KR101210608B1 - 임펄스 신호기반 초광대역 무선통신 시스템의 효율적 수신구조를 이용한 자동 이득 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임펄스 신호기반 초광대역 무선통신 시스템의 효율적 수신구조를 이용한 자동이득 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따르면, 임펄스 신호기반 무선통신 시스템의 자동 이득 제어 장치는 아날로그 회로부를 통해 수신되는 신호대 잡음비를 확보하고, 상기 수신신호의 임펄스 프리앰블에 대한 상관값을 출력하며, 상기 상관값 중 매 심볼마다 상기 상관값의 최대값을 출력하거나, 심볼구간을 복수의 그룹으로 나누고 상기 그룹 단위의 합산을 통해 평균값을 얻어 그 중 최대값을 출력한다. 그리고, 상기 출력결과에 따른 최대 상관값을 미리 설정된 적어도 하나의 임계치와 비교하여 감쇄이득을 결정하고, 상기 결정된 감쇄이득 결과를 토대로 상기 아날로그 회로부의 저잡음증폭기와 가변이득증폭기의 이득 값을 설정 또는 변경한다.

이로써, 본 발명에 따면 디지털 신호처리를 위한 효율적인 수신 구조 및 자동 전압이득 제어 방법을 통해 다양한 거리 및 실내 무선 채널 환경에서 최적의 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio)를 유지할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

WBAN, WPAN, 임펄스, 초광대역, UWB, AGC

Description

임펄스 신호기반 초광대역 무선통신 시스템의 효율적 수신구조를 이용한 자동 이득 제어 장치 및 방법{The automatic gain controller and the method that uses the efficient receiving structure of the impulse radio ultra-wide band wireless communication systems}

본 발명은 임펄스 신호기반 초광대역 무선통신 시스템의 효율적 수신구조를 이용한 자동이득 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-070-03, 과제명: 홈네트워크용 Cognitive 무선 시스템 개발].

일반적으로 무선통신 시스템에 있어서 송신 안테나를 통해 전파된 신호는 무선채널에서 전파 손실을 겪게 된다. 즉, 실제 환경에서는 전파 거리에 따른 감쇄, 주변 지형이나 조건(환경)에 의한 음영(Shadow) 및 다중 경로 지연과 같은 여러 형태의 감쇠가 발생하기 마련이다. 그래서, 이러한 무선 채널 환경에서의 안정된 무선 통신 상태를 유지하기 위해서는 저 잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA) 및 가변 이득 증폭기(Variable Gain Amplifier, VGA)등과 같은 장치를 통해 수신 신호 의 전압 레벨을 일정하게 유지할 필요가 있다.

한편, 도 1을 통하여 종래의 일반적인 직교방식의 무선 통신 수신기 구조를 설명한다.

도 1은 종래의 일반적인 직교(Inphase & Quadrature)방식의 무선 통신 수신기를 나타낸다.

첨부된 도 1을 참조하면, 종래의 직교 방식 무선 통신 수신기는 무선 신호를 수신하는 안테나(10), 상기 수신 신호의 이득을 저 잡음 증폭하는 LNA(20), 반송파 주파수를 생성하는 국부발진기(50), 상기 생성된 반송파 주파수를 LNA(20)의 출력신호와 곱하여 기저대역 또는 IF 대역신호로 변환하는 믹서(Mixer)(30), 믹서(30)로부터 출력된 신호를 저역 통과 필터(Low Pass Filter, LPF) 또는 대역 통과 필터(Band Pass Filter, BPF)(40)와 신호의 이득을 조정하는 가변 이득 증폭기(Variable Gain Amplifier, VGA)(60), 아날로그-디지털 변환기(Analog Digital Converter, ADC)(70), 상기 수신된 신호를 이용하여 신호를 복원하고 가변이득증폭기(VGA)(60)에 이득 제어 전압을 피드백(feedback)하여 수신 신호의 동작범위를 조정하는 자동 이득 제어기(AGC)를 포함하는 디지털 신호처리 블록(80)으로 구성된다.

이러한 종래의 무선 통신 시스템의 수신 신호는 신호의 크기가 연속적인 전압레벨을 갖는 연속파(Continuous Wave)이다. 또한, 신호의 대역폭도 비교적 협대역 신호이므로, 수신기에서는 수신 전계 강도(Received Signal Strength Indication, RSSI)를 측정하여 수신 신호의 전압 레벨을 정밀하게 조정할 수 있다.

