KR100583240B1 - 디지털 방송 수신 성능 개선을 위한 최적의 빔 선택 방법및 그를 이용한 디지털 방송 수신 장치 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 디지털 방송 수신 성능 개선을 위한 최적의 빔 선택 방법 및 그를 이용한 디지털 방송 수신 장치에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은, 디지털 방송 수신 장치에서 형성된 다수의 빔 출력신호 중에서 왜곡이 가장 적은 빔 출력신호를 선택함으로써, 수신 성능을 향상시킬 수 있게 하는, 디지털 방송 수신 성능 개선을 위한 최적의 빔 선택 방법 및 그를 이용한 디지털 방송 수신 장치를 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 디지털 방송 수신 장치에서의 빔 선택 방법에 있어서, 배열안테나의 배열 위치에 따라 위상천이된 다수의 안테나 출력신호로부터 지향방향에 따라 형성된 소정의 개수의 빔 각각에 대하여, 해당 채널 프로파일을 이용하여 '주경로신호 대 다중경로신호/잡음 비(SMNR: mainpath Signal to Multipath signal and Noise Ratio)'를 계산하는 SMNR 계산 단계; 상기 SMNR 계산 단계에서 계산된 각각의 빔에 대한 SMNR을 비교하여 SMNR이 큰 빔을 소정의 개수만큼 선택하는 제 1 빔선택 단계; 상기 제 1 빔선택 단계에서 선택된 빔 각각에 대하여, 해당 채널 프로파일을 이용하여 '주경로신호 대 우세한 다중경로신호 비'(SDMR: mainpath Signal to Dominant Multipath signal Ratio) '를 계산하는 SDMR 계산 단계; 및 상기 제 1 빔선택 단계에서 계산된 SDMR들을 비교하여 SDMR이 가장 큰 빔 출력신호를 선택하는 제 2 빔선택 단계를 포함함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 디지털 방송 수신 장치 등에 이용됨.

DTV 수신기, 디지털방송 수신 장치, 채널 프로파일, 빔 선택, SMNR, SDMR, 주경로신호 대 다중경로신호/잡음 비, 주경로신호 대 우세한 다중경로신호 비

Description

디지털 방송 수신 성능 개선을 위한 최적의 빔 선택 방법 및 그를 이용한 디지털 방송 수신 장치{Optimal Beam Selection Method for improving digital broadcasting reception performance, and Digital Broadcasting Receiving Apparatus}

도 1 은 본 발명에 따른 최적의 빔 선택을 이용한 디지털 방송 수신 장치의 일실시예 구성도,

도 2 는 본 발명에 따른 디지털 방송 수신 성능 개선을 위한 최적의 빔 선택 방법에 대한 일실시예 흐름도,

도 3 내지 도 7 은 빔 지향각에 따른 빔 출력의 채널 프로파일에 대한 설명도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100: 배열 안테나 101: RF 프런트엔드

102: 빔 형성기 103: 복조기

104: 상관기 105: 빔 선택기

106: 등화기

본 발명은 최적의 빔 선택을 이용한 디지털 방송 수신 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디지털 방송 수신 장치에서 형성된 다수의 빔 출력신호 중에서 왜곡이 가장 적은 빔 출력신호를 선택하는, 디지털 방송 수신 성능 개선을 위한 최적의 빔 선택 방법 및 그를 이용한 디지털 방송 수신 장치에 관한 것이다.

ATSC(Advanced Television Systems Committee) 방식의 DTV(Digital TV) 전송방식은 높은 데이터율로 고화질 영상을 전송할 수 있는 시스템이나, 크기가 큰 다중경로신호나 도플러 천이 현상에 의해 수신성능이 많이 좌우된다. 따라서, 실내 수신환경이나 이동 수신 환경과 같은 열악한 채널 환경에서는 DTV 수신기의 등화기가 채널 왜곡을 완전히 보상하지 못하여 수신 성능이 현저히 저하되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 극복하기 위해, 시간영역에서의 신호처리뿐만 아니라 공간영역에서의 신호처리도 수행함으로써, 등화기에서 보상하여야 할 채널의 왜곡을 줄이는 방법을 제안되게 되었다.

