KR20200130626A - 정현직교 파형과 바이너리 cdma의 융합에 의해 직교도를 높인 변조신호 생성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디지털 데이터나 멀티미디어 신호를 무선으로 보내기 위한 변조 방식에 관한 것으로 전송되는 디지털 신호의 심볼을 구분하기 위하여 사용하는 직교 변조 방식에 관한 것이다.
변조신호의 직교도를 높이기 위하여 이미 특허 등록된 정현직교파형 변조(1019850007600(1985.10.16)방식과 코드 선택 바이너리 CDMA (1020110019912(2011.03.07) 방식을 융합하여 주변 잡음에 강한 새로운 변조 신호를 만들어 내는 방식이다.
발명의 배경이 되는 기술로는 SOW(Sinusoidal Orthogonal Waveform)기술과 CS/CDMA(Code Select / Code Division Multiple Access) 기술이 있다.
본 발명은 파형의 직교성을 갖는 SOW 기술과 코드의 직교성을 갖는 CS/CDMA 기술을 융합하여 보다 직교성이 향상된 새로운 변조 방식을 만들어 내는 것을 목표로 한다.
두가지 기술을 융합할 때 발생하는 문제는 각각의 직교성이 융합했을 때도 무너지지 않아야 한다는 것이고 그러한 직교 특성을 갖는 코드를 찾아내는 것이다.
본 과제의 해결 수단은 SOW 기술과 CS/CDMA 기술을 융합하여 동시에 구현하는 방법을 찾는 것과 두 기술을 융합하여 만든 새로운 기술이 SOW의 파형 직교성과 CS/CDMA 코드 직교성을 어떻게 다 구현하여 향상된 직교성을 얻어내는가 하는 방법이다.
종래의 SOW 기술과 CS/CDMA 기술은 별개로 존재하여 상호간에 시너지 효과를 내지 못하였다. 그러나 두 기술이 융합하면 직교도가 두 기술의 곱으로 나타나게 되어 급격히 직교도가 향상된다. 예를 들어 SOW 의 직교도 값이 75(도 2 참조)이고 CS/CDMA 직교도 값이 16(도 7 참조)이라면 두 기술을 융합한 새로운 기술의 직교도는 300(도 9 참조)이 된다.
직교도가 향상되면 주변 잡음에 강해지고 사용자 간의 간섭이 강해지게 되므로 전송 품질이 증가하고 사용자 수가 증가하게 된다. 전송품질이 증가하게 되면 당연히 에러에 의한 재전송이 줄어들게 되므로 전송 지연이 감소되어 실시간 멀티미디어 신호를 무선으로 보내는 것에 유리하다.

Description

정현직교 파형과 바이너리 CDMA의 융합에 의해 직교도를 높인 변조신호 생성 방법 {A Modulated Signal Generation Method with High Orthogonality by Fusion of Sinusoidal Orthogonal Waveform and Binary CDMA}

본 발명은 디지털 데이터나 멀티미디어 신호를 무선으로 보내기 위한 변조 방식에 관한 것으로 전송되는 디지털 신호의 심볼을 구분하기 위하여 사용하는 직교 변조 방식에 관한 것이다.

변조신호의 직교도를 높이기 위하여 이미 특허 등록된 정현직교파형 변조(1019850007600(1985.10.16)(특허문헌1)방식과 코드 선택 바이너리 CDMA (1020110019912(2011.03.07)(특허문헌2) 방식을 융합하여 주변 잡음에 강한 새로운 변조 신호를 만들어 내는 방식이다.

발명의 배경이 되는 기술로는 SOW(Sinusoidal Orthogonal Waveform)기술과 CS/CDMA(Code Select / Code Division Multiple Access) 기술이 있다.

SOW 기술은 도 3과 같이 차수가 다른 정현파형 간에는 직교성이 유지된다는 것을 이용하는 변조 방식이다. 기존의 OFDM(Orthogonal Frequency Division Modulation)방식과 다른 점은 부호가 서로 반대인 직교 정현파형을 이용하여 데이터 심볼 변경 부분에서 변조된 신호의 불연속된 끊어진 연결점이 없게 하여 대역폭을 줄이는 것과 인접 대역에 영향을 미치는 스퓨리어스를 줄인다는 것을 특징으로 한다.

