KR20060120331A - 초광대역 통신 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초광대역 통신 장치 및 방법에 관한 것으로서, 그 초광대역 통신장치는 전송할 데이터 비트로부터 변환된 이진위상신호를 시간도약된 N 개의 기저펄스와 승산하여 N 개의 송신펄스를 생성하는 송신펄스 생성부; 및 상기 송신 펄스 생성부로부터 입력받은 상기 N 개의 송신 펄스를 합산하는 합산기를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 송신펄스의 형태와 폭이 일정하고, 수신시 상관기에 사용되는 템플릿 파형의 개수가 줄어들어 수신기의 구조가 간단한 초광대역 통신시스템을 구현할 수 있다.

Description

초광대역 통신 장치 및 방법{Apparatus and method for ultra wideband communication}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 통신 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

도 2는 8-ary신호 전송시 본 발명의 일실시예에 따른 송신 장치의 동작을 나타내는 개념도이다.

도 3은 8-ary신호 전송시 본 발명의 일실시예에 따른 수신 장치의 동작을 나타내는 개념도이다.

본 발명은 초광대역 통신 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 무선 홈 네트워킹 등과 같이 고속전송이 요구되는 무선전송시스템에서, 직교성을 갖는 기저펄스를 이용하여 M-ary로 전송함으로써, 수신기의 구조가 간단해지는 초광대역 통신 장치 및 방법에 관한 것이다.

셀룰러(cellular) 이동통신, 위성통신, 텔레비전 방송 등에서 사용되는 무선 데이터 전송기술은, 반송파(carrier)를 이용하여 기저대역신호(baseband signal)를 무선주파수신호로 변환하여 정보를 전달하는데 비하여, UWB(Ultra Wideband) 기술 특히, UWB IR(Impulse Radio)기술은 반송파를 사용하지 않고 일정한 주기와 파형을 가지고 있는 전기적 신호인 펄스를 1 나노초(nano second) 이하의 짧은 펄스를 이용하여 '0'과 '1'의 데이터를 표현하여 기저대역신호로 전송하는 통신 방식이다.

최근 CDMA와 같은 통신 기술들이 원거리 고속통신으로 사용되는 반면에, UWB는 전력 소비가 적고, 변/복조 작업이 필요없으며, 주파수당 에너지 밀도가 낮기 때문에 블루투스, 무선 랜 등을 대체할 근거리 무선통신의 신기술로서 각광받고 있다.

종래 UWB 기술에 있어서 펄스 위치 변조(Pulse Position Modulation : 이하, PPM라 칭함)는 수학식 1과 같이 정의된다.

프레임 단위로 전송하는 UWB 기술은 하나의 데이터 비트를 전송하기 위해

개의 프레임을 사용함이 일반적이다.

는 프레임 시간(duration)을 나타내며, j는 프레임 인덱스이다.

한편, UWB 기술은 다중 사용자를 지원하기 위해 시간도약 다중 접속 방식(Time Hopping Multiple Access)을 사용함이 일반적인데, 시간도약은 펄스를 시간도약 코드와 칩시간(duration)을 승산한 값만큼 타임쉬프트(time-shift)함으로 써 이루어진다. 상기의 수식에서

는 k번째 사용자의 j번째 시간도약 코드이며,

는 다원접속을 위한 칩(chip)의 시간간격이다.

는 전송되는 모노 임펄스 파형이며,

는 비트 ‘0’과 ‘1’을 구분하기 위해 상기 모노 임펄스를 시간축상 앞 또는 뒤로 위치시키는 시간 간격이다.

는 k 번째 사용자의

번째 데이터 비트를 나타낸다.

종래 UWB 기술에 있어서 펄스 진폭 변조(Pulse Amplitude Modulation : 이하, PAM이라 칭함)는 수학식 2와 같이 정의된다.

수학식 1과 달리

성분은 없어진 대신, 전송할 데이터 값에 따라

의 진폭이나 부호가 달라지는 형태의 식이 된다. 즉, PPM 방식은 펄스가 정해진 위치에 있으면 ‘0’을 나타내고, 그곳에서 시간

만큼 타임 쉬프트 (time-shift)한 경우를 ’1’로 하는 변조 방식이고, PAM 방식은 펄스의 진폭이 특정값 이상이면 ‘1’, 이하이면 ‘0’이 되도록 변조하는 방식으로 이진위상 변조(bi-phase modulation) 방식이 이에 포함된다.

