KR101259576B1

KR101259576B1 - Ｂｐｓ 수신장치

Info

Publication number: KR101259576B1
Application number: KR1020090057193A
Authority: KR
Inventors: 김형중; 김재형
Original assignee: 창원대학교 산학협력단; 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2013-04-30
Anticipated expiration: 2029-06-25
Also published as: KR20100138599A; US20100330949A1; US8577324B2

Abstract

본 발명은 서로 다른 주파수 대역의 RF 신호를 동시에 수신하여 처리 가능하며, 이때, RF 신호들에 의해 발생하는 에얼리어싱을 최소화하는 BPS 수신장치를 개시한다. 이를 위해 본 발명은 서로 다른 주파수 대역의 제1 RF신호와 제2 RF신호가 합쳐진 신호에 대해 시간차를 두고 샘플링하는 샘플링 처리부, 상기 샘플링 처리부에 의해 제1 RF신호와 제2 RF신호의 합의 신호에서 각각 시간 정보에 따라 샘플링된 신호에서 제1 스트림신호, 및 제2 스트림신호를 생성하는 양자화 처리부, 및 제1 스트림신호와 제2 스트림신호가 갖는 주파수 대역의 위상차를 참조하여 인터폴레이션을 수행함으로써 제1 RF신호와 제2 RF신호를 분리하는 신호처리부를 포함한다.

인터폴런트, 에얼리어싱, BPS, SDR

Description

ＢＰＳ 수신장치{BPS Receiver}

본 발명은 BPS 수신장치에 대한 것으로, 특히 서로 다른 주파수 대역의 RF 신호를 동시에 수신하여 처리 가능하며, 이때, RF 신호들에 의해 발생하는 에얼리어싱을 최소화하는 BPS 수신장치에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호: 2008-F-001-01, 과제명: 이동통신 무선접속방식의 환경 적응형 자율제어 기술 연구]

송신 측의 RF 신호를 수신 측에서 디지털 신호로 변환할 때, 기존의 샘플링 이론에 따라 RF 신호를 처리하면, 수신기는 RF 신호의 반송 주파수(fc)에 대해 두 배에 해당하는 샘플링 레이트(sampling rate)를 이용하여 RF 신호를 샘플링하여야 한다.

샘플링 레이트는 RF 신호의 주파수가 증가할수록 함께 증가한다. 그러나, 통상 반송 주파수(fc)에 의해 변조된 신호(RF 신호)에서 신호가 존재하는 대역폭은 반송 주파수(fc)의 0.003% ∼ 0.2%에 불과하다. 신호가 고 주파의 반송 주파수에 의해 변조될 경우, 수신기는 더 높은 샘플링 레이트로 RF 신호를 샘플링하여야 하며, 샘플링된 데이터의 데이터량은 기하급수로 증가한다. 이에 따라 수신기는 매우 비 효율적인 데이터 처리를 수행해야한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, RF 신호의 나이키스트(nyquist) 레이트보다 낮은 샘플링 레이트로 RF 신호를 샘플링할 수 있도록 하는 밴드패스 샘플링(band pass sampling)이 제안된 바 있다.

밴드 패스 샘플링은 나이키스트 레이트에 비해 낮은 레이트로 샘플링을 수행할 수 있으므로 RF 신호를 샘플링할 때 발생하는 데이터량도 감소한다. 밴드 패스 샘플링은, 고조파 샘플링(Harmonic sampling) 또는 서브샘플링(Sub-sampling)이라고 부르며, 나이키스트 레이트보다 낮은 샘플링주파수를 적용하여 고의적으로 에얼리어싱(aliasing)을 발생하는 방식으로, 기본적으로 데이터의 대역폭에 의존한 샘플링비율을 갖게 되는 장점이 있다.

밴드 패스 샘플링은 통상 디지털 직접변환 또는 RF 직접변환 방식에 적용된다. 밴드 패스 샘플링이 디지털 직접변환 방식에 적용되면 안테나에서 수신되는 RF 신호 LNA에 증폭한 후, 곧 바로 샘플링을 수행하기 때문에 저가, 소형의 무선 수신기를 구현할 수 있다.

도 1은 종래의 디지털 직접변환 수신기의 구조를 나타낸다.

도 1을 참조하여 종래의 디지털 직접변환 수신기를 살펴보면,

- Integer-position 신호는 최소 샘플률 2B의 1st-order BPS(Band Pass Sampling)에 의하여 하향 변환될 수 있다.

