KR20080064488A - 초광대역 신호의 시간 지연 추정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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KR20080064488A
KR20080064488A KR1020070001463A KR20070001463A KR20080064488A KR 20080064488 A KR20080064488 A KR 20080064488A KR 1020070001463 A KR1020070001463 A KR 1020070001463A KR 20070001463 A KR20070001463 A KR 20070001463A KR 20080064488 A KR20080064488 A KR 20080064488A
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김완진
김선우
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삼성전자주식회사
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Abstract

초광대역 신호의 시간 지연 추정 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 시간 지연 추정 장치는 다중 경로로 입력된 초광대역(UWB) 신호를 샘플링 다운 변환(SDC) 방식을 이용하여 샘플링하는 샘플링부, 상기 초광대역 신호의 샘플링된 샘플 값들을 기초로 상기 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정하고, 상기 경로 감쇄 계수를 기초로 다중 경로 프로파일을 생성하는 프로파일 생성부 및 상기 다중 경로 프로파일을 통해 직선 경로의 시간 지연을 추정하는 시간 지연 추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
시간 지연, UWB, MP, 다중 경로

Description

초광대역 신호의 시간 지연 추정 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR ESTIMATING TIME DELAY OF ULTRA WIDE-BAND SIGNAL AND METHOD USING THE SAME}
도 1은 본 발명의 시간 지연 추정 장치를 설명하기 위한 일 실시예 시스템도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연 추정 장치에 대한 구성 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시한 프로파일 생성부에 대한 일 실시예 상세 구성 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시한 계수 추정부에 대한 일 실시예 상세 구성 블록도이다.
도 5는 본 발명의 시간 지연 추정 장치에서 샘플링하는 방식을 설명하기 위한 일 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 다중 경로 프로파일을 샘플링하는 일 예시도이다.
도 7은 손실된 샘플 값을 복원하는 과정을 설명하기 위한 일 예시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 다중 경로 프로파일에 대한 일 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연 추정 방법에 대한 동작 흐름도이다.
도 10은 도 9에 도시한 S930 단계에 대한 일 실시예 동작 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
210: 샘플링부
220: 샘플 값 복원부
230: 프로파일 생성부
240: 시간 지연 추정부
310: 계수 추정부
320: 다중 경로 프로파일 생성부
410: 상관도 측정부
420: 계수 계산부
430: 피드백부
본 발명은 시간 지연 추정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초광대역(UWB) 신호를 수신하여 초광대역 신호의 직선 경로에 대한 시간 지연을 추정할 수 있는 초광대역 신호의 시간 지연 추정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
기기로 수신되는 초광대역(UWB) 신호를 샘플링하기 위해서는 초광대역 신호의 펄스 폭의 1/2 이하가 되는 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 사용해야 한다.
예를 들어, 초광대역 신호의 펄스 폭이 2[ns]인 경우 기기는 초광대역 신호를 샘플링하기 위해 샘플링 시간이 1[ns] 이하로 동작하는 ADC를 사용해야 한다.
하지만, 초광대역 신호를 샘플링하기 위해 높은 주파수 클럭을 갖는 ADC를 모바일 기기에 사용하게 되면 모바일 기기의 단가가 높아지고, 고속 샘플링에 의해 배터리 소모가 커지는 단점이 있다.
따라서, 기기의 단가를 낮추면서 기기간 거리를 보다 정확하게 측정할 수 있는 장치의 필요성이 대두된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 낮은 샘플링 주파수로 UWB 신호를 샘플링하여 오버 샘플링 효과를 획득하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 샘플링된 샘플들을 matching pursuit(MP) 알고리즘에 적용시켜 경로감쇄 계수를 획득하여 다중 경로 프로파일을 생성하고, 다중 경로 프로파일을 통해 직선 경로의 시간 지연을 정확하게 추정하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 손실된 샘플 값을 복원하여 IEEE 802.15.4a에 적용하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 낮은 샘플링 주파수를 갖는 ADC를 사용하여 UWB 신호를 샘플링하여 단가를 줄이는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 시간 지연 추정 장치는 다중 경로로 입력된 초광대역(UWB) 신호를 샘플링 다운 변환(SDC) 방식을 이용하여 샘플링하는 샘플링부, 상기 초광대역 신호의 샘플링된 샘 플 값들을 기초로 상기 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정하고, 상기 경로 감쇄 계수를 기초로 다중 경로 프로파일을 생성하는 프로파일 생성부 및 상기 다중 경로 프로파일을 통해 직선 경로의 시간 지연을 추정하는 시간 지연 추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 프로파일 생성부는 matching pursuit(MP) 알고리즘을 이용하여 상기 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정할 수 있다.
