KR20070120680A

KR20070120680A - 삼각 형태의 성상도를 이용하는 디지털 신호 변조 방법 및장치

Info

Publication number: KR20070120680A
Application number: KR1020060055241A
Authority: KR
Inventors: 박성준
Original assignee: 강릉대학교산학협력단
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2007-12-26
Also published as: US20070291874A1; US7864883B2; KR100795226B1

Abstract

본 발명의 삼각 형태의 성상도를 이용하는 디지털 신호 변조 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 변조심볼 당 n(n은 2 이상의 자연수) 비트를 전송하는 변조 방법에 있어서, (a) 2ⁿ개의 성상점이 격자 구조의 삼각형의 꼭지점으로 배치되는 성상도를 생성하는 단계를 포함한다. 또한 (b) 디지털 신호를 상기 성상점으로 매핑하여 n 비트의 변조심볼을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변조 방법을 포함한다.

본 발명에 따르면 격자 구조의 삼각 형태의 성상도를 이용함으로써 성상점에 의한 평균 소모 전력을 줄일 수 있는 장점이 있다.

성상도, 성상점, 변조, QAM, 매핑, 변조심볼, 오류, 비트, 변환

Description

삼각 형태의 성상도를 이용하는 디지털 신호 변조 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MODULATING DIGITAL SIGNAL USING TRIANGULAR CONSTELLATION}

도 1은 종래기술에 따른 사각 형태의 성상도를 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 성상도를 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 변조 장치의 구성을 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 변조 과정의 순서도.

도 5는 본 발명에 따른 변조심볼당 사용되는 평균 에너지는 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 성상도를 도시한 도면.

본 발명은 삼각 형태의 성상도를 이용하는 디지털 신호 변조 방법 및 장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 삼각 형태의 성상도를 이용하여 변조심볼의 전송 시 전력 소모를 줄일 수 있는 디지털 신호의 변조 방법 및 장치에 관한 것이다.

유선통신 및 무선통신 시스템에서 정보를 효율적으로 전송하기 위해 사용되는 기법중의 하나는 디지털 변조 방식이다.

디지털 변조 방식 중 대표적인 방식은 Quadrature Amplitude Modulation(직교진폭변조, QAM)이며, 이는 비트열로 이루어진 디지털 신호를 미리 설정된 비트만큼 분류하여 반송파 신호의 크기와 위상을 변화시키면서 변조시키는 방법이다.

도 1은 종래기술에 따른 성상도를 도시한 도면으로서, 도 1은 종래의 16-QAM 방식에서 16개의 성상점으로 이루어진 성상도(constellation)를 도시한 도면이다.

여기서 성상도는 I/Q 플롯 신호 공간도라고도 하며, 16-QAM은 도 1과 같이 위상과 크기가 각각 다른 16개의 신호 공간을 통해 한 성상점 당 4비트의 2진 디지털 신호(변조심볼)를 전송할 수 있다.

보다 상세하게 설명하면, QAM에서 디지털 신호의 비트열들은 한 개 또는 그 이상의 비트들로 구성된 그룹으로 분할되고, 각 그룹은 성상점 중 하나의 변조심볼로 매핑된 후 수신단 측으로 전송된다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 성상도는 각 성상점이 격자 구조의 정사각형의 꼭지점에 위치하기 때문에 사각 형태의 성상도(스퀘어 QAM, 100)라고 표현될 수 있다.

이러한 사각 형태의 성상도에서 인접한 두 성상점 사이의 직선 거리는 항상 2d가 되며, 전체 16개 성상점에 의해 소모되는 평균 전력(P_av1)은 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

P_av1 = 10 d²

그러나 종래기술은 전력 효율면에서 최적의 방식이 아닌 바 전력 효율을 보다 개선한 변조 방식의 필요성이 요구되는 실정이다.

한편, 수학식 1과 같이 평균 전력이 소모되는 경우, 성상점 사이의 거리를 줄이면 평균 전력을 감소시킬 수 있다. 그러나, 무조건적으로 성상점 사이의 거리를 줄이게 되면, 변조심볼오류 확률이 높아지기 때문에 변조심볼오류 확률을 기존과 유지하면서 평균 전력의 소모를 줄일 수 있는 방식이 절실히 요구되고 있다.

