KR100606739B1 - 다중 안테나를 이용한 채널 등화기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 안테나를 이용한 채널 등화기에 관한 것으로, 본 발명은 다수 개의 안테나를 통해 입력되는 신호를 주파수 영역에서 각각 등화 하여 출력하는 다수 개의 등화기와; 상기 등화 과정에서 증폭된 잡음(noise)을 컨쥬게이트-그래디언트 (Conjugate-Gradient) 알고리즘을 이용하여 예측하는 잡음 예측기와; 상기 등화기의 출력값에서 상기 잡음 예측기로부터 예측된 잡음을 제거하여 최종 출력 신호를 생성하는 뺄셈기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 채널 등화기를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따르면 하드웨어의 구성을 간단하게 하고 복잡도를 줄일 수 있고 또한 컨쥬게이트-그래디언트 알고리즘을 이용함으로써 빠른 동적 채널에서도 채널 등화 할 수 있다.

채널 등화기, Conjugate Gradient(CG), Minimum Mean Square Error(MMSE)

Description

다중 안테나를 이용한 채널 등화기{Apparatus and Method of using Multiplexing Antenna Channel Equalizing}

도 1은 본 발명과 관련된 시간 영역에서의 단일 안테나를 이용한 예측 결정 귀환 등화기의 구조를 나타낸 구성 블록도

도 2는 본 발명과 관련된 주파수 영역에서의 단일 안테나를 이용한 예측 결정 귀환 등화기의 구조를 나타낸 블록도

도 3은 본 발명과 관련된 시간 영역에서의 다중 안테나를 이용한 예측 결정 귀환 등화기의 구조를 나타낸 블록도

도 4는 본 발명과 관련된 시간 영역에서의 예측 결정 귀환 등화기의 MMSE 계수 계산기의 내부 구성 블록도

도 5는 본 발명에 따른 주파수 영역에서의 다중 안테나를 이용한 예측 결정 귀환 등화기의 구조를 나타낸 블록도

도 6은 본 발명과 관련된 CG 알고리즘을 설명하기 위한 도면

도 7은 본 발명에 따른 주파수 영역에서의 예측 결정 귀환 등화기의 MMSE 계수 계산기의 내부 구성 블록도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

601 : CG 채널 임펄스 응답 추정기 603 : FFT 부

605 : MMSE 계수 계산기 607 : FFT 부

609 : 곱셈기 611 : 덧셈기

615 : 뺄셈기 621 : IFFT 부

623 : CG 잡음 예측기 625 : 결정기

본 발명은 채널 등화 장치에 관한 것으로, 특히 다중 안테나(Multiplex Antenna)를 통해 수신되는 디지털 신호를 CG(CG : Conjugate Gradient) 알고리즘(Algorithm)을 이용하여 채널 등화 하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 디지털 송수신 시스템에서는 송신 단의 디지털 정보(음성, 데이터 혹은 영상)를 심볼(symbol)로 맵핑(mapping) 하고, 각 심볼을 크기 혹은 위상에 비례하는 아날로그 신호로 변환시켜 전송 채널을 통해 수신 단까지 전송하게 된다.

상기 수신 단에 도착한 신호는 다중 경로의 전송 채널을 통과하면서 인접 신호와의 간섭을 일으켜서 심하게 왜곡이 되어 있는 상태가 된다. 따라서, 왜곡된 수신 신호로부터 원래 신호를 복원해 내기 위해서는 채널의 보상을 위한 등화기의 채용이 필수적이다.

현재, 미국 방식의 지상파 방송과 같이 단일 반송파 전송 시스템용 수신장치에서 가장 많이 채택하고 있는 등화기로는 결정 귀환 등화기(Decision Feedback Equalizer : DFE)가 있다.

상기 결정 귀환 등화기에는 비선형 결정 귀환 등화기와 선형 결정 귀환 등화기가 있고, 이 중 상기 비선형 결정 귀환 등화기는 전단 필터(Feedforward Filter)를 통하여 메인 경로보다 시간적으로 먼저 도착한 경로의 신호들 즉, 전 고스트(ghost)의 영향을 제거하고, 후단 필터 혹은 귀환 필터(Feedback Filter)를 통하여 메인 경로보다 시간적으로 후에 도착한 경로의 신호들 즉, 후 고스트의 영향을 제거하게 된다.

