KR100546566B1

KR100546566B1 - 직교 주파수 분할 다중 시스템의 채널 상태 정보 발생 장치

Info

Publication number: KR100546566B1
Application number: KR1019980036581A
Authority: KR
Inventors: 곽정호
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 1998-09-04
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 2006-08-30
Also published as: KR20000018809A

Abstract

다중 캐리어를 사용하는 OFDM 시스템의 채널 상태 정보(CSI) 발생 회로에 관한 것으로서, 파일롯 위치에서의 등화기의 출력과 파일롯 정보의 차를 제곱한 후 시간축으로 평균화를 행하여 각 주파수 캐리어에서 MSE를 계산하는 MSE 계산부와, 상기 MSE 계산부의 출력에 역수를 취하는 반전부와, 상기 반전부의 출력에 대해 주파수 영역에서의 평균값을 계산하여 전체 SNR을 계산한 후 상기 반전부의 출력을 전체 SNR로 나누어 정규화하는 정규화부와, 상기 정규화부의 출력에 리니어 보간을 행하여 모든 캐리어 위치에서 CSI를 출력하는 보간부로 구성되어, 등화기에서 출력되는 신호로부터 MSE를 계산하고 이에 대한 역의 값을 구한 후 리니어 보간을 통해 모든 캐리어 위치에서 CSI를 발생함으로써, 간단한 하드웨어와 콘트롤로 신뢰성 있는 CSI를 발생할 수 있다.

Description

직교 주파수 분할 다중 시스템의 채널 상태 정보 발생 장치{APPARATUS FOR CSI GENERATE OF OFDM}

본 발명은 다중 캐리어를 사용하는 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing ; OFDM) 시스템에 관한 것으로서, 특히 채널 상태 정보(Channel State Information ; CSI)를 발생하는 OFDM 시스템의 CSI 발생 회로에 관한 것이다.

OFDM 전송 시스템은 하나의 캐리어를 이용하여 데이터를 전송하는 싱글 캐리어 방식과는 달리 서로 직교성을 갖는 여러개의 캐리어를 이용하여 데이터를 전송하는 멀티 캐리어 전송 방식이다. 각 캐리어는 밴드폭(Bandwidth)이 매우 적어서 채널의 변화에 의한 영향을 받지만 전체 주파수 대역으로 보면 다중 간섭 채널의 경우 전송되는 각각의 캐리어들은 채널의 영향을 받아 진폭만 줄어들 뿐이어서 충분히 복구 가능하다.

이때, 각 캐리어의 진폭의 크기를 보통 채널 상태 정보(Channel State Information ; CSI)라 하는데, OFDM 시스템에서는 이러한 CSI를 이용하여 수신된 신호의 신뢰도를 나타내는 정보를 얻어낼 수 있다.

그리고, 유럽의 디지털 TV의 규격으로 결정된 DVB-T(Digital Video Broadcasting-Terrestrial)의 경우 송신단에서 전송하려는 데이터 이외에도 PN 시퀀스를 이용한 파일롯을 전송하려는 데이터 사이 사이에 전송하는데, 이 파일롯 신호를 수신단에서 수신을 한 후 송신단에서 송신한 원래의 파일롯 값(즉, 수신기가 이미 알고 있는 파일롯 값)과 비교하면 전송된 채널의 상태를 알 수 있으므로, 이를 CSI로 사용하기도 한다.

도 1은 DVB-T 시스템의 일반적인 블록도로서, 송신측에서 OFDM 방식에 의해 원하는 데이터를 전송할 때 변조 방법에 따라 전송할 데이터를 매핑하여 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform ; IFFT)을 거친 후 보호 구간(Guard Interval)을 삽입하여 전송을 하므로, 수신측에서는 송신단의 역 과정을 거치면 된다.

즉, 튜너(101)는 안테나를 통해 OFDM 신호를 수신하여 중간 주파수(IF) 신호로 변환하는데 이때, 자동 이득 제어(Auto Gain Control ; AGC)부(106)에서 발생되어진 제어 신호를 사용한다.

