KR100248658B1

KR100248658B1 - 복소수 변조된 신호를 위한 디지털 복소수 복조시스템

Info

Publication number: KR100248658B1
Application number: KR1019970042509A
Authority: KR
Inventors: 강한빛; 박용준; 이창의
Original assignee: 전주범; 대우전자주식회사
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 2000-03-15
Also published as: KR19990019193A

Abstract

본 발명은 디지털 복소수 복조시스템에 관한 것으로서, 본 발명은 샘플링된 하향변환 중간주파수 신호를 입력받고 심볼 속도의 4배인 샘플링 클럭에 따라 4샘플을 주기로하여 입력된 순서대로 하나의 샘플과 {+1,+1,-1,-1}을 차례로 곱셈하여 출력하는 곱셈부(142)와; 심볼 속도의 2배인 시스템 클럭에 따라 상기 곱셈부(142)로부터 출력된 기저대역 신호를 입력받아서 동위상 I성분과 직각위상 Q성분을 분리하는 위상 분리부(146); 상기 위상 분리부(146)로부터 출력된 동위상 I성분 혹은 직각위상 Q성분중 어느 하나를 소정클럭 지연시키는 지연부(148); 및 상기 위상 분리부(146)로부터 출력된 동위상 I성분 혹은 직각위상 Q성분중 다른 하나를 우수 탭을 이용하여 필터링 처리하는 필터부(149)를 포함하여 구성된다.

본 발명의 디지털 복소수 복조 시스템은 엘리어싱 현상이나 복소수 신호의 불일치 현상등이 발생하지 않으며 정확한 데이터를 복조해 낸다. 본 발명의 하드웨어 구현시 곱셈기(142), 위상 분리부(146), 필터부(149)등으로 간단히 구현 할 수 있다. 또한, 종전의 아날로그 방식에 비해 필터 탭수 역시 1/4 만을 사용하므로 하드웨어 면적 및 비용에서 이득을 얻을 수 있다.

Description

복소수 변조된 신호를 위한 디지털 복소수 복조시스템(Digital complex demodulation for complex modulated signal)

본 발명은 디지털 복조기에 관한 것으로 특히, 샘플링된 중간 주파수대역의 복소수 신호를 기저대역으로 천이 시키면서 동위상 I성분과 직각 위상 Q성분으로 분리하여 복조해내는 복소수 변조된 신호를 위한 디지털 복소수 복조시스템에 관한 것이다.

일반적으로 연속적인 정보 신호는 부호화 기술(encode)에 의해 이산 형태로 변환되며 이것은 이진 데이터 스트림(binary data stream)으로 나타난다. 부호화된 이진 데이터 스트림은 적당히 필터링되고 나서 다양한 변조 기술(modulation)에 의해 변조되어 원하는 전송 채널로 전송된다. 정보신호(information signal)를 반송파(carrier)를 이용하여 변조시키는 이유와 목적은 효율적인 다중 무선통신 을 가능하게 하고, 신호간섭을 피하며, 통신 채널의 통과대역 특성에 적합하도록 하기 위함이다. 현재 통신 시스템은 정보신호를 아날로그 변조하기 보다는 디지털 변조시키는 데 이는 디지털 변조시 수신된 신호로부터 잡음을 쉽게 검출할 수 있고 송수신 디지털 시스템의 하드웨어 구성이 간단하기 때문이다.

변조 기법의 일종으로 반송파의 진폭 및 위상을 변화시켜 정보를 전송하는 연속 위상 기법은, 할당된 주파수 대역을 더욱 효율적으로 이용할 수 있다. 연속 위상 기법의 일종으로 직교진폭변조(이하 QAM라함 ,quadrature amplitude modulation)가 있다. QAM은 기저대역의 이진 데이터 스트림을 우수 비트열(우수번째 클럭에서 입력되는 비트)과 기수 비트열(기수번째 클럭에서 입력되는 비트)의 비트쌍으로 분리된 다음 분리된 비트쌍을 반송파의 코사인 성분과 사인 성분으로 각각 믹싱하여 믹싱된 생성된 두 피변조 신호를 합산하여 변조시킨다. 이렇게 형성된 QAM 피변조 신호(S(t))는 코사인 성분과 곱해진 동위상 성분(I(t))과 싸인 성분과 곱해진 직각위상 성분(Q(t))으로 구성되며, 수학적으로 표현하면 S(t)=I(t)cosωt + Q(t)sinωt 이다. 여기서, ω는 반송파의 각주파수로서 2πf이며, I(t)는 실수 변조 성분, Q(t)는 허수 변조성분이라고도 한다. 시간영역의 S(t)는 두개의 서로 직교하는 성분이 더해진 것이므로 두 피변조 신호 성분 사이의 상관 관계는 '0'인 성질을 갖는다.

한편, 고화질 디지털 텔레비젼(HDTV,high definition television)방식은 보다 질 좋은 영상서비스를 위해 개발되고 있으며, HDTV의 변조방식은 주로 QAM 또는 잔류측파대 변조 방식(VSB,vestigial side band)등이 제안되어 적용되고 있다. 이것은 부호화된 후 발생된 많은 데이터를 기존의 NTSC 전송채널인 6㎒ 대역을 통해 전송하려면 멀티레벨 변조방식을 사용해야 하기 때문이다.

