KR100499480B1 - Ｖｓｂ 수신 시스템에서의 반송파 복구 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 VSB 수신 시스템에서의 반송파 복구 장치에 관한 것으로서, 특히 기저대역 I,Q 신호의 밴드 에지로부터 톤 신호를 생성하여 주파수 오차를 검출한 후 주파수 오차를 제거하는 반송파 복구를 수행함으로써, VSB 전송 방식에서 파일롯 신호를 이용하지 않고도 반송파 복구를 정확하게 수행할 수 있다. 이로 인해, 도심 환경과 같이 반사파가 많은 열악한 채널환경에서 파일롯이 감쇄하거나 전혀 나타나지 않더라도 정확한 반송파 복구를 수행할 수 있다.

Description

ＶＳＢ 수신 시스템에서의 반송파 복구 장치{Apparatus for recovering carrier in VSB receiver}

본 발명은 디지털 TV에 관한 것으로서, 특히 VSB 방식으로 전송된 디지털 신호를 입력받아 반송파를 복구하는 VSB 수신 시스템에서의 반송파 복구 장치에 관한 것이다.

일반적으로 미국 및 국내에서 디지털 TV(예, HDTV) 전송 방식의 표준으로 채택된 그랜드 얼라이언스(Grand Alliance)의 VSB 방식은 신호를 진폭 변조했을 때, 반송파를 중심으로 위아래로 생기는 두개의 측대역중 한쪽 측대역 신호를 크게 감쇠시켰을 때의 나머지 부분만을 변조하는 방식이다. 즉, 기저대역의 한쪽 측파대역 스펙트럼만을 취해 통과대역으로 옮겨서 전송하는 방식으로 밴드 영역을 효율적으로 사용하는 방식 중 하나이다.

이때, 상기 VSB 변조시 기저대역(base band)의 DC 스펙트럼이 통과대역(pass band)으로 옮겨가면 톤 스펙트럼으로 바뀌게되고 이 신호를 흔히 파일롯 신호라 부른다. 즉, 방송국에서 VSB 변조를 할 때 수신기에서 신호를 정확히 복조하게 하기 위하여 파일롯 신호를 실어서 공중으로 날려보내게 된다.

한편, 수신측에서는 상기 VSB 신호 수신시 튜너나 RF 발진기에 의해 수백 KHz 주파수 오프셋(frequency offset)과 위상 잡음(phase jitter)등이 발생할 수 있는데, 이를 최소화시켜야 정확한 데이터의 복구가 이루어진다. 이때, 상기 주파수 오프셋과 위상 잡음을 최소화하는 방향으로 포착(acquisition)/추적(tracking)하는 과정을 반송파 복구라 하며, 측파밴드에 삽입된 파일롯 신호를 이용하여 주파수 오프셋 및 위상 오차를 제거한다.

도 1은 상기 반송파 복구부의 가장 일반적인 알고리즘으로서, 통상 FPLL (Frequency Phase Locked Loop)이라는 것을 사용한다. 상기 FPLL은 수신 신호의 반송파 성분과 수신기 자체의 기준 반송파 성분의 주파수 차이를 제거하는 FLL(Frequency Locked Loop) 과정과 주파수 차이가 제거된 상기 두 개의 반송파 신호 사이의 위상 오차를 제거하는 PLL(Phase Locked Loop) 과정을 동시에 수행한다.

도 1에서 보면, 힐버트 변환기(102)는 디지털화된 통과대역 실수 성분의 신호를 90도 반전시켜 허수 성분의 신호로 변환한 후 복소 곱셈기(103)로 출력하고, 지연기(101)는 상기 힐버트 변환기(102)에서의 처리 시간만큼 입력되는 통과대역 실수 성분의 신호를 지연시켜 상기 복소 곱셈기(103)로 출력한다.

설명의 편의상 상기 지연기(101)에서 출력되는 실수 성분의 신호를 통과대역 I 신호, 힐버트 변환기(102)에서 출력되는 허수 성분의 신호를 통과대역 Q 신호라 한다.

