KR20000074825A - 안테나 배열을 이용한 동기화 시스템을 위한 신호 결합 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각 안테나의 비동기식 복소 정합 여파기에서 출력된 신호들의 전력을 합하여 동기화 시스템의 입력으로 사용하는 신호 결합기와 복소 정합 여파기에서 출력된 신호들의 진폭의 합을 동기화 시스템의 입력으로 사용하기 위한 동기화 시스템을 위한 안테나 배열구조를 갖는 신호 결합 장치에 관한 것으로서, 임의의 안테나 배열 구조를 갖는 다수개의 안테나와, 상기 다수개의 안테나 각각의 신호를 복조하고 상기 복조된 다수개의 신호를 하나의 신호로 결합하는 신호 결합기와, 상기 신호 결합기의 신호를 이용하여 전송 방식에 따른 반송파 동기, 프레임 동기, 타이밍 동기 그리고 코드 동기를 획득하는 동기부를 포함하여 구성되는데 그 요지가 있다.

Description

안테나 배열을 이용한 동기화 시스템을 위한 신호 결합 장치 {apparatus of signal combining for synchronization system using antenna arrays}

본 발명은 스마트 안테나 시스템에 관한 것으로, 특히 안테나 배열을 이용한 동기화 시스템을 위한 신호 결합 장치에 관한 것이다.

디지털 통신 시스템에서 신호의 동기는 가장 최우선적으로 이루어지는 과정으로 지금까지 신호의 동기를 맞추기 위하여 여러 가지 시스템이 제안되고 있다.

안테나 배열구조를 사용한 스마트 안테나 기술은 서비스 범위의 확대, 용량 증대, 시스템 효율성 증대등 많은 이점을 제공하기 때문에 이동 통신 및 무선 통신 시스템들을 구현할 때 필수적으로 고려된다.

최근 고속 광대역 시스템에서도 이러한 스마트 안테나의 장점을 이용한 연구가 진행되고 있으며, 안테나 배열 구조를 이용한 다양한 성능 분석 결과를 제시하고 있다.

그러나 종래 기술에 따른 스마트 안테나 시스템은 동기가 완벽하다는 가정 하에 성능 분석이 이루어지고 있는데, 만약 동기가 정확히 맞지 않는다면 시스템 성능이 크게 저하된다.

따라서 동기화는 시스템 성능에 아주 중요한 요소 중 하나로써 시스템의 전체적인 성능을 좌우하는 큰 요인으로 작용한다.

그러나 종래의 동기화 시스템은 각 안테나마다 따로 이루어지고 있으며, 또한 아직까지 동기화 시스템의 성능을 향상시키기 위하여 안테나 배열 구조의 장점을 이용하는 시스템은 없다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 각 안테나의 비동기식 복소 정합 여파기에서 출력된 신호들의 전력 또는 진폭을 결합하고 상기 결합한 신호들을 동기화 시스템의 입력으로 사용하여 여러 가지 전송 방식을 채택하는 스마트 안테나 시스템에서 동기화 시스템의 성능을 증대시키는데 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 안테나 배열을 이용한 동기화 시스템의 블록도

도 2 는 본 발명에 따른 비동기식 복소 정합 여파기를 나타낸 블록도

도 3 은 본 발명에 따른 복소 정합 여파 상관기를 나타낸 구성도

도 4 (a)는 도 1의 신호 결합기의 일실시예를 나타낸 구성도

(b)는 도 1의 신호 결합기의 다른 실시예를 나타낸 구성도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 안테나부 2 : 비동기식 복소 정합 여파기부

2a : 혼합기 2b : 필터부

3 : 복소 정합 여파 상관부 3a : 심벌 패턴 발생부

3b : TDL 쉬프트 레지스터부 3c : 교차 상관부

4 : 신호 결합기 4a : 신호 전력 결합기

4b : 신호 진폭 결합기 5 : 동기부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 동기화 시스템을 위한 안테나 배열구조를 갖는 신호 결합 장치의 특징은 임의의 안테나 배열 구조를 갖는 다수개의 안테나와, 상기 다수개의 안테나 각각의 신호를 복조하고 상기 복조된 다수개의 신호를 하나의 신호로 결합하는 신호 결합기와, 상기 신호 결합기의 신호를 이용하여 전송 방식에 따른 반송파 동기, 프레임 동기, 타이밍 동기 그리고 코드 동기를 획득하는 동기부를 포함하여 구성되는데 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 안테나 배열을 이용한 동기화 시스템의 블록도로서, 도 1을 보면 임의의 안테나 배열 구조를 갖는 다수개의 안테나(1)와, 상기 다수개의 안테나(1)에서 출력된 다수개의 신호를 복조하는 다수개의 비동기식 복소 정합 여파기부(2)와, 상기 다수개의 복소 정합 여파기(2)에서 출력된 다수개의 신호를 각각 결합하여 하나의 출력으로 결합하는 신호 결합기(4)와, 상기 신호 결합기(4)의 신호를 전송 방식에 따른 반송파 동기, 프레임 동기, 타이밍 동기 그리고 코드 동기를 획득하는 동기부(5)로 구성된다.