- Non-integer position 신호는 fs > 2B의 샘플률의 1st-order BPS(Band Pass Sampling)에 의하여 하향 변환될 수 있으나, 샘플링 주파수 fs는 신호 대역의 위치에 따라 달라질 수 있다.

따라서 universal access를 위해서는 대역폭은 물론 대역의 위치에 따라 샘플률이 변해야 하며, 이에 따라 RF 필터의 대역폭도 가변을 시켜야 하는 문제점이 있다.

2nd-order BPS(Band Pass Sampling)는 상대적으로 시간 지연을 가지는 2개의 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 이용하여 샘플링 후, 신호처리를 수행하여 에얼리어싱을 제거하는 방식이다. 따라서 샘플률은 에얼리어싱을 고려하지 않고 선택이 가능하며, 최소 샘플링 주파수는 신호의 대역폭과 동일하게 선택할 수 있다.

도 2는 2nd-order BPS 수신기의 블록개념도를 나타낸다.

도 2를 참조하여 종래의 2nd-order BPS 수신기를 살펴보면,

- 입력 스트림의 대역폭이 B 일 때, RF 신호에 대한 샘플률도 B에 해당한다. 이때, RF 신호에 대한 에얼리어싱이 발생한다.

- 단, 데이터가 Integer position에 위치하는 경우에는 τ_B= -2(n+1)TΔ의 지연시간을 가지고 샘플을 함으로써 디지털 필터의 응답에는 영향을 주지 않고, interpolant를 디지털 구현이 가능하다고 최근 논문에서 발표된 바 있다.

한편, CR(Cognitive Radio), 또는 SR(Smart Radio) 에서는 주파수의 효율적 사용을 위해, 스펙트럼 센싱(spectrum sensing) 기술이 사용되고 있다. CR, 또는 SR에서 사용되는 스펙트럼 센싱 기술은 하나의 주파수로 데이터 통신을 수행하면 서, 데이터 통신이 가능한 타 주파수를 찾는데 이용된다. 따라서, 도 1과 도 2를 통해 설명된 1st-order BPS 수신기나, 2nd-order BPS 수신기는 동시에 두 가지 주파수를 수신하여 처리하기 곤란하므로 CR, 또는 SR에 적용하기가 용이하지 않다.

더욱이, 도 1의 1st-order BPS 수신기와 도 2의 2nd-order BPS 수신기 모두 하나의 RF 신호를 하향 변환하는데 그 목적이 있다. 만일, 둘 이상의 RF 신호를 동시에 수신하여 처리해야 하는 경우, 첫 번째 RF 신호는 도 1, 또는 도 2에 도시된 수신기를 통해 수신할 수 있으나, 두 번째 RF 신호는 특정한 주파수 대역에 위치하지 않은 경우, 에얼리어싱이 발생한다. 즉, 기존의 디지털 직접변환(BPS) 수신기는 복수의 RF신호를 동시에 수신할 때, 에얼리어싱이 발생하는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 서로 다른 주파수 대역의 RF 신호를 동시에 수신하며, 이때, 에얼리어싱이 발생하지 않도록 하는 BPS 수신기를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 기존의 수신기 구조를 크게 변경하지 않고도 서로 다른 주파수 대역의 RF 신호를 동시에 수신 가능한 BPS 수신기를 제공함에 있다.

상기한 목적은 본 발명에 따라, 제 1 샘플러 및 제 2 샘플러를 포함하여, 서로 다른 주파수 대역의 제1 RF신호와 제2 RF신호가 합쳐진 신호에 대해 시간차를 두고 샘플링하는 샘플링 처리부; 제 1 양자화기 및 제 2 양자화기를 포함하고, 상기 제1 RF신호와 상기 제2 RF신호의 합의 신호가 각각 시간 정보에 따라 하향 변환되어 상기 샘플링 처리부에서 출력되면, 출력된 신호를 양자화하여 제1 스트림신호, 및 제2 스트림신호를 생성하는 양자화 처리부; 및 상기 제1 스트림신호와 상기 제2 스트림신호가 갖는 주파수 대역의 위상차를 참조하여 인터폴레이션을 수행함으로써 상기 제1 RF신호와 상기 제2 RF신호를 분리하는 신호처리부;를 포함하는 BPS 수신장치에 의해 달성된다.