즉, 상기 복소 곱셈기(103)는 반송파 복구가 이루어진 복소 반송파 즉, 정현파와 여현파를 NCO(Numerically Controlled Oscillator)(110)를 통해 입력받은 후 상기 지연기(101) 및 힐버트 변환기(102)에서 출력되는 통과대역의 I,Q 신호와 곱하여 상기 통과대역 I,Q 신호를 기저대역 I,Q 신호로 천이시킨다.

상기 기저대역 I,Q 신호는 반송파 복구를 위해 1, 제 2 저역 통과 필터(LPF)(104,105)로 출력된다.

이때, 반송파를 복구하기 위해서는 6MHz의 대역폭 중 파일롯 주파수가 존재하는 주파수 주변의 신호만을 필요로 한다. 따라서, 상기 제 1, 제 2 저역 통과 필터(104,105)는 데이터 성분들이 존재하는 나머지 주파수 성분을 I, Q 신호로부터 제거하여 데이터에 의하여 반송파 복구부의 성능이 저하되는 것을 방지한다.

즉, 기저대역의 I,Q 신호에서 파일롯 신호는 DC 성분으로 변하게 된다. 엄밀하게는, DC 성분 주변의 주파수 성분으로 변한다. 이는 입력되는 신호의 반송파 주파수 성분과 NCO(110)에서 생성된 반송파 주파수 성분의 차이에 의하여 발생된다. 따라서, DC 주변의 성분만 있으면 반송파 복구는 가능하므로, DC 성분 주변의 신호를 제외한 나머지 데이터 성분을 제 1, 제 2 저역 통과 필터(104,105)에서 제거하는 것이다.

그리고, 상기 제 1 저역 통과 필터(104)의 출력은 지연기(106)로 입력된다. 상기 지연기(106)는 데이터 성분이 제거된 I 신호를 일정시간 지연시켜 부호 추출기(107)로 출력한다. 이때, 상기 제 1 저역 통과 필터(104)에서 출력되는 파일롯 성분의 I 신호가 지연기(106)를 통과하면서 정확히 DC 성분으로 파일롯이 변하지 않으면 그 만큼에 해당하는 주파수 오차와 위상 오차가 발생한 것이다.

즉, 상기 지연기(106)는 입력되는 통과대역 신호의 파일롯 주파수 성분과 NCO(110)의 반송파 주파수 성분의 차이를 주파수 오차의 형태로 변환시켜 부호 추출기(107)로 출력한다.

상기 부호 추출기(107)는 상기 지연기(106)에서 출력되는 신호의 부호만을 추출하여 곱셈기(108)로 출력한다. 상기 곱셈기(108)는 상기 I 신호의 부호와 데이터 성분이 제거된 Q 신호와를 곱한 후 주파수 오차로서 루프 필터(109)로 출력한다. 상기 루프 필터(109)는 입력되는 주파수 오차를 여과하고 적산하여 NCO(110)로 출력하고, 상기 NCO(110)는 상기 루프 필터(109)의 출력에 비례하는 복소 반송파를 생성해 내어 상기 복소 곱셈기(103)로 출력한다. 상기 복소 반송파는 이전에 비해 좀 더 입력되는 신호의 반송파 주파수 성분에 가까운 신호가 된다. 이러한 과정을 반복하면 입력되는 신호의 반송파 주파수 성분과 거의 비슷한 반송파 주파수 신호가 NCO(110)에서 발생되어 복소 곱셈기(103)로 출력되고, 복소 곱셈기(103)는 통과대역의 신호를 원하는 기저대역의 신호로 천이시킨다.

이러한 일련의 과정이 반송파 복구용으로 사용되는 FPLL의 FLL 과정이다. 또한, 이러한 FLL 과정을 마치면 복소 곱셈기(103)의 출력에는 더 이상 반송파의 주파수 성분이 존재하지 않는다.