이때, 상기 프로파일 생성부는 상기 초광대역 신호에 대한 샘플링 벡터와 상기 샘플링 벡터에 대한 레퍼런스(reference) 벡터의 상관도를 기초로 상기 경로 감쇄 계수를 추정하는 계수 추정부 및 상기 추정된 경로 감쇄 계수를 기초로 상기 다중 경로 프로파일을 생성하는 다중 경로 프로파일 생성부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 계수 추정부는 상기 샘플링 벡터와 상기 레퍼런스 벡터의 상관도를 측정하는 상관도 측정부, 상기 측정된 상관도 중 가장 높은 상관도를 갖는 상기 레퍼런스 벡터의 인덱스를 추출하고, 그 추출된 인덱스에 해당하는 상기 경로 감쇄 계수를 계산하는 계수 계산부 및 상기 추출된 인덱스에 해당하는 상기 레퍼런스 벡터의 성분을 소거하고, 상기 인덱스에 해당하는 성분이 소거된 상기 레퍼런스 벡터를 상기 상관도 측정부로 피드백하는 피드백부를 포함하고, 상기 상관도 측정부는 상기 샘플링 벡터와 상기 피드백된 레퍼런스 벡터의 상관도를 측정할 수 있다.
이때, 상기 시간 지연 추정부는 상기 다중 경로 프로파일의 최대값을 기초로 기 결정된 임계값을 초과하는 첫 번째 시간을 상기 직선 경로의 시간 지연으로 추정할 수 있다.
이때, 상기 초광대역 신호는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4a의 규격에 정의된 터너리 코드(ternary code)가 적용될 수 있다.
이때, 상기 시간 지연 추정 장치는 상기 샘플 값들 중 손실된 샘플 값을 복원하는 샘플 값 복원부를 더 포함하고, 상기 프로파일 생성부는 상기 손실된 샘플 값이 복원된 상기 샘플 값들을 기초로 상기 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정할 수 있다.
본 발명의 시간 지연 추정 방법은 다중 경로로 입력된 초광대역(UWB) 신호를 샘플링 다운 변환(SDC) 방식을 이용하여 샘플링하는 단계, 상기 초광대역 신호의 샘플링된 샘플 값들을 기초로 상기 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정하는 단계, 상기 경로 감쇄 계수를 기초로 다중 경로 프로파일을 생성하는 단계 및 상기 다중 경로 프로파일을 통해 직선 경로의 시간 지연을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 경로 감쇄 계수를 추정하는 단계는 상기 샘플링 벡터와 상기 레퍼런스 벡터의 상관도를 측정하는 단계, 상기 측정된 상관도 중 가장 높은 상관도를 갖는 상기 레퍼런스 벡터의 인덱스를 추출하는 단계, 상기 추출된 인덱스에 해당하는 상기 경로 감쇄 계수를 계산하는 단계, 상기 추출된 인덱스에 해당하는 상기 레퍼런스 벡터의 성분을 소거하는 단계 및 상기 인덱스에 해당하는 성분이 소거된 상기 레퍼런스 벡터를 이용하여 상기 상관도를 측정하는 단계로 피드백하는 단계를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 시간 지연 추정 장치를 설명하기 위한 일 실시예 시스템도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 송신기(110)가 전송한 초광대역(UWB) 신호는 여러 경로(A 내지 D)를 통해 수신기(120)로 입력되는 것을 알 수 있다.
즉, 수신기(120)는 송신기(110)에서 전송한 UWB 신호를 다중 경로(A 내지 D)를 통해 수신한다.
이때, 수신기(120)가 송신기(110)의 위치를 추정하기 위해서는 직선 경로(A)로 입력된 UWB 신호의 지연 시간을 계산하고, 그 계산된 지연 시간을 기초로 송수신기 사이의 거리를 측정할 수 있다.
이때, 수신기는 다중 경로를 통해 입력된 UWB 신호를 샘플링 다운 변환(sampling down conversion) 방식을 이용하여 샘플링할 수 있다.
이때, 수신기는 샘플링 다운 변환 방식에 의해 샘플링된 샘플 값들을 matching pursuit(MP) 알고리즘에 적용하여 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정하고, 그 추정된 경로 감쇄 계수를 기초로 다중 경로 프로파일(multi-path intensity profile)을 생성할 수 있다.
