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KR101327163B1 - Ｍｉｍｏ 시스템, ｍｉｍｏ 송신기의 아날로그 신호 변환 방법 및 ｍｉｍｏ 수신기의 디지털 신호 변환 방법 - Google Patents

Ｍｉｍｏ 시스템, ｍｉｍｏ 송신기의 아날로그 신호 변환 방법 및 ｍｉｍｏ 수신기의 디지털 신호 변환 방법 Download PDF

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KR101327163B1
KR101327163B1 KR1020120042862A KR20120042862A KR101327163B1 KR 101327163 B1 KR101327163 B1 KR 101327163B1 KR 1020120042862 A KR1020120042862 A KR 1020120042862A KR 20120042862 A KR20120042862 A KR 20120042862A KR 101327163 B1 KR101327163 B1 KR 101327163B1
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이용훈
김철순
신증호
정의림
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 복수 개의 송신 안테나를 갖는 MIMO 송신기에서 송신 안테나 수보다 적은 디지털-아날로그 변환기(Digital-Analog Converter: DAC)를 사용하는 아날로그 신호 변환 방법, 복수 개의 수신 안테나를 갖는 MIMO 수신기에서 수신 안테나 수보다 적은 아날로그-디지털 변환기(Analog-Digital Converter: ADC)를 사용하는 디지털 신호 변환 방법 및 이 방법을 적용한 시스템에 관한 것이다. MIMO 송신기 및 MIMO 수신기는 체인그룹마다 하나의 데이터 변환기를 사용하기 위하여 체인별로 신호 지연을 주면서, 신호를 스위칭하여 하나의 테이터 변환기에 전달하는 것이 특징이다.

Description

ＭＩＭＯ 시스템, ＭＩＭＯ 송신기의 아날로그 신호 변환 방법 및 ＭＩＭＯ 수신기의 디지털 신호 변환 방법{MIMO SYSTEM, METHOD OF CONVERTING TO ANALOG SIGNAL IN MIMO TRANSMITTER AND METHOD OF CONVERTING TO DIGITAL SIGNAL IN MIMO RECEIVER}
본 발명은 다중 안테나 송수신(Multiple Input Multiple Output: MIMO)시스템의 송신기에서 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 방법, MIMO 시스템의 수신기에서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 방법 및 이 방법을 적용한 MIMO 시스템에 관한 것이다. 특히 본 발명은 복수 개의 송신 안테나를 갖는 MIMO 송신기에서 송신 안테나 수보다 적은 디지털-아날로그 변환기(Digital-Analog Converter: DAC)를 사용하는 아날로그 신호 변환 방법, 복수 개의 수신 안테나를 갖는 MIMO 수신기에서 수신 안테나 수보다 적은 아날로그-디지털 변환기(Analog-Digital Converter: ADC)를 사용하는 디지털 신호 변환 방법 및 이 방법을 적용한 시스템에 관한 것이다.
송신기와 수신기에 여러 개의 안테나를 사용하는 MIMO 방식은 주파수 효율 증대와 송수신 다양성에 의한 성능 향상 가능성으로 무선/이동 통신 시스템에서 가장 주목받고 있는 기술 가운데 하나이다.
무선 통신 시스템에서는 송수신기의 구조에 따라 전력 소모량이 크게 달라진다. 전력 소모량 중 상당 부분을 차지하는 부분이 데이터 변환기 즉 ADC 와 DAC이다. 따라서 데이터 변환기의 전력 소모량을 줄일 수 있을 때, 저전력 송수신기를 설계할 수 있다.
최근에는 큰 배열 안테나를 송수신기에 적용하는 시스템이 많이 제안되고 있다. V. Venkateswaran 등은 다수의 안테나가 존재하고 RF chain의 수가 그보다 적은 수신단 구조에 대하여 아날로그 처리 네트워크(analog processing network), 즉 아날로그 빔 형성 행렬(analog beamforming matrix)을 최적으로 설계하기 위해 간섭 신호를 고려한 상향 링크 환경에서 수신단의 아날로그 영역에서 간섭 성분을 제거하여 ADC 해상도에 따른 영향을 분석하였다. 또한 주어진 ADC 해상도에 대해 원하는 신호와 수신단 추정치의 MSE(mean squared error)를 최소화하는 최적 아날로그 빔 형성 행렬을 설계하는 방식을 제안하였다(V. Venkateswaran and A.-J. Veen, "Analog beamforming in MIMO communications with phase shift networks and online channel estimation," IEEE Transactions on signal processing, Aug. 2010 참조).
Daniel F. Filipovic 등은 다수의 안테나를 사용하기 위한 개선된 방법 중 하나로 스위치를 통한 안테나 선택 방법이 안테나 2개인 경우에 대하여 설명하였다. 하지만 이는 하나의 안테나만을 사용하여 송신하므로 기존 MIMO에 비해 전송량 열화를 보인다(Daniel F. Filipovic, Yong Li "Method and apparatus for power control based antenna switching" US Patent 12/390230, 2009. 참조).
MIMO 시스템은 송신기와 수신기의 복잡도가 증가한다는 단점이 있다. MIMO 시스템은 하나의 안테나만을 사용하는 시스템에 비해서 송수신단에서 이루어지는 신호 처리량이 많아지기 때문이다. 또한, 단말 또는 기지국에서 MIMO를 구현하기 위해서는 생산 비용도 필연적으로 증가하는 문제점이 있다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하고자 한다.
본 발명에 따른 시스템 및 데이터 변환 방법은 송신 안테나 수보다 적은 DAC를 사용하는 MIMO 송신기, 수신 안테나 수보다 적은 ADC를 사용하는 MIMO 수신기를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 시스템 및 데이터 변환 방법은는 전력소모가 많은 DAC 및/또는 ADC의 숫자를 감소시켜 전송량 열화를 줄이고 복잡도가 낮은 MIMO 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 시스템 및 데이터 변환 방법은 DAC 및/또는 ADC의 숫자를 감소시켜 비용이 감소하는 MIMO 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 MIMO 시스템은 송신 안테나 수보다 적은 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 포함하는 송신기 및 수신 안테나 수보다 적은 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함하는 수신기를 포함한다.
본 발명에 따른 송신기는 데이터가 변조되어 샘플 심볼이 생성되는 샘플 심볼 생성부, 샘플 심볼 생성부에서 생성되는 샘플 심볼이 전송을 위한 신호로 변환되는 펄스 성형 필터부(PSF), PSF에서 변환된 신호가 체인 그룹별로 배치된 하나의 DAC를 통해 아날로그 신호로 변환되는 체인그룹 송신신호 변환부 및 DAC에서 변환된 신호가 IF 또는 RF 신호로 변환되는 업 변환부를 포함하되, 체인그룹에는 N개의 체인(CH1, ... , CHN)이 속하고, PSF는 송신 안테나 체인마다 배치되는 것이 특징이다.
