KR100702202B1

KR100702202B1 - 첩 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로특성에 대한 채널 추정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100702202B1
Application number: KR20050066484A
Authority: KR
Inventors: 이경국
Original assignee: 오소트론 주식회사
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2007-04-03
Also published as: KR20060094011A; JP2008537590A; US7839914B2; JP4846738B2; CN101128988A; CN101128988B; US20080165833A1

Abstract

본 발명은 첩 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널 추정 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은, (a) 송신기에서 생성된 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호가 송신 안테나에서 송신된 후 다중 경로 채널을 통과하여 수신기의 수신 안테나에서 중첩되어 합해진 수신 복합 신호에 수신기에서 자체 생성된 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 곱하여 첩-편이-변조 신호의 업-첩(Up-Chirp) 신호 부분과 다운-첩(Down-Chirp) 신호 부분 각각에 대해서 다중 경로의 거리 차에 기인한 개별 주파수 성분 합을 출력하는 단계; (b) 개별 주파수 성분 합의 업-첩 신호 부분과 다운-첩 신호 부분 각각의 출력을 서로 곱하여 편차 주파수 출력을 계산하는 단계; (c) 편차 주파수 출력을 이용하여 개별 주파수 성분 합의 주파수 편차의 보정을 수행하여 주파수 보정 출력을 생성하는 단계; (d) 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 사용하여 발생되는 첩-편이-변조 신호 간의 불연속성에 대한 보정(Compensation)을 주파수 보정 출력에 수행하여 불연속성이 보정된 불연속 보정 출력을 생성하는 단계; (e) 주파수 분석 방법을 적용하여 불연속 보정 출력을 개별 다중 경로 신호로 분해(Decomposition)하는 단계; 및 (f) 개별 다중 경로 신호에서 개별 주파수 별 주파수 성분 크기를 이용하여 다중 경로 채널에 의한 감쇄 성분과 시간 지연 성분을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

광대역 단일 첩 신호, 협대역 첩-편이-변조 신호, 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호, 전자파 다중 경로, 채널 추정, 송수신기, 보정

Description

첩 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널 추정 방법 및 장치{Method and Apparatus for Channel Estimation to Electro-Magnetic Wave Multi Path between Sender and Receiver by Using Chirp Signal}

도 1 및 도 2는 기본 첩 신호를 나타내는 그래프,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 협대역 첩-변이-변조 신호와 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호의 예를 나타낸 것,

도 4a는 협대역 첩-변이-변조 신호에 대한 시간 축에서의 파형을 도시한 것이고, 도 4b는 협대역 첩-변이-변조 신호에 대한 시간 축 상에서의 상호 상관 함수의 결과를 도시한 것,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 송신 첩 신호와 지연 첩 신호를 나타낸 도면,

도 6은 협대역의 반복 첩 신호와 단일 광대역 첩 신호 간의 상관 관계를 설명하기 위한 도면,

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 첩 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 채널 추정 장치를 나타낸 도면,

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 협대역 첩-편이-변조 신호 및 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경 로 특성에 대한 채널을 추정하는 과정을 나타낸 순서도,

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주파수 정밀도 유지를 위한 주파수 조절 장치를 나타낸 도면,

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주파수 정밀도 유지를 위한 주파수 조절 장치를 나타낸 도면,

도 11은 주파수 편차가 없는 경우의 업-다운 첩 신호를 나타낸 것,

도 12는 주파수 편차가 있는 경우의 업-다운 첩 신호를 나타낸 것,

도 13은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 협대역 첩-편이-변조 신호를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 과정을 나타낸 순서도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

700 : 송신기 710 : 수신기

712 : 샘플링부 714 : 보정부

716 : 주파수 분석부 718 : 채널 추정부

본 발명은 첩 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널 추정 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 송신기에서 송신된 첩(Chirp) 신호, 협대역(Narrow-Band) 첩(Chirp) 신호의 시간축의 반복으로 이루어진 신호인 협대역 첩-편이-변조(Narrow-Band Chirp-Shift-Keying) 신호 또는 다양한 중심 주파수의 첩-신호의 합으로 이루어진 협대역 주파수-다중-첩-변조(Narrow-Band Multiple Center-Frequency-Chirp) 신호가 전파 다중 경로를 통하여 수신 안테나로 수신되면, 수신기에서는 수신된 신호에 송수신기에서 사용되는 첩 신호, 첩-편이-변조 신호 또는 주파수-다중-첩-변조 신호를 각각 곱하여 첩 신호 간의 시간 차에 비례하는 개별 주파수(Discrete Frequency)로 변환함으로써, 이를 전자파 다중 경로 채널 추정에 이용하는 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.

종래에 주로 사용되어 온 채널 추정 방식에는 직접 주파수 확산 코드(Direct-Sequence Spread Spectrum) 방식이 있으며, 이 방식으로 채널 추정의 정확도를 높이기 위해서는 확산에 사용하는 칩(Chip)의 폭을 좁게(광대역 : Wide Bandwidth) 하고 확산 양을 늘려야 한다. 또한, 사용하는 주파수 기준(Frequency Reference)도 오차가 매우 적은 것을 사용하여야 채널 추정 특히 시간 지연 값 추정의 정밀도를 높일 수 있다. 이러한 예는 GPS(Global Positioning System)에서 알 수 있다.

또한, 다중 경로 채널 요소(Parameter) 중 시간 지연 측정 정확도를 높이기 위해서는 사용하는 신호의 주파수 대역폭을 높이는 방법을 사용하여야 한다. 이것은 시간 지연 측정 오차가 사용 주파수 대역폭에 반비례하는 특성이 있기 때문이다. 즉, 신호의 주파수 대역폭을 높이는 방법에서는 측정 오차를 임의의 값 이내로 줄이기 위하여 주파수 대역폭을 임의로 넓게 사용하여야 하는데, 이것은 각종 주파 수 규제 등에 있어 많은 한계점이 존재하게 된다.

또한, 다중 경로 채널 요소 중 시간 지연 측정 정확도를 높이기 위해서는 송신기와 수신기에 사용되는 주파수 기준에 높은 정밀도가 요구된다. 이를 위해서는 정밀도가 높은 발진기의 사용이 요구되는데, 이는 시스템 전체의 비용을 높이는 주요 원인이 된다는 문제점이 있다.

