KR101579898B1 - 다중 안테나 송신장치 및 수신 장치 - Google Patents

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김민호
박대희
서혜인
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Abstract

본 발명에 따르면, 단일 RF MIMO 시스템에서 펄스폭 변조 또는 스위치를 사용하여 인페이즈 신호와 쿼드러쳐 신호를 서로 다른 듀티 싸이클을 가지는 펄스 신호로 변환하여 입력 신호의 전송에 사용함으로써 간단한 구조로 구현이 가능하며, 상대적으로 넓은 신호 도메인을 사용할 수 있어 보다 안정적으로 높은 전송용량을 지원할 수 있다.

Description

다중 안테나 송신장치 및 수신 장치{MULTI-ANTENNA TRANSMISSION AND RECEIVE APPARATUS}
본 발명은 MIMO(multi input multi output) 시스템에 관한 것으로, 특히 단일 RF(radio frequency) MIMO 시스템에서 펄스폭 변조(pulse width modulation) 또는 스위치(switch)를 사용하여 인페이즈(inphase) 신호와 쿼드러쳐(quadrature) 신호를 서로 다른 듀티 싸이클(duty cycle)을 가지는 펄스 신호로 변환하여 입력 신호의 전송에 사용함으로써 간단한 구조로 구현이 가능하며, 상대적으로 넓은 신호 도메인(domain)을 사용할 수 있어 보다 안정적으로 높은 전송용량을 지원할 수 있도록 하는 다중 안테나 송신 장치 및 수신 장치에 관한 것이다.
일반적으로, MIMO 시스템이라 함은 통신시스템의 송신기와 수신기에 각각 2개 이상의 안테나를 설치하여 신호를 전송하는 기술로써, 안테나별로 동일 대역내에서 각각 다른 신호의 전송이 가능하므로 한정된 주파수 자원으로 시스템 용량을 증가시킬 수 있는 시스템을 말한다.
한편, 기존에는 통신시스템에서 위와 같은 MIMO(multiple input multiple output) 시스템을 구현하기 위해 여러 개의 안테나와 여러 개의 RF 선로를 구성하는 방법으로 송수신기를 구성한다. 예를 들어 4x4 MIMO 시스템을 구성하기 위해서는 4개 이상의 안테나와 4개의 RF 선로를 이용하여 통신시스템을 구성할 수 있다.
이때, 각각의 RF 선로에는 신호를 변조/복조(modulation/demodulation) 하는 모뎀(modem), 디지털 신호(digital signal)를 아날로그 신호(analog signal)로 바꿔주는 높은 성능의 DAC(digital to analog converter), 캐리어 주파수(carrier frequency)를 생성하는 오실레이터(oscillator), 신호를 증폭시키는 AMP(amplifier) 등이 포함된다.
이와 같이 RF 선로에는 다양한 소자들이 이용되기 때문에 RF선로는 부피가 크고 가격이 비싸다. 특히 N x N MIMO 시스템에서는 N이 커질수록 RF 선로의 수가 증가해야 하기 때문에 송수신기의 가격과 크기가 증가한다.
도 1은 기존 통신 시스템에서의 MIMO 구성 방안을 도시한 것이다. 위 도 1을 참조하면, 종래 통신 시스템에서 송신되는 신호 s(t)는 아래의 [수학식 1]에서와 같이 크기와 방위로 구성되는 페이저(phasor)로 표현될 수 있으며, 또한 이러한 페이저는 2개의 독립 파라미터(independent parameter)인 s1과 s2로 나타내어진다. 즉, 하나의 RF에서 2개의 독립 파라미터를 제어하여 신호를 생성한 후, 이를 다시 더하여 안테나로 방사한다. 따라서 N개의 신호를 송신하기 위해서는 N개의 RF가 필요하다.
Figure 112015007398355-pat00001
Figure 112015007398355-pat00002

이러한 단점을 극복하기 위한 종래 방법 중 하나로 1개의 액티브(active) 안테나 주위에 여러 개의 패러시틱(parasitic) 안테나를 배치하여 각 패러시틱 안테나의 부하 임피던스(loading impedance)를 조절함으로써 N개의 신호를 송신하도록 하는 단일 RF를 이용한 안테나 시스템이 제안된 바 있다.
도 2는 위에서 설명한 종래 부하 임피던스 조절을 이용하는 단일 RF MIMO 통신시스템의 개략적인 구성을 도시한 것이다.
