KR100441616B1

KR100441616B1 - 직교 복조 장치에서의 ｉ 채널 및 ｑ 채널 간 진폭 및위상 불일치 검출 및 보상 방법과 그 방법을 사용하는직교 복조 장치

Info

Publication number: KR100441616B1
Application number: KR10-2001-0079319A
Authority: KR
Inventors: 송윤정; 김영완; 김내수; 이호진
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2004-07-23
Also published as: US6925132B2; US20030112898A1; KR20030049179A

Abstract

본 발명은 직교 복조 장치에서의 I 채널과 Q 채널 간 불일치 검출 및 보상 방법과, 그 방법을 사용한 직교 복조 장치에 관한 것으로, 특히 I 채널과 Q 채널 간 불일치 검출 및 보상 방법은 고속 무선 통신을 위한 직교 복조 장치에서의 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치 검출 및 보상 방법으로서, a) 입력 신호와 상기 입력 신호가 속하는 사분면에 의해 결정되는 신호를 비교하여 상기 입력 신호에 대한 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치양을 검출하는 단계; 및 b) 상기 단계 a)에서 검출된 입력 신호에 대한 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치양을 사용하여 상기 입력 신호를 보상하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, I 채널 및 Q 채널 간 불일치로 인해 발생하는 복조기의 성능 저하를 막아주는 효과가 있으며, 또한 고속 무선 통신에서의 활용도를 높이는 효과가 있다.

Description

직교 복조 장치에서의 Ｉ 채널 및 Ｑ 채널 간 진폭 및 위상 불일치 검출 및 보상 방법과 그 방법을 사용하는 직교 복조 장치 {METHOD FOR DETECTING AND CORRECTING APPLITUDE AND PHASE IMBALANCES BETWEEN IN-PHASE AND QUADRATURE-PHASE COMPONENTS OF A RECEIVING SIGNAL IN DEMODULATORS, AND QUADRATURE DEMODULATOR USING THE SAME METHOD}

본 발명은 고속 무선통신 시스템에서 사용되는 직교 복조 장치에 관한 것으로, 특히 복원된 신호를 이용하여 직교 복조 장치에서 발생하는 복소 신호의 I 채널 및 Q 채널 간의 진폭 및 위상 불일치를 검출하고 보상하는 방법과 그 방법을 사용하는 직교 복조 장치에 관한 것이다.

고속 무선통신 시스템에서는 안테나로부터 수신된 신호를 RF 단과 IF 단을 거쳐 복조한 후 신호를 복원하는 과정을 수행한다. 안테나로부터 수신된 신호를 처리하는 각 단에서는 희망 신호를 획득하기 위하여 주파수 하향 기능과 신호 크기 증폭기능을 수행한다.

이를 위해 RF 및 IF 단에서는 믹서와 증폭기를 포함한 여러 가지 아날로그 소자를 사용하는데, 이들 소자는 어느 정도의 규격을 만족하는 것을 사용하게 되나 그 규격은 한계를 가지고 있으며,이들 소자간의 절연성과 직교성의 불완전성으로 인해 입력신호의 열화가 발생한다.

이와 같이 신호 열화의 한 원인이 되는 직교성의 불완전성으로서 흔히 나타나는 것은 I 채널 및 Q 채널 간의 진폭 및 위상 불일치(imbalance)이다. 이와 같은I 채널 및 Q 채널 간의 진폭 및 위상 불일치는 각 소자의 절연 상태 및 신호 생성이 I 채널과 Q 채널 간에 완벽하게 90 위상을 제공하지 못하기 때문에 발생하는 것이다. I 채널 및 Q 채널 간의 진폭 및 위상 불일치는 신호 복원을 목적으로 하는 모뎀의 복조기 성능 열화 요인으로 작용한다. 따라서, I 채널 및 Q 채널 간의 진폭 및 위상 불일치를 제거하기 위한 방안이 필요하다.