상기 튜너(101)에서 출력되는 IF 신호는 A/D 변환부(102)로 입력되어 디지털 신호로 변환된 후 I/Q 발생부(103)로 입력되고, 상기 I/Q 발생부(103)는 상기 A/D 컨버터(102)에서 출력되는 디지털 신호가 실수 성분(Inphase component)만을 가지므로 이 디지털 신호를 허수 성분(quadrature component)도 가지는 복소 성분의 신호로 변환하여 주파수 보정부(104)로 출력한다.

즉, COFDM 수신 시스템에서는 송/수신기 사이의 주파수 정렬(Frequency Alignment)이 시스템의 전체 성능에 상당한 영향을 미치는데, 보통 송/수신기 사이의 주파수 에러 예컨대, 튜너(101)의 국부 발진기에 의한 에러는 주파수 옵셋을 발생시키므로 이 주파수 옵셋을 보정하기 위한 신호를 자동 주파수 제어(Auto frequency control ; AFC) 신호라 일컫는다. 이를 위해 AFC부(110)는 파일롯 추출부(108)에서 추출된 파일롯 신호들을 사용하여 상기 주파수 옵셋에 대한 정보를 추출하여 주파수 보정부(104)로 출력한다.

상기 주파수 보정부(104)는 상기 추출된 정보를 I/Q 발생부(103)의 출력에 곱하여 주파수 옵셋을 보정한 후 고속 푸리에 변환(fast fourier transform ; FFT)부(105)와 AGC부(106), 및 타이밍 동기(timing synchronizer)부(107)로 출력한다.

상기 FFT부(105)는 타이밍 동기부(107)에서 출력되는 시작점을 기준으로 상기 주파수 보정부(104)의 출력에 대해 FFT를 실행하여 파일롯 추출부(108)와 등화기(109)로 출력한다. 또한, 상기 AGC부(106)는 상기 A/D 컨버터(102)로 입력되는 신호의 진폭을 적절하게 유지시키기 위한 신호를 발생시켜 상기 튜너(101)를 제어한다.

상기 파일롯 추출부(108)는 FFT된 신호로부터 송신측에서 삽입한 산발 파일롯 신호를 추출하여 등화기(109)와 AFC부(110)로 출력한다.

상기 등화기(109)는 상기 FFT된 신호와 추출된 파일롯 신호를 이용하여 채널에 의해 왜곡된 캐리어를 보상한 후 디맵퍼(112)로 출력하고, 디맵퍼(112)는 전송된 데이터의 매핑 방법에 따라 등화된 데이타를 역으로 디매핑하여 내부 디인터리버(113)로 출력하고, 내부 인터리버(113)는 입력 데이터에 대해 심볼 단위의 디인터리빙과 비트 단위의 디인터리빙을 순차적으로 수행하여 비터비 디코더(114)로 출력한다. 상기 비터비 디코더(114)는 내부 디인터리빙된 데이터에 대해 1 또는 0을 판정하여 외부 디인터리버(115)로 출력하고, 외부 디인터리버(115)는 외부 인터리빙의 역과정으로 디인터리빙을 수행한 후 외부 디코더(116)와 데이터 디랜덤마이저(117)를 순차적으로 거쳐 출력한다. 여기서, 상기 디맵퍼(112), 내부 디인터리버(113), 비터비 디코더(114), 외부 디인터리버(115), 외부 디코더(116), 및 데이터 디랜덤마이저(117)는 에러 정정 회로(FEC)에 해당된다.

이때, 상기 등화기(109)는 상기 파일롯 추출부(108)에서 추출된 파일롯 신호를 이미 알고 있는 파일롯 값과 비교한 후 그 결과에 시간축, 주파수축 보간을 행하여 채널 상태를 추정할 수 있는 채널 임펄스 응답을 출력하는 채널 추정기(109-1)와 상기 FFT된 신호를 채널 임펄스 응답으로 나누어 채널에 의해 왜곡된 캐리어를 보상하는 디바이더(109-2)로 구성된다.