본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 직교진폭변조 방식에서 변조의 전력 효율을 개선할 수 있는 삼각 형태의 성상도를 이용하는 디지털 신호 변조 방법 및 장치를 제안하고자 한다.

본 발명의 다른 목적은 성상점에서 소모되는 평균 전력을 줄이면서도 변조심볼오류 확률을 작게 유지할 수 있는 삼각 형태의 성상도를 이용하는 디지털 신호 변조 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 변조심볼 당 n(n은 2 이상의 자연수) 비트를 전송하는 변조 방법에 있어서, (a) 2ⁿ개의 성상점이 격자 구조의 삼각형의 꼭지점으로 배치되는 성상도를 생성하는 단계; 및 (b) 디지털 신호를 상기 성상점으로 매핑하여 n 비트의 변조심볼을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변조 방법이 제공된다.

바람직하게, 상기 디지털 신호를 병렬 n 비트로 변환하는 단계를 변환하는 단계를 더 포함하되, 상기 (b) 단계는 상기 병렬 n 비트를 상기 성상점으로 매핑하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 변조심볼을 반송파를 이용하여 고주파 대역으로 천이하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 성상도는 8, 16, 32, 64, 128 및 256개 중 적어도 하나의 성상점을 갖는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 성삼점의 개수가 16개이고 상기 성상점 사이의 거리가 2d인 경우, 각 성상점의 평균 소모 전력은 9d²일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면 변조심볼 당 n(n은 2 이상의 자연수) 비트를 전송하는 변조 장치에 있어서, 디지털 신호를 성상도 상의 성상점으로 매핑하여 n 비트의 변조심볼을 생성하는 변조심볼 생성기를 포함하되, 상기 성상도는 2ⁿ개의 성상점이 격자 구조의 삼각형의 꼭지점으로 배치되는 것을 특징으로 하는 변조 장치 가 제공된다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하에서, 본 발명에 따른 삼각 형태의 성상도를 이용하는 디지털 신호 변조 방법 및 장치에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 성상도를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 성상도는 변조심볼 당 n (n은 2이상의 자연수)비트로 전송하는 변조 방식에 적용되는 것으로서, 본 발명에 따른 성상도는 변조심볼 당 n 비트가 할당되는 경우, 2ⁿ개의 성상점(202)이 삼각형의 꼭지점으로 이루어지는 성상도(200)가 제공된다.

도 2는 QAM 방식 중 변조심볼 당 4비트를 할당하여 성상점(202)이 16개로 이루어지는 16-QAM에 적용되는 성상도를 도시한 것이다. 그러나 본 발명은 이에 한정됨이 없이 성상점이 8, 32, 64, 128 및 256인 QAM(변조심볼 당 각각 3비트, 5비트, 6비트, 7비트 및 8비트 할당)에도 적용될 수 있으며, 그밖에 성상점이 격자 구조 삼각형의 꼭지점으로 배치되는 성상도를 이용하는 모든 경우에 적용될 수 있다는 점을 당업자는 이해하여야 할 것이다.

본 발명에서 성상도는 QAM 변조 시에 사용되는 I/Q 플롯 신호 공간도이며, 신호 좌표의 원점에서 각 성상점까지의 거리는 신호의 크기, I축을 기준으로 성상점의 각도는 위상을 의미한다.

여기서, I/Q 플롯은 정현파에 실리는 기저대역 신호를 복소수 좌표계에서 표현한 것을 의미하며, 신호의 관점에서 실수 축(X축)을 I축(채널), 허수 축(Y축)을 Q축(채널)이라고 한다.

본 발명은 각 성상점이 격자 구조 삼각형의 꼭지점을 이루는 성상도를 생성하는데, 여기서 성상도의 생성은 n비트로 분할된 디지털 신호를 삼각형으로 배치된 성상점으로 매핑시키기 위한 매핑 테이블을 생성하는 것일 수 있다.