디지털 신호처리 블록(80)의 자동 이득 제어기(AGC)는 수신 신호의 RSSI를 측정하여 LNA(20)를 ON, OFF 하거나, VGA(60)의 이득 조정을 통해 수신 신호의 크기를 입력 범위 안에 들어오도록 조정할 수 있다. 이렇게 수신신호의 크기를 ADC(70) 입력단의 동작레벨에 최대이득을 갖도록 조정하여 신호 대 잡음비를 최대로 가져갈 수 있도록 제어한다.

그러나, 임펄스 신호에 기반을 두는 초광대역(Ultra Wideband, UWB) 무선 시스템에서는 스펙트럼 마스크 규정에 의해 2nS 혹은 그 이하의 매우 짧은 펄스를 이용하여 -41.3dBm/MHz 이하의 낮은 전력 레벨로 송신신호를 송출한다. 또한, 연속적이 아닌 이산적(Discrete)으로 임펄스를 발생하는 송신 신호 특성으로 인하여 원거리에서는 전송 데이터의 유무 판별이 어려워 질 수 있다. 이러한 요인들은 수신 신호의 RSSI 방식에 의한 신호검출의 오차를 커지게 하고, 이로인 하여 RSSI를 이용한 AGC의 성능은 결국 수신 성능을 저하시키는 원인이 되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 임펄스 신호기반 초광대역 무선통신 시스템의 효율적 수신구조를 이용하여 수신신호를 안정적으로 수신하도록 하는 자동 이득 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

특히, WPAN 또는 WBAN 시스템의 임펄스 신호에 기반을 두는 초광대역 무선통신 시스템에 있어서, 디지털 복조 시스템에 최적의 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio)를 유지할 수 있도록 수신 신호의 전압 레벨을 조정하는 자동 이득 제 어 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해할 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다.

전술한 기술 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 실시 예에 따른 임펄스 신호기반 초광대역 무선통신 시스템의 효율적 수신구조를 이용한 자동이득 제어 장치는,

아날로그 회로부를 통해 수신되는 수신신호의 신호대 잡음비을 확보하는 정합필터; 상기 수신신호의 프리앰블 신호에 대한 상관신호를 출력하는 상관부; 상기 상관신호의 상관값 중 매 심볼마다 상기 상관값의 최대값을 출력하거나, 심볼구간을 복수의 그룹으로 나누고 상기 그룹 단위의 합산을 통해 평균값을 얻어 그 중 최대값을 출력하는 합산부; 상기 합산부의 출력결과에 따른 최대 상관값을 미리 설정된 적어도 하나의 임계치와 비교하여 감쇄이득을 결정하는 비교부; 및 상기 결정된 감쇄이득 결과를 토대로 상기 아날로그 회로부의 저잡음증폭기와 가변이득증폭기의 이득 값을 설정 또는 변경하는 이득 제어부를 포함한다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 임펄스 신호기반 초광대역 무선통신 시스템의 효율적 수신구조를 이용한 자동이득 제어 방법은,

a) 아날로그 회로부를 통해 수신되는 수신신호를 병렬 처리하여 신호대 잡음비를 확보하고, 상기 수신신호의 임펄스 프리앰블에 대한 상관값을 출력하는 단계; b) 상기 상관값 중 매 심볼마다 상기 상관값의 최대값을 출력하거나, 심볼구간을 복수의 그룹으로 나누고 상기 그룹 단위의 합산을 통해 평균값을 얻어 그 중 최대값을 출력하는 단계; c) 상기 출력결과에 따른 최대 상관값을 미리 설정된 적어도 하나의 임계치와 비교하여 감쇄이득을 결정하는 단계; 및 d) 상기 결정된 감쇄이득 결과를 토대로 상기 아날로그 회로부의 저잡음증폭기와 가변이득증폭기의 이득 값을 설정 또는 변경하는 단계를 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명에 따른 자동 이득 제어 장치는 디지털 신호처리를 위한 효율적인 수신 구조 및 자동 전압이득 제어 방법을 통해 다양한 거리 및 실내 무선 채널 환경에서 최적의 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio)를 유지할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 수신 초기에 이득을 최대값으로 설정한 뒤 이득을 낮추어 가며 최적의 수신 상태로 맞추어 가기 때문에 수신 이득이 오버슈트(Over-shoot) 또는 언더슈트(Under-shoot)에 대한 영향 없이 임펄스 신호 기반 무선 시스템에 안정적으로 수신 이득을 제어할 수 있는 효과가 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유 사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 임펄스 신호기반 초광대역 무선통신 시스템의 효율적 수신구조를 이용한 자동 이득 제어 장치 및 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 임펄스 신호기반 무선통신 시스템의 자동 이득 제어 장치를 나타낸다.

첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 자동 이득 제어 장치는 안테나(110), 저잡음 증폭기(LNA)(120), 믹서(Mixer)(130), 저역통과필터(LPF)(140), 가변이득증폭기(VGA)(150)를 포함하여 외부로부터 수신되는 수신신호를 처리하는 아날로그 회로부(100) 및 아날로그-디지털 변환기(ADC)(200), 상기 수신신호의 신호대 잡음비(SNR)을 확보하기 위한 정합필터(300), 상기 수신신호의 프리앰블 신호에 대한 상관신호(상관값)를 출력하는 상관부(400), 상기 상관값 중 매 심볼마다 최대값 또는 M개씩 평균을 구한 뒤 그 중 심볼마다 최대값을 출력하는 합산부(500), 합산부(500)의 결과를 임계치들과 비교하여 감쇄이득을 결정하는 비 교부(600), 비교부(600)의 결과에 따라 아날로그 회로부(100)의 결과를 피드백하여 LNA(120)를 ON, OFF 하거나 VGA(150)의 이득(Gain) 값을 설정 또는 변경하는 이득 제어부(700)를 포함한다.

아날로그 회로부(100)는 안테나(110)로부터 수신되는 RF(Radio Frequency) 신호를 처리하는 역할을 수행하며, 이 때 직접 변환 방식(Direct Conversion) 및 헤테로다인(Heterodyne)방식 등과 같은 여러 수신구조를 적용할 수 있다. 특히, 아날로그 회로부(100)의 LNA(120)와 VGA(150)는 수신신호의 이득을 가변 증폭시키는 역할을 수행하며, 이득 제어부(700)로부터 명령을 받아 LNA(120)을 ON 또는 OFF 하거나 VGA(150)의 이득을 가변 하는 역할을 한다.

ADC(200)는 아날로그 회로부(100)에서 수신되는 아나로그 수신신호를 디지털 신호로 변환하는 역할을 한다.

정합필터(300)는 ADC(200) 이전에 삽입하여 아날로그 필터를 이용한 구현이 가능하며, 본 발명의 실시 예에서는 도 2에서와 같이 ADC(200)이후에 삽입하여 고속 샘플링된 수신신호를 처리하도록 병렬처리 디지털 정합필터(Parallel Matched Filter)(160)로 구현할 수 있다.

이러한, 정합필터(300)의 목적은 송신된 펄스 성형 필터와 동일한 필터 계수를 갖는 정합필터(300)를 이용하여 수신신호가 최적의 SNR을 갖도록 하는데 목적이 있다.

예컨대, 수신된 입력신호는

이며, 정합필터(300)의 계수는

이고, 출력 신호는

일 때 정합필터(300)는 다음의 수학식 1과 같이 표현된다.

한편, 도 3a 및 도 3b는 일반적인 FIR(Finite Impulse response)디지털 필터 구조와 병렬처리 디지털 정합필터 구조를 각각 나타낸다.

먼저, 첨부된 도 3a를 참조하면, 일반적이 정합필터를 구현하기 위한 FIR 필터의 구조를 보여주고 있다.

FIR 필터는 지연을 위한 메모리(310), 곱셈기(320) 및 덧셈기(330)로 구성된다. 그런데, 이러한 FIR 필터를 통해 초광대역 변복조 구조에서 고속으로 샘플링된 수신신호를 처리하려면 고속의 디지털 신호 처리가 요구된다.

그러므로, 첨부된 도 3b와 같이 디지털 정합 필터의 병렬처리를 통해 처리속도를 낮출 수 있다. 그러나, 이러한 디지털 정합 필터는 M가지(Branch)로 병렬 연산을 수행함으로 1/M배로 낮은 주파수로 처리할 수 있지만 M배 만큼 면적이 늘어나는 단점이 있다.

한편, 상기한 단점을 극복하기 위한, 도 3c는 본 발명의 실시 예에 따른 효율적인 병렬처리 디지털 정합필터 구조를 나타낸다.

첨부된 도 3c를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 정합필터(300)는 필터 계수를 우함수 대칭특성을 이용하여 각 가지당 필터의 곱셈기의 개수를 원 래보다 1/2로 줄일 수 있다.

