KR100625075B1 - 복소 채널 송수신 시스템에 있어서의 효율적인 채널 추정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복소 신호를 주파수 영역에서 등화하는 시스템의 채널 추정에 관한 것으로서 특히 채널 등화 성능을 저하시키지 않으면서도 채널 추정 계수를 얻기 위한 연산량을 줄여주는 개선된 채널 추정 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 채널 등화 방법은 복소 신호의 실수부에 상응하는 I 채널과 이에 직교하며 복소 신호의 허수부에 상응하는 Q 채널을 가지는 복소 채널을 통해 복소 신호를 송수신하는 복소 채널 송수신 시스템에서 수신된 복소 신호로부터 채널 계수를 추정하고 추정된 채널 계수에 의해 수신된 복소 신호를 등화시키는 채널 등화 방법에 있어서, 실수부와 허수부 중에서 어느 일측이 제로(0)인 복소 트레이닝 신호를 상기 복소 채널을 통하여 전송하는 과정; 전송된 복소 트레이닝 신호를 수신하는 과정; 및 수신된 복소 트레이닝 신호를 등화하여 추정된 복소 트레이닝 신호를 얻고, 상기 추정된 복소 트레이닝 신호를 상기 전송과정에서 전송되는 복소 트레이닝 신호로 나누어서, I 채널 및 Q 채널 각각을 등화하기 위한 채널 추정 계수들을 얻는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 채널 추정 방법에 의하면 I 채널 혹은 Q채널에만 채널 추정을 위한 신호를 전송하게 함으로써 채널 등화 성능을 저하시키지 않으면서도 채널 추정 계수를 얻기 위한 연산이 간단하게 되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

복소 채널 송수신 시스템에 있어서의 효율적인 채널 추정 방법{Estimating method of channel coefficients for complex channel transmitting/receiving system}

도 1은 종래의 OFDM 시스템의 기본적인 구조를 보이는 블록도이다.

도 2는 OFDM 시스템의 등화기의 기본적인 구조를 보이는 블록도이다.

도 3은 본 발명에 따른 채널 추정 및 등화 방법을 보이는 흐름도이다.

도 4 및 도 5는 각각 종래의 채널 추정 방법과 본 발명에 따른 채널 추정 방법에 적합한 장치들의 구성들을 보이는 것이다.

본 발명은 복소 신호를 주파수 영역에서 등화하는 시스템의 채널 추정에 관한 것으로서 특히 채널 등화 성능을 저하시키지 않으면서도 채널 추정 계수를 얻기 위한 연산량을 줄여주는 개선된 채널 추정 방법에 관한 것이다.

주파수 영역의 신호의 해석이 용이한 시스템 예를 들어 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplex; OFDM) 방식에서는 FFT(Fast Fourier Transform)를 이용하여 복소 채널 신호를 복조한다. 이러한 OFDM 방식은 직교하는 부반송파 스펙트럼간의 중첩을 통해 대역폭을 효율적으로 이용하는 다중 반송파 전송 방식으로서 일반적인 단일 반송파 전송 방식의 고속의 데이터를 직렬로 전송하는 것에 비하여 고속의 데이터를 저속의 병렬 데이터로 변환하여 전송하므로 다중 경로 채널 하에서 인접 전송 심벌의 간섭을 줄여서 쉽게 고속 전송을 이루게 한다.

단일 반송파 전송 방식에 있어서 다중 경로 채널의 영향은 인접심벌간의 간섭으로 심각한 채널 왜곡을 유발하고 수~수십 탭(tap)의 채널 등화 구조가 요구되는 반면 OFDM 시스템에서는 보호구간(Guard Interval or Cyclic Prefix)의 삽입으로 다중경로 신호간의 직교성이 유지된 채 채널 왜곡이 발생하므로 FFT 복조후의 주파수 영역 신호를 이용한 단일 탭의 등화 구조로 채널 왜곡이 비교적 쉽게 보상될 수 있다.

최근에는 FFT 복조전의 시간 영역에서 등화를 수행하는 등 다양한 형태의 OFDM 등화 방법도 제시되고 있으나 이 경우에도 FFT 복조후의 주파수 영역 신호를 이용한 단일 탭 등화 방식이 새로운 등화 방식과 병행하여 사용되고 있다.

