KR100529150B1

KR100529150B1 - 주파수 옵셋 및 위상 에러를 동시에 줄이는 반송파 주파수 복구 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100529150B1
Application number: KR10-1999-0023981A
Authority: KR
Inventors: 최한준; 이덕명
Original assignee: 매그나칩 반도체 유한회사
Priority date: 1999-06-24
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2005-11-16
Also published as: JP2001036596A; US6751270B1; KR20010003618A

Abstract

본 발명은 주파수 옵셋과 위상 에러를 줄여 반송파의 주파수를 복원하기 위한 것으로서, 이를 위한 본 발명은 반송파 주파수 복구 장치에 있어서, 동위상성분신호와 직교위상성분신호로 전송된 데이터 사이의 위상 에러를 측정하는 위상검출기; 넓은 대역폭을 가져 상기 위상검출기에서 측정된 주파수 옵셋 정도의 크기를 갖는 상기 위상 에러를 큰 폭으로 감쇄시키는 제1루프필터; 상기 제1루프필터에 비해 좁은 대역폭을 가져 반송파의 상기 위상 에러를 소폭 감쇄시키는 제2루프필터; 상기 위상 에러에 응답하여 셀렉트신호를 생성하는 셀렉트신호 생성부; 상기 셀렉트신호에 응답하여 상기 제2루프필터가 선택될 경우에 상기 제1루프필터의 최종값을 저장하여 상기 제2루프필터의 출력값에 더해주는 덧셈기; 상기 셀렉트신호에 응답하여 상기 제1루프필터의 출력값 또는 상기 덧셈기의 출력값을 선택하여 출력하는 멀티플렉서; 및 상기 멀티플렉서를 통해 전달된 상기 제1루프필터 또는 상기 덧셈기의 출력 보정치에 응답하여 상기 동위상성분신호와 상기 직교위상성분신호를 보정하는 전압제어발진기를 구비하여 이루어진다.

Description

주파수 옵셋 및 위상 에러를 동시에 줄이는 반송파 주파수 복구 방법 및 장치{Carrier recovery device and method for reducing frequency offset and phase error}

본 발명은 통신 기술에 관한 것으로, 특히 주파수 옵셋 및 위상 에러를 동시에 줄이는 반송파 주파수 복구(carrier recovery) 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 위상동기(coherent) 방식의 통신분야에서 데이터를 변조(modulation)하면서 데이터를 실어서 전달하는 반송파 주파수(carrier frequency)는, 데이터를 수신하여 복조(demodulation)하는 과정에서 반송파 주파수 의 복구는 데이터의 에러(error) 유무에 앞서 데이터의 추출이 가능한지를 좌우한다는 점에서 중요한 역할을 한다.

종래의 반송파 주파수 복구 회로는 위상동기루프(Phase Locked Loop : PLL) 구조로서 입력신호의 위상과 주파수 생성기인 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator : VCO)의 출력 신호의 위상 차이를 줄여 나감으로써 반송파 주파수를 복구하게 된다.

이러한 반송파 주파수 복구 회로에서 첫 번째로 고려되어야 하는 점은, 입력 신호의 주파수와 전압제어발진기의 출력 신호의 주파수는 그다지 큰 차이가 나지 않는다는 전제 조건이 있어야만 하고, 일반적으로 이를 위한 부가적인 회로가 첨가된다는 점이다. 두 번째로는, 반송파 주파수를 복구해낸 다음(즉, 위상동기(lock)를 획득한 이후)에도 위상 노이즈(phase noise)에 따라 위상 로테이션 에러(phase rotation error)가 발생할 수도 있다는 점이다.

