KR20180110341A - 다채널 빔 형성 시스템 송수신 보정 방법 및 장치 - Google Patents

다채널 빔 형성 시스템 송수신 보정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

다채널 빔 형성 시스템은 여러 개의 안테나와 각각의 안테나에 연결된 여러 개의 RF 장치로 구성되어 있다. 이 여러 개의 안테나 및 RF 장치의 위상과 진폭의 크기를 조절함으로써 원하는 방향으로 빔(BEAM)을 형성하거나 원하는 방향으로 널(NULL)을 형성할 수 있다.
원하는 방사패턴을 얻을 수 있는 다채널 장치의 위상과 이득을 방사패턴이 주어지면 이론적으로 계산해 낼 수 있지만, 이렇게 계산된 위상과 진폭을 실제로 다채널 빔 형성 시스템에 적용하더라도 실제로 측정되어지는 방사패턴은 원래 원했던 방사패턴과 적지 않게 다를 수 있다.
이러한 원인 중에서 가장 큰 원인은 다채널 송신부와 수신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset), 안테나 사이의 부정합 등이며, 송신부와 수신부가 독립적이므로 따로 따로 추정하여 보정하여야 한다.
본 발명에서는 송신부와 수신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)을 독립적으로 분리하여 추정하기 위하여 보정 값 추정을 위한 단계에서 특정 주파수의 톤 신호를 송신부와 수신부의 반송파 주파수(Carrier Frequency)를 달리하여 송수신하는 방법 및 장치를 제안한다.

Description

다채널 빔 형성 시스템 송수신 보정 방법 및 장치 {TRANSCEIVER CALIBRATION METHOD AND APPARATUS FOR MULTI-CHANNEL BEAMFORMING SYSTEMS}
본 발명은 다채널 빔 형성(Beamforming) 시스템에서 정확한 송신부 및 수신부의 빔 형성을 위하여 송신부와 수신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)을 추정하고 보상하여 보정하는 방법 및 장치와 관련된 기술분야에 대한 것이다.
다채널 빔 형성 시스템은 여러 개의 안테나와 각각의 안테나에 연결된 여러 개의 RF 장치로 구성되어 있다. 이 여러 개의 안테나 및 RF 장치의 위상과 진폭의 크기를 조절함으로써 원하는 방향으로 빔(BEAM)을 형성하거나 원하는 방향으로 널(NULL)을 형성할 수 있다. 즉, 원하는 방사패턴을 각 안테나와 RF 장치의 위상과 진폭을 조정하여 얻을 수 있다. 이러한 여러 개의 안테나와 RF 장치를 다채널 빔 형성 장치라고 부른다.
원하는 방사패턴을 얻을 수 있는 다채널 장치의 위상과 이득을 방사패턴이 주어지면 이론적으로 계산해 낼 수 있다. 하지만, 이렇게 계산된 위상과 진폭을 실제로 다채널 빔 형성 시스템에 적용하더라도 실제로 측정되어지는 방사패턴은 원래 원했던 방사패턴과 적지 않게 다를 수 있다.
이러한 원인 중에서 가장 큰 원인은 다채널 송신부와 수신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset), 안테나 사이의 부정합 등이다. 따라서, 송신부와 수신부의 IQ 부정합을 보정하고 국부발진기(Local Oscillator) 누설을 최소로 억제하며 DC 옵셋(Offset)을 제거하려는 기술에 대한 연구가 꾸준히 진행되어 왔다.
송신부와 수신부의 경우 서로 독립적인 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)을 갖게 되므로 송신부와 수신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)을 따로 따로 추정하여 보정하여야 한다.
중간주파수를 사용하는 RF 시스템의 구조에서는 IQ가 서로 구분되지 않고 하나의 신호로 수신되므로 IQ 부정합 문제가 존재하지 않으며, DC 옵셋의 경우에도 중간주파수에 원하는 신호가 위치하게 되므로 어렵지 않게 제거가 가능하다.