그렇지만 여전히 단일 탭 등화기 뱅크에서 필요한 채널 추정 계수를 연산하기 위한 연산량이 많기 때문에 하드웨어적인 부담이 크다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서 단일 탭 등화 방식에 있어서 채널 추정 계수를 얻기 위한 연산을 간단하게 하는 개선된 채널 추정 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하는 본 발명에 따른 채널 추정 방법은

복소 신호의 실수부에 상응하는 I 채널과 이에 직교하며 복소 신호의 허수부에 상응하는 Q 채널을 가지는 복소 채널을 통해 복소 신호를 송수신하는 복소 채널 송수신 시스템에서 수신된 복소 신호로부터 채널 계수를 추정하고 추정된 채널 계수에 의해 수신된 복소 신호를 등화시키는 채널 등화 방법에 있어서,

실수부와 허수부 중에서 어느 일측이 제로(0)인 복소 트레이닝 신호를 상기 복소 채널을 통하여 전송하는 과정;
전송된 복소 트레이닝 신호를 수신하는 과정; 및

수신된 복소 트레이닝 신호를 등화하여 추정된 복소 트레이닝 신호를 얻고, 상기 추정된 복소 트레이닝 신호를 상기 전송과정에서 전송되는 복소 트레이닝 신호로 나누어서, I 채널 및 Q 채널 각각을 등화하기 위한 채널 추정 계수들을 얻는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 채널 추정 방법은 상기 연산된 채널 추정 계수를 사용하여 주파수 영역의 채널 등화를 수행하는 과정을 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 채널 추정 방법은 I채널 혹은 Q채널에만 추정을 위한 신호를 전송하므로 등화기에서 채널 추정 계수를 얻기 위해 필요한 연산량을 절감할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 동작을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 OFDM 시스템의 기본적인 구조를 보이는 블록도이다. 도 1에 도시된 장치는 전형적인 OFDM 시스템으로서, 크게 송신기(100), 채널(200), 그리고 수신기(300)의 세 부분으로 구성된다.

도 1에 도시된 장치에 있어서 송신기(100)에 입력되는 고속의 직렬 데이터(bit stream)는 먼저 S/P(Serial to Parallel 변환기(102)에 의해 복소 형태 X[k]=X_I[k]+jX_Q[k]로 신호 매핑 및 S/P 변환된다. 이때 복소 신호 매핑 방법은 요구되는 전력 스펙트럼의 효율에 바탕을 두어 여러 가지로 선택될 수 있다. 매핑에 사 용되는 변조 형식은 사용되는 복소수로 정해지며, 복소수의 실수부와 허수부의 크기는 매핑에 사용되는 성상도(constellation)의 신호점들의 개수와 직접 관련된다. 예를 들어 유럽 지상파 방송 규격인 DVB-T에서는 QPSK, 16QAM, 64QAM 등이 사용된다.

복소 매핑된 신호는 IFFT 크기에 맞도록 병렬화되어 저속의 병렬 데이터 심벌 X(k)로 변환한다. 병렬 데이터 심벌 X(k)은 OFDM 변조기(104)에 입력되고, IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)변환이 수행되어 병렬 신호 s(n)가 얻어진다.

OFDM 변조된 신호는 P/S변환기(106)에 의해 직렬 데이터로 변환되기 전에 ISI(Inter Symbol Interference)의 영향에 대비하기 위해 유효 심벌 구간의 마지막 부분의 G개를 복사하여 유효 심볼 앞에 보호구간으로서 삽입한다. 이와 같이 함으로써 보호구간과 유효 심벌 구간의 경계 부분에서의 모든 부반송파의 위상이 연속되는 결과를 얻을 수 있어 다중 경로 채널의 신호 지연에서도 좋은 채널 추정 성능을 얻을 수 있게 된다. 이와 같이 설계된 보호구간은 주파수 동기, FFT 윈도우 위치 복원 등과 같은 요소 기술에 적용된다.

OFDM 변조기(104)에서 출력되는 병렬 출력 신호 및 보호구간이 삽입된 신호는 다시 P/S (Parallel to Serial) 변환기(106)를 통하여 P/S 변환된 후 채널 h(n)를 거쳐 수신기에 입력된다. 복소 채널 h(n) 및 다중 경로 채널 효과에 의해 수신기(300)에 왜곡된 신호가 수신된다.

