KR20060093703A - 고속 디지털 데이터 스트림 전달 방법, 무반송파 초광대역신호에 포함된 고속 디지털 데이터 스트림,논코히런트(non-coherent)수신기 - Google Patents

고속 디지털 데이터 스트림 전달 방법, 무반송파 초광대역신호에 포함된 고속 디지털 데이터 스트림,논코히런트(non-coherent)수신기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차동 위상 변조된 다중 대역 고속 데이터 스트림을 포함하는 신호 및 이를 전달하는 방법과 수신하는 수신기를 제공한다. 바람직한 실시예는 각 대역이 500MHz 내지 1GHz를 망라하는 다중 대역 UWB 신호에 대한 것이다. 이러한 각 대역 내에서 본 발명이 이용하는 유동적인 변조 방식은 그 차이가 π/2 또는 90˚로 설정되는 이중 펄스 듀플릿을 포함한다. 이 변조 방식은 서브 대역 채널 조건에 따른 데이터 전송 속도의 애플리케이션을 허용한다. 각 대역 내에서 시간, 진폭 및 위상 변조를 이용한다. 또한, 다중 사용자 간섭을 충분히 감소시키기 위해 의사 랜덤(pseudorandom) 주파수 시퀀스를 이용한다.

Description

고속 디지털 데이터 스트림 전달 방법, 무반송파 초광대역 신호에 포함된 고속 디지털 데이터 스트림, 논코히런트(non-coherent)수신기{DIFFERENTIAL PHASE MODULATED MULTI-BAND ULTRA-WIDEBAND COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 무선 개인 통신망(WPAN:wireless personal area network)에 대한 초광대역(UWB:ultra wideband) 통신 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 차동 위상 변조된 다중 대역 UWB 통신 시스템 및 이와 관련된 복조 시스템에 관한 것이다.
UWB 통신 시스템에 관한 연구 및 구현의 대부분은 저속 데이터 전송 애플리케이션에 대한 것이었다. 이러한 저속 데이터 전송 UWB 시스템은 전형적으로 낮은 펄스 반복률을 갖는다. 이에 따라, 펄스 진폭과 펄스 간 간격이 커질 수 있다. 이는 UWB의 장점, 즉 다중 경로 간섭과 같은 간섭에 대한 복원력으로 잘 알려져 있다.
그러나, 연방 통신 위원회(FCC:Federal Communications Commission)에 의해 규정된 UWB 신호는 20%이상인 상대 대역폭을 갖거나 500MHz 이상인 스펙트럼을 점유하며, 이는 UWB 신호가 전체 스펙트럼을 점유함과 동시에 상당히 짧은 임펄스가 될 필요가 없음을 의미한다. UWB 신호는 정보가 상이한 대역에서 독립적으로 인코딩되도록 정보를 병렬로 인코딩하는 데 다중 대역을 사용할 수 있다. 이 인코딩 프로세스는 상대적으로 저속인 신호 전송으로 구현되는 고속 비트 전송 시스템을 야기한다.
모든 시스템은 채널 용량의 상위 경계가 전체 이용 가능한 대역폭(B)에 따라 선형적으로 증가하는 채널 용량 제한이 있다.
C = Blog2(1+S/N)
C는 최대 채널 용량(bits/sec)
B는 채널 대역폭(Hz)
S는 신호 전력(watts)
N은 잡음 전력(watts)
그러므로, 2GHz 이상을 점유하는 UWB 시스템은 대역폭이 더 제한적인 시스템보다 큰 확장용 공간을 가지며, 미래의 고용량 무선 시스템을 지원할 가능성이 높다.
예컨대, 멀티미디어 비디오 분산형 네트워크와 같은 UWB 기술에 대한 새로운 애플리케이션은 100Mbps 내지 500Mbps인 고속 데이터 전송 시스템을 필요로 한다. IEEE 802.11b, 블루투스, IEEE 802.11a 및 UWB를 비교하는 한 연구는 다수의 크기 정도(order of magnitude)에 의하여 UWB 공간 용량이 다른 모든 것들을 초과함을 발견하였으며, 이는 도 1을 참조하시오. 그러나, 이러한 고속 데이터 전송 시스템을 획득하는 종래의 UWB 기술은 연속적인 펄스 간의 간격을 감소시키는 높은 펄스 반복률을 필요로 하기 쉽다. 이 감소는 종래의 UWB 시스템이 다중 경로 간섭의 영향을 받기 쉽게 한다.