위 도 2에서와 같은 종래 시스템에서는 액티브 안테나(200)와 패러시틱 안테나(202)가 근접한 거리에 배치되는 경우 뮤추얼 커플링(mutual coupling)이 생기게 되므로, 미리 측정한 뮤추얼 커플링 매트릭스(mutual coupling matrix)를 통해 패러시틱 안테나에 인가되는 부하 임피던스를 조절함으로써 각 안테나의 흐르는 전류를 제어하도록 하고 있다.
그러나, 위와 같이 부하 임피던스 조절을 이용하여 단일 RF MIME 시스템을 구현하는 경우, 안테나 전력 효율(antenna power efficiency)을 높이기 위해서는 부하 임피던스의 생성을 위해 로스리스 엘리먼트(lossless element)로 구성해야 하며, 이에 따라 부하 임피던스는 허수(imaginary) 신호만 구성할 수 있다는 제한이 생긴다. 또한, 뮤추얼 커플링 관계를 바탕으로 신호를 제어하기 때문에 모든 신호 도메인을 표현할 수 없는 문제점이 있다.
아래의 [수학식 2]는 위 도 2의 시스템에서 각각의 안테나에 흐르는 전류 I를 나타내는 것이다.
Figure 112015007398355-pat00003
위 [수학식 2]를 참조하면, I는 안테나에 흐르는 전류를 나타내는 N x 1 vector, V는 안테나에 흐르는 전압을 나타내는 N x 1 vector, Z는 N x N 안테나 뮤추얼 커플링 매트릭스(antenna mutual coupling matrix), X는 부하 임피던스를 나타내는 N x 1 다이어고널 매트릭스(diagonal matrix) 이다. 따라서, 종래의 부하 임피던스 조절 방식의 단일 RF MIMO 시스템에서는 기존의 안테나별로 각각의 RF 회로를 구비하는 MIMO 시스템에 준하는 성능을 구현하기에 한계점을 가지는 문제가 있었다.
(특허문헌)
대한민국 등록특허번호 10-0862403호(등록일자 2008년 10월 01일)
따라서, 본 발명에서는 단일 RF MIMO 시스템에서 펄스폭 변조 또는 스위치를 사용하여 인페이즈 신호와 쿼드러쳐 신호를 서로 다른 듀티 싸이클을 가지는 펄스 신호로 변환하여 입력 신호의 전송에 사용함으로써 간단한 구조로 구현이 가능하며, 상대적으로 넓은 신호 도메인을 사용할 수 있어 보다 안정적으로 높은 전송용량을 지원할 수 있도록 하는 다중 안테나 송신 장치 및 수신 장치를 제공하고자 한다.
상술한 본 발명은 다중 안테나 송신장치로서, 무선 전송할 n개의 신호를 생성하는 모뎀과, 상기 n개의 신호에 대응되는 n개의 양의 펄스 신호에 대한 제1 듀티 싸이클 또는 n개의 음의 펄스 신호에 대한 제2 듀티 싸이클을 결정하는 베이스 밴드부와, 상기 제1, 제2 듀티 싸이클에 대응되는 펄스 신호를 생성하여 출력하되, 상기 생성된 펄스 신호 중 상기 제2 듀티 싸이클에 해당하는 펄스 신호에 대해서는 역변환을 수행하여 상기 음의 펄스 신호로 출력하는 펄스폭 변조부와, 상기 펄스폭 변조부를 통해 출력되는 상기 양의 펄스 신호 또는 음의 펄스 신호를 다수의 안테나 각각에 대해 분배된 기준 신호와 혼합하여 각각의 안테나로 출력하는 믹서를 포함한다.
또한, 상기 펄스폭 변조부는, 상기 제2 듀티 싸이클로 생성된 펄스 신호에 대해서는 상기 펄스폭 변조부의 출력단에 선택적으로 구비되는 인버터(inverter)를 통해 상기 음의 펄스 신호로 출력시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 펄스폭 변조부는, 1개의 심볼 주기내에 상기 양의 펄스 신호와 음의 펄스 신호가 포함되도록 상기 펄스 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 믹서는, 상기 펄스폭 변조부를 통해 인가되는 상기 양의 펄스 신호 또는 음의 펄스 신호의 제1, 제2 듀티 싸이클에 따라 상기 기준 신호의 전송 주기를 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 믹서는, 상기 펄스폭 변조부와 상기 각각의 안테나를 연결하는 다수의 안테나 선로상 각각 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 송신 장치는, 기 설정된 반송 주파수를 가지는 상기 기준 신호를 발생하는 RF 공진기와, 상기 기준 신호를 기 설정된 크기의 진폭으로 증폭시키는 증폭기와, 상기 증폭된 기준 신호를 상기 각각의 안테나로 분배하여 인가시키는 전력 분배기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 다중 안테나 송신장치로서, 무선 전송할 n개의 신호를 생성하는 모뎀과, 상기 n개의 신호에 대응되는 n개의 양의 펄스 신호에 대한 제1 듀티 싸이클 또는 n개의 음의 펄스 신호에 대한 제2 듀티 싸이클을 결정하는 베이스 밴드부와, 다수의 안테나로 연결되는 각각의 안테나 선로상에 위치되며, 상기 다수의 안테나로 분배되는 기준 신호를 스위칭 동작을 통해 각 안테나로 선택적으로 인가시키는 스위치부와, 상기 제1, 제2 듀티 싸이클의 정보를 이용하여 상기 스위치부의 스위칭 동작 제어하여 상기 기준 신호가 상기 각 안테나로 인가되도록 하는 스위치 트리거링부를 포함한다.