하지만, 직접변환(Direct Conversion) RF 시스템의 경우엔 IQ가 서로 구분되어 동작하고 원하는 신호가 DC 주파수 근처에 존재하게 되어 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)의 추정 및 보정이 쉽지 않다.
다채널 빔 형성 시스템에서 원하는 방사패턴을 얻기 위하여는 가장 우선적으로 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)의 추정 및 보정이 이루어져야 한다. 특히, 직접변환 RF 시스템 구조를 사용하는 다채널 빔 형성 시스템에서는 IQ가 서로 구분되어 동작하고 원하는 신호가 DC 주파수 근처에 존재하게 되어 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)의 추정 및 보정이 빔 형성에 있어 가장 중요한 근원적인 문제가 된다.
뿐만 아니라, 송신부와 수신부의 경우 서로 독립적인 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)을 갖게 되므로 송신부와 수신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)을 따로 따로 추정하여 보정할 수 있는 방법 및 장치가 요구된다.
본 발명에서는 직접변환 RF 시스템 구조에 기반한 다채널 빔 형성 시스템에 있어서 송신부와 수신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)을 독립적으로 분리하여 추정 및 보정할 수 있는 방법과 장치를 제안한다.
본 발명에서는 송신부와 수신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)을 독립적으로 분리하여 추정하기 위하여 보정 값 추정을 위한 단계에서 특정 주파수의 톤 신호를 송신부와 수신부의 반송파 주파수(Carrier Frequency)를 달리하여 송수신하는 방법 및 장치를 제안한다.
기존의 보정 방법 및 장치는 특정 주파수 톤 신호를 송신부에서 송신하고 이를 수신부에서 송신부에서 사용된 반송파 주파수와 동일한 반송파 주파수로 수신한 후 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)을 추정하였다. 그러나 이 방법의 경우, 송신부와 수신부가 동일한 반송파 주파수를 사용함으로 인하여 송신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)으로 인하여 발생한 신호가 수신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)으로 인하여 발생된 신호와 중첩되어 수신되어 구분이 어려운 문제가 존재한다. 이로 인하여 송수신 전체의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)을 보정하여 사용하였다.
기존의 또 다른 보정 방법으로는 송신부의 신호를 동일한 장치에서 커플링(Coupling)하여 해당 장치에서 다시 수신한 후, 송신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)을 먼저 추정 및 보정한 후, 위에서 언급한 기존 방법을 사용하여 수신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)을 보정하는 방법이 있다. 하지만 이 방법의 경우 커플링(Coupling)을 위하여 송신부 장치에 사용되는 추가적인 수신부의 자체 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset) 특성에 의하여 보정 결과가 영향을 받게 되는 한계가 있다.
본 발명에서는 송신부와 수신부의 반송파 주파수를 다르게 사용하여 보정을 위한 기준 신호로 사용하는 특정 주파수 톤 신호를 송수신하는 방법과 장치를 제안한다. 본 발명에서 제안하는 방법 및 장치는 송신부와 수신부의 반송파 주파수를 충분히 차이 나는 서로 다른 주파수를 사용함으로써, 송신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)로 인하여 변형된 특정 주파수 톤 신호와 수신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)로 인하여 변형된 특정 주파수 톤 신호가 구분되어 수신되도록 한다.
송신부와 수신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)로 인하여 변형된 특정 주파수 톤 신호가 서로 구분되어 수신되었으므로 이를 이용하여 송신부와 수신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset)를 독립적으로 추정 및 보정할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 송신부와 수신부의 IQ 부정합, 국부발진기(Local Oscillator) 누설, DC 옵셋(Offset) 추정 및 보정 방법과 장치를 사용함으로써, 원하는 방사패턴과 정확히 일치하는 방사패턴을 생성하는 직접변환 RF 장치에 기반한 다채널 빔 형성 시스템의 구현이 가능해진다. 따라서, 고정밀도가 요구되는 고성능 다채널 레이다 시스템 및 다중 안테나 기반 무선통신 시스템을 저가의 직접변환 RFIC를 사용하여 저전력, 저비용, 경량화, 소형화 제작이 가능하다.
