KR20060021960A - 초광대역 무선 통신을 위한 직교 펄스 발생 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초광대역 주파수에 대한 대역폭 및 출력레벨의 제한을 용이하게 반영할 수 있고, 주파수 대역과 직교 펄스 개수 등을 자유롭게 변화시키는 것이 가능하며, 나아가서, 직교성을 갖는 펄스들을 발생시켜 다중 경로의 무선 환경에서도 펄스간 간섭을 최소화 하여 신호왜곡을 방지하고, 그 결과 다중 채널 전송능력을 향상시킨 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법은, 미리 정해진 주파수 대역을 갖는 임펄스 응답 필터에 입력 함수 μ(t)를 통과시키고, 그 출력을 이산화 하여 얻어진 에르미트(Hermitian) 행렬의 고유 벡터를 구하는 단계; 및 상기 고유 벡터의 계수값들을 사용하여 초광대역 펄스를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

UWB, 초광대역, 펄스, 임펄스, 직교, 초광대역 통신

Description

초광대역 무선 통신을 위한 직교 펄스 발생 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING ORTHOGONAL PULSES FOR ULTRA WIDE BAND WIRELESS COMMUNICATION}

도 1은 미국 연방 통신 위원회(FCC)에서 제시한 초광대역 무선통신의 주파수 스펙트럼 마스크를 나타낸다.

도 2는 종래 기술의, 반송파를 이용한 초광대역 펄스 발생 방법을 도시하는 개략도이다.

도 3은 종래 기술의, 반송파를 이용한 방법을 통하여 얻어진 초광대역 펄스와 스펙트럼 밀도를 도시한다.

도 4는 본 발명의 초광대역 펄스 발생 방법을 사용하여 얻어진 초광대역 펄스와 스펙트럼 밀도를 도시한다.

도 5는 본 발명의 초광대역 펄스 발생 장치의 블록도와, 초광대역 펄스 발생을 위한 처리 흐름을 도시한다.

본 발명은 초광대역(Ultra Wide Band: UWB) 임펄스 통신을 위한 직교 펄스 발생 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 미국 연방 통신 위원회(Federal Communications Commission: FCC) 등의 규정에 적합하도록 주파수 대역 및 출력의 제한을 하면서, 상호 간섭을 최소화하도록 직교성(Orthogonality)을 갖는 펄스들을 발생시기는 방법에 관한 것이다.

기존의 협대역 무선통신 시스템 또는 광대역 무선통신 시스템과 구분하기 위해, 중심 주파수의 20% 이상의 점유 대역폭을 차지하는 무선통신 시스템 혹은 500MHz 이상의 대역폭을 차지하는 무선통신 시스템을 초광대역(UWB,Ultra-Wide Bandwidth) 시스템이라 한다. 이러한 초광대역 시스템은 다른 시스템에 비해 매우 광대한 주파수 대역을 사용하므로 스펙트럼 밀도가 낮고, 타 통신 시스템에 간섭을 주지 않아 주파수 공유 측면에서 매우 유리한 시스템이다.

그러나 초광대역 시스템은 버스트(burst)한 데이터 전송 특성을 갖고 있으므로, 이를 사용할 경우 GPS(Global Positioning System)등 타 통신 시스템 및 기타 전자 장비에 대한 간섭의 여지가 있기 때문에, 미국 연방 통신 위원회(FCC)에서는 초광대역 시스템을 위한 주파수 대역 및 출력 레벨을 제한하는 주파수 마스크를 도1과 같이 제시한 바 있다.

