KR100514088B1 - Mid-range High-rate Ultra-Wide band Wireless Transceiver - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선 송수신 장치에 관한 것으로, 특히 울트라-와이드 대역(UWB) 무선 송수신 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless transceiver, and more particularly to an ultra-wide band (UWB) wireless transceiver.
상기와 같은 본 발명은 울트라-와이드 대역 무선 송수신 장치에 있어서, 서로 다른 주파수 밴드를 통하여 직교주파수 영역변조 신호를 동시에 전송하는 복수의 병렬 링크로 구성되며, 상기 병렬 링크는 직교주파수 영역 변조된 기저대역 디지털 신호를 입력받아 이득을 제어하는 디지털 자동이득조절기를 포함하여 구성되는 울트라-와이드 대역 무선 송수신 장치를 개시한다.As described above, the present invention is an ultra-wide band wireless transceiver, comprising a plurality of parallel links for simultaneously transmitting orthogonal frequency domain modulated signals through different frequency bands, wherein the parallel links are orthogonal frequency domain modulated basebands. Disclosed is an ultra-wide band wireless transceiver including a digital auto gain controller for controlling a gain by receiving a digital signal.
본 발명에 의해 IEEE P802.15.3a 규격을 준수하는 기기와 동시 사용이 가능하며, 상호운용성을 가지는 울트라-와이드 대역 무선 송수신기 설계가 가능하다.The present invention enables simultaneous use with devices that conform to the IEEE P802.15.3a standard and enables the design of ultra-wide band wireless transceivers with interoperability.
Description
본 발명은 무선 송수신 장치에 관한 것으로, 특히 울트라-와이드 대역(UWB) 무선 송수신 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a wireless transceiver, and more particularly to an ultra-wide band (UWB) wireless transceiver.
일반적으로, 울트라-와이드 대역(UWB) 시스템은 특히 이동 통신 및 무선 통신 시스템에 적용될 수 있다. 무선 통신과 네트워크의 발달로 홈 네트워킹, 무선 데이터 저장장치, 무선 디스플레이 등의 매우 높은 전송속도를 가지는 무선 통신 시스템에 대한 요구가 증대되고 있다.In general, ultra-wide band (UWB) systems are particularly applicable to mobile and wireless communication systems. BACKGROUND With the development of wireless communication and networks, there is an increasing demand for a wireless communication system having a very high transmission speed such as home networking, wireless data storage, and wireless display.
울트라-와이드 대역(UWB) 무선 통신시스템을 위해 3 미터 이내의 근거리에서 480 Mbps 의 초고속 무선 데이터를 전송하기 위한 IEEE P802.15.3a 규격의 표준화가 진행되고 있다. 그리고 75 미터의 원거리에서 수 Mbps 의 저속 데이터 전송을 위한 IEEE 802.15 워크 그룹내부의 4a 스터디 그룹이 형성되어 있다. 울트라-와이드 대역(UWB) 무선 송수신기 구조에 대한 종래의 기술은, [논문 1: W. Namgoong, "A Channelized Digital Ultrawideband Receiver," IEEE Trans. on Wireless Communications, pp. 502-510, Vol. 2, No. 3, May 2003], [논문 2: I. O'donnel, "An Integrated, Low Power, Ultra-Wideband Transceiver Architecture for Low-Rate, Indoor Wireless Systems," Proc. of IEEE Circuits and Systems Workshop on Wireless Communications and Networking, Sep. 2002] 및 [논문 3: R. Blazquaz, F. S. Lee, D. Wentzloff, P. Newaskar, J. D. Powell, A. P. Chandrakasan, "Digital Architecture for an Ultra-Wideband Radio Receiver," IEEE Vehicular Technology Conf., Oct. 2003] 에 제시되어 있다.For Ultra-Wideband (UWB) wireless communication systems, the IEEE P802.15.3a standard is underway to transmit 480 Mbps ultra-high-speed wireless data within a short range of 3 meters. A 4a study group is formed within the IEEE 802.15 workgroup for low-speed data transfers of several Mbps over a distance of 75 meters. Conventional techniques for the structure of ultra-wide band (UWB) radio transceivers are described in [Paper 1: W. Namgoong, "A Channelized Digital Ultrawideband Receiver," IEEE Trans. on Wireless Communications, pp. 502-510, Vol. 2, No. 3, May 2003], [Paper 2: I. O'donnel, "An Integrated, Low Power, Ultra-Wideband Transceiver Architecture for Low-Rate, Indoor Wireless Systems," Proc. of IEEE Circuits and Systems Workshop on Wireless Communications and Networking, Sep. 2002] and [Paper 3: R. Blazquaz, F. S. Lee, D. Wentzloff, P. Newaskar, J. D. Powell, A. P. Chandrakasan, "Digital Architecture for an Ultra-Wideband Radio Receiver," IEEE Vehicular Technology Conf., Oct. 2003].