즉, 정밀 측정을 위해 요구되는 넓은 주파수 대역폭은 각종 주파수 규제에 묶여 일반적으로 가능하지 않고, 또한 광대역의 칩 속도(Chip-Rate)를 가지는 고성능의 송수신기의 제작도 비용 등의 면에서 현실적으로 가능하지 않다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 송신기에서 송신된 첩(Chirp) 신호, 협대역(Narrow-Band) 첩(Chirp) 신호의 시간축의 반복으로 이루어진 신호인 협대역 첩-편이-변조(Narrow-Band Chirp-Shift-Keying) 신호 또는 다양한 중심 주파수의 첩-신호의 합으로 이루어진 협대역 주파수-다중-첩-변조(Narrow-Band Multiple Center-Frequency-Chirp) 신호가 전파 다중 경로를 통하여 수신 안테나로 수신되면, 수신기에서는 수신된 신호에 송수신기에서 사용되는 반복 첩 신호를 곱하여 첩 신호 간의 시간 차에 비례하는 개별 주파수(Discrete Frequency)로 변환함으로써, 이를 전자파 다중 경로 채널 추정에 이용하는 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널 추정 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제 1 목적에 의하면, 협대역(Narrow-Band) 첩(Chirp) 신호의 시간축의 반복으로 이루어진 신호인 협대역 첩-편이-변조(Narrow-Band Chirp-Shift-Keying) 신호 또는 다양한 중심 주파수의 첩-신호의 합으로 이루어진 협대역 주파수-다중-첩-변조(Narrow-Band Multiple Center-Frequency-Chirp) 신호를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널 추정 방법에 있어서, (a) 상기 송신기에서 생성된 상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호가 송신 안테나에서 송신된 후 다중 경로 채널을 통과하여 상기 수신기의 수신 안테나에서 중첩되어 합해진 수신 복합 신호에 상기 수신기에서 자체 생성된 상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 곱하여 첩-편이-변조 신호의 업-첩(Up-Chirp) 신호 부분과 다운-첩(Down-Chirp) 신호 부분 각각에 대해서 다중 경로의 거리 차에 기인한 개별 주파수 성분 합을 출력하는 단계; (b) 상기 개별 주파수 성분 합의 상기 업-첩 신호 부분과 상기 다운-첩 신호 부분 각각의 출력을 서로 곱하여 편차 주파수 출력을 계산하는 단계; (c) 상기 편차 주파수 출력을 이용하여 상기 개별 주파수 성분 합의 주파수 편차의 보정을 수행하여 주파수 보정 출력을 생성하는 단계; (d) 상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 사용하여 발생되는 첩-편이-변조 신호 간의 불연속성에 대한 보정(Compensation)을 상기 주파수 보정 출력에 수행하여 불연속성이 보정된 불연속 보정 출력을 생성하는 단계; (e) 주파수 분석 방법을 적용하여 상기 불연속 보정 출력을 개별 다중 경로 신호로 분해(Decomposition)하는 단계; 및 (f) 상기 개별 다중 경로 신호에서 개별 주파수 별 주파수 성분 크기를 이용하여 상기 다중 경로 채널에 의한 감쇄 성분과 시간 지연 성분을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 방법을 제공한다.

본 발명의 제 2 목적에 의하면, 광대역 단일 첩 신호(Chirp Signal)를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널 추정 방법에 있어서, (a) 상기 송신기에서 생성된 상기 광대역 단일 첩 신호가 송신 안테나에서 송신된 후 다중 경로 채널을 통과하여 상기 수신기의 수신 안테나에서 중첩되어 합해진 수신 복합 신호에, 상기 수신기에서 자체 생성된 첩 신호를 곱하여 다중 경로의 거리 차에 기인한 개별 주파수 성분 합을 출력하는 단계; (b) 주파수 분석 방법을 적용하여 상기 개별 주파수 성분 합을 개별 다중 경로 신호 성분으로 분해(Decomposition)하는 단계; 및 (c) 상기 개별 다중 경로 신호에서 개별 주파수 별 주파수 성분 크기를 이용하여 상기 다중 경로 채널에 의한 감쇄 성분과 시간 지연 성분을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 단일 첩 신호를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 방법을 제공한다.

본 발명의 제 3 목적에 의하면, 협대역(Narrow-Band) 첩(Chirp) 신호의 시간축의 반복으로 이루어진 신호인 협대역 첩-편이-변조(Narrow-Band Chirp-Shift-Keying) 신호 또는 다양한 중심 주파수의 첩-신호의 합으로 이루어진 협대역 주파수-다중-첩-변조(Narrow-Band Multiple Center-Frequency-Chirp) 신호를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널 추정 장치에 있어서, 송신기에서 생성된 상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호가 송신 안테나에서 송신된 후 다중 경로 채널을 통과하여 수신기의 수신 안테나에서 중첩되어 합해진 수신 복합 신호에 상기 수신기에서 자체 생성된 상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 곱하여 첩-신호의 업-첩(Up-Chirp) 신호 부분과 다운-첩(Down-Chirp) 신호 부분 각각에 대해서 다중 경로의 거리 차에 기인한 개별 주파수 성분 합을 출력하는 샘플링부; 상기 샘플링부에서 출력된 상기 개별 주파수 성분 합의 상기 업-첩 신호 부분과 상기 다운-첩 신호 부분 각각의 출력을 서로 곱하여 편차 주파수 출력을 계산하고, 상기 편차 주파수 출력을 이용하여 상기 개별 주파수 성분 합의 주파수 편차의 보정을 수행하여 주파수 보정 출력을 생성하는 주파수 보정부; 상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 사용하여 발생되는 상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호 간의 불연속성에 대한 보정(Compensation)을 상기 주파수 보정부에서 생성된 상기 주파수 보정 출력에 수행하여 불연속성이 보정된 불연속 보정 출력을 생성하는 불연속 보정부; 주파수 분석 방법을 적용하여 상기 불연속 보정부에서 생성된 상기 불연속 보정 출력을 개별 다중 경로 신호로 분해(Decomposition)하는 주파수 분석부; 및 상기 주파수 분석부에서 분해된 상기 개별 다중 경로 신호에서 개별 주파수 별 주파수 성분 크기를 이용하여 상기 다중 경로 채널에 의한 감쇄 성분과 시간 지연 성분을 추출하는 채널 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 첩-편이-변조 신 호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 채널 추정 장치를 제공한다.

본 발명의 제 4 목적에 의하면, 광대역 단일 첩 신호(Chirp Signal)를 이용하여 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 채널 추정 장치에 있어서, 송신기에서 생성된 상기 광대역 단일 첩 신호가 송신 안테나에서 송신된 후 다중 경로 채널을 통과하여 수신기의 수신 안테나에서 중첩되어 합해진 수신 복합 신호에, 상기 수신기에서 자체 생성된 첩 신호를 곱하여 다중 경로의 거리 차에 기인한 개별 주파수 성분 합을 출력하는 샘플링부; 주파수 분석 방법을 적용하여 상기 샘플링부에서 출력된 상기 개별 주파수 성분 합을 개별 다중 경로 신호 성분으로 분해(Decomposition)하는 주파수 분석부; 및 상기 주파수 분석부에서 분해된 상기 개별 다중 경로 신호에서 개별 주파수 별 주파수 성분 크기를 이용하여 상기 다중 경로 채널에 의한 감쇄 성분과 시간 지연 성분을 추출하는 채널 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 단일 첩 신호를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 채널 추정 장치를 제공한다.

즉, 본 발명은 첩 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널 추정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 송신기에서 송신된 첩(Chirp) 신호, 첩-편이-변조 신호 또는 정수 개의 다른 중심 주파수를 갖는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호가 전파 다중 경로를 통하여 다중 경로 혼합 첩 신호 형태로 수신 안테나로 수신되면, 수신기에서는 수신된 신호를 분석하여 전파 다중 경로에 대한 채널 특성을 추정하는 기술에 관한 것이다. 시간 차가 있는 두 첩 신호를 곱하면 그 출력 값은 첩 신호 간의 시간 차에 비례하는 개별 주파수(Discrete Frequency)로 변환되는 특징이 있고, 개별 주파수의 에너지는 다중 경로(Multi-Path) 성분의 크기에 비례하는 특징이 있어 이를 전자파 다중 경로 채널 추정에 사용하는 것이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 채널 특성 추정 방법 및 장치의 핵심이다.

수신기에서는 수신된 다중 경로 혼합 첩 신호에 송수신기에서 사용되는 첩 신호를 곱함으로써 수신 신호를 분석하는데, 이때 사용되는 첩 신호는 특정 주파수 대역폭을 갖는 첩 신호를 시간 축에서 정수 번 반복해서 만든 첩-편이-변조 신호 또는 동시에 정수 개의 다른 중심 주파수를 갖는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호가 될 수 있으며, 이를 이용하면 채널 특성 추정시 광대역의 단일 첩 신호를 사용한 것과 동일한 효과를 얻는다는 특징이 있다.