즉, 상기 채널 추정기(109-1)는 송신단에서 삽입한 원래의 파일롯 신호와 동일한 신호를 파일롯 기준값으로 하여 상기 파일롯 추출부(108)에서 추출된 산발 파일롯 신호를 나누어 채널의 샘플링된 주파수 특성을 추출한 후 이를 시간축과 주파수축으로 각각 보간하여 전 주파수 캐리어에서의 주파수 특성을 추정한다. 즉, 이미 알고 있는 산발 파일롯으로부터 보간에 의해 우리가 실제 알고자 하는 필요한 액티브 캐리어의 채널 특성을 유추한다.

즉, 산발 파일롯의 삽입 상태를 보인 도 2를 보면, 검은 부분은 산발 파일롯의 위치를 나타내고 흰 부분은 액티브 캐리어 즉, 전송하려는 데이터 부분을 나타내는데, 각각 전송단에서 삽입된 산발 파일롯의 위치는 주파수 축상에서 보면 12개의 캐리어마다 삽입이 되어 있고 시간축상으로는 4개의 심볼마다 삽입되어 있다. 따라서, 채널 추정기(109-1)에서는 우선 시간축상으로 보간을 행한 후 다시 주파수 축상으로 보간을 행한다. 여기서, 먼저 시간축 상으로 보간을 행하는 이유는 시간축 상으로 먼저 보간을 행하게 되면 주파수축 상으로는 파일롯이 12개 캐리어마다 존재하는 것이 아니라 3개마다 존재하는 결과가 되므로 주파수 축상의 파일롯 캐리어 거리가 3분의 1로 줄어드는 효과를 기대할 수 있다.

그리고, 상기 디바이더(109-2)는 산발 파일롯 신호를 추출하고 보간을 행하는데 걸리는 시간만큼 지연된 FFT 신호를 상기 채널 추정기(109-1)의 출력으로 나누어 채널에 의해 왜곡된 캐리어를 보상한다.

이때, CSI는 상기 채널 추정기(109-1)에서 추출되어져 디맵퍼(112)로 입력되고, 디맵퍼(112)는 비터비 디코더(114)를 위한 소프트 디시젼을 CSI를 고려하여 행하게 된다. 즉, CSI는 상기 등화기(109)에서 발생되는 OFDM의 각 주파수 캐리어에서의 SNR(signal to noise ratio), 다시 말해 신뢰성(reliability)을 나타내는 것으로, 이는 비터비 디코더의 소프트 디시전(soft decision)에 이용되어 시스템 전체의 성능 향상에 기여하게 된다. 예를 들어, SNR이 낮은 캐리어 위치에서의 등화기(109)의 출력은 높은 위치에서의 출력보다 신뢰도가 떨어지기 때문에 디맵핑시 소프트 디시전의 기울기를 조절함으로써 성능 향상을 꾀할 수 있다.

이때, 상기 CSI는 통상 계산상, 구현상의 편의로 각 캐리어 위치에서의 SNR 대신 신호 파워(signal power)만으로 구해지는 경우가 대부분이다. 하지만 이는, 부가성 백색 가우시안 잡음(additive white gaussian noise ; AEGN) 상에서는 특성이 매우 좋으나 노이즈 파워가 고려되지 않은 관계로 주파수 선택적 잡음이나 간섭 상황 하에서는 오류가 발생한다.

따라서, 이를 보상하기 위하여 각 캐리어에서의 노이즈 파워를 따로 구하여 SNR을 계산한 후 이를 CSI로 이용하는 방법이 있다. 하지만 이 방법도 잡음을 추정하는 과정이 명확하지 않으며, 이를 신호 파워로 다시 나누어 SNR을 구하는 과정이 하드웨어 구현을 매우 복잡하게 만든다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 등화기의 출력으로부터 시간축의 평균화 과정으로 평균 제곱 에러(MSE)를 계산하여 CSI를 발생하는 OFDM 시스템의 CSI 발생 회로를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 OFDM 시스템의 CSI 발생 회로는, 등화기에서 출력되는 신호로부터 MSE를 계산하고 이에 대한 역의 값을 구하여 산발 파일롯 위치에서의 CSI를 추정한 후 이 값에 리니어 보간을 행하여 모든 캐리어 위치에서 CSI를 발생하는 것을 특징으로 한다.