이와 같은 주파수 마스크를 만족시키는 초광대역 무선통신 시스템용의 펄스를 발생시키는데 있어서, 종래에는 도2에 도시된 바와 같이 가우시안 모노싸이클 펄스(Gaussian mono-cycle pulse)(10)를 사용하고, 반송파를 이용하여 펄스의 주파수 대역을 주파수 마스크에 적합하도록 이동시키는 방법을 주로 이용하였다. 이 방법을 사용하여 도 3에 도시된 바와 같은 초광대역 펄스(40)를 만들어 낼 수 있기 는 하였으며, 얻어진 초광대역 펄스는 FCC의 규정을 만족하는 전력스펙트럼 밀도(power spectrum density)를 가지지만, 반송파(carrier)를 사용한다는 점 때문에 송신기와 수신기 구성이 복잡해지고 시스템의 부피도 커지는 단점을 가지고 있다. 그 뿐이 아니라, 실내 무선채널 환경과 같은 다중경로 채널 환경에서는 펄스의 도착 시간 지연 현상에 의한 인접 펄스 사이의 간섭이 발생하게 되어, 신호 왜곡 문제가 매우 심각하게 된다.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 초광대역 펄스 발생 방법의 단점을 극복하기 위한 것으로서, 초광대역 주파수에 대한 대역폭 및 출력레벨의 제한을 용이하게 반영할 수 있는 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법을 제안하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 주파수 대역과 직교 펄스 개수 등을 자유롭게 변화시키는 것이 가능한 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법을 제공하기 위한 것이다.

나아가서, 본 발명은 직교성을 갖는 펄스들을 발생시켜 다중 경로의 무선 환경에서도 펄스간 간섭을 최소화 하여 신호왜곡을 방지하고, 그 결과 다중 채널 전송능력을 향상시킨 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 한 측면에 의한 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법은, 미리 정해진 주파수 대역을 갖는 임펄스 응답 필터 에 입력 함수 μ(t)를 통과시키고, 그 출력을 이산화 하여 얻어진 에르미트(Hermitian) 행렬의 고유 벡터를 구하는 단계; 및 상기 고유 벡터의 계수값들을 사용하여 초광대역 펄스를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 한 측면에 의한 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법은, 미리 정해진 주파수 대역을 갖는 임펄스 응답 필터에 입력 함수 μ(t)를 통과시키고, 그 출력을 이산화 하여 얻어진 에르미트(Hermitian) 행렬의 두개 이상의 서로 직교하는 고유 벡터들을 구하는 단계; 및 상기 고유 벡터들의 각각의 계수값들을 사용하여 두개 이상의 서로 직교하는 초광대역 펄스들을 발생시키는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 입력 함수는

로 표시될 수 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 임펄스 필터의 출력은 입력 함수 μ(t)와 임펄스 응답 필터의 컨벌루션(convolution)인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 초광대역 펄스 발생 방법에서는, 상기 에르미트 행렬의 차수를 증가시켜 상기 직교하는 초광대역 펄스들의 개수를 증가시키도록 하는 것이 가능하게 됨을 한 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 초광대역 펄스 발생 방법에서는, 상기 임펄스 응답 필터의 주파수 대역에 따른 필터 계수의 조정에 의해 초광대역 펄스의 주파수 대역의 조정이 가능한 것을 다른 한 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 한 측면에 의한 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 장 치는, 입력 함수 μ(t) 발생기; 미리 정해진 주파수 대역을 갖는 임펄스 응답 필터에 상기 입력 함수 μ(t)를 통과시키고, 그 출력을 이산화 하여 얻어진 에르미트(Hermitian) 행렬의 고유 벡터를 구하는 고유 벡터 추출기; 상기 고유 벡터의 계수값들을 저장하는 메모리; 및 상기 고유 벡터의 계수값들을 사용하여 초광대역 펄스를 발생시키는 펄스 발생기를 포함하여 구성된다.

본 발명의 또 다른 한 측면에 의한 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 장치는, 입력 함수 μ(t) 발생기; 미리 정해진 주파수 대역을 갖는 임펄스 응답 필터에 상기 입력 함수 μ(t)를 통과시키고, 그 출력을 이산화 하여 얻어진 에르미트(Hermitian) 행렬의 두개 이상의 서로 직교하는 고유 벡터들을 구하는 고유 벡터 추출기; 상기 고유 벡터들의 계수값들을 저장하는 메모리; 및 상기 고유 벡터들의 계수값들을 사용하여 두개 이상의 서로 직교하는 초광대역 펄스들을 발생시키는 펄스 발생기를 포함하여 구성될 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에서는 우선, 희망하는 주파수 대역과 출력 레벨 값을 바탕으로 시간 영역의 필터 임펄스 응답을 얻는다. 입력 함수를 상기 필터에 통과시켜 필터링 과정 즉, 컨벌루션(convolution) 과정을 수행하며, 이러한 컨벌루션 과정은 적절한 샘플링 주기에 의해 이산화 처리된다.