또한, 본 발명에서는 송신기와 수신기 간의 로컬 발진기(Local Oscillator) 주파수 편차(Tolerance)에 기인한 채널 추정 오차를 제거하는 방법 및 장치도 제안하였다.

또한, 본 발명에서는 업-첩/다운-첩을 동시에 사용하는 업/다운 첩 신호 쌍 또는 첩-편이-변조(Chirp Shift Keying) 신호에 대해 송신기와 수신기 간의 상대 이동 속도에 따른 도플러 편이(Doppler Shift)에 의한 채널 추정 오차도 제거하는 방법 및 장치도 제안하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도 록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1 및 도 2는 기본 첩 신호를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 송수신기 간의 전자파(Electro-Magnetic Wave) 다중 경로(Multi-Path) 특성에 대한 채널 추정(Channel Estimation)을 위하여 사용되는 기본 첩 신호는 도 1 및 도 2와 같이 표현된다.

도 1을 보면, 첩(Chirp) 신호는 시간에 따라 선형적으로 순시 주파수(Instantaneous Frequency)가 증가해가는(Frequency Sweeping) 특징을 가지는 정현파 신호(Sinusoidal Signal)이다.

도 1 및 도 2에서 ω_s는 첩 신호의 가장 낮은 순시 각 주파수(Angular Frequency), ω_e는 첩 신호의 가장 높은 순시 각 주파수 (Angular Frequency)이며, ω_BW(ω_BW = ω_e - ω_s)는 첩 신호의 순시 각 주파수의 총 변화폭이다. 이를 첩의 주파수 대역폭(Bandwidth)이라 한다.

도 1의 (a)는 시간 축에서 본 첩 신호의 파형 예이며, (b)는 시간 축과 주파수 축에서 동시에 본 첩 신호의 특성이다. (b)를 보면, 첩 신호는 시간이 증가함에 따라 그 주파수가 선형적으로 변화해 가는 것을 볼 수 있다. 도 1과 같은 형태의 첩 신호를 업-첩(Up-Chirp)이라고 한다.

이와는 반대로 주파수가 시간에 따라 선형적으로 감소해 가는 신호를 다운- 첩(Down-Chirp)이라 하며, 도 2에 그 특징을 나타내었다.

업-첩(Up-Chirp) 신호는 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.

수학식 1에서 T_chirp은 첩 신호의 지속 시간이며, p(t)는 첩 신호의 윈도우 함수(Windowing Function)이다. 윈도우 함수에는 직각 함수(Rectangular Function) 또는 레이즈드 코사인(Raised Cosine) 함수가 주로 사용되나 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 다운-첩 신호의 수학적 표현식은 수학식 2와 같다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 협대역 첩-변이-변조(Narrow-Band Chirp-Shift-Keying) 신호와 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호(Sum of Multiple Center-Frequency Chirp Signal)의 예를 나타낸 것이다.

업-첩/다운-첩(Up-Chirp/Down-Chirp)의 조합 신호 또는 하나의 주파수 대역을 여러 개로 등분하여 각각을 서브-첩(Sub-Chirp) 신호로 만든 후 이러한 서브첩들을 재결합하여 만든 업-다운 서브첩의 조합 신호를 첩-편이-변조 신호라 하며, 이것을 사용하면 송신기와 수신기에 사용한 수정 발진기간의 오차로 인한 측정 오차 제거가 가능하게 하며, 신호 상호 간의 간섭도 적어(Low Correlation Property) 동시에 이들 신호를 같은 거리에서 송신하여도 각각을 구분하여 수신해낼 수 있다는 장점이 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.

도 3의 (a)는 주어진 전체 주파수 대역을 2 등분하여 만들어진 업/다운 서브-첩을 각각 2 개씩 사용해 서브-첩 4 개(도면의 1, 2, 3, 4)의 순서를 재조합하여 첩-편이-신호를 구성한 4 가지 예를 보인 것이며, 도 3의 (b)와 (c)는 (a)에서와 같은 업/다운 서브-첩을 각각 2 개씩 사용해 서브-첩 4 개를 조합하여 첩-편이-신호를 구성한 또다른 예를 보인 것이다. 이렇게 구성된 첩-편이-변조 신호들은 전체 주파수 대역 성분을 모두 사용하고 있고 상호 간의 상관값(Correlation)이 적다는 공통적 특징을 가진다.

도 3의 (d)와 (e)는 각각 첩-편이-신호의 또다른 구성 예를 보인 것이다. (d)는 주어진 전체 주파수 대역을 4 등분하여 만들어진 업/다운 서브-첩을 각각 4 개씩을 사용해 서브-첩 8개(도면의 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)의 순서를 재조합하여 첩-편이-신호를 구성한 4 가지 예를 보인 것이고, (e)는 주어진 전체 주파수 대역을 2 등분하여 만들어진 업/다운 서브-첩 각각 2 개씩과 주파수-시간 기울기(μ = ω_BW/T_chirp) 즉, μ값이 다른 업/다운 풀-첩(Full-Chirp) 2 개씩을 사용해 풀-첩/서브-첩 6개(그림의 1, 2, 3, 4, a, b)를 재조합하여 첩-편이-신호를 구성한 4 가지 예를 보인 것이다.

도 3의 (f)는 정수 개의 다른 중심 주파수를 갖는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호의 예를 나타낸 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호는 서로 다른 주파수 밴드의 서브-첩들을 한 개의 서브-첩 기간에 모두 중첩하여 등가적으로 광대역의 첩-신호를 구성한 것으로 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 서브-첩을 나타내는 신호,

는 서로 다른 주파수 밴드의 서브-첩 간의 주파수 간격을 나타낸다.

는 수학식 3의 두 번째 식을 참조하면, 인덱스(Index) 값이 m과 n으로 서로 같은 경우는 적분 값이 1이 되고, m과 n이 서로 다른 경우는 적분 값이 0 이 되는 특성을 가지고 있어

는 직교 기저 함수군(Orthogonal Basis Function set)을 형성한다. 이러한 특성은 푸리에 변환 (Fourier Transform)과 매우 유사한 특성을 갖는다.

여기서,

함수의 합으로 만들어진 Chirp(t) 함수를 시간(t) - 주파수 축 상에 도시한 것이 도 3 의 (f)이다. 수학식 3의 Chirp(t)의 자기 상관 함수 특성은 단일 광대역의 첩-신호의 특성과 거의 유사한 성능을 가지고 있고, 이 신호는 디지털 신호 처리 방법으로 초 광대역(Ultra Wide-Band)의 첩-신호를 생성(Generation)하는 것이 용이하다는 특징이 있다.

의 첩-신호군(Chirp-Signal Set)은 기존의 통신에서 널리 사용되고 있는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)의 사인파-신호군(Sine-Wave Signal Set)을 대신 할 수 있게 된다.

도 3은 서로 다른 주파수 밴드의 업/다운 서브-첩(Up/Down Sib-Chirp)들이 각각 한 개의 서브-첩 기간에 모두 중첩하여 등가적으로 광대역의 첩-신호를 구성 한 다중-첩 (Multiple chirp)이용하여 4가지 신호 조합 방법 예를 도시 하였다.

신호 조합 방법은 예시한 방법 외에도 첩-신호의 주파수 기울기의 크기, 방향, 밴드 폭(Bandwidth), 및 이들의 조합 순서 등에 의해 보다 다양한 신호들의 생성이 가능하다.

