KR20040008692A

KR20040008692A - 디지털 빔 포밍 시스템

Info

Publication number: KR20040008692A
Application number: KR1020020042362A
Authority: KR
Inventors: 김동철; 김정훈
Original assignee: 주식회사 웨이브컴테크놀로지
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-01-31

Abstract

본 발명은 디지털 빔 포밍(DBF: Digital Beam Forming) 시스템에 관한 것으로서 특히, 휴대용 전화기의 기지국에서 원하는 사용자의 방향으로부터 전파되어오는 신호만을 수신하고, 그 외의 방향으로부터 전파되어 오는 다중접속 간섭에 의한 잡음 신호레벨을 크게 감소시키기 위한 것으로서, 반파장 간격으로 설치되는 적어도 2개 이상의 안테나(100)와; 상기 안테나(100)로 수신된 전파가 상기 안테나와 동일한 개수의 각각의 채널로 입력되어 중간주파수(IF)로 변환되어 I/Q 벡터로 변환시키는 DBF 리시버(200)와; 상기 안테나(100)와 DBF 리시버(200)의 각 채널을 각각 연결하는 RF 케이블(300)과; 상기 DBF 리시버(200)의 출력신호를 디지털 신호로 변환하여 분석을 위한 컴퓨터(400)로 연결되는 A/D 변환기(500)를 포함하여 구성되어, 신호의 이득(gain) 증가로 인해 기지국 당 담당할 수 있는 범위가 확장되고, 기지국의 채널 용량을 증가시키며, 단말기(휴대용 전화기)의 전력 소비가 감소되고 반면 통화 시간이 증가되며 배터리의 사용시간을 연장시킬 수 있는 것이다.

Description

디지털 빔 포밍 시스템 {Digital beam forming system}

본 발명은 디지털 빔 포밍(DBF: Digital Beam Forming) 시스템에 관한 것으로서 특히, 휴대용 전화기의 기지국에서 원하는 사용자의 방향으로부터 전파되어오는 신호만을 수신하고, 그 외의 방향으로부터 전파되어 오는 다중접속 간섭에 의한 잡음 신호레벨을 크게 감소시킴으로써, 신호의 이득(gain) 증가로 인해 기지국 당 담당할 수 있는 범위가 확장되고, 기지국의 채널 용량을 증가시키며, 단말기(휴대용 전화기)의 전력 소비가 감소되고 반면 통화 시간이 증가되며 배터리의 사용시간을 연장시킬 수 있는 디지털 빔 포밍 시스템에 관한 것이다.

현재 휴대용 전화기의 신호 송수신 기술로는 코드분할다중접속(CDMA: code division multiple access) 방식이 사용되고 있으며, 이를 부호분할다중접속이라고도 한다.

이는 사용자가 시간과 주파수를 공유하면서 신호를 송수신하기 때문에 기존의 아날로그 방식(AMPS)보다 수용 용량이 10배가 넘고 통화품질도 우수하다. 확산대역(spread-spectrum) 통신기술을 사용한 다중접속방식의 일종이다.

확산대역통신이란 전송하려는 신호의 대역폭보다 훨씬 넓은 대역폭으로 신호를 확산시켜 전송하는 것으로, 신호의 전력밀도가 낮아지므로 신호의 존재 유무를 검출하기 어렵다. 또한 수신기에서는 수신된 신호를 역확산시키는 과정에서 원래의신호를 만들어 내기 위해서는, 확산할 때에 사용한 부호를 정확히 알고 있어야 하므로 통신의 비밀이 보장되며, 외부의 방해신호는 역확산 과정에서 반대로 확산되므로 통신을 방해하지 않는다.

다중접속기술은 한정된 자원을 많은 사용자들이 공유하는 방법으로 주파수분할, 시간분할, 공간분할, 극분할 및 부호분할 등이 있다. 그러나 코드분할다중접속을 제외한 다른 방식들은 각각의 물리적인 영역에서 직교분할되어 사용자간에 간섭이 없지만, 코드분할다중접속(CDMA)의 경우는 부호로만 분할되어 있으므로 간섭이 크다.

