본 논문에서는 동일대역 전이중 통신을 위한 RF/아날로그 영역에서의 자기간섭 신호 제거 시스템을 설계 및 제작하여 성능을 검증하였다. 구현한 시스템은 NI5791 플랫폼과 NI Flex RIO를 이용하여 검증하였다. NI5791 플랫폼의 송신 출력을 높이기 위해 SKYWORKS SE2565T 전력 증폭기를 사용하였으며, 송 수신 안테나 선로는 써큘레이터를 사용하였다. 자기간섭 신호를 제거하기 위한 RF FIR 필터는 총 12개의 탭을 가지도록 설계하였고, 지연선로의 시간은 100 ps의 간격을 가지도록 설계하였다. 시스템의 동작은 전력 증폭기의 출력에서 10 dB 커플러를 이용하여 분배하였고, 각 탭 계수를 제어하여 안테나 반사와 써큘레이터 누설로 수신되는 간섭신호를 추정하여 차감하는 방식으로 자기간섭 신호를 제거하였다. 자기간섭 제거 시스템 실험은 2.56 GHz이고, 20 MHz 대역폭을 가지는 802.11a/g OFDM 변조 신호를 사용하였으며, 출력이 0 dBm에서 53 dB의 자기간섭 신호 제거 이득을 얻었다.
본 논문에서는 동일대역 전이중 통신을 위한 RF/아날로그 영역에서의 자기간섭 신호 제거 시스템을 설계 및 제작하여 성능을 검증하였다. 구현한 시스템은 NI5791 플랫폼과 NI Flex RIO를 이용하여 검증하였다. NI5791 플랫폼의 송신 출력을 높이기 위해 SKYWORKS SE2565T 전력 증폭기를 사용하였으며, 송 수신 안테나 선로는 써큘레이터를 사용하였다. 자기간섭 신호를 제거하기 위한 RF FIR 필터는 총 12개의 탭을 가지도록 설계하였고, 지연선로의 시간은 100 ps의 간격을 가지도록 설계하였다. 시스템의 동작은 전력 증폭기의 출력에서 10 dB 커플러를 이용하여 분배하였고, 각 탭 계수를 제어하여 안테나 반사와 써큘레이터 누설로 수신되는 간섭신호를 추정하여 차감하는 방식으로 자기간섭 신호를 제거하였다. 자기간섭 제거 시스템 실험은 2.56 GHz이고, 20 MHz 대역폭을 가지는 802.11a/g OFDM 변조 신호를 사용하였으며, 출력이 0 dBm에서 53 dB의 자기간섭 신호 제거 이득을 얻었다.
In this paper, a system of self-interference signal cancelation for in-band full duplex has been implemented and tested in RF/analog region. The system performance has been evaluated with NI5791 platform and NI Flex RIO. Due to the low power level of the NI5791, the RF signal is amplified by SKYWORK...
In this paper, a system of self-interference signal cancelation for in-band full duplex has been implemented and tested in RF/analog region. The system performance has been evaluated with NI5791 platform and NI Flex RIO. Due to the low power level of the NI5791, the RF signal is amplified by SKYWORKS SE2565T power amplifier. A circulator is used to feed the antenna both the transmitter and receiver. The RF FIR filter is designed by twelve delay taps in two different groups, and the interval between each delay tap is designed to have 100 ps. The amplified signal is distributed to antenna and the FIR filter by use of a 10 dB directional coupler. The tap coefficients of the RF FIR filter are tuned to estimate the self-interference signal coming from antenna reflection and the leakage of the circulator, and the self-interference signal is subtracted. The system is test with 802.11a/g 20 MHz OFMD at 2.56 GHz, and the output power of the amplifier of 0 dBm. The self-interference signal is canceled out by 53 dB.