VSB 변조 방식은 기저대역에서의 입력신호를 일종의 나이퀴스트 필터인 제곱근 발생 코사인필터(square root raised cosine fiter)로 성형한다. 펄스 성형된 동위상 I채널 신호는 다시 복소 필터링되어 직각 Q채널 신호를 발생시킨다. 기저 대역에서의 각 채널의 직교성분들을 D/A 변환 과정을 거쳐 아날로그 신호로 변환된 다음 중간주파수 대역의 코사인 및 싸인 신호로 성형변조된다. 변조된 I채널 신호에서 Q채널 신호를 빼줌으로써 하측파대의 성분이 제거된 VSB 신호를 얻는다. VSB 변조신호는 전송하고자 하는 반송파에 실려 수신측으로 전송된다. 즉, VSB 방식은 먼저 중간주파수로 변환된 신호가 다시 국부 발진기와 믹서에 의해 무선 주파수신호(RF,radio frequency)로 변환되어 전송된다.

QAM 방식은 이미 설명한 바와 같이, 기저대역 I신호와 Q신호를 중간 주파수대역으로 상향변환하여 전송한다.

도 1은 기저대역신호를 중간주파수대역으로 변조하는 QAM 변조시스템에 대한 구성도이다. QAM 변조시스템은 입력된 디지털 데이터(IN)를 QAM 변조하기 위하여 I성분과 Q성분으로 매핑하는 QAM 맵퍼(10)와, I성분을 아날로그 신호로 변환하는 제1 D/A 변환기(11), Q성분을 아날로그 신호로 변환하는 제2 D/A 변환기(12), 아날로그 변환된 I성분을 펄스 성형하는 제1 제곱근 발생 코사인 필터(root raised cosine filter,13), 아날로그 변환된 Q성분을 펄스 성형하는 제2 제곱근 발생 코사인 필터(14), 중간주파수 반송파 cos(ω_IFt)를 발생하는 국부 발진기(15), 상기 중간주파수 반송파의 위상을 90°천이시키는 위상 천이기(16), 상기 국부 발진기(15)의 반송파와 펄스 성형된 I채널 신호를 믹싱하는 제1 믹서(17), 위상 천이기의 반송파와 펄스 성형된 Q채널 신호를 믹싱하는 제2 믹서(18), 및 상기 제 1 믹서(17)와 제 2 믹서(18)로부터 출력된 I채널 신호와 Q채널 신호를 합하여 최종적으로 중간주파수 신호(이하, IF 신호 라함)를 출력하는 합산기(19)로 구성되어있다.

예를 들어, 16 QAM 모드는 샘플링된 데이터를 4비트 심볼로 변환하는데, 20Mbps의 데이터가 변환되면 심볼 전송률(symbol rate)은 원래 신호의 1/4인 5Mbps 가 된다. 즉, 도 1에서와 같이 간단한 D/A 변환기에 의해 처음 2비트(I성분)는 4개의 레벨을 갖는 신호로 변환된 후 cos(ω_IFt)로 변조되고, 다음 2비트(Q성분)도 같은 방법으로 이것과 직교를 이루는 sin(ω_IFt)의해 변조된다. 이렇게 변조된 I,Q 신호가 합쳐져서 16 QAM 신호를 발생하며, 16 QAM 신호의 성상도를 도 2에 도시하였다. 도 2에서 보는 바와 같이, 가로축은 동위상 I성분인 코사인 축이고, 세로축은 직각위상 Q성분이 싸인 축으로 나타낸다. 16개의 각 심볼은 4비트로 구성되어 있으면서 I값과 Q값은 최대 크기가 3(2비트 표현)이며, 각 심볼들은 가장 가까운 이웃심볼과 똑같은 거리를 두고 존재한다. 그리고, 한 심볼당 에너지를 거의 최소화 하기 위하여 신호공간의 원점에 대해 대칭적으로 위치하고 있다.

도 3은 아날로그 방식으로 중간주파수대역 신호를 기저대역신호로 변환하는 QAM 복조시스템에 대한 구성도로서, 변조 시스템의 반송파와 동일한 주파수를 발생하는 국부 발진기(30)와, 90°위상 천이기(31) 및, 믹서(32,33)를 이용하여 입력된 IF 신호를 I 성분과 Q성분으로 분리시킨다. 즉, 아날로그 소자들을 이용하여 IF 대역에 위치한 신호를 기저대역(baseband)으로 변환하는 데 있어서, IF 대역에 위치한 신호는 국부 발진기(30)에서 발진하는 ω_IF성분과 믹싱되어 기저대역과 2ω_IF대역에 나뉘어 존재하게 된다. 이 신호들 중 우리가 필요로하는 성분은 기저대역에 위치한 신호이기 때문에 저역통과 필터(Low Pass Filter, 34, 35)를 이용하여 2ω_IF대역에 존재하는 신호를 제거 한다. 고주파 성분의 신호를 제거한 뒤 I 성분과 Q성분의 아날로그 신호를 A/D변환기(36, 37)를 통해 각각 샘플링하여 디지털 처리에 필요한 이산 시간 신호열(discrete-time sequence)을 출력한다.

QAM 방식이나 VSB 방식과 같이 복소수 변조된 신호들을 복조하는 데 있어서, 아날로그 믹서를 사용하여 실수 성분(I(t))과 허수 성분(Q(t))을 분리한 후 그 분리된 각 신호성분을 저역통과시켜 기저대역신호로 주파수 하향시키는 시스템의 경우에 아날로그 믹서에서 4∼6㏈ 가량의 변환손실을 입게된다.