남가주 대학(USC)에서 발표한 상기 [논문 1]은 울트라-와이드 대역(UWB) 임펄스를 여러 개의 주파수 밴드로 나누어 받아들이는 수신기 구조를 제안하고 있다. 울트라-와이드 대역(UWB) 임펄스 수신기를 병렬 구조로 구성하여 각기 다른 주파수로 샘플링하여 송신 신호를 추정하면, 협대역 신호 간섭에 강하고, 아날로그-디지탈 변환기의 다이나믹 레인지를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 이 경우 밴드 당 최대 전송 속도와 최대 전송 가능 거리간의 조절이 가능하다. 하지만, 이에 부합하는 송신기 구조를 제안하고 있지 않으며, 무선 채널의 다중 경로 페이딩에 강인성을 가지기 위해서는 디지털 신호 처리 블록이 매우 복잡해지는 단점이 있다.[Paper 1], published by the University of Southern California (USC), proposes a receiver structure that receives an ultra-wide band (UWB) impulse into multiple frequency bands. Ultra-wide band (UWB) impulse receivers can be configured in parallel and sampled at different frequencies to estimate the transmission signal, which is resistant to narrowband signal interference and can reduce the dynamic range of analog-to-digital converters. In this case, it is possible to adjust between the maximum transmission rate and the maximum transmission distance per band. However, there is no proposal of a transmitter structure corresponding to this, and the digital signal processing block is very complicated to have robustness in multipath fading of a wireless channel.
캘리포니아 대학(UCB)의 무선연구센터에서 발표한 상기 [논문 2]는 울트라-와이드 대역(UWB) 무선 송수신기가 소모하는 전력을 최소화하는 것을 목표로 설계된 것으로, 100 Mbps 이상의 고속 데이터 전송을 위해서는 실현하기 어려운 사양의 아날로그 디지털 변환기를 요구한다. 또한 고속 데이터 전송을 위해 필요한 폭이 좁은 울트라-와이드 대역(UWB) 펄스를 실리콘 트랜지스터를 이용하여 구현하기가 어려워 경제성이 떨어진다는 단점이 있다.[Paper 2], presented at the University of California (UCB) Wireless Research Center, is designed to minimize the power consumed by ultra-wide band (UWB) radio transceivers. Requires analog-to-digital converters of difficult specifications. In addition, it is difficult to implement narrow ultra-wide band (UWB) pulses required for high-speed data transmission using silicon transistors, which is disadvantageous in terms of economical efficiency.
매사추세츠 공과대학(MIT)의 미세시스템연구소에서 발표한 상기 [논문 3]은 임펄스를 이용하여 데이터를 전송하는 울트라-와이드 대역(UWB) 무선 송수신기 구조와 그 성능을 제시한다. 상기 [논문 2]와 흡사한 구조를 가지나 고속 데이터 전송이 가능하다. 하지만, 임펄스를 이용하므로 무선 채널환경에서 상대적으로 강인성이 약하며, 송수신기의 구조상 전송속도를 유지하면서 최대 전송 가능 거리를 증가시킬 수 없다.Paper 3, presented at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) Microsystems Research Institute, presents the architecture and performance of ultra-wideband (UWB) radio transceivers that transmit data using impulses. It has a structure similar to that of [Paper 2], but enables high-speed data transmission. However, since the impulse is used, the robustness is relatively weak in the wireless channel environment, and the maximum transmission distance cannot be increased while maintaining the transmission speed due to the structure of the transceiver.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하는 방법을 제공함에 있다. It is therefore an object of the present invention to provide a method for solving the above problems of the prior art.
본 발명의 다른 목적은 홈 네트워킹이나 사무환경에 보다 적합한 10미터 근방의 중거리 고속 무선데이터 전송이 불가능하다는 기술적 문제점을 해결하는 울트라-와이드 대역(UWB) 무선 데이터 송수신기 장치를 제공함에 있다. It is another object of the present invention to provide an ultra-wide band (UWB) wireless data transceiver apparatus which solves the technical problem that mid-range high-speed wireless data transmission near 10 meters is more suitable for home networking or office environment.
상기와 같은 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일측면은,One aspect of the present invention for achieving the above object of the present invention,
울트라-와이드 대역 무선 송수신 장치에 있어서, 서로 다른 주파수 밴드를 통하여 직교주파수 영역변조 신호를 동시에 전송하는 복수의 병렬 링크로 구성되며, 상기 병렬 링크는 직교주파수 영역 변조된 기저대역 디지털 신호를 입력받아 이득을 제어하는 디지털 자동이득조절기를 포함하여 구성되는 울트라-와이드 대역 무선 송수신 장치를 개시한다.In an ultra-wide band wireless transceiver, a plurality of parallel links simultaneously transmitting orthogonal frequency domain modulated signals through different frequency bands, wherein the parallel link receives a gain of an orthogonal frequency domain modulated baseband digital signal. Disclosed is an ultra-wide band wireless transceiver including a digital automatic gain controller for controlling the apparatus.
본 발명의 다른 일측면은 서로 다른 주파수 밴드를 통하여 대역폭 제한된 임펄스 신호를 동시에 전송하는 복수의 병렬 링크로 구성되며, 상기 병렬 링크는 대역폭 제한된 임펄스 신호를 입력받아 이득을 제어하는 디지털 자동이득조절기를 포함하여 구성되는 무선 송수신 장치를 개시한다.Another aspect of the present invention comprises a plurality of parallel links for simultaneously transmitting bandwidth-limited impulse signals over different frequency bands, the parallel links comprising a digital automatic gain controller for controlling gain by receiving a bandwidth-limited impulse signal. A wireless transceiver configured to be disclosed.
