KR20010094759A - 확산 스펙트럼 수신기 - Google Patents

Abstract

디지털로 샘플링 된 칩 시퀀스는 수신된 확산 스펙트럼 신호로부터 유도되며, 매칭된 필터(34)는 매칭된 필터에서 상기 디지털로 샘플링 된 칩 시퀀스를 필터링하며, 회로(36)는 연속적인 비트 주기 동안 상기 매칭된 필터로부터의 출력의 주행 평균과, 상기 매칭된 필터 출력 샘플의 어느 것이 상기 주행 평균에서의 최대값에 해당하는 지를 얻으며, 최대값과 동기된 상기 매칭될 필터의 스테이지에서 상기 샘플의 부호를 결정하여, 상기 부호에 따라 데이터 비트 값을 할당하는, 확산 스펙트럼 신호로부터 데이터비트를 복구하는 방법 및 수신기.

Description

확산 스펙트럼 수신기{SPREAD SPECTRUM RECEIVER}

저가(low cost)의 저전력 확산 스펙트럼 라디오 시스템은 대화형(interactive) 제어 및 하드웨어 유닛 사이에 데이터 전달을 위해 가정에서 사용하도록 개발 중이다. 그러한 시스템의 하나는 파이어플라이(Firefly)(이전에는 HomeRF Lite로 알려져 있음)로 명명되는 것이며, 이 시스템은 11개의 칩 의사-랜덤(pseudo-random) 시퀀스를 사용하여 2.2 MHz로 확산되는 200kbps 비트 레이트로 2.4 GHz ISM 대역에서 작동할 것을 제시하고 있다. 변조 방식을 위해 GMSK가 제시되었는데, 상기 GMSK는 송신된 신호의 대역 외 사이드 로브(out of band side lobes)를 최소화시켜 주기 때문이다.

상기 저전력의 요구는, 적합한(relevant) 신호가 송신 중인지를 결정하기 위해 때때로 깨어나기만 하면서, 하드웨어 유닛이 절전 취침 모드에서 상당한 시간을 소비해야 함을 내포하고 있다. 검출 과정(detection process)이 더 빠를 수록 전력 소모가 줄여질 수 있다. 캐리어 및 코드 로킹(code locking) 각각에 대해, 위상 동기 루프와 지연 로크 루프(delay locked loops)를 채택하는 간섭성(coherent) 검출기는 상기 간섭성 검출기들의 루프 필터의 상대적으로 긴 셋팅 시간으로 인하여 절전에 관해서는 불리하다.

확산 스펙트럼 신호를 디코딩하는 비-간섭성의 방법은 매칭된 필터를 사용해 구현될 수도 있으나, 그 결과로 생기는, 신호 대 잡음 비(SNR: Signal to Noise Ratio)의 함수로서의 비트 에러 레이트(BER: Bit Error Rate) 곡선은 송신기 코드 시퀀스에 동기되는 간섭성 수신기와 비교했을 때, 페널티(penalty)를 겪을 것으로 예상될 수 있다. 전형적으로, 상기 페널티는 약 3dB의 효과적인 SNR에 있어서의 손실을 말한다.

본 발명은 확산 스펙트럼 수신기 및 확산 스펙트럼 신호로부터 데이터 비트를 복구하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 확산 스펙트럼 시스템의 일 실시예에 대한 블록 개략도.

도 2는 주행 평균을 유도해내기 위한 회로 및 매칭된 필터의 블록 개략도.

도 3의 a, b, c 및 d는 각각, RMS 출력, 매칭된 필터 출력, 추산된 동기 샘플 위치 및, 도 2에 도시된 회로의 작동에 대한 이해를 용이하게 해주는 클록 파형을 도시하는 도면.

도 4는 이상적인 간섭성 검출기, 본 발명에 따라 제작된 수신기 및 비-간섭성 매칭된 필터의 성능을 비교하기 위한 그래프를 도시한 도면.

도면에서, 같은 참조 번호는 대응하는 특징을 나타내는데 사용되었다.

본 발명의 목적은 CDMA 비트 시퀀스를 디코딩할 때 비-동기 매칭된 필터의 성능을 향상시키는 것이다.