본 발명에 따른 체인그룹 송신신호 변환부는 체인그룹별로 배치되는 것으로,
PSF에서 변환된 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되는 송신신호 지연부, 송신신호 지연부에서 지연되는 신호가 가산 연산으로 합산되는 신호 합산부, 신호 합산부에서 전달되는 신호가 아날로그 신호로 변환되는 하나의 디지털-아날로그 변환기(DAC), DAC에서 변환된 신호가 체인 순서에 따라 업 변화부로 전달되는 송신신호 스위치부 및 DAC에서 변환되는 신호 또는 업 변환부에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연되는 송신신호 지연보상부를 포함한다.
본 발명에 따른 송신기의 다른 실시예로서, PSF는 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되면서 샘플 심볼이 변환되고, 체인그룹 송신신호 변환부는 송신신호 지연부에서 지연된 신호가 체인 순서에 따라 아날로그 신호로 변환되는 하나의 디지털-아날로그 변환기(DAC), DAC에서 변환된 신호가 체인 순서에 따라 업 변화부로 전달되는 신호 스위치부 및 DAC에서 변환되는 신호 또는 업 변환부에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연되는 송신신호 지연보상부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 MIMO 시스템은 PSF에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 업 샘플링(upsamplng)되는 업 샘플링부를 더 포함할 수 있다. 여기서, N CH는 하나의 체인그룹에 속한 체인의 개수이다.
본 발명에 따른 수신기는 수신 안테나로부터 전달되는 신호가 베이스밴드 신호로 변환되는 다운 변환부, 다운 변환부에서 변환되는 신호가 체인 그룹별로 배치된 하나의 ADC를 통해 디지털 신호로 변환되는 체인그룹 수신신호 변환부 및 체인 그룹 수신신호 변환부에서 변환되는 디지털 신호가 복조되어 데이터가 복원되는 데이터 복원부를 포함하되, 체인그룹에는 N개의 체인(CH1, ... , CHN)이 속하고, 다운 변환부는 수신 안테나 체인마다 배치되는 것이 특징이다.
본 발명에 따른 체인그룹 수신신호 변환부는 체인그룹별로 배치되는 것으로, 다운 변환부에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되는 수신신호 지연부, 수신신호 지연부에서 전달되는 신호가 디지털 신호로 변환되는 하나의 아날로그-디지털 변환기(ADC), 수신신호 지연부와 ADC를 연결하는 수신신호 스위치부 및 ADC에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연되는 수신신호 지연보상부를 포함한다.
본 발명에 따른 수신기는 송신기에서 업샘플링된 경우 이에 대응되도록 ADC에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 다운 샘플링(downsamplng)되는 다운 샘플링부를 더 포함할 수 있다. 여기서, N CH는 하나의 체인그룹에 속한 체인의 개수이고, 다운 샘플링부에서 다운 샘플링된 신호가 데이터 복원부에 전달된다.
본 발명에 따른 수신기의 다른 실시예로서, 본 발명의 체인그룹 수신신호 변환부는 다운 변환부에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [((n-1)/N) × 1 샘플] 단위로 지연되는 수신신호 지연부, 수신신호 지연부에서 전달되는 신호가 디지털 신호로 변환되는 하나의 아날로그-디지털 변환기(ADC), 수신신호 지연부와 ADC를 연결하는 수신신호 스위치부, ADC에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [((N-n)/N) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 제1 수신신호 지연보상부, 제1 수신신호 지연보상부에서 지연 보상되는 신호가 N CH 배(倍)로 다운 샘플링(downsamplng)되는 다운 샘플링부 및 다운 샘플링부에서 다운 샘플링된 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 제2 수신신호 지연보상부를 포함할 수 있다. 여기서, N CH는 하나의 체인그룹에 속한 체인의 개수이다.
본 발명에 따른 MIMO 송신기의 아날로그 신호 변환 방법은 데이터가 변조기에서 변조되어 샘플 심볼이 생성되는 단계, 샘플 심볼이 송신 안테나 체인마다 배치된 펄스 성형 필터부(PSF)에서 전송을 위한 신호로 변환되는 단계 및 PSF에서 변환된 신호가 체인 그룹별로 배치된 하나의 DAC에서 아날로그 신호로 변환되는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 아날로그 신호로 변환되는 단계는 PSF에서 변환된 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되는 단계, 지연되는 신호가 가산기에서 가산 연산으로 합산되는 단계, 가산 연산으로 합산된 신호가 DAC에서 아날로그 신호로 변환되는 단계, 아날로그 신호가 DAC와 동일한 속도로 동작하는 송신 스위치를 통해 송신 안테나 체인으로 전달되는 단계 및 송신 스위치에서 전달되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 단계를 포함한다.
한편 본 발명에 따른 아날로그 신호로 변환되는 단계는 PSF에서 변환된 신호가 지연되는 단계 전에 PSF에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 업 샘플링(upsamplng)되는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 MIMO 수신기의 디지털 신호 변환 방법은 수신 안테나로부터 전달되는 신호가 수신 안테나 체인마다 배치된 다운 변환부에서 베이스밴드 신호로 변환되는 단계 및 수신 스위치에서 전달되는 신호가 체인 그룹별로 배치된 하나의 ADC를 통해 디지털 신호로 변환되는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 디지털 신호로 변환되는 단계는 베이스밴드 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되는 단계, 지연되는 신호가 ADC와 동일한 속도로 동작하는 수신 스위치를 통해 하나의 ADC로 전달되는 단계, 수신 스위치를 통해 전달되는 신호가 ADC에서 신호가 디지털 신호로 변환되는 단계 및 ADC에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연되는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 디지털 신호로 변환되는 단계는 MIMO 송신기의 아날로그 신호 변환 방법에서 신호가 업 샘플링되는 경우, ADC에서 신호가 디지털 신호로 변환되는 단계 후에 ADC에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 다운 샘플링(downsamplng)되는 단계를 더 포함한다.
한편 본 발명의 다른 실시예로서, 디지털 신호로 변환되는 단계는 베이스밴드 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [((n-1)/N) × 1 샘플] 단위로 지연되는 단계, 지연되는 신호가 ADC와 동일한 속도로 동작하는 수신 스위치를 통해 하나의 ADC로 전달되는 단계, 수신 스위치를 통해 전달되는 신호가 ADC에서 신호가 디지털 신호로 변환되는 단계, ADC에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [((N-n)/N) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 단계, 지연 보상되는 신호가 N CH 배(倍)로 다운 샘플링(downsamplng)되는 단계 및 다운 샘플링된 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 되는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 시스템 및 데이터 변환 방법은 송수신기에서 많은 전력을 소모하는 데이터 변환기의 숫자를 감소시켜 저전력 MIMO 송수신기를 설계 가능하게 한다.
본 발명에 따른 시스템 및 데이터 변환 방법은 운영 전력 소모, 장치가 배치되는 면적 및 장치 비용을 크게 줄일 수 있으며 분산소형 기지국이나 단말용 MIMO OFDM 소형 송수신기에 용이하게 활용할 수 있다.