또한 상기 디지털 자동이득조절기는 개방루프 구조로서, 디지털-아날로그 변환기와 연결되며 직교주파수 영역변조 심볼마다 서로 다른 이득을 이용하여 디지털-아날로그 변환기의 다이나믹 레인지 이용범위를 증가시킴을 특징으로 한다. 수신기에서 사용되는 일반적인 디지털 자동이득 조절기와 달리, 상기 이득 조절기는 에러 보정 모듈 없이 동작할 수 있어 구조가 단순하다. 또한, 곱셈기 대신 500 MHz 이상의 고속 베이스밴드 신호의 처리가 용이한 쉬프터를 이용하며, 직교주파수영역변조 심볼 신호와 동기를 유지하는 것을 특징으로 한다.In addition, the digital automatic gain controller is an open loop structure, which is connected to the digital-analog converter and increases the dynamic range utilization range of the digital-analog converter by using different gains for the quadrature frequency domain modulation symbols. Unlike conventional digital automatic gain regulators used in receivers, the gain regulator can operate without an error correction module, resulting in a simple structure. In addition, a shifter that is capable of processing a high-speed baseband signal of 500 MHz or more in place of a multiplier is used, and is synchronized with an orthogonal frequency domain modulation symbol signal.
또한, 상술한 무선 송수신 장치는 분배기를 제거하여 송신기 안테나와 수신기 안테나를 별도로 사용하는 구성도 가능하다.In addition, the above-described wireless transceiver may be configured to separately use the transmitter antenna and the receiver antenna by removing the distributor.
이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 참조번호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. DETAILED DESCRIPTION A detailed description of preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. It should be noted that reference numerals and like elements among the drawings are denoted by the same reference numerals and symbols as much as possible even though they are shown in different drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
<본 발명의 원리>Principle of the Invention
종래기술의 문제점을 해결하고, 본원 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원리는 울트라-와이드 대역(UWB) 무선 송수신 장치에 있어서, 주어진 주파수 밴드를 효율적으로 사용하여 보다 먼 거리에 고속 데이터를 전송하기 위해 전송신호 전력의 최대-평균비율(PAR)을 낮추어 디지털-아날로그 변환기에서 나타나는 양자화 오차를 최소화하는 것이다.The principle of the present invention to solve the problems of the prior art and to achieve the object of the present invention is to transmit a high-speed data over a longer distance by using a given frequency band efficiently in an ultra-wide band (UWB) wireless transceiver In order to minimize the quantization error in the digital-to-analog converter, the maximum-average ratio (PAR) of the transmission signal power is lowered.
직교 주파수 영역 변조(OFDM)에 사용되는 하나의 부채널에 대한 신호 전력은 하기 <수학식 1>로 정의 된다.The signal power for one subchannel used for orthogonal frequency domain modulation (OFDM) is defined by Equation 1 below.
상기 <수학식 1>에서 A는 부채널에 실려 전송되는 신호의 크기이고, Ns 는 부채널의 수이다. 수신기에서 이 신호가 아날로그-디지털 변환기를 거치면 하기 <수학식 2>와 같은 양자화 오차에 따른 노이즈 전력이 부가된다.In Equation 1, A is the magnitude of a signal transmitted on a subchannel, and N s is the number of subchannels. When the signal passes through the analog-to-digital converter at the receiver, noise power according to the quantization error shown in Equation 2 is added.
상기 <수학식 2>에서, 우변의 분모는 다이나믹 레인지가 mmax 이고 양자화 레벨의 수가 L인 아날로그-디지털 변환기 출력의 최하위 비트가 표현하는 신호의 크기의 제곱이다. 즉, △는 하기 <수학식 3>과 같다.In Equation 2, the denominator on the right side is the square of the magnitude of the signal represented by the least significant bit of the analog-to-digital converter output having the dynamic range of m max and the number of quantization levels. That is, Δ is as shown in Equation 3 below.
고속 퓨리에 변환을 거친 양자화 오차에 대한 노이즈 전력은 하기 <수학식 4>와 같이 주어진다.The noise power for the quantization error through the fast Fourier transform is given by Equation 4 below.
이상적 가우시안 노이즈 채널에서 직교주파수영역변조 방식을 사용하는 수신기의 신호 대 잡음비는 하나의 부 채널에 대한 신호 전력과 고속 퓨리에 변환(FFT)을 거친 양자화 오차에 의한 노이즈 전력의 합이다. 본 발명에 따른 울트라-와이드 대역(UWB) 송수신기는 전술한 신호 대 잡음비를 최대화하기 위한 것이다. 전송신호 전력의 최대-평균비율을 낮추기 위한 기존 기술은 디지털-아날로그 변환기의 양자화 오차를 항상 최소화하지는 않으므로, 전술한 신호 대 잡음비가 최대로 달성되지 않는다.In an ideal Gaussian noise channel, the signal-to-noise ratio of a receiver using quadrature frequency domain modulation is the sum of the signal power for one subchannel and the noise power due to quantization error through fast Fourier transform (FFT). The ultra-wide band (UWB) transceiver according to the present invention is for maximizing the aforementioned signal-to-noise ratio. Existing techniques for lowering the maximum-average ratio of transmission signal power do not always minimize the quantization error of the digital-to-analog converter, so that the aforementioned signal-to-noise ratio is not achieved to the maximum.
