다.

본 발명의 실시예에 따른 안테나 전환 다이버시티 장치는 수신 상태를 기준으로 안테나를 전환 스위칭한다. 이런 경우 수신상태가 더 나쁜 안테나가 송신계에 연결되기 때문에 안테나 다이버시티의 효과가 없는 것으로 보일 수 있다. 왜냐하면 일반적으로 안테나 및 공중신호 경로가 가역적(Reciprocal Theorem)이라고 근사화할 수 있기 때문이다.

그러나 무선통신 장치에서 송신과 수신의 채널은 서로 다르므로, 상기와 같은 문제는 발생되지 않는다. 일반적으로 무선통신장치는 송신채널과 수신채널이 주파수로 분할되는 방법과 송신채널과 수신채널이 시간으로 분할되는 방법을 사용한다. 상기 전자와 같은 채널 분할 방법을 사용하는 경우에는 특히 문제가 되지 않는다. 왜냐하면 안테나 다이버시티 방법은 건물의 차폐 효과 등에 의한 깊은 페이딩(fading)의 골 상태보다는 다중 경로 페이딩에 대처하는 방법이기 때문이다. 이는 주파수 선택적인 특성을 보이기 때문에, 수신 주파수 대역에서 수신신호가 페이딩 골에 빠지면 송신신호 채널은 그 골에 있지 않을 가능성이 훨씬 크므로, 수신 채널의 불량 상태가 곧 송신 채널의 불량 상태를 의미하지는 않는다. 특히 전파 굴절 물질이 많은 도심 지역에서는 수신 채널과 송신 채널의 상관관계(correlation)을 정의하기가 쉽지않다. 두 번째로 수신과 송신 채널이 시간으로 분할되어 있는 경우, 수신시와 송신시에 채널을 독립적으로 제어할 수 있으므로 문제가 되지 않는다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 안테나 전환 다이버시티 장치는 제1안테나301과 제2안테나302가 모두 동시에 동작하고, 반드시 수신계와 송신계가 모두 안테나 연결되어 있으므로, 안테나에 의한 송수신신호의 결합을 차단할 없는 것으로 생각할 수 있다. 그러나 상기 안테나 다이버시티는 주파수 선택적인 특성을 보이는 다중 경로 페이딩 등에 대처하는 방법이다. 여기서 주파수 선택적이라 함은 신호 전자파의 파장에 대해 선택적임을 의미하고, 따라서 안테나의 위치에 대해서 선택적이므로 다이버시티용 안테나는 서로 시공간에서 직교하는 위치에 있어야 한다. 즉, 1/4 파장 떨어져 있거나 또는 서로 편파면(polarized plane)이 직교하거나 다른 면에 위치하도록 두개의 안테나 및 상대 위치가 설계되어야 한다. 그러므로 두개의 안테나 사이의 결합도는 크지 않다. 따라서 상기 수신대역통과필터312에 요구되는 송신주파수 차단 특성은 상기 두 안테나301 및 302 사이의 격리도 만큼 열화되어도 듀플렉서를 채용한 방식 만큼의 송수신 격리 특성을 얻을 수 있다. 따라서 상기 수신통과대역필터312의 폴 수가 적어지고 부피가 작아진다. 상기 송신저역통과필터326은 송신 주파수 신호의 고조파 왜곡 성분만 억제하면 되므로, 간단한 LC 필터로 구현이 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 안테나 전환 다이버시티 장치에서 상기 스위치309 및 329는 하나의 반도체에 집적이 가능하므로, 전체적으로 무선통신장치의 부피를 크게 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 안테나 전환 다이버시티 장치는 복수개의 안테나를 사용하여 송신신호와 수신신호의 경로를 분리하며, 이로인해 듀플렉서를 제거하고상대적으로 크기가 작은 대역통과필터와 스위치를 이용하여 회로를 구성할 수 있어 무선통신장치의 크기를 소형화 및 경량화할 수 있다. 또한 송신용 안테나와 수신용 안테나를 각각의 스위치를 이용하여 제어하므로 송수신 안테나 전환이 용이한다. 또한 송신과 수신 채널이 시간으로 분할되어 있는 경우에는 송신 안테나와 수신 안테나를 독립적으로 제어하는 것이 가능하므로 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 무선통신장치의 안테나 전환 다이버시티 장치에 있어서,

   복수개의 안테나들과, 상기 안테나들과 수신계 사이에 연결되는 수신스위치 및 상기 안테나들과 송신계 사이에 연결되는 송신스위치를 구비하며, 수신신호의 전계 강도를 분석하여 설정 전계강도 이하일 시 상기 수신스위치 및 송신스위치를 스위칭 제어하여 상기 안테나들을 전환 연결하는 것을 특징으로 하는 안테나 전환 다이버시티 장치.
2. 무선통신장치의 안테나 전환 다이버시티 장치에 있어서,

   제1 및 제2안테나와,

   입력단들이 상기 제1 및 제2안테나에 각각 연결되고, 공통단자가 수신계에 연결되며, 스위칭제어신호에 의해 스위칭되어 상기 두개의 안테나 중 하나의 안테나를 송신 안테나로

   선택하는 수신스위치와,

   입력단들이 상기 제1 및 제2안테나에 각각 연결되고, 공통단자가 송신계에 연결되며, 상기 스위칭제어신호에 의해 스위칭되어 상기 두개의 안테나 중 나머지 하나의 안테나를 수신 안테나로 선택하는 송신스위치와,

   상기 수신계에서 출력되는 수신신호의 전계강도를 검출하는 수신신호처리부와,

   상기 수신 전계강도를 입력하여 설정값과 비교 분석한 후, 설정 수신 전계강도 이하일 시 상기 스위칭 제어신호의 논리를 천이시키는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선통신장치의 안테나 전환 다이버시티 장치.
3. 복수개의 안테나들과, 상기 안테나들과 수신계 사이에 연결되는 수신스위치 및 상기 안테나들과 송신계 사이에 연결되는 송신스위치를 구비하는 무선통신장치의 안테나 전환 다이버시티 방법에 있어서,

   수신신호의 전계 강도를 분석하여 설정 전계강도 이하일 시 상기 수신스위치 및 송신스위치를 스위칭 제어하여 상기 안테나들을 전환 연결하여, 수신전계 강도가 양호한 안테나를 수신 안테나로 선택하는 것을 특징으로 하는 안테나 전환 다이버시티 방법.
4. 적어도 두개 이상의 안테나들과, 상기 안테나들과 수신계 사이에 연결되는 수신스위치 및 상기 안테나들과 송신계 사이에 연결되는 송신스위치를 구비하며, 상기 수신스위치가 임의 안테나와 연결될 시 상기 송신스위치가 나머지 다른 안테나와 연결되는 는 무선통신장치의 안테나 전환 다이버시티 방법에 있어서,

   상기 수신계를 통해 수신되는 신호의 전계 강도를 검출하는 과정과,

   상기 수신된 전계강도 값과 설정된 전계강도 값을 비교 및 분석하는 과정과,

   상기 분석 과정에서 양호한 수신 전계강도일 시 상기 수신 및 송신스위치를 현재의 상태로 제어하는 과정과,

   상기 분석 과정에서 불량한 수신 전계강도일 시 상기 수신 및 송신스위치를 제어하여 안테나를 전환 연결하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 안테나 전환 다이버시티 방법.