즉, 임펄스 신호기반 무선통신 시스템에서 사용하는 송신 펄스 성형 필터의 계수는 RRC(Root raised cosine) 필터와 같은 선형 위상(Linear phase)특성을 갖고 있다. 따라서, 필터 계수는 다음의 수학식 2와 같이 우함수 대칭 특성을 이용함으로써 각 가지당 필터의 곱셈기의 개수를 원래보다 1/2 로 줄일 수 있는 장점이 있다.

다음, 상관부(400)는 상관특성을 이용하여 수신신호의 임펄스 프리앰블의 상관 값을 출력한다. 이러한 상관부(400)의 원시 목적은 패킷의 검출 및 동기 획득을 위한 것으로 정합필터(300)의 출력을 이용하여 패킷의 초기동기를 획득하는 용도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 상관부(400)의 특징은 이러한 기존의 목적 외에 상관부(400)의 출력 값을 수신신호의 전압 레벨을 조정하는 용도로 추가 사용함으로써 별도의 수신 전계 강도(RSSI)를 측정하기 위한 블록이 필요하지 않아 구현이 용이하고 조작이 쉬우며, 면적관점에서 이득을 얻을 수 있는 장점이 있다.

한편, 도 4a 및 도 4b는 임펄스 초광대역 프리앰블 상관기의 구조와 병렬처 리 프리앰블 상관기 구조를 각각 나타낸다.

첨부된 도 4a를 참조하면, 직접구현을 위한 임펄스 초광대역 프리앰블 상관기 구조를 보여주며, 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 정합필터(300)로부터 출력 된 신호는

이며, 출력되는 상관 값은

, 프리앰블 심볼의 3진 코드(Ternary code)의 계수는

를 각각 의미한다.

그리고, 임펄스 초광대역 프리앰블은 펄스마다 F 클럭의 시간 간격을 가진다. 따라서 3진 코드의 개수가 R개이면 전체 프리앰블 한 심볼의 샘플수(S)는 다음의 수학식 4와 같이 F 곱하기 R과 같다.

또한, 한 심볼을 M개씩 N개의 그룹으로 나누면 M 곱하기 N으로 정의할 수 있으며, C를 오버샘플링(Over-sampling) 수로 정의하면, M 곱하기 C 곱하기 R로 표현할 수 있다.

이 때, 3진 코드(Ternary code)의 계수 값은 1, 0, -1을 사용하므로 사용되는 곱셈기(420)는 실제 곱셈연산을 수행하지 않고 덧셈기(430)만으로 구현할 수 있 다. 역시 고속 샘플링된 수신 신호를 처리하기 위해서는 역시 고속의 상관부(400) 구현이 필요한데. 이러한 고속 연산장치 대신 도 4b와 같이 M가지 병렬처리를 통해 동작 속도를 낮출 수 있다. 이 때 주의 할 점은 M가지로 병렬처리시 지연소자(410)의 크기는 F/M이어야 한다.

다음, 합산부(500)는 상관부(400)로부터 출력되는 상관 값을 이용하여 매 심볼마다 상관 값의 최대값을 출력하거나 일정 구간 동안의 심볼구간을 N개의 그룹으로 나눈 후 M개씩 합산을 통해 평균값을 얻어 하나의 심볼 구간 동안 최대값을 출력한다.

예컨대, M가지(Branch)로 병렬처리를 통해 구현할 시에는 상관 값이 M개가 동시에 출력되므로 M개를 동시에 합산하여 평균을 구하고, 이를 하나의 심볼 구간 동안 비교하여 이중 최대값을 추출할 수 있다. 그 밖에 합산부(500)는 채널의 다중경로로 인한 상관 에너지의 확산을 감안하여 상관 값의 크기가 큰 순서로 나열한 뒤 그 중 크기가 큰 일부의 평균을 구하여 출력하는 방식을 취할 수도 있다.

다음, 비교부(600)는 상기 합산부(500)로부터 출력되는 상관의 평균값을 설정된 임계 치와 비교하여 감쇄이득을 결정한다. 그리고, 결정된 상기 감쇄이득을 이득 제어부(700)로 출력한다. 즉, 비교부(600)는 합산부(500)의 출력 값이 임계전압을 초과하면 감쇄이득을 설정하고 그렇지 않으면 감쇄이득을 0으로 설정한다.

이득 제어부(700)는 비교부(600)로부터 출력된 감쇄이득을 받아 현재상태의 이득(Gain) 설정에 반영하여 변경될 이득(Gain) 값을 산출하여 결정하고 아날로그 회로부(100)로 피드백 하여 LNA(120)를 ON, OFF 하거나, VGA(150)의 이득(Gain)을 설정 또는 변경하도록 제어하는 역할을 한다.