이때, 수신기는 다중 경로 프로파일의 최대값을 기초로 기 결정된 임계값을 초과하는 첫 번째 시간을 직선 경로의 시간 지연으로 추정할 수 있다.
이때, 수신기는 다중 경로를 통해 입력된 UWB 신호가 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4a의 규격에 정의된 터너리 코드(ternary code)에 적용된 경우 손실된 샘플 값을 복원한 후 그 복원된 샘플 값들을 기초로 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정할 수 있다.
즉, IEEE 802.15.4a의 규격에 정의된 터너리 코드는 -1, 0, 1을 사용하기 때문에 송신기가 UWB 신호 전송 시 터너리 코드 0에 의해 손실되는 신호가 발생하고, 수신기는 터너리 코드 0에 의해 손실된 UWB 신호를 다중 경로를 통해 수신한다.
따라서, 수신기는 다중 경로를 통해 수신된 UWB 신호의 다중 경로 프로파일을 생성하기 위해서는 터너리 코드 0에 의해 손실된 UWB 신호에 대한 샘플 값을 복원한 후 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정해야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연 추정 장치에 대한 구성 블록도이다.
도 2를 참조하면, 시간 지연 추정 장치는 샘플링부(210), 샘플 값 복원부(220), 프로파일 생성부(230) 및 시간 지연 추정부(240)를 포함한다.
샘플링부(210)는 다중 경로를 통해 입력된 UWB 신호를 샘플링 다운 변환(SDC) 방식을 이용하여 샘플링한다.
이때, 샘플링부(210)는 낮은 주파수 클럭을 갖는 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 이용하여 구현할 수 있다.
즉, 샘플링부(210)는 나이퀴스트(nyquist) 주파수보다 매우 낮은 주파수 클럭을 갖는 아날로그 디지털 변환기를 이용하여 UWB 신호를 샘플링한다.
이때, 샘플링부(210)는 송신기에서 UWB 임펄스 신호가 일정 주기로 반복 전 송되는 경우 샘플링 주기가 임펄스 신호의 주기와 소정의 차이를 갖는 것이 바람직하다. 샘플링 주기가 임펄스 신호의 주기와 소정의 차이를 가지게 되면 UWB 임펄스 신호를 소정의 차이 간격으로 샘플링한 것과 같은 효과를 가지게 된다. 이는 낮은 주파수 클럭을 갖는 ADC를 이용하여 UWB 임펄스 신호를 고속 샘플링한 것과 같은 효과를 가지게 된다.
예를 들어, 임펄스 신호의 주기가 Tpr이고 샘플링 주기가 TS(TS> Tpr)인 경우 샘플링부(210)는 다중 경로를 통해 입력된 UWB 임펄스 신호를 TS-Tpr 간격으로 샘플링한 것과 같은 효과를 갖는다. 즉, 샘플링부(210)는 낮은 주파수 클럭을 갖는 ADC를 사용해도 다중 경로를 통해 입력된 높은 대역폭을 갖는 UWB 임펄스 신호를 TS-Tpr 간격으로 샘플링한 효과를 얻을 수 있고, 이는 UWB 신호와 같은 광대역의 신호를 처리함에 있어서 하드웨어의 부담을 크게 줄일 수 있다.
이때, 추정하고자 하는 무선 채널의 지연 스프레드(delay spread)를 τm이라 하면 채널을 추정하기 위한 최소한의 샘플 포인트 수는 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007001288695-PAT00001
여기서, Ns는 샘플 포인트 수를 의미하고, τm은 무선 채널의 지연 스프레드를 의미하고, Tpr은 UWB 신호의 주기를 의미하고, TS는 샘플링 주기를 의미한다.
이와 같이 샘플링부(210)는 SDC 방식을 이용한 샘플링에 의해 다중 경로를 통해 입력된 UWB 임펄스 신호를 나이퀴스트 레이트 이상으로 오버 샘플링 해줄 수 있어 채널 추정의 정확도를 높일 수 있다. 즉, 샘플링부(210)에 의해 샘플링된 다중 경로를 통해 입력된 UWB 임펄스 신호의 샘플링 벡터는 송신기에서 한번 송신한 임펄스 신호를 TS-Tpr 주기로 샘플링하여 얻어진 샘플링 벡터와 동일하다.
샘플 값 복원부(220)는 샘플링부(210)에 의해 샘플링된 샘플 값들 중 손실된 샘플 값을 복원한다.
