KR100633743B1 - Ｏｆｄｍ 시스템을 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차,시간 오차 및 크기 변화 추적 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 시스템에 있어서, 기존 OFDM 시스템에 이용되었던 위상 및 시간 오차 추적 방식의 성능 및 추적 속도를 향상시키기 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치는, 추적 반송파 오차 추적치를 초기 반송파 주파수 오차 추정치와 더하여 시간 영역에서 보상하는 주파수 오차 보상부; 수신 파일럿 신호의 전력 계산량에 대응하는 출력값을 고속 퓨리에 변환(FFT)된 입력 신호에 곱해서 신호의 크기를 조절하는 크기 추적 보상부; 수신 파일럿 신호의 주파수 채널 응답의 공액복소수를 수신 파일럿 신호에 곱하여 채널이 보상된 신호를 출력하는 채널 보상부; 채널이 보상된 파일럿을 가지고 반송파 주파수 오차 파라미터를 추정하며, 추적 반송파 주파수 오차 추적치를 제공하는 반송파 주파수 오차 추정부; 채널이 보상된 파일럿을 가지고 시간 오차 파라미터를 추정하는 시간 오차 추정부; 및 채널이 보상된 파일럿을 가지고 반송파 위상 오차 파라미터를 추정하는 반송파 위상 오차 추정부를 포함한다.
동기, OFDM, 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차, 크기 추적

Description

ＯＦＤＭ 시스템을 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치 및 그 방법 {Methods for tracking Residual frequency, phase, timing offset and signal amplitude variation in OFDM systems, and methods thereof}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 IEEE 802.11a의 프레임 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 IEEE 802.11a의 OFDM 부반송파 배치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 부반송파를 이용하여 반송파 위상의 변화를 추정하는 것을 나타내는 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 부반송파를 이용하여 시간 오차를 추정하는 것을 나타내는 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 부반송파를 이용하여 반송파 주파수 오차를 추정하는 것을 나타내는 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 부반송파를 이용하여 신호 크기 변화에 따라 신호 크기를 보상하기 위한 이득을 계산하는 것을 나타내는 블록 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 추정치를 보상하기 전에 통과할 루프 필터의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 시스템을 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치의 블록 구성도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 추적 성능을 보이기 위한 BPSK 성상도로서, 추적하기 전의 성상도를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 추적 성능을 보이기 위한 BPSK 성상도로서, 추적하기 후의 성상도를 나타내는 도면이다.
본 발명은 OFDM 시스템을 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM) 시스템에 있어서, 기존 OFDM 시스템에 이용되었던 위상 및 시간 오차 추적 방식의 성능 및 추적 속도를 향상시키기 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
기존 OFDM 패킷 통신의 대표적인 규격 예라고 할 수 있는 IEEE 802.11a에 따르면 초기 프리앰블을 이용하여 주파수 및 시간 동기를 맞추게 된다. 하지만, 초기 주파수 오차 추정 오차에 의한 잔여 주파수 오차, 샘플링 주파수 오차 및 주파 수 천이, 그리고 한 프레임 내에서의 신호의 크기 변화 등 다양한 원인으로 생길 수 있는 시스템 성능 저하를 극복하기 위해서 여러 가지 동기 추적 알고리즘들이 필요하다.
이러한 OFDM 방식에서, 먼저, 반송파 주파수 오차가 미치는 영향을 살펴보면 다음과 같다.
상기 반송파 주파수 오차의 경우, 모든 부반송파가 일정한 위상 천이가 있고, 부반송파간 간섭(inter carrier interference: ICI)이 존재한다. 또한,
Figure 112005022681985-pat00001
이라는 송신 신호가
Figure 112005022681985-pat00002
의 채널 주파수 응답을 갖는 채널을 통과하고,
Figure 112005022681985-pat00003
만큼의 주파수 오차를 갖고 있을 때,
Figure 112005022681985-pat00004
번째 부반송파의 수신 신호(
Figure 112005022681985-pat00005
)가 다음의 수학식 1처럼 주어진다.