본 발명의 첫번째 양상에 따라, 확산 스펙트럼 신호로부터 데이터 비트를 복구하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 수신된 확산 스펙트럼 신호로부터 디지털로 샘플링 된 칩 시퀀스를 유도하는 것과, 상기 디지털로 샘플링 된 시퀀스를 매칭된 필터에서 필터링하는 것과, 연속적인 비트 주기 동안, 상기 매칭된 필터로부터의 출력의 주행 평균(running average)을 얻는 것과, 연속적인 비트 주기에서, 상기 매칭된 필터 출력 샘플 중 어느 것이 상기 주행 평균 안의 최대값에 해당하는 지를 가리켜주는 것과, 상기 최대값과 동기된 상기 매칭된 필터의 스테이지에서 상기 샘플의 부호를 결정하여 상기 부호에 따라 데이터 비트값을 할당하는 것을 포함한다.

본 발명의 두번째 양상에 따라, 확산 스펙트럼 신호를 위한 수신기가 제공되며, 상기 수신기는 확산 스펙트럼 신호를 수신하여, 아날로그 칩 시퀀스를 생성하는 수단과, 상기 아날로그 칩 시퀀스를 디지털화하여, 디지털로 샘플링 된 칩 시퀀스를 생성하는 수단과, 상기 디지털로 샘플링 된 칩 시퀀스에 대해 하나의 입력을 구비한 디지털 매칭된 필터와, 연속적인 비트 주기 동안 상기 매칭된 필터의 출력의 주행 평균을 얻기 위해 상기 매칭된 필터의 출력에 연결된 수단과, 상기 매칭된 출력 샘플 중 어느 것이 연속적인 비트 주기에서의 주행 평균의 최대값에 해당하는 지를 가리켜주는 수단과, 상기 최대값과 동기된 필터 스테이지에서 상기 신호의 부호를 가리키어, 상기 부호에 따라 데이터 비트 값을 할당하는 수단을 포함한다.

본 발명에 의해, 다수의 비트 주기동안 매칭된 필터의 출력의 크기의 주행 평균을 계산함으로써, 동기도(degree of synchronisation)가 얻어지며, 그리하여 참(true) 피크 출력 위치(position)가 잡음으로부터 나타날 수 있다.

주행 평균을 계산함에 있어서, 각 샘플에서 새로운 RMS 값이

에서 계산되며,

여기서,은번째 데이터 비트 주기에서번째로 매칭된 필터 출력 샘플의 절대값이다.

은 n-1번째 데이터 비트 주기의 끝에서 대응하는번째 샘플 주행 평균이며,

α은 평균 이득이고, 값을 갖는다. 전형적으로, 단순한 평균으로는α= 0.5이고, 잡음 효과에 더 내성이 있는(more resistant) 시스템을 위해서는 1에 더 가깝도록 더 높은 값을 갖는다.

그리하여, 비트 주기 동안의 동기 샘플은 최대값에 대응하는 매칭된 필터 출력 샘플로서 취해진다. 평균 이득 α는 단순 평균에 대해서는 전형적으로 0.5이나, 더 긴 주기 동안 잡음을 효과적으로 평균내기 위해 1.0에 더 가까운 값이 선택될 수도 있으며, 그로 인해, 잡음 면역성(immunity)을 증가시켜 준다.

본 발명은 이제, 첨부된 도면을 참조하여, 예시에 의해서 설명될 것이다.

도 1을 참조하면, 확산 스펙트럼 시스템은 송신기(Tx) 및 수신기(Rx)를 포함한다. 설명의 편이를 위해, 상기 시스템은 11개의 칩 P-N 시퀀스를 사용해서2.2MHz로 확산하는 200kbps 비트 레이트로 2.4GHz ISM 대역에서 작동하는 것으로 가정될 것이다. 송신기(Tx)는 200 kbps의 비트의 형태로 복수의 기호(symbols)를 생성하는 데이터 소스(10)를 포함한다. 상기 기호는 11 개의 칩 P-N 시퀀스를 공급하는 코드 생성기(14)에 연결되어 있는 곱셈기(multiplier)(12)에 공급된다. 곱셈기(12)의 2.2MHz 출력은 GFSK 변조기(16)에 공급되며, 상기 GFSK 변조기(16)로부터 나온 출력은 전력 증폭기(18)에서 증폭되어, 안테나(20)에 의해 전파된다. 전파 과정 중에서, 신호는 잡음을 받게 될 것이다.