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

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 CSI 즉, 각 주파수 캐리어 위치에서의 SNR을 추정함에 있어 신호 파워와 노이즈 파워를 따로 추정하지 않고 평균 제곱 오차(mean square error ; MSE)를 SNR 추정에 이용함으로써, 제어 흐름을 줄이고 신호 파워만을 이용한 경우에 비하여 주파수 선택 노이즈 환경하에서 성능을 개선할 수 있도록 한다.

이를 실현하기 위한 본 발명에 따른 OFDM 시스템의 CSI 발생 장치는 도 3에 도시되어 있다.

도 3을 보면, 산발 파일롯 위치에서의 등화기의 출력과 파일롯 정보의 차를 제곱하는 제곱부(301), 상기 제곱부(301)의 출력에 대해 시간축으로 평균화를 행하여 각 주파수 캐리어에서 MSE를 계산하는 MSE 계산부(302), 상기 MSE 계산부(302)의 출력에 역수를 취하는 반전부(303), 상기 반전부(303)의 출력에 대해 주파수 영역에서 평균값을 계산하여 전체 SNR을 계산한 후 이를 정규화하는 정규화부(304), 및 상기 정규화부(304)의 출력에 대해 보간을 행하여 모든 캐리어 위치에서 CSI를 추정하는 보간부(305)로 구성된다.

이와같이 구성된 본 발명에서 DVB-T와 같은 지상 방송용 수신기는 채널 환경이 급격하게 변하는 경우는 거의 없다. 따라서, SNR을 추정하기 위해 시간축으로의 평균(averaging)을 행하여도 큰 에러는 발생시키지 않는다는 가정이 가능하다. 이때, 각 캐리어 위치에서의 SNR을 추정하기 위하여 채널 추정기 대신 등화기의 디바이더의 출력으로부터 MSE를 시간축의 평균화 과정을 거쳐 계산해낸다.

즉, 상기 파일롯 추출부(108)가 FFT된 신호로부터 송신측에서 삽입한 산발 파일롯 신호를 추출하므로, 제곱부(301)는 상기 산발 파일롯 신호를 기준값으로 입력받고, 등화기(109)의 디바이더(109-2)의 출력을 입력받은 후 두 신호의 차이를 제곱하여 MSE 계산부(302)로 출력한다. 상기 MSE 계산부(302)는 시간축으로의 평균화를 행하여 산발 파일롯 위치에서의 MSE를 계산한다.

이를 수식적으로 표현하면 하기의 수학식 1과 같다.

즉, 주파수 캐리어 인덱스를 k라 하고, 등화기의 디바이더의 k 번째 캐리어에서의 출력을 e_k,이때의 기준값을 p_k라 하면, 산발 파일롯 위치에서의 MSE는 다음의 수학식 1과 같이 계산되어진다.

상기 수학식 1에서 h_k는 채널의 충격 응답, h_k′는 h_k의 추정치, n_k는 노이즈 성분을 나타내고, 〈〉표시는 시간축에서의 평균화 과정을 의미한다. 그리고, 상기 모든 변수는 복소수(complex value)이다.

상기 수학식 1에서 보듯이 h_k′가 h_k에 근접할 때 MSE는 노이즈 파워와 신호 파워의 비(즉, SNR의 역수)가 됨을 알 수 있다. 따라서, 디바이더(109-2) 출력에서의 MSE 추정은 SNR의 추정과 근접된 결과를 보인다.

이에 덧붙여 DVB-T 시스템에서는 기준 값(수학식 1에서 p_k)이 실수만으로 구성되어 있으므로, 노이즈 성분인 n_k의 실수부와 허수부가 동일한 평균과 분산을 갖는다는 가정하에, 수학식 1의 결과는 다음의 수학식 2와 같이 더 간단한 형태로 단순화할 수 있다.

상기 수학식 2에서 img[e_k]는 e_k의 허수부를 의미한다. 수학식 2에서 보듯이 MSE는 계산 과정이 줄어들었을 뿐만 아니라, 기준 값도 필요로 하지 않는 매우 단순한 과정임을 알 수 있다.

그리고나서, 반전부(303)는 상기 MSE 계산부(302)의 결과에 역수를 취한 후 정규화부(304)로 출력한다. 즉, 상기 MSE는 기준 값이 인가되는 캐리어 위치(DVB-T에서는 전체 캐리어의 1/3)에서 계산된 값이므로 상기 MSE에 역수를 취하여 그 위치에서의 SNR(즉, CSI)를 추정할 수 있다.