즉, 도 1 의 구성은 각 안테나의 비동기식 복소 정합 여파기에서 출력된 신호들을 신호 결합기(4)를 통하여 결합하고 여기서 결합된 신호를 동기화 장치의 입력으로 사용하는 시스템이다.

안테나 배열을 통하여 입사된 신호는 각 안테나(1)의 비동기식 복소 정합 여파기(2)를 통하여 독립적으로 출력되고, 신호 결합기(4)를 통하여 결합된다.

상기 결합된 신호는 동기화 장치의 입력으로 사용함으로써 동기부(5)의 성능을 향상시킨다.

동기화로는 전송 방식에 따른 프레임 동기, 반송파 동기, 타이밍 동기, 코드 동기 획득 등이 있다.

여기서, 상기 다수개의 비동기식 복소 정합 여파기부(2)에서 그 중 하나인 비동기식 복소 정합 여파기는 도 2와 같이 구성된다.

도 2 는 본 발명에 따른 비동기식 복소 정합 여파기를 나타낸 블록도로서, 도 2를 보면 다수개의 안테나(1) 각각에서 입사된 신호와 반송파를 결합하는 혼합기(2a)와, 상기 혼합기(2a)에서 출력된 신호를 저주파 성분만 통과시키는 필터부(2b)와, 상기 필터부(2b)에서 필터링된 신호를 기준 신호와 교차 상관 취하는 복소 정합 여파 상관부(3)로 구성된다.

이와 같이 구성된 비동기식 복소 정합 여파기(3)의 동작을 보면 다수개의 안테나(1) 중 각각 안테나로 입사된 신호는 반송파와 혼합된다.

이어 LPF(Low Pass Filter)를 통해 주파수의 낮은 부분만을 통과시켜 필터링 한다.

그리고 상기 필터링된 신호를 이용하여 도 3의 심벌 패턴 발생부(3a)의 출력값과 교차 상관을 취한다.

상기 도 3 은 본 발명에 따른 복소 정합 여파 상관부(2)를 나타낸 구성도로서, 도 3을 보면 상기 복소 정합 여파 상관부는 전송 방식에 따라 미리 공액 복소를 취한 기준 신호를 출력시키는 심벌 패턴 발생부(3a)와, 상기 필터부(2b)에서 출력된 신호를 샘플링하여 출력하는 TDL 쉬프트 레지스터부(3b)와, 상기 심벌 패턴 발생부(3a)에서 출력된 기준 신호와 상기 TDL 쉬프트 레지스터부(3b)에서 출력된 신호를 교차 상관시키는 교차 상관부(3c)로 구성된다.

이와 같이 구성된 복소 정합 여파 상관부(3)의 동작을 설명하면 다음과 같다.

상기 복소 정합 여파 상관부(3)는 전송 방식에 따라 미리 정해진 동기화를 위한 기준 신호를 발생한다.

이어 TDL 쉬프트 레지스터부(3b)는 상기 필터부(2b)에서 출력된 신호를 샘플링하여 TDL(Tapped-Delay Line) 구조를 갖는 쉬프트 레지스터부(3b)를 통해 이동시키면서 입력된 신호를 순차적으로 출력한다.

그리고 상기 심벌 패턴 발생부(3a)를 통해 출력되는 기준 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호와 상기 TDL 쉬프트 레지스터부(3b)를 통해 출력되는 입력신호를 교차 상관시켜서 교차 상관값을 출력한다.

이와 같이 도 3 은 복소 정합 여파 상관부(3)의 입력으로 들어온 신호는 샘플링되고 상기 샘플링되어 들어온 신호와 심벌 패턴 발생부(3a)에서 생성된 기준 신호를 교차 상관부(3c)를 통해서 교차 상관을 구한다.

그리고 다수개의 비동기식 복소 정합 여파기부(2)를 통해 얻어진 각각의 독립적인 교차 상관값은 신호 결합기(4)를 통해서 하나로 결합된다.