그래서, 등화기의 출력 성분 속에 함께 담겨져 있는 잡음이 제거된 상태에서 귀환 필터의 입력으로 재입력되기 때문에 잡음 증폭 현상이 일어나지 않게 되어 일반적인 선형 등화기에 비해 우수한 성능을 낼 수 있다.

그러나 채널 왜곡이 심한 경우 상기 귀환 필터의 입력이 되는 판정 값에 판정 오차가 빈번히 존재하게 되고, 그 잘못 판정된 값이 귀환 필터 내에서 무한 루프를 돌며 계속해서 등화기의 성능을 열화 시키게 되는 오차 진행(Error Propagation) 상황에 빠질 수 있다.

또한, 메인 경로가 막히고 반사 경로만을 통해서 수신된 신호만 존재하는 경우 혹은 다중 안테나를 통하여 동일 신호가 서로 다른 경로로 전송된 경우(Single Frequency Network : SFN), 각 경로로 들어오는 에너지가 비슷한 상황이 발생하여 그 중 어느 신호를 메인으로 삼을 것인지 불분명하게 되는 경우가 있다.

즉, 시간 영역 등화기에서 메인 경로와 반사 경로의 위치가 수시로 바뀌는 경우 등화기의 성능 열화 현상이 발생하며, 이로 인해 프레임 동기가 흔들리면 등화기 후단에서 수행되는 채널 디코딩이 불가능하게 되는 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 채널 추정기(channel estimator)와 잡음 예측기(noise predictor)를 이용한 ZF(Zero Forcing) 주파수 영역 채널 등화 장치가 제안된 바 있다.

그러나 상기 주파수 영역 ZF 등화기는 정적 다중 경로 채널에서는 훌륭한 성능을 발휘하였으나, 채널 추정기가 프레임 동기 구간에서만 채널을 추정하여 등화기 계수를 갱신할 수 있기 때문에 동적 채널에서는 거의 등화가 이루어지지 못하는 문제점이 발생하였다.

상기 문제점을 보완하고자 주파수 영역 LMS(Least Mean Square) 등화기가 제안되었으며, 상기 주파수 영역 LMS 등화기는 채널 추정기를 이용하여 프레임 동기에서 등화기 계수를 구할 뿐만 아니라 데이터 구간에서도 LMS 알고리즘을 이용하여 등화기 계수를 갱신함으로써 동적 채널에서의 등화 성능을 향상시켰다.

따라서, 상기 LMS 알고리즘을 사용한 주파수 영역 등화기는 ZF 주파수 영역 등화기보다 채널이 열악하고 잡음이 심한 환경에서도 안정적으로 수렴하여 더 나은 성능을 보이지만 수렴 속도가 느려 실제 이동 차량이나 도로변과 같은 빠른 동적 채널에서는 제대로 채널 등화를 하지 못하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 다중 안테나를 통해 수신되는 각 경로의 채널의 임펄스 응답을 CG 알고리즘을 이용하여 추정하고 추정된 채널의 임펄스 응답을 이용하여 주파수 영역에서 MMSE 등화기 계수를 계산하고, 상기 계수를 이용하여 등화 하여 신호대 잡음 비가 최대가 되 도록 결합시키는 적응 등화기 구조를 제안하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다수 개의 안테나를 통해 입력되는 신호를 주파수 영역에서 각각 등화 하여 출력하는 다수 개의 등화기와; 상기 등화 과정에서 증폭된 잡음을 컨쥬게이트-그래디언트(Conjugate-Gradient) 알고리즘을 이용하여 예측하는 잡음 예측기와; 상기 등화기의 출력값에서 상기 잡음 예측기로부터 예측된 잡음을 제거하여 최종 출력 신호를 생성하는 뺄셈기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 채널 등화기를 제공한다.

여기에 미리 정해진 값 중에서 상기 최종 출력 신호와 가장 인접한 신호를 결정하여 상기 등화기와 잡음 예측기로 피드백시키는 결정기가 포함된다.