즉, 상기와 같은, CDMA 시스템에서는 기지국에 속한 다른 사용자의 신호는 간섭으로 처리된다. 따라서 한 기지국에서 같은 주파수를 공유하는 사용자의 수가 증가하면 다중 접속 간섭잡음이 증가되어, 수신신호의 비트 에러율(BER: bit error rate)이 증가되고 시스템의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 결점을 해소하기 위한 것으로, 이동통신에 있어서, 신호의 이득(gain) 증가로 인해 기지국 당 담당할 수 있는 범위가 확장되고, 기지국의 채널 용량을 증가시키며, 단말기(휴대용 전화기)의 전력 소비가 감소되고 반면 통화 시간이 증가되며 배터리의 사용시간을 연장시킬 수 있는 디지털 빔 포밍 시스템을 제공하고자 한다.

이러한 본 발명은 반파장 간격으로 설치되는 적어도 2개 이상의 안테나와;상기 안테나로 수신된 전파가 상기 안테나와 동일한 개수의 채널로 각각 입력되어 중간주파수(IF)로 변환되어 I/Q 벡터로 변환시키는 DBF 리시버와; 상기 안테나와 DBF 리시버의 각 채널을 각각 연결하는 RF 케이블과; 상기 DBF 리시버의 출력신호를 디지털 신호로 변환하여 분석을 위한 컴퓨터로 연결되는 A/D 변환기를 포함하여 구성함으로써 달성된다.

도 1은 본 발명의 디지털 빔 포밍 시스템의 일 실시예를 나타내는 구성도,

도 2는 본 발명의 디지털 빔 포밍 시스템의 블럭도,

도 3은 본 발명의 디지털 빔 포밍 시스템의 채널 블럭도,

도 4 및 도 5는 본 발명의 디지털 빔 포밍 시스템을 이용하여 측정된

그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 안테나 200 : DBF 리시버

210 : 다운 컨버터 220 : 복조기

230 : 국부발진부 300 : RF 케이블

400 : 컴퓨터 410 : PCI 버스

500 : A/D 변환기

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 디지털 빔 포밍 시스템의 일 실시예를 나타내는 구성도로서, 본 발명은, 반파장 간격으로 설치되는 적어도 2개 이상의 안테나(100)와; 상기 안테나(100)로 수신된 전파가 상기 안테나와 동일한 개수의 각각 채널로 입력되어 중간주파수(IF: intermediate frequency)로 변환되어 I/Q 벡터로 변환시키는 DBF 리시버(200)와; 상기 안테나(100)와 DBF 리시버(200)의 각 채널을 각각 연결하는 RF 케이블(300)과; 상기 DBF 리시버(200)의 출력신호를 디지털 신호로 변환하여 분석을 위한 컴퓨터(400)로 연결되는 A/D 변환기(500)를 포함하여 구성되는 것을 그 기술상의 특징으로 한다.

또한, 도 2는 본 발명의 디지털 빔 포밍 시스템의 블럭도로서, 상기 DBF 리시버(200)는, 상기 안테나(100)에 각각 연결되며, 상기 안테나(100)의 신호를 증폭하여 중간주파수 신호로 변환시키는, 상기 안테나(100)와 동일한 개수의 다운컨버터(210)와; 상기 다운컨버터(210)에 각각 연결되어, 상기 중간주파수 신호를 I/Q벡터로 출력시키는, 상기 안테나(100)와 동일한 개수의 복조기(220)와; 상기 각각의 다운컨버터(210)와 복조기(220)에 연결되는 국부발진부(230)로 구성된다.

상기 DBF 리시버(200)의 위상과 이득(Gain)은 컴퓨터(400)를 통하여 원격 조정이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 디지털 빔 포밍 시스템의 채널 블럭도로서, 상기 다운컨버터(210)는, 상기 안테나(100)에 각각 연결되며, 상기 안테나(100)의 신호를 증폭하여 제 1중간주파수 신호로 변환시키는 제 1증폭부(211)와; 상기 제 1중간주파수 신호 중 원하는 주파수 대역을 필터링 하는 필터(212)와; 상기 필터링된 신호를 증폭하여 제 2중간주파수 신호로 변환시키는 제 2증폭부(213)로 구성되고, 각각의 채널은 상기 도 3에서 도시하는 채널과 동일한 구성을 가진다.

또한, 상기 제 1증폭부(211)는, 상기 안테나(100)의 신호를 1차적으로 증폭하는 제 1증폭기(211a)와; 상기 증폭된 신호를 제 1중간주파수 신호로 변환하는 제 1믹서(211b)와; 상기 변환된 제 1중간주파수 신호를 증폭하는 제 2증폭기(211c)로 세부 구성되고, 상기 제 2증폭부(213)는, 상기 필터링된 신호를 추가적으로 증폭하는 제 3증폭기(213a)와; 상기 증폭된 신호를 제 2중간주파수 신호로 변환하는 제 2믹서(213b)와; 상기 변환된 제 2중간주파수 신호를 증폭하는 제 4증폭기(213c)로 세부 구성된다.

