KR20090131790A - 이동통신 시스템에서 간섭을 제거하기 위한 수신 장치 및수신 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대역통과 표본화 기법보다 낮은 표본화 주파수를 얻을 수 있는 복소 대역통과 표본화 기법을 도입한 SDR 수신 장치에서, 아날로그 힐버트 변환기의 불완전성에 의해 발생되는 간섭을 디지털 기법으로 실시간 제거하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로 수신한 RF 신호를 대역 통과 처리하여 샘플링하는 아날로그 디지털 컨버터와, 상기 대역 통과 처리한 신호의 위상을 변경하는 위상 천이기와, 상기 샘플링한 신호와 상기 위상을 변경한 신호를 합산하여 각 대역의 간섭과 수신하고자 하는 신호를 확인하고, 상기 확인한 간섭을 제거하는 간섭 제거부를 포함하여 수신 장치에서 다중 신호를 동시에 하향 변환하여 아날로그 힐버트 변환에 의한 I/Q 불균형을 적응적으로 해결하고 수신감도를 높일 수 있다.
간섭 제거, I/Q 불균형, 나이퀴스, 힐버트, SDR
Description
본 발명은 대역통과 표본화 기법보다 낮은 표본화 주파수를 얻을 수 있는 복소 대역통과 표본화 기법을 도입한 SDR 수신 장치에서, 아날로그 힐버트 변환기의 불완전성에 의해 발생되는 간섭을 디지털 기법으로 실시간 제거하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 수신 장치의 주변 환경(예 ; 온도, 노후 상태)에 따라 변화하는 오차에 따른 수신 신호의 간섭에도 적응적으로 대처하여 수신 장치의 성능을 향상시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 또한, 여러 통신 표준을 동시에 수신하여 복조하는 SDR 시스템에 적합한 장치 및 방법이다.
대부분의 무선 통신 단말기는 수신 신호를 여러 개의 믹서를 통과하여 여러단의 IF단을 거쳐 기저대역(Baseband)이나 낮은 중간주파수(IF)단으로 하향변환(down-conversion)하는 아날로그 헤테로다인(heterodyne) 수신방식을 채택하여 사용되어 왔으며 현재도 널리 사용되고 있다.
그러나, 다수의 아날로그의 부품을 사용하는 기존의 수신구조는 그 회로가 복잡하여 하나의 칩으로 집적화(integration)하기 어려우며, 또한 수신기 부피가 커지게 되는 단점이 있다. 더욱이 전력소모도 많아지게 되어 PDA나 무선단말기 같은 소형화 및 이동성을 중요시하는 개인 이동통신기기에 적합하지 않다.
상술한 문제점들을 해결하기 위하여 현재의 단말기에는 직접변환(direct-conversion)방식을 수신기의 기본 구조로 채택하고 있으며, 앞으로 이 구조는 더욱 널리 사용될 것이다. 이런 방식은 하나의 믹서를 사용하여 단 한번의 주파수 하향변환을 수행하게 되므로 RF부분을 최소화시킬 수 있는 장점이 있고 하드웨어 측면에서 헤테로다인 방식보다 좀 더 유연한(flexible) 특징을 지닌다. 그러므로 소프트웨어의 기능이 중요시되는 차세대 통신기술인 software-defined radio(SDR)개념에 더욱 근접하는 수신기 구조라고 할 수 있다. 상기 SDR시스템은 하드웨어 교체 없이 소프트웨어의 변경만으로 새로운 통신표준을 수용할 수 있는 시스템이므로 시스템 유연성(flexibility) 및 재구성이 가장 중요한 요소이기 때문이다.
따라서, 이러한 SDR을 구현하기 위해서 먼저 RF부분의 최소화, 즉 ADC(analog-to-digital converter)를 안테나에 최대한 가깝게 설계하여야 한다. 그러나 이상적인 SDR 시스템은 현재 기술로는 아직까지 불가능하기 때문에 하나의 믹서를 사용하는 직접변환 방식이 좀 더 현실적이라고 할 수 있다.
상기와 같은 SDR을 적용하기 위해서는, 우선 대역 통과된 RF신호를 직접 표본화(sampling)하여 디지털로 신호를 처리해야 한다.
이때, 나이퀴스트(Nyquist Sampling) 이론을 적용하여 반송파 주파수의 두 배 이상의 표본화 하게 된다면 신호의 반송파 주파수가 크기 때문에 표본화 주파수는 최소 반송파 주파수 두배 이상의 매우 높은 주파수 사용하게 되어 아날로그 디지털 컨버터(ADC ; analog digital converter)에 부하가 발생하는 문제점이 생긴다.