본 발명에 따른 시스템 및 데이터 변환 방법은 대규모 MIMO 시스템의 대규모 배열의 안테나 사용에 따른 부품 소형화 요구에 대한 대안을 제공할 수 있다.
나아가 SISO 송수신기에도 같은 원리를 적용할 수 있다. 예컨대, 기저대역(baseband)에서 I-channel 및 Q-channel을 따로따로 다루는 송수신기의 경우에는 데이터 변환기를 이중 모드(dual mode)로 사용하는 것이 일반적이다. 그러나 본 발명에서 제시하는 구조를 적용하면 하나의 데이터 변환기로도 송수신기를 동작시켜서 결국 전력 소모량과 가격이 감소한다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 MIMO 송신기 구조에 대한 블록도이다.
도 2는 종래의 MIMO 수신기 구조에 대한 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 MIMO 시스템에 대한 개략적인 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 MIMO 시스템의 송신기 구조에 대한 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 MIMO 시스템의 수신기 구조에 대한 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른 MIMO 송신기의 아날로그 신호 변환 방법에 대한 순서도이다.
도 7은 본 발명에 따른 MIMO 수신기의 디지털 신호 변환 방법에 대한 순서도이다.
도 8(a)는 종래의 MIMO 송신기에서 DAC 와 LPF(Low pass filter)를 통과한 신호에 대한 주파수 영역을 도시한 그래프이다. 도 8(b)는 본 발명에 따른 MIMO 송신기에서 DAC와 LPF를 통과한 신호에 대한 주파수 영역을 도시한 그래프이다.
도 9는 종래의 MIMO 송신기와 본 발명에 따른 MIMO 송신기에 대한 PSD(power spectrum density)를 비교한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다. 따라서, 본 명세서를 통해 설명되는 각 구성부들의 존재 여부는 기능적으로 해석되어야 할 것이며, 이러한 이유로 본 발명에 따른 MIMO 시스템(10)에 따른 구성부들의 구성은 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한도 내에서 도 3과는 상이해질 수 있음을 명확히 밝혀둔다.
먼저 종래의 MIMO 송수신기에 대하여 간략하게 설명하고자 한다.
도 1은 종래의 MIMO 송신기 구조에 대한 블록도이다. 도 1을 살펴보면, 송신과정은 DSP modem이 계산한 전처리 행렬을 변조(modulation)가 끝난 상태의 데이터(QPSK, 16QAM 등)에 반영하면서 샘플 심볼을 생성하면서 시작된다. 이러한 전처리 행렬은 서브밴드(subband)마다 각각 따로 계산하여 각 안테나별로 인가하는 신호를 묶어서 다중 반송파 변조기(multicarrier modulator)에 인가한다.
일반적으로 OFDM을 위해 IDFT(the inverse discrete Fourier Transform)를 반영하며, 푸리에 변환된 신호는 펄스 성형 필터(pulse shaping filter: PSF)를 통과하고, DAC를 거쳐 아날로그 신호로 변환된다. 이후 업 변환기(upconverter)를 통해 IF 혹은 RF로 변환하여 송신 안테나로 전달한다.
도 2는 종래의 MIMO 수신기 구조에 대한 블록도이다. 도 2를 살펴보면, 수신과정은 수신 안테나를 거쳐 들어온 신호를 다운 변환기(downconverter)를 통해 IF 혹은 베이스밴드(baseband) 신호로 변환한다. 이후 베이스밴드 신호는 ADC에서 디지털 신호로 변환된다. 이후 다중 반송파 복조기(multicarrier demodulator)를 통과하고, 서브밴드마다 후처리 과정을 통해서 데이터를 복원한다.
종래의 MIMO 송수신기는 데이터 변환기(DAC/ADC)의 수를 안테나 수와 동일하게 사용한다. 본 발명은 안테나 수보다 적은 데이터 변환기를 사용하는 MIMO 송수신기를 제안하고자 한다. 본 발명에서 제안한 구조는 디지털 신호 처리에서 사용하는 업 샘플링 및 다운 샘플링 기반의 기술을 사용한다. 본 발명에서는 다상 처리(polyphase processing) 기술을 아날로그 신호에 적용한다는 점이 핵심적 특징이다.
도 3은 본 발명에 따른 송신기(100)에 대한 개략적인 블록도이다. 도 3의 좌측에 송신기(100) 구조를 도시하였고, 도 3의 우측에 수신기(200) 구조를 도시하였다.
송신기(100)의 샘플 심볼 생성부(110)는 전처리 행렬을 변조가 끝난 데이터에 적용하여 생성되는 샘플 심볼을 생성하는 구성이다. 본 발명에 따른 샘플 심볼 생성부(110)는 전술한 종래의 송신기에서 PSF에 신호가 전달되기 전까지의 구성을 포함한다. 본 발명에서는 데이터 변환기(DAC/ADC)가 핵심적인 구성이기 때문에 데이터 변환기와 관련성이 적은 구성은 간략하게 포괄적으로 명명하고 설명하고자 한다.
도 3에 도시된 송신기(100)를 살펴보면, 샘플 심볼 생성부(110)에서 생성된 신호가 PSF(120)에 전달되는 경로, PSF(120)에서 변환된 신호가 체인그룹 송신신호 변환부(130)에 전달되는 경로, 체인그룹 송신신호 변환부(130)에서 변환된 신호가 업 변환부(140)에 전달되는 경로 및 업 변환부(140)에서 변환된 신호가 최종적으로 송신 안테나로 전달되는 경로는 각각 3개의 체인으로 연결된다. 3개의 체인의 개수는 송신 안테나의 개수와 동일한 것이다. 도 3에서는 설명의 편의를 위해서 3개의 체인 경로를 도시한 것이며, 경로의 개수를 한정하기 위한 것이 아님은 물론이다. 그러나 본 발명에 따른 송신기(100)에서는 송신 안테나 수보다 적은 DAC(134)를 이용한다. 도 3에서는 체인그룹 송신신호 변환부(130)에 DAC(134) 한 개만을 포함하는 송신기(100)를 도시한다.
도 3에 도시된 수신기(200)를 살펴보면, 다운 변환부는 수신 안테나에서 전달된 신호를 베이스밴드 신호로 변환하고, 체인그룹 수신신호 변환부(220)는 베이스밴드 신호를 디지털 신호로 변환되고, 최종적으로 데이터 복원부는 디지털 신호를 복조하여 데이터를 복원하게 된다. 이 경로도 모두 3개의 체인으로 구성되어 있으나, 체인그룹 수신신호 변환부(220)는 ADC(223) 하나만을 이용하여 작동하게 된다.
