KR100390842B1 - Polarity detection circuit and method for high-order QAM - Google Patents

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Abstract

본 발명은 넓은 범위의 주파수 오프셋을 포착할 수 있으며, 회로구성이 간단한 고차 QAM을 위한 극성판단 위상검출회로 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polarity determination phase detection circuit and method for higher order QAMs that can capture a wide range of frequency offsets and are simple in circuit construction.

본 발명의 고차 QAM을 위한 극성판단 위상검출방법은, 수신된 QAM 신호와 위상에러로부터 보상신호를 출력하는 단계와, 상기 보상신호중에서 높은 SNR 특성을 갖는 심볼을 검출하는 단계와, 상기 검출신호를 입력하여 극성을 판단하는 단계와, 상기 극성판단의 결과치와 보상신호로부터 위상에러를 검출하는 단계와, 상기 검출된 위상에러를 상기 QAM 신호로 피이드백시켜 다시 보상신호를 발생함과 동시에 상기 보상신호로부터 심볼을 결정하는 단계를 포함한다.The polarity detection phase detection method for higher order QAM of the present invention includes the steps of outputting a compensation signal from a received QAM signal and a phase error, detecting a symbol having a high SNR characteristic among the compensation signals, and detecting the detected signal. Determining a polarity by inputting, detecting a phase error from the result of the polarity determination and the compensation signal, and feeding back the detected phase error to the QAM signal to generate a compensation signal and simultaneously generating the compensation signal. Determining a symbol from the apparatus.

Description

고차 직각변조를 위한 극성판단위상검출회로 및 방법{Polarity detection circuit and method for high-order QAM}Polarity detection circuit and method for high-order QAM}

본 발명은 고차(high-order) 직각변조(QAM, quadrature modulation)을 위한 극성판단 위상검출회로에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 넓은 범위의 주파수 포착성능을 가지는 극성판단(porality decision) 반송파 동기용 위상검파기(PD, phase detector)에 관한 것이다.The present invention relates to a polarity determination phase detection circuit for high-order quadrature modulation (QAM), and more particularly, to a phase decision carrier synchronization phase having a wide range of frequency capturing performance. The present invention relates to a phase detector (PD).

종래의 DD(decision-directed) 방식에서는 256QAM 의 주파수 오프셋포착성능이 ±10Khz 이하여서 AFC(automatic frequency control) 또는 반송파 복구를 위한 보조적인 위상검출회로가 필요하였다.In the conventional decision-directed (DD) scheme, the frequency offset capture performance of 256QAM is less than ± 10 kHz, requiring an auxiliary phase detection circuit for AFC (automatic frequency control) or carrier recovery.

고차 QAM 변조기법을 이용하여 모뎀을 설계할 때 직면하는 어려운 문제중의 하나는 반송파 동기이다. QAM 신호는 멀티레벨신호이면서 QAM을 적용하는 대부분의 시스템에서는 방송형태의 신호특성을 지닐 뿐만 아니라, 데이터 효율성을 높이기 위하여 프리엠블없는 블라인드(blind) 형태로 반송파 동기를 수행하기 때문에 반송파 동기는 더욱 어려워진다.One of the difficult problems faced when designing a modem using higher-order QAM modulation is carrier synchronization. QAM signals are multi-level signals and most systems that apply QAM not only have broadcast signal characteristics but also perform carrier synchronization in a blind form without preamble to increase data efficiency. Lose.

QAM 의 반송파동기는 QAM의 변조특성이 QPSK(quadrature phase shift keying)와 같이 I와 Q의 두채널을 독립적으로 가지며, 진폭변조되었다는 유사성 때문에 4차 파워, DD(decision directed) 알고리즘 등과같이 QPSK용 반송파 동기 알고리즘이 사용되어왔다.The carrier of QAM has two channels of I and Q independently, such as quadrature phase shift keying (QPSK), and because of similarity in amplitude modulation, carrier for QPSK such as 4th order power and decision directed (DD) algorithm Synchronous algorithms have been used.

그러나, 알고리즘을 QAM에 적용시키면 고차 QAM으로 갈수록 포착성능이 열화되는데, 고차 QAM에서는 QPSK에서와 같이 대각지점(diogonal)에 있지 않은 심볼들이 잘못된 위상에러를 검출하기 때문이다.However, when the algorithm is applied to the QAM, the capture performance deteriorates as the higher order QAM is detected. In the higher order QAM, symbols that are not at the diagonal point as in QPSK detect an incorrect phase error.

이러한 문제들을 해결하고자 Sari Moridi 는 "New Phase and Frequency Detectors for Carrier Recovery in PSK and QAM Systems", IEEE Trans. Commum., Vol. 36, pp.1035-1043, Sept.1988 에서 대각에 위치한 심볼에 정방형 형태의 윈도우를 취함으로써 그 결정 경계안의 심볼에 대해서만 위상검출기 알고리즘을 적용하였다. 그러나, 이러한 알고리즘은 입력심볼수 및 윈도우 커버리지가 비교적 클수 있는 저차(low-order) QAM에서만 적용가능 하였다.To solve these problems, Sari Moridi wrote "New Phase and Frequency Detectors for Carrier Recovery in PSK and QAM Systems", IEEE Trans. Commum., Vol. 36, pp.1035-1043, Sept. 1988 applied a phase detector algorithm only to symbols within the crystal boundary by taking a square-shaped window on a symbol located diagonally. However, this algorithm was only applicable to low-order QAM where the number of input symbols and window coverage could be relatively large.