여기서, 샘플 값 복원부(220)는 다중 경로를 통해 입력된 UWB 신호가 IEEE 802.15.4a의 규격에 정의된 터너리 코드에 적용된 신호인 경우 손실된 샘플 값을 복원한다.
즉, 송신기에서 IEEE 802.15.4a의 규격에 정의된 터너리 코드를 통해 UWB 신호를 전송하는 경우 터너리 코드 0에 의해 신호가 손실되어 샘플링부(210)에 의한 샘플링 시 샘플 값이 0으로 나타나는 경우가 발생하는데, 샘플 값 복원부(220)는 샘플 값이 0으로 나타나는 샘플 값을 복원한다.
프로파일 생성부(230)는 샘플 값 복원부(220)에 의해 복원된 샘플 값을 포함하는 샘플링된 샘플 값들을 기초로 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정하고, 경로 감쇄 계수를 기초로 UWB 신호의 다중 경로 프로파일을 생성한다.
이때, 프로파일 생성부(230)는 matching pursuit(MP) 알고리즘을 이용하여 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정할 수 있다.
이때, 프로파일 생성부(230)는 UWB 신호에 대한 샘플링 벡터와 샘플링 벡터에 대한 레퍼런스(reference) 벡터의 상관도를 기초로 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정할 수 있다.
시간 지연 추정부(240)는 프로파일 생성부(230)에 의해 생성된 다중 경로 프로파일을 통해 송신기에서 송신한 직선 경로의 UWB 신호에 대한 시간 지연을 추정한다.
이때, 시간 지연 추정부(240)는 다중 경로 프로파일의 최대값을 기초로 기 결정된 임계값을 초과하는 첫 번째 시간을 직선 경로의 UWB 신호에 대한 시간 지연으로 추정할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시한 프로파일 생성부(230)에 대한 일 실시예 상세 구성 블록도이다.
도 3을 참조하면, 프로파일 생성부(230)는 계수 추정부(310) 및 다중 경로 프로파일 생성부(320)를 포함한다.
계수 추정부(310)는 UWB 신호에 대한 샘플링 벡터와 샘플링 벡터에 대한 레퍼런스 벡터의 상관도를 기초로 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정한다.
이때, 계수 추정부(310)는 샘플링 벡터와 레퍼런스 벡터의 상관도를 측정하고, 그 측정된 상관도를 기초로 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정할 수 있다.
이때, 계수 추정부(310)는 측정된 상관도 중 가장 높은 상관도를 갖는 레퍼 런스 벡터의 인덱스를 추출하고, 그 추출된 인덱스에 해당하는 경로 감쇄 계수를 추정할 수 있다.
다중 경로 프로파일 생성부(320)는 추정된 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 기초로 다중 경로 프로파일을 생성한다.
도 4는 도 3에 도시한 계수 추정부(310)에 대한 일 실시예 상세 구성 블록도이다.
도 4를 참조하면, 계수 추정부(310)는 상관도 측정부(410), 계수 계산부(420) 및 피드백부(430)를 포함한다.
상관도 측정부(410)는 샘플링 벡터와 레퍼런스 벡터의 상관도를 측정한다.
계수 계산부(420)는 상관도 측정부(410)에 의해 측정된 상관도 중 가장 높은 상관도를 갖는 레퍼런스 벡터의 인덱스를 추출하고, 그 추출된 인덱스에 해당하는 경로 감쇄 계수를 계산한다.
피드백부(430)는 계수 계산부(420)에 의해 추출된 인덱스에 해당하는 레퍼런스 벡터의 성분을 소거하고, 추출된 인덱스에 해당하는 성분이 소거된 레퍼런스 벡터를 상관도 측정부(410)로 피드백한다.
이때, 상관도 측정부(410)는 샘플링 벡터와 피드백된 레퍼런스 벡터의 상관도를 측정할 수 있다.
이때, 피드백부(430)는 다중 경로의 모든 경로 감쇄 계수를 획득할 때까지 계수 계산부(420)에 의해 추출된 인덱스에 해당하는 성분이 소거된 레퍼런스 벡터를 상관도 측정부(410)로 피드백할 수 있다.
본 발명에 따른 다중 경로 프로파일을 생성하고 직선 경로의 지연 시간을 추정하는 과정을 수학식을 이용하여 설명하면 다음과 같다.