도 1은 본 발명에서 제안하는 다채널 빔 형성 시스템 송수신 보정 장치의 구조를 나타낸 도면
도 2는 송신부에서 특정 주파수의 톤 신호를 보낼 경우, 송신부와 수신부의 반송파 LO 주파수를 동일하게 사용할 경우 수신되는 왜곡 신호의 주파수 특성을 나타낸 도면
도 3은 송신부에서 특정 주파수의 톤 신호를 보낼 경우, 송신부와 수신부의 반송파 LO 주파수를 서로 상이하게 사용할 경우 수신되는 왜곡 신호의 주파수 특성을 나타낸 도면
본 발명에서 제안하는 다채널 빔 형성 시스템 송수신 보정 장치는 도1에 도시한 바와 같이 송신부의 경우 DDS(Digital Direct Synthesizer), IQ 부정합 보정장치, DC 옵셋 보정장치, IQ DAC(Digital to Analog Converter), 직접변환 RF 상향변환기 (Digital Up-Converter)로 구성되어 있으며, 수신부의 경우 직접변환 RF 하향변환기 (Digital Down-Converter), IQ ADC(Analog to Digital Converter), DC 옵셋 보정장치, IQ 로 부정합 보정장치로 구성되어 있다.
본 발명에서 제안하는 다채널 빔 형성 시스템 송수신 보정 장치는 기존의 방법에서 요구되던 외부 신호생성기를 필요로 하지 않는다. 송신부 DDS만을 사용하여 다채널 빔 형성 시스템 송수신 보정을 모두 수행할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 다채널 빔 형성 시스템 송수신 보정 장치를 이용하여 보정하는 방법을 단계별로 설명하면 다음과 같다.
1단계로 송신부의 DDS를 통하여 특정 주파수의 톤 신호를 생성한 후 IQ 부정합 보정장치, DC 옵셋 보정장치, IQ DAC, 직접변환 RF 상향변환기를 통하여 해당 톤 신호를 반송파에 실어 전송한다. 이 단계에서는 아직 송신부의 IQ부정합이나 LO 손실 및 DC 옵셋이 추정되지 않은 상태이므로 IQ 부정합 보정장치, DC 옵셋 보정장치는 별도의 보정 없이 그냥 통과시킨다.
2단계에서는 1단계에서 송신한 특정 주파수의 톤 신호를 도 1에 도시한 바와 같이 송신부의 반송파의 다른 주파수를 갖는 반송파를 사용하여 직접하향변환한 후 IQ ADC, DC 옵셋 보정장치, IQ 로 부정합 보정장치를 거친 신호를 수신하여 저장한다. 즉, 송신부에서 사용한 LO의 주파수와 다른 주파수를 갖는 LO를 수신부에서는 사용한다. 이 때 적합한 수신부 LO의 주파수는 송신부 LO주파수와 송신부 DDS에서 생성한 톤 신호의 주파수를 더한 주파수보다 커야한다. 수신부의 경우에도 송신부와 마찬가지로 아직 보정 파라미터들의 값을 추정하지 않은 상태이므로 이 단계에서는 IQ 부정합 보정장치, DC 옵셋 보정장치는 별도의 보정없이 그냥 통과시킨다
이 조건을 만족할 경우 도3과 같은 7개의 톤 신호가 나타나는 주파수 특성을 보이는 신호를 수신한다. 송신부와 수신부의 LO 주파수를 동일하게 사용하는 경우에는 도2에서 보는 바와 같이 단 3개의 톤 신호만 나타나게 된다.
3단계에서는 수신부 보정 파라미터 값 추정을 수행한다. 도 3에서 301 톤 신호가 송신부에서 DDS로 생성하여 보낸 원래 신호이며, 303 톤 신호는 송신부 IQ 부정합으로 인하여 발생한 301 톤 신호의 이미지 신호이다. 302 톤 신호는 송신부 LO 주파수의 톤 신호로써 송신부의 LO 손실과 DC 옵셋으로 인하여 발생한 톤 신호이다. 마찬가지로 도3에서 305, 306, 307 톤 신호는 수신부의 IQ 부정합으로 인하여 각각 송신부의 301, 302, 303 톤 신호에 대한 이미지 신호이다. 304 톤 신호는 수신부의 LO 손실과 DC 옵셋으로 인하여 발생한 톤 신호이다. 따라서, 301 톤 신호와 305 톤 신호를 이용하여 수신부 IQ 부정합 값을 추정하며, 304 톤 신호를 이용한 수신부의 LO 손실과 DC 옵셋 값을 추정한다.