In this paper, a system of self-interference signal cancelation for in-band full duplex has been implemented and tested in RF/analog region. The system performance has been evaluated with NI5791 platform and NI Flex RIO. Due to the low power level of the NI5791, the RF signal is amplified by SKYWORKS SE2565T power amplifier. A circulator is used to feed the antenna both the transmitter and receiver. The RF FIR filter is designed by twelve delay taps in two different groups, and the interval between each delay tap is designed to have 100 ps. The amplified signal is distributed to antenna and the FIR filter by use of a 10 dB directional coupler. The tap coefficients of the RF FIR filter are tuned to estimate the self-interference signal coming from antenna reflection and the leakage of the circulator, and the self-interference signal is subtracted. The system is test with 802.11a/g 20 MHz OFMD at 2.56 GHz, and the output power of the amplifier of 0 dBm. The self-interference signal is canceled out by 53 dB.
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문제 정의
본 논문에서는 동일대역 전이중 방식을 위한 RF/아날로그 영역에서의 자기간섭 신호 제거 시스템을 설계하고 성능을 검증하였다. IFD 시스템은 써큘레이터를 이용하여 단일 안테나를 송신과 수신 포트로 연결하였다.
본 논문에서는 전이중 방식을 위한 RF/ 아날로그 영역에서 자기간섭 신호 제거 필터를 채널 측정을 통해 최적화하여, 12개 탭을 가지는 RF FIR 필터와 자기간섭 제거 시스템을 설계하고, 그 성능을 검증하였다.
제안 방법
1 ns를 중심으로 700 ps 지연 구간을 가지게 된다. 4개 탭과 8개 탭의 1 ns 지연을 위해 8개 탭에 들어가는 신호에는 오프셋 지연 시간을 조절하기 위한 1 ns 지연 소자를 추가하였다.
구현한 IFD는 하나의 안테나를 동시에 송신과 수신하기 위해 써큘레이터를 이용하여 송신부와 수신부를 분리하였다. 이 경우, 써큘레이터의 누설 신호와 안테나를 통해 반사되어 들어오는 두 가지의 자기간섭 신호가 존재한다.
참고문헌 [2]의 연구에서는 16개의 탭을 8개의 탭은 써큘레이터의 누설 신호 제거에 적용하고, 나머지 8개 탭은 안테나를 통해 반사되어 들어오는 신호를 제거하기 위해 사용하였다. 그러나 본 연구에서 안테나와 써큘레이터 누설신호에 대한 채널 측정과 앞서의 최적화를 통해 탭 수를 12개로 RF FIR 필터를 구현하였다. 써큘레이터 누설 신호에 대한 채널 지연시간을 측정한 결과는 3.
IFD 시스템은 써큘레이터를 이용하여 단일 안테나를 송신과 수신 포트로 연결하였다. 그리고 RF 중심 주파수 2.56 GHz 20 MHz 대역폭을 가지는 신호에 대해 RF FIR 필터 최적화를 수행하여 탭간의 지연시간 간격을 100 ps로 설계하였으며, 써큘레이터와 안테나의 특성을 측정하여 4개의 탭으로 써큘레이터의 누설로 인한 자기간섭 신호를 제거하고, 8개의 탭으로 안테나로 인해 유입되는 자기간섭 신호를 제거하도록 12개의 탭으로 설계하였다. 성능의 검증을 위해 802.
각 탭의 계수 7 bit RF 디지털 감쇠기와 6 bit 디지털 위상 천이기를 이용하여 RF 신호의 크기와 위상을 조정할 수 있다. 그리고 필터의 입력과 출력에서 10 dB 커플러로 인해 생기는 20 dB 손실, 분배기/ 결합기로 인해 생기는 손실, 그리고 소자들이 가지는 삽입 손실 때문에 고정적인 손실을 보상하기 위해 게인 블록 증폭기를 추가하였다.
8 ns로 측정되었고, 안테나 반사로 인한 채널 지연시간의 경우는 5 ns로 써큘레이터 누설 채널 지연보다 1 ns 정도 긴 지연을 가지고 있었다. 써큘레이터의 누설 신호의 지연시간과 특성이 상대적으로 안정되어 있어서, 이를 위한 탭을 4개로 줄이고, 안테나 채널의 경우 8개의 지연 탭으로 구성하여 총 12개의 탭으로 RF FIR 필터를 설계하였다.