상기된 과정에 의해 두개의 반송파 신호의 주파수 차이가 제거되면, 이제는 위상 차이를 제거하는 PLL 과정을 수행한다.

도 1과 같은 FPLL은 FLL과 PLL 과정의 전환이 외부 제어없이 자동으로 전환된다. 이는 FLL 과정이 완료된 후 부호 추출기(107)의 출력에 변화가 없기 때문이다. 따라서, 부호 추출기(107)의 출력은 더 이상 블록에 영향을 미치지 않는다. 다만, 제 2 저역 통과 필터(105)의 출력만이 영향을 미친다. 이러한 경우를 위상차를 보상하는 PLL 과정이라 부른다.

즉, 상기된 도 1의 FPLL에서는 복소 곱셈기(103)를 통해 파일롯 성분을 DC 성분으로 변환하고, 상기 제1, 제2 저역 통과 필터(104,105)를 이용하여 파일롯 성분만을 추출한 후, 지연기(106), 부호 추출기(107), 및 곱셈기(108)를 이용하여 추출된 파일롯 성분이 정확하게 DC로 변환되었는지를 검출한다. 만약, 파일롯 성분이 DC로 정확하게 내려와 있지 않으면 주파수 오차와 위상 오차를 발생해서 DC에 내려오도록 제어한다. 일반적인 동작은 주파수 오프셋을 보정하는 FLL 과정이 먼저 수행되고 나서, 나머지 존재하는 위상 오차를 보정하는 PLL 과정이 수행된다.

도 2는 주파수 오프셋이 있을때의 각 블럭단에서의 신호를 보인 것으로서, 신호와 잡음 등을 무시하고 오직 파일롯만을 가정하고 그린 것이다.

도 2의 (a)에서 201은 제 1 저역 통과 필터(104)를 통과한 I 신호이고, 202는 지연기(106)에서 상기 I 신호(201)를 지연시킨 신호이며, 203은 상기 부호 추출기(107)가 지연된 신호(202)로부터 추출한 부호이다.

그리고, 도 2의 (b)의 204는 제 2 저역 통과 필터(105)를 통과한 Q 신호이며, 도 2의 (c)의 205는 상기 부호 추출기(107)의 출력 신호(203)와 제 2 저역 통과 필터(105)의 출력 신호(204)를 곱셈기(108)에서 곱해서 나온 주파수 오차 신호이다. 상기 주파수 오차 신호(205)에서 한 주기만을 보았을 때 음의 값보다 양의 값이 많으면 주파수 오프셋이 양수이고 음의 쪽에 많으면 주파수 오프셋이 음수이다. 이때, 상기 FLL은 상기 주파수 오차 신호(205)를 이용하여 주파수 오프셋을 추적한다. 만약, 상기 주파수 오프셋이 없이 위상 오차만 있다면 상기 제 1, 제 2 저역 통과 필터(104,105)의 출력 신호는 위상 오차에 해당하는 상수 사인값과 코사인값으로 나타날 것이다.

이와 같이 기존의 FPLL와 같은 반송파 복구 장치에서는 파일롯을 이용하여 주파수 오차를 보정하여 주파수 오차를 제거한다. 즉, 파일롯 주파수는 반송파 복구용으로 송신측에서 보내는 정보라 확실하고, 반송파 복구시에 발생할 수 있는 위상 떨림도 적다. 하지만 도심 환경과 같이 반사파가 많은 채널 환경에서는 수신된 신호에서 파일롯이 줄어들므로 이를 반송파 복구부에서 이용하기에는 한계가 있다. 즉, DTV 수신 채널 환경에 따라 데이터 성분이 감쇄되는 경우도 있고, 파일롯이 들어있는 주파수 성분이 감쇄되는 경우도 있으며, 최악의 경우는 파일롯이 들어있는 주파수 성분이 완전히 감쇄되어 파일롯 성분이 전혀 나타나지 않을 수도 있다.