이에 따라 상기 나이퀴스트 이론보다 매우 낮은 표본화 주파수를 사용하여 신호가 없는 대역에 수신하고자 하는 신호를 위치하게 함으로써, 아날로그 믹서 없이 ADC 사용만으로 RF신호를 아주 낮은 IF신호 또는 기저대역으로 하향변환하는 대역통과 표본화(bandpass sampling) 기법을 사용한다.
복소 대역통과 표본화를 위한 수신기는 두 개의 ADC와 Q채널에 아날로그 힐버트 변환기 즉, 90도 위상 천이기(shifter)가 필요하고 ADC에는 대역통과 표본화 주파수가 적용된다.
상기 힐버트 변환기는 주파수에 관계없이 90도의 정확한 위상 천이기를 제작하기 매우 힘들다. 또한 두 채널 사이에 진폭 차이도 발생하게 된다. 그러므로 현실적으로 주파수 한쪽 영역 즉, 음의 주파수 대역에 있는 신호를 완벽히 제거하지 못하고 일부가 간섭신호로 남게 되어 수신하고자 하는 신호에 영향을 주게 된다.
상기와 같은 간섭은 주변 환경(예 ; 온도, 장비 노화 등)에 따라 변화함에 따라 달라짐에 따라 수신 신호의 간섭을 완벽하게 제거할 수 없다는 문제점이 발생한다.
이에 따라 상기 수신 장치의 수신 성능을 향상시키기 위하여 주변 환경에 따 라 변화하는 오차에 따른 간섭을 적응적으로 제거하기 위한 장치 및 방법이 요구된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 수신 장치에서 다수의 대역의 신호에 대한 간섭을 제거하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 수신 장치에서 복소 대역통과 표본화 기법 사용시 발생하는 아날로그 힐버트 변환기의 불완전성으로 발생하는 간섭을 제거하도록 하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다. 즉, 본 발명은 복소 대역통과 표본화 수신기의 I/Q 불균형 문제를 해결하기 위한 장치 및 방법이라고도 할 수 있다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 이동통신 시스템에서 간섭을 제거하기 위한 수신 장치는 수신한 RF 신호를 대역 통과 처리하여 샘플링하는 아날로그 디지털 컨버터와, 상기 대역 통과 처리한 신호의 위상을 변경하는 위상 천이기와, 상기 샘플링한 신호와 상기 위상을 변경한 신호를 합산하여 각 대역의 간섭과 수신하고자 하는 신호를 확인하고, 상기 확인한 간섭을 제거하는 간섭 제거부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 이동통신 시스템에서 간섭을 제거하기 위한 수신 방법은 수신한 RF 신호를 대역 통과 처리하여 샘플링하는 과정과, 상기 대역 통과 처리한 신호의 위상을 변경하는 과정과, 상기 샘플링한 신호와 상기 위상을 변경한 신호를 합산하여 각 대역의 간섭과 수신하고자 하는 신호를 확인하는 과정과, 상기 확인한 간섭을 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 차세대 시스템인 복소 대역통과 표본화 기법을 적용한 software-defined radio (SDR) 시스템에서 수신 신호의 간섭을 효과적으로 제거하기 위한 본 발명은 수신한 다중 RF 신호를 대역 통과 샘플링하고, 상기 대역 통과 샘플링한 신호의 위상을 힐버튼 변환기를 통해 변경한 후, 상기 샘플링한 신화와 상기 위상을 변경한 신호를 디지털 영역에서 합산하여 각 대역들의 간섭과 수신하고자 하는 다중 신호들을 확인함으로써, 복소 대역통과 표본화 기법에서 광대역 90도 위상천이기인 아날로그 힐버트 변환기의 불완전성에 따라 발생하는 간섭을 완벽하게 제거할 수 있다. 이에 따라 수신 장치에서 다중 신호를 동시에 하향 변환하여 아날로그 힐버트 변환에 의한 I/Q 불균형을 적응적으로 해결하고 수신감도를 높일 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상 세한 설명은 생략한다.
