KR100569830B1

KR100569830B1 - 회전 큐피에스케이 신호를 이용한 위상편이 추정 및 보상방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100569830B1
Application number: KR1020030088354A
Authority: KR
Inventors: 임용곤; 김승근
Original assignee: 한국해양연구원
Priority date: 2003-12-06
Filing date: 2003-12-06
Publication date: 2006-04-11
Also published as: KR20050055279A

Abstract

본 발명은 종래의 QPSK 신호를 이용하는 버스트 통신시스템의 수신부에서 최우도 위상편이 추정 및 이의 복원에 있어서 미리 알려진 심벌열을 이용하여 위상편이 추정을 수행하는 과정에서 기존의 방법을 이용하는 경우 위상편이 추정을 위해 미리 알려진 전송 심벌열의 공액복소수를 곱하는 방법을 대신하여 미리 알려진 전송 심벌열을 회전위상량 θ _R = nπ/4 (n∈{1,3,5,7}) 만큼 회전시킨 심벌열을 이용하여 위상편이를 추정하고 추정된 위상을 보상하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은, k번째 수신신호와 알려진 k번째 전송심벌열을 θ _R 만큼 회전시킨 심벌의 공액복소수와 복소 곱셈을 하는 복소곱셈기; 복소 곱셈 결과를 MT 시간동안 누적하는 누산기; MT 시간동안 누산기에 누적된 복소값의 위상을 계산하는 arg()연산기 등으로 구성되는 회전위상 추정기와, k번째 수신신호를 위상편이가 추정되는 시간동안 저장하기 위한 지연블록; 추정위상에 회전위상량을 더하는 덧셈기; 덧셈기의 출력 위상을 크기가 1인 복소값으로 바꾸는 좌표계변환기; 지연블록의 출력과 좌표계변환기의 출력을 곱하는 복소곱셈기로 구성되는 위상편이보상기로 구성되는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 동기전송에서 반드시 필요한 위상추정기를 구현함에 있어 회전 QPSK 신호를 이용함으로써 기존의 위상편이 추정시 필요한 복소곱셈을 제거할 수 있어 위상편이 추정시 필요한 계산량 및 실제 ASIC으로 구현하였을 경우 필요한 소자수를 크게 줄일 수 있게 되어 있다.

위상편이추정, 위상편이보상, QPSK, 버스트 전송

Description

회전 큐피에스케이 신호를 이용한 위상편이 추정 및 보상 방법 및 그 장치 {Method and Apparatus for Phase Offset Estimation and Its Compensation Using Rotated QPSK Symbols}

도 1 은 회전 QPSK 신호를 이용한 위상편이추정 및 보상방법의 구성블록도,

도 2 는 QPSK 신호 성상도,

도 3 은 본 발명에 따른 QPSK 신호 성상도,

도 4 는 본 발명에 따른 회전 QPSK 신호를 이용하는 최우도 위상 추정장치의 기능블럭도,

도 5 는 본 발명에 따른 위상편이보상장치의 기능블럭도이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

10 : 회전위상추정기 20 : 위상편이보상기

디지털 전송기술은 크게 전송하려는 데이터가 존재할 때만 전송을 하는 버스트(burst) 전송과 전송 데이터의 유무에 관계없이 항상 데이터 전송을 하는 연속(continuous) 전송으로 나눌 수 있다. 이중 버스트 전송에서는 프레임(frame) 이라는 일정길이를 갖는 정형화된 데이터 형식을 이용하여 데이터를 전송하게 된다. 이 프레임의 구성은 미리 송신기와 수신기에서 약속된 신호인 프리앰블 부분과 전송하려는 정보 데이터 부분으로 나눌 수 있다. 버스트 전송을 하는 전송시스템의 수신기에서는 먼저 채널상에 전송신호가 존재하는지 여부를 판단하고, 채널상에 전송신호가 존재한다고 판단되었을 경우 한 프레임 중 미리 알려진 신호열인 프리앰블 부분을 이용하여 심벌시간, 주파수 편이, 위상편이 등을 포함하는 동기파라미터들을 계산하며, 프레임의 시작을 찾는 프레임 동기를 수행하게 된다.

버스트 디지털전송에서 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)전송과 같이 위상동기(coherence)전송의 수신기에서는 매 프레임마다 송신기와 수신기의 기준위상차에 의해 발생하는 위상편이량을 추정하여 이를 보상해 주는 위상편이 추정기 및 보상기가 필수적으로 필요하다. 기존의 최우도 위상편이 추정 방법은 미리 알려진 전송신호의 공액복소수를 곱한 후 더하여 이의 위상을 계산하여 위상편이량을 추정하고, 추정한 위상편이량 만큼 수신신호를 시계방향으로 회전시켜 위상편이를 보상하여 왔다.

