KR20160093768A - 필터 뱅크를 이용한 신호 수신 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직접변환 방식을 채용한 단파대 직접 변환 수신 장치에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 의 필터 뱅크에 관한 것이다. 원하는 대역을 필터링 할 때 HPF(High Pass Filter)와 LPF(Low Pass Filter)의 조합으로 이루어지던 것을 단파대 환경특성에 맞춰 BPF(Band Pass Filter)를 추가적으로 적용함으로써 수신 장치의 디지털부에서 출력되는 신호의 SNR을 증가시키는 효과가 있다.

Description

필터 뱅크를 이용한 신호 수신 장치 및 방법 {METHOD AND APPARATUS FOR RECEIVING SIGNAL USING RF FILTER BANK}

본 발명은 신호 수신 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 다단계 필터 뱅크를 이용한 단파 신호 수신 장치 및 방법에 관한 것이다.

수퍼헤테로다인수신 장치(super heterodyne receiver)는 통신 분야에서 사용되는 통상적인 형태의 수신 장치다. 최근 디지털 신호처리 기술과 고주파 집적 회로 기술의 발달로 인하여 주파수 변환 없이 수신된 고주파에서 직접 신호를 복조하는 직접 변환이 가능해졌다. 직접변환 수신 장치는 중간주파수(intermediate frequency, IF) 신호로 변환하는 단계를 가졌던 헤테로다인수신 장치에 비해 회로가 간단하다. 또한, 직접변환 수신 장치는 아날로그 단계에서 수행되던 주파수변환장치를 ADC(Analog-to-Digital Converter) 후의 디지털 단계에서 수행함으로써 국부발진기로 인해 발생하는 여러 문제점을 해결할 수 있다. 직접 변환 수신 장치의 경우 헤테로다인수신 장치의 중간주파수단계에서 사용되는 대역 통과 필터 (band pass filter, BPF)와 같은 필터를 구현하여야 한다. 그런데 직접 변환 수신 장치에서는 BPF를 저주파 대역에서 구현하는 것이 용이하지 않다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 필터 뱅크를 이용한 신호 수신 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 단파대에서 원하는 신호의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 향상시키기 위해 원하는 대역폭 외의 대역을 여러 단계의 필터뱅크로 제거하는 수신 장치 및 방법의 제공을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 단파대 신호를 수신하는 신호 수신 방법은, 신호 수신 장치의 설정주파수를 기초로 결정된 대역통과필터(band pass filter, BPF)로 상기 단파대 신호를 필터링 하는 단계, 상기 설정주파수가 고역 통과필터(high pass filter, HPF) 뱅크의 컷오프 주파수의 최소값보다 작은지 여부를 판단하는 단계, 상기 판단 결과, 상기 설정주파수가 상기 HPF뱅크의 컷오프 주파수의 최소값보다 작은 경우, 상기 설정주파수를 기초로 결정된 HPF로 상기 BPF로 필터링 된 신호를 필터링 하는 단계 및 상기 HPF로 필터링된 신호를 상기 설정주파수를 기초로 결정된 LPF로 필터링하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 단파대 환경특성에 맞춰 BPF(Band Pass Filter)를 추가적으로 적용함으로써 수신 장치의 디지털부에서 출력되는 신호의 SNR을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 다단계 필터 뱅크를 이용하여 수신 장치의 설정주파수에 맞는 필터의 설계가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 신호 수신 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 단파대의 환경 측정 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 수신 장치의 제1 필터부의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 수신 장치의 제2 필터부의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 수신 장치의 제3 필터부의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 수신 장치의 동작을 나타낸 순서도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서 필터 뱅크는 입력신호를 오리지날 신호의 단일 서브밴드로 구성된 복수의 신호들로 분리하는 필터의 집합이다. 또한, 본 명세서에서 후술하는 제1 필터부, 제2 필터부 및 제3 필터부는 단일 필터일 수 있으며, 각각의 고유한 통과대역을 갖는 복수의 필터를 구비한 필터 뱅크일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 신호 수신 장치의 구조를 나타낸 도면이다.

도 1에 따르면, 본 발명의 신호 수신 장치는 안테나부(110), 제1 필터부(120), 저잡음 증폭부(130), 제2 필터부(140), 제3 필터부(150), 증폭부(160) 및 아날로그-투-디지털 변환부(analog-to-digital converter, ADC) (170)를 포함할 수 있다.

안테나부(110)는 수신 장치가 수신할 신호를 수신한다. 본 발명이 적용될 수 있는 수신 장치에서 안테나의 종류는 특정 안테나 종류로 한정되지 않음을 명시한다.