다중 경로를 통해 수신된 UWB 임펄스 신호는 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007001288695-PAT00002
여기서, r(t)는 다중 경로를 통해 수신된 UWB 임펄스 신호를 의미하고, τj는 j 번째 경로의 시간 지연을 의미하고, aj는 j 번째 경로의 시간 지연에 상응하는 감쇄 계수를 의미하고, p(t)는 송신기로부터 전송된 UWB 임펄스 신호를 의미한다.
즉, 다중 경로를 통해 수신된 UWB 임펄스 신호를 샘플링한 샘플링 벡터는 [수학식 2]를 샘플링한 것과 같다.
이때, p(t)는 [수학식 3]에 나타낸 다중 경로 채널인 h(t)를 통과하고, UWB 임펄스 신호가 Tps 주기로 샘플링된다 가정하면 h(t)를 [수학식 4]와 같이 탭드 지연 라인(tapped delay line)으로 근사할 수 있다.
Figure 112007001288695-PAT00003
Figure 112007001288695-PAT00004
여기서, fj는 탭의 계수를 의미한다.
따라서, 다중 경로를 통해 수신된 UWB 임펄스 신호 r(t)는 [수학식 5]와 같이 근사할 수 있다.
Figure 112007001288695-PAT00005
여기서, n(t)는 잡음을 의미한다.
이때, 샘플링 벡터 r은 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007001288695-PAT00006
Figure 112007001288695-PAT00007
Figure 112007001288695-PAT00008
여기서, s i 는 샘플링 벡터에 대한 레퍼런스(reference) 벡터를 의미한다.
경로 감쇄 계수 즉, 탭의 계수인 fj를 계산하기 위해 샘플링 벡터와 레퍼런스 벡터의 상관도를 측정하고, 그 측정된 상관도 중 가장 높은 상관도를 갖는 레퍼런스 벡터의 인덱스 i를 결정한 후 인덱스 i에 해당하는 경로 감쇄 계수 fi를 계산한다.
상관도 측정을 통해 계산된 fi는 선택된 s i 와 곱해져서 수신된 신호에서 소거되고 남은 경로 감쇄 계수는 선택되지 않고 남아있는 레퍼런스 벡터들과 상관도를 측정한 후 가장 높은 상관도를 갖는 레퍼런스 벡터의 인덱스를 결정한 후 결정된 인덱스에 해당하는 경로 감쇄 계수를 계산한다. 즉, 인덱스의 결정, 인덱스에 해당하는 경로 감쇄 계수 추정 및 소거를 반복할 때마다 레퍼런스 벡터 한 개와 그에 대한 경로 감쇄 계수가 계산된다.
따라서, 결정, 추정 및 소거가 j 번째 반복될 때 레퍼런스 벡터의 인덱스는 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007001288695-PAT00009
여기서, qj는 j 번째 반복에서 결정된 레퍼런스 벡터의 인덱스를 의미하고, r j는 r에서 j-1 번 소거를 했을 때 얻어지는 잔여 신호를 의미하고, H는 허미션(Hermition) 행렬을 의미한다.
이때, 레퍼런스 벡터의 인덱스에 해당하는 추정된 경로 감쇄 계수는 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007001288695-PAT00010
여기서,
Figure 112007001288695-PAT00011
는 j 번째 추정된 경로 감쇄 계수를 의미한다.
따라서, 다중 경로 프로파일은 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007001288695-PAT00012
여기서,
Figure 112007001288695-PAT00013
는 다중 경로 프로파일을 의미하고,
Figure 112007001288695-PAT00014
는 추정된 경로 감쇄 계수를 의미하고, s(t)는 대역폭이 1/Ts인 싱크 함수(sinc function)를 의미한다.
[수학식 9]와 같이 다중 경로 프로파일이 생성되면 다중 경로 프로파일의 최대값을 기초로 기 결정된 임계값 이상이 되는 첫 번째 시간을 직선 경로의 시간 지연으로 추정한다.
즉, 추정된 직선 경로의 시간 지연은 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007001288695-PAT00015
여기서,
Figure 112007001288695-PAT00016
는 추정된 직선 경로의 시간 지연을 의미한다.
본 발명에 따른 시간 지연 추정 장치에 대한 동작을 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 시간 지연 추정 장치에서 샘플링하는 방식을 설명하기 위 한 일 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시간 지연 추정 장치는 샘플링 다운 변환방식을 이용하여 송신기에서 전송하는 UWB 임펄스 신호의 주기(Tpr)와 소정의 차이를 갖는 주기(Ts)로 샘플링한다.