한편, 도 5를 통하여 본 발명의 실시 예에 따른 임펄스 신호기반 초광대역 무선통신 시스템의 효율적 수신구조를 이용한 자동 이득 제어 방법을 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 임펄스 신호기반 무선통신 시스템의 자동 이득 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.

첨부된 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 자동 이득 제어 방법은 도 2에 따른 자동 이득 제어 장치의 구성에 따라 동작하는 것을 가정하며, 수신기가 외부로부터 신호를 수신하는 수신절차와 맞물려 동작을 수행하는 것을 가정한다.

먼저, 수신 상태가 되면 자동 이득 제어 장치가 ON 되면서 동작모드로 전환하고, VGA(150)의 이득(Gain)값을 가용할 수 있는 최대값으로 설정하며, 관련 모든 변수들을 초기화 한다(S501). 이 때, 상기 S501 단계에서는 수신 거리를 최대한 확보하기 위해 VGA(150)의 이득(Gain)의 초기값을 최대값으로 설정하는 것이 바람직하다.

패킷의 수신유무를 판단한다(S502). 상기 S502 단계에서는 합산부(500)에서 출력되는 상관 값을 일정 임계 값과 비교하여 수신기에 패킷이 수신되고 있는지 여부를 판단하는 단계이다. 만일, 상기 상관 값이 임계치보다 높아 패킷이 수신되면 상관 값의 크기를 판단하여 VGA(150)의 이득(Gain)을 제어하는 단계로 넘어가고 그렇지 않으면 패킷이 수신될 때까지 기다린다.

다음, 상기 패킷이 수신되었을 시 상기 패킷 수신이 완료되었는지를 판단한 다(S503). 상기 S503 단계는 자동 이득 제어 장치가 상기 패킷의 수신이 종료되면 VGA(150)의 이득(Gain)을 원래의 초기 상태로 돌리고 다음 패킷을 받을 준비를 하기 위함이다.

반면, 상기 패킷 수신이 완료되지 않았다면 동기가 획득 되었는지 유무를 판단한다(S504). 이는, 동기 획득 절차는 AGC의 동작이 완료된 후 시점부터 동기 획득 모드로 전환되어야 한다. 따라서 동기 획득이 되었다면 더 이상 이득을 변화시켜서는 안 되고, 패킷이 수신 종료될 때까지 기다려야 하기 때문이다.

만약, 동기 획득이 되지 않은 경우 AGC 동작 구간인지를 판단한다(S505). 상기 S505 단계의 역할은 AGC 동적 구간을 프리앰블의 일정 구간 동안에만 동작하도록 제어하는 단계이다. 예컨대, 프리앰블 매 심볼마다 카운트를 하여 그 중 제한된 심볼 구간 동안에서만 AGC를 수행하도록 설정할 수 있다. 그러므로, AGC 동작 구간이 아닌 경우는 AGC 동작이 바로 완료되는 단계와 AGC 동작 완료 이후의 시점으로 분리할 수 있다.

상기 S505 단계의 판단결과 AGC 동작 구간이 아닌 경우, AGC 동작이 바로 완료되었는지 여부를 판단하고(S511), 상기 AGC 동작이 바로 완료 되었으면 동기 획득 절차 진행을 명령하는 신호(Flag)를 생성한다(S512). 그러면, 프리앰블 심볼을 수신하는 동안의 심볼 개수를 카운트한다(S513). 이 때, AGC 동작이 완료되었을 지라도 만일 동기 획득 이전 이면 심볼을 계속 카운트 할 수 있다.

상기 S505 단계의 판단결과 AGC 동작 구간인 경우, AGC 동작 구간 내에 합산부(500)에서 생성된 상관 값을 임계치와 비교하여 감쇄이득을 결정하는 단계로서 제1 임계치와 비교한다(S506). 상기 S506 단계에서는 비교적 임계값을 높게 잡고, 감쇄이득의 크기를 크게 설정하여 수신이득이 빠르게 수렴될 수 있도록 돕는다.

이 때, 상기 S506 단계의 비교결과 상기 상관 값이 상기 제1 임계치를 초과하면 감쇄이득을 결정하고(S508), 그에 따른 LNA(120) 및 VGA(150)에 적용할 이득(Gain) 값을 결정하는 한편, 아날로그 회로부(100)에 피드백하여 수신이득을 조정한다(S510). 감쇄이득을 결정하는 방법은 다음의 수학식 5와 같다. 현재 설정된 이득(Gain)에서 감쇄이득(step)만큼 감하여 준다.

