KR100284581B1 - 루프 필터 계수 동적 할당방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동 주파수 보상회로의 루프 필터 계수 동적 할당방법에 관한 것으로서, 디지털/아날로그 변환기로부터 입력 데이터를 수신하여 I, Q 채널 비교기를 통해 수신된 심볼에서 주파수 오차 값을 추출하여, 일정한 통계 처리 블록마다 각 주파수 오차 데이터 요소에 대한 통계 특성을 구하고, 현재 루프 필터로 출력되는 주파수 오차 보상 값을 이용하여 파악한 그 시점의 주파수 오차가 루프 필터 계수 결정 알고리즘이 정한 값보다 커지면 루프 카운터 값을 필터 카운터 값과 같도록 설정하여 루프를 빠져나가 결정된 최적의 루프 필터 계수 값에 의해서 적응성 있는 주파수 오차를 보정하도록 한다. 따라서 주파수 오차를 줄임에 따른 전체 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

루프 필터 계수 동적 할당방법

본 발명은 자동 주파수 보상회로의 루프 필터 계수 동적 할당방법에 관한 것이다.

주파수 자동 보상은 통상적으로 이동통신 시스템에서 채용하고 있는 기술이며, 코드분할 다중접속(CDMA) 이동통신 시스템의 통상적 주파수 자동 보상회로의 동작 절차를 기술하면 도 1과 같다.

상기 도 1을 보면, 무선 주파수(Radio frequency, 이하 RF라 칭함)로부터 수신된 무선신호를 기저 대역 신호로 변환하는 주파수 하향기(1), 변환된 신호의 I, Q 신호 성분을 얻는 심볼 추정기(2), 얻어진 I, Q 두 신호 모두를 이용하여 순시적인 주파수 오차 예상치를 얻는 주파수 오차 추출기(3), 여러 개의 핑거들로부터 얻어진 주파수 오차룰 합성하는 주파수 오차 합성기(4), 결정된 주파수 오차 값을 이용하여 최종 보상할 오차를 결정하도록 필터링하는 루프 필터(5), 필터링된 디지털 신호를 아날로그로 변환하는 디지털 아날로그 변환기(6), 아날로그 변환된 신호의 주파수 하향기 및 주파수 상향기의 기준 주파수원을 변환시키는 저역통과 필터(7), 변환된 신호를 입력받아 최종적으로 기지국과 단말기의 주파수 오차를 제거하는 전압조정 발진기(8)로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 도 1의 동작을 보면, 무선 신호는 RF로부터 수신된 신호는 주파수 하향기(1)를 통해서 기저 대역 신호로 변환한 후 심볼 추정기(2)를 통해서 I, Q 신호 성분을 얻는다.

얻어진 I, Q 신호를 이용하여 주파수 오차 추출기(3)에서 시스템이 이용하는 주파수 오차 추정 알고리즘에 따라서 순시적인 주파수 오차 예상치를 얻는다.

이때 여러 개의 핑거들로부터 얻어진 주파수 오차는 주파수 오차 합성기(4)에 의해서 합쳐진다.

결정된 주파수 오차 값은 필터 계수가 α인 루프필터(5)를 거쳐서 최종 보상할 오차를 결정하게 된다.

이 루프필터의 사용은 주파수 오차의 추정이 이루어질 때마다 주파수 보상을 수행하면 그 보상 빈도수가 많아지기 때문에, 빈도수가 지나치게 많아지는 것을 제한하기 위한 것이다.

즉 루프필터의 기능은 주파수 오차를 얼마나 빠른 빈도로 전압조정 발진기(Voltage Controlled Oscillator, 이하 VCO라 칭함)(8)를 변화시킬 것인가를 결정하게 되므로 루프필터의 계수 α는 보상 빈도를 결정하는 요소가 된다.

루프필터(5)의 출력은 디지털-아날로그 변환기(4)와 저역통과 필터(7)를 통해서 전압조정 발진기(8)에 아날로그 전압 형태로 인가되어 주파수 하향기 및 상향기의 기준 주파수원을 변환시켜서 최종적으로 기지국과 단말기의 주파수 오차를 제거하는 기능을 수행하게 된다.