수신기(Rx)에서, 전파된 신호는 안테나(26)에 의해 수신되어, RF 프런트 엔드 및 복조기(28)로 전해진다. 그 출력은 1 비트 아날로그 대 디지털 변환기(30)에 공급되는데, 상기 변환기는 디코딩 되도록 2.2 MHz (또는 2.2 메가칩스/초) 신호를 필터 기능 블록(32)에 공급한다.

스테이지(32)에서, 2.2 MHz 신호는 말하자면, 팩터 10 만큼 과샘플링(over-sampled) 된다. 블록(32)은 기호 클록 레이트 신호, 즉, 200kHz을 위한 입력(134)을 구비하며, 두 개의 출력, 즉, 만약 신호가 존재한다고 믿어지면, "1"이고, 그렇지 않으면, 제로인, 신호 검출을 위한 출력(136)과, 비트 아웃(bits out), 즉, 디코딩 된 비트 스트림을 위한 출력(138)을 구비한다.

또 다른 입력(또는 입력들)(140)이(들이) (a) P-N 시퀀스, (b) 영역에서 값을 취할 수 있는 평균 이득 알파 (또는 α), 및 (c) 필터 RMS 신호 임계값(상기 임계값 위에서는 신호가 존재하는 것으로 간주됨)을 공급하기 위해 블록(32)에 제공되며, 최대 가능한 RMS 신호값은 상기 과샘플링 팩터로써 곱셈된 코드 길이, 즉 11 ×10 = 110과 같다고 가정한다.

도 2를 참조하면, 필터 기능 블록(32)은 매칭된 필터(34), 주행 평균 회로(36) 및 결정 스테이지(68)를 포함한다. 매칭된 필터(34)는 쉬프트 레지스터(38)와 레지스터(40)를 포함하는데, 그 각각은 11개의 마크로(macro) 스테이지를 구비하며, 각각의 마크로 스테이지는 P-N 시퀀스에서의 칩들 중 하나에 대응한다. 그러나, 각 마크로 스테이지는 10 개의 서브-스테이지를 포함하여, 팩터 10으로써 상기 칩들의 과샘플링을 고려한다. 상기 과샘플링 된 칩 스트림은 쉬프트 레지스터(38)의 입력 (42)에 공급된다. P-N 시퀀스는 레지스터(40)에 영구적으로 저장되고, 마크로 스테이지의 10 개의 서브-스테이지 각각은 같은 값과 부호를 저장한다. 각 레지스터(38, 40)의 대응하는 서브-스테이지는 각각의 XOR 게이트(44)에 연결되며, 모든 XOR 게이트로부터 나온 출력은 가산 스테이지(46)의 시퀀스 안에서 결합되어, 단자(48)에서, 결합된 필터 출력 신호(y_i)를 제공한다.

작동 시, 상기 쉬프트 레지스터(38)는 과샘플링 된 칩 레이트, 즉 22 MHz로 클록되며, 쉬프트 레지스터(38)의 각 진행(advance)후에, XOR 및 가산 연산(operation)이 수행되어, 상기 과샘플링된 칩 레이트로 필터 출력을 생산한다. 유용한 P-N코드 시퀀스의 자동상관(autocorrelation) 특성 때문에, 상기 레지스터(40) 내의 로컬 코드 시퀀스가 수신된 코드 시퀀스와 동기되는 순간에, 단자(48)에서의 필터 출력은 잡음이 없을 때 비트 주기 내에서 피크를 이룰 것이며, 상기 피크의 부호는 송신된 비트의 부호와 대응할 것이다. 그러나, 잡음이 존재시, 필터 출력에서의 가짜(spurious) 피크는 진짜의, 동기된 피크의 진폭이 감소되고, 한편, 필터 출력 신호는 비트 주기 내에서 다른 때에 피크를 이룰 수 있으므로, 에러가 있는(erroneous) 비트 결정을 가져올 수 있다.