Figure 112005022681985-pat00006
여기서, N은 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT)의 포인트 수, 즉, 총 부반송파의 개수를 가리킨다. 또한, 상기
Figure 112005022681985-pat00007
는 부반송파간 간섭으로서, 다음의 수학식 2와 같이 주어진다.
Figure 112005022681985-pat00008
다음으로, 시간 오차가 있을 경우, OFDM 부반송파의 인덱스에 비례하여 위상 오차가 증가하는 형태로 나타나고, 그 오차와 기울기는 비례한다.
따라서, 한 FFT 구간이 전체적으로 l=0, l≠k 만큼의 오차가 있을 경우, 오차가 있는 주파수 영역 신호(
Figure 112005022681985-pat00009
)와 오차가 없을 때의 주파수 영역 신호(
Figure 112005022681985-pat00010
) 사이의 관계는 다음 수학식 3과 같다.
Figure 112005022681985-pat00011
여기서,
Figure 112005022681985-pat00012
이다. 따라서, 같은 시간 오차를 갖고 있더라도 DC 근처에 있는 낮은 주파수 성분들은 그 영향이 적지만, 높은 주파수 성분에서 그 영향이 커진다.
그런데, 이와 같은 오차들을 추적 및 보상하지 않을 경우, 프레임 처음 부분에서 별 영향이 없지만, 끝 부분으로 갈수록 그 영향이 누적되어 성능 저하가 심해지게 된다.
따라서, 이와 같은 오차들을 추정하기 위해서 고정된 패턴을 갖고 있는 파일럿 심벌을 이용한다.
상기 파일럿 심벌을 이용하는 종래 기술로서, 추정한 위상의 평균치와 그 기울기를 루프 필터를 통과시킨 후, 그 다음에 상기 파일럿 심벌에 보상해주는 피드백 방식이 발표되었다. 이러한 피드백 방식을 이용하는 종래 기술은 잔여 반송파 오차가 아주 작고, 시간 오차의 변화 역시 아주 작다는 가정에서, 원하는 시스템 성능을 얻게 된다.
한편, 종래 기술로서, 미합중국 특허번호 제6,122,24호(등록일: 199년 7월 25일)에는 "Apparatus and Method for Clock Synchronization in a Multi-Point OFDM/DMT Digital Communications Systems"라는 명칭의 발명이 개시되어 있다.
구체적으로, 상기 선행 발명은, OFDM 방식을 사용하는 통신시스템에서 송신단의 클럭의 주파수와 수신단의 주파수 사이의 차이를 파일롯이 위치한 부채널과 그 인접 채널의 신호 정보를 이용하여 추정과 추적하는 방식을 제공하기 위하여, 수신단에서 파일롯 신호를 바탕으로 주파수 오차를 추정하는 방식을 사용하고, 또한, 수신단에서 파일롯 신호를 포함하고 있는 부심볼을 검색하여, 그 검색 결과 선택된 파일롯 신호와 인접 파일롯 신호와의 위상차이를 구하여 이 정보를 바탕으로 샘플링 주파수 오차를 구하는 방식을 개시하고 있다.
한편, M. Luise 등이 "Carrier Frequency Acquisition and Tracking for OFDM Systems," IEEE Transactions on Communications, vol. 44, no. 11, pp. 1590 ∼1598, Nov. 1996 에서 부반송파들의 복조 심벌과 수신 심벌 사이 위상 차이의 추이를 보고 주파수 오차를 추적하는 방식을 제안하였다.
또한, Baoguo Yang이 "Timing recovery for OFDM transmission," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 18, no. 11, pp. 2278-2291, Nov 2000에서 샘플링 클럭의 주파수 동기를 위해서 DLL(Delay-locked Loop)를 사용하여 클럭 주파수의 오차로 인한 심볼 타이밍의 변화를 추적할 수 있는 방식을 제안하였다.