따라서, 본 발명에 따른 BPS 수신기는 서로 다른 주파수 대역의 RF 신호를 동시에 수신하여 처리 가능하며, 이때, RF 신호들에 의해 발생하는 에얼리어싱을 최소화 할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 BPS 수신장치가 복수의 RF 신호를 동시에 수신하는 방법을 개념적으로 설명하기 위한 도면을 나타낸다.

도 3을 참조하면, 서로 다른 두 개의 RF 신호

와

가 주파수 간격(fs)로 구획한 영역에서 서로 다른 주파수 영역인 no, n1에 위치하며, 샘플링 레이트가 fs 라고 가정할 때, RF 신호

와

를 서브 샘플링할 때,

와

의 위상천이가 다른 점을 이용하여 두 RF 신호를 분리한다.

도 3의 (a)는 RF 신호

와

가 서브 샘플링될 때, 기저 대역에서 상호 오버랩되어 에얼리어싱(aliasing)이 발생하는 것을 나타내며, 도 3의 (b)는

와

를 각각 하향 변환한 이산신호인 제1 스트림신호와 제2 스트림 신호의 위상천이의 차이(

과

)를 나타낸다.

본 발명의 기본 아이디어는 RF 신호들이 서로 구별되는 다른 주파수 영역(frequency zone)에 위치한다고 가정하고, 2^nd-order BPS 신호처리 기술을 적용하여 기저 대역에서 RF 신호를 구분하는데 있다. 즉, 본 발명은 하나의 주파수 영역에서 하나의 RF 신호를 수신하면서 그와 동시에, 다른 주파수 영역에 존재하는 다른 RF 신호를 찾는 Environment sensing용으로 사용 적합한 BPS 수신기 구조를 제안한다.

도 4는 본 발명에 따른 BPS 수신장치의 일 예에 따른 블록개념도를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 BPS 수신장치는 필터부(100), 샘플링 처리부(110), 양자화 처리부(120), 및 신호처리부(130)를 구비하며, Environment sensing을 위해 동시에 두 개의 RF 신호를 수신 가능한 2^nd-order BPS 수신기의 구조를 갖는다.

필터부(100)는 두 개의 RF 신호(제1 RF신호, 제2 RF신호)를 수신하기 위해 2개의 tunable 필터(101, 102)로 구성된다. 필터부(100)에서 선택된 주파수 대역은 샘플링 처리부(110)로 제공되며, 샘플링 처리부(110)는 제1 RF신호와 제2 RF신호를 각각 fs = 2B 이상의 샘플링 주파수(fs)를 이용하여 샘플링한다. 이때, 샘플링 처리부(110)는 제 1 샘플러(111)와, 제 2 샘플러(112)를 포함한다. 여기서, B는 제1 RF신호, 또는 제2 RF신호의 주파수 대역폭 중에서 넓은 대역폭에 해당한다. 이때, 제2 스트림신호는 제1 스트림신호에 비해 소정 시간 지연되어 샘플링되어 샘플링되므로 제1 스트림신호와 위상 차를 갖는다.

양자화 처리부(120)는 제1 스트림신호를 디지털 변환하기 위한 제1 양자화기(quantizer) (121), 및 제2 스트림 신호를 디지털 변환하기 위한 제2 양자화기(quantizer)(122)를 포함한다. 양자화 처리부(120), 및 샘플링 처리부(110)는 클럭발생기(Clock generation)로부터 제공되는 클럭에 연동되어 동작한다.

신호처리부(130)는 제1 스트림신호에 대한 제 1 양자화기(121)의 디지털 신호와 제2 스트림신호에 대한 제 2 양자화기(122)의 디지털 신호의 위상천이의 편차를 이용하여 제1신호와 제2신호의 에얼리어싱을 방지하면서 제1신호와 제2신호를 분리한다. 이를 위해, 신호처리부(130)는 제1인터폴런트부(131), 제2인터폴런트부(132), 및 제3인터폴런트부(133)를 구비한다.

제1인터폴란트부(131), 제2인터폴란트부(132), 및 제3인터폴란트부(133)는 각각의 인터폴란트값을 이용하여 제1신호, 또는 제2신호를 상호 억제함으로써 제1신호와 제2신호가 명확히 분리될 수 있도록 한다.

제1인터폴란트부(131)와 제2인터폴란트부(132)를 통해 제1 RF신호(

)와 제2 RF신호(

)를 분리하는 방법은, 이하의 수학식을 참조하여 설명하도록 한다.

