KR100568069B1 - Ｔｄｍａ 통신 시스템에서의 반송파 및 도플러 주파수오차 추정 장치 및 그 방법 - Google Patents

Ｔｄｍａ 통신 시스템에서의 반송파 및 도플러 주파수오차 추정 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 TDMA 통신 시스템에서의 반송파 및 도플러 주파수 오차 추정 장치 및 그 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 잡음이 부가된 신호를 이동평균 필터링하여 지터를 완화시킴으로써, 자기상관기 수의 증가없이 정확한 주파수 오차 추정을 위한, 반송파 및 도플러 주파수 오차 추정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 버스트 신호로부터 주파수 오차를 추정하는 장치로서, 상기 버스트 신호의 지터(jitter)를 완화시키기 위한 이동평균필터 수단; 필터링된 신호와 켤레 복소수 연산된 파일롯 신호를 곱하기 위한 곱셈 수단; 심볼 지연 및 자기상관 함수를 이용하여 곱셈 연산된 신호로부터 위상 회전량을 계산하기 위한 위상 회전량 계산 수단; 및 스무딩 함수(smoothing function) 곱을 통하여 상기 위상 회전량으로부터 주파수 오차를 추정하기 위한 주파수 오차 추정 수단을 포함한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 TDMA 통신 시스템에 이용됨.
TDMA, 이동평균필터, 자기상관, 주파수 오차

Description

ＴＤＭＡ 통신 시스템에서의 반송파 및 도플러 주파수 오차 추정 장치 및 그 방법{Apparatus and Method of Feedforward Frequency offset Estimation in TDMA System}
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 주파수 오차 추정 장치의 구성도,
도 2는 도 1의 상세한 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 주파수 오차 추정 방법을 설명하는 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 주파수 오차 추정이 가능한 버스트 전송 구조를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 주파수 오차 추정 장치의 주파수 오차 포착 영역을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 주파수 오차 추정 장치의 정확도를 설명하는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
110 : 이동평균필터 120 : 곱셈부
130 : 위상 회전량 측정부 140 : 주파수 오차 추정부
150 : 주파수 오차 보정부
본 발명은 주파수 오차 추정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 TDMA(Time Division Multiple Access) 기반의 버스트 모뎀을 위한 반송파 및 도플러 주파수 오차 추정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 유/무선 통신 시스템의 수신 단말은 수신된 RF 신호를 RF 모듈과 IF 모듈을 통해 복조한 후 원신호를 복원해내는 과정을 수행한다. 이 과정에서 RF 신호는 아날로그 국부 발진기(Local Oscillator)로부터 발생된 기준 주파수에 근거하여 기저대역 신호로 주파수 하향 변환된다.
그러나, 아날로그 국부 발진기의 불완전성 때문에 RF 신호가 기저대역 신호로 주파수 하향 변환되는 과정에서 신호의 왜곡이 발생하여 반송파 주파수의 정상적인 복원이 불가능하다. 또한, 수신 단말이 이동 중인 경우에는, 수신되는 RF 신호의 주파수가 도플러 효과 때문에 변동되어 원래 신호의 정상적인 복원이 불가능하다.
TDMA 기반의 버스트 모뎀에서는 상기 반송파 및 도플러 주파수 오차의 추정 을 위해 순방향 구조의 주파수 추정 회로를 사용한다. 주파수 오차에 대한 초기 포착시간의 문제 때문에 역방향 구조의 주파수 추정 회로 대신 순방향 구조의 주파수 추정 회로를 사용한다.
대표적으로 1997년 1월에 간행된 IEEE Trans. Commun. Vol.45, No. 1 문헌의 23-25 페이지에 수록되어 있는 U. Mengali and M.Morelli의 "Data-Aided Freq. Estimation for Burst Digital Transmissin"(이하 'M&M' 이라고 한다)는 자기상관기 및 아크 탄젠트(Arc tan) 함수(Look Up Table)를 이용한 주파수 추정 기술을 공개하고 있다.