본 발명은 상기 버스트 방식 통신에서 각 버스트 전송 시작부분 앞에 프리앰블을 붙여서 전송하고, 위상편이를 얻기 위하여 전방먹임(feed-forward) 동기 방식을 사용하는 경우 위상편이를 추정하고 이를 보상하기 위한 방법 및 그 장치를 제공함을 그 목적으로 한다. 본 발명은 QPSK 신호를 이용하는 버스트 통신시스템의 수신부에서 종래에 사용하던 위상편이 추정 및 보상 방법인 미리 알려진 신호의 공 액복소수를 이용하여 위상편이 추정하고 추정된 위상편이를 보상하는 방법을 대신하여 미리 알려진 심벌열을 회전위상량 θ _R = nπ/4 (n∈{1,3,5,7}) 만큼 회전시킨 후 이의 공액복소수를 이용하여 위상편이를 추정하고 추정된 위상을 보상하는 방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 도 1과 같이, QPSK 수신신호와 이미 알려진 프리앰블 심벌열을 회전위상량 θ _R = nπ/4 (n∈{1,3,5,7}) 만큼 회전시킨 신호열의 공액복소수를 이용하여 최우도 위상 추정을 하는 회전위상추정기(10)와; 상기 회전위상추정기(10)에서 추정한 위상과 위상추정시 프리앰블 신호열의 공액복소수를 회전시킨 회전위상량 θ _R 을 참조하여 위상편이량을 보상하는 위상편이보상기(20)로 구성되는 동기(coherent) QPSK 통신 시스템에 이용하기 위한 위상편이 추정 및 복원 방법 및 그 장치이다.

본 발명에서는 심벌 시간(symbol timing)은 이상적이고, 주파수 편이는 없으며, 수신된 심벌의 신호열은 이미 알려진 QPSK 신호열임을 가정한다.

따라서, 상기 복수곱셈기에서 k번째 수신신호는 다음과 같이 표시된다.

여기서, c(k)는 k번째 심벌구간에서 받는 알려진 QPSK 신호이고, 도 2에 나 타낸 QPSK 성상도와 같이

중 하나이며,

로 정규화 되어 있고, θ ₀는 송신기와 수신기의 국부발진기의 기준위상차에 의해서 발생하는 위상편이이고, T는 한 심벌길이이고, n(kT)는 k번째 심벌에 해당하는 시간의 가산성 백색 가우시안 잡음(additive white Gaussian noise)으로 평균이 0 이고 분산이 N₀/2E_S 인 랜덤 변수이고, 신호성분과 잡음성분은 서로 통계적으로 독립이고, 잡음 성분 각각은 통계적으로 서로 독립이다.

또한, 각 프레임의 프리앰블에 해당하는 구간 중 일부 또는 전체를 관찰구간으로 한다. 일반적인 표현을 위해 관찰 구간길이를 MT 즉, M 심벌구간 동안의 심벌을 관찰하여 위상편이를 추정하는 것으로 한다.

M 심벌구간 동안의 관찰구간에 대하여 기존의 최우도 위상 추정은 다음과 같이 할 수 있다.

여기서, c(k)^* 는 c(k)의 공액복소수이고, arg(x)는 복소수 x의 위상을 계산하는 함수로 그 결과값은 [-π,π) 사이의 값이다. 본 발명에서 사용하는 최우도 위상 추정은 수학식 3과 같이 할 수 있다.

여기서,

는 c(k)를 회전위상량 θ_R (=nπ/4; n∈{1,3,5,7}) 만큼 회전시킨 신호로 정의되며 도 3과 같은 성상을 갖는다. 도 2와 도 3에 나타낸 두 성상도를 비교하여 보면, 도 2의 성상도는 한 심벌을 나타내기 위해 실수와 허수가 동시에 사용되면서 각각의 크기는

이지만 도 3의 성상도는 실수나 허수 하나만 필요하고 그 크기 또한 1이 된다. 그러므로, 수학식 2와 같이 기존의 ML위상편이 추정시 k번째 알려진 위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c(k)^* 와 수신신호 r(kT)을 곱하는 복소곱셈연산식은

;
상기 식과 같이, 실제로 4번의 실수곱셈과 2번의 덧셈(뺄셈의 복잡도는 덧셈과 같으므로 덧셈의 연산횟수와 동일 취급함)이 필요하다. 기존의 ML 방법에서는 추정을 위해 이러한 과정을 M개의 심볼구간에 대하여 연산을 하여야 하므로, 4M번의 곱셈, 4M-2번의 덧셈 및 한번의 arg()연산이 필요하다. 그러나 본 발명에서 제안하는 위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*를 이용하여 수신신호 r(kT)와 곱하는 복소곱셈연산에서는 위상회전된 프리앰플 심벌의 공액복소수의 실수부와 허수부중 둘 중 하나는 반드시 0이 되므로 덧셈연산이 없어지고, 그 크기가 1이므로 곱셈연산 또한 필요없이 위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*에 따라 수신신호의 부호를 바꾼다든지 실수부와 허수부를 바꾸는 연산으로 복소곱셈을 대체할 수 있다. 즉, 위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*에 따라