이때, 상기 다수 개의 등화기는 상기 각 안테나로 입력되는 시간 영역 신호들(

)을 FFT(Fast Fourier Transform)하여 주파수 영역 신호들(

)로 변환시키는 제 1 FFT 부와; 상기 각 안테나로 입력되는 신호들(

)과 상기 결정기에서의 출력을 수신하여 컨쥬게이트-그래디언트 알고리즘을 이용하여 각 안테나의 채널 임펄스 응답(

)들을 추정하는 채널 임펄스 응답 추정기와; 상기 추정된 채널 임펄스 응답(

)들을 FFT하여 주파수 영역으로 변환시키는 제 2 FFT 부와; 상기 제 2 FFT 부에서 변환된 신호들(

)을 이용해 MMSE 계수(

)를 구 하는 MMSE 계수 계산기와; 상기 구한 MMSE 계수(

)와 상기 제 1 FFT 부에서 변환된 신호(

)를 곱하여 등화 하는 곱셈기와; 상기 곱셈기에서 등화 된 신호들을 더하는 덧셈기와; 상기 덧셈기의 출력을 IFFT(Inverse FFT)하여 시간영역 신호로 변환하는 IFFT 부를 포함하여 이루어진 것이 바람직하다.

그리고 상기 MMSE 계수 계산기는 각 안테나로 수신된 신호의 주파수 영역으로 변환된 채널의 임펄스 응답을 모두 이용해서 평균 자승 오차(MSE)를 최소화하는 각 등화기의 계수를 계산한다. 즉, 덧셈기(307,611)에서 결합한 등화기 출력의 평균 자승 오차를 최소화하기 위해서 하나의 등화기 계수를 구할 때에도 모든 경로의 채널의 임펄스 응답을 사용한다.

그리고 각 경로에서 등화 된 신호는 덧셈기에서 결합한 뒤 시간영역으로 변환되므로 IFFT 부는 안테나의 개수에 상관없이 하나만 사용할 수 있다.

이때, 상기 잡음 예측기는 IFFT 부에서의 출력 신호와 상기 결정기의 출력을 이용하여 잡음을 예측하는 것이 바람직하다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

아울러 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 됨을 밝혀 두고자 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 다중 안테나를 이용한 채널 등화기에 대해 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 결정 귀환 등화기 구조는 잡음 증가가 적고, 무한 응답(Infinite Impulse Response : IIR) 필터를 포함하기에 상기 필터의 길이에 해당하는 시간 지연에 따른 신호 왜곡을 보상할 수 있다는 장점이 있으나, 잘못된 결정에 의한 불안정성의 문제점이 있다.

그래서, 상기 문제점을 보완하기 위해 선형 필터만을 갖는 예측 결정 귀환 등화기(predictive Decision Feedback Equalizer : pDFE) 구조가 제안되었으며, 이를 첨부한 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명과 관련된 시간 영역에서의 단일 안테나를 이용한 예측 결정 귀환 등화기의 구조를 나타낸 구성 블록 도인데, 상기 예측 결정 귀환 등화기는 선형 등화기(Linear Equalizer)(101), CG 채널 임펄스 응답 추정기(Conjugate-Gradient Channel Impulse Response estimator)(102), MMSE 계수 계산기(MMSE Coefficient Calculator)(103), CG 잡음 예측기(Conjugate-Gradient Noise Predictor)(104), 결정기(Decision Device)(105), 뺄셈기(107)를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 구조를 가지는 예측 결정 귀환 등화기는 입력 신호 u(n)을 선형 등화기(101)를 통해 선형 등화 하여 x(n)을 얻고, 상기 x(n)에서 CG 잡음 예측기(104)를 통해 등화 과정에서 증폭된 잡음(noise)을 예측한 n(n)을 뺄셈기(107)를 통해 제거하여 출력 신호인 y(n)을 구하게 된다.

이때, 상기 CG 잡음 예측기(104)는 상기 결정기에서 정해진 값 중에서 예측 결정 귀환 등화기의 출력 y(n)의 가장 인접한 신호 d(n)으로 판별한 값을 가지고 잡음을 예측하여 상기 n(n)을 구하게 된다.

이러한 예측 결정 귀환 등화기는 상기 잡음 예측기(104)가 결정 귀환 필터를 사용할 때 얻는 잡음 감소 구실을 대신하지만 선형 등화기(101)만을 이용하기 때문에 결정 귀환 등화기와 같은 영역의 왜곡(distortion)을 등화 하기 위해서는 보다 긴 필터가 필요하다.