CS/CDMA 기술은 도 5와 같이 코도의 직교성을 이용한 변조 방식이다. 기존의 CDMA 방식과의 차이점은, 기존의 CDMA 변조 신호는 멀티 채널의 영향으로 레벨이 멀티레벨로 나타나는 것에 비하여 바이너리 CDMA 변조 신호는 항상 바이너리 레벨이 되어 외형상 TDMA(Time Division Multiple Qccess)와 동일하므로 시스템 구조가 단순해지고 송수신기 제작 비용이 낮아지며 외부 채널 영향에 강한 특징을 갖고 있다.

본 발명은 파형의 직교성을 갖는 SOW 기술과 코드의 직교성을 갖는 바이너리 CDMA 기술을 융합하여 보다 직교성이 향상된 새로운 변조 방식을 만들어 내는 것을 목표로 한다.

KR 1019850007600 H0 KR 1020110019912 H0 US 9032268 B1

Seung-Moon Ryu, Eun-Jong Kwon," A simple method for MSK Modulation and Demodulation," Proc. of IEEE, Vol 73, pp.1690-1691 Nov. 1984 S.P. Kim, M.J. Kim, H.S. Ahn, and S.M. Ryu, "A Constant Amplitude Coding for CS-CDMA System", JCCI 2002 VI-A.2 April 2002

종래 기술에서는 고속으로 파형을 합성해내는 방법이 없어 30년 전에 개발된 우수한 SOW 기술(특허문헌1, 비특허문헌1)을 적용한 상품 개발이 이루어지지 않았다. 그러나 요즈음 프로세서와 디지털 회로의 성능 발달로 고속의 라디오 신호도 소프트웨어적으로 합성해 내는 SDR(Software Defined Tadio) 기술의 발전으로 SOW 파형을 만들어 내는 것이 가능해졌다. 또한 무선 전송방식에서 음파를 이용하는 방식에서는 신호의 속도가 느리므로 일반적인 프로세서를 이용하여 스마트 폰의 앱 프로그램으로도 충분히 개발이 가능아므로 상품성이 보이기 시작하였다.

또한 CS/CDMA 기술은 바이너리 CDMA 라는 이름으로 여러 차례 칩이 만들어져서 상품화에 성공하였으나 지속적인 칩 개발비를 감당하지 못해 시장에서 힘을 잃고 말았다. 그러나 복잡하고 고비용의 칩이 필요하지 않는 응용분야에서는 SOW 기술과 마찬가지로 순수하게 소프트웨어 만으로도 개발이 가능하게 되어 본 발명에서 SOW 기술과 CS/CDMA 기술을 융합한 새로운 기술을 만들려고 한다.

두가지 기술을 융합할 때 발생하는 문제는 각각의 직교성이 융합했을 때도 무너지지 않아야 한다는 것이고 그러한 직교 특성을 갖는 코드를 찾아내는 것이다.

본 과제의 해결 수단은 SOW 기술과 CS/CDMA 기술을 융합하여 동시에 구현하는 방법을 찾는 것과 두 기술을 융합하여 만든 새로운 기술이 SOW의 파형 직교성과 CS/CDMA 코드 직교성을 어떻게 다 구현하여 향상된 직교성을 얻어내는가 하는 방법이다.

첫번째 해결 수단은 SOW에서 필요한 파형은 미리 부호가 다른 두 가지 파형으로 만들어 어레이 형식으로 저장한 후에, 저장된 파형을 CS/CDMA 방식으로 만들어진 최종 바이너리 신호에 적용하여 변조된 신호 파형이 끊어지지 않고 매끄럽게 만드는 방법으로 해결할 수 있다.

두 번째 해결 수단은 직교 코드에 SOW 파형을 적용한 결과가 항상 직교성을 유지할 수 있는 우수한 특성의 직교코드를 찾는 방법으로 해결할 수 있다.

본 발명의 예에서는 본 발명자가 미국에서 특허를 받은 코드 발생 방법(US Patent 9032268 (May 12, 2015) Method for error correction in a multicast network)(특허문헌 3)으로 이 문제를 해결하였다.