종래의 공간 신호처리를 할 수 있는 빔 형성 기술은 크게 적응 빔 형성 신호처리 방법과 선택형 빔 형성 신호처리 방법으로 나누어질 수 있다.

적응 빔 형성 방법은 빔 형성을 위한 웨이트 계수를 실시간, 적응적으로 계산하는 반면에, 선택형 빔 형성 방법은 지정된 방향으로 고정된 웨이트 계수를 사 용해 여러 개의 빔을 형성시키고 그 여러 개의 빔 출력 중에서 가장 수신 성능이 높은 신호를 선택해 사용한다. 따라서, 선택형 빔 형성 방법은 적응 빔 형성 방법보다 구현이 간단하고 DTV 시스템에 적용가능성이 높다는 장점이 있다.

즉, 선택형 빔 형성 방법은, DTV 수신기와 결합함으로써 비교적 간단한 방법으로 수신성능을 개선시키기 때문에, 현재 주목받고 있다. 선택형 빔 형성 시스템을 거친 수신신호는 다중경로 신호가 어느 정도 제거되어 DTV 수신기에 들어오기 때문에, DTV 수신기의 등화기(Equalizer)가 비교적 쉽게 왜곡된 채널을 보상할 수 있다. 이 때, 여러 개의 형성된 빔 중에서 가장 채널 개선이 많이 되어 등화기가 채널을 보상하기 가장 쉬운 빔을 선택하는 것이 성능 개선에 있어서 중요한 관건이다.

보다 상세하게, 설명하면, 다음과 같다. 상기와 같은 종래의 선택형 빔 형성 기술에서의 빔 선택 방법은 각 빔출력의 신호를 이용하여 채널 프로파일을 구한 후, 특정 임계값을 정해 그 특정 임계값보다 큰 다중경로 신호를 갖는 빔들 중에서 그 다중경로 신호가 가장 적은 빔을 최종적으로 선택하는 것이다.

그러나, 빔 선택의 기준이 되는 임계값은 주경로 신호 크기에 대한 다중경로 신호 크기의 상대 비교값 등이 될 수 있으며, 응용조건에 따라 다양하게 결정될 수 있으나, 이러한 임계값을 정의하는 것은 쉽지 않다. 즉, 임계값이란 채널 상황이나 등화기 구조에 따라서 유동적으로 변하는 값이므로, 항상 채널 상황이나 등화기 구조에 따라서 임계값를 계산하여 변화시킨다는 것은 매우 어렵다는 문제점이 있다.

요컨대, 종래의 선택형 빔 형성 기술에서는, 임계값의 기준에 따라서 달라지 겠지만 지향 각도에 달라지는 수많은 채널프로 파일을 대상으로 특정 임계값을 정하는 것이 매우 곤란하고, 설령 임계값을 정한다 하더라도 최적의 빔을 선택하기가 매우 어렵다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 디지털 방송 수신 장치에서 형성된 다수의 빔 출력신호 중에서 왜곡이 가장 적은 빔 출력신호를 선택함으로써, 수신 성능을 향상시킬 수 있게 하는, 디지털 방송 수신 성능 개선을 위한 최적의 빔 선택 방법 및 그를 이용한 디지털 방송 수신 장치를 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 발명은, 디지털 방송 수신 장치에서의 빔 선택 방법에 있어서, 배열안테나의 배열 위치에 따라 위상천이된 다수의 안테나 출력신호로부터 지향방향에 따라 형성된 소정의 개수의 빔 각각에 대하여, 해당 채널 프로파일을 이용하여 '주경로신호 대 다중경로신호/잡음 비(SMNR: mainpath Signal to Multipath signal and Noise Ratio)'를 계산하는 SMNR 계산 단계; 상기 SMNR 계산 단계에서 계산된 각각의 빔에 대한 SMNR을 비교하여 SMNR이 큰 빔을 소정의 개수만큼 선택하는 제 1 빔선택 단계; 상기 제 1 빔선택 단계에서 선택된 빔 각각에 대하여, 해당 채널 프로파일을 이용하여 '주경로신호 대 우세한 다중경로신호 비'(SDMR: mainpath Signal to Dominant Multipath signal Ratio) '를 계산하는 SDMR 계산 단계; 및 상기 제 1 빔선택 단계에서 계산된 SDMR들을 비교하여 SDMR이 가장 큰 빔 출력신호를 선택하는 제 2 빔선택 단계를 포함한다.