<실시예><Example>
본 발명의 실시예에 따른 송신 장치는 10 미터에서 330Mbps의 속도로 데이터를 전송하기 위해 직교주파수 영역 변조를 사용하는 3개의 주파수 밴드를 동시에 전송할 수 있도록 3개의 링크를 병렬로 구성하는 것을 특징으로 한다.The transmission apparatus according to the embodiment of the present invention is characterized by configuring three links in parallel so as to simultaneously transmit three frequency bands using orthogonal frequency domain modulation to transmit data at a rate of 330 Mbps at 10 meters. .
직교주파수 영역 변조를 사용하여 전송되는 신호 전력의 최대-평균 파워비율(PAR)이 커짐으로 인하여 아날로그-디지털 변환에서의 양자화 오차는 증가하고, 이로 인해 궁극적으로는 전송속도가 떨어지는 문제가 발생한다. 본 발명의 실시예에 따른 송신 장치는 이러한 문제를 해결하기 위한 송신기 자동 이득 조절기를 포함하여 구성된다.As the maximum-average power ratio PAR of the signal power transmitted using the orthogonal frequency domain modulation increases, the quantization error in the analog-to-digital conversion increases, resulting in a problem that the transmission rate ultimately decreases. The transmission apparatus according to the embodiment of the present invention comprises a transmitter automatic gain adjuster for solving this problem.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 중거리 고속 울트라-와이드 대역 송신 장치의 구성을 보여주는 블록 다이어그램이다. 직교주파수 영역 변조를 사용하므로 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 동위상(in-phase)채널과 직교위상(quadrature)채널을 동시에 전송하기 위해 두 개의 경로를 갖는다.1 is a block diagram showing the configuration of a medium-range high-speed ultra-wide band transmission apparatus according to an embodiment of the present invention. Since quadrature frequency domain modulation is used, as shown in FIG. 1, two paths are used to simultaneously transmit an in-phase channel and a quadrature channel.
베이스밴드 디지털 신호처리 모듈(OFDM Baseband DSP)(100)은 전형적으로 디지털-아날로그 변환기(130)의 타이밍, 상기 변환기(130)에 입력되는 지역주파수 오프셋, 시스템의 저전력 동작을 위해 출력 파워를 조절하는 아날로그 프론트엔드 제어 신호를 포함한다. 베이스밴드 신호처리 모듈(100)에서 생성된 직교주파수영역변조(OFDM)신호는 IEEE P802.15.3a 규격을 준수하는 대역폭 528 MHz 인 베이스밴드 신호이다. 일반적으로 직교주파수영역변조 신호는 최대-평균전력비(PAPR)가 커서 요구되는 디지털-아날로그 변환기(130)의 다이나믹 레인지가 크다. The baseband digital signal processing module (OFDM Baseband DSP) 100 typically controls the timing of the digital-to-analog converter 130, the local frequency offset input to the converter 130, and the output power for low power operation of the system. It includes an analog front end control signal. An Orthogonal Frequency Domain Modulation (OFDM) signal generated by the baseband signal processing module 100 is a baseband signal having a bandwidth of 528 MHz complying with the IEEE P802.15.3a standard. In general, the quadrature frequency domain modulated signal has a large maximum-average power ratio (PAPR), and therefore requires a large dynamic range of the digital-analog converter 130.
디지털 자동이득 조절기(AGC)(120)는 디지털 신호처리 모듈(100)의 직교주파수영역변조 출력인 실수부와 허수부를 표현하는 동위상채널과 직교위상채널에 대한 자동이득조절을 디지털 영역에서 처리한다. 상기 디지털 자동이득 조절기(120)은 피드백을 갖는 폐루프 구조가 아닌 개방루프 구조이므로 실시간 응답이 가능하고, 디지털-아날로그 변환기에 요구되는 다이나믹 레인지를 감소시킨다. 이에 따라, 양자화 오차가 줄어들어 시스템 성능이 향상되며, 저가의 디지털-아날로그 변환기(130)을 사용할 수 있도록 하는 효과를 달성할 수 있다.The digital automatic gain controller (AGC) 120 processes the automatic gain control for the in-phase channel and the quadrature channel representing the real part and the imaginary part of the quadrature frequency domain modulation output of the digital signal processing module 100 in the digital domain. . Since the digital automatic gain controller 120 is an open loop structure rather than a closed loop structure having feedback, real-time response is possible, and the dynamic range required for the digital-analog converter is reduced. Accordingly, the system performance is improved by reducing the quantization error, and the effect of enabling the use of the low cost digital-to-analog converter 130 may be achieved.
저역통과필터(140)는 디지털-아날로그 변환기(130)를 거쳐 변환된 아날로그 신호의 앨리어싱 성분을 제거한다. 다음으로, 혼합기(150)는 주파수 합성기(110)가 출력하는 캐리어 주파수 밴드로 신호를 출력한다. 주파수 합성기(110)는 IEEE P802.15.3a 표준의 모드1 또는 모드2 밴드의 중심 주파수를 순차적으로 출력한다. The low pass filter 140 removes the aliasing component of the converted analog signal through the digital-to-analog converter 130. Next, the mixer 150 outputs a signal in a carrier frequency band output by the frequency synthesizer 110. The frequency synthesizer 110 sequentially outputs the center frequencies of the Mode 1 or Mode 2 bands of the IEEE P802.15.3a standard.