Gain = Gain - step

반면, 상기 S506 단계의 비교결과 상기 상관 값이 상기 제1 임계치를 초과하지 않으면, AGC 동작 구간 내에 상관 값을 제2 임계치와 비교한다(S507). 상기 S507 단계에서는 수신 이득의 미세 조정을 위한 단계로서 수렴하고자 하는 임계치에 근사하게 임계값을 결정하며 감쇄이득의 크기를 작게 설정하고 서서히 수렴할 수 있도록 한다.

상기 S507 단계의 비교결과에 따라 감쇄이득을 결정하고(S509), 상기 S510 단계로 넘어간다.

이후, 프리앰블 심볼에 대한 카운트를 수행한다(S513). 그리고, 프리앰블 종료, 동기획득이전 또는 비정상적인 상관값에 의해 설정된 수신 이득을 초기화한다(S514).

만일 정상적인 순서에 의한 단계가 아닌 노이즈에 의해 상관 값이 임계치보 다 높아 이득(Gain) 값이 변화되는 상황이 발생할 수 있다. 이러한 비정상적인 상황에서는 이득(Gain)값이 변하더라도 동기가 획득되지 않기 때문에 심볼 카운트 값이 프리앰블 심볼 개수보다 큰 상황이 발생하게 된다. 즉, 프리앰블 구간 동안에 동기가 획득되지 않는 상황이 발생하게 되는 경우에는 상기 S514 단계에 의해 초기 변수 설정 단계인 상기 S501 단계로 전환되어 잘못된 이득(Gain) 설정으로부터 보호 할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 자동 이득 제어 방법은 프리앰블이 수신되는 수신 초기에 매 프리앰블 심볼마다 상기 단계를 거치면서 AGC 동작 구간 범위 안에서 임계치보다 적은 상관값을 갖도록 VGA(150)의 이득(Gain) 값을 조정함으로 수신 전압 이득을 최적의 SNR 상태로 유지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 자동 이득 제어 방법은 초기에 이득을 최대값으로 설정한 뒤 이득을 낮추면서 최적의 수신 상태로 맞추어 가기 때문에 수신 이득이 오버슈트(Over-shoot) 또는 언더슈트(Under-shoot)에 대한 영향이 없어 임펄스 신호 기반 무선 시스템에 안정적으로 수신 이득을 제어할 수 있는 특징이 있다.

한편, 도 6는 임펄스 신호기반 초광대역 무선통신 시스템의 정규화된 출력 파형을 나타낸다. 송신 프레임의 형태는 프리앰블 심볼 구간(SHR), PHY 헤더 구간(PHR), 페이로드(Payload)로 각각 구성되어 있다.

한편, 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시 예에 따른 1m 거리 시뮬레이션에서의 기저대역 아날로그 신호 파형과 정합필터 출력신호 파형을 각각 나타낸다.

첨부된 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 초광대역 무선 채널 모델에서 송수신기 간 반송파 주파수 옵셋은 100KHz, 송수신기 간 클럭 옵셋은 30KHz를 인가하여 시뮬레이션 하였다.

이러한 도 7의 조건에 의하면, 송수신기 간 1m 거리가 이격된 경우로 높은 SNR 영역으로 인해 수신기에 매우 큰 에너지 신호로 인가된다. 일반적으로 이렇게 크게 인가된 수신신호는 RF 및 아날로그 소자와 ADC 출력 특성을 포화시켜 심각한 성능열화를 가져오게 된다. 그러나, 본 발명의 실시 예에 따른 자동 이득 제어 방법을 통하면 수 심볼 안에 ADC의 입력범위에 맞게 신호 레벨이 제어되어 성능열화를 막을 수 있다.

먼저, 도 7a는 ADC 입력단의 기저대역 아날로그 실수부 신호로서 수신 신호가 입력되는 순간부터 AGC가 동작하여 20개의 프리앰블 심볼을 거치는 동안 신호의 크기가 ADC 입력범위에 맞게 조정되는 것을 보여준다.

다음, 도 7b는 4 비트 ADC를 거쳐 디지털 변환된 신호를 상기 정합필터(300)를 통해 신호가 최적의 SNR을 갖도록 신호의 크기를 조정한 신호를 보여준다.

한편, 도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시 예에 따른 20m 거리 시뮬레이션에서의 기저대역 아날로그 신호 파형과 정합필터 출력신호 파형을 각각 나타낸다.