이하 설명에서는 복소 대역통과 표본화 기법에서 발생되는 I/Q 불균형 문제를 해결하기 위한 간섭 제거를 수행하는 수신 장치의 구성 및 간섭 제거 방법에 관하여 설명할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 따라 복소 대역통과 표본화 기법에서 발생되는 I/Q 불균형 문제를 해결하기 위한 간섭 제거를 수행하는 수신 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
상기 도 1을 참조하면, 상기 수신 장치는 저잡음 증폭기(LNA ; Low Noise Amplifier)(101), 동시 수신하는 신호를 위한 다수의 대역 통과 필터(BPF#1 ~ BPF#n)(102, 104), 위상 천이기(108), 아날로그 디지털 컨버터(ADC)(106, 110) 및 간섭 제거부(112)를 포함하여 구성할 수 있다.
먼저, 상기 수신 장치의 저잡음 증폭기(LNA)(101)는 안테나(100)를 통해 수신된 RF 신호를 증폭하고, 상기 다수의 대역 통과 필터(102, 104)는 안테나(100)를 통해 원하는 주파수 대역의 다중 신호들을 필터링하여 출력한다.
또한, 상기 아날로그 디지털 컨버터(106, 110)는 수신하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하도록 처리하여 실수(real) 신호와 허수(imaginary) 신호를 획득하도록 처리하며, 상기 위상 천이기(108)는 샘플링된 신호의 위상을 90' 변경하도록 처리한다.
상기 간섭 제거부(112)는 상기 아날로그 디지털 컨버터(106, 110)에 의해 획득된 실수(real) + j · 허수(imaginary) 형태의 신호의 음의 주파수 영역의 신호를 제거하고, 실수(real) - j · 허수(imaginary) 형태의 신호의 양의 주파수 영역의 신호를 제거하도록 처리한다. 또한, 상기 간섭 제거부(112)는 상기 음의 주파수 영역 및 상기 양의 주파수 영역의 신호가 제거된 신호를 이용하여 간섭을 확인하고, 상기 확인한 간섭을 제거하도록 처리한다.
즉, 상기 간섭 제거부(112)는 상기 아날로그 디지털 컨버터(106, 110)에 의해 획득된 실수 신호와 허수 신호 그리고, 상기 위상 천이기(108)에 의해 위상이 변경된 실수 신호와 허수 신호를 합산한 신호에서 간섭을 확인한 후, 상기 확인한 간섭을 제거하도록 처리한다. 상기 간섭 제거부(112)의 상세한 동작 설명은 하기 도 4에서 상세히 설명할 것이다.
이상은 복소 대역통과 표본화 기법에서 발생되는 I/Q 불균형 문제를 해결하기 위한 간섭 제거를 수행하는 수신 장치의 구성에 대하여 설명하였고, 이하 설명에서는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 상기 수신 장치를 이용하여 간섭 제거를 수행하는 방법에 대하여 설명할 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 수신 장치에서 복소 대역통과 표본화 기법에서 발생되는 I/Q 불균형 문제를 해결하기 위한 간섭 제거를 수행하는 과정을 도시한 흐름도이다. 이하 설명에서 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따라 두 통신 표준을 동시에 수신하여 복조하고자 하는 경우로서 힐버트 변환 과정에 따른 RF 신호의 파형을 도시한 도면이다.
상기 도 2를 참조하면, 상기 수신 장치는 먼저 201단계에서 RF 신호를 수신하여 대역 통과 처리한다. 여기에서, 상기 201단계에서 수신하는 하나의 RF 신호는 하기 <수학식 1>과 같이 정의할 수 있다.
여기에서, 상기 Sn(t)는 기저대역 신호를 나타내며, 상기 기저 대역 신호 Sn(t)는 Sn(t)real + jSn(t)image와 같이 실수부와 허수부로 구성되어 있다. 또한, 상기 fCn는 n 번째 신호의 반송파 주파수를 의미한다.
이후, 상기 수신 장치는 203단계로 진행하여 상기 대역 통과 처리한 신호에 대하여 힐버트 변환 과정을 수행한다. 즉, 상기 수신 장치는 상기 대역 통과 처리한 신호의 위상을 90' 변환시키는 것이나 상기와 같은 힐버트 변환 과정은 이상적인 위상 천이기의 구현이 힘들기 때문에 간섭이 발생할 수 있다. 상기와 같은 간섭을 하기 <수학식 2>를 이용하여 설명하면, 상기 수신 장치는 힐버트 변환 과정 수행시 와 같은 수학식 항목에 대한 간섭이 존재하게 된다.