수신 과정은 송신 과정의 역과정으로 수행된다. 수신기(300)에서는 다중 경로 채널(200)을 통하여 수신된 신호 r(n)을 수신한다. S/P변환기(302)는 수신 신호 r(n)을 병렬 신호로 변환하고, 이 디지털 신호에 대하여 보호구간 제거를 행하여 저속의 병렬 데이터를 출력한다. OFDM 복조기(304)는 병렬 데이터에 대하여 FFT 변환을 행하여 Y(k)를 출력한다. P/S 변환기(306)는 OFDM 복조기(304)의 출력을 직렬 데이터(bit stream)로 변환하여 출력한다.

등화기는 채널의 영향 등 수신 신호의 진폭과 위상의 왜곡을 보상하는 것을 목적으로 하는 기술이다. 등화 기술은 시간 영역에서 등화하는 방식과 주파수 영역에서 등화하는 방식으로 크게 나눌 수 있다. 이 중에서 OFDM 시스템에서는 구현의 편리성 때문에 주파수 영역에서 등화하는 방식이 주로 사용된다.

도 2는 OFDM 시스템의 등화기의 기본적인 구조를 보이는 블록도이다. 도 1에 도시된 OFDM 복조기(304)에서 출력된 주파수 영역의 데이터를 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정 계수를 추정한다.

여기서, Y(k)는 송신기(100)의 S/P 변환기(102)의 출력 X(k)에 대하여 채널 특성에 의한 왜곡이 가해진 신호이다. 단일 탭 등화기(202)는 채널 특성을 추정하여 수신된 신호의 왜곡을 보정하여 출력한다.

전통적인 OFDM 시스템의 채널 등화는 복소 신호 전송시 파일럿(pilot) 또는 프리앰블(preamble)로서 트레이닝 심벌(training symbol)을 전송하고, 이를 수신기에서 수신하여 채널 추정 계수를 산출하는 단일 탭 등화 방식이 사용된다. 여기서, 트레이닝 심벌은 특정 패턴을 가지는 신호이며, I채널(실수부)과 Q채널(허수부)을 통하여 동시에 전송된다.

W-LAN을 위한 IEEE 802.11a, IEEE 802.11b 등에서는 트레이닝 심벌을 프리앰블을 통하여 전송하며, 유럽의 지상파 방송 방식인 DVB-T에서는 파일럿 신호로서 전송한다. 이 경우 트레이닝 심벌을 이용하거나 프레임내의 연속된 파일럿 신호들을 추출 및 취합함에 의해 주파수 오프셋 조정, 채널 등화 등에 필요한 정보를 얻게 된다.

먼저, OFDM 시스템의 파일럿 또는 프리앰블의 부반송파 복소 신호(주파수 영역의 신호)를 X[k], 채널 전달 특성을 H[k], 그리고 이를 거친 수신 신호를 Y[k]라고 가정하면 Zero-Forcing(영 강압) 등화 방식에 의한 채널 추정 계수 C[k]는 다음과 같이 구해진다. Zero-Forcing 등화 방식은 수학식 1가 같이 채널 전달 특성 H[k]의 역수값 C[k]인 채널 추정 계수를 구해 이를 수신된 복소 신호에 곱하여 등화하는 기법을 말한다.

여기서, X[k]=X_I[k] +jX_Q[k], Y[k]=Y_I[k]+jY_Q[k], H[k]=H_I[k]+jH_Q[k] 로 나타내어지는 복소 신호이며, I 및 Q는 I채널 및 Q채널을 나타낸다.

따라서, 채널 추정 계수 C[k]는 다음과 같이 구할 수 있다.

수학식 2에 의해 나타내어지는 바와 같이 종래의 방식에 있어서는 등화 계수를 구하기 위해 1번의 나눗셈 연산, 8번의 곱셈 연산, 3번의 덧셈 연산이 필요하 다.

만약, X_I[k]=X_Q[k]=A라면 수학식 2는 다음과 같이 보다 간단하게 표현될 수 있다.

이 경우 필요한 연산은 1번의 나눗셈 연산, 4번의 곱셈 연산, 그리고 3번의 덧셈 연산으로서 수학식 2에 의한 연산보다는 간단하게 되지만 여전히 연산량이 많다.

본 발명에 따른 채널 추정 방법에 있어서는 종래의 방법과는 달리 채널 추정을 위한 프리앰블 또는 파일럿 신호에 실수부 혹은 허수부만을 전송하므로 등화기 구현시 적은 양의 연산으로도 필요한 채널 추정 계수를 얻을 수 있게 한다.

