KR100519273B1

KR100519273B1 - 오에프디엠(ofdm) 수신장치

Info

Publication number: KR100519273B1
Application number: KR1019970043542A
Authority: KR
Inventors: 권성재
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 1997-08-30
Filing date: 1997-08-30
Publication date: 2005-11-25
Also published as: KR19990024332A

Abstract

OFDM 수신장치에 관한 것으로 오에프디엠 변조된 비트스트림을 수신하여 입력되는 제어 함수에 따라 비선형 변환하여 출력하는 비선형 변환부와, 상기 비선형 변환부에서 출력된 신호를 디지탈 신호로 변환 출력하고 동상과 직교 성분을 실수부와 허수부로 할당하는 신호 변환 및 동상/직교 발생부와, 상기 신호 변환 및 동상/직교 발생부에서 변환된 디지탈 신호의 가우시안 확률 밀도함수를 유니폼 확률 밀도함수로 변환하는 함수를 연산하여 상기 비선형 변환부의 제어함수로 출력하고 그의 역변환 함수를 출력하는 연산부와, 상기 신호 변환 및 동상/직교 발생부에서 출력되는 신호를 상기 연산부에서 출력된 역변환된 함수에 따라 역비선형으로 변환 출력하는 역비선형 변환부와, 상기 역비선형 변환부에서 출력된 역에프에프티된 데이터를 원래 심벌 형태로 복원시키고 변조 방식에 따라 원래의 비트로 대응시킨 후 비트스트림상의 오류 검출 및 정정하는 신호 복조부로 구성되어 적은 비트의 A/D 변환기를 이용하여도 양자화 잡음을 줄여 수신기의 최종단에서 비트 에러율이 낮은 좋은 성능을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

오에프디엠(ＯＦＤＭ) 수신장치{Orthogonal Frequency Division Multiplexing Receiver}

본 발명은 TV 수신기나 무선 단말기에 관한 것으로 특히, 적은 비트의 아날로그/디지탈 변환기를 이용하는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 수신장치에 관한 것이다.

일반적으로 변조 방식에는 단일 반송파 변조(Single Carrier Modulation)와 다중 반송파 변조(Multicarrier Modulation)로 2가지 방식이 있으며 다중 반송파 변조는 단일 반송파 변조에 비해 전송채널의 주파수 특성이 이상적이지 못한 경우 대응하기 쉽다.

특히, 양방향 통신인 경우 수신기에서 송신기와 수신기 사이의 전송채널의 주파수 특성을 파악해 수신기에서 송신기로 통보해주면 송신기에서는 채널 특성을 보상할 수 있도록 각 반송파의 크기를 조절해 보내준다.

상기 다중 반송파 변조방식의 하나인 OFDM은 각 반송파를 서로 중첩시키되 직교성을 가지도록해 스펙트럼 시용효율이 높다.

상기 OFDM은 음성통화, 디지탈 오디오 방송(DAB :Digital Audio Broadcastig), 디지탈 비디오 방송(DVB : Digital Video Broadcastig) 등에 사용될수 있으며 보호구간(Guard Interval)을 사용함으로써 지상파 공중채널의 다중 경로 페이딩(Multipath Fading)에 쉽게 대응할 수 있다.

이하, 종래기술에 따른 OFDM 수신장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래기술에 따른 OFDM 수신장치의 구성을 설명하기 위한 블록도로써, 종래기술에 따른 OFDM 수신장치는 베이스 밴드 신호의 OFDM 변조된 비트스트림을 안테나(10)를 통해 입력받아 원하는 채널을 튜닝하여 중간 주파소로 출력하는 튜너부(11)와, 튜너부(11)에서 출력되는 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환 출력하는 A/D(Analog/Digital) 변환부(12)와, A/D 변환부(12)에서 출력된 신호를 동상(I)과 직교(Q) 성분을 실수부와 허수부로 할당하는 I/Q 발생부(13)와, I/Q 발생부(13)에서 출력된 역FFT(Fast Eourier Transform)된 데이터를 원래 심벌 형태로 복원시켜주는 FFT 처리부(14)와, FFT 처리부(14)에서 원래 심벌 형태로 복원된 데이터를 변조 방식에 따라 심벌을 원래의 비트로 대응시키는 디맵퍼(Demapper)(15)와, 디맵퍼(15)에서 디맵핑된 신호의 전송중 발생된 비트스트림상의 오류 검출 및 정정하는 순방향 오류 정정부(16)로 구성된다.