4단계에서는 송신부의 보정 파라미터 값 추정을 수행한다. 3단계에서 이미 설명하였듯이, 도 3에서 301 톤 신호가 송신부에서 DDS로 생성하여 보낸 원래 신호이고, 303 톤 신호는 송신부 IQ 부정합으로 인하여 발생한 301 톤 신호의 이미지 신호이며, 302 톤 신호는 송신부 LO 주파수의 톤 신호로써 송신부의 LO 손실과 DC 옵셋으로 인하여 발생한 톤 신호이다. 따라서, 301 톤 신호와 303 톤 신호를 이용하여 송신부의 IQ 부정합 값을 추정하고, 302 톤 신호를 이용하여 송신부 LO 손실과 DC 옵셋 값을 추정한다.
5단계에서는 3단계와 4단계에서 얻어진 송신부 및 수신부 보정 파라미터 값을 송신부와 수신부의 IQ 부정합 보정장치, DC 옵셋 보정장치에 적용한다.
도 2에서 보듯이 송신부와 수신부의 반송파 LO 주파수를 서로 상이하게 설정하지 않으면 송신부의 IQ 부정합, LO 손실 및 DC 옵셋으로 인한 왜곡 현상과 수신부의 IQ 부정합, LO 손실 및 DC 옵셋으로 인한 현상을 구분할 수 없으므로 독립적인 외부 신호 생성기를 이용하여 수신부를 먼저 보정한 후 송신부를 다시 한 번 보정하는 복잡한 단계를 거쳐야 한다.

Claims (3)

  1. 디지털적으로 특정 패턴을 갖는 신호를 생성하는 단계와, 생성된 신호를 아날로그로 변환하는 단계와, 아날로그로 변환된 신호를 특정 주파수를 갖는 반송파를 사용하여 직접상향변화하는 단계로 구성된 송신부와 송신부에서 전송한 특정 패턴을 갖는 신호를 송신부 반송파 주파수와 다른 주파수를 갖는 반송파를 사용하여 직접하향변화는 단계와, 직접하향변환된 신호를 디지털로 변환하는 단계와, 디지털로 변환 신호를 저장하는 단계로 구성된 수신부를 갖는 송수신기 IQ 부정합, LO 손실 및 DC 옵셋 보정 장치 또는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서 특정 패턴을 갖는 신호 대신 디지털적으로 특정 주파수를 갖는 톤 신호를 생성하는 단계를 갖는 송수신기 IQ 부정합, LO 손실 및 DC 옵셋 보정 장치 또는 방법.
  3. 송신부에서 특정 주파수를 갖는 톤 신호를 송신하는 단계와, 수신된 신호에서 독립적으로 구분되는 7개의 톤 신호를 추출하는 단계와, 7개의 추출된 톤 중에서 DC 톤을 이용하여 수신부의 LO 손실 및 DC 옵셋을 추정하는 단계와, 7개의 추출된 톤 신호 중 DC 톤을 중심으로 서로 대칭적인 주파수를 갖는 톤을 이용한 수신부 IQ 부정합을 추정하는 단계와, DC 옵셋을 중심으로 한 쪽의 톤 3개 중 중심 톤 신호를 이용하여 송신부 LO 손실 및 DC 옵셋을 추정하는 단계와, DC 옵셋을 중심으로 한 쪽의 톤 3개 중 중심 톤 신호를 중심으로 대칭으로 존재하는 두 톤 신호를 이용하여 송신부 IQ 부정합을 추정하는 단계로 구성된 송수신기 IQ 부정합, LO 손실 및 DC 옵셋 보정 장치 또는 방법.
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