또한, 상기 스위치부는, 상기 다수의 안테나로 분배되는 상기 기준 신호가 인가되는 제1 단자와 인버터를 통해 각각의 안테나 선로에 연결되는 제2 단자와 상기 인버터의 후단을 통해 상기 제2 단자와 연결된 동일한 안테나 선로에 연결되는 제3 단자와 그라운드에 연결되는 제4 단자를 구비하여 상기 제1 단자를 제2 단자 내지 제4 단자 중 어느 하나에 선택적으로 스위칭 연결시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스위치 트리거링부는, 상기 제1, 제2 듀티 싸이클의 정보를 이용하여 상기 스위치부의 스위칭 동작 제어하되, 상기 제1 듀티 싸이클 동안에는 상기 스위치부상 상기 제1 단자가 제3 단자에 연결되도록 제어하며, 상기 제2 듀티 싸이클 구간에서는 상기 제1 단자가 제2 단자에 연결되도록 제어하며, 상기 양 또는 음의 펄스 신호가 없는 구간에서는 상기 제1 단자가 제4 단자에 연결되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스위치 트리거링부는, 상기 제1 듀티 싸이클 또는 제2 듀티 싸이클에 따라 상기 스위치부의 스위칭 동작을 제어하여 각 안테나로 인가되는 상기 기준 신호의 전송 주기가 조절되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인버터는, 상기 제2 듀티 싸이클에 따른 스위칭 동작 시 상기 기준 신호를 역변환하여 출력시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스위치부는, 상기 각각의 안테나를 연결하는 다수의 안테나 선로상 각각 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스위치부는, 상기 각각의 안테나에 걸리는 임피던스와 동일한 임피던스를 부하 임피던스로 가지며, 상기 스위치부의 오프 시 상기 부하 임피던스에 의해 임피던스 정합이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 송신 장치는, 기 설정된 반송 주파수를 가지는 기준 신호를 발생하는 RF 공진기와, 상기 기준 신호를 기 설정된 크기의 진폭으로 증폭시켜 상기 스위치부로 인가시키는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 다중 안테나 수신장치로서, 통신망을 통해 무선 전송되는 다수의 서로 다른 신호를 수신하는 다수의 안테나와, 상기 다수의 안테나 각각에 연결되는 안테나 선로상 구비되어 상기 신호 중 양의 펄스 신호를 샘플링하여 제1 샘플링 신호를 출력하는 제1 샘플러와, 상기 신호 중 음의 펄스 신호를 샘플링하여 제2 샘플링 신호를 출력하는 제2 샘플러와, 상기 제1 샘플링 신호와 제2 샘플링 신호에 대해 FFT 변환을 수행하여 주파수 도메인에서 상기 신호의 반송 주파수의 진폭을 검출하는 FFT부를 포함한다.
또한, 상기 제1, 제2 샘플링 신호는, 각각의 신호의 반송 주파수에 대한 전송 주기 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 단일 RF MIMO 시스템에서 펄스폭 변조 또는 스위치를 사용하여 인페이즈 신호와 쿼드러쳐 신호를 서로 다른 듀티 싸이클을 가지는 펄스 신호로 변환하여 입력 신호의 전송에 사용함으로써 간단한 구조로 구현이 가능한 이점이 있다. 또한, 상대적으로 넓은 신호 도메인을 사용할 수 있어 보다 안정적으로 높은 전송용량을 지원할 수 있는 이점이 있다.
또한, 특히 송신 장치에서는 단일 RF만을 사용하여 MIMO 시스템을 구성할 수 있기 때문에 송신 장치의 소형화와 저비용 생산이 가능하게 되는 이점이 있다.