또한, N.K.Jablon 은 "Joint Blind Equalization, Carrier Recovery, and Timing Recovery for High-Order QAM Constellations" IEEE Trans. Signal Processing, Vol.40, pp.1383-1398, June 1992에서 SNR (signal/noise ratio)가 좋은 정방(square) QAM 의 4귀에 있는 4점을 이용하여 DD 방식으로 강인한 포착성능을 유도하였으나, 이 또한 고차 QAM 으로 갈수록 확률적으로 해당심볼수가 줄게 되고 데이터 결정을 위한 DD 방식의 적용으로 인해 만족할 만한 포착성능을 얻지 못하였다.In addition, N.K. Jablon describes "Joint Blind Equalization, Carrier Recovery, and Timing Recovery for High-Order QAM Constellations" IEEE Trans. In Signal Processing, Vol.40, pp.1383-1398, June 1992, four points in the four ears of square QAM with good signal / noise ratio (SNR) were used to induce robust capture performance by the DD method. In addition, as the higher order QAMs, the number of symbols is stochastically decreased, and due to the application of the DD method for data determination, satisfactory capture performance was not obtained.

위상검출기(PD, phase detector)는 S-커브라고 불리우는 PD의 평균출력 특성과 분산특성을 관찰함으로써 성능을 평가할 수 있다. PD의 S-커브 선형구간이 넓을수록 주파수 및 위상포착범위가 넓기 때문에 선형영역이 넓은 알고리즘이 선호된다.Phase detectors (PDs) can evaluate performance by observing the average power and dispersion characteristics of a PD called an S-curve. The wider the S-curve linear section of the PD, the wider the frequency and phase acquisition range.

전통적인 DD 알고리즘에 의한 64, 256, 1024QAM에 대한 S-커브 특성은 도 1a와 같다. 도 1a을 참조하면, [10°, 10°]의구간에서는 1° 간격의 해상도로 나타내었으며, 그외구간에서는 도 1의 간결화를 위하여 5° 간격으로 나타내었다. 선형영역은 64QAM 의 경우는 약 [-7.2°, 7.2°], 256QAM의 경우는 [-3.5°, 3.5°], 1024QAM의 경우는 약 [-1.8°, 1.8°]이었다. 이처럼 고차 QAM으로 갈수록 선형영역이 줄어드는 것은 고차 QAM으로 갈수록 성좌도가 조밀해지고, 심볼결정경계사이의 각도가 좁아지기 때문이다. 또한, QAM의 레벨이 증가함에 따라 포착성능은 열화된다.S-curve characteristics for 64, 256 and 1024QAM by the traditional DD algorithm are shown in FIG. Referring to FIG. 1A, the intervals of [10 °, 10 °] are shown at 1 ° intervals, and the other sections are shown at 5 ° intervals for the sake of simplicity of FIG. The linear region was about [-7.2 °, 7.2 °] for 64QAM, [-3.5 °, 3.5 °] for 256QAM, and about [-1.8 °, 1.8 °] for 1024QAM. The linear region decreases as the higher-order QAM is obtained because the constellation is denser as the higher-order QAM becomes smaller, and the angle between symbol decision boundaries becomes narrower. Also, as the level of QAM increases, the capture performance deteriorates.

도 1b는 PD 출력에 대한 S-커브의 분산특성을 나타내고 있다. 각 QAM에 있어서 선형구간지점에서는 분산량이 작으므로 안정된 포착성능을 기대할 수 있지만, 그외 구간에서는 분산량이 크므로 포착이 어려워진다.1B shows the dispersion characteristic of the S-curve for the PD output. In each QAM, since the dispersion amount is small at the linear section point, stable capture performance can be expected.