전술한 용어 중 체인그룹은 하나의 데이터 변환기(DAC 또는 ADC)가 사용되는 복수 개의 안테나 체인을 의미한다. 도 3에서는 3개의 체인에 하나의 데이터 변환기가 사용되고 있다. 따라서 MIMO 송신기에서 3개의 안테나만을 사용한다면 하나의 DAC만이 필요하고, 6개의 안테나를 사용한다면 두 개의 DAC가 필요할 것이다. 하나의 데이터 변환기가 몇 개의 안테나 체인을 할당받을 수 있는지는 데이터 변환기의 성능에 따라 달라질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 핵심은 안테나 수보다 적은 데이터 변환기(DAC/ADC)를 사용하는 MIMO 시스템이다. 이하 본 발명에 따른 송신기(100), 이를 구성하는 MIMO 송신기(100) 및 MIMO 수신기(200)에 대해 자세하게 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 송신기(100)은 도 3에 도시된 바와 같이, 송신 안테나 수보다 적은 디지털-아날로그 변환기(DAC, 134)를 포함하는 송신기(100) 및 수신 안테나 수보다 적은 아날로그-디지털 변환기(ADC, 223)를 포함하는 수신기(200)를 포함한다. 도 3에 도시된 3개의 안테나 개수는 예시에 불과한 것임은 전술한 바와 같다.
먼저 송신기(100)을 구성하는 송신기(100)에 대해 설명하고자 한다. 도 4는 본 발명에 따른 송신기(100)의 송신기(100) 구조에 대한 블록도이다. 도 4에 도시된 송신기(100)는 설명의 편의를 위해 체인이 2 개인 경우를 예시한 것이며, 도 4에 도시된 내용이 본 발명에 따르는 송신기(100)의 체인 개수를 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 송신기(100)는 데이터가 변조되어 샘플 심볼이 생성되는 샘플 심볼 생성부(110), 샘플 심볼 생성부(110)에서 생성되는 샘플 심볼이 전송을 위한 신호로 변환되는 펄스 성형 필터부(PSF, 120), PSF(120)에서 변환된 신호가 체인 그룹별로 배치된 하나의 DAC(134)를 통해 아날로그 신호로 변환되는 체인그룹 송신신호 변환부(130) 및 DAC(134)에서 변환된 신호가 IF 또는 RF 신호로 변환되는 업 변환부(140)를 포함한다. 체인그룹에는 N개의 체인(CH1, ... , CHN)이 속하고, PSF(120) 및 업 변환부(140) 등은 송신 안테나 체인마다 배치된다.
도 4의 좌측에 굵은 박스로 표시한 부분이 샘플 심볼 생성부(110)이다. 샘플 심볼 생성부(110)는 데이터가 변조되어 샘플 심볼이 생성되는 구성이다. 서브 밴드마다 전처리 행렬을 따로 계산하여 변조가 끝나 데이터에 적용한다. 샘플 심볼 생성부(110)에서 사용되는 변조 방식은 변조방식에는 1개의 비트(s=1)를 하나의 신호점(복소심볼)에 사상하는 BPSK(Binary Phase Shift Keying), 2개의 비트(s=2)를 하나의 복소심볼에 사상하는 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 3개의 비트(s=3)를 하나의 복소심볼에 사상하는 8PSK(8-ary Phase Shift Keying), 4개의 비트(s=4)를 하나의 복소심볼에 사상하는 16QAM, 6개의 비트(s=6)를 하나의 복소심볼에 사상하는 64QAM 등이 있다. 샘플 심볼 생성부(110)가 동작하는 원리는 해당분야의 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려진 것이므로 자세한 설명은 생략한다.
도 4의 중앙 부위에 굵은 박스로 표시한 부분이 체인그룹 송신신호 변환부(130)이다. 송신신호 지연보상부(136)는 굵은 박스 밖에 배치되는 것으로 도시하였지만, 본 발명에서는 기본적으로 송신신호 지연보상부(136)는 체인그룹 송신신호 변환부(130)에 포함되는 구성에 해당한다. 다만 본 발명에서 포괄적으로 명명한 구성에 다른 구성에 포함되는 구성이 조합되어도 동일한 작용을 한다면 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 체인그룹 송신신호 변환부(130)는 PSF(120)에서 변환된 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되는 송신신호 지연부(132), 송신신호 지연부(132)에서 지연되는 신호가 가산 연산으로 합산되는 신호 합산부(133), 신호 합산부(133)에서 전달되는 신호가 아날로그 신호로 변환되는 하나의 DAC(134), DAC(134)에서 변환된 신호가 체인 순서에 따라 업 변화부로 전달되는 신호 스위치부 및 DAC(134)에서 변환되는 신호 또는 업 변환부(140)에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연되는 송신신호 지연보상부(136)를 포함한다.
체인그룹 송신신호 변환부(130)는 하나의 체인그룹에 배치된다. 정확하게는 하나의 DAC(134), 하나의 신호 합산부(133) 및 하나의 송신신호 스위치부(135)가 체인 그룹에 배치되는 것이며, 송신신호 지연부(132) 및 송신신호 지연보상부(136)는 각 체인마다 배치된다.
송신신호 지연부(132)에서는 신호가 체인의 순서(1, 2, ..., n)에 따라 서로 다른 샘플 단위로 지연된다. 도면의 하측 방향에 따라 체인의 순서가 증가한다고 하면, 첫 번째 체인에 전달되는 신호는 지연되지 않고, 두 번째 체인부터 하나의 샘플 단위씩 지연되는 것이다. 도 4에서는 2개의 체인을 예로 도시하였으므로, 첫 번째 체인에서는 샘플 지연을 위한 지연기가 없고, 두 번째 체인에서는 1 샘플 단위가 지연되는 지연기(D로 도시함)가 배치된다. 송신신호 지연부(132)는 이와 같이 체인에 배치되는 지연기를 포함하는 구성이다.
한편 DAC(134)에서 아날로그 신호로 변환이 된 후 송신신호 지연부(132)에서 지연된 신호에 대한 보상을 위해 송신신호 지연보상부(136)가 지연보상을 수행한다. 도 4로 설명하면, 송신신호 지연부(132)에서 수행된 지연과는 반대로 첫 번째 체인에서만 1 샘플 단위로 지연된다. 이를 통해 전체 신호가 최초 체인그룹 송신신호 변환부(130)에 전달된 신호와 같이 동기화되는 것이다.
본 발명에 따른 MIMO 송신기(100)의 다른 실시예로서, 전술한 송신신호 지연부(132)가 PSF(120)와 일체형으로 구성되거나, PSF(120) 자체가 체인 순서에 따라 신호를 지연하는 구성이 가능하다.
이 경우 PSF(120)는 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되면서 샘플 심볼이 변환되고, 체인그룹 송신신호 변환부(130)는 송신신호 지연부(132)에서 지연된 신호가 체인 순서에 따라 아날로그 신호로 변환되는 하나의 DAC(134), DAC(134)에서 변환된 신호가 체인 순서에 따라 업 변화부로 전달되는 신호 스위치부 및 DAC(134)에서 변환되는 신호 또는 업 변환부(140)에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연되는 송신신호 지연보상부(136)를 포함한다.
본 발명에 따른 MIMO 송신기(100)는 PSF(120)에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 업 샘플링(upsamplng)되는 업 샘플링부(131)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 여기서 N CH는 하나의 체인그룹에 속한 체인의 개수이다.