이와 같이 구성된 종래기술에 따른 OFDM 수신장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 종래기술에 따른 가우시안 분포의 확률분포 함수에 대한 도면으로써, 먼저, 무선 주파수로 변조된 OFDM 신호는 안테나(10)를 통해 수신되어 튜너부(11)로 입력된다.

튜너부(11)는 시청을 원하는 주파수의 채널을 중간 주파수까지 내려주어 A/D 변환부(12)로 출력하고, A/D 변환부(12)는 튜너부(11)에서 입력된 중간 주파수에 해당하는 아날로그 신호를 디지탈로 변환하여 I/Q 발생부(13)로 출력한다.

I/Q 발생부(13)는 A/D 변환부(12)에서 입력된 디지탈 신호를 동상(I)과 직교(Q)성분으로 분리하여 동상(I) 성분은 실수부로, 직교(Q) 성분은 허수부로 할당하고 각각 할당된 성분들을 FFT 처리부(14)로 출력한다.

FFT 처리부(14)는 송신때 역 FFT된 입력 데이터를 원래 심벌형태로 복원시켜주고, 이 복원된 신호는 디맵퍼(15)로 입력되어 변조방식이 DQPSK, QPSK, QAM등이냐에 따라 심벌을 원래의 비트로 대응시킨다.

그리고, 순방향 오류 정정부(16)는 디인터리빙(Deinterleaving) 및 디코딩(Decoding)을 수행하여 OFDM 신호가 송신기로 부터 수신기까지 전송되어 오는 동안 발생했을지도 모르는 비트스트림상의 오류를 찾거나 정정한다.

그런데 송신기에서 OFDM은 주파수 영역에서 입력 비트스트림을 몇 개의 비트 단위로 끊어 반송파의 진폭과 위상으로 대응시켜주므로 랜덤(Random)하게 할당되므로 중심 극한 정리(Central Limit Theorem)에 의해 가우시안 분포를 따르게 된다.

가우시안 분포는 도 2와 같이 평균값을 중심으로 분산을 가지며 분포한다. 비록 대부분의 값이 평균값 양쪽으로 분포하고 있지만 표준편차의 3∼4배까지도 확률밀도함수가 0으로 되지 않는다.

따라서 상당히 큰 값도 비록 그 빈도는 적지만 발생하게 되며 이 경우 변조 방식에 따라서 심벌을 원래의 비트로 대응시키는 FFT 처리부(14)에 큰 영향을 미쳐 그 내부에서 아무리 정확도를 좋게 연산하더라도 FFT된 결과는 나빠질수 밖에 없다.

즉, 동기화(synchronization), 등화(equlaization), 디맵핑 등은 상기 FFT 처리부(14)의 수행 결과에 의존하므로 가우시안 분포를 따르는 OFDM 신호를 A/D 변환할 때 정확도를 높게하여 양자화 잡음을 저감시켜야 한다.

이를 위해서는 10∼12 비트의 고속 A/D 변환기를 필요로 하는데 이는 고가일뿐만아니라 많은 개수의 병렬 비교기, 엔코딩 논리회로 등 때문에 하나의 IC에 포함시키기 힘든 문제점이 발생된다.