고차 QAM으로 갈수록 S-커브 특성이 복잡해지며 분석이 어려워지는 이유를 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 비교적 작은 신호레벨인 (3,3)과 상대적으로 큰 레벨인 (9,9)에 위치한 성좌점에 대해서는 주파수 오프셋에 의한 위상회전에 따라 DD 경판정에 의해 결정심볼이 빈번히 바뀜을 관할할 수 있다. 도 2에서, 별표표시는 신호의 위상회전에 의한 궤적과 각 심볼의 결정영역을 구분짓는Re또는Im의 경계값과 만나는 지점을 나타낸다. 즉, 위상회전에 따라 별표가 있는 지점에서 결정영역이 바뀐다. (3,3)에서는 신호의 결정시점이 바뀌는 지점을 별표표시를 통해 비교적 가시적으로 나타낼 수 있지만, (9,9)에서는 경계의 구별을 하기 어려울만큼 별표가 촘촘히 위치해있는 것을 알 수 있다. 이와같이 모든 성좌점들이 밀집하고 고차로 갈수록 제각기 위상회전에 따라 서로 다른 결정에러를 빈번히 출력하게 되므로 S-커브는 복잡해지게 된다. 아울러 DD 방식의 S-커브 특성은 각 신호에 대해 신호결정 범위별로 각각의 경우를 고려하여 선형조합으로 나타내어야 하므로 수학적으로 복잡해진다.The reason why the S-curve characteristics become more complicated and difficult to analyze toward higher order QAM will be described with reference to FIG. 2. For the constellation points located at relatively small signal level (3,3) and relatively large level (9,9), the decision symbol can be frequently changed by DD hard decision according to phase rotation by frequency offset. . In Fig. 2, an asterisk denotes a point where the trace meets the trajectory caused by the phase rotation of the signal and a boundary value of Re or Im that distinguishes the determination region of each symbol. In other words, the crystal region changes at the point where an asterisk appears as the phase rotates. In (3,3), the point where the signal decision point is changed can be represented relatively visually through an asterisk, but in (9,9), it is shown that the asterisks are closely located so that it is difficult to distinguish the boundary. As the constellation points are denser and higher, the S-curve becomes more complicated because different phases frequently output different decision errors according to their phase rotations. In addition, the S-curve characteristic of the DD scheme is mathematically complicated because it must be represented in a linear combination considering each case for each signal determination range.

도 3a 와 도 3b는 통상적인 전력검출기를 통과한 높은 SNR 특성을 가지는 신호를 이용하여 기존의 DD 방식 PD를 적용하였을 때의 S-커브 특성 및 분산특성을 나타낸 것이다. S-특성이 지그재그 형태의 톱니모양을 하고 있는데, 이는 결정시점이 위상회전에 따라 바뀌기 때문이다. 예로서, 도 2는, (15, 15)와 같은 성좌점이 위상회전에 따라 경판정될 때의 상황을 보여주고 있다. 각 심볼영역을 결정짓는Re또는Im의 각 결정레벨값과 만나는 지점에 심볼영역이 결정되므로, DD-방식은 결정영역이 바뀔때마다 비선형적인 에러를 출력하게 된다. 이로 인해 PLL은 포착에 어려움을 겪게 되며 행업(hang-up) 현상이 발생될 수도 있다.3A and 3B illustrate S-curve characteristics and dispersion characteristics when a conventional DD PD is applied using a signal having a high SNR characteristic passed through a conventional power detector. The S-characteristic is zigzag-shaped, because the crystal point changes with phase rotation. For example, FIG. 2 shows a situation when a constellation point such as (15, 15) is hardly determined according to the phase rotation. Since the symbol region is determined at the point where each decision level of Re or Im that determines each symbol region is determined, the DD-system outputs a nonlinear error whenever the determination region is changed. This makes the PLL difficult to capture and may cause hang-ups.

본 발명은 상기한 바와같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보조적인 회로없이도 넓은 범위의 주파수를 포착하는 것이 가능한 고차 QAM을 위한극성판단 위상검출회로를 제공하는 데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and an object thereof is to provide a polarity determination phase detection circuit for a higher order QAM capable of capturing a wide range of frequencies without an auxiliary circuit.

도 1은 통상적인 DD 방법에 의한 고차 QAM 의 위상검출특성을 나타낸 도면으로서,1 is a diagram showing phase detection characteristics of a higher-order QAM by a conventional DD method.

도 1a는 S-커브 특성도,1A is an S-curve characteristic diagram,

도 1b는 S-커브 분산특성도,1b is an S-curve dispersion characteristic diagram,

도 2는 1상한에서의 256QAM 성좌도,2 is a 256QAM constellation diagram at an upper limit;

도 3a 및 도3b는 S-커브 특성도 및 분산특성도.3A and 3B are S-curve characteristics and dispersion characteristics.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고차 QAM을 위한 극성판단 위상검출회로의 구성도.4 is a block diagram of a polarity determination phase detection circuit for higher order QAM according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 전력검출기를 적용하였을 때의 극성판단 PD 특성을 나타낸 도면,5 is a view showing the polarity determination PD characteristics when the power detector of the present invention is applied,

도 5a는 S-커브 특성도,5A is an S-curve characteristic diagram,

도 5b는 S-커브 분산특성도,5b is an S-curve dispersion characteristic diagram,

도 6은 극성판단 알고리즘을 위한 성좌도를 나타낸 도면,6 is a constellation diagram for a polarity determination algorithm;