여기에서, 상기 Φn은 fcn에서 아날로그 힐버트 변환기에 의해 I와 Q 채널 사이의 위상차이를 의미하며, 상기 εn은 진폭 차이를 나타낸다.
이후, 상기 수신 장치는 205단계에서 수행하는 대역통과 샘플링 과정을 행한다.
상기와 같이 RF 신호를 대역 통과 샘플링 변환하는 과정을 도 3을 이용하여 정리한다.
먼저, 상기 수신 장치에서 도 3(a)와 같은 파형을 가지는 대역통과 필터링된 두 대역의 RF 신호를 수신하였다고 가정하여 설명한다.
상기 도 3(a)와 같은 신호를 수신할 경우, 상기 수신 장치는 이상적인 힐버트 변환기를 이용하여 샘플링할 경우, 도 3(b)와 같이 음의 영역의 신호가 완전히 제거할 수 있다. 하지만 실제 아날로그 힐버트 변환기는 모든 주파수 대역에서 정확한 90' 위상 천이기 구현이 힘들기 때문에 도 3(c)와 같이 음의 주파수 영역에 일부 간섭이 존재하게 된다.
이에 따라 상기와 같은 간섭을 제거하기 위하여 본 발명에 따른 수신 장치에서는 상기 수신한 RF 신호를 대역통과 샘플링을 통해 음의 영역의 신호와 양의 영역의 신호로 분리한다. 이후, 상기 수신 장치는 상기 분리한 양의 영역의 신호와 음의 영역의 신호를 힐버트 변환기를 통해 90' 위상 천이시킴으로 힐버트 변환 과정을 수행한 후, 대역통과 샘플링을 수행한다.
이후, 상기와 같은 간섭을 제거하기 위한 수신 장치는 207단계로 진행하여 상기 샘플링한 신호와 힐버트 변환 과정을 수행한 신호를 합산한 후, 209단계로 진행하여 상기 207단계에서 합산한 신호에서 각 대역에 해당하는 신호를 분석하여 간섭을 확인한다. 즉, 상기 수신 장치는 샘플링한 양의 영역의 신호와 음의 영역의 신호 그리고, 90' 위상 천이된 양의 영역의 신호와 음의 영역의 신호를 합산한다.
또한, 상기와 같은 수신 장치는 상기와 같이 합산한 신호를 확인하여 각각의 대역에 해당하는 신호와 간섭을 구분할 수 있다.
이후, 상기 수신 장치는 211단계로 진행하여 상기 211단계에서 확인한 간섭을 제거한다.이후, 상기 수신 장치는 본 알고리즘을 종료한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 따른 수신 장치에서 복소 대역통과 표본화 기법에서 발생되는 I/Q 불균형 문제를 해결하기 위한 간섭을 제거하는 과정을 도시한 도면이다.
상기 도 4를 참조하면, 상기 수신 장치는 RF 신호를 수신할 경우, 두 개의 ADC(403, 405)로부터 각각 실수(real) 신호와 허수(imaginary) 신호를 얻을 수 있다. 즉, 상기 수신 장치는 실수(real) + j · 허수(imaginary) 형태의 신호와 실수(real) - j · 허수(imaginary) 형태의 신호를 얻을 수 있다.
이때, 상기 수신 장치는 힐버트 변환기의 특징에 의해 실수(real) + j · 허수(imaginary) 형태의 신호의 음의 주파수 영역의 신호를 제거하고, 실수(real) - j · 허수(imaginary) 형태의 신호의 양의 주파수 영역의 신호를 제거한다. 하지만, 상기 수신 장치는 힐버트 변환기의 불완전성에 의해 완벽한 간섭 제거를 수행하지 못함에 따라 "symmetric adaptive decorrelation" 알고리즘을 이용하여 간섭 제거를 수행한다. 여기에서, 상기 간섭은 제거하는데 사용하는 symmetric adaptive decorrelation 알고리즘의 설명은 이미 공지된 기술임으로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
즉, 상기 수신 장치는 430과 같이 음의 주파수 영역의 신호가 제거된 신호와 440과 같이 양의 주파수 영역의 신호가 제거된 신호를 획득한 후, 간섭 제거부(407)로 하여금 상기 신호에서 간섭을 확인하도록 처리할 수 있다. 이에 따라 상기 간섭 제거부(407)는 470과 같은 신호와 475와 같은 간섭을 확인하여 상기 475와 같은 간섭을 제거함으로써, 하나의 대역에 대한 간섭을 제거할 수 있다.