도 1은 종래 통신 시스템에서의 MIMO 구성 방안 예시도,
도 2는 종래 부하 임피던스 조절을 이용하는 단일 RF MIMO 통신시스템의 개략적인 구성도,
도 3a, 도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 반복된 렉트 함수에 대한 시간 영역과 주파수 영역에서 동일한 신호 예시도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 펄스폭 변조 개념도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 펄스폭 변조를 이용한 다중 안테나 송신장치의 상세 회로 구성도,
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 스위치를 이용한 다중 안테나 송신 장치의 상세 회로 구성도,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 안테나 수신장치의 상세 회로 구성도,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 펄스 신호 샘플링 개념도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
먼저, 본 발명에서는 신호를 구성하는데 있어 기존 RF에서 사용하던 [수학식 1]과 같은 인페이즈(inphase) 신호, 쿼드러쳐(quadrature) 신호가 아닌 렉탱귤러(rectangular) 함수(이하 '렉트 함수'라 칭함)를 주기적으로 발생시켜서 펄스 신호를 구성한다.
여기서, 아래의 [수학식 3]과 같이 렉트 함수를 g(t)로 나타낼 수 있고, 이를 다시 주파수 영역으로 푸리에 변환을 하게 되면 [수학식 4]와 같이 나온다. 이때, [수학식 3]에서 n은 n번째 신호를 의미하고,
Figure 112015007398355-pat00004
는 렉트 함수, 즉 펄스 신호의 듀티 싸이클(duty cycle)이고,
Figure 112015007398355-pat00005
는 렉트 함수의 주기이다.
Figure 112015007398355-pat00006
Figure 112015007398355-pat00007
위와 같은 [수학식 3], [수학식 4]를 참조하면, 렉트 함수는 주파수 영역에서는 sinc 함수가 더해진 형태로 표현이 되는데, 이때 q=0 인 경우가 반송 주파수(carrier frequency)이기 때문에 q=0에서의 진폭(amplitude)만 고려한다.
즉, q=0에서 반송 주파수의 진폭은
Figure 112015007398355-pat00008
이므로,
Figure 112015007398355-pat00009
에 선형적(linear)으로 비례한다. 따라서, 렉트 함수 즉, 펄스(pulse)의 듀티 싸이클(duty cycle)을 조절함으로써 주파수 영역에서 반송 주파수에 해당하는 주파수 신호의 진폭을 제어할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 반복된 렉트 함수에 대해 시간 영역과 주파수 영역에서 동일한 신호를 나타낸 것이다.
위 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 심볼 타임(symbol time)가 50ns이고, 2개의 펄스가 70%의 듀티 싸이클을 가질 때 주파수 영역에서는 듀티 싸이클에 의해 결정된 진폭이 나타나게 된다. 이때 반송 주파수가 곱해지지 않았기 때문에 q=0에서의 값인 f=0에서 해당 진폭이 나타나게 된다.
한편, 위에서 설명한 방식의 신호 인가 방법을 펄스폭 변조(pulse width modulation)라고 하며, 위와 같은 펄스폭 변조는 도 4에서 보여지는 바와 같이 확장할 수 있다.
즉, 위 도 4를 참조하면, 펄스 신호가 0, 1 뿐만 아니라 -1값을 가질 수 있도록 한다면 렉트 함수의 듀티 싸이클(
Figure 112015007398355-pat00010
) 뿐만 아니라, 역변환(inverted) 렉트 함수의 듀티 싸이클(
Figure 112015007398355-pat00011
)도 조절할 수 있다. 이때, 1개의 심볼 주기(symbol duration) 동안 양의 펄스 신호(+pulse)와 음의 펄스 신호(-pulse)가 동시에 존재한다. 이때, 양의 펄스 신호에 대한 주기를
Figure 112015007398355-pat00012
, 음의 펄스 신호에 대한 주기를
Figure 112015007398355-pat00013
라고 하면,
Figure 112015007398355-pat00014
가 되고 두 주기의 비율은 상황에 따라 변할 수 있다.
이하에서는 위에서 설명한 펄스폭 변조를 다중 안테나를 이용하는 MIMO 시스템에 적용하기 위한 두 가지 송신장치의 구조와 하나의 수신장치의 구조에 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 펄스폭 변조를 이용한 다중 안테나 송신장치의 상세 회로 구성을 도시한 것으로, RF 공진기(500), 증폭기(502), 전력 분배기(504), 모뎀(508), 베이스 밴드부(510), 펄스폭 변조부(512), 믹서(516) 등을 포함할 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 다중 안테나 송신장치의 각 구성요소에서의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, RF 공진기(oscillator)(500)는 기 설정된 반송 주파수(carrier frequency)를 가지는 기준 신호를 발생하며, 이와 같이 발생된 기준 신호는 RF 공진기(500)의 후단에 연결된 증폭기(amplifier)(502)로 인가될 수 있다.