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

10 : 곱셈기 20 ; 전력검출기10: multiplier 20; Power detector

30, 40 : 극성판단기 50 : 위상검출기30, 40: polarity determiner 50: phase detector

60 : 루프필터 70 : VCO60: loop filter 70: VCO

80 : 심볼결정수단80: symbol determination means

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 수신된 QAM 신호를 전압콘트롤된 발진기로부터의 출력신호와 곱하여 보상신호를 출력하는 곱셈기와, 상기 곱셈기로부터 인가되는 보상신호중에서 높은 SNR 특성을 갖는 심볼을 검출하는 파워 검출기와, 상기 파워검출기로부터 검출된 출력신호를 입력하여 극성을 판단하는 극성판단기와, 상기 극성판단기의 출력신호와 상기 곱셈기의 출력신호를 입력하여 위상에러를 검출하기 위한 위상검출기와, 상기 위상검출기를 통해 검출된 위상에러를 필터링하여 상기 전압제어된 발진기로 제공하기 위한 루프필터와, 상기 곱셈기로부터 출력되는 보상신호에 따라 심볼을 결정하여 결정데이타를 발생하는 심볼결정수단을 구비하는 고차 QAM을 위한 극성판단 위상검출회로를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a multiplier for outputting a compensation signal by multiplying a received QAM signal with an output signal from a voltage controlled oscillator, and detecting a symbol having a high SNR characteristic from a compensation signal applied from the multiplier. A polarity detector for determining a polarity by inputting a power detector, an output signal detected from the power detector, a phase detector for detecting a phase error by inputting an output signal of the polarity detector and an output signal of the multiplier, High-order QAM including a loop filter for filtering the phase error detected through a phase detector and providing the voltage-controlled oscillator, and symbol determination means for determining a symbol according to a compensation signal output from the multiplier and generating decision data. Provided is a polarity determination phase detection circuit.

상기 극성판단기는 상기 파워검출기로부터 검출된 출력신호를 입력하여 각각 I 및 Q 채널의 극성을 독립적으로 판단하고, 상기 심볼결정수단은 심볼결정 임계레벨을 심볼사이의 거리중간지점으로 선택하여 심볼을 결정하는 것을 특징으로 한다.The polarity determiner inputs the output signal detected from the power detector to independently determine the polarity of the I and Q channels, respectively, and the symbol determination means selects the symbol determination threshold level as the intermediate point between the symbols to determine the symbol. Characterized in that.

또한, 본 발명은 수신된 QAM 신호와 위상에러로부터 보상신호를 출력하는 단계와, 상기 보상신호중에서 높은 SNR 특성을 갖는 심볼을 검출하는 단계와, 상기 검출신호를 입력하여 극성을 판단하는 단계와, 상기 극성판단의 결과치와 보상신호로부터 위상에러를 검출하는 단계와, 상기 검출된 위상에러를 상기 QAM 신호로 피이드백시켜 다시 보상신호를 발생함과 동시에 상기 보상신호로부터 심볼을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 QAM을 위한 극성판단 위상검출방법을 제공한다.The present invention also provides a method of outputting a compensation signal from a received QAM signal and a phase error, detecting a symbol having a high SNR characteristic among the compensation signal, inputting the detection signal to determine a polarity; Detecting a phase error from the result of the polarity determination and the compensation signal, and feeding back the detected phase error to the QAM signal to generate a compensation signal and determining a symbol from the compensation signal. A polarity determination phase detection method for high frequency QAM is provided.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 일 실시예를 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to describe the present invention in more detail.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고차 QAM을 위한 극성판단 위상검출회로의 구성도를 도시한 것이다.4 is a block diagram of a polarity determination phase detection circuit for higher order QAM according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 고차 QAM을 위한 극성판단 위상검출회로는 수신된 QAM 신호를 전압콘트롤된 발진기(70)로부터의 출력신호(v(n))과 곱하여 보상신호(q(n))를 출력하는 곱셈기(20)와, 상기 곱셈기(20)로부터 인가되는 보상신호(q(n))중에서 높은 SNR 특성을 갖는 신호를 검출하는 파워 검출기(30)와, 상기 파워검출기(30)로부터 검출된 출력신호를 입력하여 각각 I 및 Q 채널의 극성을 판단하는 극성판단기(30, 40)와, 상기 극성판단기(30, 40)의 출력신호((p(n)))와 상기 곱셈기의 출력신호((q(n)))를 입력하여 위상에러를 검출하기 위한 위상검출기(50)와, 상기 위상검출기(50)를 통해 검출된 위상에러를 필터링하여 상기 VCO(70)로 제공하기 위한 루프필터(60)와, 상기 곱셈기(10)로부터 출력되는 보상신호를 입력하여 심볼을 결정하여 결정데이타를 발생하는 심볼결정수단(80)을 구비한다.Referring to FIG. 4, the polarity determination phase detection circuit for the higher order QAM of the present invention multiplies the received QAM signal with the output signal v (n) from the voltage controlled oscillator 70 to compensate the signal q (n). ) And a power detector 30 for detecting a signal having a high SNR characteristic among the compensation signal q (n) applied from the multiplier 20, and the power detector 30. A polarity determiner 30, 40 for determining the polarity of the I and Q channels by inputting the detected output signal, an output signal (( p (n) )) and the multiplier of the polarity determiner 30, 40, respectively. A phase detector 50 for detecting a phase error by inputting an output signal ( q (n) ), and filtering the phase error detected through the phase detector 50 to the VCO 70. A loop filter 60 for inputting a compensation signal output from the multiplier 10 to determine a symbol to generate decision data; And a determining means (80).