업 샘플링부(131)는 체인그룹 송신신호 변환부(130)에 포함될 수도 있다. 이 경우 체인그룹 송신신호 변환부(130)는 PSF(120)에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 업 샘플링(upsamplng)되는 업 샘플링부(131)를 더 포함하고, 업 샘플링부(131)에서 업 샘플링되는 신호가 송신신호 지연부(132)에 전달된다. 도 4에서는 업 샘플링부(131)가 체인그룹 송신신호 변환부(130)에 포함되는 구성을 도시하였다.
도 4를 살펴보면, 2 배로 업 샘플링되는 송신기(100)를 도시하였고, 이에 대응되게 송신신호 스위치 및 DAC(134)는 2배의 속도로 동작해야 한다.
도 4를 기준으로 송신기(100)의 동작에 대해 설명하기로 한다. MIMO OFDM 송신기의 기존 구조는 반송파 별 전처리를 거쳐서, 안테나별 OFDM 복조를 마친 심볼이 DAC(134)를 거치고 업 변환(upconverting)되는데 반해, 본 발명에서 제안한 구조는 2배로 빠르게 동작하는 DAC(134) 하나만을 사용하고, 스위치를 사용하여 안테나로 심볼을 공급한다.
예컨대, 첫 번째 RF chain으로 [ABC], 두 번째 RF chain으로 [XYZ]로 표현하는 디지털 심볼을 세 개씩 송신하는 경우를 가정한다. 2배의 업 샘플링과 지연기를 통과한 디지털 심볼을 DAC(134)에 인가한다. 이때 DAC(134)에 인가되는 신호는 RF chain으로부터 나온 신호가 교대로 섞인 형태가 된다.
DAC(134)는 각 심볼에 0th order hold 연산을 수행하고, 이후 스위치를 거친 후 각 체인에 전달된다. 이때 변환된 아날로그 신호는 각각 [a0b0c0], [0x0y0z]로 표현할 수 있다. 그리고 첫 번째 RF chain에 인가된 신호는 지연기를 이용하여 지연 보상을 수행한다. 최종적으로는 [0a0b0c], [0x0y0z] 신호가 각 송신 안테나에 인가된다.
PSF(120)에서 업 샘플링을 수행하는 구조로 다시 한번 설명하면, 본 발명에 따른 송신기(100)는 PSF(120)에 안테나 개수(2배) 만큼의 업 샘플링을 수행한다. 심볼은 각 체인별로 zero padding하여 벡터로 표현한다. (D→(D,0), 여기서 D는 복조된 심볼.) 이후, 2번째 체인에 1 sample 지연을 주면, 이때 체인이 가지는 심볼은, 첫 번째 체인이 (D 1→(D 1,0)), 두 번째 체인이 (D 2→(0, D 2))를 갖는다. 이후 신호 합산부(가산기, 133)에서 신호를 덧셈하여 (D 1, D 2)를 DAC(134)에 인가한다. DAC(134)는 2배 빠르게 동작하고 있기 때문에 D 1 및 D 2를 모두 아날로그 영역으로 정보의 손실 없이 변환할 수 있다(각각 A1, A2라고 명명). DAC(134)와 동기된 스위칭 회로를 통과하여, 각 안테나 체인으로 심볼을 인가한다. 따라서 첫 번째 안테나는 A1을 얻고, 두 번째 안테나는 ½ 심볼 주기만큼의 지연을 가진 채로 A2를 얻는다. 따라서 첫 번째 안테나에서 아날로그 지연기를 사용하여, 각 안테나별로 같은 시점에 심볼을 전송할 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 수신기(200) 구조에 대한 블록도이다. 도 5에서도 도 4와 대응되게 체인이 2개인 경우를 예시적으로 도시한 것이다.
본 발명에 따른 수신기(200)는 수신 안테나로부터 전달되는 신호가 베이스밴드 신호로 변환되는 다운 변환부(210), 다운 변환부(210)에서 변환되는 신호가 체인 그룹별로 배치된 하나의 ADC(223)를 통해 디지털 신호로 변환되는 체인그룹 수신신호 변환부(220) 및 체인 그룹 수신신호 변환부에서 변환되는 디지털 신호가 복조되어 데이터가 복원되는 데이터 복원부를 포함한다. 체인그룹에는 N개의 체인(CH1, ... , CHN)이 속하고, 다운 변환부(210)는 수신 안테나 체인마다 배치되는 것을 특징으로 한다. 정확하게는 다운 변환부(210)에 포함되는 각 다운 변화기(downconverter)가 안테나 체인마다 배치되는 것이다.
본 발명에 따른 수신기(200)는 체인그룹마다 하나의 ADC(223)를 사용하기 위하여 전술한 송신기(100)와 유사한 구성을 갖는다. 도 5에 도시된 구성과는 다소 상이하지만, 본 발명에 따른 체인그룹 수신신호 변환부(220)는 다운 변환부(210)에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되는 수신신호 지연부(221), 수신신호 지연부(221)에서 전달되는 신호가 디지털 신호로 변환되는 하나의 ADC(223), 수신신호 지연부(221)와 ADC(223)를 연결하는 수신신호 스위치부(222) 및 ADC(223)에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연되는 수신신호 지연보상부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수신기(200)는 전술한 송신기(100)의 업 샘플링과 대응되는 다운 샘플링이 필요한다. 따라서 본 발명에 따른 수신기(200)는 ADC(223)에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 다운 샘플링(downsamplng)되는 다운 샘플링부(225)를 더 포함할 수 있다. 여기서 N CH는 하나의 체인그룹에 속한 체인의 개수이고, 다운 샘플링부(225)에서 다운 샘플링된 신호가 데이터 복원부에 전달된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 다운 샘플링부(225)는 본 발명의 체인그룹 수신신호 변환부(220)에 포함된 형태로도 구현이 가능하다. 이 경우 체인그룹 수신신호 변환부(220)는 ADC(223)에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 다운 샘플링(downsamplng)되는 다운 샘플링부(225)를 더 포함한다. 다운 샘플링부(225)는 ADC(223)와 수신신호 지연부(221) 사이에 배치되거나, 수신신호 지연부(221)와 데이터 복원부 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 수신기(200)에 대한 다른 실시예로서 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 체인그룹 수신신호 변환부(220)는 다운 변환부(210)에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [((n-1)/N) × 1 샘플] 단위로 지연되는 수신신호 지연부(221), 수신신호 지연부(221)에서 전달되는 신호가 디지털 신호로 변환되는 하나의 ADC(223), 수신신호 지연부(221)와 ADC를 연결하는 수신신호 스위치부(222), ADC(223)에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [((N-n)/N) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 제1 수신신호 지연보상부(224), 제1 수신신호 지연보상부(224)에서 지연 보상되는 신호가 N CH 배(倍)로 다운 샘플링(downsamplng)되는 다운 샘플링부(225) 및 다운 샘플링부(225)에서 다운 샘플링된 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 제2 수신신호 지연보상부(226)를 포함할 수 있다.