한편, 본 발명은, 빔 선택형 디지털 방송 수신 장치에 있어서, 배열 안테나의 각각의 안테나소자를 통하여 수신되는 무선주파수 신호를 중간주파수 (IF) 대역의 디지털 신호로 변환하기 위한 다수의 RF 프런트엔드 수단; 상기 RF 프런트엔드 수단에서 출력되는 IF 신호를 이용하여, 지향방향에 따라 다른 빔을 형성하기 위한 다수의 빔 형성 수단; 상기 빔 형성 수단에서 형성된 빔 출력신호를 심볼단위의 기저대역신호로 복조하기 위한 다수의 복조 수단; 상기 복조 수단의 출력 신호를 훈련열신호와 상관시켜서 채널 프로파일을 생성하기 위한 다수의 상관 수단; 상기 상관 수단에서 생성된 각각의 채널 프로파일에 대한 '주경로신호 대 다중경로신호/잡음 비(SMNR)' 및 '주경로신호 대 우세한 다중경로신호 비(SDMR)'를 이용하여, 상기 복조 수단의 출력 신호 중 왜곡이 가장 적은 신호를 선택하기 위한 빔선택 수단; 및 상기 빔선택 수단의 출력 신호에서 채널 왜곡을 보상하기 위한 등화 수단을 포함한다.

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 1 은 본 발명에 따른 최적의 빔 선택을 이용한 디지털 방송 수신 장치의 일실시예 구성도이다.

배열 안테나(100)의 개수, 빔을 지향하는 방향과 개수가 결정되면 방향에 따른 웨이트 계수가 결정이 된다. 도 1에서 M은 배열 안테나 소자의 개수를 나타내고 N은 결정된 빔 개수를 나타낸다.

각 안테나 소자에 들어오는 수신 신호는 안테나 배열 위치에 따라 다른 위상 천이(phase shift)를 가지고 입사하게 된다. 각각의 안테나 입사 신호는 RF 프런트엔드(front end)단(101)을 거치면서 최종적으로 IF대역의 디지털 신호로 만들어진다.

지향 방향이 다른 N개의 빔 형성기(102)는 각각 M개의 RF 프런트엔드(front end)단(101)의 출력 신호를 받아들여, 빔의 지향 방향에 따라 각각 다른 빔을 형성하게 된다. 복조기(103)는 각각의 빔 형성기(Beamformer)(102)의 출력 신호를 심볼 단위의 기저대역 신호로 복조하게 된다.

채널 프로파일의 추정을 위해, 각 복조기 출력 신호는 상관기 (Correlator)(104)를 거치게 된다. 상관기(104)는 복조기 출력 신호와 필드 세그먼트의 PN511신호의 상호 상관(cross correlation)을 이용하여 채널 프로파일을 구한다. 여기서, 필드 세그먼트의 PN511신호는 일종의 훈련열 신호와 같다. 상관기(104)의 출력신호인 채널 프로파일은 도 3 내지 도 7 과 같으며, 이는 특정채널에서 각각 - 30°에서 30°까지 15°간격으로 빔을 형성했을 때의 결과이다.

N개 상관기(104)의 출력 신호를 빔 선택기(105)에 넘겨주면, 빔 선택 알고리즘을 이용하여 빔 선택기(105)가 선택한 n번째 빔의 복조기 출력 신호가 등화기 (106)의 입력 신호가 된다.

그러면, 등화기(106)는 빔선택기(105)의 출력 신호에서 잔존하는 채널 왜곡을 보상하는 과정을 수행한다.

도 2 는 본 발명에 따른 디지털 방송 수신 성능 개선을 위한 최적의 빔 선택 방법에 대한 일실시예 흐름도로서, 여러 개의 빔중에서 수신성능을 가장 많이 개선시킬 수 있는 신뢰성 있는 빔 선택을 위한 알고리즘을 나타내며, 이러한 방법은 빔선택기(105)에서 수행된다. 즉, 본 발명은, 여러 개의 빔 출력 신호 가운데 DTV 수신 장치의 등화기(106)에 왜곡 정도가 가장 덜한 신호를 넘겨주기 위한 빔 선택 알고리즘에 관한 것이다.