이에 따라 상기 수신 장치는 450과 같이 음의 주파수 영역의 신호가 제거된 신호와 460과 같이 양의 주파수 영역의 신호가 제거된 신호를 획득한 후, 간섭 제거부로 하여금 상기 신호에서 간섭을 확인하도록 처리할 수 있다. 이에 따라 상기 간섭 제거부(407)는 480과 같은 신호와 485와 같은 간섭을 확인하고, 상기 485와 같은 간섭을 제거함으로써, 나머지 다른 대역에 대한 간섭을 제거할 수 있다.
즉, 상기 수신 장치의 간섭 제거부(407)는 두 신호를 디지털 믹서를 사용하여 하향변환하고 저역 통과 필터링한 후, 간섭 제거를 수행하도록 처리한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 따라 n개의 신호를 동시에 수신하고자 하는 복소 대역통과 표본화 수신기에서 발생되는 I/Q 불균형 문제를 해결하기 위한 간섭 제거를 수행하는 수신 장치의 구성을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 수신 장치에서 복소 대역통과 표본화 기법에서 발생되는 I/Q 불균형 문제를 해결하기 위한 간섭 제거를 수행하는 과정을 도시한 흐름도,
도 3(a)는 대역통과 된 두 신호의 파형을 도시한 도면,
도 3(b)는 이상적인 힐버트 변환기를 통하여 만들어진 두 신호의 파형을 도시한 도면,
도 3(c)는 실제의 힐버트 변환기를 통하여 만들어진 두 신호의 파형을 도시한 도면 및,
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 두 신호를 동시에 수신하는 장치에서 복소 대역통과 표본화 기법에서 발생되는 I/Q 불균형 문제를 해결하기 위한 간섭을 제거하는 과정을 도시한 도면.
Claims (10)
- 이동통신 시스템에서 간섭을 제거하기 위한 수신 장치에 있어서,수신한 RF 신호를 대역 통과 처리하여 대역통과 샘플링하는 아날로그 디지털 컨버터와,상기 대역 통과 처리한 신호의 위상을 변경하는 위상 천이기와,상기 샘플링한 신호와 상기 위상을 변경한 신호를 합산하여 각 대역의 간섭과 수신하고자 하는 신호를 확인하고, 상기 확인한 간섭을 제거하는 간섭 제거부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 간섭 제거부는,상기 샘플링한 신호와 상기 위상을 변경한 신호를 합산한 신호의 형태가 실수(real) + j · 허수(imaginary) 형태일 경우, 음의 주파수 영역의 신호를 제거하고, 실수(real) - j · 허수(imaginary) 형태일 경우, 양의 주파수 영역의 신호를 제거하여 간섭을 확인하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 아날로그 디지털 컨버터는,대역통과 표본화(bandpass Sampling) 과정을 이용하여 상기 수신한 RF 신호를 대역 통과 처리하여 샘플링하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 위상 처리기는,힐버트 변환(Hilbert transformer) 과정을 이용하여 상기 대역 통과 처리한 신호의 위상을 변경하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
- 제 2항에 있어서,상기 간섭 제거부는,Symmetric Adaptive Decorrelation 알고리즘을 이용하여 상기 확인한 간섭을 제거하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
- 이동통신 시스템에서 간섭을 제거하기 위한 수신 방법에 있어서,수신한 RF 신호를 대역 통과 처리하여 샘플링하는 과정과,상기 대역 통과 처리한 신호의 위상을 변경하는 과정과,상기 샘플링한 신호와 상기 위상을 변경한 신호를 합산하여 각 대역의 간섭과 수신하고자 하는 신호를 확인하는 과정과,상기 확인한 간섭을 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 확인한 간섭을 제거하는 과정은,상기 샘플링한 신호와 상기 위상을 변경한 신호를 합산한 신호의 형태가 실수(real) + j · 허수(imaginary) 형태의 신호일 경우, 음의 주파수 영역의 신호를 제거하는 과정과,실수(real) - j · 허수(imaginary) 형태의 신호일 경우, 양의 주파수 영역의 신호를 제거하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 수신한 RF 신호를 대역 통과 처리하여 샘플링하는 과정은,대역통과 표본화(bandpass Sampling) 과정을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 대역 통과 처리한 신호의 위상을 변경하는 과정은,힐버트 변환(Hilbert transformer) 과정을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 확인한 간섭을 제거하는 과정은,Symmetric Adaptive Decorrelation 알고리즘을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
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