상기한 바와같은 구성을 갖는 고차 QAM을 위한 극성판단 위상검출회로의 동작을 도 5 및 도 6의 특성도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.The operation of the polarity determination phase detection circuit for the higher order QAM having the above configuration will be described with reference to the characteristic diagrams of FIGS. 5 and 6 as follows.

먼저, PD 특성을 분석하기 위해 수신 QAM 신호 모델링을 식(1)과같이 나타내었다. 식(1)은 시스템은 먼저 등화가 완전히 이루어졌으며, 심볼타이밍 복구와 이득제어가 완전히 이루어진 상태라고 가정한다.First, in order to analyze the PD characteristics, the received QAM signal modeling is represented as in Equation (1). Equation (1) assumes that the system is fully equalized first, and that symbol timing recovery and gain control are fully accomplished.

여기서,y(n)은 등화기의 출력을 의미하고,a(n)=a I (n)+ja Q (n)으로서 n번째 전송된 심볼을 의미한다.wc는 반송파 주파수,T는 심볼주기,φ(n)은 보상되지 않은 위상항으로 주파수 오프셋, 위상 오프셋, 위상지터를 포함하는 항이다, 그리고v(n)은 AWGN 이다.Here, y (n) means the output of the equalizer and means the nth transmitted symbol as a (n) = a I (n) + ja Q (n) . wc is the carrier frequency, T is the symbol period, φ (n) is an uncompensated phase term that includes frequency offset, phase offset, and phase jitter, and v (n) is AWGN.

전통적인 DD(decision directed) 위상검출 알고리즘은 전송된 심볼을 수신된 심볼의 가장 가까운 성좌점으로 판정하여 위상을 검출한다. 이 알고리즘은 심볼결정 임계레벨을 심볼사이의 거리중간지점으로 선택하고 심볼결정을 수행한다. 도 1의 보상된 신호(q(n))을 식(2)와 같이 극좌표형태로 표현하고 어떤 심볼영역(영역안의 대표심볼=??(n))안으로 들어왔을 때, 보상된 신호와 그지점 심볼간의 위상검출에러는 식(3)과 같이 계산한다.Traditional decision directed (DD) phase detection algorithms detect a phase by determining the transmitted symbol as the nearest constellation of the received symbol. This algorithm selects the symbol decision threshold level as the distance between symbols and performs symbol decision. When the compensated signal q (n) of Fig. 1 is expressed in polar coordinate form as shown in equation (2) and entered into a symbol region (representative symbol in the region = ?? (n) ), the compensated signal and its point The phase detection error between symbols is calculated as shown in equation (3).

여기서,r은 신호반경이며,θ(n)은 Re 축과 수신된 신호사이의 각도이다.Where r is the signal radius and θ (n) is the angle between the Re axis and the received signal.

여기서,Im은 {ㆍ}의 허수부분을 의미하며 에러신호Ψ(n)은 보상된 신호q(n)의 위치에 좌우되게 된다.Where Im denotes an imaginary part of {·} and the error signal Ψ (n) depends on the position of the compensated signal q (n) .

도 4의 극성판단 위상검출회로는 전력검출기(20)에 의해 높은 SNR특성을 갖는 신호를 검출하고, 상기 전력검출에 의해 선택되어진 심볼을 이용하여 극성판단기(30), (40)가 극성판단을 수행한 후 위상검출기(50)를 통해 위상에러를 계산하는 반송파 동기 알고리즘이다.The polarity determination phase detection circuit of FIG. 4 detects a signal having a high SNR characteristic by the power detector 20, and the polarity determination devices 30 and 40 determine the polarity by using the symbol selected by the power detection. The carrier synchronization algorithm calculates a phase error through the phase detector 50 after the operation.

따라서, 수신된 QAM 신호y(n)이 VCO(80)의 출력신호와 곱해져서 보상된 신호q(n)을 출력하게 되며 전력검출기(power detector)에 의해 식(4)과 같은 조건에 따라 PD의 동작여부가 결정된다.Therefore, the received QAM signal y (n) is multiplied by the output signal of the VCO 80 to output the compensated signal q (n) , and the PD is determined by the power detector according to the condition as shown in Equation (4). Is determined.

여기서, τ는 예상 입력주파수 오프셋에 따라 변화될 수 있는 임계반경값이다. τ2보다 큰 전력을 가지는 신호들은 I 및 Q 채널에서 각각 극성판단기(30), (40)를 통해 독립적으로 극성판단이 이루어지며 위상검출기(50)를 통해 위상에러가 계산되어진다.Here, τ is a critical radius value that can be changed according to the expected input frequency offset. Signals having a power greater than τ 2 are independently polarized through the polarity determiner 30 and 40 in the I and Q channels, respectively, and the phase error is calculated through the phase detector 50.

본 발명의 위상검출동작을 보다 상세히 설명하기 위해 256QAM 의 1상한에 대한 신호성좌도를 도 6에 나타내었다. 여기서 극성판단기의 출력p(n)이 만약 1상한이라면 식(5)와 같이 표현할 수 있다.In order to explain the phase detection operation of the present invention in more detail, the signal constellation diagram for the upper limit of 256QAM is shown in FIG. 6. If the output p (n) of the polarity determiner is the upper limit, it can be expressed as Equation (5).