앞서 설명한 바 있는 송신기와 수신기에 사용하는 수정 발진기간의 오차로 인한 측정 오차를 제거하기 위해서는 업-다운 첩이 각각 전체 주파수 대역 성분을 동시에 사용하여야 한다는 조건이 있는데, 도 3에 도시된 바와 같이 도 3의 모든 신호는 이와 같은 조건을 만족한다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 첩-편이-변조 신호는 다양한 주파수-시간 기울기(μ = ω_BW/T_chirp), 즉, μ₁, μ_{2, ...,}μ_M을 가지는 풀-첩/서브-첩들을 다양한 순서로 재조합한 신호가 된다.

도 4a는 도 3의 (a) 신호에 대한 시간 축에서의 파형을 도시한 것이고, 도 4b는 도 3의 (a) 신호에 대한 시간 축 상에서의 상호 상관 함수(Cross-Correlation)의 결과를 도시한 것이다. 도 4b에서, 2 개의 첩 신호가 동일 시점에서 일치할 때 상관 최대값이 나오게 되며 서로의 위치가 좌측 혹은 우측으로 어긋나면 그 상관값은 급격히 작은 값이 되는 것을 알 수 있다. 한편, 도 3에서 예시한 모든 첩-편이-변조 신호들의 상호 상관 함수값들도 도 4b와 유사한 특성을 갖게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 송수신기 간의 전자파(Electro-Magnetic Wave) 다중 경로(Multi-Path) 특성에 대한 채널 추정(Channel Estimation) 기술은 전파의 다중 경로 모델(Multi-Path Model)의 요소(Parameter)들을 추출해내는 기술이다.

일반적으로 사용되는 전파 다중 경로 모델을 식으로 나타내면 수학식 4과 같다.

여기서, L은 다중 경로의 개수,

는 경로별 감쇄 계수(Attenuation), δ(t)는 다이락의 델타 함수(Dirac's Delta-Function), τ_i는 경로별 시간 지연(Time Delay), θ_i는 경로로 인한 위상 편이(Phase Shift)를 나타낸다. 채널 추정 기술은 송신된 신호가 다중 경로를 통해 안테나에 수신된 신호로부터 수학식 4의 요소(Parameter)인

, τ_i 및 θ_i의 전부 또는 일부를 추출해내는 기술이다.

송신된 신호가 다중 경로를 통해 안테나에 수신된 신호인 다중 경로 혼합 첩 신호를 구하기 위해서는 수학식 1과 수학식 4의 콘볼루션(Convolution)을 취하면 되는데, 그 결과는 수학식 5와 같다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 송신 첩 신호와 지연 첩 신호를 나타낸 도면이다.

우선 다중 경로 중 한 개의 경로만이 존재하는 경우를 보기 위해, 도 5와 같이 송신된 첩 신호(도 5의 실선 부분 : T_X )와 이것이 감쇄되고 지연되어 수신된 첩 신호(도 5의 점선 부분 : R_X)를 나타내었다.

도 5에서 송신 신호(T_X)와 τ만큼 지연된 수신 신호(R_X)를 곱하면 두 첩 신호가 시간 축에서 겹치는 부분에서 지연 시간에 비례하는 주파수 성분 ω_τ가 출력된다. 이것을 수식으로 나타내면 수학식 6와 같다.

수학식 6의 주파수 성분을 보면 수학식 7에 표현한 것과 같으며 첩 신호의 시간 지연 값이 그 값에 비례하는 주파수로 출력되며, 시간 지연과 출력 주파수 간에는 정비례(Linear) 관계가 성립한다.

수학식 6를 보면 지연된 신호의 크기는 그대로 출력되므로, 이 방법에 의하면 채널에 의해 감쇄 및 지연된 신호의 주요 요소인

(감쇄 성분), τ(시간 지연 성분) 및 θ(위상 편이 성분)를 추출해 낼 수 있다.

송신된 신호가 다중 경로를 통해 안테나에 수신된 신호인 수학식 5의 경우에도 동일한 원리를 적용하기 위해, 수학식 5의 다중 경로 혼합 첩 신호에 송신할 때 사용한 것과 동일한 첩 신호를 곱하면 시간 지연이 다른 각각의 다중 경로 성분들은 출력에서 각각 다른 주파수(시간 지연에 비례하여) 성분들의 합으로 출력된다. 또한, 각각의 주파수 성분들은 채널에서 받은 감쇄 값에 비례하는 크기를 출력에서 가지게 된다. 출력에서 합해진 각각의 다중 경로 성분들은 모두 다른 주파수 성분을 가지므로 주파수 분석 방법(예: Fast Fourier Transform)에 의해 개별 다중 경 로로 분해(Decomposition)가 가능(Resolvable)하게 되며 이 과정을 통해 채널 주요 요소인

(감쇄 성분), τ_i(시간 지연 성분) 및 θ(위상 편이 성분)를 추정할 수 있고, 추정된 시간 지연값에 전자파의 속도를 곱하면 위치를 측정(Ranging) 하는 데에도 사용할 수 있다. 이 과정은 이하에서 자세히 설명하기로 한다.

도 6은 협대역의 반복 첩 신호와 단일 광대역 첩 신호 간의 상관 관계를 설명하기 위한 도면이다.

일반적으로 전자파를 이용한 시간 지연 추정의 정확도는 측정에 사용하는 신호의 주파수 대역폭에 반비례하는 특성이 있다. 예를 들어, 시간 지연 측정 정확도가 1 나노초(Nano-sec) 이내가 되려면 사용 주파수 대역폭(Frequency Bandwidth)이 1 기가헬즈(1 GHz)가 되어야 한다. 그러나 신호의 주파수 대역폭 1 GHz는 가능한 주파수대가 극히 제한적이며, 디지털 구현의 경우 신호 샘플링(Sampling)을 위한 A/D 변환기(Converter)와 신호 처리부의 전력 소모가 매우 커진다. 사용 주파수 대역폭(Frequency Bandwidth)이 20 메가헬즈(20 MHz)인 경우를 보면 시간 지연 측정 정확도가 50 나노초로 큰 값이 되어 측정 정확도가 떨어지게 된다. 반면 Sampling을 위한 A/D 변환기(Converter)와 신호 처리부의 속도는 1/50이 되어 구현 회로의 계산량과 복잡도는 줄어들고 전력 소모도 적어진다.

첩 신호는 지속 시간 내에 첩의 순시 주파수가 최소치에서 최대치로 (업-첩의 경우) 전체 주파수 대역폭을 스위핑(sweeping) 한다. 첩 신호는 시간 값과 해당 시간의 주파수가 상호 환산 가능하다. 이런 첩의 특성을 확장하여, 협대역의 ω_BW를 갖는 첩 신호를 정수 번 반복해서 만든 반복 첩 신호 또는 협대역의 첩 신호를 시간 축에서 중첩하고 합하여 생성한 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호는 채널 특성 추정시 등가적으로 N x ω_BW의 대역폭을 갖는 광대역의 단일 첩 신호를 사용한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있으며, Sampling을 위한 A/D 변환기(Converter)와 신호 처리부의 속도가 낮은 것을 사용할 수 있으며, 특히 시간 지연 특성의 정밀 측정이 가능하게 되어 송신기와 수신기간의 거리 측정(Ranging), 근거리 RADAR(Radio Detection And Ranging) 등에 응용이 가능하다.

위의 예와 같이 1 nsec 시간 지연 측정을 위해서는 20 MHz의 첩 신호 50 개를 사용하여 등가적으로 1 GHz를 사용하였을 때의 결과와 동일한 정확도의 시간 지연을 측정할 수 있다. 이 결과를 이용해 신호 도달 시간(TOA : Time-Of-Arrival)의 측정 정확도를 높일 수 있게 된다.