위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*가 1인 경우,

;

위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*가 -1인 경우,

;

위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*가 j인 경우,

;

위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*가 -j인 경우,

가 되어 시스템 구현시 곱셈기와 덧셈기가 필요없이 복소 곱셈을 구현할 수 있어 구현 시스템의 복잡도가 줄어든다. 상기와 같은 식을 표로 정리하면,

수학식 3 을 이용하는 위상추정블럭에 대한 보다 자세한 기능 블럭도를 도 4 에 도시하였다. 도 4의 기능 블럭도에서 보듯이, 복소곱셈기, 누산기 및 위상연산기는 수학식 3 을 순서적으로 계산하고 있음을 알 수 있다.

먼저, 상기 복소곱셈기에서는 k번째 수신신호와 알려진 k번째 전송신호의 공액복소수를 θ _R 만큼 회전시킨 신호와 복소 곱셈을 하고, 복소 곱셈 결과를 MT 시간동안 상기 누산기에서 누적한 후, MT 시간동안 누산기에 누적된 복소값의 위상을 계산하는 arg()연산을 상기 회전위상추정기(10)에서 수행한다.

그리고, 상기 복소곱셈기는 수신 샘플과 위상회전된 프리앰블 심벌을 곱하되, 제어신호가 2개이고 입력이 2개 출력이 2개인 스위치 장치로서, 상기 제어신호 2개는 위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*가 가질 수 있는 4가지 값을 표현하고, 상기 2개의 입력은 수신신호 r(kT)의 실수부값과 허수부값이고, 상기 2개의 출력은 r(kT)c_R(k)^*의 복소 곱셈결과의 실수부값과 허수부값으로 나타난 결과값을 제어값인 위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*에 따라 복소 곱셈결과를 출력하도록 된다.

수학식 3 을 이용하여 계산하는 위상추정치의 이론적인 값은 수학식 1 에서 백색 가우시안 잡음성분을 무시하고 수학식 3 에 대입하여 계산하면 다음과 같은 값을 얻을 수 있다.

여기서, x mod 2π 는 x에 2π의 정수배를 더하거나 빼서 (-π,π] 범위의 값으로 변환하는 연산이다.

추정한

은 수학식 4 에서 보듯이 -θ _R 만큼 바이어스되어 있으므로 바이어스된 위상을 더하여 위상편이를 계산하고, 계산된 위상편이양만큼 수신신호 의 위상을 회전시켜 위상편이를 보상한다.

여기서, r₀(kT)는 r(kT)에 존재하는 위상편이를 보상한 심벌 샘플이다.

수학식 5 에 나타낸 위상편이 보상과정을 수행하는 기능블록이 도 1에 나타낸 위상편이보상기(20)이다. 이 위상편이보상기(20)의 보다 상세한 기능블록도를 도 5에 나타내었다. 도 5에서 보듯이 수신신호 r(kT)와 추정위상

을 위상복원기의 입력으로 사용하며, 수신신호 r(kT)를 위상편이가 추정되는 시간동안 저장하기위한 지연블록, 추정위상

에 회전위상량 θ _R 을 더하는 덧셈기, 덧셈기의 출력 위상을 크기가 1인 복소값으로 바꾸는 좌표계변환기, 지연블록의 출력과 좌표계변환기의 출력을 곱하는 복소곱셈기로 구성된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 QPSK 변조방식을 사용하는 동기전송방식에서 반드시 필요한 위상편이 추정 및 이의 보상 방법을 구현함에 있어 회전 QPSK 신호를 이용함으로써 기존의 위상편이 추정시 필요한 복소곱셈을 제거할 수 있어 위상편이 추정시 필요한 연산은 곱셈이 필요없이 덧셈(2M-2)번과 한번의 arg()연산으로써, 기존의 ML방법에 비하여 계산량 크게 줄일 수 있다
또한, 실제 ASIC으로 위상편이 추정기를 구현하였을 경우, 상기 ML방법의 경우에는 r(kT)·c_R(k)^* 연산을 위하여 복소곱셈기를 구현하여야 하지만, 본 발명에서는 위상회전된 QPSK신호를 사용한 r(kT)·c_R(k)^* 의 연산은 c_R(k)^* 에 따라 r(kT)의 실수부와 허수부를 바꾸거나 부호를 바꾸는 선택기블럭으로 구현할 수 있어 구현 복잡도를 낮출 수 있다.
그러나, 회전 QPSK 신호를 위상편이 추정시 사용함으로 인하여 위상편이보상시 추가적으로 회전위상량을 더해주는 덧셈이 1번 추가로 필요하게 되지만 위상편이 추정 및 보상에 필요한 전체 연산량 감소에 비춰볼 때 추가로 필요한 덧셈이 차지하는 비중은 미미하다.