디지털 이동통신 시스템에서 기지국과 단말기는 여러 가지 원인에 의하여 두 시스템의 기준 주파수의 오차가 발생하게 되는데, 이는 기본적으로 크게 두 가지의 원인에 의해서 발생된다.

그 첫째로 기지국과 단말기에서 사용하는 기준 주파수원의 차이 때문에 발생하며, 둘째 원인으로는 단말기의 이동에 따른 도플러 주파수 편이 및 그 외의 채널 환경의 변화에 따른 것이다.

도플러 효과에 의한 주파수 편이는 사용하는 중심 주파수와 단말기가 이동하는 속도에 따라서 변화하게 된다.

따라서 단말기가 처음 전력이 인가되어 초기화되는 과정에서는 상기 첫째 원인에 의한 편차 보상이 주된 원인이 될 것이며, 초기화가 끝난 안정 상태에서는 상기 둘째 원인을 보정하는 것이 주된 AFC의 역할이 될 것이다.

그러므로 단말기의 상태가 초기상태 여부, 핸드오프 여부, 단말기의 속도 등에 따라서 AFC 시스템이 동작하여 주파수 보정해야 하는 양이나 얼마나 빨리 보정하여야 하는가는 달라지게 된다.

또한 단말기가 핸드오프가 발생한 직후 접속하고 있는 기지국이 변화될 경우 기지국의 기준 주파수의 변화가 생길 수 있으므로 급격한 주파수의 보상이 일어날 수 있으며, 단말기의 이동 속도가 급격히 변화할 때에도 보상을 수행하게 될 것이다.

이동통신 시스템 및 무선 채널의 다양한 특성에 의해서 기지국과 단말기간에는 사용하는 주파수의 차이가 발생할 수 있다.

따라서 이동통신 단말기 시스템에는 이러한 주파수 오차를 제거하여, 기지국 주파수원에 단말기 주파수원을 맞추는 기능을 가진다.

그런데 기존의 주파수 자동 보상 방법들은 일정한 시간 동안 주파수 오차를 누적시켰다가 주파수를 보정한다.

따라서 주파수의 오차량이 급격히 변화하거나 발생 빈도의 급격한 변화가 발생할 시에는 효과적으로 시스템 성능을 유지시킬 수 없다.

상기한 기존의 통상적인 자동 주파수 오차 보상 시스템은 고정된 루프필터의 계수를 사용하므로, 주파수 오차의 변화가 급격히 일어날 때에는 적응성 있게 추적해 가는 기능이 떨어지게 되며, 이는 전체 시스템의 성능을 저하시키게 되는 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 주파수 오차의 발생 빈도 및 오차량의 특성을 분석하여, 이러한 변화에 동적으로 따라갈 수 있는 누적방법을 제시함으로써, 채널 환경에 적응성을 가지므로 전체 이동통신 시스템의 성능을 향상시키는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기에 따라 본 발명은, 기존의 자동 주파수 오차 보상 시스템이 채널 환경에 적응성이 없었던 점을 개선하여, 주파수 오차 측면에서 채널 환경의 변화에 적응성 있는 자동 주파수 보상 알고리즘을 제안한다.

그 구체적인 구현은 자동 주파수 오차 보상 시스템을 구성하는 부분 중 루프필터 단에 주파수 변화의 추이를 분석하여 동적으로 루프필터의 계수를 결정하는 개선된 알고리즘으로, 이 알고리즘을 수용하면 시스템 전체의 성능이 향상된다.

통상적인 단말기의 자동 주파수 보상회로는 주파수 오차의 변화 형태와는 관계없이 일정한 빈도로 주파수 오차를 보정해 나가게 된다.

그러나 시스템 성능의 저하를 막으려면 주파수 편차의 빈도나 편차양이 증가하게 되면 이를 보상하는 자동 주파수 보상 시스템은 더욱 빠른 빈도로 주파수를 보상해야 기저 대역 신호의 복조 성능이 저하되지 않는다.

또한 주파수 오차에 큰 변화가 없을 때는 천천히 보상되어도 될 것이다.

그러나 고정된 필터계수를 사용하는 시스템은 주파수 오차에 변화가 있을 때 적응성이 떨어지며, 보상이 거의 필요하지 않을 때에도 일정한 시간이 되면 불필요한 보상 과정도 수행하게 된다.