첨부된 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 송수신기 간 거리가 20m 이격되어 낮은 SNR 영역으로 인해 초기 잡음영역과 신호 영역을 구분하기 어려운 상황의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 이러한 경우에는 SNR 특성이 민감하여 약간의 수신 이득의 오차에 의해서는 성능이 크게 열하할 수 있다.

이와 같은 상황에서도 역시 본 발명의 실시 예에 따른 미세 수신 이득 조정을 통하여 최적레벨로 조정함으로써 통신거리를 최대화 할 수 있는 장점이 있다.

단계에서는 수신 이득의 미세 조정을 위한 단계로서 수렴하고자 하는 임계치에 근사하게 임계값을 결정하며 감쇄이득의 크기를 작게 설정하고 서서히 수렴할 수 있도록 한다.

한편, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 고정된 수신 이득 구조와 비교한 성능 비교 그래프를 나타낸다.

첨부된 도 9를 참조하면, 상기한 도 7 및 도 8과 같은 채널에서 거리에 따라 AGC가 없는 구조와 본 발명의 실시 예에 따른 AGC를 채용한 구조의 성능을 비교한 결과를 보여준다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 AGC를 채용한 경우 송수신기간의 거리가 먼 곳에서도 비교적 안정적인 성능을 유지하는 것을 알 수 있다.

또한, 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 고정된 수신 이득 구조와 비교한 하드웨어 실험 결과를 나타낸다.

첨부된 도 10을 참조하면, 송신기와 수신기 사이에 케이블을 통한 가변 감쇄기를 위치시키고 감쇄기를 가변 시키면서 PER(Packet Error Ratio) 1% 범주에 들어오는 구간을 측정하였다.

이 때, 수신 이득을 최대값에 고정시킨 방식에서는 PER 1%를 만족하는 감쇄기의 범위가 20dB-59dB였으며, 본 발명의 실시 예에 따른 자동 수신 이득 제어 장치를 이용한 방식은 17dB-63dB였다. 이러한 시험을 통해 본 발명의 실시 예에 따른 자동 수신 이득 제어 장치는 17dB 정도의 동적영역(Dynamic Range)이득을 보임을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 자동 이득 제어 장치는 디지털 신호처리를 위한 효율적인 수신 구조 및 자동 전압이득 제어 방법을 통해 다양한 거리 및 실내 무선 채널 환경에서 최적의 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio)를 유지할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1은 종래의 일반적인 직교 방식의 무선 통신 수신기를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 임펄스 신호기반 무선통신 시스템의 자동 이득 제어 장치를 나타낸다.

도 3a 은 일반적인 FIR(Finite Impulse response)디지털 필터 구조를 나타낸다

도 3b는 일반적인 병렬처리 디지털 정합필터 구조를 나타낸다.

도 3c는 본 발명의 실시 예에 따른 효율적인 병렬처리 디지털 정합필터 구조를 나타낸다.

도 4a는 임펄스 초광대역 프리앰블 상관기의 구조를 나타낸다.

도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 병렬처리 프리앰블 상관기 구조를 나타낸다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 임펄스 신호기반 무선통신 시스템의 자동 이득 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 6는 임펄스 신호기반 초광대역 무선통신 시스템의 출력파형 예시를 나타낸다

도 7a은 본 발명의 실시 예에 따른 1m 거리 시뮬레이션에서의 기저대역 아날로그 신호 파형을 나타낸다.

도 7b는 본 발명의 실시 예에 따른 1m 거리 시뮬레이션에서의 정합필터 출력신호 파형을 나타낸다.

도 8a는 본 발명의 실시 예에 따른 20m 거리 시뮬레이션에서의 기저대역 아날로그 신호 파형을 나타낸다.

도 8b는 본 발명의 실시 예에 따른 20m 거리 시뮬레이션에서의 정합필터 출력신호 파형을 나타낸다

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 고정된 수신 이득 구조와 비교한 성능 비교 그래프를 나타낸다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 고정된 수신 이득 구조와 비교한 하드웨어 실험 결과를 나타낸다.