믹싱된 신호는 저잡음 증폭기(160), 파워결합기(170)를 거치면서 목적하는 전송 속도와 거리에 부합하는 출력파워를 가지도록 증폭된다. 그리고, 분배기(180)를 통하여 수신기와 안테나(190)을 공유할 수 있도록 연결된다. 분배기(180)을 사용하지 않고, 파워결합기(170)와 안테나(190)을 직접 접속하여, 송신기와 수신기에서 별도의 안테나를 사용하는 구성도 가능하다.The mixed signal is amplified to have an output power that matches the desired transmission speed and distance while passing through the low noise amplifier 160 and the power combiner 170. Then, the distributor 180 is connected to share the antenna 190 with the receiver. Instead of using the distributor 180, the power combiner 170 and the antenna 190 may be directly connected to each other so that the transmitter and the receiver may use separate antennas.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 중거리 고속 울트라-와이드 대역 수신 장치의 구성을 보여주는 블록 다이어그램이다.2 is a block diagram showing the configuration of a medium-range high-speed ultra-wide band receiver according to an embodiment of the present invention.
상기 도 2의 구성은 상기 도 1의 송신 장치와 대응하는 구조를 가지므로 수신 장치의 구성요소에 대한 설명은 생략한다. 상기 도 1 및 도 2에 도시된 구조는 단일 주파수 밴드를 전송 및 수신하는 구조이다.Since the configuration of FIG. 2 has a structure corresponding to that of the transmitter of FIG. 1, description of components of the receiver will be omitted. 1 and 2 is a structure for transmitting and receiving a single frequency band.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 중거리 고속 울트라-와이드 대역 송수신 장치의 구성을 보여주는 블록 다이어그램이다. 상기 도 3에 도시된 송수신 장치는 직교주파수 영역변조 방식으로 두 밴드를 동시에 전송하는 송수신기 구조이다.3 is a block diagram showing the configuration of a medium-range high-speed ultra-wide band transceiver according to another embodiment of the present invention. The transceiver shown in FIG. 3 is a transceiver structure for transmitting two bands simultaneously in an orthogonal frequency domain modulation scheme.
IEEE P802.15.3a 를 따르는 울트라-와이드 대역(UWB) 송신기의 신호는 하기 <수학식 5>와 같이 나타내어 진다.The signal of an ultra-wide band (UWB) transmitter conforming to IEEE P802.15.3a is represented by Equation 5 below.
상기 <수학식 5>에서, N은 직교주파수영역변조 심볼의 수이고, fk 는 k 번째 주파수 밴드의 중심주파수이고, T 는 심볼의 주기이고, Tcp 는 직교주파수영역변조에 사용되는 주기성 프리픽스의 길이이고, c 는 전송 데이터 또는 채널 추정을 위한 파일럿 신호이고, 델타 f 는 직교주파수변조되는 부 채널 간의 주파수 간격이다.In Equation 5, N is the number of orthogonal frequency domain modulation symbols, f k is the center frequency of the k th frequency band, T is the period of the symbol, T cp is the periodic prefix used for orthogonal frequency domain modulation C is a pilot signal for transmission data or channel estimation, and delta f is a frequency interval between orthogonal frequency-modulated subchannels.
이상적인 가우시안 노이즈 채널에서 도 1에 도시된 디지털 이득 조절기(120)가 없을 경우 수신기에서 신호대 잡음비는 하기 <수학식 6>과 같다.In the ideal Gaussian noise channel, if there is no digital gain adjuster 120 shown in FIG. 1, the signal-to-noise ratio at the receiver is expressed by Equation 6 below.
이로부터 직교위상변조(QPSK)를 사용하는 수신기의 비트에러확율은 하기 <수학식 7>과 같이 유도된다.From this, the bit error probability of the receiver using quadrature phase modulation (QPSK) is derived as shown in Equation 7 below.
상기 <수학식 7>에 따른 수신기에 사용된 아날로그-디지탈 변환기(130)의 해상도에 따른 비트에러율은 도 6에 도시된 바와 같다. 상기 <수학식 7>에서, A 는 신호의 크기이고, Ns 는 직교주파수영역변조에 사용된 전체 부 채널의 수이고, R 은 비트단위로 주어지는 디지털-아날로그 변환기의 해상도이고, Rb 는 비트 데이터 전송율이고, mmax 은 디지털-아날로그 변환기의 다이나믹 레인지의 크기이고, W는 직교주파수영역변조방식을 이용하여 전송되는 심볼 신호의 대역폭이다.Bit error rate according to the resolution of the analog-to-digital converter 130 used in the receiver according to Equation (7) is shown in FIG. In Equation (7), A is the signal size, N s is the total number of subchannels used for quadrature frequency domain modulation, R is the resolution of the digital-to-analog converter given in bits, and Rb is the bit data. M max is the size of the dynamic range of the digital-to-analog converter, and W is the bandwidth of the symbol signal transmitted using the orthogonal frequency domain modulation.