따라서 본 발명에서 제안하는 것은 보상의 빈도를 채널 상황에 따라서 동적으로 변화시키는 것이다.

그 빈도의 결정은 입력되는 주파수 오차의 양에 의해서 결정되게 된다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 디지털/아날로그 변환기로부터 입력 데이터를 수신하여 I, Q 채널 비교기를 통해 수신된 심볼에서 주파수 오차 값을 추출하여 일정한 통계 처리 블록마다 각 주파수 오차 데이터 요소에 대한 통계 특성을 구하며, 현재 루프필터로 출력되는 주파수 오차 보상 값을 이용하여 파악한 그 시점의 주파수 오차가 루프필터 계수 결정 알고리즘이 정한 값보다 커지면 루프 카운터 값을 필터 카운터 값과 같도록 설정하여 루프를 빠져나가 결정된 최적의 루프필터 계수 값에 의해서 적응성 있는 주파수 오차를 보정하도록 한다.

따라서 현재 추적하고 있는 주파수 오차의 경향을 분석하여 루프필터의 계수를 동적으로 할당하여 시스템의 주파수 오차를 줄일 수 있는 특징이 있다.

도 1은 종래의 자동 주파수 보상회로(AFC) 시스템 구성도,

도 2 는 본 발명이 적용되는 필터 계수 동적 할당 자동 주파수 보상회로 시스템 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 필터 계수 동적 할당 주파수 보상 알고리즘 흐름도,

도 4a는 본 발명에 따른 필터 계수 동적 할당 자동 주파수 보상회로 시스템의 신호 성상도,

도 4b는 기존의 통상적 자동 주파수 보상회로 시스템 신호 성상도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 주파수 하향기 12 : 심볼 추정기

13 : 주파수 오차 추출기 14 : 주파수 오차 합성기

15 : 루프 필터 16 : 필터 계수 결정기

17 : 디지털/아날로그 변환기 18 : 저역 통과 필터

19 : 전압조정 발진기

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 는 본 발명이 적용되는 필터 계수 동적 할당 AFC 시스템 구성도로서, 고정된 루프필터 계수를 상황에 따라서 적응성을 가질 수 있도록 동적으로 할당하는 방법을 제시하는 것이다.

즉, 얻어진 주파수 보상치의 통계적인 특성에서 추출한 파라메터와 루프필터(15)에서 출력되는 주파수 보상 편차를 파라메터로 하는 알고리즘을 이용하여 루프필터(15)의 계수를 필터계수 결정기(16)를 통해 새로이 생성하여 주파수 보상에 이용한다.

본 발명에서 제안하는 알고리즘은 기존의 고정된 루프필터 계수를 상황에 따라서 적응성을 가질 수 있도록 동적으로 할당하는 방법을 제시하는 것이다.

즉 얻어진 주파수 보상치의 통계적인 특성에서 추출한 파라메터와 루프필터(15)에서 출력되는 주파수 보상 편차를 파라메터로 하는 알고리즘을 이용하여 루프필터의 계수를 새로이 생성하여 주파수 보상에 이용한다.

제안된 주파수 오차 보정 알고리즘은 일정한 통계처리 블럭마다 각 주파수 오차 데이터 요소에 대한 통계치를 구하고, 현재 루프필터로 출력되는 주파수 오차 보상 값을 이용하여, 그 시점의 주파수 오차의 변동 경향을 파악하고, 그 상태에 적응성이 최적인 필터계수를 결정하여 루프필터에 동적으로 할당하는 기능을 가지고 있다.

도 3은 본 발명에 따른 필터계수 동적 할당 주파수 보상 알고리즘 흐름도로서, A/D 변환기(17)로부터 입력 데이터를 수신하여(S1), I, Q 채널 비교기를 통해 단말기 수신부의 칩을 비교한 후(S2), 일정한 통계처리 블록마다 각 주파수 오차 데이터 요소에 대한 통계치를 구하고(S3), 현재 루프필터로 출력되는 주파수 오차 보상 값을 이용하여, 그 시점의 주파수 오차의 변동 경향을 파악하고, 그 상태에 적응성이 최적인 필터계수를 결정하고(S4) 루프 카운터가 필터 카운터보다 큰 가를 판단하여(S5) 클 경우 루프필터에 주파수 오차 추정 값을 동적으로 할당하며(S6), 할당된 값을 이용하여 주파수 오차를 보정한다(S7).