상기 도 4 (a)는 상기 신호 결합기(4)의 일실시예를 나타낸 구성도이고, 도 4 (b)는 상기 신호 결합기(4)의 다른 실시예를 나타낸 구성도 이다.

따라서 상기 신호 결합기(4)는 도 4에 나타낸 신호 결합기를 통하여 도 4(a)와 같이 신호 전력 결합기(4a)를 통해 전력 결합을 하거나 또는 도 4(b)와 같이 신호 진폭 결합기(4b) 통해 진폭 결합을 한다.

이어 상기 전력 결합과 진폭 결합된 신호는 동기화 장치의 입력으로 사용된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 동기화 시스템을 위한 안테나 배열구조를 갖는 신호 결합 장치의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 다수개의 안테나(1)는 임의의 안테나 배열 구조를 갖고 있으며, A 개의 안테나 배열로 입사된 신호는 각 안테나의 비동기식 복소 정합 여파기 입력으로 들어온 신호로 비동기식 복조 방식에 의해서 복조가 이루어지고, 복소 정합 여파 상관부(3)를 통해 심벌 패턴 발생부(3a)에서 발생된 기준 신호와의 교차상관 출력을 얻는다.

각 안테나의 비동기식 복소 정합 여파기(2)를 통해 출력된 교차상관 출력들은 동기부(5)로 들어가기 전에 신호 결합기(4)를 통하여 하나의 출력으로 결합된다.

상기 신호 결합기(4)는 도 4 (a)와 같이 신호의 전력을 결합하는 신호 전력 결합기(4a) 구조와 (b)와 같이 신호의 진폭을 결합하는 신호 진폭 결합기(4b) 구조를 이용할 수 있다.

이와 같은 상기 신호결합기(4)의 결합을 통하여 안테나 배열에 입사된 신호의 위상 성분을 제거하면서 단순한 구조로 각 안테나 출력 성분을 결합하는 기능을 수행한다.

동기부(5)의 입력으로 사용되는 신호 결합기(4)의 출력은 신호의 전력 결합이나 신호의 진폭 결합에 따라 수학식 1과 수학식 2로 표현된다.

여기서 A는 다수개의 안테나(1)의 총 개수이다.

복소 정합 여파 상관부(3)는 도 3과 같이 구성되며, 도 3에서 보듯이 기저대역에서 샘플링된 입력 신호는 TDL(Tapped Delay Line)구조를 따라 이동되면서 복소 정합 여파 상관부(3)의 심벌 패턴 발생부(3a)를 통하여 발생된 기준 신호와 교차 상관부(3c)를 통해 교차상관을 취하게 된다.

도 3에서 보듯이 복소 정합 여파 상관부(3)는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

상기 수학식 3에서 x₁은 기준이 되는 훈련 신호를 나타내고,는 지연시간이 τ에 해당하는 복소 정합 여파 상관부(3)의 교차상관 출력 값이다.

심벌 패턴 발생부(3a)는 전송 방식에 따라 메모리 또는 변환 장치 등으로 구성될 수 있으며, DS-CDMA(Direct Sequence Code Division Multiple Access) 나 프레임 구조를 채택하는 단일 반송파 전송 방식에서는 복소 PN(Pseudo-Noise) 코드가 기준 OFDM 신호가 되며, 또한 OFDM 전송 방식을 채택하는 시스템에서는 파일럿 신호의 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 변환된 신호를 공액복소 취하고 상기 공액복소한 값을 기준 OFDM 신호로 출력한다.

따라서 상기 DS-CDMA나 프레임 구조를 채택하는 단일 반송파 전송방식에서는 기준신호로 복소 PN 코드(I-Q 성분을 갖고 있다.) 신호열의 공액복소(complex conjugate)를 취한 값을 사용하며, 상기 공액복소에 따른 신호는 프레임의 가장 처음 또는 중간에 전송되며 수신측의 기준신호로 상기 심벌 패턴 발생부(3a)에서 출력된다.

그리고 상기 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 전송 방식을 채택하는 시스템에서 상기 심벌 패턴 발생부(3a)에서 출력되는 값은 각 부반송파를 통해 전송되는 파일럿 신호의 IFFT를 취한 시영역 신호의 공액 복수를 취한 값을 갖는다.

상기 OFDM 신호는 전달하고자 하는 정보를 IFFT 장치를 통해 시영역으로 변환하고 신호의 후미부를 상기 OFDM 신호의 접두시키는 사이클릭 프리픽스(cyclic prefix)와 같은 보호구간을 넣어 전송한다.