그러나, 종래의 반송파 주파수 복구 회로는 주로 반송파의 위상만을 복구하는 방식으로 기저 대역으로 옮겨진 입력 신호가 100kHz 이상의 주파수 옵셋이 있는 경우는 전단에서 자동주파수제어(Auto Frequency Control) 회로를 통과시켜서, 반송파 주파수 복구 회로에서 반송파 위상 복원 동작을 수행할 수 있는 값까지 주파수 옵셋(offset)을 줄여야만 했다. 이 경우 자동주파수제어 회로는 대체로 미분기, 곱셈기, 덧셈기 등으로 구성되므로 하드웨어의 부담이 증가하게 되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자동주파수제어 회로 대신에 위상동기루프내의 루프필터의 특성을 변화하여 위상동기루프만을 이용하여 반송파의 주파수 옵셋과 위상 에러를 동시에 복구하는 반송파 주파수 복구 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 반송파 주파수 복구 장치에 있어서, 동위상성분신호와 직교위상성분신호의 위상 에러 - 주파수 옵셋 성분을 가짐 - 를 측정하기 위한 위상검출기; 상기 위상 에러에 응답하여 셀렉트신호를 생성하기 위한 셀렉트신호 생성부; 상기 위상 에러를 예정된 범위로 감쇄시키기 위한 제1루프필터; 상기 위상 에러를 상기 제1루프필터보다 더 좁은 범위로 감쇄시키기 위한 제2루프필터 - 상기 제1루프필터에 비해 좁은 대역폭을 가짐 - ; 상기 셀렉트신호에 응답하여 상기 제2루프필터의 출력값에 상기 제1루프필터의 출력값을 더하기 위한 덧셈기; 상기 셀렉트신호에 응답하여 상기 제1루프필터의 출력값 또는 상기 덧셈기의 출력값을 출력하기 위한 멀티플렉서; 및 상기 멀티플렉서의 출력신호에 응답하여 상기 동위상성분신호와 상기 직교위상성분신호의 주파수 옵셋을 보정하는데 사용되는 코사인 신호 및 사인 신호를 저장 및 출력하기 위한 전압제어발진기를 구비하는 반송파 주파수 복구 장치가 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 반송파 주파수 복구 방법에 있어서, 동위상성분신호와 직교위상성분신호로 전송된 데이터의 위상에러 - 주파수 옵셋 성분을 가짐 - 를 측정하는 제1단계; 상대적으로 대역폭이 큰 제1루프필터를 통과하여 상기 위상에러를 감소시킨 보정치를 위상누산기에 저장 및 전압제어발진기롬으로 인가하는 제2단계; 상기 보정치에 응답하여 상기 전압제어발진기롬에 저장된 값을 통해 상기 전송된 동위상성분신호와 상기 직교위상성분신호를 보정하는 제3단계; 보정된 상기 동위상성분신호와 상기 직교위상성분신호에 대해 상기 제1단계를 재 수행하여 위상에러를 측정하고, 측정된 위상에러에 대해 상기 제2단계를 재 실시하여 구한 보정치를 상기 위상누산기에 저장된 이전의 보정치에 누적시키는 제4단계; 상기 제4단계에서 경신된 상기 보정치를 이용하여 상기 제3단계를 재 수행하는 제5단계; 위상에러가 예정된 레벨로 줄어들 때까지 상기 제4단계 및 상기 제5단계를 반복적으로 수행하는 제6단계; 상기 제6단계를 통해 위상에러가 보정된 반송파의 위상을 보정하기 위하여 상대적으로 대역폭이 작은 제2루프필터를 통과시키는 제7단계; 상기 제3단계의 상기 제1루프필터의 최종 출력값과 상기 제7단계의 상기 제2루프필터 출력값으로 상기 동위상성분신호와 상기 직교위상성분신호를 보정하는 제8단계; 및 상기 제7단계 및 상기 제8단계를 반복적으로 수행하여 상기 동위상성분신호와 상기 직교위상성분신호를 반복적으로 보정하는 제9단계를 포함하는 반송파 주파수 복구 방법이 제공된다.