고속 데이터 전송을 지원하는 것 이외에도, 미래의 UWB 시스템이 협대역 시스템에 맞게 완성된다면 이들은 저가형이 될 필요가 있다. UWB 수신기가 저가형이어야 한다면, 주어진 변조 기술은 연구의 핵심이 된다. 코히런트 수신기를 필요로 하는 변조 기술을 사용하는 것은 저가형 구현이 될 수 없다. 이에 대한 주요 이유는 수신 파형에 대해 위상/주파수가 코히런트(coherent)한 국부 기준 신호를 생성할 수 있도록 코히런트 수신기가 정교한 회로(논리)를 필요로 하기 때문이다. 또한, 이러한 코히런트 수신기의 성능은 위상 불일치로 야기되는 다중경로/채널 잡음에 의해 손상된다.
다른 설계 목적은 UWB 변조 시스템이 논코히런트(non-coherent) 수신기로 복조된다는 것이다. 이러한 논코히런트 수신기의 이론상 성능은 코히런트 수신기의 성능보다 낮지만, 두 수신기에 대한 실제 구현예의 성능은 동일할 수 있다. 실제로, 강한 다중경로 간섭의 경우에 논코히런트 수신기는 추가 위상/주파수 또는 다중경로 방지 회로를 필요로 하지 않으면서 코히런트 수신기보다 훨씬 뛰어난 성능을 낼 수 있다.
이 UWB 스펙트럼의 사용은 통상적인 임펄스 무선 전송에 바탕을 두지 않지만, 다중 대역을 사용하고 이전에 논의된 것이 아닌 다음과 같은 다수의 다른 확실 한 장점을 갖는다.
단일 대역 설계에 비해 증가한 범위성(scalability) 및 적응성.
802.11a와 같은 시스템과의 공존 특성의 향상.
통상의 무선 설계 기술에 영향을 줌으로써 구현 위험 감소.
또한, 이들 장점을 획득하면서 단일 대역 설계의 복합성 및 전력 소비 레벨을 유지할 수 있다.
본 발명은 위상 변조된 UWB 신호 및 이를 전달하는 방법과 수신기를 제공하며, 바람직한 실시예는 각 대역이 500MHz 내지 1GHz를 망라하는 다중 대역 UWB 신호에 대한 것이다. 이러한 각 대역 내에서 본 발명이 이용하는 유동적인 변조 방식은 그 차이가 π/2 또는 90˚로 설정되는 이중 펄스 듀플릿을 포함한다. 이 변조 방식은 서브 대역 채널 조건에 따른 데이터 전송 속도의 애플리케이션을 허용한다. 각 대역 내에서 시간, 진폭 및 위상 변조를 이용한다. 또한, 다중 사용자 간섭을 충분히 감소시키기 위해 의사 랜덤(pseudorandom) 주파수 시퀀스를 이용한다.
도 1은 IEEE 802.11, 블루투스 및 UWB 간의 공간 용량 비교를 도시한다.
도 2는 π/2 차동 위상 UWB 변조에 대한 전형적인 신호 파형이다.
도 3은 본 발명에 따른 π/2 차동 위상 변조된 다중 대역 UWB 신호를 복조하 는 논코히런트(non-coherent)(차동 코히런트) 수신기이다.
도 4는 각 펄스 쌍이 동일한 주파수를 갖는 전형적인 전달 다중 대역 파형이다.
도 5는 본 발명에 따라서 PPM과의 혼합이 펄스당 다수의 비트를 생성하는 펄스당 1비트를 갖는 펄스 열을 도시하는 복조된 파형이다.