그러므로 만일 RF 또는 IF 신호의 신호대 잡음비(SNR)가 낮을 경우에는 디지털 방식으로 주파수를 하향시키는 것이 더 바람직하며, 중간주파수 신호를 기저대역으로 낮추면서 디지털 방식으로 복소 신호의 위상을 분리해내는 복소 복조 수단이 요구된다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 필요성을 충족시키기 위해서 안출된 것으로, 코사인 함수와 싸인 함수의 특성을 이용하여 샘플링된 중간주파수 신호를 기저대역으로 천이시킴과 동시에 동위상 I성분, 직각위상 Q성분으로 분리시키고, 위상 분리된 신호중 어느 한 성분만을 데시메이션 필터링 처리하여 복조하는 최적의 하드웨어로 구현된 디지털 복소수 복조시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는 심볼 속도(symbol rate)의 4배가 되는 샘플링 클럭을 발생하는 발진기와, 샘플링된 하향변환 중간주파수 신호를 입력받고 상기 발진기의 샘플링 클럭에 따라 4샘플을 주기로하여 입력된 순서대로 하나의 샘플과 {+1,+1,-1,-1}을 차례로 곱셈하여 기저대역 신호를 출력하는 곱셈부, 상기 발진기의 샘플링 클럭속도를 1/2로 낮추어 심볼 속도의 2배가 되는 시스템 클럭을 발생하는 주파수 분주기, 상기 주파수 분주기의 시스템 클럭에 따라 상기 곱셈부로부터 출력된 기저대역 신호를 입력받아서 동위상 I성분과 직각위상 Q성분을 분리하는 위상 분리부, 상기 위상 분리부로부터 출력된 동위상 I성분 혹은 직각위상 Q성분중 어느 한 성분을 소정클럭 지연시키는 지연부, 상기 위상 분리부로부터 출력된 동위상 I성분 혹은 직각위상 Q성분중 다른 한 성분을 우수탭으로 필터링 처리하는 필터부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 샘플링된 주파수 하향변환 중간주파수 신호를 심볼 속도(symbol rate)의 4배가 되는 샘플링 클럭에 따라 4샘플을 주기로하여 입력된 순서대로 하나의 샘플과 {+1,+1,-1,-1}을 차례로 곱셈하여 기저대역으로 복조된 {I,Q,I,Q} 성분을 순서대로 출력하는 복조 단계와, 심볼 속도의 2배가 되는 시스템 클럭에 따라 상기 복조 단계로부터 제공된 {I,Q,I,Q} 성분을 동위상 I성분과 직각위상 Q성분을 분리하는 위상 분리 단계, 및 상기 위상 분리 단계로부터 출력된 동위상 I성분 혹은 직각위상 Q성분 중 어느 한 성분만을 데시메이션 필터링 처리함과 동시에, 다른 한 성분은 그대로 소정 클럭 지연시켜 출력하는 필터링 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 기저대역신호를 중간주파수대역으로 변조하는 QAM 변조시스템에 대한 구성도,

도 2는 도 1에 의해 생성된 QAM 신호의 성상도,

도 3은 아날로그 방식으로 중간주파수대역 신호를 기저대역 신호로 변환하는 QAM 복조시스템에 대한 구성도,

도 4는 디지털 방식으로 중간주파수대역 신호를 기저대역 신호로 변환하여 복조하는 QAM 복조시스템에 대한 구성도,

도 5는 도 4의 작용을 설명하기 위한 직교 함수에 대한 파형도,

도 6은 중간주파수대역 신호를 하향 변환된 중간주파수대역 신호(down-conversion IF,DC IF)로 변환하여 샘플링하는 전처리기에 대한 블록도,

도 7은 도 6의 전처리과정을 설명하기 위한 각 구성요소의 입출력신호에 대한 주파수 스펙트럼,

도 8은 일반적인 복소수 복조시스템에(complex demodulator) 대한 전체 블록도이고,

도 9는 도 8의 복소수 복조에(complex demodulation) 대한 진행 과정을 설명하기 위한 주파수 스펙트럼도,

도 10은 하향변환된 중간주파수 신호(DC IF)를 기저대역으로 복조하였을 때의 시간축상에 나타나는 동위상 I신호 및 직각위상 Q신호 성분에 대한 진폭신호도,

도 11은 본 발명에 이용되는 데시메이션 필터의 필터 계수를 보여주는 도면,

도 12는 도 11의 데시메이션 필터의 주파수 응답의 진폭 특성을 보여주는 도면,

도 13은 기저대역 신호를 도 12에 의해 데시메이션 필터링한 출력 결과를 보여주는 도면,

도 14는 본 발명에 따른 복소수 변조된 신호를 위한 디지털 복소수 복조시스템에 대한 전체 블록도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

140 : 발진기 142 : 곱셈부 144 : 주파수 분주기

146 : 위상 분리부 148 : 지연부 149 : 필터부

이하, 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 들어 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하기로 한다.

우선 본 발명의 이해를 돕기 위해 디지털 방식으로 중간주파수대역 신호를 기저대역으로 변환하는 과정을 도 4와 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.

도 4는 디지털 방식으로 QAM변조된 중간주파수대역 신호를 기저대역신호로 변환하여 복조하는 QAM 복조시스템에 대한 구성도이다. 디지털 복조시스템은 도 3의 기능을 갖는 도 4와 같은 간단한 디지털 샘플러로 구현할 수 있다. IF 신호 입력을 4ω_IF의 샘플링 주파수로 디지털 변환하는 A/D변환기(40)와, 샘플링된 신호값을 4 클럭을 주기로 처음 2클럭동안은 '+1'과 다음 2클럭동안은 '-1' 을 번갈아가며 곱셈하는 곱셈기(41) 및, 곱셈기(41)로부터 출력된 신호를 I성분과 Q성분으로 분리하는 분리기(42)로 구성된다. 여기서, 시간영역의 IF 신호는 두개의 서로 직교하는 성분이 더해진 것이므로(직교 함수 cosωt, sinωt를 이용하여) 두 신호 성분간의 상관 관계가 0이 되며 간섭이 발생하지 않고 cosωt에 실린 I성분과 sinωt에 실린 Q성분을 분리해낼 수 있는 것이다.