주행 평균 회로(36)는 진짜 신호가 잡음으로부터 나타나게 해주기 위하여 RMS 필터의 주행 평균을 계산함으로써 동기가 이루어지게 한다. 상기 계산은 다음 방정식으로써 요약된다:

여기서,은번째 데이터 비트 주기에서번째로 매칭된 필터 출력 샘플의 절대값이다.

은 n-1 번째 데이터 비트 주기의 끝에서 대응하는번째 샘플 주행 평균이며,

α는 평균 이득이고, 값을 갖는다. 잡음 효과에 더욱 면역성이 있는 시스템에 대해, 1에 더 근접하는 더 높은 값이며, 전형적으로 단순 평균에 대해, α=0.5이다.

회로(36)의 구현은 과샘플링 된 칩의 각 샘플의 현재 주행 평균을 각 위치나 레지스터에 저장하거나 멀티스테이지 기억 장치(multistage store)(50)을 포함한다. 상기 기억 장치(50)의 각 레지스터는 역다중화(demultiplexing) 배열(52)에 연결되어, 저장된 각 샘플이 연속하여 리드-아웃(read-out)될 수 있도록 하며, 하나의 샘플 주기의 지연을 갖는 지연 소자(64)에 의해 계산 네트워크로 적용될 수 있도록 한다. 상기 계산 네트워크는, 지연 소자(64)에 의해 지연된 이전의 샘플을 처리하는데, 제 1 곱셈기(54)를 포함하며, 상기 제 1 곱셈기(54)에서, 샘플은 기억 장치(56)에 저장되어 있는 α에 의해 곱셈되어을 생산한다. 단자(48)에서 대응하는 출력(y_i)은 절대값 스테이지(49)로 인가되며, 상기 절대값 스테이지(49)는 대응하는 출력()을 제공하며, 여기서,이며, 이는 제 2 곱셈기(58)로 인가되어, 기억 장치(60)에 저장된 (1-α)로 곱해져서, (1-α)을 생성한다. 상기 제 1 및 제 2 곱셈기(54,58)에 의해 생산된 출력은 합계(summation) 스테이지(62)에서 결합되어, 새로운 주행 평균을 생성하는데, 상기 새로운 주행 평균은 다중화기(66)에 인가되며, 상기 다중화기(66)는 이전의 대응하는 주행 평균값이 리드-아웃되고, 새로운 값이 저장되는 레지스터에 바로 앞서 있는 기억 장치(50)의 레지스터에 연결된다.

연속적인 비트 주기 동안,의 최대값을 찾는 과정이 구현된다. 비트 주기의 시작에서, 첫번째 위치에 저장된 값은 최대로서 취급되며, 다음에 따라오는 값은 비교 스테이지(68)에서 첫번째 값과 비교되어, 만약 더 크다면, 새로운 최대가 되는 것과 동시에, 대응하는 매칭된 필터 출력 샘플 값이 저장된다. 상기 과정은 계속되어, 비트 주기의 끝에서는, 쉬프트 레지스터(38)에서 어느 샘플이 최대에 대응하는 지가 알려지며, 그것의 부호(양 또는 음)는 비트값 상에서 하드 결정(hard decision)을 내리는데 사용된다. 만약 소프트 결정을 내리는 것이 목표된다면, 상기 비트 주기의 끝에서의 값이 사용된다. , 다음 데이터 비트에 대해의 모든 값을 저장하는 것이 필요한 반면, 모든 샘플을 저장할 필요는 없다. 주어진 비트 주기 동안 저장이 필요한 것은 다만의 현재 최대의 값과, 필터 출력의 대응하는 값이다. 스테이지(68)에서에 대해 내려진 결정은 출력이 된다.