이때 상기 사이클릭 프리픽스(cyclic prefix)를 갖는 OFDM 신호의 전송 방식에서 사이클릭 프리픽스(cyclic prefix)의 첨가는 일정 구간을 놓고 보았을 때 순환한 신호의 특성을 제공해 준다.

만약 전송하고자 하는 정보가 BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), M-ary PSK 변조 방식등과 같이 균일한 진폭을 갖고 있다면 다음과 같은 시영역 신호의 고유한 상관 특성을 얻을 수 있다.

여기서 수학식 4와 같이 자기 상관 함수를 정의하면 위의 가정으로부터 수학식 5의 값을 얻을 수 있다.

상기 이러한 과정을 통하여 각 안테나의 비동기식 복소 정합 여파기(2)에서 출력된 신호들의 전력을 합하여 동기부(5)의 입력으로 사용하는 시스템과 비동기식 복소 정합 여파기부(2)에서 출력된 신호들의 진폭의 합을 동기부(5)의 입력으로 사용하는 시스템을 제안하였다.

이와 같이 동기부(5)에 입력된 신호는 도 1에서 보듯이 각각의 전송방식에 따른 반송파 동기, 프레임 동기, 타이밍 동기 그리고 코드 동기 획득 등의 동기를 찾는데 사용된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 동기화 시스템을 위한 안테나 배열구조를 갖는 신호 결합 장치는 안테나 배열의 신호를 결합하여 안테나 배열에 의한 신호의 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise : SNR) 이득을 얻을 수 있는 효과가 있다.

따라서 동기화 시스템에 안테나 배열을 결합함으로써 낮은 SNR 값에서도 우수한 동기화 성능을 발휘할 수 있으며, 단순한 구조를 통해 신호를 쉽게 결합시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 다양한 전송방식의 동기화 시스템에 적용합으로써, 상기 적용된 시스템의 전반적인 성능 향상을 가져오는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 임의의 안테나 배열 구조를 갖는 다수개의 안테나와,

   상기 다수개의 안테나 각각의 신호를 복조하고 상기 복조된 다수개의 신호를 하나의 신호로 결합하는 신호 결합기와,

   상기 신호 결합기의 신호를 이용하여 전송 방식에 따른 반송파 동기, 프레임 동기, 타이밍 동기 그리고 코드 동기를 획득하는 동기부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나 배열을 이용한 동기화 시스템을 위한 신호 결합 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다수개의 안테나 각각의 신호의 복조는 다수개의 비동기식 복소 정합 여파기를 사용하는 것을 특징으로 하는 안테나 배열을 이용한 동기화 시스템을 위한 신호 결합 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 다수개의 비동기식 복소 정합 여파기는 각 안테나에서 입사된 신호와 반송파를 혼합하는 혼합기와,

   상기 혼합기에서 출력된 신호의 저주파 성분만 통과시키는 필터부와,

   상기 필터부에서 필터링된 신호를 기준 신호와 교차상관을 시키는 복소 정합 여파 상관부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나 배열을 이용한 동기화 시스템을 위한 신호 결합 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 복소 정합 여파 상관부는 기준 신호를 출력시키는 심벌 패턴 발생부와,

   상기 필터부에서 출력된 신호를 입력으로 샘플링하여 출력된 신호를 일정구간 저장하여 입력된 신호를 순차적으로 출력하는 TDL 쉬프트 레지스터부와,

   상기 심벌 패턴 발생부에서 출력된 기준 OFDM 신호나 기 저장된 기준 OFDM 신호 중 어느 하나와 상기 TDL 쉬프트 레지스터부에서 출력된 신호를 교차 상관시키는 교차 상관부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나 배열을 이용한 동기화 시스템을 위한 신호 결합 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 심벌 패턴 발생부에서 발생된 기준 신호로는 DS-CDMA와 일반 프레임 구조를 채택하는 단일 반송파 전송방식에서는 복소 PN(Pseudo-Noise) 코드 신호가 사용되고, 사이클릭 프리픽스(cyclic prefix)를 갖는 OFDM 전송방식에서는 입력 신호에 IFFT를 취하고 이어 공액복소를 취한 출력값이 사용되는 것을 특징으로 하는 안테나 배열을 이용한 동기화 시스템을 위한 신호 결합 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 신호 결합기는 신호의 전력을 결합하는 신호 전력 결합기와 신호의 진폭을 결합하는 신호 진폭 결합기 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나 배열을 이용한 동기화 시스템을 위한 신호 결합 장치.