증폭기(502)는 위와 같이 RF 공진기(500)로부터 발생된 기준 신호를 기 설정된 크기의 진폭(amplitude)으로 증폭한다.
전력 분배기(power divider)(504)는 증폭기(502)로부터 증폭된 기준 신호를 송신 장치에 구비되는 안테나의 수에 대응되게 분배하고, 다수의 안테나(506)에 연결되는 각각의 안테나 선로를 통해 각각의 안테나로 인가시킨다.
모뎀(modem)(508)은 MIMO 시스템 등의 다중 안테나를 이용하는 통신 시스템에서 안테나 수에 대응되게 무선 전송하고자 하는 n개의 신호를 생성한다. 이때, 모뎀(508)에서 생성되는 신호는 인페이즈 신호와 쿼드러쳐 신호가 될 수 있다.
베이스 밴드부(base band chip)(510)는 모뎀(508)에서 생성된 인페이즈 신호와 쿼드러쳐 신호를 수신하는 경우 펄스폭 변조(pulse width modulation)을 수행하여 양(positive)의 펄스 신호에 대한 제1 듀티 싸이클(
Figure 112015007398355-pat00015
)와 음(negative)의 펄스 신호에 대한 제2 듀티 싸이클(
Figure 112015007398355-pat00016
)을 결정한다.
펄스폭 변조부(pulse width modulation)(512)는 베이스 밴드부(510)로부터 수신받은 제1, 제2 듀티 싸이클에 해당하는 펄스 신호를 생성하여 출력한다. 이때, 펄스폭 변조부(512)는 제1 듀티 싸이클에 해당하는 펄스 신호에 대해서는 역변환 없이 양의 펄스 신호로 그대로 출력시키며, 제2 듀티 싸이클에 해당하는 펄스 신호에 대해서는 역변환을 수행하여 음의 펄스 신호로 출력시킨다.
이때, 위와 같은 역변환을 위해 인버터(inverter)(514) 등의 소자를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이러한 인버터(514) 등의 소자는 도 5에서는 펄스폭 변조부(512)의 출력단에 교번적으로 설치되는 것을 도시 하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
믹서(mixer)(516)는 펄스폭 변조부(512)를 통해 출력되는 양의 펄스 신호 또는 음의 펄스 신호를 전력 분배기(504)로부터 다수의 안테나(506) 각각에 대해 분배된 기준 신호와 혼합하여 각각의 안테나로 출력한다. 이때, 믹서(516)는 펄스폭 변조부(512)와 각각의 안테나를 연결하는 다수의 안테나 선로(518)상 각각 배치될 수 있다.
즉, n개의 각 안테나 선로(518)에는 펄스폭 변조부(512)로부터 출력되는 양의 펄스 신호/음의 펄스 신호와, RF 공진기(500), 증폭기(502), 전력 분배기(504) 등을 포함하는 단일 RF 회로부터 출력되는 반송 주파수의 사인(sine) 파 신호가 믹서(516)에 의해 곱해져서 각각의 안테나를 통해 방사된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 스위치를 이용한 다중 안테나 송신 장치의 상세 회로 구성을 도시한 것으로, RF 공진기(600), 증폭기(602), 모뎀(604), 베이스 밴드부(606), 스위치 트리거링부(608), 스위치부(610) 등을 포함할 수 있다.
이때, 도 6에서와 같은 스위치를 이용한 단일 RF MIMO 송신장치 구조에서는 도 5에서 도시된 펄스폭 변조를 이용한 송신장치와 비교하여 동작의 결과 즉, 안테나로 인가되는 신호는 동일하게 되지만, 펄스폭 변조과 아닌 스위치를 사용하여 동작을 구현한다. 즉, 펄스폭 변조를 사용하는 구조와 마찬가지로 베이스 밴드부(606)에서는 각 신호에 해당하는 듀티 싸이클을 계산하고, 이는 스위치 트리거링부(608)에 의해 알맞은 시간에 각 안테나 선로상 구비된 스위치부(610)에 트리거링되어 양의 펄스 신호 또는 음의 펄스 신호로 생성될 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 다중 안테나 송신장치의 각 구성요소에서의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, RF 공진기(oscillator)(600)는 기 설정된 반송 주파수(carrier frequency)를 가지는 기준 신호를 발생하며, 이와 같이 발생된 기준 신호는 RF 공진기(600)의 후단에 연결된 증폭기(amplifier)(602)로 인가될 수 있다.
증폭기(602)는 위와 같이 RF 공진기(600)로부터 발생된 기준 신호를 기 설정된 크기의 진폭(amplitude)으로 증폭하고, 이와 같이 증폭된 기준 신호는 다수의 안테나(622)에 연결되는 각각의 안테나 선로(620)를 통해 각각의 안테나로 인가된다.