이상적인 가우시안 노이즈 채널에서 상기 도 1에 도시된 디지털 이득조절기(120)를 사용할 경우 수신기에서 신호 대 잡음비는 하기 <수학식 8>과 같이 향상된다.In the ideal Gaussian noise channel, when the digital gain controller 120 shown in FIG. 1 is used, the signal-to-noise ratio at the receiver is improved as shown in Equation 8 below.
이로부터 직교위상변조(QPSK)를 사용하는 수신기의 향상된 비트에러확율은 하기 <수학식 9>와 같이 유도된다.From this, an improved bit error probability of a receiver using quadrature phase modulation (QPSK) is derived as in Equation 9 below.
상기 <수학식 9>에 따른 수신기에 사용된 아날로그-디지털 변환기의 해상도에 따른 비트에러율은 도 7에 도시된 바와 같다. 상기 <수학식 9>에서 G는 자동이드조절기(120)를 통한 신호의 전력이득으로 하기 <수학식 10>으로 나타내어 진다.Bit error rate according to the resolution of the analog-to-digital converter used in the receiver according to Equation (9) is shown in FIG. In Equation (9), G is represented by Equation 10 as power gain of the signal through the automatic guide controller 120.
이상적인 가우시안 노이즈 무선 채널에서 초 광대역 무선 송수신기는, 도 7에 도시된 바와 같이 자동이득조절기를 사용할 경우, IEEE P802.15.3a 규격이 요구하는 비트에러율을 지원하기 위하여 디지털-아날로그 변환기의 해상도는 1 비트 이상이면 충분하게 된다. 그러나, 도 6에 도시된 바와 같이 자동이득조절기를 사용하지 않으면, IEEE P802.15.3a 규격이 요구하는 비트에러율을 지원하기 위하여 디지털-아날로그 변환기의 해상도는 4 비트 이상이라야 한다.In an ideal Gaussian noise radio channel, the ultra-wideband radio transceiver has a resolution of 1 bit for the digital-to-analog converter to support the bit error rate required by the IEEE P802.15.3a standard when using an auto gain controller as shown in FIG. The above is enough. However, when the automatic gain controller is not used as shown in FIG. 6, the resolution of the digital-to-analog converter must be 4 bits or more to support the bit error rate required by the IEEE P802.15.3a standard.
울트라-와이드 대역(UWB) 신호에 대한 무선 채널의 다중 경로 페이딩 효과는 살레-벨루주엘라(Saleh-Valenzuela)모델을 따르며, 하기 <수학식 11>로 나타내어 진다.The multipath fading effect of the wireless channel on the ultra-wide band (UWB) signal follows the Saleh-Valenzuela model and is represented by Equation 11 below.
본 발명의 발명자들은 본 발명의 효과를 결정하기 위해 위와 같이 모델링되는 무선 채널에 대한 울트라-와이드 대역(UWB) 송수신기의 비트에러율 성능을 디지털 자동이득조절기를 사용하지 않은 경우와 사용한 경우에 대하여 시뮬레이션하여 그 결과를 각각 도 8과 도 9에 나타내었다.The inventors of the present invention simulate the bit error rate performance of an ultra-wideband (UWB) transceiver for a radio channel modeled as above to determine the effect of the present invention with and without a digital automatic gain controller. The results are shown in FIGS. 8 and 9, respectively.
디지털 자동이득 조절기(120)는 상기 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이, 무선 페이딩 채널에서 3비트 해상도를 가지는 아날로그-디지털 및 디지털-아날로그 변환기를 사용하여 전체 울트라-와이드 대역(UWB) 송수신기 시스템의 비트에러율 성능이 IEEE P802.15.3a 표준이 요구하는 기준을 만족시키도록 할 수 있다. 디지털 자동이득조절기가 없을 경우 필요한 아날로그-디지털 및 디지털-아날로그 변환기의 해상도는 6비트 해상도의 수준이므로, 디지털 자동이득조절기의 사용으로 수신기에 사용되는 아날로그-디지털 변환기의 전력소모를 4분의 1로 줄일 수 있으며, 직접회로 구현시 아날로그-디지털 변환기가 차지하는 칩 면적을 4분의 1로 줄일 수 있게 된다. The digital auto gain controller 120 is a full ultra-wide band (UWB) transceiver system using analog-to-digital and digital-to-analog converters with 3-bit resolution in a wireless fading channel, as shown in FIGS. 8 and 9 above. It is possible to ensure that the bit error rate performance of the system meets the requirements of the IEEE P802.15.3a standard. The resolution of analog-to-digital and digital-to-analog converters required without a digital auto gain controller is 6-bit resolution, so the power consumption of the analog-to-digital converter used in the receiver can be reduced to one quarter by the use of the digital automatic gain controller. In integrated circuit implementations, the chip area occupied by analog-to-digital converters can be reduced to one quarter.
자동이득 조절기의 영향으로 수신된 신호의 성상도는 도 4에서 도 5에 도시된 형태로 변형된다. 그러나 이러한 변형은 고유한 사분면 내에서 한정되므로 비트에러율에 영향을 주지 않는다.The constellation of the received signal under the influence of the automatic gain adjuster is modified in the form shown in Figs. However, this variation is limited within its own quadrant and does not affect the bit error rate.