한편, 상기 국부발진부(230)는, 상기 제 1증폭부(211)와, 제 2증폭부(213)와, 복조기(220)에 각각 연결되는 국부발진기(231, 232, 233)와 스플리터(234)와; 상기 각각의 국부발진기(231, 232, 233)에 연결되며, 레퍼런스 클록을 발생시키는기준발진기(235)로 구성되며, 본 실시예에서 상기 기준발진기(235)의 레퍼런스 클록은 동일하게 10 MHz를 가진다.

또한, 상기 복조기(220)에 연결되는 국부발진기(233)는 상기 제 2증폭부(213)의 제 2중간주파수와 같은 주파수를 사용함으로써 최종 출력값은 I/Q 벡터로 출력되게 되는 것이다.

한편, 상기 안테나(100)는, 전방향성을 가지는 옴니 형태의 어레이 안테나를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 복조기(220)를 통하여 I/Q 벡터로 변환된 신호는 상기 A/D 변환기(500)에 의하여 디지털화 되며, 이 디지털 신호는 컴퓨터(400)에 수록되어 실행되는 MUSIC (MUltiple SIgnal Classification) 알고리즘을 통하여 분석하여 원하는 신호의 방향을 알 수 있게 된다.

도 2에서 도시하는 바와 같이, 상기 A/D 변환기(500)를 통하여 디지털화 된 신호는 PCI 버스(410)에 의하여 컴퓨터(400)로 전송되게 된다.

상기 안테나(100)와 채널은 2개 이상의 개수가 존재하여야 비교 분석이 가능하며, 물론 그 이상의 다채널로 구성하는 것도 가능하고, 다채널로 구성하는 경우에는 오차가 적어져서 보다 정확한 값을 계산할 수 있다. 본 실시예의 도면에는 4개의 채널을 구성한 실시예를 도시하고 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 디지털 빔 포밍 시스템을 이용하여 측정된 그래프로서, 각각 신호의 위치가 0°로 설정한 레퍼런스 데이터와, 실제 측정 후의 데이터를 나타내는 것으로서, 이하, 상기 도 1 내지 도 5를 참고하여 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

일정 간격으로 배열된 안테나(100)로부터 수신된 여러 RF(radio frequency) 신호는 상기 DBF 수신기(200)의 각 채널로 들어가게 된다.

상기 각 채널로 들어온 RF 신호는 국부발진부(230)의 국부발진신호로 인해 IF(intermediate frequency)의 낮은 주파수로 변환이 된다.

상기 변환된 주파수는 이후에 복조기(220)를 통하여 RF 신호에 실린 데이터가 I/Q 벡터로 변환이 된다.

상기 I/Q 벡터로 변환된 데이터는 A/D 변환기(500)로 입력되어 디지털 신호로 변환되며, 상기 A/D 변환기(500)는 12 비트의 Resolution과 5 MS/s의 샘플링 비율(sampling rate)을 가진다.

상기 디지털 신호는 PCI 버스(410)를 통하여 컴퓨터(400)로 들어가게 되며, MUSIC(MUltiple SIgnal Classification) 알고리즘의 수식을 통하여 I/Q 벡터를 분석하여 원하는 신호의 방향을 알 수 있게된다.

도 4와 도 5는 본 발명의 디지털 빔 포밍 시스템을 실험실에서 측정한 그래프로서, 도 4는 신호의 위치가 0°로 설정한 레퍼런스 데이터로서, 피크의 위치가 0°에 위치함을 볼 수 있다.

도 5는 특정 지역에서 신호가 발생하는 경우에, 이 신호를 본 발명의 디지털 빔 포밍 시스템을 통하여 측정한 결과로서, 도시하는 바와 같이, 신호의 위치가 약 40°정도에서 수신되고 있음을 알 수가 있다.

또한, 상기한 바와 같이, DBF 리시버(200)의 위상과 이득(Gain)은 컴퓨터(400)를 통하여 원격으로 조절이 가능한 것이다.

이상과 같이, 본 발명의 디지털 빔 포밍 시스템은 복수개의 배열 안테나 소자를 이용하여 각각의 안테나 소자에서 수신되는 신호들의 이득 및 위상을 조절하여, 기지국에서 원하는 사용자의 방향으로부터 전파되어 오는 신호만을 수신하고 그 이외의 방향에서 전파되어 오는 다중접속 간섭에 의한 잡음 신호레벨을 크게 감소시켜 시스템의 성능을 향상시키고 기지국의 채널 용량을 증가시키는 시스템이다.