그리고 도심지나 실내에서 방송을 수신하는 경우 신호 간섭에 의한 강한 왜곡이 생기게 되고, 이를 선형 등화 하기 위해서는 필터의 길이가 상당히 길어질 필요가 있다.

이때, 상기 선형 등화기(101)를 시간 영역(Time-Domain : TD)에서 구현한다면 하드웨어 복잡도가 많이 증가하게 되고, 적응 알고리즘을 LMS방식으로 사용한다면 필터 길이가 늘어남에 따라 등화기가 안정적으로 따라갈 수 있는 채널 변화의 속도가 더욱 떨어지게 된다.

이에 따라, 상기 선형 등화기(101)를 주파수 영역(Frequency-Domain : FD)에서 구현하는 방법이 제안되었고, 이를 첨부한 도 2에 도시하였다.

도 2는 본 발명과 관련된 주파수 영역에서의 단일 안테나를 이용한 예측 결 정 귀환 등화기의 구조를 나타낸 블록 도인데, 중첩기(Overlap)(201), FFT부(203, 207), CG 채널 임펄스 응답 추정기(209), MMSE 계수 계산기(209), 곱셈기(210), IFFT부(211), 세이브(SAVE)부(213), 뺄셈기(214), CG 잡음 예측기(215), 결정기(217)를 포함하여 구성된다.

상기 도 2와 같이 입력 데이터 u(n)을 중첩부(201)를 통해 중첩하고, FFT부(203)를 이용하여 주파수 영역의 신호 U(k)를 구한다. 이때, k는 N-point FFT를 사용하여 시간 데이터를 주파수 데이터로 변환하였을 때의 1부터 N까지에 해당하는 주파수 인덱스이다.

상기 구한 U(k)를 도 1에서처럼 입력 u(n)으로부터 CG 채널 임펄스 응답 추정기(205)를 통해 h(n)을 구하여 이를 FFT부(207)를 통해 상기 h(n)을 주파수 영역의 신호인 H(k)로 바꾼다.

상기 구한 H(k)를 이용하여 MMSE 계수 계산기(209)를 이용하여 c(k)를 구한다.

상기 구한 c(k)와 U(k)를 곱셈기(210)에서 곱하여 이를 다시 IFFT부(211)를 통과하여 주파수 영역 신호에서 시간 영역의 신호로 역변환된다. 상기 IFFT부(211)의 출력 값을 수신한 세이브 부(213)는 중첩된 데이터를 버리고 유효 데이터를 취함으로써 최종 결과 값인 x(n)을 얻게 된다.

상기 세이브 부(213)에서 출력된 x(n)과 CG 잡음 예측기(215)의 출력 n(n)을 뺄셈기(214)를 통해 제거하여 출력 y(n)을 구한다.

상기 CG 잡음 예측기(215)의 출력 n(n)은 결정기(217)를 이용하여 출력 y(n) 을 정해진 값 중에서 하나로 판정한 값 d(n)을 가지고 잡음을 예측하여 상기 구한 d(n)을 CG 잡음 예측기(215)를 통과시켜 상기 n(n)을 구하게 된다.

또한, 상기 출력 신호 y(n)을 이용하여 판정한 결정기(217)의 출력 d(n)은 CG 채널 임펄스 응답 추정기(209)의 입력으로도 들어간다.

즉, 상기 등화기 입력 데이터와 추정한 채널의 임펄스 응답을 FFT부(203, 207)를 이용하여 시간 영역 신호에서 주파수 영역 신호로 변환하고, 상기 주파수 영역에서 등화 한 뒤 이를 IFFT부(211)에서 다시 시간 영역으로 변환한다. 이 후 상술한 바와 같이 등화 과정에서 증폭된 잡음을 뺄셈기(214)를 통해 제거하여 최종 출력 y(n)을 얻는다.