도 5를 기준으로 본 발명의 수신기(200) 동작에 대해 설명하기로 한다. 본 발명에서 제안한 구조는 2배로 빠르게 동작하는 ADC(223) 하나만을 사용하고, 스위치를 사용하여 안테나로 심볼을 공급한다. 예컨대, 첫번째 RF chain으로 y1(t), 두번째 RF chain으로 y2(t)를 수신받을 때, 두 번째 안테나로 들어온 심볼을 ½ 심볼 주기 만큼 지연하여, y1(t), y2(t-T/2)를 얻는다. 안테나 개수(2배) 만큼의 속도로 동작하는 스위칭 회로를 통해서 2배의 속도로 동작하는 ADC(223)로 디지털 심볼을 얻는다. 두 번째 chain으로 인가되는 지연을 고려하여 첫 번째 chain에 ½ 심볼 지연을 주어 다운 샘플링(downsampling)한다. 후처리를 위해 디지털 심볼의 타이밍(timimg)을 맞추어야 하므로, 첫 번째 chain에서 심볼 지연을 가하여 D 1을 얻으며, 두 번째 chain에서는 D 2를 얻을 수 있다. 이렇게 얻은 D 1 및 D 2는 데이터 복원부에 포함되는 다중 반송파 복조기와 채널 복호기(channel decoder)로 전달된다.
도 4 및 도 5에서는 체인이 2개인 경우를 도시하였고, 해당 내용으로 설명하였으나 본 발명은 체인이 2개인 MIMO 시스템에만 적용되는 것은 아니다. 전술한 바와 같이 복수 개의 체인이 포함되는 체인그룹에 하나의 데이터 변환기(DAC/ADC)를 사용한다.
안테나가 n 개이고, 데이터 변환기를 하나만 사용하는 MIMO 시스템을 가정하면 데이터 변환기는 n배 빠르게 동작해야 한다. 아날로그로 변환된 심볼은 DAC(134)와 같은 클럭(clock)으로 동작하는 스위치에 들어가게 된다. 결과적으로 다수의 RF 체인이 하나의 DAC(134)를 업 샘플링과 아날로그 스위칭을 통해 공유하는 방식이라 할 수 있다.
수신기(200)에서는 디지털로 변환된 신호가 각 안테나별로 1/n 심볼 단위로 지연하여 보간(interpolation)을 통해 신호를 계산한다. 송신기(100)와 같이 아날로그 스위치와 ADC(223)가 같은 클럭으로 동작해야 하고 다운 샘플링율(downsampling rate) 또한 이와 동일해야 한다.
본 발명의 다른 측면으로 전술한 송신기(100)에서 샘플신호가 아날로그 신호로 변환되는 방법 및 수신기(200)에서 수신된 신호가 디지털 신호로 변환되는 방법에 대해 설명하고자 한다.
도 6은 본 발명에 따른 MIMO 송신기(100)의 아날로그 신호 변환 방법에 대한 순서도이다. 도 6(a)는 MIMO 송신기(100)의 아날로그 신호 변환 방법의 전체 순서도이고, 도 6(b)는 S3 단계에 대한 구체적인 순서도이다.
본 발명에 따른 MIMO 송신기(100)의 아날로그 신호 변환 방법은 데이터가 변조기에서 변조되어 샘플 심볼이 생성되는 단계(S1), 샘플 심볼이 송신 안테나 체인마다 배치된 펄스 성형 필터부(PSF, 120)에서 전송을 위한 신호로 변환되는 단계(S2) 및 PSF(120)에서 변환된 신호가 체인 그룹별로 배치된 하나의 DAC(134)에서 아날로그 신호로 변환되는 단계(S3)를 포함한다. 체인그룹에는 N개의 체인(CH1, ... , CHN)이 속한다고 가정한다.
본 발명에 따른 S3 단계는 PSF(120)에서 변환된 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되는 단계(S3-2), 지연되는 신호가 가산기에서 가산 연산으로 합산되는 단계(S3-3), 가산 연산으로 합산된 신호가 DAC(134)에서 아날로그 신호로 변환되는 단계(S3-4), 아날로그 신호가 DAC(134)와 동일한 속도로 동작하는 송신 스위치를 통해 송신 안테나 체인으로 전달되는 단계(S3-5) 및 송신 스위치에서 전달되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 단계(S3-6)를 포함한다.
본 발명에 따른 MIMO 송신기(100)의 아날로그 신호 변환 방법은 PSF(120)에서 변환된 신호가 지연되는 단계(S3-2) 전에 PSF(120)에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 업 샘플링(upsamplng)되는 단계(S3-1)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명에 따른 MIMO 수신기(200)의 디지털 신호 변환 방법에 대한 순서도이다. 도 7(a)는 MIMO 수신기의 디지털 신호 변환 방법의 전체 순서도이고, 도 7(b)는 S20 단계에 대한 구체적인 순서도이다.
본 발명에 따른 MIMO 수신기(200)의 디지털 신호 변환 방법은 수신 안테나로부터 전달되는 신호가 수신 안테나 체인마다 배치된 다운 변환부(210)에서 베이스밴드 신호로 변환되는 단계(S10) 및 수신 스위치에서 전달되는 신호가 체인 그룹별로 배치된 하나의 ADC(223)를 통해 디지털 신호로 변환되는 단계(S20)를 포함한다.
도 7(b)에 도시된 실시예와는 다르지만, 본 발명의 S20 단계는 베이스밴드 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되는 단계(S20-a), 지연되는 신호가 ADC(223)와 동일한 속도로 동작하는 수신 스위치를 통해 하나의 ADC(223)로 전달되는 단계(S20-b), 수신 스위치를 통해 전달되는 신호가 ADC(223)에서 신호가 디지털 신호로 변환되는 단계(S20-c) 및 ADC(223)에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연되는 단계(S20-e)를 포함할 수 있다. 한편 ADC(223)에서 신호가 디지털 신호로 변환되는 단계(S20-c) 후에 ADC(223)에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 다운 샘플링(downsamplng)되는 단계(S20-d)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
나아가 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 S20 단계는 베이스밴드 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [((n-1)/N) × 1 샘플] 단위로 지연되는 단계(S20-1), 지연되는 신호가 ADC(223)와 동일한 속도로 동작하는 수신 스위치를 통해 하나의 ADC(223)로 전달되는 단계(S20-2), 수신 스위치를 통해 전달되는 신호가 ADC(223)에서 신호가 디지털 신호로 변환되는 단계(S20-3), ADC(223)에서 변환되는 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [((N-n)/N) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 단계(S20-4), 지연 보상되는 신호가 N CH 배(倍)로 다운 샘플링(downsamplng)되는 단계(S20-5) 및 다운 샘플링된 신호가 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 되는 단계(S20-6)를 포함할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 송신기(100)의 효과를 종래의 MIMO 시스템과 비교하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 송신기에서 송신 신호의 스펙트럼이 어떻게 변화되는지 간략하게 설명하고자 한다. 도 8(a)는 종래의 MIMO 송신기에서 DAC 와 LPF(Low pass filter)를 통과한 신호에 대한 주파수 영역을 도시한 그래프이다. 도 8(b)는 본 발명에 따른 MIMO 송신기에서 DAC와 LPF를 통과한 신호에 대한 주파수 영역을 도시한 그래프이다.