한편, UWB 시스템에서 M-ary 전송을 하기위한 방식으로, 펄스의 레벨을 다르게 전송하는 다중레벨(multi-level) PAM 방식과 PPM 펄스들을 서로 다른 시간 간격(

)으로 전송하는 M-ary PPM 방식이 있다. 이러한 방식들의 경우 수신측의 상관기에 사용하는 템플릿 파형들의 개수는 일반적으로 M개가 되므로, 템플릿 파형들이 많아져 수신기의 구조가 복잡하다는 제약이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 본 발명에 의하면, M-ary 신호를 초광대역에서 송수신할 경우, 직교성을 가진 기저펄스를 사용함으로써, 수신시 상관기에 사용되는 템플릿 펄스의 개수를 줄여 수신기의 구조가 간단하도록 하는 초광대역 통신시스템을 구현할 수 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 초광대역 통신 장치는 전송할 데이터 비트로부터 변환된 이진위상신호를 시간도약된 N 개의 기저펄스와 승산하여 N 개의 송신펄스를 생성하는 송신펄스 생성부; 및 상기 송신 펄스 생성부로부터 입력받은 상기 N 개의 송신 펄스를 합산하는 합산기를 포함함을 특징으로 한다.

상기 초광대역 통신 장치에 있어서, 상기 기저펄스는 다음의 수학식에서

n에 각기 다른 자연수를 상기 N 개 만큼 대입하여 얻거나, 상기 대입하여 얻어진 N 개의 펄스를 선형결합하여 얻어짐이 바람직하다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 초광대역 통신 방법은 전송할 데이터 비트를 이진위상신호로 변환하는 단계; N 개의 기저펄스를 발생시켜 시간도약시키는 단계; 상기 시간도약된 상기 N개의 기저펄스와 상기 이진위상신호를 승산하는 단계; 및 상기 승산된 N 개의 펄스를 합산하여 송신하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

상기 초광대역 통신 방법에 있어서, 상기 기저펄스는 다음의 수학식에서

n에 각기 다른 자연수를 상기 N 개 만큼 대입하여 얻거나, 상기 대입하여 얻어진 N 개의 펄스를 선형결합하여 얻어짐이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 방법 및 장치에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 통신 장치의 구성을 도시한 블록도로서, 송신장치(100), 수신장치(200)를 포함하여 이루어진다.

송신장치는 S/P부(110), 이진위상신호 생성부(120), 송신펄스 생성부(130) , 합산기(140) 및 송신기(150)를 포함하여 이루어진다.

S/P부(110)는 전송할 데이트 비트 열(bit stream)이 입력되는 경우, M-ary 신호 전송에 맞게

비트씩 병렬로 이진위상신호 생성부(120)에 전달한다.

이진위상신호 생성부(120)는 S/P부(110)로부터 입력받은 비트들을 각각 이진 위상 신호(bi-phase signal)로 변환한다. 예컨대, 8-ary 전송시 0,1,0의 값을 입력받은 경우 -1, 1, -1 값으로 변환한다.

송신펄스 생성부(130)는 N 개의 기저펄스를 발생시켜 시간도약시킨 뒤, 각각의 이진위상신호와 승산하여 송신 펄스를 생성한다.

상기 복수 개의 기저펄스가 서로 영향을 미치지 않기 위해서는 직교성(orthogonality)이 필요한데, 본 발명에서는 상기 직교성을 갖는 기저펄스로써, 다음식으로 정의되는 수정된 허미트 다항식(Modified Hermite Polynomial : 이하 MHP라 칭함)을 사용한다.

MHP는 차수에 관계없이 펄스의 간격 및 대역폭이 유사하며, 차수와 시간축에서 영점을 지나는 점의 개수가 동일하므로 UWB 시스템에 적합한 기저펄스이다.

MHP로부터 N 개의 기저펄스를 발생시키는 방법으로, 상기 식의 n에 1, 2, 3 또는 1, 3, 4 등 각기 다른 자연수를 N 개 대입함으로써 상기 개수의 기저함수들을 얻어낼 수 있다. 또 다른 방법으로 MHP 자체가 직교성을 가지고 있으므로, 상기의 과정을 거쳐 얻어낸 기저펄스들의 선형결합(linear combination)으로도 얻어 낼 수 있다.

예컨대, 8-ary 전송시, 3개의 기저펄스가 필요한데, 상기 식에 n=1, 2, 3을 대입하여 얻은 펄스가

라고 하면 상기

자체로 기저펄스가 될 수 있으며, 뿐만 아니라 상기 펄스의 선형결합, 예컨대,

,

,

도 기저펄스가 될 수 있다.