이처럼, 사각 형태가 아닌 삼각 형태의 성상도를 생성함으로써 본 발명은 각 성상점의 평균 소모 전력을 줄일 수 있으며, 종래와 동일한 평균 전력을 사용하는 경우에 변조심볼오류 확률을 줄일 수 있게 된다.

이를 상세히 설명하기 위해 도 1과 도 2를 비교하면, 도 2에 도시된 성상도는 각 성상점 사이의 거리가 종래와 같이 2d가 되는 경우에도 각 성상점을 중심으로 한 동심원이 종래의 사각 형태(도 1)에 비해 밀하게 배치되는 것을 확인할 수 있다.

이러한 삼각 형태의 성상점을 형성하는 경우에 각 성상점의 평균 전력(P_av2)은 아래의 수학식 2와 같다.

P_av2 = 9 d²

상기한 수학식 1과 수학식 2를 기반으로 본 발명의 전력 이득(Power Gain, PG)을 계산하면 다음과 같다.

즉, 본 발명에 따를 경우, 인접한 성상점 사이의 거리가 사각 형태의 성상도를 이용하는 종래의 스퀘어 QAM과 동일한 경우에도 성상점에서 소모되는 평균 전력은 0.46dB만큼 감소하게 된다.

평균 전력의 감소는 도 5를 통해서도 확인할 수 있다.

한편, 성상점 사이의 거리는 변조심볼오류 확률과 연관되는데, 그 거리가 클수록 변조심볼오류 확률은 낮아지게 된다.

본 발명에 따르면, 종래의 스퀘어 QAM 방식과 성상점 사이의 거리가 동일할 경우에 낮은 평균 전력을 소모하기 때문에 만일 종래와 동일한 평균 전력을 이용하는 경우에는 종래보다 성상점 사이의 거리를 길게 할 수 있어 종래에 비해 변조심볼오류 확률을 낮출 수 있는 장점이 있다.

이러한 성상도를 이용하여 본 발명에 따른 변조 장치는 n 정보 비트를 갖는 디지털 신호를 본 발명에 따른 성상점에 매핑시켜 변조심볼을 생성한다.

한편, 상기에서는 도 2와 같이 성상점을 중심으로 하는 원 형태를 도시하였으나 이에 한정됨에 없이 하나의 성상점이 커버할 수 있는 범위를 도 6과 같이 다른 다각형 구조로 할 수 있다는 점을 당업자는 이해하여야 할 것이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 변조 장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변조 장치는 비트열 변환기(300) 및 변조심볼 생성기(302)를 포함할 수 있다.

우선 비트열 변환기(300)는 직렬 또는 병렬로 입력되는 정보 비트(d_i)를 변조 지수에 따라 변조심볼 당 비트에 상응하는 병렬의 정보 비트로 변환한다.

여기서 출력되는 병렬 정보 비트는 변조심볼 당 비트수일 수 있으며, 16-QAM 방식의 경우 4비트일 수 있다.

상기한 바와 같이, 비트열 변환기(300)는 직렬 또는 병렬로 입력되는 정보 비트(디지털 신호)를 원하는 비트(변조심볼 당 비트)의 병렬 정보 비트로 출력하나 하기에서는 직렬 입력인 경우에 대해서 설명하도록 한다.

16-QAM 방식(변조심볼 당 4개의 정보 비트를 할당하는 시스템의 경우)에서 직렬 입력인 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, , 비트열 변환기(300)는 디지털 신호를 4개의 정보 비트(d₀,d₁,d₂, d₃)의 단위로 병렬로 출력하는 과정을 수행한다.

물론 비트열 변환기(300)가 직렬 정보 비트를 입력 받기 전에 아날로그 신호의 양자화와 부호화 과정이 수행되나 이는 당업자에게 공지된 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

한편, 변조심볼 생성기(302)는 상기한 예에서 4개의 병렬 정보 비트를 입력으로 받아 도 2의 16개의 성상점 중의 한 개의 성상점(c_k)으로 매핑한 후 출력한다.

여기서, 변조심볼은 n 정보 비트를 갖는 디지털 신호가 성상점으로 매핑된 값이라 할 수 있다.