이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 반송파 주파수 복구 장치의 블록 다이아그램으로서, 동위상성분신호(in-phase component signal : 이하, "I")와 직교위상성분신호(quadrature component signal : 이하, "Q")로서 전송된 데이터의 위상에러(phase error)를 측정하는 위상검출기(110)와, 넓은 대역폭을 가져 상기 위상검출기(110)에서 측정된 주파수 옵셋의 값을 갖는 위상에러를 큰 폭으로 감쇄시키는 제1루프필터(loop filter)(120)와, 상기 제1루프필터(120)에 비해 좁은 대역폭을 가져 상기 위상에러를 소폭 감쇄시키는 제2루프필터(130)와, 상기 위상에러에 응답하여 셀렉트신호(select)를 생성하는 셀렉트신호 생성부(140)와, 상기 셀렉트신호 select에 응답하여 상기 제2루프필터(130)가 선택될 경우 상기 제1루프필터(120)의 최종값을 저장하여 상기 제2루프필터(130)의 출력값에 더해주는 덧셈기(160)와, 상기 셀렉트신호(select)에 응답하여 상기 제1루프필터(120)의 출력값과 상기 덧셈기(160)의 출력값을 선택하여 출력하는 멀티플렉서(multiplexor)(150)와, 상기 멀티플렉서(150)의 출력신호에 응답하여 상기 동위상성분신호와 상기 직교위상성분신호를 보정하는 전압제어발진기(190)로 이루어진다.

상기 전압제어발진기(190)는 상기 멀티플렉서(150)를 통해 전달된 상기 제1루프필터(120) 또는 상기 덧셈기(130)의 출력값이 누적되는 위상누산기(170)와, 상기 위상누산기(170)로 부터 입력받은 보정치에 응답하여 상기 동위상성분신호와 상기 직교위상성분신호를 보정하기 위한 값을 사인(sin)과 코사인(cosin) 값으로서 저장하고 있는 전압제어발진기롬(180)으로 이루어진다.

도2는 도1의 셀렉트신호 생성부(140)의 블록 다이아그램으로서, 상기 위상에러를 입력으로 하여 그 절대값을 출력하는 절대값 회로부(210)와, 상기 위상에러의 절대값이 제1기준값(ref_val)보다 작은 경우 비교출력신호(com_out)를 생성하는 제1비교부(230)와, 상기 비교출력신호(com_out)가 인에이블되면 하나씩 누적되고 디스에이블되면 초기값으로 리셋되는 누산기(250)와, 상기 누산기(250)의 출력값이 제2기준값(u_limit) 보다 클 경우에 상기 셀렉트신호를 액티브시키는 제2비교부 (270)로 이루어진다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 동작에 대해서 살펴본다.

복조기(demodulator)로 수신된 데이터는 반송주파수와 같은 주파수를 갖는 코사인파를 곱한 동위상성분신호(I)와 사인파를 곱한 직교위상성분신호(Q)로서 상기 위상검출기(110)로 전달되어 약 100kHz정도의 주파수 옵셋(offset)의 성격을 갖는 위상에러를 검출한다.

상기 위상에러는 상기 셀렉트신호 생성부(140)와, 상기 제1루프필터(120)와, 상기 제2루프필터(130)로 전달되어, 먼저 대역폭이 큰 상기 제1루프필터(120)를 통과하여 상기 위상에러(phase error)를 큰 폭으로 감소시킨 보정치를 출력하고 상기 멀티플렉서(150)를 거쳐 상기 위상누산기(170)에 저장 및 상기 전압제어발진기롬(180)으로 인가된다.

상기 보정치는 상기 전압제어발진기롬(180)에서 사인과 코사인 값으로 변환되어 전송된 상기 동위상성분신호(I)와 상기 직교위상성분신호(Q)를 보정한다.

보정된 상기 동위상성분신호(I)와 상기 직교위상성분신호(Q)를 상기 위상검출기(110)에서 상기 주파수 옵셋이 감소한 상기 위상에러를 다시 측정하여 상기 제1루프필터(110)를 다시 거치면서 구한 보정치가 상기 위상누산기(170)에 저장된 이전의 보정치에 누적되어 저장되고 상기 누적된 값은 상기 전압제어발진기롬(180)으로 입력되어 다시 사인과 코사인값으로 상기 동위상성분신호(I)와 상기 직교위상성분신호(Q)를 보정한다.