전력 증폭기와 써큘레이터의 성능을 테스트하기 위해 각각 보드를 따로 제작하여 측정하였다. 그림 5는 SKY-WORKS SE2565T 전력 증폭기로, 출력 임피던스 매칭 지점을 RF 튜너(tuner)를 이용하여 찾아 구현하였다.
전원은 5 V 어댑터를 통해 공급하고, 보드 내부에서 전압 조정기를 사용하여 —5 V와 3.3 V를 만들어서 사용하도록 설계하였다.
3 V를 만들어서 사용하도록 설계하였다. 필터의 계수 업데이트는 HDMI 케이블을 사용하여 제어 신호를 전송하도록 설계하였다. 필터의 계수는 각 탭에 존재하는 위상천이기와 감쇠기의 값을 설정하는 것으로 업데이트 할 수 있다.
필터의 입력은 전력 분배기/결합기와 90° 하이브리드 커플러를 이용하여 12개의 탭으로 구현하였다.
대상 데이터
그리고 보드의 출력은 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer) 와 연결되어 있어 화면으로 출력을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 필터의 계수를 업데이트를 하기 위해서 추가적으로 FPGA 보드인 Nexys2 보드를 사용하였다.
56 GHz 20 MHz 대역폭을 가지는 신호에 대해 RF FIR 필터 최적화를 수행하여 탭간의 지연시간 간격을 100 ps로 설계하였으며, 써큘레이터와 안테나의 특성을 측정하여 4개의 탭으로 써큘레이터의 누설로 인한 자기간섭 신호를 제거하고, 8개의 탭으로 안테나로 인해 유입되는 자기간섭 신호를 제거하도록 12개의 탭으로 설계하였다. 성능의 검증을 위해 802.1 a/g WiFi OFDM PHY 신호를 사용하였다. 측정 결과, 약 53 dB 가량의 SIC 이득을 얻을 수 있었다.
그림 4는 RF FIR 필터를 포함한 전체 IFD 보드의 블록도이다. 송신 신호는 NI5791 플랫폼을 사용하고, 전력을 증폭시키기 위해 전력 증폭기를 사용하였다. 전원은 5 V 어댑터를 통해 공급하고, 보드 내부에서 전압 조정기를 사용하여 —5 V와 3.
이론/모형
RF FIR 필터는 Matlab으로 대역 제한된 통과대역 모델을 이용하여 RF/아날로그 SIC 시뮬레이션을 수행하여 최적화 하였다[3],[4]. 시뮬레이션 결과, 탭의 개수를 8개와 16개의 경우, 두 가지에 대해서 SIC 테스트를 한 결과, 16개로 했을 때가 8개일 때보다 SIC 성능이 18 dB 더 우수하였다.
성능/효과
송신과 수신포트간 20 dB의 격리 이득이 생기는 것을 볼 수 있다. 그리고 3번 스펙트럼은 안테나를 연결하지 않고, 50 ohm을 연결한 다음 RF FIR 필터의 앞쪽의 4개의 탭만 사용하여 자기 간섭신호를 제거한 측정한 결과로 약 55 dB 제거 성능을 보여준다. 이 경우는 안테나를 연결하지 않았기 때문에 써큘레이터 누설 신호만 들어오게 되고, 이는 4개 탭만 사용하여도 누설 신호를 충분히 제거할 수 있다는 것을 보여준다.
. 시뮬레이션 결과, 탭의 개수를 8개와 16개의 경우, 두 가지에 대해서 SIC 테스트를 한 결과, 16개로 했을 때가 8개일 때보다 SIC 성능이 18 dB 더 우수하였다. 지연 탭 수에 따라 필터의 크기가 커지기 때문에 가능한 최소의 탭을 가지도록 설계하여야 한다.
그러나 본 연구에서 안테나와 써큘레이터 누설신호에 대한 채널 측정과 앞서의 최적화를 통해 탭 수를 12개로 RF FIR 필터를 구현하였다. 써큘레이터 누설 신호에 대한 채널 지연시간을 측정한 결과는 3.8 ns로 측정되었고, 안테나 반사로 인한 채널 지연시간의 경우는 5 ns로 써큘레이터 누설 채널 지연보다 1 ns 정도 긴 지연을 가지고 있었다. 써큘레이터의 누설 신호의 지연시간과 특성이 상대적으로 안정되어 있어서, 이를 위한 탭을 4개로 줄이고, 안테나 채널의 경우 8개의 지연 탭으로 구성하여 총 12개의 탭으로 RF FIR 필터를 설계하였다.