위상에러신호를 연산하기 위해 식(3)의(n)을 식(5)의(n)으로 나누면 식(6)과 같다.In order to calculate the phase error signal, (n) in the formula (5) Dividing by (n) gives the same expression (6).

여기서,rθ(n)은 각각(n)의 크기 및 각도를 의미하고,θ(n)은 arg[(a(n)))]+위상에러(φ(n)-??φ(n)=Θ(n))와 같은 성분으로 구성된다. 그리고 A는 1상한의 경우이므로 0 보다 큰 상수이며, 이때의 위상에러신호는 다음과 같이 얻을 수 있다.Where r and θ (n) are respectively means the magnitude and angle of (n) , and θ (n) is a component such as arg [( a (n) ))] + phase error ( φ (n)-?? φ (n) = Θ (n) ) It consists of. Since A is the upper limit, A is a constant greater than 0. At this time, the phase error signal can be obtained as follows.

만약, 전송신호a(n)이 대각에 위치한 신호였다면θ(n)=π/4+Θ(n)으로 표현되어 질 수 있게 되어r=2A인 경우 PD 출력은sinΘ(n)으로 출력된다. 여기서Θ(n)의 구간은 [-π/4, π/4]이다.If the transmission signal a (n) is a signal located diagonally, it can be expressed as θ (n) = π / 4 + Θ (n) , and if r = 2A , the PD output is output as sin Θ (n) Here , the interval of Θ (n) is [-π / 4, π / 4].

본 발명의 위상검출에 있어서, S-커브특성에 대한 분석사항이 (표 1)에 나타내었다. (표 1)에는 잡음이 없는 환경에서의 256QAM에서의 임계반경값 τ에 대한 선택심볼수, 심볼입력확률, 록에러레인지(lock error range) 등을 나타내었다. 256QAM의 경우에는 서로 다른 크기를 가지는 반경이 32개가 있으며, 그사이에 31개의 임계반경값 τ가 존재하게 된다. (표 1)에 나타낸 τ값은 높은 SNR을 가지는 신호에 대한 인접한 두 반경사이의 정중간 반경값을 나타낸 것이다. τ 값이 작을수록 조건에 만족하는 심볼수는 증가하게 되며, 발생확률로 따라서 증가함을 알 수 있다. 록 에러 레인지의 의미는 대각에 있지 않은 신호가 대각에 있는 신호로 판단될 경우 발생하게 되는 최대오판 위상에러를 의미한다.In the phase detection of the present invention, the analysis of the S-curve characteristic is shown in (Table 1). Table 1 shows the number of selection symbols, symbol input probability, and lock error range for the critical radius τ at 256QAM in a noise-free environment. In the case of 256QAM, there are 32 radiuses having different sizes, and 31 critical radius values τ exist between them. The τ value shown in Table 1 represents the median radius value between two adjacent radii for a signal having a high SNR. As the value of τ decreases, the number of symbols satisfying the condition increases, and thus the probability of occurrence increases. The meaning of the lock error range means the maximum error phase error that occurs when a signal that is not on the diagonal is determined to be a signal on the diagonal.

(표 1)을 근거로 하여 본 발명의 평균 PD 출력특성은 식(8)과같이 유도될 수 있다. 이것은 선택된 각 심볼들에 의한 PD 출력에 대한 평균값이며 PD에 입력되는 심볼이 동등확률이라고 가정했을 때 S-커브에 대한 정확한 표현수식이다.Based on Table 1, the average PD output characteristic of the present invention can be derived as shown in Equation (8). This is the average value of the PD output by each of the selected symbols and the exact expression for the S-curve assuming that the symbols input to the PD are equal probabilities.

여기서, k는 도 6에서의 크러스터로 나타낸 선택된 심볼의 전체갯수 N에서 k번째 심볼을 의미하며P I (k)P Q (k)는 I 및 Q 채널에서 극성판단된 신호를 의미한다. 그리고 나머지 파라미터는 식(7)과 동일한 의미를 지닌다. 만약 S-커브를 전체 성좌점에 대하여 고려한다면 PD 의 평균출력특성은 PDave와Pi의 곱으로 표현된다.Here, k denotes the k th symbol in the total number N of the selected symbols represented by the cluster in FIG. 6 and P I (k) and P Q (k) denote polarity-determined signals in the I and Q channels. The remaining parameters have the same meanings as in equation (7). If we consider the S-curve for the whole constellation point, the average output characteristic of the PD is expressed as the product of PDave and Pi .

본 발명의 극성판단 알고리즘은 S-커브에서 DC 오프셋을 우려할 수도 있지만 선택된 심볼들이 대각의 축으로부터 대칭적인 분포를 가지기 때문에 DC 오프셋이 없이 강인하고 빠른 포착을 유도할 수 있다.The polarity determination algorithm of the present invention may be concerned about the DC offset in the S-curve but can lead to robust and fast acquisition without the DC offset since the selected symbols have a symmetrical distribution from the diagonal axis.