상술한 도 1과 도 2의 내용은 하나의 안테나만을 이용하는 단일 안테나를 이용하는 경우에 등화기인데, 이는 하나의 안테나만을 이용하여 상기 안테나 경로에 따른 신호를 선형 등화하고, 등화 과정에서 증폭된 잡음을 상기 CG 잡음 예측기(107, 215)를 이용하여 제거하게 되므로, 도심지나 실내에서와 같이 다양한 경로를 통해 반사되는 신호를 수신하는 경우처럼 왜곡이 심한 채널에서는 잡음의 증폭이 많아지게 되어 등화기에서 신호의 왜곡을 보상하는 것이 쉽지 않다는 문제점이 있다.

그러므로 다중 안테나를 이용하여 시간 영역에서 예측 결정 귀환 등화기의 안테나가 L개인 경우에 대해 설명하면, 도 3은 본 발명과 관련된 시간 영역에서의 다중 안테나를 이용한 예측 결정 귀환 등화기의 구조를 나타낸 블록 도이다.

상기 도 1에서 단일 안테나를 이용하여 등화 하는 경우에 비해 상기 도 3에 서는 선형 등화기(301)와 CG 채널 임펄스 응답 추정기(303)가 안테나의 수만큼 추가되고, 상기 추가된 선형 등화기(301)에서 각각 등화 된 신호를 모두 더하는 구조를 가지는 점이 상이하다.

상기 도 3에서의 등화 과정을 보면, 각 안테나를 통해 입력되는 신호

(

,

은 안테나 개수)을 선형 등화 하여 얻은 값들을 모두 덧셈기(307)를 통해 더하면 x(n)이 구해지고, 상기 x(n)에서 출력을 구하기 위해 선형 등화기(301) 들에 의해 등화 과정에서 증폭된 잡음을 예측한 n(n)을 뺄셈기(309)를 통해 제거하여 최종 결과 y(n)을 얻는다.

이때, 상기 각 안테나로 수신된 신호들과 등화기의 최종 결과 y(n)의 결정 값 d(n)을 이용해서 채널의 임펄스 응답

(

,

은 안테나 개수)을 CG 알고리즘으로 추정하고 이 값들을 이용해서 MMSE 계수 계산기(307)에서 각 등화기(301)의 계수

(

,

은 안테나 개수)을 계산한다.

또한, 상기 CG 잡음 예측기(311)는 등화기의 출력 x(n)과 결정 값 d(n)을 가지고 상기 등화기에서 증폭된 잡음을 선형 예측하여 n(n)을 구하게 된다.

상기 채널 등화 과정에서 다중 안테나를 통해 입력되는 채널 임펄스 응답을 이용하여 MMSE 계수를 계산하는 계산기에 대해 그 내부 구성을 상세히 살펴보면, 도 4는 본 발명과 관련된 시간 영역에서의 예측 결정 귀환 등화기의 MMSE 계수 계산기(307)의 내부 구성 블록 도이다.

상기 MMSE 계수 계산기(307)는 다중 안테나를 통해 수신되는 CG 채널 임펄스 응답 추정치(

,i는 채널 개수)를 수신하여 컨벌루션 매트릭스 포맷터(501)에서 매트릭스(

,i는 채널 개수)를 구하고, 상기 구한 매트릭스를 허미션(503)부에서 전치하여 제 1 곱셈기(505)를 출력하는데, 이때 상기 곱셈기(505)는 상기 전치된 행렬과 전치 전 행렬을 곱하여 덧셈기(507)로 출력한다.

상기 덧셈기(507)에서는 채널 개수만큼 입력되는 상기 곱셈기(505)의 출력과 상기 등화기 입력단에서 계산한 신호대 잡음 비의 역수(

)를 더하고, 상기 덧셈기(507)에서의 출력을 이제 역변환(509)하여 각 채널별로 제 2 곱셈기(511)로 출력하면, 상기 제 2 곱셈기(511)에서는 상기 채널별 역변환된 값과 상기 최초의 다중 안테나를 통해 입력된 CG 채널 임펄스 응답 추정치(

,i는 채널 개수)를 곱하여 구한 값(

,i는 채널 개수)을 각 선형 등화기(301)로 출력한다.

이것은 신호를 시간 영역에서 MMSE 관점에서 MRC(Maximal Ratio Combining) 하여 등화 하도록 계수를 구하는 것이고, 이를 일반 수학식으로 표현하면 다음과 같다.