즉, 종래의 방법에 있어서는 I 채널과 Q채널에 프리앰블을 동시에 전송하여서 I 및 Q 채널 추정 계수를 얻지만 본 발명에서는 I채널 혹은 Q채널의 프리앰블만을 전송하여 채널 등화 성능은 저하시키지 않으면서 보다 적은 연산량으로 채널 추정 계수를 얻을 수 있게 한다.

도 3은 본 발명에 따른 채널 등화 방법을 보이는 흐름도이다.

먼저, I채널 혹은 Q채널에만 채널 등화를 위한 신호를 전송한다.(s302) 채널 추정을 위한 프리앰블 혹은 파일럿 신호는 I 채널 혹은 Q채널에서만 전송된다.

프리앰블 혹은 파일럿 신호를 수신하여 주파수 영역에서 채널 추정 계수를 연산한다.(s304)

도 2에 도시된 장치에 있어서 등화기(202)를 거쳐 추정된 신호는 다음과 같이 수신 신호에 채널 계수를 곱해 얻어진다.

수학식 4에 있어서 전송 신호 X[k]=X_I[k]+jX_Q[k]에서 X_Q[k]=0로 전송할 경우 즉, I채널에서만 전송할 경우 Zero-Forcing 등화기법에 의한 채널 추정 계수는 다음과 같다.

수학식 5를 참조하면 송신단에서 I채널로만 신호를 전송했음에도 불구하고 I채널 및 Q채널의 채널 추정 계수가 얻어지는 것을 알 수 있다. 이는 전송 신호가 복소 채널에 의해 왜곡되기 때문에 가능한 것이다. 송신단에서 Q채널로만 신호를 전송하여도 같은 결과를 얻을 수 있다.

수학식 5에 있어서 I 및 Q채널의 채널 추정 계수를 얻기 위해 필요한 연산은 한번의 나눗셈 연산과 4번의 곱셈 연산, 그리고 1번의 덧셈 연산만이 필요하게 된다.

도 4 및 도 5는 각각 종래의 채널 추정 방법과 본 발명에 따른 채널 추정 방 법에 적합한 장치들의 구성들을 보이는 것이며, 수학식 3에 적합한 장치와 수학식 5에 의한 장치의 구성들을 비교하기 위해 제시된 것이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 종래의 채널 추정 방법에서는 채널 추정을 위한 프리앰블 또는 파일럿 신호를 I 채널 및 Q 채널에 모두 전송했는 바 등화기에서 필요한 채널 추정 계수를 얻기 위해 최소한 1번의 나눗셈 연산, 4번의 곱셈 연산, 그리고 3번의 덧셈 연산이 필요하지만 본 발명의 채널 추정 방법에 의하면 적어도 두 번의 덧셈 연산이 덜 필요하게 되어 현격한 연산량의 감소 효과를 얻을 수 있다.

s304과정에서 연산된 채널 추정 계수를 사용하여 주파수 영역의 채널 등화를 수행한다.(s306) 등화는 채널 추정 과정을 통하여 얻어진 채널 계수 C[k]를 수신 신호 Y[k]에 곱하기 하면 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 채널 추정 방법에 의하면 I 채널 혹은 Q 채널에만 채널 추정을 위한 신호를 전송하게 함으로써 채널 등화 성능을 저하시키지 않으면서도 채널 추정 계수를 얻기 위한 연산이 간단하게 되는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 복소 신호의 실수부에 상응하는 I 채널과 이에 직교하며 복소 신호의 허수부에 상응하는 Q 채널을 가지는 복소 채널을 통해 복소 신호를 송수신하는 복소 채널 송수신 시스템에서 수신된 복소 신호로부터 채널 계수를 추정하고 추정된 채널 계수에 의해 수신된 복소 신호를 등화시키는 채널 등화 방법에 있어서,

   실수부와 허수부 중에서 어느 일측이 제로(0)인 복소 트레이닝 신호를 상기 복소 채널을 통하여 전송하는 과정;

   전송된 복소 트레이닝 신호를 수신하는 과정; 및

   수신된 복소 트레이닝 신호를 등화하여 추정된 복소 트레이닝 신호를 얻고, 상기 추정된 복소 트레이닝 신호를 상기 전송과정에서 전송되는 복소 트레이닝 신호로 나누어서, I 채널 및 Q 채널 각각을 등화하기 위한 채널 추정 계수들을 얻는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 채널 추정 방법.
2. 삭제
3. 삭제

Images