한편, 시간도약 방법으로, 전술한 바와 같이 시간도약코드

와 칩시간

을 승산한 값만큼 상기 발생된 N개의 기저펄스를 타임쉬프트한다. 상기 시간도약코드로는 많은 코드들이 이미 공지되어 있다.

합산기(140)는 상기 송신 펄스 생성부(130)로부터 제공받은 N 개의 펄스를 합산하여 하나의 펄스로 출력한다.

송신기(150)는 상기 합산기(140)의 출력신호를 초광대역 채널로 전송한다.

다음의 수학식은 M-ary 전송시의 상기 과정에 의한 송신신호를 나타낸다.

여기서, N은 M-ary전송에 필요한 기저함수의 개수로서

의 관계를 만족하며, k는 사용자 인덱스이다.

은 M-ary 신호의 열(stream)이 있는 경우 m번째의 M-ary신호에 해당되는 이진 위상 신호이다. UWB의 특성상 한 개의 데이터를 전송하기 위해서 프레임을 Ns번 반복해서 전송하므로, 결국, M-ary 신호 하나를 전송하기 위해

시간이 필요하다. j가 프레임인덱스이므로

의 관계를 이룬다.

예컨대, 8-ary 신호 열이 3, 6, 4,…라고 할 때,

은 두번째 신호인 6에 해당되는 110이 각각 이진위상신호로 변환된 값인 1, 1, -1이다.

한편, 상기 송신기 출력신호는 AWGN 채널, 페이딩 채널, UWB 채널 등의 채널을 거치게 되는데, 특히 AWGN 채널환경 하에서 송,수신 신호간 동기가 일치할 경우 기저펄스들간의 상관특성에 의해 각각의 기저펄스는 다른 기저펄스에 영향을 끼치지 않으므로, 각 기저펄스들은 서로 독립된 관계를 갖는다.

수신 장치(200)는 수신기(210), 신호상관부(220), 경판정부(230), P/S부(240)을 포함하여 이루어진다.

수신기(210)는 초광대역 채널 상의 신호를 수신한다.

신호상관부(220)는 수신된 신호를 시간도약된 N 개의 기저펄스와 프레임 단위로 상관시킴으로써 N 개의 상관도를 계산하여 출력한다. 상기 시간도약된 N 개의 기저펄스 즉, 템플릿 파형의 생성방법은 송신 장치에서 설명한 바와 같다. 수신된 신호와 N개의 템플릿 파형의 상관도는 수신신호를 각각의 템플릿 파형과 곱한 후 프레임 시간 간격(

)만큼 적분을 하여 얻어진다.

경판정부(230)는 신호상관부(220)로부터 각 비트에 대한 상관도를 입력받고, 각각의 비트에 대해 경판정을 한다. 즉, 상관도 값을 기반으로 송신한 비트 값이 어떤 값을 갖는지 판단한다. 예컨대, 상관도 값이 0 보다 크면 1, 그렇지 않으면 0으로 판정한다.

한편, UWB의 특성상 하나의 비트값를 전송하기 위해 프레임을 Ns 개 반복하여 전송하고, 신호상관부(200)는 수신신호를 프레임 단위로 처리하므로, 각 비트 당 Ns 개의 상관도 값을 계산한다. 즉, 경판정부(230)는 각각의 비트값에 대해 신호상관부(330)로부터 Ns개의 상관도 값을 제공받는다. 따라서, 경판정부(230)는 상기 Ns개의 상관도 값을 평균한 결과에 기초하여 경판정(hard decision)함이 바람직하다.

P/S부(240)는 경판정부(230)에서 판정한 비트값들을 병렬로 입력받고, 일련의 비트 열로 출력한다.

도 2는 8-ary신호 전송시 본 발명의 일실시예에 따른 송신 장치(100)의 동작을 나타내는 개념도이다.

데이터 비트 열이

가 있을 때 현재 전송할 데이터 비 트가

일 때의 예를 든다. S/P부(110)의 출력은

이 되며, 상기 값들은 이진위상신호 생성부(120)를 통해

로 변환된다.

한편, 송신펄스 생성부(130)는 3개의 기저펄스인

를 생성하여, 상기 기저펄스들을 시간도약값

만큼 타임 쉬프트시킨다. 상기 타임 쉬프트된 펄스는 상기 이진위상신호 각각과 곱해지며 합산기(140)를 통해 하나의 신호로 출력되어 UWB 채널상에 놓이게 된다.