상기와 같이 변조심볼 생성기(302)를 통해 출력된 변조심볼은 기타 물리 계층에 적용된 후 반송파에 의해 고주파 대역으로 천이되며, 미리 설정된 통신 채널을 통해 수신기로 전달된다.

수신기로 전달된 변조심볼은 미리 정해진 알고리즘에 따라 다시 본래의 신호로 복조된다.

도 4는 본 발명에 따른 변조 과정의 순서도이다.

도 4를 참조하면, 우선 본 발명은 각 성상점이 삼각형의 꼭지점으로 배치된 성상도를 생성한다(단계 400).

전술한 바와 같이, 성상도의 생성은 각 성상점이 삼각형의 꼭지점을 이룰 수 있도록 하는 매핑 테이블(룩업 테이블)을 생성하는 과정일 수 있다.

한편, 전송하고자 하는 신호의 양자화 및 부호화 과정 등이 수행되며, 본 발명에 따른 비트열 변환기(300)는 부호화된 디지털 신호를 변조심볼 당 비트에 상응하는 병렬 정보 비트로 변환한다(단계 402).

이때, 디지털 신호를 n 비트 단위로 분할하여 해당 n 비트를 병렬 비트로 변환할 수 있다.

이후, 변조심볼 생성기(302)는 병렬 정보 비트를 입력으로 하여 각 병렬 정보 비트를 삼각 형태로 배치된 각 성상점에 매핑시키는 과정을 수행한다(단계 404).

16-QAM에서 상기한 정보 비트는 4비트일 수 있으며, 성상점의 개수는 16개가 되나, 그밖에 64 또는 256-QAM에서는 다른 정보 비트수 및 성상점의 개수를 가질 수 있을 것이다.

성상점으로 매핑시켜 생성된 변조심볼은 반송파에 의해 고주파 대역으로 천이되며(단계 406), 통신 채널을 통해 수신단 측으로 전송된다(단계 408).

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 성상점 사이의 거리를 기존과 같이 유지하면서도 변조 시 전력 소모를 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따르면, 기존과 동일한 평균 전력을 유지하면서도 성상점 사이의 거리를 크게 할 수 있어 변조심볼오류 확률을 낮출 수 있는 장점이 있다.

Claims

변조심볼 당 n(n은 2 이상의 자연수) 비트를 전송하는 변조 방법에 있어서,

(a) 2ⁿ개의 성상점이 격자 구조의 삼각형의 꼭지점으로 배치되는 성상도를 생성하는 단계; 및

(b) 디지털 신호를 상기 성상점으로 매핑하여 n 비트의 변조심볼을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변조 방법.
제1항에 있어서,

상기 디지털 신호를 병렬 n 비트로 변환하는 단계를 변환하는 단계를 더 포함하되,

상기 (b) 단계는 상기 병렬 n 비트를 상기 성상점으로 매핑하는 것을 특징으로 하는 변조 방법.
제1항에 있어서,

상기 변조심볼을 반송파를 이용하여 고주파 대역으로 천이하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변조 방법.
제1항에 있어서,

상기 성상점의 개수가 16개이고 성상점 사이의 거리가 2d인 경우, 각 성상점의 평균 소모 전력은 9d²인 것을 특징으로 하는 변조 방법.
변조심볼 당 n(n은 2 이상의 자연수) 비트를 전송하는 변조 장치에 있어서,

디지털 신호를 성상도 상의 성상점으로 매핑하여 n 비트의 변조심볼을 생성하는 변조심볼 생성기를 포함하되,

상기 성상도는 2ⁿ개의 성상점이 격자 구조의 삼각형의 꼭지점으로 배치되는 것을 특징으로 하는 변조 장치.
제5항에 있어서,

상기 디지털 신호를 병렬 n 비트로 변환하는 비트열 변환기를 더 포함하되,

상기 (b) 단계는 상기 병렬 n 비트를 상기 성상점으로 매핑하는 것을 특징으로 하는 변조 장치.
제5항에 있어서,

상기 상기 성상점의 개수가 16개이고 성상점 사이의 거리가 2d인 경우, 각 성상점의 평균 소모 전력은 9d²인 것을 특징으로 하는 변조 장치.