도 10은 본 발명의 디지털 자동이득 조절기의 구성을 보여주는 블록 다이어그램이다. 딜레이 레지스터(310)로 입력되는 직교주파수영벽변조 심볼 신호는 최대파워검출기(340)와 이득 검색테이블(350)에 의해 적절한 이득이 선택된다. 이득이 결정되면 심볼 동기화기(330)에 의해 홀드 되었던 심볼 신호와 이득은 쉬프터(320)에 입력되어 2배 또는 4배로 증폭된다.10 is a block diagram showing the configuration of the digital automatic gain regulator of the present invention. An orthogonal frequency wall modulation symbol signal input to the delay register 310 is appropriately selected by the maximum power detector 340 and the gain search table 350. When the gain is determined, the symbol signal and the gain held by the symbol synchronizer 330 are input to the shifter 320 and amplified by 2 times or 4 times.
즉, 상기 디지털 자동이득 조절기의 구성은 입력되는 심볼 신호를 소정 시간구간 딜레이 시키는 딜레이레지스터(310)와, 입력되는 심볼 신호의 최대 진폭을 검출하는 최대파워검출기(340)와, 상기 최대 진폭에 따라 미리 설정된 출력 이득을 결정하는 검색테이블(350)과, 출력 이득의 결정시 까지 입력되는 심볼 신호를 홀드 하는 심볼동기화기(330)와, 출력 이득이 결정되면 상기 딜레이 되었던 심볼 신호를 입력받아 소정 레벨 증폭하는 쉬프터(320)를 포함하여 구성된다.That is, the digital automatic gain controller includes a delay register 310 for delaying an input symbol signal for a predetermined time interval, a maximum power detector 340 for detecting the maximum amplitude of an input symbol signal, and the maximum amplitude. A retrieval table 350 for determining a preset output gain, a symbol synchronizer 330 for holding a symbol signal input until the output gain is determined, and receiving the delayed symbol signal when the output gain is determined, and receiving a predetermined level. It comprises a shifter 320 to amplify.
따라서, 상기 디지털 자동이득 조절기는 일반적인 디지털 자동이득 조절기와는 크게 세 가지 다른 구조적 특징을 가진다. 첫째, 이득을 결정하기위해 신호의 평균파워를 계산하지 않고, 최대파워검출기(340)를 통하여 주어진 직교주파수변조 심볼에 대한 최대 진폭을 얻는다. 둘째, 일반적인 자동이득 조절기는 수신기에 사용되므로, 원하는 출력 이득을 결정하기 위해 신호의 평균파워와 기준 파워의 차이를 계산하는 에러 검출기가 필요하다. 이에 반하여, 상기 디지털 자동이득 조절기는 이득 검색테이블(350)을 이용하여 최대파워검출기(340)의 출력에서 이득을 직접 구하는 보다 간단한 구조를 가진다. 셋째, 울트라와이드 대역 송수신기의 베이스밴드 신호는 500-MHz 이상이므로, 디지털 곱셈기를 이용한 이득 조절은 현재 필드-프로그래머플-게이트-어레이(FPGA)에서 구현하기에 적합하지 않다. 그러나, 쉬프터(320)는 좌측 쉬프트 연산을 처리하므로, 500-MHz 이상의 베이스밴드 신호에 대한 동작이 용이하다. 이것은 IEEE P802.15.3a 표준이 울트라와이드 대역 송수신기의 베이스밴드 변조방식으로 직교주파수영역변조를 사용하고, 각각의 부채널은 직교위상변조(QPSK)를 사용하므로 적용 가능한 구조이다.Accordingly, the digital auto gain controller has three different structural features from the general digital auto gain controller. First, the maximum amplitude for a given quadrature frequency modulation symbol is obtained through the maximum power detector 340 without calculating the average power of the signal to determine the gain. Second, since a typical auto gain regulator is used in the receiver, an error detector is needed to calculate the difference between the average power of the signal and the reference power to determine the desired output gain. In contrast, the digital automatic gain regulator has a simpler structure that directly obtains a gain at the output of the maximum power detector 340 using the gain search table 350. Third, since the baseband signal of the ultra-wideband transceiver is more than 500-MHz, gain control using a digital multiplier is not currently suitable for implementation in field-programmable-gate-arrays (FPGAs). However, since the shifter 320 processes the left shift operation, it is easy to operate the baseband signal of 500-MHz or more. This structure is applicable because the IEEE P802.15.3a standard uses quadrature frequency domain modulation as the baseband modulation method of the ultra wide band transceiver and each subchannel uses quadrature phase modulation (QPSK).
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications are possible without departing from the scope of the present invention.
예를 들면, 도 1과 도 2의 울트라-와이드 대역(UWB) 송수신 장치의 구조는 직접변환 구조가 아닌 수퍼헤테로다인 구조 또는 중간 주파수 구조로 구성될 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 디지털 자동이득조절기는 베이스 밴드 디지털 신호처리 모듈에 포함되어 구성될 수 있다. 병렬 링크의 수 또한 도 3에 도시된 바와 같이 변형하여 구성할 수 있다.For example, the structure of the ultra-wide band (UWB) transceiver of FIG. 1 and FIG. 2 may be configured as a superheterodyne structure or an intermediate frequency structure rather than a direct conversion structure. In addition, the digital automatic gain controller shown in FIG. 1 may be included in a baseband digital signal processing module. The number of parallel links can also be configured to be modified as shown in FIG.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the scope of the following claims, but also by the equivalents of the claims.