도 3의 a 내지 d를 참조하면, 가로 좌표(abscissa)는 샘플의 번호를 나타낸다. 도 3의 d는 비트 주파수에서의 비동기 클록 신호를 나타내며, 데이터 비트 주기 DBP를 도시한다. 도 3의 b는 단자(48)에서의(도 2) 잡음(noisy) 매칭된 필터 원(raw) 출력(y)을 도시한다. 도 3의 a는 주행 평균출력을 도시한다. 마지막으로, 도 3의 c는 도 3의 a에 도시된추적(trace)의 클록 펄스와 관련된 피크의 위치로부터 유도된 동기 샘플을 도시한다. 상기 도면들을 상세히 살펴보면, 도 3의 b에서, 샘플(7700) 주변의 데이터 비트 주기에서, 피크의 진폭(PA: Peak Amplitude)이, 잡음으로 인하여, 데이터 비트 주기 내에서 그릇된 위치로 움직였는데, 이는 본 발명에 따른 방법으로 교정되지 않으면, 비트 에러를 초래할 수 있다. 그러나, 상기 주행 평균을 얻고, 최대값을 확인함으로써, 잡음의 효과가 감소하여, 동기 레벨(12)에서(도 3의 c) 파선으로 표시된 올바른 위치와 근접하게 선명한 피크가 얻어진다.

더 구체적으로 하면, RMS 또는 주행 평균 추적에서 피크를 검출하기 위하여, 임계 레벨(Th)(도 3의 a)은 잡음 바닥(noise floor) 위로 세팅되어, 만약 피크가 임계값 위면, 우수한 신호임을 사용자가 알며, 만약 피크가 임계값 아래면, 잡음의 존재로 인해 신호에 에러가 있음을 사용자가 안다. 상기 임계 레벨(Th)의 선택은 어떤 비트 에러 레이트가 수용 가능한지를 고려해서 이루어진다.

도 4는 잡음 레벨에 상관 없이, 수신된 신호가 주어진 P-N 시퀀스와 서로 관련하는 정확한(true) 순간에 출력이 제공되는, 이상적인 동기 매칭된 필터 추적(A)의 성능과(1), 잡음의 존재로 인한 가짜 피크가 에러성 비트 결정을 초래할 수 있는, 비동기 매칭된 필터, 추적(C)의 성능과(2), 주행 평균을 얻고, 각 비트 주기에서 최대를 선택함으로써 송신된 코드로의 동기도가 이루어져, 그리하여 BER 곡선에서 약 3dB의 향상을 가져오는, 동기 매칭된 필터, 추적(B)의 성능을 비교한다.

주행 평균 회로(36)를 구현할 때, 기억 장치(50)에서 저장 레지스터의 총 수는 칩 과샘플링 레이트(즉, 10)로 곱해진, 데이터 비트 당 칩의 수(즉, 11개)와 같은데, 다시 말하면, 11 ×10 = 레지스터의 수이다. 만약 레지스터의 수가 실리콘 영역에서 과다하면, 레지스터의 수를 줄이기 위해 다양한 옵션을 이용할 수 있다. 하나의 옵션으로는, 칩 주기 당 평균내는 것이며, 이는 본 예에서 11개의 저장 레지스터를 필요로 할 것이고, 그 후, 피크를 포함하는 칩 주기에 촛점을 맞추는데, 여기에는 칩 과샘플링 팩터를 고려에 넣기 위하여 10개의 레지스터를 추가로 필요로 할 것이다. 또 다른 옵션으로는 과샘플링 레이트를 5로 줄이는 것인데, 이는 기억 장치(50)에서 55개의 위치를 필요로 할 것이다. 추가의 옵션으로는, 레지스터의수를 최소화하기 위해 2진 트리 계층 구조(binary tree hierarchy)를 사용하는 것이다. 그러나, 레지스터를 줄이는 것이 갖는 단점은 로크-온(lock-on) 시간이 연장된다는 것이다.

본 명세서 및 청구 범위에서, 소자(element)에 선행하는 단수적 표현은 그러한 소자가 복수 개 존재함을 배제하지 않는다. 더 나아가, "포함하는"이라는 단어는 기재된 것 외에도 다른 소자나 단계가 존재함을 배제하지 않는다.

본 개시를 읽으면, 당업자에게는 다른 변경이 뚜렷해질 것이다. 그러한 변경은 확산 스펙트럼 수신기 및 그것을 위한 구성품의 디자인, 제작 및 사용에 있어서 이미 알려져 있는 다른 특징을 수반할 수도 있으며, 상기 다른 특징은 본 명세서에 이미 설명된 특징 대신에 또는 추가하여 사용될 수도 있다.