본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 8비트 A/D 변환기로도 충분히 OFDM 신호를 이산화킬 수 있는 OFDM 수신장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 OFDM 수신장치의 특징은 오에프디엠 변조된 비트스트림을 수신하여 입력되는 제어 함수에 따라 비선형 변환하여 출력하는 비선형 변환부와, 변환된 디지탈 신호의 가우시안 확률 밀도함수를 유니폼 확률 밀도함수로 변환하는 함수를 연산하여 상기 비선형 변환부의 제어함수로 출력하고 그의 역변환 함수를 출력하는 연산부와, 직교/동상이 발생된 신호를 연산부에서 연산된 제어함수의 역변환된 함수에 따라 역비선형으로 변환 출력하는 역비선형 변환부를 추가하여 구성됨에 있다.

또한, 본 발명에 따른 다른 OFDM 수신장치의 특징은 오에프디엠 신호의 특성에 따라 일정구간마다 적응적으로 제어함수를 상기 비선형 변환부로 출력하도록 구성됨에 있다.

이하, 본 발명에 따른 OFDM 수신장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 OFDM 수신장치의 구성을 설명하기 위한 블록도로써, 본 발명에 따른 OFDM 수신장치는 베이스 밴드 신호의 OFDM 변조된 비트스트림을 안테나(30)를 통해 입력받아 원하는 채널을 튜닝하여 중간 주파수로 출력하는 튜너부(31)와, 튜너부(31)에서 출력되는 신호를 제어 함수에 따라 비선형 변환하여 출력하는 비선형 변환부(32)와, 비선형 변환부(32)에서 출력된 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환 출력하는 A/D(Analog/Digital) 변환부(33)와, A/D 변환부(33)에서 출력된 가우시안 확률 밀도함수를 유니폼(Uniform) 확률 밀도함수로 변환하는 함수를 연산하여 비선형 변환부(32)의 제어함수 출력 및 그의 역변환 함수를 출력하는 연산부(34)와, A/D 변환부(33)에서 출력된 신호를 동상(I)과 직교(Q) 성분을 실수부와 허수부로 할당하는 I/Q 발생부(35)와, I/Q 발생부(35)에서 출력된 데이터를 연산부(34)에서 출력된 역변환된 함수에 따라 역비선형으로 변환 출력하는 역비선형 변환부(36)와, 역비선형 변환부(36)에서 출력된 역FFT(Fast Eourier Transform)된 데이터를 원래 심벌 형태로 복원시켜주는 FFT 처리부(37)와, FFT 처리부(37)에서 원래 심벌 형태로 복원된 데이터를 변조 방식에 따라 심벌을 원래의 비트로 대응시키는 디맵퍼(Demapper)(38)와, 디맵퍼(38)에서 디맵핑된 신호의 전송중 발생된 비트스트림상의 오류 검출 및 정정하는 순방향 오류 정정부(39)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 OFDM 수신장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 먼저, 무선 주파수로 변조된 OFDM 신호는 안테나(30)를 통해 수신되어 튜너부(31)로 입력된다.

튜너부(31)는 시청을 원하는 주파수의 채널을 중간 주파수까지 내려주어 비선형 변환부(32)로 출력하고, 비선형 변환부(32)는 연산부(34)에서 연산된 함수의 특성으로 비선형 변환한 후 A/D 변환부(33)로 출력한다.

즉, 비선형 변환부(32)는 가우시안 분포인 OFDM 신호를 유니폼 분포로 변환시켜 입력신호의 모든 레벨이 같은 빈도로 발생되도록 하여 A/D 변환부(33)의 양자화 스텝크기가 8비트 A/D 변환기 사용하여도 10비트 A/D 변환기와 비슷한 성능을 가진다.

다시 말하면 가우시안 분포일때는 간헐적으로 발생되는 첨두치를 클리핑 없이 A/D 변환하려면 A/D 변환부(33)의 입력범위가 넓어야만 하는데 유니폼 분포에서는 모든 레벨이 같은 빈도로 발생하므로 상대적으로 A/D 변환부(33)의 입력범위가 좁더라도 같은 평균 제곱 양자화 오차를 얻을 수 있으므로 가우시안 분포인 OFDM 신호를 유니폼 분포로 변환시켜 8비트 A/D 변환기를 사용하여도 된다.