안테나부(110)로 수신되는 신호 즉, 아날로그 데이터는 다단계 필터뱅크 중 제1 필터부 (120)로 입력된다. 다양한 실시 예에서 제1 필터부(120)는 대역통과필터(band pass filter, BPF)일 수 있다. 제1 필터부(120)는 수신 장치에 수신 주파수에 따라 신호를 그대로 통과시키는 바이패스(bypass)모드로 동작하거나, 복수의 BPF중 하나로 동작할 수 있다. 구체적으로 수신 장치에 설정된 수신 주파수가 단파대의 신호가 집중되어 있는 대역인 경우에는 수신된 신호는 복수의 BPF중 어느 하나를 통과하도록 동작할 수 있다. 반면에 수신 장치에 설정된 주파수가 단파대에 집중되어 있는 대역이 아닌 경우, 수신된 신호를 그대로 통과시키는 bypass모드로 동작할 수 있다. 제1 필터부(120)를 통과한 신호는 저잡음 증폭부(130)로 입력될 수 있다.,

저잡음 증폭부(130)는 제1 필터부(120)를 통과한 신호를 증폭시킬 수 있다. 저잡음 증폭부(130)에 의해 증폭된 신호는 제2 필터부(140)로 입력된다.

제2 필터부(140)는 저잡음 증폭부(130)의 출력을 입력받을 수 있다. 다양한 실시 예에서 제2 필터부(140)는 고역 통과 필터(high pass filter, HPF)일 수 있다. 제2 필터부(140)는 수신 장치에 설정된 주파수에 따라 bypass모드로 동작하거나, 복수의 HPF중 하나로 동작할 수 있다. 구체적으로 제2 필터부(140)는 수신 장치에 설정된 수신 주파수가 제2 필터부의 필터 뱅크에 구비된 HPF의 컷오프(cutoff) 주파수 중 가장 낮은 주파수보다 낮으면 bypass모드로 동작하고, 높으면 설정된 주파수에 따라 필터 뱅크의 대역에 맞춰 HPF로 동작할 수 있다. 제2 필터부(140)의 출력신호는 제3 필터부(150)에 입력될 수 있다.

제3 필터부(150)는 제2 필터부(140)의 출력신호를 입력받는다. 다양한 실시 예에서 제3 필터부(150)는 저역 통과 필터(low pass filter, LPF)일 수 있다. 제3 필터부(150)는 수신 장치에 설정된 주파수에 따라 복수의 LPF중 어느 하나로 동작할 수 있다.

상술한 제1 필터부(120), 제2 필터부(140) 및 제3 필터부(150)는 다양한 실시 예에서 각각 단일 필터일 수 있고, 복수의 필터로 구성된 필터 뱅크일 수 있다. 또한, 제1 필터부(120), 제2 필터부(140) 및 제3 필터부(150)가 각각 필터 뱅크인 경우 각 필터 뱅크에 포함된 필터의 수는 다양하게 선택될 수 있다.

도 2는 단파대의 환경 측정 스펙트럼을 나타낸 도면이다.

기존의 필터구조에서는 ADC(170)에의 입력 전에 HPF와 LPF의 조합을 이용하여 대역폭을 최소 1.4 Mhz까지 줄일 수 있다. 이 경우 신호의 에너지가 낮은 대역에서는 필터의 대역폭에 크게 영향을 받지 않을 수 있다. 그러나 에너지가 집중된 구간이 존재하는 경우에는 필터의 대역폭의 영향이 증가한다. 본 발명의 신호 수신 장치의 경우 원하는 대역을 필터링 할 때 HPF(High Pass Filter)와 LPF(Low Pass Filter)의 조합으로 이루어지던 것을 단파대 환경특성에 맞춰 BPF(Band Pass Filter)를 추가적으로 적용함으로써 수신 장치의 디지털부에서 출력되는 신호의 SNR을 증가할 수 있다. 또한, 다단계 필터 뱅크를 이용하여 ADC장치에 입력되는 신호의 대역폭을 최대한 좁게 할 수 있다.

본 발명에 따른 신호 수신 장치를 이용하여 도 2와 같이 에너지가 집중된 구간이 존재하는 실환경 측정결과의 경우 1.0 MHz 이하의 대역폭을 가지도록 본 발명에서는 BPF 뱅크를 구성하고 에너지가 낮은 구간에서는 HPF와 LPF의 조합으로 신호의 SNR을 향상시킬 수 있다.