또한, 1991년 12월에 간행된 IEEE Globecom'91, Phoenix, AZ 문헌에 수록되어 있는 M. P. Fitz의 "Planna filtered techniques for burst mode carrier synchronization"(이하 'Fitz' 라고 한다) 및 1995년 3월에 간행된 IEEE Trans. Commun. Vol.43, No. 3 문헌의 1169-1178 페이지에 수록되어 있는 M. Luise and R. Reggiannini의 "Carrier Frequency Recovery in All Digital Modems for Burst Mode Transmission"(이하 'L&R 이라고 한다)은 상기 논문 'M&M'이 공개하는 기술과 유사한 형태의 자기상관기를 이용한 주파수 추정 기술을 공개한다.
일반적으로 정합필터를 통과한 수신 신호가 복원되기 위해서는 심볼 속도로 정규화된 주파수 오차의 포착 범위가 0.1 정도이어야 하는데, 상기 논문 'Fitz' 및 'L&R'은 이를 만족시키지 못하는 문제점이 있다.
또한, 상기 논문 'M&M', 'Fitz' 및 'L&R'에서 제안하는 주파수 오차 추정 기술은 데이터 도움(Data-Aided) 심볼 길이 절반 만큼의 자기상관기를 이용하면 거의 완벽한 주파수 오차 추정이 가능하다. 그러나 심볼 길이 절반 만큼의 자기상관기의 이용은 곱셈기 및 메모리 개수를 증가시켜 하드웨어 복잡도를 증가시키는 문제점이 있다.
따라서, 간단한 하드웨어 구현만으로도 정확한 주파수 오차 추정이 가능한 주파수 오차 추정 장치의 개발이 절실히 요청된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 잡음이 부가된 신호를 이동평균 필터링하여 지터(jitter)를 완화시킴으로써, 자기상관기 수의 증가없이 정확하게 주파수 오차를 추정하기 위한, 반송파 및 도플러 주파수 오차 추정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 버스트 신호로부터 주파수 오차를 추정하는 장치로서, 상기 버스트 신호의 지터(jitter)를 완화시키기 위한 이동평균필터 수단; 필터링된 신호와 켤레 복소수 연산된 파일롯 신호를 곱하기 위한 곱셈 수단; 심볼 지연 및 자기상관 함수를 이용하여 곱셈 연산된 신호로부터 위상 회전량을 계산하기 위한 위상 회전량 계산 수단; 및 스무딩 함수(smoothing function) 곱을 통하여 상기 위상 회전량으로부터 주파수 오차를 추정하기 위한 주파수 오차 추정 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방법은, 버스트 신호로부터 주파수 오차를 추정하는데 있어서, 상기 버스트 신호를 이동 평균 필터링하여 지터를 완화시키는 이동평균필터 단계; 필터링된 신호와 켤레 복소수 연산된 파일롯 신호를 곱하는 곱셈 단계; 심볼 지연 및 자기상관을 이용하여 곱셈 연산된 신호로부터 위상 회전량을 계산하는 위상 회전량 계산 단계; 및 계산된 위상 회전량에 스무딩 함수를 곱하여 주파수 오차를 추정하는 주파수 오차 추정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 주파수 오차 추정 장치의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 주파수 오차 추정 장치는 이동평균필터부(110), 곱셈부 (120), 위상 회전량 측정부(130), 주파수 오차 추정부(140) 및 주파수 오차 보정부(150)를 포함한다.
이동평균필터부(110)는 잡음이 부가된 신호를 수신하고, 수신된 신호의 지터(jitter)를 완하시킨다. 즉, 이동평균필터부(110)는 자기상관기 개수의 증가없이 잡음이 부가된 신호의 분산을 감소시킴으로써 주파수 오차 추정의 정확성을 높인다.
곱셈부(120)는 필터링된 신호와 켤레 복소수 연산된 파일롯 신호를 곱하고, 위상 회전량 측정부(130)는 심볼 지연과 자기상관(auto correlation) 기능을 통하여 이전 심볼과 현재 심볼과의 위상차를 측정한다.
주파수 오차 추정부(140)는 측정된 위상 회전량과 스무딩(smoothing) 함수 값을 이용하여 주파수 오차를 추정하고, 주파수 오차 보정부(150)는 잡음이 부가된 수신 신호에 추정된 주파수 오차를 곱함으로써 수신 신호의 주파수 오차를 보정한다.
도 2는 도 1의 상세한 구성도이다.