이에 대한 이해를 돕기 위해 도 5를 참조하여 도 4의 작용을 설명하고자 한다.

도 5의 직교 함수는 도 3의 국부 발진기(30)에서 사용된 정현파에 대한 파형도이다. 도 5의 (a)는 실수 I성분을 분리해내는 cosω_IFt의 파형도이고, (b)는 허수 Q성분을 분리해내는 sinω_IFt 의 파형도이다. 도 4의 디지털 샘플러는 4ω_IF속도로 동작하므로, 도 5에서 영교차점과 최고점 및 최저점에서만 샘플링하는 것과 동일하다고 볼수 있다. 예를 들어, 샘플링 위치가 t=0 일때 입력신호는 I 성분에서 '1', Q 성분에서 '0'과 곱해진다, 그러므로 입력신호는 직접 I 성분만이 출력으로 나타난다. t=T/4 일 때 입력신호는 I 성분에서 '0', Q 성분에서 '1'과 곱해지므로 입력신호는 직접 Q 성분만이 출력으로 나타난다. 이와같은 방식으로 t=T/2 일 때 I성분에서 입력신호에 '-1'이 곱해진 신호가 출력되며, t=3T/4 일 때 Q성분에서 입력신호에 '-1'이 곱해진 신호가 출력된다.

여기서, 도 4의 디지털 샘플러를 이용하여 얻은 신호는 I성분과 Q성분이 시간적으로 일치하지 않는 문제가 있기는 하나, 이것은 I와 Q 성분값들 중에서 '0'이 존재하는 샘플점을 보간하여(interpolation) '0'값 대신에 새롭게 보간된 값을 삽입하므로써 해결할수 있을 것이다.

한편, 디지털 샘플러를 사용할 때, f_IF(= ω_IF/2π)의 주파수를 44.0㎒를 그대로 사용한다면 샘플링 속도는 그것의 4배인 176.0㎒가 되어야 한다. 만약 f_IF를 심볼 속도와 같게 재설정한다면 상기에서 설명한 디지털 샘플러의 이용가치가 충분이 있게 된다. 44.0㎒ 의 IF 신호를 다시 심볼 속도의 위치로 변환하는 것, 즉 IF 대역 신호를 심볼 속도(symbol rate)의 위치로 옮기는 것을 주파수 하향 변환(down-conversion)이라 하며, 이 변환된 신호를 하향 변환된(down-converted) IF신호(이하 'DC IF'라함)라 한다.

이제, 도 4에서 입력된 IF신호를 대신하여 DC IF로 바꾸고 샘플링 속도를 f_{DC IF}로 바꾸었다고 가정하자. 이 때 도 4의 구조를 그대로 사용하기 위해서는 IF신호를 DC IF신호로 변환하기 위한 전처리 과정(pre-processing)이 필요하다.

일반적으로 DC IF 신호를 만들기 위해서는 하기 도 6과 같은 과정을 거쳐야 한다.

도 6은 IF 신호를 DC IF 신호로 변환하여 샘플링하는 전처리기에 대한 블록도로서, 국부 발진기(61)와, 믹서(62), 저역통과필터(64) 및 A/D변환기(66)로 구성된다. 믹서(62)는 IF 신호(f_IF=44㎒ )와 국부 발진기(61)에서 제공된 신호(f_L.O=49㎒)를 믹싱하여 IF신호의 반송파주파수와의 합과 차의 주파수 대역(f_IF±f_L.O)으로 이동시켜 출력한다. 믹서(62)의 출력신호는 저역통과필터(64)를 통해 고주파 성분의 신호를 제거한 뒤 심볼 속도 위치로 천이된 신호대역(f_BS=5㎒)을 얻을 수 있다. A/D변환기(66)는 저역통과필터(64)의 출력신호를 심볼 속도의 4배가 되는 샘플링 속도(f_s=20㎒)로 샘플링하여 샘플링된 DC IF(sampled DC IF)신호를 출력한다.

도 7은 도 6의 전처리과정을 설명하기 위한 각 구성요소의 입출력신호에 대한 주파수 스펙트럼을 나타내었다.

도 7의 (a)는 도 6에서 입력되는 IF 신호(60)에 대한 주파수 스펙트럼으로 연속 시간상에 실수성분으로 나타난다. 통상 튜너를 통해 원하고자 하는 중간주파수 대역 ±44㎒ 를 선별하여 IF QAM 신호를 얻는다. 도 7의 (b)는 도 6에서 믹서(62)를 통해 국부 발진주파수(49㎒ L.O)와 혼합된(mixed) IF QAM 신호(63)의 주파수 스펙트럼이다. 혼합된 IF QAM 신호는 연속 시간상에 실수 성분으로 나타나며, 그 주파수 대역은 ±5㎒, ±93㎒를 중심으로 분포한다. 도 7의 (c)는 도 6에서 엘리어싱 방지 필터(anti-aliasing filter)인 저역통과필터(64)의 주파수 응답 특성으로 대역폭은 10㎒ 이다. 도 7의 (d)는 도 6에서 저역통과필터(64)의 출력 신호(65)에 대한 주파수 스펙트럼으로서, 고역성분(±93㎒)이 제거된 후 얻은 하향변환된(Down-Converted) 신호 즉, DC IF 신호이다. DC IF신호는 연속 시간상에 실수성분으로 나타나며 그 주파수 대역은 ±5㎒ 이다. 도 7의 (e)는 도 6에서 A/D 변환기(66)의 출력 신호열(67)에 대한 주파수 스펙트럼으로서, 기저대역의 심볼 속도(5㎒)의 4배가 되는 샘플링 속도(f_s=20㎒)로 샘플링하여 얻은 샘플링된 DC IF 신호이다. 샘플링된 DC IF 신호는 이산시간 상에서 실수 성분으로 나타나며, 그 주파수 스펙트럼은 ±5n ㎒,(n=1,3,5…)마다 엘리어싱 없이 주기적으로 나타난다.