모뎀(modem)(604)은 MIMO 시스템 등의 다중 안테나를 이용하는 통신 시스템에서 안테나 수에 대응되게 무선 전송하고자 하는 n개의 신호를 생성한다. 이때, 모뎀(604)에서 생성되는 신호는 인페이즈 신호와 쿼드러쳐 신호가 될 수 있다.
베이스 밴드부(606)는 모뎀(604)에서 생성된 인페이즈 신호와 쿼드러쳐 신호를 수신하는 경우 펄스폭 변조(pulse width modulation)을 수행하여 양(positive)의 펄스 신호에 대한 제1 듀티 싸이클(
Figure 112015007398355-pat00017
)와 음(negative)의 펄스 신호에 대한 제2 듀티 싸이클(
Figure 112015007398355-pat00018
)을 결정한다.
스위치부(610)는 스위치 트리거링부(608)의 제어에 따라 스위칭되어 내부에 존재하는 다수의 단자간을 선택적으로 온/오프(on/off)시키는 동작을 수행한다.
즉, 스위치부(610)에는 도 6에 도시된 바와 같이 제1 단자(612), 제2 단자(616), 제3 단자(614), 제4 단자(617) 등이 구비될 수 있으며, 스위치 트리거링부(608)의 제어에 따라 기준 신호가 인가되는 제1 단자(612)를 제2 단자(616) 내지 제4 단자(619) 중 어느 하나에 선택적으로 스위칭 연결시킴으로써 기준 신호의 반송 주파수에 해당하는 사인(sine) 파의 신호가 제1 듀티 싸이클 또는 제2 듀티 싸이클에 대응되게 각각의 안테나(622)로 인가될 수 있도록 한다.
이때, 제1 단자(612)는 RF 공진기(600), 증폭기(602) 등을 포함하는 단일 RF 회로부터 출력되는 반송 주파수의 기준 신호가 인가되는 단자일 수 있다. 또한, 제2 단자(616)는 각각의 안테나 선로(620)에 연결되는 단자로 신호의 역변환을 위한 인버터(618) 등의 소자가 구비될 수 있다. 또한, 제3 단자(614)는 제2 단자(616)가 연결된 동일한 안테나 선로(620)에 연결되는 단자이나, 제2 단자(616) 쪽에 위치한 인버터(618)의 후단에서 안테나 선로(620)와 연결되도록 하여 역변환이 필요하지 않은 신호에 대해 그대로 안테나(622)로 방사되도록 하는 단자이다.
또한, 제4 단자(619)는 그라운드(ground)에 연결되는 단자로써 스위치부(610)가 오프(off)되는 경우에 연결되는 단자이며, 이때 제4 단자(619)에는 안테나(622)의 임피던스와 동일한 임피던스가 연결될 수 있다. 즉, 스위치부(610의) 스위치(611)가 제4 단자(619)에 연결되어 오픈 서킷(open circuit)이 되는 경우 RF 회로에서 안테나(622)를 바라보는 임피던스가 가변적이 되어 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 제4 단자(619) 쪽에 안테나(622)의 임피던스와 동일한 임피던스
Figure 112015007398355-pat00019
을 그라운드 사이에 연결해주어 스위치(611)가 제4 단자(619)에 연결되는 경우에도 RF 회로에서 안테나(622)를 바라보는 임피던스가 항상 일정하게 되도록 한다. 이에 따라 임피던스 정합(impedance matching)을 안정적으로 할 수 있어 단일 RF 회로로부터의 기준 신호에 대한 왜곡 발생을 방지할 수 있다.
스위치 트리거링부(608)는 제1, 제2 듀티 싸이클의 정보를 이용하여 스위치부(610)의 스위칭 동작 제어한다.
이때, 위와 같은 스위치 동작 제어에 있어서, 스위치 트리거링부(608)는 예를 들어 제1 듀티 싸이클 동안에는 스위치부(610)상 제1 단자(612)가 제3 단자(614)에 연결되도록 제어하며, 제2 듀티 싸이클 구간에서는 제1 단자(612)가 제2 단자(616)에 연결되도록 제어할 수 있다. 또한, 양 또는 음의 펄스 신호가 없는 구간에서는 제1 단자(612)가 제4 단자(619)에 연결되도록 제어할 수 있다. 이에 따라 스위치 트리거링부(608)에 의한 스위치부(610)의 제어를 통해 RF 공진기(600), 증폭기(602) 등을 포함하는 단일 RF 회로부터 출력되는 반송 주파수의 사인(sine) 파의 기준 신호가 각각의 안테나(622)로 인가되어 방사된다.