I 채널 및 Q 채널 간의 진폭 및 위상 불일치를 제거하기 위한 방안으로서 RF 직접 변환 수신기(RF Direct Conversion Receiver)에서 몇 가지 방법이 제안되어 있다. 그 중에서 Joshua L. Koslov에게 2000년 3월 28일자로 허여된 미국특허 제6,044,112호(발명의 명칭: Method and apparatus for correcting amplitude and phase imbalances in demodulators)에는 복조기에서 몇 개의 복소수 덧셈기, 곱셈기 및 카운터를 이용하여 이득과 위상의 불일치를 보정해 주는 방법이 개시되어 있다. 그러나, Joshua L. Koslov가 제시한 방식은 복소수의 곱셈기를 사용함으로써 구현상의 복잡도가 증가할 뿐만 아니라 단순한 카운터를 사용하여 구현하기 때문에 잡음을 동반한 복조기에서는 잡음에 민감하게 된다. 그리고 이 방식은 I 채널 및 Q 채널 간의 진폭 및 위상의 불일치양을 카운트 증감에 따라 설정하므로, 그 응답 속도는 카운트의 증감 폭에 따라 변화하는 형태를 갖는다. 이는 실제 수신신호의 형태를 그대로 반영되는 것이 아니라 카운트의 증감 간격에 따라 결정되는 단점이 있다.

이외에도 Shahriar Emami 등에게 1999년 9월 7일자로 허여된 미국특허 제5,949,821호(발명의 명칭: Method and apparatus for correcting phase and gainimbalances between in-phase(I) and Quadrature(Q) components of a received signal based on a determination of peak amplitudes)에는 복조된 I 채널 및 Q 채널의 진폭 피크치(peak)를 검출하고 이를 이용하여 I 채널 및 Q 채널 간의 진폭 및 위상 불일치를 보정하는 방법이 개시되어 있다. 이 특허에는 기준 I/Q 채널 중 하나를 기준 채널로 설정하고 다른 채널을 불일치 채널로 설정 후 각 채널의 진폭 피크치를 구하고 위상 불일치를 사인(sine) 함수를 이용하여 구하는 방법이 제시되어 있다. 그러나 shahriar Emami 등의 특허에는 I 채널 및 Q 채널 간의 위상 불일치를 획득하는 방법으로 arcsine 함수를 사용하였는데, 이 함수를 실제 디지털 회로를 통하여 구현 시 회로의 복잡도가 증가하게 되고 구현상 정밀도가 낮아지게 되는 단점이 있다.

따라서, I 채널과 Q 채널 간의 진폭 및 위상 불일치의 검출 및 보상에 있어서 위 특허들에서 나타나는 회로 구현상의 복잡성과 잡음 민감성 등의 문제를 해소할 수 있는 개선된 방식이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고속 무선 통신 시스템의 직교 복조기에서 입력된 수신 신호를 사분면 별로 나타나는 복소수 신호 크기의 검출과 이 검출된 신호의 잡음을 제거하는 저역 통과 필터 기능을 이용하여 I 채널 및 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치를 검출하고 보상하는 방법과 그 방법을 사용하는 직교 복조 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 I 채널 및 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치 검출 및 보상 기능을 구현하는 직교 복조 수신기의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 2는 I 채널 및 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치를 표시하는 I/Q 성상도이다.

도 3은 도 1의 직교 복조 수신기 중 I/Q 채널간 불일치 검출 회로의 상세 블록도이다.

도 4는 도 1의 직교 복조 수신기 중 I/Q 채널간 불일치 보상 회로의 상세 블록도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101, 102 : 복소수 곱셈기 103 : A/D 변환기

104 : 정합 필터 105 : I/Q 불일치 보상 회로

106 : 반송파 위상 검출기 107 : 결정 블록

108 : AGC 109 : 반송파 위상 복원 장치

110 : I/Q 불일치 검출 회로 111 : AFC

112 : 심볼 타이밍 복원 장치

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 직교 복조 장치에서의 I 채널과 Q 채널 간 불일치 검출 및 보상 방법은,

고속 무선 통신을 위한 직교 복조 장치에서의 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치 검출 및 보상 방법으로서,

a) 입력 신호와 상기 입력 신호가 속하는 사분면에 의해 결정되는 신호를 비교하여 상기 입력 신호에 대한 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치양을 검출하는 단계; 및 b) 상기 단계 a)에서 검출된 입력 신호에 대한 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치양을 사용하여 상기 입력 신호를 보상하는 단계를 포함한다.

여기서 상기 단계 a)는 i) 상기 입력 신호에 대해 사분면 위치를 결정하는 단계; ii) 상기 단계 i)에서 결정된 사분면 위치를 사용하여 상기 입력 신호를 각 사분면에 대해 분리하는 단계; iii) 상기 단계 ii)에서 각 사분면에 대해 분리된 신호를 각각 결정하는 단계; iv) 상기 단계 ii)에서 각 사분면에 대해 분리된 신호를 상기 단계 iii)에서 결정된 신호로 감산하는 단계; 및 v) 상기 감산된 신호를 각각 평균하여 상기 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치양을 출력하는 단계를 포함한다.