종래의 SOW 기술과 CS/CDMA 기술은 별개로 존재하여 상호간에 시너지 효과를 내지 못하였다. 그러나 두 기술이 융합하면 직교도가 두 기술의 곱으로 나타나게 되어 급격히 직교도가 향상된다. 예를 들어 SOW 의 직교도 값이 75(도 2 참조)이고 CS/CDMA 직교도 값이 16(도 7 참조)이라면 두 기술을 융합한 새로운 기술의 직교도는 300 = 75 x 16 (도 9 참조)이 된다.

직교도가 향상되면 주변 잡음에 강해지고 사용자 간의 간섭이 강해지게 되므로 전송 품질이 증가하고 사용자 수가 증가하게 된다. 전송품질이 증가하게 되면 당연히 에러에 의한 재전송이 줄어들게 되므로 전송 지연이 감소되어 실시간 멀티미디어 신호를 무선으로 보내는 것에 유리하다.

최종적인 발명의 수치적인 효과는 각각의 직교성을 곱한 값으로 나타나게 되므로 SOW 파형을 만들기 위한 Sampling Rate 와 CS/CDMA에 사용하는 직교 코드의 길이에 따라 달라진다. 구체적인 예를 들면 SOW 파형의 샘플 수가 300 이고 CS/CDMA 에 사용되는 직교코드 길이가 256이라면 SOW의 직교 값은 150이 되고 CS/CDMA 의 직교도가 256이 되고, 본 발명의 새로운 기술의 직교도는 150 x 256 = 38,400이 된다.

도1은 정현직교 파형의 차수에 따른 파형 모습이다.
도2는 정현직교 파형간의 직교특성도이다.
도3은 정현직교파형을 이용하여 만들어진 변조신호의 예이다.
도4는 정현직교파형과 OFDM 파형의 스펙트럼 비교 그림이다.
도5는 코드선택 CDMA 변조시스템 구조도이다.
도6는 코드선택 CDMA 시스템에서 사용하는 직교코드의 예이다.
도7은 직교코드간의 직교도를 나타내는 표이다.
도8은 직교코드에 정현직교파형을 입힌 변조신호이다.
도9는 직교정현파형과 직교코드가 융합된 신호간의 직교도를 나타내는 표이다.
도10은 직교정현파형 기술과 코드 선택 CDMA 기술을 융합한 시스템 도이다.

본 발명은 기존에 이미 특허 등록이 되어 있는 SOW 기술과 Binary CDMA 기술을 용합한 기술이므로 별도의 복잡한 구현 기술이 필요하지 않고 두 기술의 융합 과정에서 파생되는 특이점만 해결하면 쉽게 상품개발이 가능하다. 특히 소프트웨어 만으로도 구현이 가능한 응용 분야에서는 두 기술의 직교도를 선형적으로 곱한 매우 강력한 직교 특성을 발휘하여 높은 상품성을 제공할 수 있다.

그러므로 본 발명의 설명은 기존 특허 내용을 보다 쉽게 설명하고 마지막으로 고려할 사항만을 부연하는 것으로 진행한다. 보다 상세한 기술적인 내용을 이해하려면 이미 주요 학술지에 발표된 첨부한 (비특허문헌1)과 (비특허문헌2)를 참고하면 될 것이다.

도1은 정현직교 파형의 차수에 따른 파형 모습이다.

그림에서 차수가 1부터 16까지의 정현 파형을 보여주고 있다. 각각의 정현 파형은 서로 직교 관계에 있으므로 OFDM 변조에서도 사용되는 방법이다. 그러나 SOW 변조 방식은 OFDM 보다 대역폭이 좁고 다른 신호에 간섭이 되는 스퓨리어스가 획기적으로 낮은 특성이 있으며 자세한 내용은 도 3에서 다루어진다.

도2는 정현직교 파형간의 직교특성도이다.

한 심볼 주기의 sampling rate를 75로 놓고 각 정현 파형간의 상관관계를 구하면 그림과 같이 동일한 정현파형간의 직교도는 37.5로 나타나지만 서로 다른 정현파형과의 상관관계는 0가 되어 서로 다른 정현파형간의 직교도가 37.5로 나타남을 알 수 있다.

도3은 정현직교파형을 이용하여 만들어진 변조신호의 예이다.