따라서, 파일롯이 감쇄하거나, 전혀 나타나지 않는 경우에는 FLL이 정상 동작을 하지 못하고 이로 인해 주파수 오차를 정확하게 보정하지 못한다. 만약, 상기 파일롯에 해당하는 톤을 생성하면 이를 이용하여 주파수 오차를 보정할 수 있으나, 이때는 상기 톤이 주파수 오차에 대한 정보를 가지고 있어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 파일롯이 감쇄하거나 없는 경우에도 수신된 신호를 이용하여 주파수 오차에 대한 정보를 생성해서 주파수 오차를 보정하는 VSB 수신 시스템에서의 반송파 복구 장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 VSB 수신 시스템에서의 반송파 복구 장치는, 피드백되는 주파수 오차에 비례하는 복소 반송파와 입력되는 통과대역 I,Q 신호와를 복소 곱하여 상기 통과대역 I,Q 신호를 기저대역 I,Q 신호로 변환하는 복소 곱셈기와, 상기 기저대역 I, Q 신호에 대해 비선형 연산을 수행하여 주파수 오차에 대한 정보를 포함하는 I,Q 톤 신호를 생성하는 톤 생성부와, 상기 I,Q 톤 신호를 각각 저역 통과 필터링한 후 주파수 오차에 비례하는 복소 반송파를 생성하여 상기 복소 곱셈기로 출력하는 복소 반송파 출력부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 톤 생성부는 상기 복소 곱셈기에서 기저대역으로 천이된 I,Q 신호를 각각 제곱하는 제 1, 제 2 제곱기와, 상기 제1, 제2 제곱기에서 제곱된 두 신호를 서로 빼 톤 신호를 생성하는 뺄셈기와, 상기 뺄셈기에서 생성된 톤 신호를 I,Q 톤 신호로 위상 분리하는 위상 분리기와, 상기 I,Q 톤 신호에 주파수 오차가 없을 때 톤이 생성되는 위치에 해당하는 코사인파(cos)와 사인파(sin)를 곱하여 상기 I,Q 톤 신호를 기저대역으로 천이시키는 복소 곱셈기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 복소 반송파 출력부는 기저대역 I 톤 신호를 저역 통과 필터링하는 제 1 저역 통과 필터와, 기저대역 Q 톤 신호를 저역 통과 필터링하는 제 2 저역 통과 필터와, 상기 제 1 저역 통과 필터의 출력 신호를 일정시간 지연시키는 지연기와, 상기 지연기의 출력에서 부호만을 추출하는 부호 추출기와, 상기 제 2 저역 통과 필터의 출력 신호와 부호 추출기에서 추출된 부호를 곱하여 주파수 오차로서 출력하는 곱셈기와, 상기 곱셈기의 출력을 여과하고 적산한 후 적산된 주파수 오차에 비례하는 복소 반송파를 생성하여 상기 복소 곱셈기로 출력하는 필터 및 발진기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

도 3은 본 발명에 따른 반송파 복구 장치의 구성 블록도로서, 복소 곱셈기(303)와 제 1, 제 2 저역 통과 필터(305,306) 사이에 상기 복소 곱셈기(303)에서 출력되는 기저대역 I,Q 신호로부터 주파수 오차에 비례하는 톤(tone)을 생성하여 상기 제 1, 제 2 저역 통과 필터(305,306)로 출력하는 톤 생성기(304)가 더 구성된다.

그러면, 상기 제 1, 제 2 저역 통과 필터(305.306), 지연기(307), 부호 추출기(308), 곱셈기(309), 루프 필터(310), 및 NCO(311)는 상기 톤을 이용하여 주파수 오프셋에 비례하는 복소 반송파를 생성한다.

즉, 수신 신호에 주파수 오차에 해당하는 파일롯이 있는 경우에는 상기 파일롯 성분으로부터 검출한 톤을 이용하여 주파수 오차를 구할 수 있지만, 파일롯이 없는 경우에는 수신 신호에 주파수 오차를 나타내는 톤이 없다.