저가이며, 저전력의 확산 스펙트럼 라디오 시스템 및 상기 시스템을 위한 수신기.

Claims (7)

1. 수신된 확산 스펙트럼 신호로부터 디지털로 샘플링 된 칩 시퀀스를 유도하는 것과,

   상기 디지털로 샘플링 된 칩 시퀀스를 매칭된 필터에서 필터링 하는 것과,

   연속적인 비트 주기 동안 상기 매칭된 필터로부터 출력의 주행 평균(running average)을 얻는 것과,

   연속적인 비트 주기에서, 상기 매칭된 필터 출력 샘플 중 어느 것이 상기 주행 평균에서의 최대값에 해당하는 지를 가리키는 것(noting)과,

   상기 최대값과 동기된(synchronised) 상기 매칭된 필터의 스테이지에서 상기 샘플의 부호(sign)를 결정하여, 상기 부호에 따라 데이터 비트 값을 할당하는 것을

   포함하는, 확산 스펙트럼 신호로부터 데이터 비트를 복구하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 디지털로 샘플링 된 비트 스트림을 과샘플링(oversampling)하여 상기 샘플을 상기 매칭된 필터로 적용하는 것과,

   상기 대응하는 현재 샘플의 주행 평균 및 상기 대응하는 현재 샘플의 이전의 주행 평균을 얻는 것을

   특징으로 하는, 확산 스펙트럼 신호로부터 데이터 비트를 복구하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 주행 평균은 다음의 식에 따라서 결정되며:

   여기서,는번째 데이터비트 주기에서번째로 매칭된 필터 출력 샘플의 절대값이고,

   는번째 데이터비트 끝에서 대응하는번째 샘플의 주행 평균이며,

   는 평균 이득(averaging gain)이며,사이의 값을 갖는 것을

   특징으로 하는, 확산 스펙트럼 신호로부터 데이터비트를 복구하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기값은 주위 소음(ambient noise) 및 상기 매칭된 필터의 목표된(desired) 동기 응답 시간에 따라서 선택되는 것을 특징으로 하는, 확산 스펙트럼 신호로부터 데이터비트를 복구하는 방법.
5. 확산 스펙트럼 신호를 수신하고, 아날로그 칩 시퀀스를 생성하는 수단과,

   상기 아날로그 칩 시퀀스를 디지털화 하여, 디지털로 샘플링 된 칩 시퀀스를 생성하는 수단과,

   상기 디지털로 샘플링 된 칩 시퀀스를 위한 하나의 입력을 구비한 디지털 매칭된 필터와,

   연속적인 비트 주기 동안 상기 매칭된 필터의 출력의 주행 평균을 얻도록 상기 매칭된 필터의 출력에 연결된 수단과,

   상기 매칭된 출력 샘플 중 어느 것이 연속적인 비트 주기에서 상기 주행 평균에서의 최대값에 해당하는 지를 가리키는 수단과,

   상기 최대값과 동기된 필터 스테이지에서의 신호의 부호를 가리키어, 상기 부호에 따라 데이터 비트 값을 할당하는 결정(decision) 수단을

   포함하는, 확산 스펙트럼 신호를 위한 수신기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 디지털로 샘플링 된 비트 스트림을 과샘플링 하여, 상기 샘플을 상기 매칭된 필터에 적용하는 수단과,

   상기 대응하는 현재 샘플의 주행 평균 및 상기 대응하는 현재 샘플의 앞서의 주행 평균을 얻는 수단을

   특징으로 하는, 확산 스펙트럼 신호를 위한 수신기.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 주행 평균을 얻는 수단은 다음의 방정식을 구현하도록 설계되며:

   여기서,는번째 데이터비트 주기에서번째로 매칭된 필터 출력 샘플의 절대값이며,

   는번째 데이터비트 주기 끝에서 대응하는번째 샘플 주행 평균이며,

   는 평균 이득(averaging gain)이며,사이의 값을 갖는 것을

   특징으로 하는, 확산 스펙트럼 신호를 위한 수신기.