상기 l은 안테나 인덱스(index)이고, 상기 L은 안테나의 개수를, 상기

은 l번째 안테나로부터 들어오는 신호의 채널 임펄스 응답, 상기

은

을 이용해서 구성한 컨벌루션 연산을 위한 매트릭스(matrix), 상기 n은 시간 인덱스, 상기

는 잡음 대 신호비이고, 상기 u(n)은 l번째 안테나를 통해 들어오는 입력 신호를 나타낸다.

이때, 상기 신호들을 신호대 잡음 비(1/SNR)가 최대가 되도록 합한 신호가 x(n)이 된다.

도 5는 본 발명에 따른 주파수 영역에서의 다중 안테나를 이용한 예측 결정 귀환 등화기의 구조를 나타낸 블록 도인데, 이는 다중 안테나를 이용한 주파수 영역 예측 결정 귀환 등화기의 안테나가 L개인 경우에 해당하는 바람직한 일 실시 예이다.

상기 도 5는 상기 도 2의 안테나가 하나인 단일 안테나의 경우에 비해 상기 선형 등화 부분과 CG 채널 임펄스 응답 추정 부분이 안테나 수만큼 추가되고, 상기 추가된 선형 등화 부분에서 각 등화 된 신호를 모두 더하는 구조가 차이점이다. 이하 상기 본 발명에 대해 전술한 부분을 제외한 상기 차이점을 위주로 본 발명에 특징에 대해 상세히 살펴본다.

상기 CG 채널 임펄스 응답 추정기(601)는 각 안테나로 입력되는 신호를 CG(Conjugate Gradient) 알고리즘을 이용하여 각 입력 데이터 채널의 임펄스 응답(CIR)을 추정하여

(

,

은 안테나 개수)을 구한다.

상기 FFT 부(603)는 상기 CG 알고리즘을 이용하여 추정한 임펄스 응답을 FFT를 이용해서 시간 응답(

)에서 채널의 주파수 응답(

)으로 변환한다.

상기 MMSE 계수 계산기(605)는 상기 FFT를 통해 구한 주파수 응답(

)들을 이용해서 평균 자승 오류를 최소화하는 등화기 계수(

)들을 계산하여 출력한다.

그리고 입력 데이터(

)를 FFT부(607)를 통하여 주파수 영역으로 변환하고, 상기 구해진 계수(

)들은 상기 각 안테나의 데이터(

)와 곱셈기(609)에서 곱해짐으로써 등화 된다.

상기 각 안테나의 등화 된 신호들은 이제 덧셈기(611)에서 모두 더한다.

상기 더한 값을 IFFT(621)를 이용해서 시간 영역으로 변환된 신호 x(n)을 구하고 선형 등화기 들에 의해 증폭된 잡음을 예측한 n(n)을 제거하여 최종 결과 y(n)을 얻는다.

이때 각각의 안테나로 수신된 신호들과 등화기 출력 y(n)의 결정 값 d(n)을 이용해서 채널의 임펄스 응답

(

,

은 안테나 개수)을 CG 알고리즘으로 추정하고 이 값들을 FFT를 이용하여 주파수 영역으로 변환, 채널의 주파수 응답을 구한 뒤 이를 이용해서 MMSE 계수 계산기(605)에서 각 등화기의 계수

(

,

은 안테나 개수)를 계산한다.

또한, CG 잡음 예측기(623)는 등화기 출력 x(n)과 결정 값 d(n)을 가지고 상기 등화기에서 등화 과정에서 증폭된 잡음을 선형 예측하게 되고 n(n)을 구하게 된다.

상기 도 5의 CG 채널 임펄스 응답 추정기(601)는 CG 알고리즘을 이용해서 채널의 임펄스 응답을 추정하는데, 상기 CG 알고리즘의 개념은 평균 자승 에러가 x(n)이라는 변수의 함수일 때, 상기 x(n)을 변화시키며 평균 자승 에러를 최소화하는 x(n)값을 찾는데, 상기 x(n)의 값을 변화시킬 때 평균 자승 에러 평면상에서 같은 방향으로 여러 번 이동하지 않고 수렴 속도를 향상시키기 위해 한 방향으로 한 번 만에 최적의 거리만큼 이동시키고자 하는 것이다.

상기 CG 알고리즘을 첨부한 도면을 통해 설명하면, 도 6은 본 발명과 관련된 CG 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.