즉, 송신기에서 반복 전송되는 UWB 임펄스 신호의 주기 Tpr과 소정의 차이가 나는 주기 Ts로 샘플링하기 때문에 샘플링 포인트가 Ts-Tpr 만큼씩 우측으로 이동되면서 임펄스 신호를 샘플링하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 낮은 주파수 클럭을 갖는 ADC를 이용하여 송신기에서 반복 전송되는 UWB 임펄스 신호를 수신하여 샘플링할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 다중 경로 프로파일을 샘플링하는 일 예시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 송신기에서 반복 전송된 UWB 임펄스 신호가 다중 경로를 통해 수신되기 때문에 반복 전송되는 두 임펄스 신호 사이에 도착하는 다중 경로 성분들을 Tps(=Ts-Tpr)의 간격으로 샘플링할 수 있고, 이 샘플링된 샘플 값들을 이용하여 다중 경로 프로파일을 생성한다.
송신기가 IEEE 802.15.4a의 규격에 정의된 터너리 코드를 사용하여 임펄스 신호를 전송한 경우에는 터너리 코드 0에 의해 손실된 신호가 발생한다. 즉, 샘플링 다운 변환 방식으로 샘플링된 샘플 값들 중 손실된 샘플 값이 발생하게 된다.
본 발명은 손실된 샘플 값을 복원하고, 복원된 샘플 값들을 이용하여 다중 경로 프로파일을 생성한다.
도 7은 손실된 샘플 값을 복원하는 과정을 설명하기 위한 일 예시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 터너리 코드 0에 의해 샘플링된 샘플들 중 샘플 값이 0인 손실된 샘플이 발생하는 것을 알 수 있다.
여기서, 재생하고자 하는 신호는 f(t)이고, 신호 f(t)의 대역폭은 W이다.
f(t)는 나이퀴스트 레이트 1/2W보다 큰 1/2B로 오버 샘플링된다.
오버 샘플링된 신호 f(t)를 푸리에 변환(①)하면 대역폭 2B를 가지게 되고, 손실된 샘플 값을 복원하기 위해 f(t)의 대역폭 W를 갖는 저역 통과 필터(LPF)에 통과시킨다(②).
신호 f(t)가 저역 통과 필터를 통과하면 손실된 샘플 값들은 주변의 샘플 값에 따라 새로운 값으로 나타나게 된다(③).
새로운 값으로 나타난 손실된 샘플 값들은 초기 샘플링된 상태의 샘플 값들과 합쳐진 후(④) 다시 푸리에 변환을 수행하고(⑤) 저역 통과 필터에 다시 통과시킨다(②).
저역 통과 필터를 통과한 후 손실된 샘플 값들이 다시 새로운 샘플 값들로 교체되고 이러한 과정을 반복 수행함으로써 손실된 샘플 값을 복원한다.
이런 과정을 통해 복원된 샘플 값들을 기초로 matching pursuit(MP) 알고리즘을 이용하여 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 계산하고, 그 계산된 경로 감쇄 계수를 이용하여 다중 경로 프로파일을 생성한다.
이때, 경로 감쇄 계수는 샘플링 벡터와 샘플링 벡터에 대한 레퍼런스 벡터의 상관도를 이용하여 계산될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 다중 경로 프로파일에 대한 일 예시도이다.
도 8에 도시한 다중 경로 프로파일은 직선 경로를 포함한 다중 경로를 통해 수신된 UWB 임펄스 신호이다.
송신기에서 전송된 임펄스 신호 중 직선 경로의 임펄스 신호가 가장 먼저 수신되기 때문에 직선 경로를 통해 수신된 임펄스 신호의 지연 시간을 계산하면 송수신기 간의 거리를 추정할 수 있다.
이때, 직선 경로의 지연 시간은 다중 경로 프로파일의 최대값을 기초로 기 결정된 임계값을 초과하는 첫 번째 시간이 될 수 있다.
즉, 직선 경로의 시간 지연은
Figure 112007001288695-PAT00017
가 될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연 추정 방법에 대한 동작 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 시간 지연 추정 방법은 다중 경로를 통해 수신된 UWB 임펄스 신호를 샘플링 다운 변환(SDC) 방식으로 샘플링한다(S910).
이때, SDC 방식은 UWB 임펄스 신호의 나이퀴스트 주파수보다 매우 낮은 주파수로 샘플링하기 때문에 낮은 주파수 클럭을 갖는 ADC를 이용하여 UWB 임펄스 신호를 샘플링할 수 있다.