당업자는 첨부하는 설명이 예시할 목적으로 제공되며 이들로 한정되지 않음을 알 것이다. 발명자는 본 발명의 사상 및 첨부하는 특허 청구 범위 내에서 다양한 변경이 가능함을 알 것이다. 본 발명의 명료성을 위해 알려진 기능 및 동작에 대한 불필요한 상세한 설명은 현재의 설명에서 생략될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 본 발명은 다중 대역을 갖는 초광대역 통신 시스템(즉, 다중 대역 초광대역 통신 시스템)에 대한 시스템 및 방법을 제공한다. 각 대역은 대략 500MHz 내지 1GHz를 망라한다. 본 발명의 방법에 의해 각 대역 내에서 유동적인 변조 방식을 제공한다.
고속 UWB 애플리케이션에 있어서, 본 발명의 변조 방식은 송신된 각 비트에 대한 펄스를 듀플릿(duplet) 형태, 즉 다수의 펄스 쌍으로 처리한다. 펄스의 제 1 부분과 펄스의 제 2 부분 간의 위상차는 π/2 또는 90˚이다. 도 2는 비트값 1을 전송하기 위해, 예컨대 dn=1일 때, cos(wt) 신호(201)가 제 1 서브 펄스 시간 슬롯 동안 전송되면, sin(wt) 신호(202)가 제 2 서브 펄스 시간 슬롯 동안 전송되는 본 발명의 변조 방식을 도시한다. dn=0일 때 0비트의 전송 제 2 서브 펄스 시간 슬롯에서의 cos(wt) 형태의 전송에 이어서 발생하는 제 1 서브 펄스 시간 슬롯 동안 sin(wt) 형태의 전송을 처리한다. 이 변조 방식은 서브 대역 채널 조건에 따른 데이터 전송 속도의 애플리케이션을 허용한다.
바람직한 실시예에서, 본 발명의 변조 방식은 펄스 위치 변조와 다중 대역 변조 중 적어도 하나와 조합한다. 다중 대역 변조 방식과의 조합에서, 연속하는 펄스-듀플릿에 대한 각 펄스-듀플릿의 주파수는 연속하는 이전 또는 다음 펄스 듀플릿의 주파수와 다르다. 이러한 펄스에 대한 다중 대역 전송은 각 대역이 다른 변조 방식과의 조합에 π/2 변조를 이용하는 다중 대역을 생성한다. 이 변조 방식의 주요 장점은 논코히런트 수신기 구현이 간단하다는 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 논코히런트 복조기를 도시한다. 이 수신기는 수신된 UWB 파형과 국부적으로 생성된 파형 사이의 위상 및 주파수 불일치에 영향을 받지 않는다. 이에 따라, (VCO(305)로부터) 국부적으로 생성된 파형은 프리러닝(free-running)이 될 수 있다. 그 결과, 구현은 간단해진다.
바람직한 실시예에서, 도 3에 도시된 수신기는 다중 대역 신호의 복조에 적합하다. 이러한 시스템에서, 수신된 파형의 예상 중심 주파수는 사전에 알려져야 한다. 수신된 파형의 주파수 시퀀스는 짧은 주기 동안 알려진 기준 시퀀스의 전송을 통해서나 프리앰블의 전송 동안에 설정될 수 있다. 수신된 파형의 주파수가 알 려지면, 이에 해당하는 국부 발진기(예컨대, VCO(305))로부터의 주파수가 제 1 체배기(혼합기)에 공급된다. 국부 주파수가 수신된 신호의 주파수와 거의 동일하면, 이 프로세스는 착신 신호를 DC에 집중된 신호로 다운 컨버팅한다. 제 1 혼합 이후에, 다음 프로세스 및 회로 소자는 모든 주파수에 대하여 동일하다.
도 4는 도 3의 수신기에 의해 수신되어 광대역 대역 통과 필터(BPF)(301)를 통해 통과되고 이어서 저잡음 증폭기(LNA)(302)를 통과하는 전형적인 전달 파형(400)(각 듀플릿은 동일한 주파수를 가짐)을 도시한다. LNA(302)의 출력은 이득 유닛(303)에 의해 적당한 레벨로 증폭/감소한다. 결과 신호는 혼합기(304)에 공급된다. 혼합기(304)는 수신된 파형과 전압 제어 발진기(VCO)(305)의 뱅크에 의해 국부적으로 생성된 프리-러닝 사인 파형을 곱한다. 혼합된 파형은 저역 통과 필터를 통해 통과된다.