상기 컨벌루션 과정은, 결국 상기 입력 함수에 에르미트(Hermitian) 행렬을 적용하는 형태가 되며, 따라서 그 고유벡터는 직교성을 갖게 된다. 이를 좀 더 상 세히 설명하면, 컨벌루션 과정을 토에플리츠(Toeplitz) 행렬로 나타내면, 그 행렬은 에르미트(Hermitian) 구조를 가지게 되어 그 고유 벡터들을 구할 경우, 각 고유 벡터는 서로 직교성을 갖게 된다. 이러한 성질을 이용하여 필터 출력부에서 주파수 대역과 출력 레벨이 조정된 직교 펄스의 이산화 형태가 출력되게 된다.

또한, 필터 계수 조정에 의한 주파수 대역 변경이 용이하여 질뿐만 아니라, 샘플링 주기 조정 및 샘플 개수 조정에 의한 직교 펄스 개수의 확장이 가능하게 되어 많은 수의 직교 펄스를 얻는 것이 용이하여 지게 되어, 초광대역 통신에 다양하게 이용될 수 있게 된다.

도5와 같이 초광대역 펄스를 발생시키기 위한 입력 함수 μ(t)를 FCC 주파수 마스크 대역 필터에 통과시키면 그 출력은 ζμ(t)가 된다. 여기서 ζ는 필터의 감쇠 요소이고, 입력 함수 μ(t) 는 시간 영역에서 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

이때, 필터의 출력은 수학식 2와 같이 입력 함수 μ(t)와 임펄스 응답 필터의 컨벌루션(convolution)이 된다.

상기 수학식 2를 이산화(discretization) 하면, 컨벌루션 연산자는 샘플 벡터 μ 로 구성된 m x m Toeplitz 행렬 H가 되며, μ 는 H의 고유벡터(eigen vector)가 된다.

여기서 μ 은 |μ ₁ μ ₂ ... μ _k |, 고유값(eigen value) 행렬이고, ζ는 diag(ζ ₁ ζ ₂ ... ζ _k )이며, ζ ₁ >ζ ₂ >...>ζ _k 순으로 감소하는 형태로 배열된 값으로 정의되며, 상기 수학식 2의 모든 해는 고유값 분해(eigenvalue decomposition)에 의해 μζ=Hμ의 형태로 나타낼 수 있으며, 수학식 4와 같은 형태가 된다.

행렬 H가 에르미트(Hermitian) 형태이므로, 각 고유 벡터들은 상호 직교(orthogonal)하는 성질을 갖는다. 따라서 각 고유 벡터들의 성분 값을 샘플 값으로 하면 직교 펄스를 얻을 수 있게 된다. 수학식 1에서의 m과 수학식 4에서의 N을 증가시키면 보다 큰 행렬 H를 얻고, 이와 같이 하면 보다 많은 고유 벡터를 얻게 되어, 보다 많은 수의 서로 직교하는 펄스를 얻을 수 있다.

도 4는 상술한 초광대역 펄스 발생 방법을 통하여 얻어진 펄스를 예시한다. 예시된 펄스는, 3.1GHz에서 8.1GHz사이의 통과 대역을 갖는 필터를 적용한 것인데, 이는 FCC 규정보다 더 엄격히 초광대역 펄스를 디자인한 것이다. 얻어진 펄스는 프롤레이트 스페로이달 함수(Prolate spheroidal wave function)의 형태가 된다.

상기 3.1GHz에서 8.1GHz의 통과 대역 필터(bandpass filter)를 사용한 펄스의 시간 영역과 주파수 영역에서의 표현은 수학식 5와 같다. 필터의 통과 대역을 이처럼 정한 이유는 FCC 규정에서 제시한 마스크에서 8.1GHz ~ 10.6GHz의 주파수 대역에 높은 신호 감쇠가 나타나기 때문이다. 이와 같은 필터의 통과 대역은 한 예시에 불과하며, 다양한 애플리케이션(application)에 따라 필터 주파수 대역은 적절히 조정될 수 있고 이로부터 다양한 직교 펄스를 얻을 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예 및 도면에 한정되지 아니하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범 위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이므로, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 그와 균등한 범위에 의해 결정되어야 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 토에플리츠(Toeplitz) 행렬 H가 실수 대각선 요소들로 이루어진 에르미트(Hermitian) 구조를 갖고 있기 때문에, 그 고유 벡터들이 서로 직교(orthogonal)하다는 점을 이용하여, 직교하는 복수개의 초광대역 펄스들을 용이하게 얻을 수 있고, 이를 사용하여 다중 접속이 가능한 복수개의 직교하는 펄스들을 동시에 전송하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명을 적용하면, 필요로 하는 개수의 직교 펄스를 발생시키기가 매우 용이하며, 여러 개의 초광대역 펄스를 발생시킨 후 각 펄스의 계수값들을 메모리에 저장하면, 언제든 용이하게 필요로 하는 개수의 초광대역 펄스를 원하는 전파환경에 맞추어 사용할 수 있게 된다.