이때, 송신기에서 UWB 임펄스 신호가 일정 주기로 반복 전송되는 경우 샘플링 주기가 임펄스 신호의 주기와 소정의 차이를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 샘플링 주기가 임펄스 신호의 주기와 소정의 차이를 가지게 되면 UWB 임펄스 신호를 소 정의 차이 간격으로 샘플링한 것과 같은 효과를 가지게 된다.
다중 경로를 통해 수신된 UWB 임펄스 신호가 IEEE 802.15.4a의 규격에 정의된 터너리 코드에 적용된 신호인 경우에는 터너리 코드 0에 의해 임펄스 신호가 손실되어 샘플링한 샘플 값이 손실될 수 있다.
즉, 다중 경로 프로 파일을 생성하기 위해서는 터너리 코드 0에 의해 손실된 샘플들의 샘플 값을 복원해야 한다(S920).
이때, 손실된 샘플 값의 복원은 다중 경로를 통해 입력된 UWB 임펄스 신호의 대역폭보다 큰 대역폭으로 푸리에 변환한 후 UWB 임펄스 신호의 대역폭을 갖는 저역 통과 필터를 통과하면 손실된 샘플 값들은 주변의 샘플 값에 따라 새로운 값으로 나타나게 된다.
새로운 값으로 나타난 손실된 샘플 값들은 초기 샘플링된 상태의 샘플 값들과 합쳐져 다시 푸리에 변환을 수행하고 저역 통과 필터를 다시 통과하여 손실된 샘플 값들이 다시 새로운 샘플 값들로 교체되고 이러한 과정을 반복 수행함으로써 손실된 샘플 값을 복원한다.
손실된 샘플 값이 복원되면 샘플링된 샘플 값들을 기초로 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정하고, 그 추정된 경로 감쇄 계수를 기초로 다중 경로 프로파일을 생성한다(S930, S940).
이때, 경로 감쇄 계수는 matching pursuit(MP) 알고리즘을 통해 추정될 수 있다.
이때, 경로 감쇄 계수는 샘플링 벡터와 샘플링 벡터에 대한 레퍼런스 벡터의 상관도를 측정하고, 그 측정된 상관도를 기초로 추정될 수 있다.
다중 경로 프로파일이 생성되면 그 생성된 다중 경로 프로파일의 최대값을 기초로 기 결정된 임계값을 초과하는 첫 번째 시간을 직선 경로의 지연 시간으로 추정한다.
도 10은 도 9에 도시한 S930 단계에 대한 일 실시예 동작 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 경로 감쇄 계수를 추정하는 단계는 샘플링된 샘플들의 샘플링 벡터와 레퍼런스 벡터의 상관도를 측정하고, 그 측정된 상관도 중 가장 높은 상관도를 갖는 레퍼런스 벡터의 인덱스를 추출한다(S1010, S1020).
추출된 인덱스에 해당하는 경로 감쇄 계수를 계산한다(S1030).
경로 감쇄 계수가 계산된 인덱스에 해당하는 레퍼런스 벡터의 성분을 소거하고, 계산할 경로 감쇄 계수가 있는지 판단한다(S1040, S1050). 즉, 추출된 인덱스 성분이 소거된 레퍼런스 벡터를 이용하여 상관도를 측정할 것인지 판단한다.
계산할 경로 감쇄 계수가 있는 경우 추출된 인덱스 성분에 해당하는 성분이 소거된 레퍼런스 벡터와 샘플링 벡터의 상관도를 측정하기 위해 상관도를 측정하는 단계로 피드백한다(S1010).
본 발명에 따른 시간 지연 추정 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명의 시간 지연 추정 장치 및 그 방법은, 낮은 샘플링 주파수로 UWB 신호를 샘플링하여 오버 샘플링 효과를 획득할 수 있다.
또한, 본 발명은 샘플링된 샘플들을 matching pursuit 알고리즘에 적용시켜 경로감쇄 계수를 획득하여 다중 경로 프로파일을 생성하고, 다중 경로 프로파일을 통해 직선 경로의 시간 지연을 정확하게 추정할 수 있다.
또한, 본 발명은 손실된 샘플 값을 복원하여 IEEE 802.15.4a에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 낮은 샘플링 주파수를 갖는 ADC를 사용하여 UWB 신호를 샘플링하여 단가를 줄일 수 있다.