이제, 복소수 복조에 대한 개념을 도 8 및 도 9를 참조하여 설명하고자 한다.

도 8 은 일반적인 복소수 복조기(complex demodulator)에 대한 전체 블록도이고, 도 9는 도 8의 복소수 복조에 대한 진행 과정을 설명하기 위한 주파수 스펙트럼도이다.

도 8를 참조하면, 복소수 복조기는 믹서(81,82)와 데시메이션 필터(decimation filter : 85,86) 및 다운 샘플러(89,90)로 구성되어 있다. 도 6에서 얻은 샘플링된 DC IF 신호(samled DC IF, 80)를 두개의 믹서(81,82)로 각각 입력받아 코사인 신호(cosω_ct)와 싸인 신호(sinω_ct)로 각각 믹싱하여 동위상 신호(83)와 직각위상 신호(84)로 변환시킨다. 위상 분리된 두 신호는 두개의 데이메이션 필터(85,86)에 의해 고주파 성분이 제거된 후 동위상 기저대역신호(87)와, 직각위상 기저대역신호(88)만 남게되고, 두 기저대역 신호(87,88)는 다운 샘플러(89, 90)에 의해 서브 샘플링(sub-sampling)된다.

여기서 다운 샘플러를 이용하여 샘플 속도를 1/2로 낮추어주었는 데, 그 이유는 다음과 같다. 일반적인 QAM 시스템등과 같은 경우 신호를 처리하는 클럭은 심볼 속도의 2배가 되는 시스템 클럭을 사용한다. 그러나, 복조과정에서 DC IF의 신호를 처리하기 위해서는 심볼 속도의 4배가 되는 샘플링 클럭이 필요하기 때문에, 심볼 속도의 4배가 되는 샘플링 클럭을 2배가 되는 클럭으로 바꾸어 주기 위해 서는 신호를 적당히 필터링한 후에 샘플링 클럭 속도를 1/2로 낮추어 준다. 또한, 데시메이션(decimation)을 하여 샘플링 클럭 속도를 반절로 줄이는 과정에서 신호의 스펙트럼이 겹쳐지는 엘리어싱(aliasing)이 일어나기도 하는 데, 이를 방지하기 위해 미리 필터링을 하여 고주파 성분을 제거하면서 저주파 성분은 될 수 있는 한 열화되지 않도록 방지해 주는 것이 필요하다.

도 9를 참조하여 복소수 복조의 과정을 살펴보면 다음과 같다.

도 9의 (a)는 도 8의 샘플링된 DC IF 신호(80)에 대한 주파수 스펙트럼으로이산 시간상의 실수 성분으로 나타난다. 심볼 속도(5㎒)의 4배가 되는 샘플링 속도(f_s=20㎒)로 샘플링하여 얻은 샘플링된 DC IF QAM신호로서, 주파수상에서 DC IF QAM신호의 위치는 샘플링 주파수의 1/4 가 되는 지점 ±5n ㎒,(n=1,3,5…)에 위치한다.

도 9의 (b)는 도 8의 믹서(81,82)로부터 출력된 실수 I성분(83)과 허수 Q성분(84) 즉, 복소수 직각 복조된 QAM신호(complex quadrature demodulated QAM signal)에 대한 주파수 스펙트럼이다. 주파수상에서 복소수 직각 복조된 신호는 이산 시간상에 복소수 성분으로 나타나며, 그 주파수 대역은 ±5m ㎒( m=0,2,4…)에 위치한다. 결국 샘플링 속도(f_s=20㎒)로 샘플링된 DC IF 신호를 기저대역 0㎒ 로 이동시킨 결과이다.

도 9의 (c)는 도 8의 데시메이션 필터(85,86)가 갖는 주파수 응답(frequency response)스펙트럼으로 이산 시간상에 실수 성분으로 나타난다. 데시메이션 필터의 주파수 응답은 샘플링 속도(f_s=20㎒)일 때 ±5(2m)㎒ (m=0,2,4…) 중심 대역에 위치하며, 대역폭은 5㎒ 를 넘지않도록 되어 있다. 이와 같은 필터특성을 갖는 저역통과필터(LPF)를 이용하여 고주파를 제거하면서 저주파 성분의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 샘플 속도를 1/2로 줄이기 전에 미리 필터링해주므로써 엘리어싱이 발생되는 것을 방지하기 위함이다.

도 9의 (d)는 도 8의 데시메이션 필터(85,86)로부터 출력된 데시메이션 필터링된 기저대역 신호(87,88)에 대한 주파수 스펙트럼이다. 주파수 영역에서 필터의 출력은 이산 시간상에 복소수 형태로 나타나며, 입력 신호와 필터 전달함수의 곱으로 나타나므로 도 8의 (b)와 (c)를 곱해서 얻어진 결과이다. 즉, (b)의 주파수 대역중 ±5(2m)㎒ (m=0,2,4…) 에 위치한 복소수 직각 복조된 QAM 신호를 얻을 수 있다.

도 9의 (e)는 도 8의 필터링된 기저대역 신호(87,88)를 다운 샘플러(89,90)에 의해 샘플링 속도/2인 f_s=10㎒ 로 샘플링하여 얻어진 신호(91,92)의 주파수 스펙트럼이다. 샘플링 속도의 1/2배로 다운 샘플링된 신호는 이산시간상에 복소수 형태로 나타나며, 도 9의 (d)의 기저대역 신호의 대역폭보다 2배 증가되어 있다. 또한, 다운 샘플링을 하였어도, 미리 필터링을 하였기 때문에 엘리어싱이 발생되지 않았음을 알수 있다.