따라서, 본 발명의 톤 생성기(304)는 수신 신호에 주파수 오차에 해당하는 파일롯이 있는 경우나 없는 경우에도 주파수 오차를 나타내는 톤을 생성하기 위해 도 4와 같이 기저대역 I,Q 신호의 밴드 에지(band edge)를 이용하여 주파수 오차에 비례하는 톤을 생성한다.

상기 주파수 오차에 비례하는 기저대역 I,Q 톤 신호는 제 1, 제 2 저역 통과 필터(305,306)로 출력된다.

여기서, 상기 톤 생성기(304)를 제외한 나머지 블록 예를 들어, 지연기(301), 힐버트 변환기(302), 복소 곱셈기(303), 제 1, 제 2 저역 통과 필터(305,306), 지연기(307), 부호 추출기(308), 곱셈기(309), 루프 필터(310), 및 NCO(311)는 도 1과 동일한 구성 및 동작을 하므로 상세 설명을 생략하고 톤 생성기(304)에 대해서만 상세 설명한다.

도 4는 상기 톤 생성기(304)의 상세 블록도로서, 상기 복소 곱셈기(303)에서 기저대역으로 천이된 I,Q 신호를 각각 제곱하는 제 1, 제 2 제곱기(401,402), 상기 제1, 제2 제곱기(401,402)에서 제곱된 신호를 서로 빼 톤을 생성하는 뺄셈기(403), 상기 뺄셈기(403)에서 생성된 톤 신호를 I,Q 톤 신호로 위상 분리하는 위상 분리기(404), 상기 생성된 I,Q 톤 신호는 고대역 또는 통과대역에 위치하므로 이를 기저대역으로 천이시키는 복소 곱셈기(405), 및 주파수 오차가 없을 때 톤이 생성되는 위치에 해당하는 코사인파(cos)와 사인파(sin)를 생성하여 상기 복소 곱셈기(405)로 출력하는 cos, sin파 생성기(406,407)로 구성된다.

이와 같이 구성된 톤 생성기(304)의 제 1 제곱기(401)에서 기저대역 I 신호에 대해 제곱을 취하고, 제 2 제곱기(402)에서 기저대역 Q 신호에 대해 제곱을 취한 후 뺄셈기(403)에서 두 제곱 신호의 차 값을 구하면, 밴드 에지에 의해서 주파수 성분이 생기는데 이를 톤(tone)이라고 한다.

즉, 상기 기저대역 I,Q 신호의 밴드 에지를 상기 제 1, 제 2 제곱기(401,402)에서 각각 제곱하고, 뺄셈기(403)에서 두 제곱값의 차를 구하는 비선형 연산을 수행하면 밴드 에지의 2배의 위치에 톤이 생성된다. 상기 뺄셈기(403)의 출력은 위상 분리기(404)로 입력되어 I,Q 톤 신호로 분리된 후 복소 곱셈기(405)로 출력된다.

만약에 주파수 오차가 없다면 상기 밴드 에지에 해당하는 정보를 이용하여 톤의 위치를 정확하게 알 수 있다. 하지만 주파수 오차가 있으면 주파수 오차에 의해서 톤의 위치가 옮겨가므로 복소 곱셈기(405)에서 상기 I,Q 톤 신호를 기저대역으로 천이시켜서 주파수 오차를 검출한다.

즉, cos, sin파 생성기(406,407)는 주파수 오차가 없을 때 톤이 생성되는 위치에 해당하는 코사인파(cos)와 사인파(sin)를 생성하여 상기 복소 곱셈기(405)로 출력하고, 상기 복소 곱셈기(405)는 I,Q 톤 신호에 상기 코사인파(cos)와 사인파(sin)를 곱하여 상기 I,Q 톤 신호를 기저대역 I,Q 톤 신호로 천이시킨다.

이후의 동작은 상기된 도 1을 참조하고 상세 설명을 생략한다.