이하에서는 도 3 내지 6을 통해 본 발명의 신호 수신 장치의 동작을 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 수신 장치의 제1 필터부의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3에 따르면, 제1 필터부(120)는 BPF뱅크(320)로 구성될 수 있다. 구체적으로 제1 필터부는 n개의 BPF로 구성된 BPF뱅크(320)를 포함할 수 있다. BPF뱅크(320)에 포함된 BPF의 수는 한정되지 않는다. 각각의 BPF는 고유의 통과 대역 주파수를 갖고 해당 주파수 대역 내의 신호만을 통과시킬 수 있다. 제1 필터부(120)는 bypass모드(310)로도 동작할 수 있다. 제1 필터부(120)의 동작은 신호 수신 장치에 설정된 수신할 신호의 설정주파수 대역에 따라 결정될 수 있다. 구체적으로 제1 필터부(120)는 신호 수신 장치에 설정된 설정주파수가 단파대에 집중되어 있는 경우 해당 단파대에 에너지가 집중된 신호를 원하는 대역폭의 신호로 필터링 하기 위해서 복수의 BPF중 어느 하나의 BPF로 동작할 수 있다. 신호 수신 장치는 설정 주파수가 단파대에 집중되어 있지 않은 경우 입력된 신호를 단파 대역을 갖는 BPF를 이용하여 필터링 할 필요가 없으므로, 그대로 통과시키는 bypass모드(310)로 동작할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 수신 장치의 제2 필터부의 구조를 나타낸 도면이다.

도 4에 따르면, 제2 필터부(140)는 HPF뱅크(420)로 구성될 수 있다. 구체적으로 제2 필터부(140)는 n개의 HPF로 구성된 HPF뱅크(420)를 포함할 수 있다. HPF뱅크(420)에 포함된 HPF의 수는 한정되지 않는다. 각각의 HPF는 고유의 컷오프 주파수를 갖고 해당 주파수 이상의 주파수 신호를 통과시킬 수 있다. 제2 필터부(140)는 bypass모드(410)로도 동작할 수 있다. 제2 필터부(140)의 동작은 신호 수신 장치에 설정된 수신할 신호의 설정주파수 대역에 따라 결정될 수 있다. 구체적으로 제2 필터부(140)는 신호 수신 장치에 설정된 설정주파수가 HPF 뱅크에 포함된 HPF들의 컷오프 주파수 중 가장 낮은 주파수보다 낮은 경우 HPF로 필터링을 수행할 수 없으므로, bypass모드(410)로 동작할 수 있다. 제2 필터부(140)는 신호 수신 장치에 설정된 설정주파수가 HPF 뱅크에 포함된 HPF들의 컷오프 주파수 중 가장 낮은 주파수보다 높은 경우에는 설정 주파수를 기초로 결정된 HPF를 이용하여 입력된 신호를 필터링 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 수신 장치의 제3 필터부의 구조를 나타낸 도면이다.

도 5에 따르면, 제3 필터부(150)는 LPF뱅크(510)로 구성될 수 있다. 제3 필터부(150)는 n개의 LPF로 구성된 LPF뱅크(510)를 포함할 수 있다. LPF뱅크(510)에 포함된 LPF의 수는 한정되지 않는다. 각각의 LPF는 고유의 컷오프 주파수를 갖고 해당 주파수 이하의 주파수 신호만을 통과시킨다. 제3 필터부(150) 는 bypass모드를 구비할 필요가 없으므로 LPF뱅크(510)만을 구비할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 필요에 따라 bypass모드로 동작할 수도 있다. 제3 필터부(150)는 신호 수신 장치에 설정주파수를 기초로 결정된 LPF로 입력된 신호를 필터링 할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 수신 장치의 동작을 나타낸 순서도이다.

이하에서는 신호 수신 장치의 동작을 설명함에 있어, 예로서 BPF뱅크는 n=8로 하고, HPF뱅크는 n=5, LPF뱅크는 n=6으로 하여 설명하나 이는 설명의 편의를 위한 일 실시 예일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다.

결정된 BPF뱅크, HPF뱅크 및 LPF뱅크의 구성을 나타낸 것은 다음의 [표 1]과 같다.

[표 1]에 따르면 BPF뱅크는 1.0 MHz ~ 8.0 MHz에 이르기까지 각각의 통과대역을 갖는 복수의 BPF로 구성되고, HPF뱅크는 400 kHz ~ 16.0 MHz에 이르기까지 각 HPF별로 컷오프 주파수를 갖는 복수의 HPF로 구성된다. 또한, LPF뱅크는 400 kHz ~ 32.0 MHz에 이르기까지 각 LPF별로 컷오프 주파수를 갖는 복수의 LPF로 구성된다.

먼저, 신호 수신 장치의 설정주파수가 4.1MHz 로 세팅된 경우를 예로 들어 신호 처리 장치의 동작을 설명한다. 안테나를 통해서 수신된 신호는 제1 필터부로 입력될 수 있다.

도 6에 따르면, 신호 수신 장치는 미리 설정된 설정주파수를 기초로 결정된 BPF로 수신한 신호를 필터링 할 수 있다(601). 구체적으로 설정주파수인 4.1MHz를 통과시키기 위해서 두 번째 필터(중심주파수: 4.0 MHz, Pass-band: 3.0 ~ 5.0 MHz)를 이용하여 필터링 할 수 있다. 필터링된 신호는 LNA를 거쳐 제2 필터부로 입력될 수 있다.