상기 제1루프필터(120)로 상기 위상에러를 최소화하여 상기 주파수 옵셋을 수 kHz로 줄일 수 있을때까지 루프를 계속 반복적으로 돌고, 상기 제1루프필터(120)를 상기 제2기준값(u_limit) 이상 연속적으로 통과한 뒤에 상기 주파수 옵셋이 최소화되고 위상의 에러값 만큼 떨어진 상기 위상에러를 미세하게 보정하기 위해 상기 셀렉트신호(select)가 액티브되어 상기 멀티플렉서(150)에서 대역폭이 작은 제2루프필터(130)를 선택하고, 상기 제1루프필터에서 상기 제2루프필터로 전환시 발생할 수 있는 순간적인 글리치(glitch)등의 요소를 억제하고 안정적으로 동작하기 위해 상기 제1루프필터(120)의 최종 출력값을 저장하였다가 상기 제2루프필터(130)의 출력값과 함께 상기 덧셈기(160)에서 더해진 값을 상기 전압제어발진기(190)로 입력하여 상기 동위상성분신호(I)와 상기 직교위상성분신호(Q)를 보정하고, 상기 제2루프필터(130)를 통한 미세 보정 과정을 반복적으로 수행하여 상기 동위상성분신호(I)와 상기 직교위상성분신호(Q)를 반복적으로 보정하여 궁극적으로 반송파 주파수를 복구한다.

한편, 상기 셀렉트신호 생성부(140)로 인가된 상기 위상에러는 위상이 빠르거나 느릴 경우에 따라 양과 음의 성분이 존재하므로 절대값 회로부(210)에서 이를 절대치로 환원하여 제1비교부(230)으로 인가한다.

상기 제1비교부(230)에서는 상기 위상에러가 상기 제1기준값(ref_val)과 비교하여 작을 경우에 상기 비교출력신호(com_out)를 액티브시키고 상기 비교출력신호가 연속적으로 발생하는 횟수가 상기 제2기준값(u_limit)보다 클 경우에는 상기 셀렉트신호를 액티브시킨다. 위 과정에서 상기 위상에러(phase error)가 상기 제1기준값(ref_val)보다 커지면 상기 비교출력신호가 디스에이블되고 상기 누산기(250)에 저장되어 있던 값은 초기치인 "0"으로 리셋되어 처음부터 상기 과정을 다시 시작한다.

즉, 상기 제1기준값(ref_val)은 상기 제1루프필터(120)를 상기 제2기준값(u_limit) 만큼 연속적으로 통과하여 약 100kHz의 상기 위상에러가 상기 제1루프필터(120)에 의해 최소화되어 수kHz의 주파수 옵셋값으로 되는 값을 설정해 놓은 것으로서 상기 제1기준값과 상기 제2기준값은 레지스터에 각각 프로그래머블하게 저장되어 있고 상기 반송파 주파수 복구에서 상기 제1루프필터 및 상기 제2루프필터의 특성을 바꾸어 가면서 측정할 수 있다.

도3은 100kHz의 주파수 옵셋과 30도의 위상 노이즈를 인가하고 시뮬레이션한 결과로서, 셀렉트신호가 "로우"에서 "하이"레벨로 천이되는 지점을 자세히 관찰하면 전압제어발진기(VCO)의 출력이 주파수 옵셋을 포함한 위상 노이즈(ph_noise)를 따라가서 결국에는 인가한 주파수 옵셋과 위상 노이즈를 보상함을 알 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 대역폭과 감쇄 특성이 다른 다수의 루프필터를 구비하여 자동주파수제어회로를 대신하여 주파수 옵셋을 해결하므로서 하드웨어의 면적감소와 그 구성을 단순화하여 안정적으로 반송파 주파수를 복구할 수 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 반송파 주파수 복구 장치의 블록 다이아그램.

도2는 도1의 셀렉트신호 생성부의 블록 다이아그램.

도3은 본 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이션 결과.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

110 : 위상검출기 120 : 제1루프필터

130 : 제2루프필터 140 : 셀렉트신호 생성부

150 : 멀티플렉서 160 : 덧셈기

170 : 위상누산기 180 : 전압제어발진기롬

190 : 전압제어발진기

Claims

반송파 주파수 복구 방법에 있어서,

동위상성분신호와 직교위상성분신호로 전송된 데이터의 위상에러 - 주파수 옵셋 성분을 가짐 - 를 측정하는 제1단계;

상대적으로 대역폭이 큰 제1루프필터를 통과하여 상기 위상에러를 감소시킨 보정치를 위상누산기에 저장 및 전압제어발진기롬으로 인가하는 제2단계;