Claims (15)

  1. 다중 경로로 입력된 초광대역(UWB) 신호를 샘플링 다운 변환(SDC) 방식을 이용하여 샘플링하는 샘플링부;
    상기 초광대역 신호의 샘플링된 샘플 값들을 기초로 상기 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정하고, 상기 경로 감쇄 계수를 기초로 다중 경로 프로파일을 생성하는 프로파일 생성부; 및
    상기 다중 경로 프로파일을 통해 직선 경로의 시간 지연을 추정하는 시간 지연 추정부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로파일 생성부는
    matching pursuit(MP) 알고리즘을 이용하여 상기 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프로파일 생성부는
    상기 초광대역 신호에 대한 샘플링 벡터와 상기 샘플링 벡터에 대한 레퍼런스(reference) 벡터의 상관도를 기초로 상기 경로 감쇄 계수를 추정하는 계수 추정 부; 및
    상기 추정된 경로 감쇄 계수를 기초로 상기 다중 경로 프로파일을 생성하는 다중 경로 프로파일 생성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 계수 추정부는
    상기 샘플링 벡터와 상기 레퍼런스 벡터의 상관도를 측정하는 상관도 측정부;
    상기 측정된 상관도 중 가장 높은 상관도를 갖는 상기 레퍼런스 벡터의 인덱스를 추출하고, 그 추출된 인덱스에 해당하는 상기 경로 감쇄 계수를 계산하는 계수 계산부; 및
    상기 추출된 인덱스에 해당하는 상기 레퍼런스 벡터의 성분을 소거하고, 상기 인덱스에 해당하는 성분이 소거된 상기 상기 레퍼런스 벡터를 상기 상관도 측정부로 피드백하는 피드백부
    를 포함하고,
    상기 상관도 측정부는 상기 샘플링 벡터와 상기 피드백된 레퍼런스 벡터의 상관도를 측정하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시간 지연 추정부는
    상기 다중 경로 프로파일의 최대값을 기초로 기 결정된 임계값을 초과하는 첫 번째 시간을 상기 직선 경로의 시간 지연으로 추정하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초광대역 신호는
    IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4a의 규격에 정의된 터너리 코드(ternary code)가 적용된 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 시간 지연 추정 장치는
    상기 샘플 값들 중 손실된 샘플 값을 복원하는 샘플 값 복원부
    를 더 포함하고,
    상기 프로파일 생성부는 상기 손실된 샘플 값이 복원된 상기 샘플 값들을 기초로 상기 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정 장치.
  8. 다중 경로로 입력된 초광대역(UWB) 신호를 샘플링 다운 변환(SDC) 방식을 이 용하여 샘플링하는 단계;
    상기 초광대역 신호의 샘플링된 샘플 값들을 기초로 상기 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정하는 단계;
    상기 경로 감쇄 계수를 기초로 다중 경로 프로파일을 생성하는 단계; 및
    상기 다중 경로 프로파일을 통해 직선 경로의 시간 지연을 추정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 경로 감쇄 계수를 추정하는 단계는
    matching pursuit(MP) 알고리즘을 이용하여 상기 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 경로 감쇄 계수를 추정하는 단계는
    상기 초광대역 신호에 대한 샘플링 벡터와 상기 샘플링 벡터에 대한 레퍼런스 벡터의 상관도를 기초로 상기 경로 감쇄 계수를 추정하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 경로 감쇄 계수를 추정하는 단계는
    상기 샘플링 벡터와 상기 레퍼런스 벡터의 상관도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 상관도 중 가장 높은 상관도를 갖는 상기 레퍼런스 벡터의 인덱스를 추출하는 단계;
    상기 추출된 인덱스에 해당하는 상기 경로 감쇄 계수를 계산하는 단계;
    상기 추출된 인덱스에 해당하는 상기 레퍼런스 벡터의 성분을 소거하는 단계; 및
    상기 인덱스에 해당하는 성분이 소거된 상기 레퍼런스 벡터를 이용하여 상기 상관도를 측정하는 단계로 피드백하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 직선 경로의 시간 지연을 추정하는 단계는
    상기 다중 경로 프로파일의 최대값을 기초로 기 결정된 임계값을 초과하는 첫 번째 시간을 상기 직선 경로의 시간 지연으로 추정하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 초광대역 신호는
    IEEE 802.15.4a의 규격에 정의된 터너리 코드(ternary code)가 적용된 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 시간 지연 추정 방법은
    상기 샘플 값들 중 손실된 샘플 값을 복원하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정하는 단계는 상기 손실된 샘플 값이 복원된 상기 샘플 값들을 기초로 상기 다중 경로의 경로 감쇄 계수를 추정하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정 방법.
  15. 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.
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