신호 수신 장치는 603단계에서, 설정주파수가 HPF의 컷오프 주파수중 가장 낮은 주파수보다 낮은지 여부를 판단할 수 있다. 판단결과, 설정주파수가 HPF의 컷오프 주파수 중 가장 낮은 주파수보다 낮은 경우 입력된 신호를 HPF호 필터링 하지 않고 bypass할 수 있다. 또는 판단결과, 설정주파수가 HPF의 컷오프 주파수 중 가장 낮은 주파수보다 낮은 경우 설정주파수에 따라 결정된 HPF로 입력된 신호를 필터링 할 수 있다(605). 구체적으로 신호 수신 장치는 설정주파수인 4.1MHz를 통과시키기 위해서 두 번째 HPF(컷오프주파수: 2.1MHz)를 이용하여 필터링 할 수 있다. HPF를 거친 신호는 제3 필터부 즉 LPF로 입력될 수 있다.

신호 처리 장치는 607단계에서, 설정주파수에 따라 결정된 LPF로 신호를 필터링 할 수 있다. 즉, 설정주파수인 4.1MHz를 통과시키기 위해서 세 번째 LPF(컷오프주파수: 5.5MHz)를 이용하여 신호를 필터링 할 수 있다.

본 발명에 따르면, BPF를 이용하여 단파대 신호를 정확하게 필터링 할 수 있게 됨으로써 ADC를 거친 신호의 SNR이 높아지는 효과를 볼 수 있다.

다른 예를 들어 본 발명에 따른 신호 처리 장치의 동작을 설명한다.

신호 수신 장치는 미리 설정된 설정 주파수를 기초로 결정된 BPF로 수신한 신호를 필터링 할 수 있다(601). 만일 신호 수신 장치의 설정주파수가 12.0 MHz인 경우, 신호 수신 장치는 BPF뱅크에 설정주파수 신호를 통과시킬 수 있는 필터가 없으므로, 신호를 bypass할 수 있다. Bypass된 신호는 LNA를 거쳐 제2 필터부로 입력될 수 있다.

신호 수신 장치는 설정주파수가 HPF의 컷오프 주파수중 가장 낮은 주파수보다 낮은지 여부를 판단할 수 있다(603). 판단결과, 설정주파수가 HPF의 컷오프 주파수 중 가장 낮은 주파수보다 낮지 않으므로, 설정주파수인 12.0 MHz를 필터링 하기 위해서 다섯 번째 HPF(컷오프 주파수 9.0MHz)를 이용하여 필터링 할 수 있다(605). HPF를 거친 신호는 제3 필터부 즉 LPF로 입력될 수 있다.

신호 처리 장치는 설정주파수에 따라 결정된 LPF로 신호를 필터링 할 수 있다(607). 즉, 설정주파수인 12.0MHz를 통과시키기 위해서 다섯 번째 LPF(컷오프주파수: 16.0MHz)를 이용하여 신호를 필터링 할 수 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 에너지가 집중된 구간은 다단계 필터뱅크를 거쳐 ADC 입력 전까지 대역폭을 최소화하고 나머지 구간은 HPF와 LPF 조합으로 필터링을 할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 실시 예들에서, 모든 단계는 선택적으로 수행의 대상이 되거나 생략의 대상이 될 수 있다. 또한, 각 실시 예에서 단계들은 반드시 순서대로 일어날 필요는 없으며, 뒤바뀔 수 있다. 한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 명세서의 실시 예들은 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 명세서의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

110: 안테나부
120: 제1 필터부
130: 저잡음 증폭부
140: 제2 필터부
150: 제3 필터부
160: 증폭부
170: 아날로드-투-디지털 변환부

Claims (1)

1. 단파대 신호를 수신하는 신호 수신 방법에 있어서,
   신호 수신 장치의 설정주파수를 기초로 결정된 대역통과필터(band pass filter, BPF)로 상기 단파대 신호를 필터링 하는 단계;
   상기 설정주파수가 고역 통과필터(high pass filter, HPF) 뱅크의 컷오프 주파수의 최소값보다 작은지 여부를 판단하는 단계;
   상기 판단 결과, 상기 설정주파수가 상기 HPF뱅크의 컷오프 주파수의 최소값보다 작은 경우, 상기 설정주파수를 기초로 결정된 HPF로 상기 BPF로 필터링 된 신호를 필터링 하는 단계; 및
   상기 HPF로 필터링된 신호를 상기 설정주파수를 기초로 결정된 LPF로 필터링하는 단계;를 포함하는 신호 수신 방법.

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