여기서, 도 9의 (a)에서 보는 바와 같이, 주파수상에서 DC IF QAM신호의 위치는 샘플링 주파수의 1/4 가 되는 지점 ±5n ㎒,(n=1,3,5…)에 위치한다. 따라서, DC IF QAM신호를 기저대역으로 변환시키기 위한 반송파는 1,-1, 0 으로 간단히 표시될 수 있을것이다. 이는 이미 설명한 도 5를 참조하면 이해할 수 있을 것인 데, 즉 코싸인 함수는 {1,0,-1,0,…}의 신호열이 되며, 싸인 함수는 {0,1,0,-1,…} 의 신호열로 된다. 따라서, 이산열인 디지털로 처리하게 되면 아날로그 믹서를 사용하지 않고서도 간단한 디지털 소자로 처리 될 수 있다.

도 10은 하향변환된 중간주파수 신호(DC IF)를 기저대역으로 복조하였을 때의 시간축상에 나타나는 동위상 I성분과 직각위상 Q성분에 대한 진폭신호도이다. 즉, 도 10은 도 9의 (b)의 주파수 스펙트럼을 가질 때 시간축에서 나타난 신호이다.

도 10의 (a)는 동위상 I성분(실수 성분) 신호이고, 도 10의 (b)는 직각위상 Q성분(허수 성분) 신호이다. I성분과 Q성분은 각각 두 샘플링마다 한번씩은 '0' 값을 갖는다. 그리고, 이 '0'값은 I성분과 Q성분에서 엇갈린 위치에서 나타남을 알수 있다. 이와 같이 기저대역으로 DC IF 신호를 떨어뜨릴 때 시간적으로 일치하지않는 불일치 현상(misalignment)이 발생된다. 이렇게 불일치 현상을 갖는 신호에서 샘플 속도를 반절로 줄이게 되면 두 성분중에서 한 성분에만 신호가 존재하고 다른 한쪽 성분은 '0'값으로 남게되어 버린다.

이런 문제를 해결하기 위하여 '0'값이 존재하는 위치에서 원래의 값을 복원하여 삽입하는 보간(interpolation)을 수행해야 한다. 보간 처리를 수행하는 데 있어 가장 이상적인 특성을 보이는 저역통과필터(LPF)의 전달 함수는 '싱크 함수(sinc function)'이다. 대역 제한된(bandlimited) 입력 신호 x(t) 를 t= kT 때마다 샘플링한 값을 x(kT)라고 하자.

그러면, 입력 신호 x(t)는

과 같이 샘플링된 신호로부터 완벽하게 복원될 수 있다. 싱크 함수를 사용하여 고주파 성분을 제거하고 나서 원래 신호를 얻은 후, '0'값을 갖는 샘플점에 원래 신호의 값을 삽입하므로써 보간을 수행하는 것이다. 여기서, 실제 필터 구현시에는 싱크 함수는 sin x ／ x 로 표현되고, 그 응답의 길이가 무한대이기 때문에 길이를 제한하기 위해서 윈도우 함수를 사용할 수 있다.

본 실시예에서는 카이저 윈도우 함수(kaiser window function)를 사용하여 데시메이션 필터를 구현하였으며, 데시메이션 필터의 계수를 도 11에 도시하였다. 도 11를 참조하면, 필터 탭수는 총 25탭을 사용하였고 중앙 13번째 탭에서 가장 큰값을 갖으며 양쪽 방향으로 감소되면서 완전 대칭성을 보이고 있다. 필터의 기수번째 탭은 13번 탭만을 제외하고 모두 '0'값을 갖고, 그외 우수번째 탭은 12탭 14탭이 가장 큰값을 갖고 양쪽 방향으로 양 음값을 반복하면서 점차 '0'값으로 수렴한다.

도 12는 도 11의 데시메이션 필터의 주파수 응답의 진폭(Magnitude, Mag(㏈)) 특성을 보여주는 도면이다. 샘플링된 DC IF QAM신호를 기저 대역으로 변환할 때 사용한 샘플링 속도는 심볼 속도의 4배로 하기 때문에 입력 신호는 데시메이션 필터링이 될 때에 도 12의 평탄 구간에 위치하게 된다. 즉, 입력 신호는 도 12에서 주파수 wT축상의 0.125 보다 작은 값들의 위치에 존재하게 된다. 따라서, 필터링하더라도 원신호는 필터에 의한 왜곡의 영향을 거의 받지 않게 된다. 일반적으로 필터를 설계할 때 통과대역(passabnd)은 평탄성을 유지해야 하며 제거대역은 통과대역과 비교하여 40㏈ 이상 차이가 나도록 설계되어야 한다. 본 실시예에서 사용한 도 12의 필터는 통과대역과 제거대역사이 차이가 60㏈ 정도를 유지하고 있음을 알 수 있다.

도 13는 기저대역 신호를 도 12에 의해 데시메이션 필터링한 출력 결과를 보여주는 도면이다. 도 13은 동위상(실수) I성분에 대한 데시메이션 필터링 하기 전과 필터링 한 후의 시간축상의 신호 변화를 나타내었다.