1 a/g WiFi OFDM PHY 신호를 사용하였다. 측정 결과, 약 53 dB 가량의 SIC 이득을 얻을 수 있었다.
그림 8은 써큘레이터 보드를 회로망 분석기(Network Analyzer)로 S파라미터를 측정한 결과이다. 측정결과, 송신과 수신 포트간 격리도는 2.56 GHz를 중심으로 20 MHz 대역에서 19 dB로 나타났다.
그리고 그림 6은 전력 증폭기를 측정하여 이득과 출력 전력을 나타낸다. 측정결과, 전력 이득은 28 dB이고, 출력 P1dB는 27 dBm이다.
후속연구
참고문헌 [2]에서는 송신 자기간섭 신호의 크기가 수신 신호에 비해 60 dB 높은 경우, 16개의 지연 탭을 이용하여 자기간섭 신호를 RF/아날로그 영역에서 60 dB까지 제거하는 시스템을 개발하였다. 그러나 지연(delay) 탭 수가 많고, 회로의 크기가 크기 때문에, 소형화와 지연 탭 수의 최적화에 대한 연구가 더 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선통신 시스템의 송신과 수신 신호를 분리하기 위해 어떤 방식을 사용하는가?
현재 무선통신 시스템은 송신과 수신 신호의 분리를 위해서 시분할 듀플렉스(Time Division Duplex) 방식 또는 주파수 분할 듀플렉스(Frequency Division Duplex) 방식을 사용하고 있다. 그러나 이러한 방식은 주파수 또는 시간 자원을 분할하여 사용함에 따라 자원의 낭비가 생겨 효율이 떨어지는 단점이 발생한다[1].
동일대역 전이중 방식이란 무엇인가?
이에 따라 제한된 주파수 자원의 효율을 높이기 위한 연구의 방향으로 전이중 방식의 무선 시스템 개발에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다[1],[2]. 동일대역 전이중(IFD: In-band Full Duplex) 방식은 반이중(HD: Half Du- plex) 방식과 달리 동일대역에서 송신과 수신을 동시에 하는 방식이다. 이렇게 되면 주파수나 시간을 분리할 필요가 없으므로 이론적으로 효율을 2배로 높일 수 있다[2].
동일대역 전이중 방식의 장점은 무엇인가?
동일대역 전이중(IFD: In-band Full Duplex) 방식은 반이중(HD: Half Du- plex) 방식과 달리 동일대역에서 송신과 수신을 동시에 하는 방식이다. 이렇게 되면 주파수나 시간을 분리할 필요가 없으므로 이론적으로 효율을 2배로 높일 수 있다[2].
참고문헌 (6)
김선애, et. al., "동일대역 전이중(In-band Full-Duplex) 방식 송수신기 기술 및 표준화 동향", TTA Journal, vol. 155, pp. 82-92, 2014년 9월.
D. Bharadia, E. McMilin, and S. Katti, "Full duplex radios", ACM SIGCOMM 2013, Aug. 2013.
이지호, 김영식, 장갑석, 김선애, 곽병재, 주형식, 이문식, "동일대역 전이중(IFD) 방식의 자기간섭 신호 제거를 위한 RF FIR 필터 최적화", 대한전자공학회 학술심포지움 논문집, pp. 95-98, 2014년 12월.
Dennis R. Morgan, Athanasios Aridgides, "Interpolation and extrapolation of an ideal band-limited random process", IEEE Trans., vol. 35, no. 1, pp. 43-47, Jan. 1987.
정해성, 백광훈, 유흥균, "무선 간섭 제거 중계기에서 적응형 위상 잡음 보상기 연구", 한국전자파학회논문지, 22(4), pp. 481-488, 2011년 4월.
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