즉, 이는 랜덤 베리어블의 확률밀도함수가 가우시안 분포일 때 보다 유니폼 분포 일 때 양자화 잡음이 더 적기 때문인데, 상기한 내용은 참고 문헌 Digital Image Processing (W. K. Pratt, John Wiley and Sons, 1978.) 등에 포함되어 있다.

A/D 변환부(33)는 비선형 변환부(32)에서 입력된 비선형 변환된 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환하여 I/Q 발생부(35) 및 연산부(34)로 출력한다.

연산부(34)는 A/D 변환부(33)에서 출력된 가우시안 확률 밀도함수의 디지탈 신호를 유니폼 확률 밀도함수로 변환하기 위한 함수를 연산하여 비선형 변환부(32)로 출력함과 동시에 이 연산된 함수를 역변환하여 역비선형 변환부(36)로 출력한다.

여기서, 비선형 변환부(32)의 입력과 출력을 각각 x 및 y로 표시하고, 그 확률 밀도함수를 각각 f_x(x) 및 f_y(y)라고 하면 연산부(34)는 확률 변수의 변환 공식인

으로부터 x를 y로 맵핑(mapping)시켜주는 함수 g를 얻을 수 있다. 즉, y=g(x)로 주어지게 된다.

그런데 함수 g는 아날로그 형태로 구현되어야 하므로 X 값의 전체범위를 몇 개로 나누어 구간별 선형으로 구하면 된다.

시간영역에서의 OFDM 신호의 특성에 따라 g(x)를 일정구간마다 적응적으로 바꾸어주면 더 좋은 성능을 얻을 수 있다.

비선형 변환은 유효한 x의 범위에 대해 적분을 통해 g(x)를 구할 수 있으며, 상기의 비선형 변환부를 구현하는 예로서, 연산부 내에서 마이크로프로세서를 사용하든지, 아니면 CPLD(complex programmable logic device)나 FPGA(field programmable gate array) 등과 같은 재구성이 가능한(reconfigurable) 디지털 로직을 사용할 수 있다.

상기 구간의 크기는 OFDM 프레임, 수퍼 프레임 또한 적당한 수의 프레임으로 하면 된다.

한편, 시간영역에서의 OFDM 신호의 특성에 따라 g(x)를 일정구간마다 적응적으로 바꾸지않고 이전에 OFDM 신호의 특성을 분석하여 얻은 일정 함수 g를 고정시켜 놓을 수도 있는데 이 경우는 연산부(34)의 연산없이 FFT 처리부(37)에서 FFT 처리하기 전에 역비선형 변환부(36)를 거쳐주기만 하면 된다.

그리고, I/Q 발생부(35)는 A/D 변환부(33)에서 출력된 디지탈 신호를 동상(I)과 직교(Q)성분으로 분리하여 동상(I) 성분은 실수부로, 직교(Q) 성분은 허수부로 할당하고 각각 할당된 성분들을 역비선형 변환부(36)로 출력한다.

역비선형 변환부(36)는 I/Q 발생부(35)에서 출력된 데이터를 연산부(34)에서 출력된 역변환된 함수에 따라 역비선형으로 변환하여 원래의 가우시안 확률 밀도함수로 FFT 처리부(37)에 출력한다.

즉, 비선형 변환부(32)의 g(x) 특성은 역비선형 변환부(36)의 g^-1(x) 특성으로 상쇄되어 FFT 처리부(37)로 출력한다.

상기의 역비선형 변환부의 일 예는 참조표(lookup table) 내용이 들어가 있는 RAM이나 ROM을 사용하는 구현하는 것이다.