도 8(a)에 도시된 바와 같이 종래의 송신기는 수열로 정의된 디지털 심볼에 DAC를 인가한다. DAC의 동작 중 0th order hold는 사각파(rectangular pulse)와의 컨볼루션(convolution)으로 해석할 수 있기 때문에, 샘플 기간(sample duration)에 해당하는 T만큼의 펄스폭(pulse width)을 가지는 펄스를 거친다. 주파수 영역에서 sinc 형태를 가지므로, 스펙트럼은 도 8(a)와 같은 형태를 지닌다. 이후 DAC에서 변환된 신호는 Harmonics를 제거하기 위한 LPF(low pass filter)를 거쳐, 안테나로 인가된다.
그러나 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 송신기는 2배로 더 빠르게 동작하는 DAC를 사용하기 때문에, 샘플 기간의 절반에 해당하는 T/2만큼의 펄스폭을 가지는 펄스로 디지털 심볼을 0(zero)th order hold한다. 따라서 주파수 영역에서의 sinc 형태가 더 넓은 폭을 가져서, 스펙트럼은 도 8(b)와 같다.
도 8(a)와 도 8(b)를 비교해보면, 0th order hold를 통해서 디지털 심볼의 스펙트럼이 sinc와의 곱을 나타내므로, 더 넓은 sinc 형태를 가지는 본 발명의 송신기 구조가 더 작은 왜곡을 가짐을 알 수 있다. 다시 말해서, 본 발명에 따른 송신기가 더 작은 펄스 잔류(pulse droop) 성능을 갖는다.
도 9(a)는 종래의 MIMO 송신기와 본 발명에 따른 MIMO 송신기에 대한 PSD(power spectrum density)를 비교한 그래프이다. 도 9(b)는 도 9(a)를 확대한 그래프이다.
본 발명의 효과를 검증하기 위하여 송신기에 대하여 종래의 송신기 구조와 본 발명의 송신기 구조의 PSD(power spectrum density)를 비교하였다. 모의 실험 파라미터들은 다음과 같다. 데이터의 길이는 1000 심볼이며 FFT size는 512이다. 또한, PSF는 raised cosine 필터로써, 2배의 oversampling rate를 갖고 roll-off factor는 0.22이다.
도 9(a)는 DAC의 input에 따라 종래의 송신기 구조 및 본 발명의 송신기 구조의 DAC output의 PSD를 전체 정규화된(normalize) 주파수 상에서 보인 것이고 도 9(b)는 이를 좀 더 확대하여 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 구조는 안테나별 아날로그 스위칭에 따른 에너지 분산으로 PSD가 종래 구조보다 낮은 것을 확인할 수 있다. 하지만 이는 DAC자체적으로 크기( scaling) 조절 가능하므로 성능상에서 큰 문제가 되지 않는다. 도 8에 대해 전술한 봐와 같이 더 빠른 DAC를 사용함으로 인하여 (즉, 주파수 영역에서는 더 넓은 sinc 형태로 곱해지기 때문에) 추출하고자 하는 기저 대역 신호가 기존보다 더 작은 펄스 잔류 성능을 가짐을 확인할 수 있다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
10 : MIMO 시스템 100 : MIMO 송신기
110 : 샘플 심볼 생성부 120 : PSF
130 : 체인그룹 송신신호 변환부 131 : 업 샘플링부
132 : 송신신호 지연부 133 : 신호 합산부
134 : DAC 135 : 송신신호 스위치부
136 : 송신신호 지연보상부 140 : 업 변환부
200 : MIMO 수신기 210 : 다운 변환부
220 : 체인그룹 수신신호 변환부 221 : 수신신호 지연부
222 : 수신신호 스위치부 223 : ADC
224 : 제1 수신신호 지연보상부 225 : 다운 샘플링부
226 : 제2 수신신호 지연보상부

Claims (18)

  1. MIMO 송신기에 있어서,
    데이터가 변조되어 샘플 심볼이 생성되는 샘플 심볼 생성부;
    상기 샘플 심볼 생성부에서 생성되는 샘플 심볼이 전송을 위한 신호로 변환되는 펄스 성형 필터부(PSF);
    상기 PSF에서 변환된 복수의 신호가 N개의 체인(CH1, ... , CHN)을 통해 전달되는 하나의 DAC 및 상기 DAC에서 변환된 복수의 신호가 입력된 체인 순서에 따라 전달되도록 제어하는 스위치를 포함하는 체인그룹 송신신호 변환부; 및
    상기 스위치에서 전달되는 신호가 IF 또는 RF 신호로 변환되는 업 변환부를 포함하되, 상기 체인그룹 송신신호 변환부는 상기 N개의 체인을 포함하는 체인그룹별로 배치되는 MIMO 송신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 체인그룹 송신신호 변환부는
    상기 PSF에서 변환된 신호가 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되는 송신신호 지연부;
    상기 송신신호 지연부에서 지연되는 신호가 가산 연산으로 합산되는 신호 합산부;
    상기 신호 합산부에서 전달되는 신호가 아날로그 신호로 변환되는 하나의 디지털-아날로그 변환기(DAC);
    상기 DAC에서 변환된 신호가 입력된 체인 순서에 따라 상기 업 변화부로 전달되는 송신신호 스위치부; 및
    상기 DAC에서 변환되는 신호 또는 상기 업 변환부에서 변환되는 신호가 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연되는 송신신호 지연보상부를 포함하는 MIMO 송신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PSF는 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되면서 샘플 심볼이 변환되는 것을 특징으로 하고,
    상기 체인그룹 송신신호 변환부는
    상기 송신신호 지연부에서 지연된 신호가 체인 순서에 따라 아날로그 신호로 변환되는 하나의 디지털-아날로그 변환기(DAC);
    상기 DAC에서 변환된 신호가 체인 순서에 따라 상기 업 변화부로 전달되는 신호 스위치부; 및
    상기 DAC에서 변환되는 신호 또는 상기 업 변환부에서 변환되는 신호가 상기 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연되는 송신신호 지연보상부를 포함하는 MIMO 송신기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 PSF에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 업 샘플링(upsamplng)되는 업 샘플링부를 더 포함하되, 상기 N CH는 하나의 체인그룹에 속한 체인의 개수인 MIMO 송신기.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 체인그룹 송신신호 변환부는
    상기 PSF에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 업 샘플링(upsamplng)되는 업 샘플링부를 더 포함하되, 상기 N CH는 하나의 체인그룹에 속한 체인의 개수이고, 상기 업 샘플링부에서 업 샘플링되는 신호가 상기 송신신호 지연부에 전송되는 MIMO 송신기.