따라서, 주파수 대역과 출력 레벨에 대한 규정을 준수할 수 있도록 함과 동시에. 다양하게 확장될 수 있다는 특성을 가진 본 발명의 초광대역 펄스 발생 방법 및 장치는, 종래 기술이 갖는 하드웨어적 부담과 펄스간 상호 간섭에 의한 신호 왜곡 등의 문제를 해결하면서, PPM, BPM 등 펄스 기반 디지털 변조 방식에 대한 적용 용이성 및 우수한 직교 특성에 의한 다중 접속(multiple access) 용이성의 장점을 가지고 있어, 고속 및 저속 초광대역 통신 시스템에 널리 활용될 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법에 있어서,

   미리 정해진 주파수 대역을 갖는 임펄스 응답 필터에 입력 함수 μ(t)를 통과시키고, 그 출력을 이산화 하여 얻어진 에르미트(Hermitian) 행렬의 고유 벡터를 구하는 단계; 및

   상기 고유 벡터의 계수값들을 사용하여 초광대역 펄스를 발생시키는 단계를 포함하는 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법.
2. 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법에 있어서,

   미리 정해진 주파수 대역을 갖는 임펄스 응답 필터에 입력 함수 μ(t)를 통과시키고, 그 출력을 이산화 하여 얻어진 에르미트(Hermitian) 행렬의 두개 이상의 서로 직교하는 고유 벡터들을 구하는 단계; 및

   상기 고유 벡터들의 각각의 계수값들을 사용하여 두개 이상의 서로 직교하는 초광대역 펄스들을 발생시키는 단계를 포함하는 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 입력 함수는

   

   로 표시되는 것을 특징으로 하는 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 임펄스 필터의 출력은 입력 함수 μ(t)와 임펄스 응답 필터의 컨벌루션(convolution)인 것을 특징으로 하는 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법.
5. 제2항에 있어서,

   상기 에르미트 행렬의 차수를 증가시켜 상기 직교하는 초광대역 펄스들의 개수를 증가시키도록 하는 것이 가능함을 특징으로 하는 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 임펄스 응답 필터의 주파수 대역에 따른 필터 계수의 조정에 의해 초광대역 펄스의 주파수 대역의 조정이 가능한 것을 특징으로 하는 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 방법.
7. 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 장치에 있어서,

   입력 함수 μ(t) 발생기;

   미리 정해진 주파수 대역을 갖는 임펄스 응답 필터에 상기 입력 함수 μ(t)를 통과시키고, 그 출력을 이산화 하여 얻어진 에르미트(Hermitian) 행렬의 고유 벡터를 구하는 고유 벡터 추출기;

   상기 고유 벡터의 계수값들을 저장하는 메모리; 및

   상기 고유 벡터의 계수값들을 사용하여 초광대역 펄스를 발생시키는 펄스 발생기를 포함하는 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 장치.
8. 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 장치에 있어서,

   입력 함수 μ(t) 발생기;

   미리 정해진 주파수 대역을 갖는 임펄스 응답 필터에 상기 입력 함수 μ(t)를 통과시키고, 그 출력을 이산화 하여 얻어진 에르미트(Hermitian) 행렬의 두개 이상의 서로 직교하는 고유 벡터들을 구하는 고유 벡터 추출기;

   상기 고유 벡터들의 계수값들을 저장하는 메모리; 및

   상기 고유 벡터들의 계수값들을 사용하여 두개 이상의 서로 직교하는 초광대역 펄스들을 발생시키는 펄스 발생기를 포함하는 초광대역 무선 통신을 위한 펄스 발생 장치.

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