예를 들어 상기 도 6와 같이 평균 자승 에러 평면이 2차원 평면이라면 방향 벡터는

와

두 개가 각각

과

축 방향으로 존재하며,

축 방향으로 최적의 거리

만큼 값을 이동시키고

축 방향으로 최적의 거리

만큼 값을 이동시켜서 두 번의 적응 과정만으로 최적의 x(n)값인 해 x를 구할 수 있게 된다.

이를 위해서는 각 방향으로의 방향 벡터와 최적의 이동거리를 반복 연산에 의해서 구하게 되며 그 반복 연산 과정을 하기의 수학식과 함께 살펴보면 다음과 같다.

하기 알파벳 소문자는 벡터를 나타내고 알파벳 대문자는 매트릭스를 나타낸다.

우선 방향 벡터 d와 나머지 r을 초기화한다.

상기 p는 입력 데이터

와 결정 값 d(n)의 교차 상관 벡터이고, R은 입력 데이터

의 자기 상관 매트릭스이다. 또한,

는 초기 시작 지점이다.

다음엔 d 방향으로 값을 움직일 거리

를 구한다.

그리고 구해진 거리만큼 x를 이동시킨다.

또한, 나머지(residual)의 값을 갱신한다.

상기 갱신된 나머지와 이전의 나머지를 이용해서 그램-슈미트(Gram-Schmit) 상수

를 구한다.

상기 구해진 그램-슈미트(Gram-Schmit) 상수

와 갱신된 나머지 값을 이 용해서 새로운 방향 벡터를 다음과 같이 구한다.

상기 수학식 (2)에서 (6)까지의 과정을 평균 자승 에러 평면의 차수만큼 반복한다.

상술한 과정을 통해서 적은 횟수의 반복 연산으로 평균 자승 에러를 최소화하는 x를 구할 수 있다.

그래서, 상기 x값이 추정하고자 하는 채널의 임펄스 응답(CIR)이 된다.

여기에서 상기 MMSE 계수 계산기(605)의 내부 구조를 상세히 보면, 도 7은 본 발명에 따른 주파수 영역에서의 예측 결정 귀환 등화기의 MMSE 계수 계산기의 내부 구성 블록 도이다.

도 7을 보면, 상기 MMSE 계수 계산기(605)는 다중 안테나를 통해 수신되는 CG 채널 임펄스 응답 추정치(

,i는 채널 개수)를 수신하여 컨쥬게이트부(701)에서 상기 추정치를 컨쥬게이트하여 제 1 곱셈기(703)로 출력을 하면, 상기 제 1 곱셈기(703)에서는 상기 추정치와 컨쥬게이트된 값을 곱하여 덧셈기(705)로 출력을 한다.

그리고 상기 덧셈기(705)에서는 채널 개수만큼 입력되는 상기 제 1 곱셈기(703)의 출력과 상기 등화기의 입력단에서 계산한 신호대 잡음 비의 역수(

)를 더하고, 상기 덧셈기(507)에서의 출력을 이제 역변환(707)하여 각 채널별로 제 2 곱셈기(709)로 출력하면, 상기 제 2 곱셈기(511)에서는 상기 채널별 역변환된 값과 상기 컨쥬게이트부(701)의 출력을 곱하여 구한 값(

,i는 채널 개수)을 상기 도 5에서의 각 곱셈기(609)로 출력한다.

이것은 신호를 주파수 영역에서 MMSE 관점에서 MRC하여 등화 하도록 계수를 구하는 것인데, 이를 일반적인 수학식으로 표현하면 다음 식과 같다.

여기서 l은 안테나 인덱스이고, L은 안테나 개수를,

은 l번째 안테나로부터 들어오는 신호의 주파수 영역의 채널 임펄스 응답,

는 l번째 안테나의 주파수 영역 채널 등화기 계수, k는 채널 응답을 N-point FFT 했을 때의 1부터 N까지에 해당하는 주파수 인덱스,

는 잡음 대 신호비이고, l번째 안테나 를 통해 들어오는 신호의 주파수 신호가

이다.

이때, 상기 신호들을 신호대 잡음 비가 최대가 되도록 합한 신호는 x(k)가 된다.