도시된 바와 같이, 이동평균필터부(110)는 지연 탭(210), 곱셈기(220) 및 합산기(230)를 포함한다. α는 지연 탭(210)의 개수, 1/α는 가중치인 필터 계수이고, 초기에 모든 지연 탭(210)은 0으로 설정되어 있다. 임의의 시점에서 [수학식 1]처럼 표현되는 수신 신호가 입력되면, 먼저 첫 번째 버퍼에 저장되고 동시에 이동평균필터부(110)의 출력을 위해 전달된다.
Figure 112004039869126-pat00001
여기서, k는 심볼당 1 샘플로 동작하는 심볼/샘플 단위이며, Ck는 기 설정된 파일롯 신호, n(k)는 잡음 신호, fd는 주파수 오차, θ는 위상 오차이다.
첫 번째 지연 탭에 저장된 신호는 다시 두 번째 지연 탭으로 전달되고 동시에 이동평균필터부(110)의 출력을 위해 전달된다. 이러한 전달 과정이 연쇄적으로 이루어지고 마지막 지연 탭을 통과한 신호는 이동평균필터(110)의 출력을 위해 전달된다. 이 때, 이동평균필터부(100)의 출력을 위해 전달되는 신호는 곱셈기(220)를 통해 가중치 1/α와 곱해지고, 곱해진 신호들은 합산기(230)를 통해 [수학식 2]와 같이 하나의 신호로 합산되어 출력된다.
Figure 112004039869126-pat00002
곱셈부(120)는 필터링된 신호와 켤레 복소수 연산이 수행된 파일롯 신호(C* k)를 곱하여, [수학식 3]과 같은 연산을 수행한다. 여기서, 켤레 복소수 연산이 수행된 파일롯 신호는 1, 1, 1.....패턴의 신호이다.
Figure 112004039869126-pat00003
다음으로, 위상 회전량 측정부(130)는 심볼 지연부(240), 자기상관 계산부(250) 및 위상차 계산부(260)를 포함한다.
구체적으로 살펴보면, 심볼 지연부(240)는 [수학식 3]으로 연산된 신호(z(k))를 d-심볼 지연시킨 후 켤레 복소수 연산을 수행하고, 지연 및 켤레 복소수 연산이 수행된 신호(z*(k-d))와 [수학식 3]으로 연산된 신호(z(k))를 곱셈 연산한다. 자기상관 계산부(250)는 곱셈 연산된 신호(z(k)z*(k-d))로부터 [수학식 4]와 같이 자기상관 계수(R(d)를 계산한다.
Figure 112004039869126-pat00004
여기서, R(d)는 d 시점의 심볼에서 L0-1 번째 심볼까지의 위상 회전량을 계산한 값이며, L0는 추정 가능한 심볼의 길이이고, 자기상관 계산부(250)에 포함된 자기상관기의 개수는 N개 까지 가능하다. 이 때, 곱셈 연산 개수는 N(2L0-N-1)/2이다.
위상차 계산부(260)는 자기상관 계수를 편각(argument) 계산하여 [수학식 5] 와 같이 이전 심볼과 현재 심볼 사이의 위상차(φ)를 계산한다.
Figure 112004039869126-pat00005
다음으로, 주파수 오차 추정부(140)는 편각 연산된 위상차에 [수학식 6]으로 정의된 상수(w(d))를 곱하고, 상수가 곱해진 값들을 [수학식 7]과 같이 합산하여 주파수 오차 값을 추정한다. 여기서, [수학식 6]으로 정의된 상수는 스무딩 함수(smoothing function) 값으로, 심볼 지연부(240)의 지연 심볼(d) 개수에 따라 결정된다.
Figure 112004039869126-pat00006
Figure 112004039869126-pat00007
이 때, [수학식 6]으로 정의된 상수를 곱하는 이유는 편각 연산된 위상차와 주파수 오차 추정 값(Δfd)이 선형적이지 않기 때문에 [수학식 6]으로 정의된 상수를 곱함으로써 위상차와 주파수 오차 추정 값을 정규화하여 선형화하기 위해서이다.
다음으로, 주파수 오차 보정부(150)는 주파수 오차 추정 값과 [수학식 1]과 같이 표현된 수신 신호를 곱하여 수신 신호의 주파수 오차를 보정한다.