도 6은 전술한 과정을 설명한 것이다. 즉, 첩 신호 한 개를 사용한 경우는 도 5의 경우로서 기준이 되는 첩 신호와 시간 지연이 있는 첩 신호 간의 곱은 출력에 그 지연 시간에 비례하는 주파수 성분이 출력되게 된다. 도 6은 같은 첩 신호를 반복 사용해서 반복 첩 신호(상단의 그림)를 만들면 등가적으로 원래 첩 신호의 주파수 대역폭의 N 배의 주파수 대역폭을 갖는 단일 첩 신호(하단의 그림)와 등가적인 특성을 갖게 된다는 것이다. 이는 첩-편이-변조 신호의 경우도 마찬가지다.

즉, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 광대역 단일 첩 신호뿐만 아니라 협대역 첩-편이-변조 신호 및 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하는 것이다.

이렇게 만들어진 샘플링(Sampling)된 반복 첩 신호(Repeated Chirp-Signal)의 수식은 수학식 8로 나타낼 수 있다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 첩 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 채널 추정 장치를 나타낸 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 첩 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 채널 추정 장치는 샘플링부(712), 보정부(714), 주파수 분석부(716) 및 채널 추정부(718) 등을 포함할 수 있다.

송신기(700)에서 반복 첩 신호 또는 반복 첩-편이-변조 신호를 송신하면, 이 신호가 수신기로 직접 입력되는 직접 경로 또는 물체에 반사된 반사 경로를 통해 수신기(710)에 도달되고, 이렇게 수신기(710)에 도달된 신호는 수신기(710)의 안테 나에서 합해져서 샘플링부(712)로 입력된다. 수신기(710)에서는 이렇게 전파 다중 경로를 통하여 수신된 수신 복합 신호를 분석하여 채널 주요 요소인

(감쇄 성분), τ_i(시간 지연 성분) 및 θ(위상 편이 성분) 값으로 분리해낸다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플링부(712)는 송신기(700)에서 생성된 협대역 첩-편이-변조 신호가 송신 안테나에서 송신된 후 다중 경로 채널을 통과하여 수신기(710)의 수신 안테나에서 중첩되어 합해진 수신 복합 신호에, 수신기(710)에서 자체 생성된 반복 첩 신호를 곱하여 다중 경로의 거리 차에 기인한 개별 주파수 성분 합

을 출력한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보정부(714)는 협대역 첩-편이-변조 신호를 사용하여 발생되는 첩 신호 간의 불연속성에 대한 보정(Compensation)을 샘플링부(712)에서 출력된 개별 주파수 성분 합에 수행하여 불연속성이 보정된 보정 출력

을 생성한다. 여기서, 보정은 불연속 보정 인자

를 이용하여 수행되는데, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 불연속 보정 인자는 협대역 첩-편이-변조 신호의 주파수 대역폭, 지속 시간 및 반복 방법 중 하나 이상에 의해 결정된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주파수 분석부(716)는 주파수 분석 방법을 적용하여 보정부(714)에서 생성된 보정 출력을 개별 다중 경로 신호 성분으로 분해(Decomposition)한다. 즉, 보정 출력을 FFT 등의 주파수 분석 방법을 이용해 각각의 주파수 성분으로 분리를 하면 각 주파수 성분의 크기와 위상값이 출력되는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 채널 추정부(718)에서는 주파수 분석부(716)에서 분해된 개별 다중 경로 신호에서 개별 주파수 별 주파수 성분 크기를 이용하여 다중 경로 채널에 의한

(감쇄 성분), τ_i(시간 지연 성분) 및 θ(위상 편이 성분)을 추출한다. 즉, 각 주파수 성분들은 각기 경로 지연 시간 성분으로 수학식 7의 환산식에 의해 변환이 되어, 이상의 과정을 통하여 전파 다중 경로의 주요 인자인

(감쇄 성분), τ_i(시간 지연 성분) 및 θ(위상 편이 성분)의 추정이 가능하게 되는 것이다.

한편, 채널 추정부(718)에서는 개별 주파수 중 최소 주파수에 해당되는 시간 지연 성분을 추출하고, 추출된 시간 지연 성분에 빛의 속도를 곱하여 송신기(700)와 수신기(710) 간의 거리를 산출할 수 있게 된다.

한편, 전술한 실시예에서 협대역 첩-편이-변조 신호 대신에 단일의 광대역 첩 신호를 이용하는 경우에는 위상 보정 과정이 불필요하게 되므로, 도 7의 채널 추정 장치에서 보정부(714)를 제외한 채널 추정 장치를 이용하면 동일한 작용을 하게 된다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 협대역 첩-편이-변조 신호 및 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 과정을 나타낸 순서도이다.

우선, 송신기(700)에서 생성된 협대역 첩-편이-변조 신호가 송신 안테나에서 송신된 후 다중 경로 채널을 통과하여 수신기(710)의 수신 안테나에서 중첩되어 합해진 수신 복합 신호에, 수신기(710)에서 자체 생성(S800)된 반복 첩 신호를 곱하여 다중 경로의 거리 차에 기인한 개별 주파수 성분 합을 출력한다(S802).

여기서, 전술한 수학식 8의 반복 첩 신호와 수학식 4의 다중 경로 채널을 통과한 신호를 서로 곱하고 샘플링하여 정리하면 수학식 9이 된다.

즉, 수학식 9이 다중 경로의 거리 차에 기인한 개별 주파수 성분 합이 되는 것이다.

다음으로, 협대역 첩-편이-변조 신호를 사용하여 발생되는 첩 신호 간의 불연속성에 대한 보정(Compensation)을 수학식 9의 개별 주파수 성분 합에 수행하여 불연속성이 보정된 보정 출력을 생성한다(S804). 즉, 수학식 9의 결과에 FFT(Fast Fourier Transform) 등과 같은 주파수 분석 방법을 사용해 지연 시간에 비례하는 주파수 성분을 추출하려면 협대역 첩-편이-변조 신호에 의해 발생하는 불연속성을 보정(Compensation)해 주어야 하는 것인데, 수학식 10는 이러한 불연속성 보정을 한 결과식이다.

즉, 개별 주파수 성분 합인 출력에서, 각각의 다중 경로 성분들은 모두 다른 주파수 성분을 가지므로 여기에 수학식 10의 불연속 위상 보정 인자(Phase Compensation Factor)인

를 추가하면 일반적인 주파수 분석 방법(예 : Fast Fourier Transform)에 의해 개별 다중 경로로 분해(Decomposition)가 가능(Resolvable)하게 되는 것이다. 전술한 바와 같이, 위상 보정 요소는 첩 신호의 주파수 대역폭, 지속 시간, 반복 방법 등에 의해 정하여진다. 수학식 10는 L 개의 다중 경로가 있으며, 반복 주기가 T이고 N 번의 반복된 첩을 사용한 예로서 ω_BWT_S를 사용할 수도 있다.

한편, 협대역 첩-편이-변조 신호가 아닌 단일의 광대역 첩 신호를 이용하는 경우에는 전술한 위상 보정 과정은 불필요할 것이다.

불연속 보정을 수행한 후, 주파수 분석 방법(예 : Fast Fourier Transform)을 적용하여 보정 출력을 개별 다중 경로 신호 성분으로 분해(Decomposition)한다(S806).