Claims

QPSK 수신신호와 이미 알려진 프리앰블 신호열을 회전위상량 θ _R = nπ/4 (n∈{1,3,5,7}) 만큼 회전시킨 신호열의 공액복소수를 이용하여 최우도 위상편이 추정단계;

추정한 위상편이
에 회전위상량 θ _R 을 더하는 단계;

계산된 위상만큼 수신신호의 위상을 시계방향으로 회전시켜 위상편이를 보상하는 위상편이 보상단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전 큐피에스케이 신호를 이용한 위상편이 추정 및 보상 방법.
제1항에 있어서,

상기 최우도 위상편이 추정단계는 관찰구간(MT)에 대하여 프리앰블 심벌열을 회전위상량 θ _R = nπ/4 (n은 홀수) 만큼 회전시킨 심벌열인 c_R(k)를 이용하여
과 같이 최우도 위상편이를 추정하도록 되되, 여기서
는
의 공액복소수이고, arg(x)는 복소수 x의 위상을 계산하는 함수로 그 결과값은
사이의 값인 것을 특징으로 하는 회전 큐피에스케이 신호를 이용한 위상편이 추정 및 보상 방법.
제1항에 있어서,

상기 위상편이 보상단계는 추정한 위상편이
에 회전위상량 θ _R 을 더한 다음 결과위상 만큼 수신신호 r(kT)를 다음의 식;

와 같이 반시계방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 회전 큐피에스케이 신호를 이용한 위상편이 추정 및 보상 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 수신신호 r(kT)와 위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^* 를 곱할 경우,

상기 위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*에 따라

위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*가 1인 경우,
;

위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*가 -1인 경우,
;

위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*가 j인 경우,
;

위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*가 -j인 경우,
가 되어 복소 곱셈이 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전 큐피에스케이 신호를 이용한 위상편이 추정 및 보상 방법.
QPSK 수신신호와 이미 알려진 프리앰블 심벌열을 회전위상량 θ _R = nπ/4 (n∈{1,3,5,7}) 만큼 회전시킨 신호열의 공액복소수를 이용하여 최우도 위상 추정을 하는 회전위상추정기와;

상기 회전위상추정기에서 추정한 위상과 위상추정시 프리앰블 신호열의 공액복소수를 회전시킨 회전위상량 θ _R 을 참조하여 위상편이량을 보상하는 위상편이보상기로 구성되는 회전 큐피에스케이 신호를 이용한 위상편이 추정 및 보상 장치.
제5항에 있어서,

상기 회전위상추정기는,

k번째 수신신호와 알려진 k번째 전송심벌을 회전위상량 θ _R 만큼 회전시킨 심벌의 공액복소수와 곱하는 복소곱셈기;

관찰 구간 시작시 복소수 (0+j0)으로 초기화 되고 복소 곱셈 결과를 MT 시간동간 누적하는 누산기;

MT 시간동안 누산기에 누적된 복소값의 위상을 계산하는 arg()연산기로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전 큐피에스케이 신호를 이용한 위상편이 추정 및 보상 장치.
제5항에 있어서,

상기 위상편이보상기는,

수신신호 r(kT)를 위상편이가 추정되는 시간동안 저장하기위한 지연블록;

추정위상
에 회전위상량 θ _R 을 더하는 덧셈기;

덧셈기의 출력 위상을 크기가 1인 복소값으로 바꾸는 좌표계변환기;

지연블록의 출력과 좌표계변환기의 출력을 곱하는 복소곱셈기로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전 큐피에스케이 신호를 이용한 위상편이 추정 및 보상 장치.
제6항에 있어서,

상기 복소곱셈기는 수신 샘플과 위상회전된 프리앰블 심벌을 곱하되, 제어신호가 2개이고 입력이 2개 출력이 2개인 스위치 장치로서,

상기 제어신호 2개는 위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*가 가질 수 있는 4가지 값을 표현하고, 상기 2개의 입력은 수신신호 r(kT)의 실수부값과 허수부값이고, 상기 2개의 출력은 r(kT)c_R(k)^*의 복소 곱셈결과의 실수부값과 허수부 값으로 나타난 결과값을 제어값인 위상회전된 프리앰블 심벌의 공액복소수 c_R(k)^*에 따라 복소 곱셈결과를 출력하도록 된 것을 특징으로 하는 회전 큐피에스케이 신호를 이용한 위상편이 추정 및 보상 장치.