먼저,

신호를 분리하기 위해,

신호를 억제하는 제1인터폴란트부(131), 및 제2인터폴란트부(132)는 아래의 수학식 1과 수학식 2를 만족하여야 한다.

여기서, B는 필터부(100)의 밴드 폭이고, C는 임의의 복소 상수이며,

와

는 각각 기저대역으로 천이 된, 제1 RF신호에 대한 양(+)의 주파수 스펙트럼과 음(-)의 주파수 스펙트럼에 해당한다. 또한,

는 2^nd-order로 대역통과 샘플링된 RF 신호의 주파수 스펙트럼으로

는 샘플 스트림 A의 주파수 스펙트럼이며,

는 샘플 스트림 B의 주파수 스펙트럼이다.

수학식 1과 수학식 2에 대한 방정식을 풀기 위해,

를 수학식 (3)으로 설정하고

를 구한다.

이미지 제거를 위해서는

의 조건을 수학식 1과 수학식 2에 대입한다. 그 결과

는 아래의 수학식 4와 같다.

여기서

는

신호의 샘플 스트림 A와 샘플 스트림 B의 위상 차를 나타낸다.

신호를 분리하기 위하여

신호를 억제하는 인터폴런트(interpolant)

와

는 다음 수학식 5와 수학식 6을 만족하여야 한다.

수학식 1에서 수학식 4에 이르는 과정을 따라 수학식 5와 수학식 6의 방정식을 풀면,

는 수학식 (7)와 같이 된다.

제1인터폴런트(131), 제2인터폴런트(132), 및 제3인터폴런트(133)에 해당하는

,

를 각각 수학식 3, 수학식 4, 및 수학식 7에 따라 설계하면 서로 다른 주파수 영역에 위치한 2개의 RF신호를 서로 간에 간섭 없이 기저 대역에서 동시에 수신이 가능하다.

또한,

신호가 수신하고자 하는 신호이며

신호가 간섭신호로 존재하는 경우에도, 효과적으로

신호만을 제거함으로써

신호를 정상적으로 수신할 수 있다.

도 1은 종래의 디지털 직접변환 수신기의 구조를 나타내는 도면,

도 2는 2^nd-order BPS 수신기의 블록개념도,

도 3은 본 발명에 따른 BPS 수신장치가 복수의 RF 신호를 동시에 수신하는 방법을 개념적으로 설명하기 위한 도면, 그리고

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 필터부 110 : 샘플링 처리부

120 : 양자화 처리부 130 : 신호처리부

Claims

제 1 샘플러 및 제 2 샘플러를 포함하여, 서로 다른 주파수 대역의 제1 RF신호와 제2 RF신호가 합쳐진 신호에 대해 시간차를 두고 샘플링하는 샘플링 처리부;

제 1 양자화기 및 제 2 양자화기를 포함하고, 상기 제1 RF신호와 상기 제2 RF신호의 합의 신호가 각각 시간 정보에 따라 하향 변환되어 상기 샘플링 처리부에서 출력되면, 출력된 신호를 양자화하여 에서 각각 시간 정보를 가지고 하향 변환된 이산신호인 제1 스트림신호, 및 제2 스트림신호를 생성하는 양자화 처리부; 및

상기 제1 스트림신호와 상기 제2 스트림신호가 갖는 주파수 대역의 위상차를 참조하여 인터폴레이션을 수행함으로써 상기 제1 RF신호와 상기 제2 RF신호를 분리하는 신호처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 BPS 수신장치.
제1항에 있어서,

상기 신호처리부는,

상기 제1 스트림신호와 상기 제2 스트림신호를 입력으로 하여 인터폴런트를 수행하는 제1인터폴런트부와 제2인터폴런트부; 및

상기 제1 스트림신호와 상기 제2 스트림신호를 입력으로 인터폴런트를 수행하는 제3인터폴런트부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 BPS 수신장치.
제2항에 있어서,

상기 제1인터폴런트부는,

의 조건을 만족하며,

여기서, B는 상기 제1 RF신호, 및 상기 제2 RF 신호의 대역폭 중 더 넓은 대역폭인 것을 특징으로 하는 BPS 수신장치.
제3항에 있어서,

상기 제2인터폴런트부는,

의 조건을 만족하며,

여기서,
이고,
신호의 샘플 스트림 A와 샘플 스트림 B의 위상 차를 나타내는 것을 특징으로 하는 BPS 수신장치.
제4항에 있어서,

상기 제3인터폴런트부는,

의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 BPS 수신장치.