분해된 개별 다중 경로 신호에서 개별 주파수 별 주파수 성분 크기를 이용하면 다중 경로 채널에 의한 감쇄 성분과 시간 지연 성분을 추출할 수 있다(S812).

한편, 개별 주파수의 채널 추정치 중 최소 주파수를 선정하고(S814), 이에 해당되는 시간 지연 성분을 추출하여(S816), 추출된 시간 지연 성분에 빛의 속도를 곱하면(S818) 송수신기 간의 거리를 산출할 수 있다(S820). 즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방식을 이용하면, 시간 지연 특성의 정밀 측정이 가능하게 되므로 송신기와 수신기간의 거리 측정(Ranging), 근거리 RADAR(Radio Detection And Ranging) 등에 응용이 가능하게 된다.

한편, 전술한 실시예에서 협대역 첩-편이-변조 신호 대신에 단일의 광대역 첩 신호를 이용하는 경우에는 위상 보정 과정(S804)이 불필요하게 될 뿐 그 이외의 과정은 동일하므로 단일의 광대역 첩 신호를 이용하는 경우에 대한 별도의 설명은 생략하기로 한다.

한편, 채널 추정의 정확도에 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 있으나 가장 중요한 요인은 주파수 정확도이다. 송신기와 기준 주파수(Reference Frequency)는 일반적으로 동일하지 않고 두 기준 주파수 간에 편차(Frequency Tolerance)가 존재한다. 이 편차는 가격이 저렴한 수정 발진기(Crystal Oscillator)를 사용할수록 더욱 커지게 된다. 이러한 주파수 편차는 채널 추정치의 정밀도를 떨어트리게 되어 성능의 저하를 초래한다.

본 발명에서는 이러한 기준 주파수(Reference Frequency)의 정확도를 개선할 수 있는 주파수 안정화 방법을 제안한다.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주파수 정밀도 유지를 위한 주파수 조절 장치를 나타낸 도면이다.

도 9의 중앙은 디지털 신호 처리부(Digital Signal Processing), 왼편은 주변 온도 측정부, 오른편은 기준 주파수 생성 및 조절부로 구성되어 있다.

이하 도 10의 순서도와 함께 설명하기로 한다.

온도 측정부는 디지털 신호 처리부에서 D/A를 통해 낮은 전압부터 점차적으로 높은 전압으로 직류 전압을 증가시켜가면서(S1000) 전압 비교기에 인가한다(S1002). 전압 비교기는 온도저항(TH: Thermistor)의 전압과 D/A 출력 전압을 비교하여(S1004) D/A의 전압이 온도저항의 전압보다 높아지면 +V 전압에서 0 전압으로 바뀌게 된다.

디지털 신호 처리부는 이것을 감지하여 그때 D/A로 출력되는 전압을 알게 된다. 이렇게 알아낸 전압은 주변의 온도 값과 일치하므로, 측정된 온도를 이용해 내부 메모리 테이블에 사전에 기억되어있는 VCXO(Voltage Controlled Crystal Oscillator) 조정 전압을 이용해 오른편의 VCXO를 조정하게 된다(S1006~S1008). 이렇게 하면 사용 VCXO의 주파수 편차가 큰(예 : ±40 PPM) 것을 사용하여도 높은 정밀도(예 : ±0.1 PPM)의 주파수 출력을 넓은 동작 온도 범위에서 얻을 수 있게 된다.

한편, 송신기와 수신기의 기준 주파수의 미세 편차 또는 이동 상황에서 송신기와 수신기간의 상대 속도로 인한 도플러 주파수 편이(Doppler Frequency Shift)의 영향으로도 주파수 편차는 발생되며, 이는 채널 추정치의 정밀도를 떨어뜨리게 되어 채널 추정 성능의 저하를 초래하게 될 위험이 있다. 이에 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에서는 이러한 주파수 편차의 영향을 제거하고 채널 추정 정밀도를 향상시키기 위하여 업/다운 첩 신호(Up/Down Chirp Signal) 혹은 업/다운 첩 신호 쌍(Up/Down Chirp Pair)을 이용한 첩-편이-변조 신호(Chirp-Shift-Keying Signal) 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 첩-편이-변조 신호 및 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호의 예를 도 3 및 도 4에서 설명하였다.

도 11은 주파수 편차가 없는 경우의 업-다운 첩 신호(Up-Down Chirp Signal)를 나타낸 것이다.

도 11은 업/다운 첩 신호 쌍을 이용한 예를 나타낸 것이며, 첩-편이-변조 신호(Chirp-Shift-Keying Signal) 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용한 경우도 같은 방법으로 설명할 수 있다. 업/다운 첩 신호 쌍 및 첩-편이-변조 신호는 공통적으로 업-첩과 다운-첩을 쌍(Pair)으로 가지고 있으며, 이하의 설명은 두 경우 모두에 동일하게 적용된다.

도 11의 상단 그림은 2 개의 업/다운 첩 신호를 겹쳐서 나타낸 것이다. 왼쪽은 지연이 없는 경우이고 오른쪽 것은 τ만큼 지연된 경우이다. 이러한 2 개의 업/다운 첩 신호 쌍을 서로 곱하면 도 11의 하단 그림의 결과가 나오게 되는데, 결과 를 보면 편차 주파수 출력은 업-첩 부분은 + 부호의 주파수, 다운-첩 부분은 - 부호의 주파수가 나오게 되는데, 이 경우처럼 단순히 시간 지연만 있는 경우에는 + 주파수와 - 주파수가 부호만 다르고 크기는 같아서 2 가지 주파수 값을 합하면 0이 된다. 즉, 시간 편차만 있고 송신기와 수신기간의 기준 주파수의 편차가 없는 경우(Balance)에는 보정이 필요 없음을 뜻한다.

도 12는 주파수 편차가 있는 경우의 업-다운 첩 신호(Up-Down Chirp Signal)를 나타낸 것이다.

도 12의 상단 그림은 2개의 업-다운 첩 신호를 겹쳐서 나타낸 것이다. 왼쪽은 지연이 없는 경우이고 오른쪽 것은 τ만큼 지연되고 신호가 주파수 축에서 위로 평행 이동(Δω)한 경우이다. 신호의 주파수가 평행 이동한 것은 그 원인이 기준 주파수 편차 또는 도플러 주파수 편이가 존재(Unbalance)하는 경우이다.

도 12에서 2개의 업/다운 첩 신호 쌍을 서로 곱하면 도 12의 하단 그림의 결과가 나오게 되는데, 결과를 보면 편차 주파수 출력은 업-첩 부분은 + 부호의 주파수, 다운-첩 부분은 - 부호의 주파수가 나오게 되는데 이 경우에는 + 부호의 주파수와 - 부호의 주파수가 부호와 크기가 모두 달라서 2 가지 주파수 값을 합하면 크기가 2Δω인 주파수 크기가 나오게 된다. 이것을 주파수 균형 편차(Frequency Deviation Unbalance : Δω)라 하고, 이는 수학식 6 또는 수학식 9에 의해 측정이 가능하므로 측정된 편차 주파수를 이용해 채널 추정치의 보정에 사용하면 시간 지연 추정치의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도 13은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 과정을 나타낸 순서도이다.

우선, 송신기에서 생성된 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호가 송신 안테나에서 송신된 후 다중 경로 채널을 통과하여 수신기의 수신 안테나에서 중첩되어 합해진 수신 신호에 수신기에서 자체 생성(S1300)된 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 곱하여 업-첩(Up-Chirp) 신호 부분과 다운-첩(Down-Chirp) 신호 부분 각각에 대해서 다중 경로의 거리 차에 기인한 개별 주파수 성분 합을 출력한다(S1302).