OFDM 변조 방식에서와는 달이 SOW 방식에서는 각 파형에 서로 다른 부호의 파형을 정의하여 데이터 심볼에 따른 정현파형을 배정할 때 연결 부위에서 변조된 신호가 끊어지지 않게 적절한 부호의 파형을 삽입하는 방법으로 해결한다. 예를 들어 데이터가 '1'일 때는 차수 7의 파형을 데이터가 '-1'일 때는 차수 8의 파형을 배정하는데 데이터 심볼의 경계선에서 배정된 파형간의 끊어짐이 발생하는 경우에는 부호가 반대인 파형을 배정하여 최종 변조신호를 끊어짐이 없이 매끈하게 만드는 방식이다.

변조된 신호에 끊어진 부분이 없으므로 도4의 결과와 같이 매우 우수한 주파수 스펙트럼을 나타내게 되며 다른 사용자와의 간섭을 줄일 수 있게 된다.

도4는 정현직교파형과 OFDM 파형의 스펙트럼 비교 그림이다.

변조된 신호가 매끄럽게 이어지므로 스퓨리어스가 감소될 수 밖에 없으며 OFDM 신호의 스펙트럼과 비교하면 애무 우수한 특정을 갖고 있음을 볼 수 있다.

도5는 코드선택 CDMA 변조시스템 구조도이다.

종래의 CDMA 신호는 전송하는 채널 수가 증가하면 변조된 신호는 채널 수에 비례하여 멀티 레벨로 나타나게 된다. Binary CDMA는 전송되는 채널 수의 증가에도 불구하고 항상 변조된 신호가 Binary 레벨로 나타나 외형상으로는 TDMA 신호와 동일하게 보이는 것을 특징으로 한다.

Binary CDMA 방식중에서 CS/CDMA 방식은 사용되는 직교코드응 먼저 3 블럭으로 나누어 각각의 블럭에서 하나씩 직교코드를 선택하여 3개의 CDMA 채널을 만들고 4번째 더미 채널을 추가하여 4번째 채널의 데이터는 앞선 3개의 채널에 사용된 데이터의 곱의 역부호로 나타내고(d ₁₀ = - d ₇ x d ₈ x d ₉ ) 4번째 채널의 코드는 앞선 3 개의 채널에 사용된 코드의 곱으로 나타내어(c _l = c _i x c _j x c _k ) 4채널의 CDMA 시스템을 만들면 항상 변조파형이 Binary로 된다는 기법이다.

각각의 3 개의 코드 불럭에서 하나의 코드를 선택하기 위해 6 채널의 데이터가 필요하고 선택된 코드에 변조를 하기 위해 다시 3 채널의 데이터가 필요하므로 16개의 직교코드를 이용하여 9채널의 데이터를 CDMA 방식으로 전송하면서도 항상 변조된 파형이 Binary 로 나타나는 방식이다.

Binary CDMA 신호의 송신기 구조는 이와 같이 기존 CDMA 방식과는 사뭇 다르지만 수신단에서 복조 과정은 기존의 CDMA 복조 과정과 동일하므로 기존의 CDMA 모든 특성은 그래도 유지하면서도 TDMA의 단순한 송신기 RF 구조를 사용할 수 있다는 장점이 있다.

이 때 더미로 사용된 4번째 CDMA 채널은 송신단에서는 변조 파형을 Binary로 만들기 위해 사용되지만 수신단에서는 에러를 검출할 수 있는 에러 검출 코드로 사용된다.

도6는 코드선택 CDMA 시스템에서 사용하는 직교코드의 예이다.

CDMA 코드에서 각 채널간의 간섭을 없앨 수 있는 직교코드는 필수적으로 필요하다. 그러나 본 발명에서 필요한 직교코드는 단순하게 코드간의 직교도만이 중요한 것이 아니라 SOW 파형과 융합했을 때도 직교도를 상실하지 않는 특징이 나타내는 것이 중요하다.

본 도의 직교코드는 (특허문헌3)의 방식을 기반으로 만들어진 것으로 본 발명자의 이름을 따서 Ryu Code로 명명되어졌다. 16bit 길이로 이루어진 16개의 직교코드는 코드끼리는 당연히 직교 관계를 유지하고 SOW 신호와 융합한 상황에서도 직교도를 유지하고 있어 본 발명에 적용할 수 있는 코드 예로 사용될 수 있다.