본 발명의 디지털 빔 포밍 시스템을 이용하면, 상기와 같이, 원하는 신호의 방향과 세기를 알 수 있으며, 차후 기지국 설치를 위한 셀 플래닝(cell planing)시에 전파 세기에 대한 맵(map)을 그릴 수 있으므로 그 유용성이 큰 것이다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명의 범위는 상기의 도면이나 실시예에 한정되지 않는다.

이상과 같은 본 발명은 휴대용 전화기의 기지국에서 원하는 사용자의 방향으로부터 전파되어오는 신호만을 수신하고, 그 외의 방향으로부터 전파되어 오는 다중접속 간섭에 의한 잡음 신호레벨을 크게 감소시킴으로써, 신호의 이득(gain) 증가로 인해 기지국 당 담당할 수 있는 범위가 확장되고, 기지국의 채널 용량을 증가시키며, 단말기(휴대용 전화기)의 전력 소비가 감소되고 반면 통화 시간이 증가되며 배터리의 사용시간을 연장시킬 수 있는 효과가 있는 발명인 것이다.

Claims

반파장 간격으로 설치되는 적어도 2개의 안테나와;

상기 안테나로 수신된 전파가 상기 안테나와 동일한 개수의 채널로 각각 입력되어 중간주파수(IF)로 변환되어 I/Q 벡터로 변환시키는 DBF 리시버와;

상기 안테나와 DBF 리시버의 각 채널을 각각 연결하는 RF 케이블과;

상기 DBF 리시버의 출력신호를 디지털 신호로 변환하여 분석을 위한 컴퓨터로 연결되는 A/D 변환기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 빔 포밍 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 DBF 리시버는,

상기 안테나에 각각 연결되며, 상기 안테나의 신호를 증폭하여 중간주파수 신호로 변환시키는, 상기 안테나와 동일한 개수의 다운컨버터와;

상기 다운컨버터에 각각 연결되어, 상기 중간주파수 신호를 I/Q 벡터로 출력시키는, 상기 안테나와 동일한 개수의 복조기와;

상기 각각의 다운컨버터와 복조기에 연결되는 국부발진부로 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 빔 포밍 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 다운컨버터는,

상기 안테나에 각각 연결되며, 상기 안테나의 신호를 증폭하여 제 1중간주파수 신호로 변환시키는 제 1증폭부와;

상기 제 1중간주파수 신호 중 원하는 주파수 대역을 필터링 하는 필터와;

상기 필터링된 신호를 증폭하여 제 2중간주파수 신호로 변환시키는 제 2증폭부로 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 빔 포밍 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 국부발진부는,

상기 제 1증폭부와, 제 2증폭부와, 복조기에 각각 연결되는 국부발진기와 스플리터와;

상기 각각의 국부발진기에 연결되며, 레퍼런스 클록을 발생시키는 기준발진기로 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 빔 포밍 시스템.
제 4항에 있어서, 상기 복조기에 연결되는 국부발진기는 상기 제 2증폭부의 제 2중간주파수와 같은 주파수를 사용함으로써,

상기 복조기의 출력값이 I/Q 벡터로 출력되도록 함을 특징으로 하는 디지털 빔 포밍 시스템.
제 3항에 있어서, 상기 제 1증폭부는,

상기 안테나의 신호를 1차적으로 증폭하는 제 1증폭기와;

상기 증폭된 신호를 제 1중간주파수 신호로 변환하는 제 1믹서와;

상기 변환된 제 1중간주파수 신호를 증폭하는 제 2증폭기로 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 빔 포밍 시스템.
제 3항에 있어서, 상기 제 2증폭부는,

상기 필터링된 신호를 추가적으로 증폭하는 제 3증폭기와;

상기 증폭된 신호를 제 2중간주파수 신호로 변환하는 제 2믹서와;

상기 변환된 제 2중간주파수 신호를 증폭하는 제 4증폭기로 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 빔 포밍 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 안테나는,

전방향성을 가지는 옴니 형태의 어레이 안테나인 것을 특징으로 하는 디지털 빔 포밍 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 A/D 변환기에 의하여 디지털화 된 신호는 MUSIC (MUltiple SIgnal Classification) 알고리즘을 통하여 분석하도록 하는 것을 특징으로 하는 디지털 빔 포밍 시스템.