데시메이션 필터링 하기 전 신호는 샘플점을 마름모꼴로 표시하였으며. 두 샘플점마다 한번의 '0'값을 주기적으로 갖는 것을 확인할 수 있다(고역성분이 존재함). 데시메이션 필터링 한 후 신호는 샘플점을 사각형모양으로 표시하였으며, 고역성분이 제거되므로써 필터링 전에 '0'값을 갖는 샘플점은 새로운 보간값으로 삽입되어 있고, 필터링 전에 '0'이 아닌 값을 갖는 샘플점은 그 값을 그대로 유지하고 있다. 이것은 데시메이션 필터의 특성상 중앙 13번 탭값이 '1'이고, 나머지 기수번째 탭들은 모두 '0'을 갖으며, 우수번째 탭들은 중앙으로부터 양음값을 반복적으로 갖으면서 0으로 수렴하기 때문이다. 즉, 입력신호값이 '0'이 아닐 경우에는 이전 신호값들과 탭값과의 곱은 모두 제로가 되어버리고, 입력신호값과 13번 탭값 '1'을 곱한 값만이 유효한 성분이 된다. 그리고, 입력신호값이 '0'일 경우에는 입력신호값 '0'과 13번 탭값을 곱한 값은 제로가 되고, 이전 신호값들과 나머지 탭값과의 곱은 유효한 성분으로 되어 그 값들의 평균값으로 출력된다.

도 14는 본 발명에 따른 복소수 변조된 신호를 위한 디지털 복소수 복조시스템에 대한 블록도이다.

디지털 복소수 복조시스템은 발진기(140)와, 곱셈부(142), 주파수 분주기(144), 위상 분리부(146), 지연부(148) 및 필터부(149)로 구성되어 있다.

발진기(140)는 심볼 속도(symbol rate)의 4배가 되는 샘플링 클럭(f_s= 4/T, T는 심볼주기)을 발생한다.

곱셈부(142)는 샘플링된 하향변환 중간주파수 신호(sampled DC IF)를 입력받고 상기 발진기(140)의 샘플링 클럭(f_S)에 따라 4샘플을 주기로하여 입력된 순서대로 하나의 샘플과 {+1,+1,-1,-1} 을 차례로 곱셈하여 출력한다.

주파수 분주기(144)는 상기 발진기(140)의 샘플링 클럭 주파수를 1/2로 낮추어 심볼 속도의 2배가 되는 시스템 클럭(f_SYS=2/T, T 심볼 주기)을 발생한다.

위상 분리부(146)는 상기 주파수 분주기(144)의 시스템 클럭에 따라 동작하는 디멀티플렉서로 구현되어, 상기 곱셈부(142)로부터 출력된 기저대역 신호를 입력받아서 동위상 I성분과 직각위상 Q성분을 분리하여 출력한다.

지연부(148)는 출력 데이터의 타이밍을 맞추기 위한 다수개의 플립플롭으로 구현되어, 상기 위상 분리부(146)로부터 출력된 동위상 I성분을 소정클럭 지연시켜 출력한다.

필터부(149)는 하프-밴드 우수탭 필터로 구현되어, 상기 위상 분리부(146)로부터 출력된 직각위상 Q성분을 입력받아 하프-밴드의 우수탭을 이용하여 평균값을 구하여 출력한다.

이하, 본 발명의 작용 및 효과를 자세히 설명하기로 한다.

곱셈부(142)는 샘플링된 DC IF 신호(sampled DC IF)를 기저대역으로 천이시켜 주기 위한 것으로서, 샘플링된 DC IF 신호가 입력되면 발진기(140)의 샘플링 클럭(f_S)에 따라 {+1,+1,-1,-1}을 반복적으로 곱해준다. 이것은 기저대역의 동위상 I성분을 얻기 위해 곱해주는 코사인 함수와 직각위상 Q성분을 얻기위해 곱해주는 싸인 함수를 샘플링 주기 마다 추출하면 {+1,+1,-1,-1}를 갖는 하나의 함수가 되기 때문이다. 즉, 두 함수의 위상차가 90°이므로, 코사인 함수값이 1이나 -1을 가질 때는 싸인 함수값은 0을 가지고, 싸인 함수값이 1이나 -1을 갖을 때도 코사인 함수값이 0을 가지기 때문이다.

따라서, 샘플링된 DC IF 신호는 샘플링 클럭에 따라 상기 곱셈기(142)를 통해 {+1,+1,-1,-1}과 곱해져서 기저대역 신호로 변환되면서, 동위상(실수) I성분및 직각위상(허수) Q성분으로 분리되어 {I,Q,I,Q,…} 순서로 출력된다.

위상 분리부(146)는 곱셈부(142)로부터 출력된 기저대역의 {I,Q,I,Q,…} 신호열을 입력받아 샘플링 클럭 주파수를 1/2로 낮춘 시스템 클럭(f_SYS= 2/T)에 따라 I,Q성분을 분리한다. 즉, 위상 분리부(146)는 디멀티플렉서로 구현되어서 시스템 클럭이 '하이'상태이면 I단자로 스위칭하고, '로우'상태이면 Q단자로 스위칭하여 입력된 I성분과 Q성분을 디멀티플렉싱하여 출력한다.

이 때, 상기 곱셈기(142)로부터 출력된 기저대역의 {I,Q,I,Q,…}신호열은 I성분과 Q성분은 두 샘플마다 0값을 갖고, I성분과 Q성분의 0값은 서로 엇갈려 나타나는 불일치 현상(misalignment)이 존재하게 된다(도 10 참조).

이러한 불일치 현상을 제거하기 위하여 I, Q 두 성분중에서 어느 하나에만 필터링 처리를 해줌과 동시에, 필터링 처리는 우수번째 탭값만을 이용하여야 한다. 이를 위해서, 위상 분리부(146)로부터 출력된 Q 성분을 도 11과 같은 25 탭 데시메이션 필터의 13탭 이하의 하프 밴드 우수탭을 사용하여 Q성분을 필터링하고, 위상 분리부(146)로부터 출력된 I성분은 지연부(148)로 입력되어 6탭만큼 지연된 후 유효한 데이터가 출력되도록 하였다.