또한, 이 저역 통과 신호의 프로세스는 신호의 위상을 통해 전송된 각 비트에 대한 단일 펄스를 생성한다. 펄스당 추가 비트는 펄스 위치 변조(PPM:pulse position modulation)를 사용함으로써 전송될 수 있다. 도 5는 추가로 처리된 펄스 열을 도시한다. 복조기는 수신기의 이중 펄스 듀플릿을 주파수 및 위상 불일치와 독립적인 단일 펄스로 변환한다. 처리된 펄스의 부호(310)는 전송된 데이터에 해당한다. 또한 통합(integration)(311)과 샘플링은 필요한 비트를 생성한다.
다른 바람직한 실시예에서, 다중 경로 간섭 및 기타 간섭을 더 줄이기 위해, 이 형태는 레이크(RAKE) 수신기 및 등화(equalization)와 같은 하나 이상의 다른 수신기 기술과 조합할 수 있다.
본 발명의 수신기 및 방법은 무선 개인 통신망 및 비디오, 오디오, 텍스트, 사진, 데이터 전달 및 센서, 알람, 컴퓨터, 시청각 장비, 오락 시스템 제어에 사용될 수 있다. 예컨대, 디지털 카메라의 콘텐츠를 컴퓨터에 무선으로 다운로드할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 예시되고 설명되었지만, 당업자는 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 것이며, 균등물은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 구성 요소를 대체할 수 있다. 또한, 다양한 변경은 주요 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 사상을 특정 상황에 적합시킬 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 실행하기 위해 고려된 최선의 방법으로써 개시된 특정 실시예로 제한하되, 첨부된 특허 청구 범위의 범주를 벗어나지 않는 모든 실시예를 포함한다.

Claims (16)

  1. 데이터 스트림의 각 비트에 대한 제 1 펄스 및 제 2 펄스를 갖는 이중 펄스 듀플릿(duplet)으로 상기 데이터 스트림을 인코딩하는 단계와,
    안테나를 통해 무반송파 초광대역 신호(carrierless ultra wideband signal)를 송신하는 단계를 포함하되,
    상기 초광대역 신호는 상기 듀플릿을 포함하는
    고속 디지털 데이터 스트림 전달 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인코딩 단계는 상기 제 1 펄스와 상기 제 2 펄스 간의 위상차를 π/2로 설정하는 단계를 더 포함하는
    고속 디지털 데이터 스트림 전달 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 인코딩 단계는 제 1 서브 펄스 시간 슬롯 동안 1비트에 대한 cos(wt) 신호를 인코딩하면 제 2 서브 펄스 시간 슬롯 동안 sin(wt) 신호를 인코딩하는 단계와,
    제 1 서브 펄스 시간 슬롯 동안 sin(wt) 신호를 인코딩하면 제 2 서브 펄스 시간 슬롯 동안 cos(wt) 신호를 인코딩하는 단계를 더 포함하는
    고속 디지털 데이터 스트림 전달 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 인코딩 단계는 펄스 위치 변조와 다중 대역 변조 중 적어도 하나와 상기 인코딩을 조합하는 단계를 더 포함하되,
    각 대역 내에서 시간, 진폭 및 위상 변조 중 적어도 하나를 이용하는
    고속 디지털 데이터 스트림 전달 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    다중 사용자 간섭을 충분히 감소시키기 위해 의사 랜덤(pseudorandom) 주파수 시퀀스를 이용하는 단계를 더 포함하는
    고속 디지털 데이터 스트림 전달 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    논코히런트(non-coherent) 수신기를 사용하여 상기 무반송파 초광대역 신호 를 수신하는 단계를 더 포함하는
    고속 디지털 데이터 스트림 전달 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 고속 디지털 데이터 스트림을 상기 수신된 무반송파 초광대역 신호에 포함된 상기 이중 펄스 듀플릿으로부터 비트 스트림으로 디코딩하는 단계를 더 포함하는
    고속 디지털 데이터 스트림 전달 방법.