다음으로, 개별 주파수 성분 합의 업-첩(Up-Chirp) 신호 부분과 다운-첩(Down-Chirp) 신호 부분 각각의 출력을 서로 곱하여 주파수 균형 편차 Δω를 계산한다(S1304).

다음으로, 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 사용하여 발생되는 첩 신호 간의 불연속성에 대한 보정(Compensation) 및 단계 S1304에서 계산된 주파수 균형 편차를 이용하여 주파수 편차 보정을 수행하여 보정 출력을 생성한다(S1306).

여기서, 불연속에 대한 보정은 수학식 10와 동일하게 위상 보정 요소를 이용하여 계산하면 되고, 주파수 편차 보정은 도 12와 함께 설명한 것과 같이 주파수 균형 편차를 이용하여 계산하면 된다. 즉, 불연속에 대한 보정 및 주파수 편차 보정을 수행하게 되면 일반적인 주파수 분석 방법(예 : Fast Fourier Transform)에 의해 개별 다중 경로로 분해(Decomposition)가 가능(Resolvable)하게 되는 것이다.

한편, 협대역 첩-편이-변조 신호가 아닌 단일의 광대역 첩 신호를 이용하는 경우에는 전술한 불연속성에 대한 보정 과정은 불필요할 것이다.

보정을 수행한 후, 주파수 분석 방법(예 : Fast Fourier Transform)을 적용하여 보정 출력을 개별 다중 경로 신호 성분으로 분해(Decomposition)한다(S1308).

분해된 개별 다중 경로 신호에서 개별 주파수 별 주파수 성분 크기를 이용하면 다중 경로 채널에 의한 감쇄 성분과 시간 지연 성분을 추출할 수 있다(S1312).

한편, 개별 주파수의 채널 추정치 중 최소 주파수를 선정하고(S1314), 이에 해당되는 시간 지연 성분을 추출하여(S1316), 추출된 시간 지연 성분에 빛의 속도를 곱하면(S1318) 송수신기 간의 거리를 산출할 수 있다(S1320). 즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방식을 이용하면, 시간 지연 특성의 정밀 측정이 가능하게 되므로 송신기와 수신기간의 거리 측정(Ranging), 근거리 RADAR(Radio Detection And Ranging) 등에 응용이 가능하게 된다.

한편, 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따라 송신기(700)에서 송신되는 협대혁 반복 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호는, 도 3에서 보인 바와 같이 다양한 주파수-시간 기울기를 가지는 풀-첩 신호(Full-Chirp Signal) 또는 서브-첩 신호(Sub-Chirp Signal)가 다양한 순서로 조합된 신호 또는 이것을 반복 사용한 신호가 된다.

한편, 전술한 실시예에서 협대역 첩-편이-변조 신호 대신에 단일의 광대역 신호를 이용하는 경우에는 전술한 위상 보정 과정이 불필요하게 될 뿐 그 이외의 과정은 동일하므로 단일의 광대역 신호를 이용하는 경우에 대한 별도의 설명은 생 략하기로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 채널 추정 장치는 도 7에서 설명한 채널 추정 장치와 그 구조가 유사하다.

즉, 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 샘플링부는 송신기에서 생성된 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호가 송신 안테나에서 송신된 후 다중 경로 채널을 통과하여 수신기의 수신 안테나에서 중첩되어 합해진 수신 복합 신호에 수신기에서 자체 생성된 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 곱하여 업-첩(Up-Chirp) 신호 부분과 다운-첩(Down-Chirp) 신호 부분 각각에 대해서 다중 경로의 거리 차에 기인한 개별 주파수 성분 합을 출력하는 기능을 한다.

본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 보정부는 주파수 보정부와 불연속 보정부로 구분할 수 있는데, 주파수 보정부는 샘플링부에서 출력된 개별 주파수 성분 합의 업-첩 신호 부분과 다운-첩 신호 부분 각각의 출력을 서로 곱하여 편차 주파수 출력을 계산하고, 편차 주파수 출력을 이용하여 개별 주파수 성분 합의 주파수 편차의 보정을 수행하여 주파수 보정 출력을 생성한다. 여기서 주파수 보정은 편차 주파수 출력의 업-첩 부분의 주파수 값과 다운-첩 부분의 주파수 값을 합한 값인 주파수 균형 편차를 이용하여 수행된다. 또한, 불연속 보정부는 협대역 첩-편이-변조 신호를 사용하여 발생되는 첩-편이-변조 신호 간의 불연속성에 대한 보정(Compensation)을 주파수 보정부에서 생성된 상기 주파수 보정 출력에 수행하여 불연속성이 보정된 불연속 보정 출력을 생성하는 기능을 한다.

본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 주파수 분석부는 주파수 분석 방법을 적용하여 불연속 보정부에서 생성된 불연속 보정 출력을 개별 다중 경로 신호로 분해(Decomposition)하는 기능을 한다.

본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 채널 추정부는 주파수 분석부에서 분해된 개별 다중 경로 신호에서 개별 주파수 별 주파수 성분 크기를 이용하여 다중 경로 채널에 의한 감쇄 성분과 시간 지연 성분을 추출하는 기능을 한다.

한편, 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 채널 추정부에서는 개별 주파수 중 최소 주파수에 해당되는 시간 지연 성분을 추출하고, 추출된 시간 지연 성분에 빛의 속도를 곱하여 송신기와 수신기 간의 거리를 산출하는 기능도 한다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 수신 측에서 다중 첩 신호의 후 신호 처리(Post Signal Processing)에 의해 본래 첩 신호가 가지고 있는 주파수 대역폭의 정수 배에 반비례하는 추정 정확도를 얻을 수 있다는 효과가 있다. 또한, 시간 지연 특성의 정밀 측정을 가능하게 함으로써 추정된 시간 지연 값을 이용하여 송신기와 수신기 간의 거리 측정(Ranging) 및 근거리 레이더(RADAR : RAdio Detection And Ranging) 등에 응용이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 업-첩과 다운-첩을 동시에 사용하는 첩 편이 변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하는 경우에, 송신기와 수신기 간의 상대 이동 속도 등에 의한 도플러 편이(Doppler Shift)에 의한 채널 추정 오차도 제거 가능하여 시간 지연 추정치의 정밀도를 향상시킬 수 있다는 효과도 있다.

Claims

협대역(Narrow-Band) 첩(Chirp) 신호의 시간축의 반복으로 이루어진 신호인 협대역 첩-편이-변조(Narrow-Band Chirp-Shift-Keying) 신호 또는 다양한 중심 주파수의 첩-신호의 합으로 이루어진 협대역 주파수-다중-첩-변조(Narrow-Band Multiple Center-Frequency-Chirp) 신호를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널 추정 방법에 있어서,

(a) 상기 송신기에서 생성된 상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호가 송신 안테나에서 송신된 후 다중 경로 채널을 통과하여 상기 수신기의 수신 안테나에서 중첩되어 합해진 수신 복합 신호에 상기 수신기에서 자체 생성된 상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 곱하여 첩-편이-변조 신호의 업-첩(Up-Chirp) 신호 부분과 다운-첩(Down-Chirp) 신호 부분 각각에 대해서 다중 경로의 거리 차에 기인한 개별 주파수 성분 합을 출력하는 단계;

(b) 상기 개별 주파수 성분 합의 상기 업-첩 신호 부분과 상기 다운-첩 신호 부분 각각의 출력을 서로 곱하여 편차 주파수 출력을 계산하는 단계;