상기 보정치에 응답하여 상기 전압제어발진기롬에 저장된 값을 통해 상기 전송된 동위상성분신호와 상기 직교위상성분신호를 보정하는 제3단계;

보정된 상기 동위상성분신호와 상기 직교위상성분신호에 대해 상기 제1단계를 재 수행하여 위상에러를 측정하고, 측정된 위상에러에 대해 상기 제2단계를 재 실시하여 구한 보정치를 상기 위상누산기에 저장된 이전의 보정치에 누적시키는 제4단계;

상기 제4단계에서 경신된 상기 보정치를 이용하여 상기 제3단계를 재 수행하는 제5단계;

위상에러가 예정된 레벨로 줄어들 때까지 상기 제4단계 및 상기 제5단계를 반복적으로 수행하는 제6단계;

상기 제6단계를 통해 위상에러가 보정된 반송파의 위상을 보정하기 위하여 상대적으로 대역폭이 작은 제2루프필터를 통과시키는 제7단계;

상기 제3단계의 상기 제1루프필터의 최종 출력값과 상기 제7단계의 상기 제2루프필터 출력값으로 상기 동위상성분신호와 상기 직교위상성분신호를 보정하는 제8단계; 및

상기 제7단계 및 상기 제8단계를 반복적으로 수행하여 상기 동위상성분신호와 상기 직교위상성분신호를 반복적으로 보정하는 제9단계

를 포함하는 반송파 주파수 복구 방법.
삭제
반송파 주파수 복구 장치에 있어서,

동위상성분신호와 직교위상성분신호의 위상 에러 - 주파수 옵셋 성분을 가짐 - 를 측정하기 위한 위상검출기;

상기 위상 에러에 응답하여 셀렉트신호를 생성하기 위한 셀렉트신호 생성부;

상기 위상 에러를 예정된 범위로 감쇄시키기 위한 제1루프필터;

상기 위상 에러를 상기 제1루프필터보다 더 좁은 범위로 감쇄시키기 위한 제2루프필터 - 상기 제1루프필터에 비해 좁은 대역폭을 가짐 - ;

상기 셀렉트신호에 응답하여 상기 제2루프필터의 출력값에 상기 제1루프필터의 출력값을 더하기 위한 덧셈기;

상기 셀렉트신호에 응답하여 상기 제1루프필터의 출력값 또는 상기 덧셈기의 출력값을 출력하기 위한 멀티플렉서; 및

상기 멀티플렉서의 출력신호에 응답하여 상기 동위상성분신호와 상기 직교위상성분신호의 주파수 옵셋을 보정하는데 사용되는 코사인 신호 및 사인 신호를 저장 및 출력하기 위한 전압제어발진기

를 구비하는 반송파 주파수 복구 장치.
제3항에 있어서,

상기 셀렉트신호 생성부는,

상기 위상에러를 입력으로 하여 그 절대값을 출력하는 절대값 회로;

상기 위상에러의 절대값이 제1기준값보다 작은 경우 비교출력신호를 활성화시키기 위한 제1비교기;

상기 비교출력신호가 활성화되면 하나씩 누적되고 비활성화되면 초기값으로 리셋되는 누산기; 및

상기 누산기의 출력값이 제2기준값보다 클 경우에 상기 셀렉트신호를 활성화시키는 제2비교기를 구비하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 복구 장치.
제4항에 있어서,

상기 제1기준값은 레지스터에 저장되며 프로그래머블한 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 복구 장치.
제4항에 있어서,

상기 제2기준값은 레지스터에 저장되며 프로그래머블한 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 복구 장치.
제3항에 있어서,

상기 전압제어발진기는,

상기 멀티플렉서를 통해 전달된 상기 제1루프필터 또는 상기 덧셈기의 출력값을 누적하기 위한 위상누산기와,

상기 위상누산기에 누적된 보정치에 응답하여 상기 동위상성분신호와 상기 직교위상성분신호를 보정하기 위한 값 - 상기 코사인 신호 및 상기 사인 신호에 대응하는 값 - 을 저장하기 위한 전압제어발진기롬을 구비하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 복구 장치.