이렇게 I, Q 두 성분중에서 어느 하나에만 우수탭을 이용하여 필터링 처리를 해주는 이유는, 도 13에서와 보는 바와 같이 필터링을 한 후 시스템의 속도를 절반으로 낮추게 되면 두 성분중 어느 하나는 필터링 한 결과와 하지 않았을 때의 결과가 동일하게 나타나기 때문이다. 왜냐하면 필터의 기수번째 탭은 '1'값을 갖는 중앙 13탭만을 제외하고는 나머지 기수번째 탭은 '0'을 갖고, 입력데이터값도 2샘플마다 '0'을 갖기 때문이다. 어느 시점에서 필터에서 '0'값과 곱해질 입력데이터값은 언제나 '0'이며, 시스템 속도를 절반으로 낮추면서 사라져버린다.

따라서, I성분은 입력값 그대로를 사용하고, Q성분은 우수번째 탭에 의해 평균값 취해진 값으로 사용할 수 있다. 이 때 Q성분의 평균값이 구해지는 시간동안 그 때의 I성분을 지연시켜 출력 데이터 타이밍을 조절해주기만 하면 된다.

요약하면, 샘플링된 DC IF 신호를 곱셈기(142) 및 위상 분리부(146)를 이용하여 기저대역의 I,Q성분으로 분리 시킨 후, 두 성분중 어느 하나에만 하프-밴드 우수 탭 필터(149)를 적용하여 필터 처리하므로써, 불일치 현상 및 엘리어싱 현상이 발생하지 않으면서도 기저대역의 I 성분 데이터 및 Q 성분 데이터를 복조해 낼수 있다.

본 발명은 QAM, VSB, NTSC 등과 같이 각종 복소수 변조된 디지털 신호에 동일한 방식으로 적용되어 약간의 수정을 통해서 기저대역 디지털 신호로 완벽하게 복조될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 종래의 아날로그 믹서 및 I, Q성분 각각을 위한 데시메이션 필터를 갖는 아날로그 시스템에 비해서, 본 발명의 복소수 변조된 신호를 위한 디지털 복소수 복조시스템은 샘플링된 DC IF 신호와 {+1,+1,-1,-1}을 순서대로 반복해서 곱하여 I,Q성분을 간단히 분리해내고, 분리된 두 성분 중 어느 한 성분을 우수탭만을 이용하여 필터링한다. 따라서, 하드웨어 구현시 간단한 곱셈기(142)와, 위상 분리부(146), 하프-밴드 필터(149)만으로 간단히 구현 할 수 있으며, 특히 필터 탭수도 종전에 비해 1/4 만을 사용하므로 하드웨어 면적 및 비용에서 이득을 얻을 수 있다.

Claims

샘플링된 하향변환 중간주파수 신호를 입력받고, 심볼 속도의 4배가 되는 샘플링 클럭에 따라 4샘플을 주기로하여 입력된 순서대로 하나의 샘플과 {+1,+1,-1,-1}을 차례로 곱셈하여 기저대역 신호를 출력하는 곱셈부(142);

심볼 속도의 2배가 되는 시스템 클럭에 따라 상기 곱셈부(142)로부터 출력된 기저대역 신호를 입력받아서 동위상 I성분과 직각위상 Q성분을 분리하는 위상 분리부(146);

상기 위상 분리부(146)로부터 출력된 동위상 I성분 혹은 직각위상 Q성분중 어느 하나를 소정클럭 지연시키는 지연부(148);

상기 위상 분리부(146)로부터 출력된 동위상 I성분 혹은 직각위상 Q성분중 다른 하나를 우수 탭을 이용하여 필터링 처리하는 필터부(149)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복소수 변조된 신호를 위한 디지털 복소수 복조시스템.
제 1 항에 있어서, 심볼 속도의 4배가 되는 샘플링 클럭을 발생하여 상기 곱셈부(142)의 동작속도를 제어하는 발진기(140); 및

상기 발진기(140)의 샘플링 클럭 속도를 반절로 낮추어서 시스템 클럭을 발생하여 상기 위상 분리부(146)를 제어하는 주파수 분주기(144)가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 복소수 변조된 신호를 위한 디지털 복소수 복조 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 필터부(149)는 고역성분을 제거하는 싱크 함수를 갖는 하프-밴드 우수 탭만을 갖는 저역통과필터인 것을 특징으로 하는 복소수 변조된 신호를 위한 디지털 복소수 복조시스템.
샘플링된 주파수 하향된 중간주파수 신호를 심볼 속도(symbol rate)의 4배가 되는 샘플링 클럭에 따라 4샘플을 주기로하여 입력된 순서대로 하나의 샘플과 {+1,+1,-1,-1}을 차례로 곱셈하여 기저대역으로 복조된 {I,Q,I,Q} 성분을 순서대로 출력하는 복조 단계(S1);

심볼 속도의 2배가 되는 시스템 클럭에 따라 상기 복조 단계(S1)로부터 제공된 {I,Q,I,Q} 성분을 동위상 I성분과 직각위상 Q성분을 분리하는 위상 분리 단계 (S2); 및

상기 위상 분리 단계(S2)로부터 출력된 동위상 I성분 혹은 직각위상 Q성분중 어느 한 성분만을 하프-밴드 우수 탭을 이용하여 필터링 처리함과 동시에, 다른 한 성분은 소정 클럭 지연시켜 출력하는 데시메이션 필터링 단계(S3)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복소수 변조된 신호를 위한 디지털 복소수 복조 방법.