  6. MIMO 수신기에 있어서,
    수신 안테나로부터 전달되는 신호가 베이스밴드 신호로 변환되는 다운 변환부;
    상기 다운 변환부에서 변환되는 복수의 신호가 N개의 체인(CH1, ... , CHN)을 통해 전달되는 하나의 ADC 및 상기 ADC에서 변환된 신호가 입력된 체인 순서에 따라 전달되도록 제어하는 스위치를 포함하는 체인그룹 수신신호 변환부; 및
    상기 체인 그룹 수신신호 변환부에서 변환되는 디지털 신호가 복조되어 데이터가 복원되는 데이터 복원부를 포함하되,
    상기 체인그룹 수신신호 변환부는 상기 N개의 체인을 포함하는 체인그룹별로 배치되는 MIMO 수신기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 체인그룹 수신신호 변환부는 체인그룹별로 배치되는 것으로,
    상기 다운 변환부에서 변환되는 신호가 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되는 수신신호 지연부;
    상기 수신신호 지연부에서 전달되는 신호가 디지털 신호로 변환되는 하나의 아날로그-디지털 변환기(ADC);
    상기 수신신호 지연부와 상기 ADC를 연결하는 수신신호 스위치부; 및
    상기 ADC에서 변환되는 신호가 상기 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연되는 수신신호 지연보상부를 포함하는 MIMO 수신기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 ADC에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 다운 샘플링(downsamplng)되는 다운 샘플링부를 더 포함하되, 상기 N CH는 하나의 체인그룹에 속한 체인의 개수이고, 상기 다운 샘플링부에서 다운 샘플링된 신호가 상기 데이터 복원부에 전달되는 MIMO 수신기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 체인그룹 수신신호 변환부는
    상기 ADC에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 다운 샘플링(downsamplng)되는 다운 샘플링부를 더 포함하되, 상기 N CH는 하나의 체인그룹에 속한 체인의 개수이고, 상기 다운 샘플링부는 상기 ADC와 상기 수신신호 지연부 사이에 배치되거나, 상기 수신신호 지연부와 상기 데이터 복원부 사이에 배치되는 MIMO 수신기.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 체인그룹 수신신호 변환부는 체인그룹별로 배치되는 것으로,
    상기 다운 변환부에서 변환되는 신호가 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [((n-1)/N) × 1 샘플] 단위로 지연되는 수신신호 지연부;
    상기 수신신호 지연부에서 전달되는 신호가 디지털 신호로 변환되는 하나의 아날로그-디지털 변환기(ADC);
    상기 수신신호 지연부와 상기 ADC를 연결하는 수신신호 스위치부;
    상기 ADC에서 변환되는 신호가 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [((N-n)/N) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 제1 수신신호 지연보상부;
    상기 제1 수신신호 지연보상부에서 지연 보상되는 신호가 N CH 배(倍)로 다운 샘플링(downsamplng)되는 다운 샘플링부; 및
    상기 다운 샘플링부에서 다운 샘플링된 신호가 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 제2 수신신호 지연보상부를 포함하되, 상기 N CH는 하나의 체인그룹에 속한 체인의 개수인 MIMO 수신기.
  11. 삭제
  12. MIMO 송신기에서 샘플 심볼이 아날로그 신호로 변환되는 방법에 있어서,
    데이터가 변조기에서 변조되어 샘플 심볼이 생성되는 단계;
    상기 샘플 심볼이 송신 안테나 체인마다 배치된 펄스 성형 필터부(PSF)에서 전송을 위한 신호로 변환되는 단계; 및
    상기 PSF에서 변환된 신호가 체인 그룹별로 배치된 하나의 DAC에서 아날로그 신호로 변환되는 단계를 포함하되, 상기 체인그룹에는 N개의 체인(CH1, ... , CHN)이 속하고,
    상기 아날로그 신호로 변환되는 단계는
    상기 PSF에서 변환된 신호가 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되는 단계;
    상기 지연되는 신호가 가산기에서 가산 연산으로 합산되는 단계;
    상기 가산 연산으로 합산된 신호가 상기 DAC에서 아날로그 신호로 변환되는 단계;
    상기 아날로그 신호가 DAC와 동일한 속도로 동작하는 송신 스위치를 통해 상기 송신 안테나 체인으로 전달되는 단계; 및
    상기 송신 스위치에서 전달되는 신호가 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 송신기의 아날로그 신호 변환 방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 PSF에서 변환된 신호가 지연되는 단계 전에 상기 PSF에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 업 샘플링(upsamplng)되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하되, 상기 N CH는 하나의 체인그룹에 속한 체인의 개수인 것을 특징으로 하는MIMO 송신기의 아날로그 신호 변환 방법.
  15. MIMO 수신기에서 수신 안테나로 수신된 신호가 디지털 신호로 변환되는 방법에 있어서,
    상기 수신 안테나로부터 전달되는 신호가 수신 안테나 체인마다 배치된 다운 변환부에서 베이스밴드 신호로 변환되는 단계; 및
    상기 베이스밴드 신호가 N개의 체인(CH1, ... , CHN)이 속하는 체인 그룹별로 배치된 하나의 ADC에 전달되고, 상기 ADC에서 변환된 신호가 스위치를 통해 입력된 체인 순서에 따라 전달되도록 제어하여, 상기 베이스밴드 신호가 디지털 신호로 변환되는 단계를 포함하는 MIMO 수신기의 디지털 신호 변환 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 디지털 신호로 변환되는 단계는
    상기 베이스밴드 신호가 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(n-1) × 1 샘플] 단위로 지연되는 단계;
    상기 지연되는 신호가 ADC와 동일한 속도로 동작하는 수신 스위치를 통해 하나의 ADC로 전달되는 단계;
    상기 수신 스위치를 통해 전달되는 신호가 ADC에서 신호가 디지털 신호로 변환되는 단계; 및
    상기 ADC에서 변환되는 신호가 상기 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 수신기의 디지털 신호 변환 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 ADC에서 신호가 디지털 신호로 변환되는 단계 후에 상기 ADC에서 변환되는 신호가 N CH 배(倍)로 다운 샘플링(downsamplng)되는 단계를 더 포함하되, 상기 N CH는 하나의 체인그룹에 속한 체인의 개수인 것을 특징으로 하는 MIMO 수신기의 디지털 신호 변환 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 디지털 신호로 변환되는 단계는
    상기 베이스밴드 신호가 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [((n-1)/N) × 1 샘플] 단위로 지연되는 단계;
    상기 지연되는 신호가 ADC와 동일한 속도로 동작하는 수신 스위치를 통해 하나의 ADC로 전달되는 단계;
    상기 수신 스위치를 통해 전달되는 신호가 ADC에서 신호가 디지털 신호로 변환되는 단계;
    상기 ADC에서 변환되는 신호가 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [((N-n)/N) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 단계;
    상기 지연 보상되는 신호가 N CH 배(倍)로 다운 샘플링(downsamplng)되는 단계; 및
    상기 다운 샘플링된 신호가 상기 체인그룹에 속한 체인 순서(n)에 따라 [(N-n) × 1 샘플] 단위로 지연 보상되는 되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 수신기의 디지털 신호 변환 방법.
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