본 발명은, 채널 프로파일에서 '주경로신호 대 다중경로신호/잡음 비 (SMNR: mainpath Signal to Multipath signal and Noise Ratio)'와, '주경로신호 대 우세한 다중경로신호 비(SDMR: mainpath Signal to Dominant Multipath signal Ratio)'조건을 이용하여 최적의 빔을 선택하는 것으로서, 그 구체적인 과정은 다음과 같 다.

빔선택기(105)는 상관기(104)에서 추정된 채널 프로파일들을 이용하여 각각의 빔에 대한 SMNR을 계산한다(201). 구체적으로, SMNR은 도 3 내지 도 7과 같은 채널프로파일에서 크기(Amplitude)가 가장 큰 신호(301)를 주경로신호로 보고, 이 주경로신호를 제외한 나머지 신호들(302, 303)을 모두 다중경로신호 및 잡음으로 하여 계산한다.

그리고 나서, "201"에서 계산한 SMNR을 이용하여, 1차적으로 SMNR이 큰 빔을 2 ~ 3개 정도 선택한다(202). 1차 선택 빔의 개수는 DTV 수신 장치에 적용되는 빔 개수에 따라서 결정된다. 여기서, 선택된 빔은 모두 DTV 수신 장치의 성능을 개선시킬 수 있는 가능성을 가지게 된다

상기 과정을 통하여 1차적으로 선택된 빔 들에 대하여, 해당 채널 프로파일을 이용하여 SDMR을 계산한다(203). 즉, SDMR은 주경로신호 대 크기가 가장 큰 다중경로신호 비로 계산한다. 이러한 조건으로 비교하는 것은 다중경로 신호의 크기 분포를 확인하는 과정이라 할 수 있다. 1차적으로 선택된 빔들의 SMNR이 비슷한 값일 때, 한 개의 큰 다중경로 신호가 있는 빔 출력 신호와 작은 다중경로 신호들이 여러 개 존재하는 빔 출력 신호가 있다면, 등화기(106) 입장에서는 후자를 선택하는 것이 성능 개선 측면에서 우수한데, "204"과정은 이를 고려하는 과정이다.

끝으로, 1차적으로 선택된 2 ~ 3개의 빔의 채널 프로파일에서 SDMR을 비교하여 SDMR이 가장 큰 빔 출력신호(복조기의 출력신호)를 최종적으로 선택한다(204).

도 3 내지 도 7 은 빔 지향각에 따른 빔 출력의 채널 프로파일에 대한 설명 도이다.

도 3은 빔 지향각이 -30°일 때의 빔 출력(첫번째 빔 출력)의 채널 프로파일을 나타내고, 도 4는 빔 지향각이 -15°일 때의 빔 출력(두번째 빔 출력)의 채널 프로파일을 나타내며, 도 5는 빔 지향각이 0°일 때의 빔 출력(세번째 빔 출력)의 채널 프로파일을 나타내며, 도 6은 빔 지향각이 15°일 때의 빔 출력(네번째 빔 출력)의 채널 프로파일을 나타내며, 도 7은 빔 지향각이 30°일 때의 빔 출력(다섯번째 빔 출력)의 채널 프로파일을 나타낸다.

도 3 내지 도 7의 결과를 두고 종래기술과 본 발명을 비교하면, 다음과 같다. 임계값을 0.5라고 가정하고 빔을 선택할 경우, 도 3 내지 도 7 에 도시된 바와 같은 채널 프로파일 중에서 임계값을 넘는 다중경로 신호가 존재하지 않는다. 그러나, 본 발명을 사용할 경우에는 도 3과 도 7에 도시된 바와 같은 채널 프로파일이 1차적으로 선택되고, 2차 선택 조건의 적용에 따라 도 3에 도시된 바와 같은 채널 프로파일이 최종적으로 선택되게 된다.

상기와 같은 결과에서 알 수 있듯이, 종래 기술을 적용할 경우에는, 임계값의 기준에 따라서 달라지겠지만 지향 각도에 따라 달라지는 수많은 채널 프로파일을 대상으로 특정 임계값을 정하는 것은 매우 곤란하고, 설령 임계값을 정한다 하더라도 최적의 빔을 선택하기가 매우 어렵다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상 의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.