만약 하나의 안테나만을 이용하여 상기 안테나 경로에 따른 신호를 선형 등화하고, 등화 과정에서 증폭된 잡음을 잡음 예측기를 이용하여 제거하게 되므로, 도심지나 실내에서와 같이 다양한 경로를 통해 반사되는 신호를 수신하는 경우처럼 왜곡이 심한 채널에서는 잡음의 증폭이 많아지게 되므로, 등화기에서 신호의 왜곡을 보상하는 것이 쉽지 않으나, 본 발명에 따른 다중 안테나를 이용한 등화기에서는 상술한 바와 같이 이를 쉽고 빠르게 보상할 수 있다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 다중 안테나를 이용한 등화기의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 본 발명에 따르면 CG 알고리즘을 이용해서 다수 개의 안테나의 채널의 임펄스 응답을 추정하고 그로부터 MMSE 계수를 구하여 등화 하는 예측 결정 귀환 등화기 구조 제안하는 효과가 있다.

둘째, 본 발명에 따르면 주파수 영역에서 등화기 출력을 더하는 구조를 사용하여 하드웨어 면적을 줄이고 효율성 증대시키는 효과가 있다.

셋째, 본 발명에 따르면 선형 등화기를 주파수 영역에서 구현하여 하드웨어의 복잡도를 감소시키는 효과가 있다.

넷째, 본 발명에 따르면 적응 알고리즘으로 추정 속도가 느린 LMS 방식보다 CG 방식을 사용하여 필터 길이가 늘어나 채널 변화 속도가 증가하더라도 등화기가 안정적으로 따라갈 수 있는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (7)

1. 다수 개의 안테나를 통해 입력되는 신호를 주파수 영역에서 각각 등화 하여 출력하는 다수 개의 등화기와;

   상기 등화 과정에서 증폭된 잡음(noise)을 컨쥬게이트-그래디언트 (Conjugate-Gradient) 알고리즘을 이용하여 예측하는 잡음 예측기와;

   상기 등화기의 출력값에서 상기 잡음 예측기로부터 예측된 잡음을 제거하여 최종 출력 신호를 생성하는 뺄셈기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 채널 등화기.
2. 제 1 항에 있어서,

   미리 정해진 값 중에서 상기 최종 출력 신호와 가장 인접한 신호를 판별하여 결정하여 상기 등화기와 잡음 예측기로 피드백시키는 결정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 채널 등화기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 다수 개의 등화기는,

   상기 입력되는 시간 영역 신호들(

   

   )을 FFT(Fast Fourier Transform)하여 주파수 영역 신호들(

   

   )로 변환시키는 제 1 FFT 부와;

   상기 입력되는 신호들(

   

   )과 상기 결정기에서의 출력을 수신하여 컨쥬게이트-그래디언트 알고리즘을 이용하여 채널 임펄스 응답(

   

   )을 추정하는 채널 임펄스 응답 추정기와;

   상기 추정된 채널 임펄스 응답(

   

   )을 FFT하여 주파수 영역으로 변환시키는 제 2 FFT 부와;

   상기 제 2 FFT 부에서 변환된 신호들(

   

   )의 MMSE의 계수(

   

   )를 구하는 MMSE 계수 계산기와;

   상기 구한 MMSE 계수(

   

   )와 상기 제 1 FFT 부에서 변환된 신호(

   

   )를 곱하여 등화 하는 곱셈기와;

   상기 곱셈기에서 등화 된 신호를 더하는 덧셈기와;

   상기 덧셈기의 출력을 IFFT(Inverse FFT)하여 시간영역 신호로 변환하는 IFFT 부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 채널 등화기.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 MMSE 계수 계산기는,

   주파수 영역에서 MMSE 계수를 계산하여 다수 개의 채널 입력에 대하여 공유하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 채널 등화기.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 MMSE 계수 계산기는 각 안테나의 개수만큼 출력을 생성하여 상기 곱셈기로 전송하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 채널 등화기.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 MMSE 계수 계산기, 덧셈기, IFFT 부는 안테나의 개수에 상관없이 공유하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 채널 등화기.
7. 제 2 항에 있어서,

   상기 잡음 예측기는 청구항 2 항에서의 출력 신호와 상기 결정기의 출력을 이용하여 잡음을 예측하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 채널 등화기.

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