이때, 스위치 트리거링부(608)는 1개의 심볼 주기내에 상기 제1, 제2 듀티 싸이클에 대응되는 양의 펄스 신호와 음의 펄스 신호가 포함되도록 스위치부(610)의 스위칭 동작을 제어한다. 또한, 스위치 트리거링부(608)는 제1 또는 제2 듀티 싸이클에 따라 스위치부(610)의 스위칭 동작을 제어하여 각 안테나(622)로 인가되는 기준 신호의 전송 주기가 조절되도록 할 수 있다.
한편, 위와 같은 도 5, 도 6에서와 같이 송신 장치의 구성 시 펄스폭 변조를 사용하였을 경우 수신 장치 쪽에서 반송 주파수에서 진폭을 감지해야 하고, 또한 양의 펄스 신호와 음의 펄스 신호를 구분해야할 필요가 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 반송 주파수에서 진폭을 감지하고, 양의 펄스 신호와 음의 펄스 신호를 구분할 수 있도록 하기 위한 다중 안테나 수신 장치의 구성을 도시한 것으로, 제1 샘플러(702), 제2 샘플러(704), FFT부(706) 등을 포함할 수 있다.
이하, 위 도 7을 참조하면, 본 발명의 다중 안테나 수신 장치 각 구성요소에서의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 수신장치에 구비되는 다수의 안테나(700)에서 통신망을 통해 무선 전송되는 다수의 서로 다른 신호를 수신될 수 있다.
이와 같이 다수의 안테나(700)를 통해 신호가 수신되는 경우 제1 샘플러(sampler)(702)는 수신된 신호 중 양의 펄스 신호를 샘플링(sampling)하여 제1 샘플링 신호를 출력하며, 제2 샘플러(704)는 수신된 신호 중 음의 펄스 신호를 샘플링하여 제2 샘플링 신호를 출력할 수 있다. 이때, 제1 샘플러(702)와 제2 샘플러(704)는 도 7에 도시된 바와 같이 다수의 안테나(700) 각각에 연결되는 안테나 선로상 각각 구비될 수 있다.
FFT(fast fourier transform)부(706)는 제1 샘플러(702)와 제2 샘플러(704)를 통해 생성되는 제1 샘플링 신호와 제2 샘플링 신호에 대해 FFT 변환을 수행하여 주파수 도메인(frequency domain)에서 표시시킨다. 이에 따라 수신된 신호의 반송 주파수의 진폭을 검출하는 것이 가능하게 된다.
즉, 다수의 안테나로 수신된 양의 펄스 신호와 음의 펄스 신호는 각각 포지티브 샘플러(positive sampler)인 제1 샘플러(702)와 네거티브 샘플러(negative sampler)인 제2 샘플러(704)를 통해 도 8에서와 같이 양 또는 음의 펄스 신호를 구분될 수 있다. 이때, 제1 샘플러(702)에서 샘플링된 신호는 양의 펄스 신호의 듀티 싸이클(
Figure 112015007398355-pat00020
)에 대한 정보, 제2 샘플러(704)에서 샘플링된 신호는 음의 펄스 신호의 듀티 싸이클(
Figure 112015007398355-pat00021
)에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이어, 이와 같이 각각 샘플링된 값을 FFT을 거쳐 시간 도메인(time domain)에서 주파수 도메인(frequency domain)으로 표시시킬 수 있으며, 이에 따라 반송 주파수의 진폭을 감지하는 것이 가능하게 되어 후단의 RF 회로에서 성공적으로 복조(demodulation)를 수행할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 단일 RF MIMO 시스템에서 펄스폭 변조 또는 스위치를 사용하여 인페이즈 신호와 쿼드러쳐 신호를 서로 다른 듀티 싸이클을 가지는 펄스 신호로 변환하여 입력 신호의 전송에 사용함으로써 간단한 구조로 구현이 가능하며, 상대적으로 넓은 신호 도메인을 사용할 수 있어 보다 안정적으로 높은 전송용량을 지원할 수 있다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
500 : RF 공진기 502 : 증폭기
504 : 전력 분배기 506 : 안테나
508 : 모뎀 510 : 베이스 밴드부
512 : 펄스폭 변조부 514 : 인터버
516 : 믹서 518 : 안테나 선로

Claims (13)

  1. 무선 전송할 n개의 신호를 생성하는 모뎀과,
    상기 n개의 신호에 대응되는 n개의 양의 펄스 신호에 대한 제1 듀티 싸이클 또는 n개의 음의 펄스 신호에 대한 제2 듀티 싸이클을 결정하는 베이스 밴드부와,
    상기 제1, 제2 듀티 싸이클에 대응되는 펄스 신호를 생성하여 출력하되, 상기 생성된 펄스 신호 중 상기 제2 듀티 싸이클에 해당하는 펄스 신호에 대해서는 역변환을 수행하여 상기 음의 펄스 신호로 출력하는 펄스폭 변조부와,
    상기 펄스폭 변조부를 통해 출력되는 상기 양의 펄스 신호 또는 음의 펄스 신호를 다수의 안테나 각각에 대해 분배된 기준 신호와 혼합하여 각각의 안테나로 출력하는 믹서
    를 포함하는 다중 안테나 송신장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스폭 변조부는,
    1개의 심볼 주기내에 상기 양의 펄스 신호와 음의 펄스 신호가 포함되도록 상기 펄스 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 송신장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 믹서는,
    상기 펄스폭 변조부를 통해 인가되는 상기 양의 펄스 신호 또는 음의 펄스 신호의 제1, 제2 듀티 싸이클에 따라 상기 기준 신호의 전송 주기를 조절하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 송신장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 믹서는,
    상기 펄스폭 변조부와 상기 각각의 안테나를 연결하는 다수의 안테나 선로상 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 송신장치.