Claims (12)

1. 임펄스 신호기반 무선통신 시스템의 자동 이득 제어 장치에 있어서,

   아날로그 회로부를 통해 수신되는 수신신호의 신호대 잡음비을 확보하는 정합필터;

   상기 수신신호의 프리앰블 신호에 대한 상관신호를 출력하는 상관부;

   상기 상관신호의 상관값 중 매 심볼마다 상기 상관값의 최대값을 출력하거나, 심볼구간을 복수의 그룹으로 나누고 상기 그룹 단위의 합산을 통해 평균값을 얻어 그 중 최대값을 출력하는 합산부;

   상기 합산부의 출력결과에 따른 최대 상관값을 미리 설정된 적어도 하나의 임계치와 비교하여 감쇄이득을 결정하는 비교부; 및

   상기 결정된 감쇄이득 결과를 토대로 상기 아날로그 회로부의 저잡음증폭기와 가변이득증폭기의 이득 값을 설정 또는 변경하는 이득 제어부를 포함하며,

   상기 정합필터는, 고속 샘플링된 상기 수신신호를 병렬처리 하되, 우함수 대칭특성에 따른 선형 위상 특성을 이용하여 곱셈기의 개수를 줄이는 것을 특징으로 하는 자동 이득 제어 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 상관부는,

   상기 정합필터의 출력을 이용하여 패킷의 수신여부와 상기 패킷의 동기를 획득하는 자동 이득 제어 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 상관부는,

   곱셈연산을 수행하지 않고 덧셈기만으로 구현되며, 고속 샘플링된 상기 수신신호를 병렬처리 하는 것을 특징으로 하는 자동 이득 제어 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 비교부는,

   상기 합산부로부터 출력되는 상기 상관신호의 평균값을 상기 적어도 하나의 임계치와 비교하고 그에 따른 수신 이득을 낮추는 자동 이득 제어 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 이득 제어부는,

   상기 비교부로부터 출력된 상기 감쇄이득을 받아 현재이득 설정에 반영하여 변경할 이득 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 자동 이득 제어 장치.
7. 임펄스 신호기반 무선통신 시스템의 자동 이득 제어 장치의 자동 이득 제어방법에 있어서,

   a) 아날로그 회로부를 통해 수신되는 수신신호를 병렬 처리하여 신호대 잡음비를 확보하고, 상기 수신신호의 임펄스 프리앰블에 대한 상관값을 출력하는 단계;

   b) 상기 상관값 중 매 심볼마다 상기 상관값의 최대값을 출력하거나, 심볼구간을 복수의 그룹으로 나누고 상기 그룹 단위의 합산을 통해 평균값을 얻어 그 중 최대값을 출력하는 단계;

   c) 상기 b) 단계의 출력결과 중 어느 하나에 따른 최대 상관값을 미리 설정된 적어도 하나의 임계치와 비교하여 감쇄이득을 결정하는 단계; 및

   d) 상기 결정된 감쇄이득 결과를 토대로 상기 아날로그 회로부의 저잡음증폭기와 가변이득증폭기의 이득 값을 설정 또는 변경하는 단계를 포함하며,

   상기 a) 단계는 정합필터가 고속 샘플링된 상기 수신신호를 병렬처리하되, 우함수 대칭특성에 따른 선형 위상 특성을 이용하여 곱셈기의 개수를 줄이는 것을 특징으로 하는 자동 이득 제어 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 a) 단계 이전에는,

   상기 가변이득증폭기의 이득 값을 가용할 수 있는 최대값으로 설정하며, 상기 이득 값과 관련 변수들을 초기화 하는 단계를 더 포함하는 자동 이득제어 방법.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,

   상기 b) 단계와 c) 단계 사이에는,

   패킷 수신 유무를 판단하여 상기 패킷이 수신되었을 시 상기 패킷 수신완료 여부를 판단하는 단계;

   상기 패킷 수신이 완료되지 않은 경우 동기 획득 여부를 판단하는 단계; 및

   상기 동기 획득이 되지 않은 경우 자동 이득 제어 동작 구간인지 판단하는 단계

   를 포함하는 자동 이득 제어 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 패킷 수신 유무는,

    상기 상관 값을 일정 임계 값과 비교하여 수신기에 패킷이 수신되고 있는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 자동 이득 제어 방법.
11. 제 7 항에 있어서,

    상기 c) 단계는

    상기 최대 상관값을 제1 임계치와 비교하는 단계;

    상기 제1 임계치를 초과하는 경우 감쇄이득을 결정하는 단계; 혹은

    상기 제1 임계치를 초과하지 않는 경우 제2 임계치와 비교하여 상기 제2 임계치를 초과하는 경우 감쇄이득을 결정하는 단계

    를 포함하는 자동 이득 제어 방법.
12. 제 7 항에 있어서,

    상기 d) 단계는,

    프리앰블 구간 동안에 동기가 획득되지 않은 비정상적인 상관값에 의해 설정된 이득 값을 초기화하는 것을 특징으로 하는 자동 이득 제어 방법.

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