한편, 본 발명은 VSB 신호를 OQAM 신호로 변환한 후 OQAM 성분의 I,Q 신호로부터 톤을 생성하고 주파수 오차를 검출하여 반송파 복구를 수행할 수도 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 VSB 수신 시스템에서의 반송파 복구 장치에 의하면, 기저대역 I,Q 신호의 밴드 에지로부터 톤 신호를 생성하여 주파수 오차를 검출한 후 상기 주파수 오차를 제겅하는 반송파 복구를 수행함으로써, VSB 전송 방식에서 파일롯 신호를 이용하지 않고도 반송파 복구를 정확하게 수행할 수 있다. 이로 인해, 도심 환경과 같이 반사파가 많은 열악한 채널환경에서 파일롯이 감쇄하거나 전혀 나타나지 않더라도 정확한 반송파 복구를 수행할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

도 1은 일반적인 VSB 수신 시스템에서의 반송파 복구 장치의 구성 블록도

도 2는 도 1의 각 부의 동작 파형도

도 3은 본 발명에 따른 VSB 수신 시스템에서의 반송파 복구 장치의 구성 블록도

도 4는 도 3의 톤 생성기의 상세 블록도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

301 : 지연기 302 : 힐버트 변환기

303,405 : 복소 곱셈기 304 : 톤 생성기

305,306 : 저역 통과 필터 307 : 지연기

308 : 부호 추출기 309 : 곱셈기

310 : 루프 필터 311 : NCO

401,402 : 제곱기 403 : 뺄셈기

404 : 위상 분리기 406,407 : cos, sin파 생성기

Claims (3)

1. 피드백되는 주파수 오차에 비례하는 복소 반송파와 입력되는 통과대역 I,Q 신호와를 복소 곱하여 상기 통과대역 I,Q 신호를 기저대역 I,Q 신호로 변환하는 복소 곱셈기;

   상기 기저대역 I, Q 신호를 각각 제곱하고 두 제곱값의 차를 구하는 비선형 연산을 수행하여 주파수 오차에 대한 정보를 포함하는 기저대역 I,Q 톤 신호를 생성하는 톤 생성부; 그리고

   상기 I,Q 톤 신호를 각각 저역 통과 필터링하여 검출한 주파수 오차에 비례하는 복소 반송파를 생성하여 상기 복소 곱셈기로 출력하는 복소 반송파 출력부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 VSB 수신 시스템에서의 반송파 복구 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 톤 생성부는

   상기 복소 곱셈기에서 기저대역으로 천이된 I,Q 신호를 각각 제곱하는 제 1, 제 2 제곱기와,

   상기 제1, 제2 제곱기에서 제곱된 두 신호를 서로 빼 톤 신호를 생성하는 뺄셈기와,

   상기 뺄셈기에서 생성된 톤 신호를 I,Q 톤 신호로 위상 분리하는 위상 분리기와,

   상기 I,Q 톤 신호에 주파수 오차가 없을 때 톤이 생성되는 위치에 해당하는 코사인파(cos)와 사인파(sin)를 곱하여 상기 I,Q 톤 신호를 기저대역으로 천이시키는 복소 곱셈기로 구성되는 것을 특징으로 하는 VSB 수신 시스템에서의 반송파 복구 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 복소 반송파 출력부는

   기저대역 I 톤 신호를 저역 통과 필터링하는 제 1 저역 통과 필터와,

   기저대역 Q 톤 신호를 저역 통과 필터링하는 제 2 저역 통과 필터와,

   상기 제 1 저역 통과 필터의 출력 신호를 일정시간 지연시키는 지연기와,

   상기 지연기의 출력에서 부호만을 추출하는 부호 추출기와,

   상기 제 2 저역 통과 필터의 출력 신호와 부호 추출기에서 추출된 부호를 곱하여 주파수 오차로서 출력하는 곱셈기와,

   상기 곱셈기의 출력을 여과하고 적산한 후 적산된 주파수 오차에 비례하는 복소 반송파를 생성하여 상기 복소 곱셈기로 출력하는 필터 및 발진기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 VSB 수신 시스템에서의 반송파 복구 장치.