또한 상기 단계 b)는 i) 상기 입력 신호를 한 심볼 지연시키는 단계; ii) 상기 입력 신호의 사분면 위치를 결정하는 단계; iii) 상기 단계 ii)에서 결정된 사분면 위치에 따라서 상기 입력 신호에 대해 검출된 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치 신호를 결정하는 단계; 및 iv) 상기 단계 i)에서 지연된 입력 신호에서 상기 단계 iii)에서 결정된 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치 신호를 감산하여 상기 입력 신호를 보상하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 직교 복조 장치는,

안테나를 통해 수신되는 신호에 대해 반송파 주파수 오프셋 보상 및 신호 크기 보상을 수행하는 곱셈부; 상기 곱셈부에서 출력되는 신호에 대해 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치를 보상하여 출력하는 진폭 및 위상 불일치 보상부; 상기 진폭 및 위상 불일치 보상부에서 출력되는 신호에서 반송파의 위상을 검출하는 반송파 위상 검출기; 상기 반송파 위상 검출기에 의해 검출된 반송파의 위상을 통해 상기 진폭 및 위상 불일치 보상부에서 출력되는 신호에서 반송파를 복원하도록 하는 신호를 상기 반송파 위상 검출기로 출력하는 반송파 위상 복원부; 상기 반송파 위상 검출기에서 출력되는 신호와 상기 신호가 속하는 사분면에 의해 결정되는 신호를 비교하여 상기 신호에 대한 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치양을 검출하여 상기 진폭 및 위상 불일치 보상부로 출력하는 진폭 및 위상 불일치 검출부; 및 상기 반송파 위상 검출기에서 출력되는 신호에서 심볼 값을 추출하여 출력하는 심볼 결정부를 포함한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 직교 복조 수신기는 복소수 곱셈기 (101, 102), A/D 변환기(103), 정합 필터(104), I/O 불일치 보상회로(105),반송파 위상 검출기(106), 결정 블록(107), 자동 이득 제어기(AGC)(108), 반송파 위상 복원 장치(109), I/O 불일치 검출 회로(110), 자동 주파수 제어기(AFC)(111), 및 심볼 타이밍 복원 장치(112)를 포함한다.

본 발명에 따른 직교 복조 수신기에서는 안테나(미도시)와 RF 및 IF 단(미도시)을 거쳐서 입력된 신호를 직교 변환기(미도시)를 거쳐서 복소수 신호(수신 신호)를 생성한 다음, 복소수 곱셈기(101)에서 AFC(111)에 의해 반송파 주파수 오프셋을 보상하고, 또 다른 복소수 곱셈기(102)에서는 AGC(108)에 의해 신호크기를 보상하여 준다.

이렇게 생성된 신호를 디지털 신호로 변환하기 위하여 A/D 변환기(103)를 거친다.

A/D 변환된 신호는 정합 필터(104)를 거쳐 I/Q 채널간 불일치 보상회로(105)로 입력된다. A/D 변환기(103)에서는 심볼 타이밍 복원 장치(112)로부터 제어신호를 입력받아 A/D 변환기(103)의 샘플링 위치를 결정한다.

I/O 채널간 불일치 보상회로(105)로부터 출력된 신호는 반송파 위상 검출기(106)와 반송파 복원 장치(109)를 이용하여 신호 반송파로 복원된다.

이렇게 복원된 신호는 결정블록(107)에서 신호를 결정하여 심볼 값을 추출한다. 그리고 복원 신호를 이용하여 I/Q 채널간 불일치 검출회로(110)를 통해 진폭 및 위상 불일치를 검출하고, 그 검출 결과에 따라 I/Q 채널간 불일치 보상회로 (105)를 통해 그 불일치를 보상한다.

도 2는 I/Q 성상도로서, I/Q 채널간 불일치가 존재하는 경우에 대한 신호 복원 후의 신호 성상도의 일 예를 나타낸 것이다. 여기서 도트(●)로 나타난 점은 희망하는 복원 신호의 위치이고 원(○)으로 나타난 점은 I/Q 채널간 불일치로 나타난 신호를 나타낸다.

도 2의 A 와 B는 I채널을 기준으로 했을 때 나타나는 Q 채널의 위상 불일치를 나타내고, C 와 D에서는 Q채널을 기준으로 했을 때 나타나는 I 채널의 위상 불일치를 나타낸다.

도 3은 도 1의 직교 복조 수신기 중 I/Q 채널간 불일치 검출 회로(110)의 상세 블록도를 나타낸 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 I/O 채널간 불일치 검출 회로(110)는 사분면 결정기(301), 역다중화기(302), 신호 결정기(303, 304, 305, 306), 감산기 (307, 308, 309, 310), 및 저역 통과 필터(LPF)(311, 312, 313, 314)로 구성된다.