도7은 직교코드간의 직교도를 나타내는 표이다.

이 그림은 도 6의 직교코드의 예로 보여진 Ryu Code의 직교 관계를 보여주고 있다. 같은 크드간의 상관관계는 16이 되고 서로 다른 코드간의 상관 관계는 0 가 되어 완벽한 직교 관계가 있음을 보여주고 있다.

도8은 직교코드에 정현직교파형을 입힌 변조신호이다.

이 그림은 도 6의 Ryu Code에 도 4의 SOW를 차수(order)가 7,8로 만들어진 융합된 변조파형이다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 변조된 신호에 불연속점이 없어 매우 매끄러운 파형으로 나타남을 알 수 있고 이러한 특징으로 인해 매우 우수한 스펙트럼 특성을 갖게 된다.

도9는 직교정현파형과 직교코드가 융합된 신호간의 직교도를 나타내는 표이다.

이 그림은 도 8의 융합된 파형들 간의 상관 관계를 나타낸다. 서로 같은 파형간의 상관도는 600이 되어 SOW 직교도 '37.5' 와 Ryu 코드 직교도 '16' 을 곱한 값으로 나타남을 볼 수 있다. 애석하게도 앞선 파형 8개와 뒤 파형 8개 끼리는 완벽하게 직교도를 나타내고 있으나 알 뒤 두 파형 블럭 간의 상관관계는 '0'이 아닌 '75'로 나타나 어느 정도 간섭이 예상된다.

이에 대한 해결책은 코드 파형을 16개를 다 사용하는 것이 아니라 앞 뒤로 8개씩 나누어 두 블럭으로 사용하던가 아니면 더 좋은 직교코드를 찾아내는 방법이 있다.

도10은 직교정현파형 기술과 코드 선택 CDMA 기술을 융합한 시스템 도이다.

이 그림은 본 발명의 최종적인 융합 블럭도이다. 단순히 두 기술을 융합한 것이므로 복잡할 것이 없으며 누구나 쉽게 구현이 가능할 것이다. 다만 하드웨어가 아닌 소트트웨어로만으로도 구현이 가능하므로 도 10의 블럭도를 소프트웨어로 구현하면 된다. 구현 방법은 먼저 SOW 파형을 어레이 형태로 메모리에 저장시켜 놓고 만들어진 Binary CDMA 신호에 저장된 파형 어레이를 배정할 때 변조신호가 끊어짐이 없이 매끈한 파형이 되도록 적절한 방법으로 부호를 바꾸기만 하면 된다.

본 발명은 무선으로 신호를 전송하는 장치나 시스템에서는 어느 곳에서나 사용이 가능하다. 예를 들어 라디오 전파, 음성 모뎀, 초음파 전송 장치, 이동전화, TV, 위성 장치, 소나 시스템 등 다양한 적용처를 갖고 있다. 본 발명은 바이너리 CDMA 기술을 사용하므로 별도의 하드웨이 칩이 필요할 수 있으나 요즘은 SDR과 같이 순수하게 소프트웨어로만도 라디오 신호를 만들어 내고 있으므로 별도의 칩 제작없이 소프트웨어만으로도 구현이 가능하다.

특시 스마트 폰의 Near Ultrasonic과 같이 전송속도가 느린 응용 분야에서는 단순한 스마트폰의 앱 개발로도 상품 개발이 가능하다.

SOW : Sinusoidal Orthogonal Waveform
CS/CDMA : Code Select / Code Division Multiple Qccess
OFDM : Orthogonal Frequency Division Modulation
R0 : 0번째 직교 Ryu Code
SDR : Software Defined Radio
Near Ultrasonic : 18.5KHz ~ 20KHz 사이의 사람의 귀에 들리지 않는 초음파 영역

Claims (1)

1. 변조신호의 직교도를 높이기 위하여 이미 특허 등록된 정현직교파형 변조(1019850007600(1985.10.16)(특허문헌1)방식과 코드 선택 바이너리 CDMA (1020110019912(2011.03.07)(특허문헌2) 방식을 융합하여 정현직교파형의 직교도와 코드 선택 바이너리 CDMA 직교도를 곱해 직교도가 향상되어 주변 잡음에 강한 새로운 변조 신호 생성 방법
   

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