아울러 본 발명의 극성판단 알고리즘에 있어서, PD출력에 대한 분산특성은 식(9)와 같이 얻어질 수 있다.In addition, in the polarity determination algorithm of the present invention, the dispersion characteristic for the PD output can be obtained as shown in Equation (9).

상기에서 설명한 바와같이, 본 발명에서는 SNR이 높은 바깥쪽 심볼들을 전력검출기(20)를 이용하여 걸러내고, 전력검출기(20)의 출력을 이용하여 극성판단을 하여 줌으로써 S-커브의 선형영역을 넓힌다. 도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 극성판단 PD 특성도를 도시한 것이다. 본 발명의 극성판단 PD 특성은 도 5a와 같은 S-커브를 가지며, 전체 성좌점을 이용한 DD 방식보다 우수한 것은 물론 꼭지점의 4개의 성좌점만을 이용하여 DD 에 적용하였을 경우의 S-커브보다도 넓고 우수한 것을 알 수 있다.As described above, according to the present invention, the linear symbols of the S-curve are widened by filtering the outer symbols having a high SNR by using the power detector 20 and determining the polarity by using the output of the power detector 20. . 5A and 5B show the polarity determination PD characteristics of the present invention, respectively. The polarity PD characteristic of the present invention has the S-curve as shown in FIG. It can be seen that.

또한, 임계반경값 τ에 따른 특성은 τ 값이 클수록 선형구간이 넓어지는 것을 알 수 있다. τ 값이 20.5일 경우는 해당되는 심볼이 꼭지점 4점으로서 QPSK 에 해당하는 S-커브 특성을 나나태며, τ 값이 19.2일 경우는 [41.9°, 41.9°] 구간에서만 선형적인 형태를 나타내게 된다.In addition, the characteristic according to the critical radius value τ can be seen that the larger the τ value, the wider the linear section. If the value of τ is 20.5, the corresponding symbol is 4 vertices and represents the S-curve characteristic corresponding to QPSK. If the value of τ is 19.2, it is linear only in the [41.9 °, 41.9 °] section. .

이와같이 τ값의 감소에 따라 선형구간이 줄어드는 이유는 대각에 위치한 신호외에도 4.1°만큼 대각에서 벗어난 신호가 좌우로 2개 더 있기 때문인데 도 5의 1사분면의 "A" 지점의 신호를 보면 주파수 오프셋에 의하여 위상회전이 일어나게 됨에 따라 1상한에서 2상한으로 극성결정이 4.1°만큼 일찍 일어남을 알 수 있다. 마찬가지로, τ값이 17.9 일 경우는 대각으로부터 4.1°, 8.7°떨어진 신호가 좌우로 존재한다. 이들신호역시 도 2의 "A", "B"의 영역이 비선형구간을 만들어 선형영역이 [-36°, 36°]까지도 줄어들게 된다.The reason why the linear section decreases as the value of τ decreases is because in addition to the signal located at the diagonal, there are two signals left and right out of the diagonal by 4.1 °. It can be seen that as the phase rotation occurs due to the polarity determination early from 4.1 to the upper limit from the upper limit. Similarly, when the value of tau is 17.9, signals that are 4.1 ° and 8.7 ° away from the diagonal exist left and right. These signals also cause regions of "A" and "B" in FIG. 2 to make nonlinear sections, thereby reducing the linear region to [-36 °, 36 °].

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.

상기한 바와같은 본 발명에 따르면, 종래의 위상검파회로는 256QAM 에 대해주파수 오프셋을 ±10KHz정도밖에 보상할 수 없었으며, 일반적인 아날로그 프론트-에지단에서 주파수 오프셋을 가장 낮추어 봐야 ±100KHz 정도까지 보상할 수 없었기 때문에, 부가적으로 AFC 의 도입이나 광대역 반송파복구 알고리즘의 적용이 불가피하였다. 그러나, 본 발명의 전력검파를 이용하여 위상에러를 검출하는 위상검출회로는 종래와 같은 보조회로없이도 SNR=30dB에서 ±300KHz 의 오프셋을 보상할 수 있는 이점이 있다.According to the present invention as described above, the conventional phase detection circuit can only compensate the frequency offset of about ± 10KHz for 256QAM, and at the lowest frequency offset in the general analog front-edge stage to compensate up to ± 100KHz In addition, the introduction of AFC and the application of a wideband carrier recovery algorithm are inevitable. However, the phase detection circuit that detects the phase error by using the power detection of the present invention has an advantage of compensating an offset of ± 300 KHz at SNR = 30 dB without a conventional auxiliary circuit.