사분면 결정기(301)는 반송파 위상 검출기(도 1의 106)와 반송파 복원 장치(도 1의 109)를 이용하여 복원된 신호 반송파에 대해 사분면 결정을 한다. 그와 동시에 이 복원된 신호 반송파는 역다중화기(302)에 입력되어 각 사분면으로 분리된다.

각 사분면으로 분리된 신호는 신호 결정기(303, 304, 305, 306)로 각각 입력되어 결정된다. 각 사분면으로 분리된 신호와 결정된 신호는 감산기(307, 308, 309, 310)로 각각 입력되어 감산된다.

감산된 신호들은 각자의 저역 통과 필터(Low Pass Filter) (311, 312, 313, 314)로 입력되어 평균된다. 아래의 표 1은 사분면 결정기의 출력 값을 나타낸다.

이렇게 저역 통과 필터된 신호는 도 2에서 나타나 있듯이 각각의 사분면에서의 I 채널 및 Q 채널 간 불일치 정도를 검출하게 한다. 이렇게 검출된 불일치 양을 도4의 I 채널 및 Q 채널 간 불일치 보정회로에서 불일치를 보정해주는 기능을 수행하게 된다.

I	Q	SEL
I>0	Q>0	00
I<0	Q>0	01
I>0	Q<0	10
I<0	Q<0	11

도 4는 도 1의 직교 복조 수신기 중 I/Q 채널간 불일치 보상 회로의 상세 블록도를 도시한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 I/Q 채널간 불일치 보상 회로는 사분면 결정기(401), 심볼 지연기(402), 다중화기(403), 및 감산기(404)로 구성되어 있다.

사분면 결정기(401)는 정합 필터(도 1의 104)로부터 출력된 복소수 신호의 사분면 위치를 결정한다. 이와 동시에 이 복소수 신호는 심볼 지연기(402)에도 입력되어 한 심볼만큼 지연된다.

사분면 위치가 결정된 신호(SEL)는 다중화기(403)로 입력되고, 이와 동시에 도 3의 검출 회로(110)에서 각각의 저역 통과 필터에서 평균된 신호들도 다중화기(403)에 입력되어 사분면 위치 결정 결과에 따라서 출력 신호가 결정된다.

심볼 지연기(402)에서 한 심볼 지연된 신호는 감산기(404)로 입력되어 다중화기(403)로부터 입력된 신호에 의해 감산된 신호가 출력된다.

비록, 본 발명이 가장 실제적이며 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 상기 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위 내에 속하는 다양한 변형 및 등가물들도 포함한다.

본 발명에 따르면, 직교 복조기에서 나타나는 I 채널 및 Q 채널 간 불일치를 검출하고 이를 보정하는 기능을 제공하여 I 채널 및 Q 채널 간 불일치로 인해 발생하는 복조기의 성능 저하를 막아주는 효과가 있다.

또한 일반적인 I 채널 및 Q 채널 간 불일치 보정기와 달리 사분면 별로 나타나는 복소수 신호의 크기 검출과 검출된 신호의 잡음을 제거하는 저역 통과 필터를 사용, 잡음에 대한 영향을 줄이며 I 채널 및 Q 채널 간 위상 불일치 양의 검출 없이도 I 채널 및 Q 채널 간 위상 불일치도 보정하는 기능을 수행하여 고속 무선 통신에서의 활용도를 높이는 효과가 있다.

Claims

고속 무선 통신을 위한 직교 복조 장치에서의 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치 검출 및 보상 방법에 있어서,

a) 입력 신호와 상기 입력 신호가 속하는 사분면에 의해 결정되는 신호를 비교하여 상기 입력 신호에 대한 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치양을 사분면별로 검출하는 단계; 및

b) 상기 단계 a)에서 사분면별로 검출된 입력 신호에 대한 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치양 중에서 상기 입력 신호가 속하는 사분면에 대응되는 진폭 및 위상 불일치양을 사용하여 상기 입력 신호를 보상하는 단계

를 포함하는 직교 복조 장치에서의 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치 검출 및 보상 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 a)가

i) 상기 입력 신호에 대해 사분면 위치를 결정하는 단계;

ii) 상기 단계 i)에서 결정된 사분면 위치를 사용하여 상기 입력 신호를 각 사분면에 대해 분리하는 단계;

iii) 상기 단계 ii)에서 각 사분면에 대해 분리된 신호를 각각 결정하는 단계;

iv) 상기 단계 ii)에서 각 사분면에 대해 분리된 신호를 상기 단계 iii)에서결정된 신호로 감산하는 단계; 및

v) 상기 감산된 신호를 각각 평균하여 상기 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치양을 출력하는 단계