도 3은 8-ary신호 전송시 본 발명의 일실시예에 따른 수신 장치(200)의 동작을 나타내는 개념도이다.

수신된 신호를 3개의 템플릿 파형과 각각 곱한 후 프레임시간동안 적분을 함으로써 3개의 상관도값이 얻어진다. 한편, 하나의 데이터 비트에 대해 Ns개의 상관도값이 얻어지므로 상기 상관도 값들을 평균하여 비트 값을 판정한다.

경판정부(230)로부터 병렬 출력된 3개의 비트값들은 P/S부(240)를 통해 일련의 데이터 비트 열의 일부로 출력된다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 통신 장치 및 방법의 흐름을 도시한 흐름도이다.

먼저 전송할 데이터 비트는 이진위상신호 생성부(120)를 통해 이진위상신호로 변환된다(400단계).

N 개의 기저펄스를 생성한 후 시간도약시킨다(410단계). 시간도약 및 기저펄스 생성방법은 전술한 바와 같다.

상기 시간도약된 상기 N개의 기저펄스와 상기 이진위상신호가 승산된 N 개의 펄스가 송신펄스 생성부(130)로부터 출력된다(420단계).

한편, 이진 위상 신호 변환 단계, 기저펄스 발생 과정 및 시간도약 과정, 승산 과정은 상기의 순서에 한하지 않음은 물론이다.

승산된 N 개의 송신펄스는 합산기(140)를 통해 합산되어 송신기(150)를 통하여 초광대역 채널상에 놓여지게 된다(430단계).

상기 초광대역 채널상에 놓여진 신호는 수신장치(200)의 수신기(210)를 통하여 수신되며, 수신된 신호는 신호상관부(220)를 통해 시간도약된 N 개의 기저펄스와 상관되어 N 개의 상관도가 얻어진다(440단계). 상관도를 얻는 방법은 전술한 바와 같다.

상기 주어진 상관도로부터 경판정부(230)를 통해 각각의 비트 값이 판정된다(450단계). 판정 방법은 전술한 바와 같다.

이러한 본원 발명인 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 의하면, 송신펄스의 형태와 폭이 일정하고, 송수신시에 안테나의 영향을 적게 받으며, 수신시 상관기에 사용되는 템플릿 파형의 개수가 줄어들어 수신기의 구조가 간단한 초광대역 통신시스템을 구현할 수 있다.

Claims (6)

1. 전송할 데이터 비트로부터 변환된 이진위상신호를 시간도약된 N 개의 기저펄스와 승산하여 N 개의 송신펄스를 생성하는 송신펄스 생성부; 및

   상기 송신 펄스 생성부로부터 입력받은 상기 N 개의 송신 펄스를 합산하는 합산기를 포함함을 특징으로 하는 초광대역 통신 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 기저펄스는 다음의 수학식에서

   

   n에 각기 다른 자연수를 상기 N 개 만큼 대입하여 얻거나, 상기 대입하여 얻어진 N 개의 펄스를 선형결합하여 얻어짐을 특징으로 하는 초광대역 통신 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초광대역 통신 장치는,

   수신된 신호를 시간도약된 N 개의 기저펄스와 상관시켜 N 개의 상관도를 계산하는 신호 상관부; 및

   상기 신호 상관부로부터 입력받은 상관도에 근거하여 각각의 비트 값을 판정하는 경판정부를 포함함을 특징으로 하는 초광대역 통신 장치.
4. 전송할 데이터 비트를 이진위상신호로 변환하는 단계;

   N 개의 기저펄스를 발생시켜 시간도약시키는 단계;

   상기 시간도약된 상기 N개의 기저펄스와 상기 이진위상신호를 승산하는 단계; 및

   상기 승산된 N 개의 펄스를 합산하여 송신하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 초광대역 통신 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 기저펄스는 다음의 수학식에서

   

   n에 각기 다른 자연수를 상기 N 개 만큼 대입하여 얻거나, 상기 대입하여 얻어진 N 개의 펄스를 선형결합하여 얻어짐을 특징으로 하는 초광대역 통신 방법.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 초광대역 통신 방법은,

   수신된 신호를 시간도약된 N 개의 기저펄스와 상관시켜 N 개의 상관도를 계산하는 단계; 및

   상기 계산된 상관도에 근거하여 각각의 비트 값을 판정하는 단계를 더 포함 함을 특징으로 하는 초광대역 통신 방법.

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