여기서, 상기 I/Q 발생부(35)와 역비선형 변환부(36)는 순서를 서로 바꿀 수 있다.

FFT 처리부(37)는 송신때 역 FFT된 입력 데이터를 원래 심벌형태로 복원시켜주고, 이 복원된 신호는 디맵퍼(38)로 입력되어 변조방식이 DQPSK, QPSK, QAM 등이냐에 따라 심벌을 원래의 비트로 대응시킨다.

그리고, 순방향 오류 정정부(39)는 디인터리빙 및 디코딩을 수행하여 OFDM 신호가 수신기까지 전송중에 발생했을지도 모르는 비트스트림상의 오류를 검출하거나 정정한다.

본 발명에 따른 OFDM 수신장치는 가우시안 분포를 갖는 OFDM 신호를 유니폼 분포를 갖는 신호로 변환하여 적은 비트의 A/D 변환기를 이용하여도 양자화 잡음을 줄여 수신기의 최종단에서 비트 에러율이 낮은 좋은 성능을 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 OFDM 수신장치의 구성을 설명하기 위한 블록도

도 2는 종래기술에 따른 가우시안 분포의 확률분포 함수에 대한 도면

도 3은 본 발명에 따른 OFDM 수신장치의 구성을 설명하기 위한 블록도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30 : 안테나 31 : 튜너부

32 : 비선형 변환부 33 : A/D 변환부

34 : 연산부 35 : I/Q 발생부

36 : 역비선형 변환부 37 : FFT 처리부

38 : 디맵퍼 39 : 순방향 오류 정정부

Claims

오에프디엠 변조된 비트스트림을 수신하여 입력되는 제어 함수에 따라 비선형 변환하여 출력하는 비선형 변환부와,

상기 비선형 변환부에서 출력된 신호를 디지탈 신호로 변환 출력하고 동상과 직교 성분을 실수부와 허수부로 할당하는 신호 변환 및 동상/직교 발생부와,

상기 신호 변환 및 동상/직교 발생부에서 변환된 디지탈 신호의 가우시안 확률 밀도함수를 유니폼 확률 밀도함수로 변환하는 함수를 연산하여 상기 비선형 변환부의 제어함수로 출력하고 그의 역변환 함수를 출력하는 연산부와,

상기 신호 변환 및 동상/직교 발생부에서 출력되는 신호를 상기 연산부에서 출력된 역변환된 함수에 따라 역비선형으로 변환 출력하는 역비선형 변환부와,

상기 역비선형 변환부에서 출력된 역에프에프티된 데이터를 원래 심벌 형태로 복원시키고 변조 방식에 따라 원래의 비트로 대응시킨 후 비트스트림상의 오류 검출 및 정정하는 신호 복조부로 구성됨을 특징으로 하는 OFDM 수신장치.
제 1 항에 있어서, 상기 연산부는

오에프디엠 신호의 특성에 따라 일정구간마다 적응적으로 제어함수를 상기 비선형 변환부로 출력하도록 구성됨을 특징으로 하는 OFDM 수신장치.
오에프디엠 변조된 비트스트림을 수신하여 일정 제어함수의 특성으로 비선형 변환하여 출력하는 비선형 변환부와,

상기 비선형 변환부에서 출력된 신호를 디지탈 신호로 변환 출력하고 동상과 직교 성분을 실수부와 허수부로 할당하는 신호 변환 및 동상/직교 발생부와,

상기 신호 변환 및 동상/직교 발생부에서 출력되는 신호를 상기 일정 제어함수의 역변환 함수의 특성으로 역비선형 변환하여 출력하는 역비선형 변환부와,

상기 역비선형 변환부에서 출력된 역에프에프티된 데이터를 원래 심벌 형태로 복원시키고 변조 방식에 따라 원래의 비트로 대응시킨 후 비트스트림상의 오류 검출 및 정정하는 신호 복조부로 구성됨을 특징으로 하는 OFDM 수신장치.