또한, 단계적으로 루프이득을 변환하는 기어-시프트(gear-shift) PLL을 적용하면 정상상태에서의 안정된 추적성능도 얻을 수 있었다. 즉, PLL 의 초기에는 작은 τ값으로 시스템을 설계하여 PD의 휴지(idel)확률을 줄이고 루프이득을 크게 하여 포착범위를 넓히고, 그후 록이 어느정도 이루어지게 되면 작은 루프이득으로의 전환과 함께 τ값을 크게 하여 잔류주파수 오프셋을 보정할 수 있는 이점이 있었다. 게다가, 최종적으로 시스템이 안정되어지면 PD의 휴지로 인한 위상지터를 줄이기 위해 DD 모드로 전환하여 미세한 위상추적(tracking)을 수행하므로써 완벽한 반송파 동기를 수행할 수 있는 이점이 있다.In addition, by applying a gear-shift PLL that converts the loop gain in stages, stable tracking performance in a steady state was obtained. In other words, the system is designed with a small value of τ at the beginning of the PLL to reduce the probability of PD idling and to increase the loop gain to widen the capture range. There was an advantage that can be corrected by increasing the residual frequency offset. In addition, when the system is finally stabilized, it is possible to perform perfect carrier synchronization by performing fine phase tracking by switching to the DD mode to reduce phase jitter due to the rest of the PD.

Claims (6)

수신된 QAM 신호를 전압콘트롤된 발진기로부터의 출력신호와 곱하여 보상신호를 출력하는 곱셈기와,A multiplier for outputting a compensation signal by multiplying the received QAM signal with an output signal from a voltage controlled oscillator; 상기 곱셈기로부터 인가되는 보상신호중에서 높은 SNR 특성을 갖는 심볼을 검출하는 파워 검출기와,A power detector for detecting a symbol having a high SNR characteristic among compensation signals applied from the multiplier; 상기 파워검출기로부터 검출된 출력신호를 입력하여 극성을 판단하는 극성판단기와,A polarity determiner for inputting an output signal detected from the power detector to determine polarity; 상기 극성판단기의 출력신호와 상기 곱셈기의 출력신호를 입력하여 위상에러를 검출하기 위한 위상검출기와,A phase detector for detecting a phase error by inputting an output signal of the polarity determiner and an output signal of the multiplier; 상기 위상검출기를 통해 검출된 위상에러를 필터링하여 상기 전압제어된 발진기로 제공하기 위한 루프필터와,A loop filter for filtering the phase error detected through the phase detector to provide the voltage controlled oscillator; 상기 곱셈기로부터 출력되는 보상신호에 따라 심볼을 결정하여 결정데이타를 발생하는 심볼결정수단Symbol determination means for determining symbols in accordance with the compensation signal output from the multiplier to generate decision data 을 구비하는 것을 특징으로 하는 고차 QAM을 위한 극성판단 위상검출회로.Polarity determination phase detection circuit for higher order QAM, characterized in that it comprises. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 극성판단기는 상기 파워검출기로부터 검출된 출력신호를 입력하여 각각 I 및 Q 채널의 극성을 독립적으로 판단하는 것을 특징으로 하는 고차 QAM을 위한 극성판단 위상검출회로.And the polarity determiner inputs an output signal detected from the power detector to independently determine polarities of the I and Q channels, respectively. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 심볼결정수단은 심볼결정 임계레벨을 심볼사이의 거리중간지점으로 선택하여 심볼을 결정하는 것을 특징으로 하는 고차 QAM을 위한 극성판단 위상검출회로.And the symbol determining means selects a symbol determination threshold level as a distance midpoint between symbols to determine a symbol. 수신된 QAM 신호와 위상에러로부터 보상신호를 출력하는 단계와,Outputting a compensation signal from the received QAM signal and the phase error; 상기 보상신호중에서 높은 SNR 특성을 갖는 심볼을 검출하는 단계와,Detecting a symbol having a high SNR characteristic among the compensation signals; 상기 검출신호를 입력하여 극성을 판단하는 단계와,Determining the polarity by inputting the detection signal; 상기 극성판단의 결과치와 보상신호로부터 위상에러를 검출하는 단계와,Detecting a phase error from the result of the polarity determination and the compensation signal; 상기 검출된 위상에러를 상기 QAM 신호로 피이드백시켜 다시 보상신호를 발생함과 동시에 상기 보상신호로부터 심볼을 결정하는 단계Feedbacking the detected phase error to the QAM signal to generate a compensation signal and determining a symbol from the compensation signal 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 QAM을 위한 극성판단 위상검출방법.Polarity determination phase detection method for high frequency QAM comprising a. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 극성을 판단하는 단계에서, 각각 검출신호로부터 각각 I 및 Q 채널의 극성을 독립적으로 판단하는 것을 특징으로 하는 고차 QAM을 위한 극성판단 위상검출방법.In the determining of the polarity, the polarity determination phase detection method for higher order QAM, characterized in that for determining the polarity of the I and Q channel independently from the detection signal, respectively. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 심볼을 결정하는 단계에서, 결정은 심볼결정 임계레벨을 심볼사이의 거리 중간 지점으로 선택하여 심볼을 결정하는 것을 특징으로 하는 고차 QAM을 위한 극성판단 위상검출방법.In the step of determining the symbol, the determination determines the symbol by selecting a symbol determination threshold level as the distance between the symbols, the polarity determination phase detection method for higher order QAM.
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