  5. 무선 전송할 n개의 신호를 생성하는 모뎀과,
    상기 n개의 신호에 대응되는 n개의 양의 펄스 신호에 대한 제1 듀티 싸이클 또는 n개의 음의 펄스 신호에 대한 제2 듀티 싸이클을 결정하는 베이스 밴드부와,
    다수의 안테나로 연결되는 각각의 안테나 선로상에 위치되며, 상기 다수의 안테나로 분배되는 기준 신호를 스위칭 동작을 통해 각 안테나로 선택적으로 인가시키는 스위치부와,
    상기 제1, 제2 듀티 싸이클의 정보를 이용하여 상기 스위치부의 스위칭 동작 제어하여 상기 기준 신호가 상기 각 안테나로 인가되도록 하는 스위치 트리거링부
    를 포함하는 다중 안테나 송신장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 다수의 안테나로 분배되는 상기 기준 신호가 인가되는 제1 단자와 인버터를 통해 각각의 안테나 선로에 연결되는 제2 단자와 상기 인버터의 후단을 통해 상기 제2 단자와 연결된 동일한 안테나 선로에 연결되는 제3 단자와 그라운드에 연결되는 제4 단자를 구비하여 상기 제1 단자를 제2 단자 내지 제4 단자 중 어느 하나에 선택적으로 스위칭 연결시키는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 송신장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 스위치 트리거링부는,
    상기 제1, 제2 듀티 싸이클의 정보를 이용하여 상기 스위치부의 스위칭 동작 제어하되, 상기 제1 듀티 싸이클 동안에는 상기 스위치부상 상기 제1 단자가 제3 단자에 연결되도록 제어하며, 상기 제2 듀티 싸이클 구간에서는 상기 제1 단자가 제2 단자에 연결되도록 제어하며, 상기 양 또는 음의 펄스 신호가 없는 구간에서는 상기 제1 단자가 제4 단자에 연결되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 송신장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 스위치 트리거링부는,
    상기 제1 듀티 싸이클 또는 제2 듀티 싸이클에 따라 상기 스위치부의 스위칭 동작을 제어하여 각 안테나로 인가되는 상기 기준 신호의 전송 주기가 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 송신장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 인버터는,
    상기 제2 듀티 싸이클에 따른 스위칭 동작 시 상기 기준 신호를 역변환하여 출력시키는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 송신장치.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 각각의 안테나를 연결하는 다수의 안테나 선로상 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 송신장치.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 각각의 안테나에 걸리는 임피던스와 동일한 임피던스를 부하 임피던스로 가지며, 상기 스위치부의 오프 시 상기 부하 임피던스에 의해 임피던스 정합이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 송신장치.
  12. 통신망을 통해 무선 전송되는 다수의 서로 다른 신호를 수신하는 다수의 안테나와,
    상기 다수의 안테나 각각에 연결되는 안테나 선로상 구비되어 상기 신호 중 양의 펄스 신호를 샘플링하여 제1 샘플링 신호를 출력하는 제1 샘플러와,
    상기 신호 중 음의 펄스 신호를 샘플링하여 제2 샘플링 신호를 출력하는 제2 샘플러와,
    상기 제1 샘플링 신호와 제2 샘플링 신호에 대해 FFT 변환을 수행하여 주파수 도메인에서 상기 신호의 반송 주파수의 진폭을 검출하는 FFT부
    를 포함하는 다중 안테나 수신장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 샘플링 신호는,
    각각의 신호의 반송 주파수에 대한 전송 주기 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 수신장치.

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