  8. 데이터 스트림의 각 비트를 나타내는 이중 펄스 듀플릿을 포함하는 무반송파 초광대역 신호에 포함된 고속 디지털 데이터 스트림에 있어서,
    비디오, 오디오, 텍스트, 이미지 및 데이터로 이루어져 있는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 데이터 유형을 포함하되,
    상기 이중 펄스 듀플릿은 제 1 펄스와 제 2 펄스 간의 위상차가 π/2인 상기 제 1 펄스 및 상기 제 2 펄스를 각각 갖는
    무반송파 초광대역 신호에 포함된 고속 디지털 데이터 스트림.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 신호는 비디오 장비, 오디오 장비, 센서, 알람, 컴퓨터, 시청각 장비 및 오락 시스템으로 이루어져 있는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 장치를 제어하는
    무반송파 초광대역 신호에 포함된 고속 디지털 데이터 스트림.
  10. 데이터 스트림의 각 비트를 나타내는 이중 펄스 듀플릿을 포함하는 무반송파 초광대역 신호에 포함된 고속 디지털 데이터 스트림에 있어서,
    네트워크의 무선 노드로부터 또는 무선 노드로의 네트워크 트래픽을 포함하되,
    상기 이중 펄스 듀플릿은 제 1 펄스와 제 2 펄스 간의 위상차가 π/2인 상기 제 1 펄스 및 상기 제 2 펄스를 각각 갖는
    무반송파 초광대역 신호에 포함된 고속 디지털 데이터 스트림.
  11. 상기 제 2 항의 방법을 사용하여 전달된 무반송파 초광대역 신호를 수신하며 고속 디지털 데이터 스트림의 각 비트를 나타내는 이중 펄스 듀플릿을 포함하는 안테나와,
    상기 수신된 신호를 필터링하는 광대역 대역 통과 필터와,
    상기 대역 통과 필터와 연결되어 상기 필터링된 신호를 증폭시키는 저잡음 증폭기(LNA)와,
    상기 LNA에 의한 상기 신호 출력을 적당한 레벨로 증폭시키거나 감소시키는 것 중 하나를 수행하는 이득 유닛과,
    프리-러닝(free-running) 사인파형을 국부적으로 생성하는 전압 제어 발진기(VCO)의 뱅크(bank)와,
    상기 사인 파형과 상기 이득 유닛의 상기 출력을 곱하여 파형을 혼합하는 혼합기와,
    저역 통과 신호를 생성하기 위해 상기 결과 혼합 파형을 통과시키는 저역 통과 필터와,
    상기 저역 통과 신호의 각 이중 펄스 듀플릿을 상기 저역 통과 신호의 위상을 통해 전송된 각 비트에 대한 단일 펄스로 변환하는 복조기를 포함하는
    논코히런트(non-coherent) 수신기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 수신된 신호는 펄스 위치 변조(PPM:pulse position modulation)를 사용하는 신호로 인코딩된 펄스당 추가 비트를 더 포함하는
    논코히런트 수신기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 복조기는 각 이중 펄스 듀플릿을 주파수 및 위상 불일치와 무관한 단일 펄스로 변환하는
    논코히런트 수신기.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 무반송파 광대역 신호는 다중 대역 신호이고,
    상기 수신된 무반송파 광대역 신호의 예상 중심 주파수는 사전에 알려져 있으며,
    상기 VCO의 주파수는 상기 수신된 무반송파 광대역 신호의 주파수와 동일하게 설정되는
    논코히런트 수신기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 수신된 무반송파 광대역 신호의 상기 주파수 시퀀스는 짧은 주기 동안 (1) 프리앰블과 (2) 알려진 기준 시퀀스 중 하나의 전송에 의해 설정되는
    논코히런트 수신기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 고속 데이터 신호의 각 비트를 생성하도록 상기 수신된 신호를 처리하고 상기 논코히런트 신호의 출력과 결합하는 신호를 출력하는 등화(equalization)에 바탕을 두는 수신기 및 레이크(RAKE) 수신기 중 적어도 하나를 더 포함하는
    논코히런트 수신기.
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