상기 정규화부(304)는 모든 파일롯 위치의 SNR으로부터 주파수 영역에서의 평균값을 구한 후 이를 전체 SNR로 저장하고, 상기 반전부(303)의 SNR를 전체 SNR로 나누어 정규화한다. 이때, 상기 정규화부(304)에서 출력되는 CSI는 파일롯 위치에서만 출력되므로 데이터 위치에서의 CSI를 구하여야 한다.

이를 위해, 보간부(305)는 상기 정규화부(304)의 결과에 0차 보간(0th interpolation) 또는 1차 보간(1st interpolation)을 행하여 전체 캐리어 위치에서의 CSI를 추정한 후 디맵퍼(112)로 출력한다.

그리고, 상기 정규화부(304)에서 출력되는 전체 SNR은 등화기(109) 후단에서의 평균적인 SNR을 나타내며, 이는 CSI와 독립적으로 수신단의 다른 파트(예컨대, AFC등의 루프 필터의 게인 조정, AGC 적응 속도 조정등)로 인가되어 수신기의 성능 향상에 기여할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 OFDM 시스템의 CSI 발생 회로에 의하면, 등화기에서 출력되는 신호로부터 MSE를 계산하고 이에 대한 역의 값을 구한 후 리니어 보간을 통해 모든 캐리어 위치에서 CSI를 발생함으로써, 간단한 하드웨어와 콘트롤로 신뢰성 있는 CSI를 발생할 수 있다.

또한, 본 발명은 DVB-T 수신기 이외에 CSI 발생기가 내장되는 어떠한 OFDM 방식의 복조기에도 응용이 가능하다.

도 1은 일반적인 DVB-T 수신기의 전체 구성 블록도

도 2는 액티브 캐리어에 삽입되는 파일롯 신호의 전송 상태를 보인 도면

도 3은 본 발명에 따른 OFDM 시스템의 CSI 발생 회로의 구성 블록도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

301 : 제곱부 302 : MSE 계산부

303 : 반전부 304 : 정규화부

305 : 보간부

Claims

수신된 파일롯 신호를 이용하여 검출한 채널 임펄스 응답으로 고속 푸리에 변환된 신호를 나누어 채널에 의해 왜곡된 캐리어를 보상하는 등화기가 구비된 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 시스템의 채널 상태 정보(CSI) 발생 회로에 있어서,

파일롯 위치에서의 등화기의 출력과 파일롯 정보의 차를 제곱한 후 시간축으로 평균화를 행하여 각 주파수 캐리어에서 평균 제곱 에러(MSE)를 계산하는 MSE 계산부와,

상기 MSE 계산부의 출력에 역수를 취하는 반전부와,

상기 반전부의 출력에 대해 주파수 영역에서의 평균값을 계산하여 전체 SNR을 계산한 후 상기 반전부의 출력을 전체 SNR로 나누어 정규화하는 정규화부와,

상기 정규화부의 출력에 리니어 보간을 행하여 모든 캐리어 위치에서의 채널 상태 정보(CSI)를 출력하는 보간부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중 시스템의 채널 상태 정보 발생 회로.
제 1 항에 있어서, 상기 MSE 계산부는 다음의 식을 적용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중 시스템의 채널 상태 정보 발생 회로.

여기서, k는 주파수 캐리어 인덱스, e_k는 등화기의 k 번째 캐리어에서의 출력, p_k는 이때의 기준값이고, h_k는 채널의 충격 응답, h_k′는 h_k의 추정치, n_k는 노이즈 성분을 나타내며, 〈〉표시는 시간축에서의 평균화 과정을 의미함.
제 1 항에 있어서, 상기 MSE 계산부는 다음의 식을 적용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중 시스템의 채널 상태 정보 발생 회로.

여기서, k는 주파수 캐리어 인덱스, e_k는 등화기의 k 번째 캐리어에서의 출력, img[e_k]는 e_k의 허수부를 의미하고,〈〉표시는 시간축에서의 평균화 과정을 의미함.