기존 울트라-와이드 대역(UWB) 무선 통신시스템의 일반적인 고속 전송거리 한계가 3 미터인 것에 비하여, 본 발명에 따르면 10 미터 거리에서 300 Mbps 이상의 고속 무선 데이터 송수신이 가능한 울트라-와이드 대역(UWB) 무선 통신시스템을 설계 및 제조할 수 있다. According to the present invention, the ultra-wide band (UWB) wireless communication capable of high-speed wireless data transmission and reception of 300 Mbps or more at a distance of 10 meters according to the present invention, compared to a typical high-speed transmission limit of 3 meters of the existing ultra-wide band (UWB) wireless communication system The system can be designed and manufactured.
또한, 본 발명은 이용가능한 주파수 밴드의 수에 제한받는 확장성 있는 병렬 구조를 가지므로, 본 발명의 사상에 따라 설계하는 울트라-와이드 대역(UWB) 무선 송수신기는 용도에 따라 그 최대전송거리와 최대전송속도를 확장하여 설계할 수 있다.In addition, since the present invention has an expandable parallel structure limited by the number of available frequency bands, the ultra-wide band (UWB) radio transceiver designed according to the spirit of the present invention has its maximum transmission distance and maximum depending on the application. Can be designed to extend the transmission speed.
또한, 본 발명이 요구하는 디지털-아날로그 변환기의 최소요구해상도는 기존 기술이 요구하는 해상도 보다 3비트 낮으므로, 전력소모를 감소시키고 제조비를 줄이는 효과가 있다.In addition, since the minimum required resolution of the digital-to-analog converter required by the present invention is 3 bits lower than the resolution required by the existing technology, there is an effect of reducing power consumption and manufacturing cost.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중거리 고속 울트라-와이드 대역 송신 장치의 구성을 보여주는 블록 다이어그램,1 is a block diagram showing the configuration of a medium-range high speed ultra-wide band transmission apparatus according to an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 중거리 고속 울트라-와이드 대역 수신 장치의 구성을 보여주는 블록 다이어그램,2 is a block diagram showing the configuration of a medium-range high speed ultra-wide band receiver according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 중거리 고속 울트라-와이드 대역 송수신 장치의 구성을 보여주는 블록 다이어그램,3 is a block diagram showing a configuration of a medium-range high speed ultra-wide band transceiver according to another embodiment of the present invention;
도 4는 송신기 이득 제어가 없을 경우의 직교위상변조된 부 채널이 직교주파수영역 변조를 사용하여 전송될 경우 수신기에서 복조한 신호의 성상도,4 is a constellation diagram of a signal demodulated by a receiver when a quadrature phase-modulated subchannel in the absence of transmitter gain control is transmitted using quadrature frequency domain modulation.
도 5는 송신기 이득 제어를 사용할 경우의 직교위상변조된 부 채널이 직교주파수영역 변조를 사용하여 전송될 경우 수신기에서 복조한 신호의 성상도,5 is a constellation diagram of a signal demodulated by a receiver when a quadrature phase-modulated subchannel in case of using transmitter gain control is transmitted using quadrature frequency domain modulation.
도 6은 송신기 이득제어가 없을 경우 이상적 가우시안 노이즈 무선채널을 통한 수신기 비트에러율 성능을 보여주는 도면,6 shows receiver bit error rate performance over an ideal Gaussian noise radio channel in the absence of transmitter gain control.
도 7는 송신기 이득제어를 사용할 경우이상적 가우시안 노이즈 무선채널을 통한 수신기 비트에러율 성능을 보여주는 도면,7 shows receiver bit error rate performance over an ideal Gaussian noise radio channel when using transmitter gain control.
도 8은 송신기 이득제어가 없을 경우 페이딩 무선채널을 통한 수신기 비트에러율 성능을 보여주는 도면,8 shows receiver bit error rate performance over a fading radio channel in the absence of transmitter gain control;
도 9는 송신기 이득제어가 있을 경우 페이딩 무선채널을 통한 수신기 비트에러율 성능을 보여주는 도면이다.9 shows receiver bit error rate performance over a fading radio channel with transmitter gain control.
도 10은 개방루프 구조의 송신기용 디지털 자동이득조절기의 구조를 보여주는 도면이다.10 is a diagram showing the structure of a digital automatic gain controller for a transmitter having an open loop structure.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
100 : 베이스밴드 디지털신호처리 모듈 110 : 주파수 합성기100: baseband digital signal processing module 110: frequency synthesizer
120 : 디지털 자동이득 조절기 130 : 디지털-아날로그 변환기120: digital automatic gain controller 130: digital-to-analog converter
140 : 저주파 통과 필터(LPF) 150 : 혼합기(mixer)140: low pass filter (LPF) 150: mixer
160 : 저잡음 증폭기 170 : 파워 결합기160: low noise amplifier 170: power combiner
180 : 분배기(duplex) 190 : 안테나180: duplex 190: antenna
230 : 아날로그-디지털 변환기230: analog to digital converter
310 : 딜레이 레지스터 320 : 쉬프터310: delay register 320: shifter
330 : 심볼 동기화기 340 : 최대 파워 검출기330: symbol synchronizer 340: maximum power detector
350 : 이득 검색 테이블350: Gain Lookup Table
Claims (7)
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