(c) 상기 편차 주파수 출력을 이용하여 상기 개별 주파수 성분 합의 주파수 편차의 보정을 수행하여 주파수 보정 출력을 생성하는 단계;

(d) 상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 사용하여 발생되는 첩-편이-변조 신호 간의 불연속성에 대한 보정 (Compensation)을 상기 주파수 보정 출력에 수행하여 불연속성이 보정된 불연속 보정 출력을 생성하는 단계;

(e) 주파수 분석 방법을 적용하여 상기 불연속 보정 출력을 개별 다중 경로 신호로 분해(Decomposition)하는 단계; 및

(f) 상기 개별 다중 경로 신호에서 개별 주파수 별 주파수 성분 크기를 이용하여 상기 다중 경로 채널에 의한 감쇄 성분과 시간 지연 성분을 추출하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 방법.
제 1 항에 있어서,

(g) 상기 개별 주파수 중 최소 주파수에 해당되는 상기 시간 지연 성분을 추출하는 단계; 및

(h) 상기 단계 (g)에서 추출된 상기 시간 지연 성분에 빛의 속도를 곱하여 상기 송신기와 상기 수신기 간의 거리를 산출하는 단계

를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 송신기와 수신기 각각에 사용한 기준 주파수 발생기(Reference Oscillator) 간의 기준 주파수의 편차를 수정 발진기 주변의 온도 측정을 이용하여 보정하여 채널 추정의 정확도를 높이는 것을 특징으로 하는 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 단계 (c)에서, 상기 주파수 편차의 상기 보정은 상기 편차 주파수 출력의 업-첩 부분의 주파수 값과 다운-첩 부분의 주파수 값을 합한 값인 주파수 균형 편차를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 협대역 첩-편이-변조 신호는, 주파수-시간 기울기가 같거나 다른 풀-첩 신호(Full-Chirp Signal) 또는 서브-첩 신호(Sub-Chirp Signal)들의 순서를 재조합함으로써 생성된 신호인 것을 특징으로 하는 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 협대역 첩-편이-변조 신호는 협대역 첩 신호들의 시간 축에서의 반복 또는 순서의 재조합으로 이루어진 신호인 것을 특징으로 하는 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호는, 중심 주파수가 같거나 다른 첩-신호들의 반복 또는 순서의 재조합으로 이루어진 신호인 것을 특징으로 하는 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 단계 (d)에서의 상기 보정은 불연속 보정 인자를 이용하여 수행되는데, 상기 불연속 보정 인자는 상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호의 주파수 대역폭, 지속 시간 및 반복 방법 중 하나 이상에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 방법.
광대역 단일 첩 신호(Chirp Signal)를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널 추정 방법에 있어서,

(a) 상기 송신기에서 생성된 상기 광대역 단일 첩 신호가 송신 안테나에서 송신된 후 다중 경로 채널을 통과하여 상기 수신기의 수신 안테나에서 중첩되어 합해진 수신 복합 신호에, 상기 수신기에서 자체 생성된 첩 신호를 곱하여 다중 경로의 거리 차에 기인한 개별 주파수 성분 합을 출력하는 단계;

(b) 주파수 분석 방법을 적용하여 상기 개별 주파수 성분 합을 개별 다중 경로 신호 성분으로 분해(Decomposition)하는 단계; 및

(c) 상기 개별 다중 경로 신호에서 개별 주파수 별 주파수 성분 크기를 이용하여 상기 다중 경로 채널에 의한 감쇄 성분과 시간 지연 성분을 추출하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 단일 첩 신호를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 방법.
제 9 항에 있어서,

(d) 상기 개별 주파수 중 최소 주파수에 해당되는 상기 시간 지연 성분을 추출하는 단계; 및

(e) 상기 단계 (d)에서 추출된 상기 시간 지연 성분에 빛의 속도를 곱하여 상기 송신기와 상기 수신기 간의 거리를 산출하는 단계

를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 단일 첩 신호를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 송신기와 수신기 각각에 사용한 기준 주파수 발생기(Reference Oscillator) 간의 기준 주파수의 편차를 수정 발진기 주변의 온도 측정을 이용하여 보정하여 채널 추정의 정확도를 높이는 것을 특징으로 하는 광대역 단일 첩 신호를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 방법.
협대역(Narrow-Band) 첩(Chirp) 신호의 시간축의 반복으로 이루어진 신호인 협대역 첩-편이-변조(Narrow-Band Chirp-Shift-Keying) 신호 또는 다양한 중심 주파수의 첩-신호의 합으로 이루어진 협대역 주파수-다중-첩-변조(Narrow-Band Multiple Center-Frequency-Chirp) 신호를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널 추정 장치에 있어서,

송신기에서 생성된 상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호가 송신 안테나에서 송신된 후 다중 경로 채널을 통과하여 수신기의 수신 안테나에서 중첩되어 합해진 수신 복합 신호에 상기 수신기에서 자체 생성된 상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 곱하여 첩-신호의 업-첩(Up-Chirp) 신호 부분과 다운-첩(Down-Chirp) 신호 부분 각각에 대해서 다중 경로의 거리 차에 기인한 개별 주파수 성분 합을 출력하는 샘플링부;

상기 샘플링부에서 출력된 상기 개별 주파수 성분 합의 상기 업-첩 신호 부분과 상기 다운-첩 신호 부분 각각의 출력을 서로 곱하여 편차 주파수 출력을 계산하고, 상기 편차 주파수 출력을 이용하여 상기 개별 주파수 성분 합의 주파수 편차의 보정을 수행하여 주파수 보정 출력을 생성하는 주파수 보정부;

상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 사용하여 발생되는 상기 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 상기 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호 간의 불연속성에 대한 보정(Compensation)을 상기 주파수 보정부에서 생성된 상기 주파수 보정 출력에 수행하여 불연속성이 보정된 불연속 보정 출력을 생성하는 불연속 보정부;

주파수 분석 방법을 적용하여 상기 불연속 보정부에서 생성된 상기 불연속 보정 출력을 개별 다중 경로 신호로 분해(Decomposition)하는 주파수 분석부; 및

상기 주파수 분석부에서 분해된 상기 개별 다중 경로 신호에서 개별 주파수 별 주파수 성분 크기를 이용하여 상기 다중 경로 채널에 의한 감쇄 성분과 시간 지연 성분을 추출하는 채널 추정부

를 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 첩-편이-변조 신호 또는 협대역 주파수-다중-첩-변조 신호를 이용하여 송수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 채널 추정 장치.
광대역 단일 첩 신호(Chirp Signal)를 이용하여 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 채널 추정 장치에 있어서,

송신기에서 생성된 상기 광대역 단일 첩 신호가 송신 안테나에서 송신된 후 다중 경로 채널을 통과하여 수신기의 수신 안테나에서 중첩되어 합해진 수신 복합 신호에, 상기 수신기에서 자체 생성된 첩 신호를 곱하여 다중 경로의 거리 차에 기인한 개별 주파수 성분 합을 출력하는 샘플링부;

주파수 분석 방법을 적용하여 상기 샘플링부에서 출력된 상기 개별 주파수 성분 합을 개별 다중 경로 신호 성분으로 분해(Decomposition)하는 주파수 분석부; 및

상기 주파수 분석부에서 분해된 상기 개별 다중 경로 신호에서 개별 주파수 별 주파수 성분 크기를 이용하여 상기 다중 경로 채널에 의한 감쇄 성분과 시간 지연 성분을 추출하는 채널 추정부

를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 단일 첩 신호를 이용하여 송신기와 수신기 간의 전자파 다중 경로 특성에 대한 채널을 추정하는 채널 추정 장치.