도 3은 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 방법을 설명하는 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 먼저, 잡음이 부가된 수신 신호를 이동 평균(moving average) 필터링하여 지터를 완화시킨다(310).
그 후, 필터링된 신호와 켤레 복소수 연산된 파일롯 신호를 곱하고(320), 심볼 지연 및 자기상관을 이용하여 곱셈 연산된 신호로부터 위상 회전량을 계산한다(330).
다음으로, 계산된 위상 회전량에 스무딩 함수를 곱하여 주파수 오차를 추정하고(340), 추정된 주파수 오차와 상기 수신 신호를 곱하여 주파수 오차를 보정한다(350).
도 4는 본 발명에 따른 주파수 오차 추정이 가능한 버스트 전송 구조를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 타입 1의 버스트 전송 구조는 프리앰블(preamble) 및 데이터 필트(data field)로 이루어진다. 프리앰블은 수신측에서 초기 신호의 획득, 동기 복구 및 채널 추정을 위해 사용된다. 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 장치는 수신한 버스트의 프리앰블에서 주파수 오차를 추정하고, 참조부호 410의 방향으로 데이타 필드에 해당하는 주파수 오차를 보정한다.
또한, 타입 2의 버스트 전송 구조는 파일럿(pilot) 및 데이터 필드가 연속된 분산 파일럿 구조이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 장치는 파일럿 #1에서 주파수 오차를 추정하고, 참조부호 420의 방향으로 파일럿 #2 앞단의 데이터 필드에 해당하는 주파수 오차를 보정한다. 또한, 파일럿 #2에서 주파수 오차를 추정하고, 참조부호 430의 방향으로 파일럿 #3 앞단의 데이터 필드에 해당하는 주파수 오차를 보정한다.
타입 3의 버스트 전송 구조는 프리앰블, 데이터 필드 및 포스트앰블(postamble)로 이루어지며, 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 장치는 프리앰블과 포스트앰블에서 각각 주파수 오차를 추정해서 참조부호 440, 450 방향으로 데이터 필드에 해당하는 주파수 오차를 동시에 보정한다.
또한, 타입 4의 버스트 전송 구조는 데이터 필드, 미드앰블(midamble) 및 데이터 필드로 이루어지며, 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 장치는 미드앰블에서 주파수 오차를 추정해서 참조부호 460, 470 방향으로 데이터 필드에 해당하는 주파수 오차를 보정한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 주파수 오차 추정 장치의 주파수 오차 포착 영역을 나타낸 도면으로, 본 실시예에서 사용된 버스트 전송 구조는 도 4의 타입 1이다.
도 5에 도시된 참조부호 510은 종래 주파수 오차 추정 방식의 주파수 오차 포착 영역을 나타내며, 참조부호 520, 530, 540은 각각 이동평균필터의 탭 수가 2, 6, 10인 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 장치의 주파수 오차 포착 영역을 나타낸다. 도 5의 가로축은 심볼 속도로 정규화시킨 주파수 오차이고 세로축은 주파수 오 차 추정 장치에서 추정한 주파수 오차의 평균값이다.
도시된 바와 같이, 참조부호 510의 주파수 오차 포착 영역은 약 0.4이며, 이동평균필터의 탭 수가 각각 2, 6, 10인 참조부호 520, 530, 540의 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 장치의 주파수 오차 포착 영역은 이동평균필터의 탭 수가 증가할수록 감소한다. 예를 들어, 이동평균필터의 탭 수가 10인 경우 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 장치의 주파수 오차 포착 영역은 약 0.05이다. 이동평균필터의 탭 수가 증가할수록 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 장치의 정확도는 증가하나 주파수 오차 포착 영역은 감소한다.
도 6는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 주파수 오차 추정 장치의 정확도를 설명하는 도면으로, 가로축은 Eb/No, 세로축은 정규화한 주파수 오차의 분산을 나타낸다. 본 실시예에서 사용된 버스트 전송 구조는 도 4의 타입 1로, 프리앰블의 길이는 64이다.