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, 이동 수신과 실내 수신 환경에서 DTV 수신기의 성능을 향상시킬 수 있는 신뢰성 있는 최적의 빔을 선택하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 빔을 선택하는데 있어 특정 수치나 한계에 대한 기준을 정하지 않고, 주어진 결과에서 SMNR 과 SDMR 조건에 따라 빔을 단계적으로 선택함으로써, 주어진 결과 안에서 최적의 수신 성능을 갖게 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명을 이용한 빔 선택형 DTV 수신기는 열악한 DTV 수신 환경의 채널에서 빔의 지향성을 이용하여 다중경로 신호의 크기를 줄임으로써 DTV 수신기의 성능을 개선시키는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 디지털 방송 수신 장치에서의 빔 선택 방법에 있어서,

   배열안테나의 배열 위치에 따라 위상천이된 다수의 안테나 출력신호로부터 지향방향에 따라 형성된 소정의 개수의 빔 각각에 대하여, 해당 채널 프로파일을 이용하여 '주경로신호 대 다중경로신호/잡음 비(SMNR: mainpath Signal to Multipath signal and Noise Ratio)'를 계산하는 SMNR 계산 단계;

   상기 SMNR 계산 단계에서 계산된 각각의 빔에 대한 SMNR을 비교하여 SMNR이 큰 빔을 소정의 개수만큼 선택하는 제 1 빔선택 단계;

   상기 제 1 빔선택 단계에서 선택된 빔 각각에 대하여, 해당 채널 프로파일을 이용하여 '주경로신호 대 우세한 다중경로신호 비'(SDMR: mainpath Signal to Dominant Multipath signal Ratio) '를 계산하는 SDMR 계산 단계; 및

   상기 제 1 빔선택 단계에서 계산된 SDMR들을 비교하여 SDMR이 가장 큰 빔 출력신호를 선택하는 제 2 빔선택 단계

   를 포함하는 디지털 방송 수신 성능 개선을 위한 최적 빔 선택 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 SMNR 계산 단계에서의 SMNR 계산 과정은,

   각각의 채널 프로파일마다 크기(Amplitude)가 가장 큰 신호를 주경로신호로 하고, 상기 주경로신호를 제외한 나머지 신호들을 모두 다중경로신호 및 잡음으로 하여 SMNR을 계산하는 것을 특징으로 하는 디지털 방송 수신 성능 개선을 위한 최적의 빔 선택 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 빔 선택 단계에서의 소정의 개수는,

   상기 디지털 방송 수신 장치에 적용되는 빔 개수에 따라서 결정되는 것을 특징으로 하는 디지털 방송 수신 성능 개선을 위한 최적의 빔 선택 방법.
4. 빔 선택형 디지털 방송 수신 장치에 있어서,

   배열 안테나의 각각의 안테나소자를 통하여 수신되는 무선주파수 신호를 중간주파수 (IF) 대역의 디지털 신호로 변환하기 위한 다수의 RF 프런트엔드 수단;

   상기 RF 프런트엔드 수단에서 출력되는 IF 신호를 이용하여, 지향방향에 따라 다른 빔을 형성하기 위한 다수의 빔 형성 수단;

   상기 빔 형성 수단에서 형성된 빔 출력신호를 심볼단위의 기저대역신호로 복조하기 위한 다수의 복조 수단;

   상기 복조 수단의 출력 신호를 훈련열신호와 상관시켜서 채널 프로파일을 생성하기 위한 다수의 상관 수단;

   상기 상관 수단에서 생성된 각각의 채널 프로파일에 대한 '주경로신호 대 다중경로신호/잡음 비(SMNR)' 및 '주경로신호 대 우세한 다중경로신호 비(SDMR)'를 이용하여, 상기 복조 수단의 출력 신호 중 왜곡이 가장 적은 신호를 선택하기 위한 빔선택 수단; 및

   상기 빔선택 수단의 출력 신호에서 채널 왜곡을 보상하기 위한 등화 수단

   을 포함하는 최적의 빔 선택을 이용한 디지털 방송 수신 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 빔 선택 수단은,

   제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 최적의 빔 선택을 이용한 디지털 방송 수신 장치.

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