를 포함하는 직교 복조 장치에서의 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치 검출 및 보상 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 b)가

i) 상기 입력 신호를 한 심볼 지연시키는 단계;

ii) 상기 입력 신호의 사분면 위치를 결정하는 단계;

iii) 상기 단계 ii)에서 결정된 사분면 위치에 따라서 상기 입력 신호에 대해 검출된 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치 신호를 결정하는 단계; 및

iv) 상기 단계 i)에서 지연된 입력 신호에서 상기 단계 iii)에서 결정된 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치 신호를 감산하여 상기 입력 신호를 보상하는 단계

를 포함하는 직교 복조 장치에서의 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치 검출 및 보상 방법.
고속 무선 통신을 위한 직교 복조 장치에 있어서,

안테나를 통해 수신되는 신호에 대해 반송파 주파수 오프셋 보상 및 신호 크기 보상을 수행하는 곱셈부;

상기 곱셈부에서 출력되는 신호에 대해 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치를 보상하여 출력하는 진폭 및 위상 불일치 보상부;

상기 진폭 및 위상 불일치 보상부에서 출력되는 신호에서 반송파의 위상을 검출하는 반송파 위상 검출기;

상기 반송파 위상 검출기에 의해 검출된 반송파의 위상을 통해 상기 진폭 및 위상 불일치 보상부에서 출력되는 신호에서 반송파를 복원하도록 하는 신호를 상기 반송파 위상 검출기로 출력하는 반송파 위상 복원부;

상기 반송파 위상 검출기에서 출력되는 신호와 상기 신호가 속하는 사분면에 의해 결정되는 신호를 비교하여 상기 신호에 대한 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치양을 사분면별로 검출하여 상기 진폭 및 위상 불일치 보상부로 출력하는 진폭 및 위상 불일치 검출부; 및

상기 반송파 위상 검출기에서 출력되는 신호에서 심볼 값을 추출하여 출력하는 심볼 결정부

를 포함하며,

상기 진폭 및 위상 불일치 보상부는 상기 진폭 및 위상 불일치 검출부에서 사분면별로 검출된 입력 신호에 대한 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치양 중에서 상기 곱셈부에서 출력되는 신호가 속하는 사분면에 대응되는 진폭 및 위상 불일치양을 사용하여 상기 곱셈부에서 출력되는 신호를 보상하는

것을 특징으로 하는 직교 복조 장치.
제4항에 있어서,

상기 진폭 및 위상 불일치 보상부가

상기 곱셈부로부터 입력되는 신호를 한 심볼 지연시키는 신호 지연부;

상기 입력 신호에 대응되는 사분면의 위치를 결정하는 사분면 결정부;

상기 입력 신호와 상기 입력 신호가 속하는 사분면에 의해 결정되는 신호를 비교하여 검출된 상기 입력 신호에 대한 I 채널과 Q 채널 간 진폭 및 위상 불일치양을 상기 사분면 결정부에 의해 결정된 사분면 위치에 대응시켜 출력하는 다중화부; 및

상기 신호 지연부에서 출력되는 신호에서 상기 다중화부에서 출력되는 신호를 감산하여 출력하는 감산부

를 포함하는 직교 복조 장치.
제4항에 있어서,

상기 진폭 및 위상 불일치 검출부가

상기 반송파 위상 검출기로부터 입력되는 신호를 수신하여 대응되는 사분면 위치를 출력하는 사분면 결정부;

상기 사분면 결정부에 의해 출력되는 사분면 위치에 대응되도록 상기 입력 신호를 출력하는 역다중화부;

상기 역다중화부에서 출력되는 신호에 대응되는 사분면에 대해 결정된 신호를 출력하는 신호 결정부;

상기 역다중화부에서 출력되는 신호에서 상기 신호 결정부에서 출력되는 신호를 감산하여 출력하는 감산부; 및

상기 감산부에서 출력되는 신호를 평균하여 출력하는 신호 평균부

를 포함하는 직교 복조 장치.
제6항에 있어서,

상기 신호 평균부가 상기 감산부에서 출력되는 신호에 대해 저주파 영역의 신호를 필터링하여 출력하는 저역 통과 필터인 것을 특징으로 하는 직교 복조 장치.