도 6에 도시된 참조부호 610은 주파수 오차 분산의 이론치 한계값이며, 참조부호 620, 630은 각각 자기상관기의 개수가 4, 32인 종래의 주파수 오차 추정 방식의 주파수 오차 분산을 나타내고, 참조부호 640, 650, 660은 자기상관기의 개수가 4이며 이동평균필터의 탭 수가 각각 2, 6, 10인 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 장치의 주파수 오차 분산을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 종래의 방식은 자기상관기의 개수가 32인 경우 이론치와 근사한 주파수 오차 분산값을 갖지만 계산량 및 하드웨어 복잡도를 증가시키는 문제점이 있고, 자기상관기의 개수가 4인 경우에는 계산량 및 하드웨어 복잡도가 감 소되지만 이론치보다 열화된 성능을 나타내는 문제점이 있다.
반면, 참조부호 640, 650, 660과 같이, 자기상관기의 개수가 4인 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 장치는 이동평균필터의 탭 수가 증가할수록 이론치에 근사한 주파수 오차 분산값을 갖는다. 즉, 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 장치는 자기상관기의 개수를 증가시키지 않고 이동평균필터를 도입함으로써, 계산량 및 하드웨어 복잡도를 증가시키지 않으면서 이론치에 근사한 성능을 나타낸다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 시간 영역에서의 주파수 오차 추정 방식으로서, 이동평균필터를 이용함으로써 낮은 SNR 환경에서도 주파수 오차 추정을 가능하게 한다.
또한, 본 발명은, 이동평균필터를 이용함으로써 주파수 오차 추정시 오차 추정 계산량 및 하드웨어 복잡도를 감소시킨다.

Claims (8)

  1. 버스트 신호로부터 주파수 오차를 추정하는 장치로서,
    상기 버스트 신호의 지터(jitter)를 완화시키기 위한 이동평균필터 수단;
    필터링된 신호와 켤레 복소수 연산된 파일롯 신호를 곱하기 위한 곱셈 수단;
    심볼 지연 및 자기상관 함수를 이용하여 곱셈 연산된 신호로부터 위상 회전량을 계산하기 위한 위상 회전량 계산 수단; 및
    스무딩 함수(smoothing function) 곱을 통하여 상기 위상 회전량으로부터 주파수 오차를 추정하기 위한 주파수 오차 추정 수단
    을 포함하는 주파수 오차 추정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 버스트 신호 및 추정된 주파수 오차를 곱하여 주파수 오차를 보정하기 위한 주파수 오차 보정 수단
    을 더 포함하는 주파수 오차 추정 장치.
  3. 제 1 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 이동평균필터 수단은,
    주파수 오차 추정 범위에 따른 다수의 지연 탭을 포함하며,
    상기 버스트 신호를 하기 수학식과 같이 처리하여 지터를 완화시키는 것을 특징으로 하는 주파수 오차 추정 장치.
    [수학식]
    Figure 112004039869126-pat00008
    (여기서, r(m)은 수신 버스트 신호, α는 상기 지연 탭의 개수)
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 위상 회전량 계산 수단은,
    상기 지연 탭의 개수에 따라 심볼 지연 및 자기상관을 수행하는 것을 특징으로 하는 주파수 오차 추정 장치.
  5. 버스트 신호로부터 주파수 오차를 추정하는 방법에 있어서,
    상기 버스트 신호를 이동 평균 필터링하여 지터를 완화시키는 필터링 단계;
    필터링된 신호와 켤레 복소수 연산된 파일롯 신호를 곱하는 곱셈 단계;
    심볼 지연 및 자기상관을 이용하여 곱셈 연산된 신호로부터 위상 회전량을 계산하는 위상 회전량 계산 단계; 및
    계산된 위상 회전량에 스무딩 함수를 곱하여 주파수 오차를 추정하는 주파수 오차 추정 단계
    를 포함하는 주파수 오차 추정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 버스트 신호 및 추정된 주파수 오차를 곱하여 주파수 오차를 보정하는 주파수 오차 보정 단계
    를 더 포함하는 주파수 오차 추정 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 이동평균필터 단계는,
    상기 버스트 신호를 지연 탭을 통해 순차적으로 지연시키는 지연 단계;
    상기 버스트 신호 및 상기 지연된 신호에 가중치를 곱하는 가중치 곱셉 단계; 및
    가중치가 곱해진 신호를 합산하는 합산 단계
    를 포함하는 주파수 오차 추정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가중치는,
    상기 지연 탭 개수의 역수인 것을 특징으로 하는 주파수 오차 추정 방법.
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