상기 제안된 내용에 대해 컴퓨터 모의시험을 통하여 시스템 성능에 어떠한 영향을 미치는지를 분석하였으며, 그 모의 시험의 한 예를 다음과 같이 기술한다.

모의시험은 다음과 같은 환경으로 수행되는데, 주파수 오차의 발생량은 반송주파수에 대해 약 40 ppm 정도로 랜덤하게 설정하고, 주파수 오차 발생 시점도 랜덤하게 설정하였다.

가산성 백색 가우시안 잡음(AWGN)은 신호 전력에 약 3dB 정도 작은 값으로 설정하였다.

시험 결과는 본래 발생한 주파수 오차에 대해 보상을 수행한 오차의 차이에 대한 실효(root mean square, 이하 RMS라 칭함)값을 추출하고 데이터 신호에 대한 성상도를 얻었다.

모의 시험한 결과를 아래의 표 1에서 볼 수 있는 것과 같이 기존의 알고리즘에 의한 추정 오차 RMS 값은 0.1642였는데 반해, 본 발명에서 제안된 알고리즘에 의한 오차 추정오차 RMS 값은 임계값에 따라 다르지만 최대 0.07749로 현저하게 추정오차가 줄어든 것을 알 수 있다.

모의 시험한 주파수 추정오차의 RMS값 비교표

제안된 알고리즘	기존의 알고리즘
임계값	RMS 추정오차	RMS 추정오차
0.01	0.06113	0.1642
0.02	0.07120
0.03	0.07283
0.05	0.07749

또한 도 4b가 주파수 오차를 임의로 인가할 때, 기존의 통상적인 자동 주파수 보상 알고리즘에 의해서 복조한 데이터에 대한 성상도이다.

도 4a는 상기 도 4b의 상황과 같은 환경하에서 제안한 자동 주파수 보상 알고리즘에 의해 주파수 보상된 데이터에 대한 성상도를 나타내었다.

상기와 같은 도 4a, 4b에서 볼 수 있는 바와 같이 제안된 알고리즘에 의해 복조된 I, Q 신호가 원하는 값으로 더 잘 수렴했음을 알 수 있다.

따라서 본 발명의 알고리즘은 전체 시스템 성능이 향상되는 것을 모의시험을 통해서 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 현재 추적하고 있는 주파수 오차의 경향을 분석하여, 루프필터의 계수를 동적으로 할당하는 알고리즘을 수용함으로써, 주파수 오차를 줄임에 따른 전체 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 이동통신용 주파수 보상회로에서 추정된 오차를 루프필터를 통과시킬 때 추정된 오차의 특성에 따른 루프필터의 계수를 가변적으로 할당하기 위해서,

   아날로그/디지털 변환기로부터 입력 데이터를 수신하여 I, Q 채널 비교기를 통해 단말기 수신부의 칩을 비교하는 제 1 단계와;

   1 단계 수행 후 일정한 통계처리 블럭마다 각 주파수 오차 데이터 요소에 대한 통계치를 구하는 제 2 단계와;

   2 단계 수행 후 현재 루프필터로 출력되는 주파수 오차 보상 값을 이용하여 파악한 그 시점의 주파수 오차의 변동 경향에 적응성이 최적인 필터계수를 결정하는 제 3 단계와;

   3 단계 수행 후 루프 카운터가 필터 카운터보다 큰가를 판단하여 클 경우 루프필터에 주파수 오차 추정 값을 동적으로 할당하는 제 4 단계와;

   할당된 값을 이용하여 주파수 오차를 보정하는 제 5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 루프필터 동적 계수 할당방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 3 단계는,

   현재 추적하고 있는 주파수 오차의 경향을 분석하여, 루프필터의 계수를 동적으로 할당함으로써 결정하는 것을 특징으로 하는 루프필터 동적 계수 할당방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 5 단계는,

   주파수 보상치의 통계적인 특성에서 추출한 파라메터와 루프필터에서 출력되는 주파수 보상 편차를 파라메터로 하는 알고리즘을 이용하여 루프필터의 계수를 새로이 생성하여 주파수 보상에 이용하는 것을 특징으로 하는 루프필터 동적 계수 할당방법.