전술한 바와 같이, 무선 LAN과 같은 OFDM 패킷 통신 시스템은 프레임의 초반부에 프리앰블에서 얻은 채널 추정치와 주파수 오차 추정치를 이용하여 동기를 획득(acquisition)하는데, 프레임이 길 경우, 그 오차가 누적되어 큰 성능 열화를 일으킨다. 또한, 고정된 주파수 오차와 샘플링 주파수 오차에 의해서 생기는 시간에 따라 일정하게 증가 또는 감소하는 시간 오차에 의한 영향을 주파수 영역의 파일럿 심벌을 이용하여 추정하고 그 영향을 보상해준다. 또한, 전술한 수학식 1과 수학식 2에서, 작은 양의 주파수 오차는 일정한 위상 오차로, 시간 오차는 기울기를 갖는 위상 오차로 나타난다.
종래 기술은 오차의 양이 작아서 피드백 방식으로 보상하더라도 성능 저하가 거의 없는 경우에 적용할 수 있지만, 실제 상황에서 이와 같은 오차뿐만 아니라 라디오 주파수(radio frequency: RF) 회로 및 아날로그 회로의 등의 영향으로 갑작스런 주파수 천이 및 위상 천이가 있을 수 있고, 또한, 송수신기 증폭기가 켜지는 순간에 신호의 크기가 서서히 커지는 현상에 의한 신호 크기 변화가 있을 수 있기 때문에, OFDM 시스템의 성능 저하가 발생하게 된다는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 기존 OFDM 시스템에 이용되었던 위상 및 시간 오차 추적 방식의 성능 및 추적 속도를 향상시킬 수 있는 OFDM 시스템을 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 OFDM 시스템을 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치는,
직교주파수 분할 다중화(OFDM) 시스템을 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치에 있어서,
추적 반송파 오차 추적치를 초기 반송파 주파수 오차 추정치와 더하여 시간 영역에서 보상하는 주파수 오차 보상부;
수신 파일럿 신호의 전력 계산량에 대응하는 출력값을 고속 퓨리에 변환(FFT)된 입력 신호에 곱해서 신호의 크기를 조절하는 크기 추적 보상부;
상기 수신 파일럿 신호의 주파수 채널 응답의 공액복소수를 상기 수신 파일럿 신호에 곱하여 채널이 보상된 신호를 출력하는 채널 보상부;
상기 채널이 보상된 파일럿을 가지고 반송파 주파수 오차 파라미터를 추정하며, 상기 추적 반송파 주파수 오차 추적치를 제공하는 반송파 주파수 오차 추정부;
상기 채널이 보상된 파일럿을 가지고 시간 오차 파라미터를 추정하는 시간 오차 추정부; 및
상기 채널이 보상된 파일럿을 가지고 반송파 위상 오차 파라미터를 추정하는 반송파 위상 오차 추정부
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 OFDM 시스템을 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 방법은,
OFDM 시스템을 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 방법에 있어서,
a) 수신 파일럿 심볼의 위상의 합을 이용하여 반송파 주파수 오차를 추정하는 단계;
b) 상기 수신 파일럿 심볼의 위상의 기울기를 추정하여 시간 오차를 추정하는 단계;
c) 잔여 주파수 오차가 크거나 순간적인 주파수 위상 천이가 있는 경우, 상기 수신 파일럿 심볼을 이용하여 주파수 오차를 추정하여 FFT 전 시간 영역에서 보상하는 단계;
d) 상기 c) 단계의 주파수 오차가 큰 경우, 추적 반송파 오차 추적치에 초기 반송파 주파수 오차를 더하여 주파수 오차를 보상하는 단계; 및
e) 상기 파일럿 심볼을 이용하여 신호의 크기에 따른 크기 오차를 추정하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 시스템을 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치 및 그 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예는 종래 기술의 잔여 반송파 주파수 오차 및 시간 오차의 보상뿐만 아니라, 패킷 내에서 주파수 및 위상 천이와 크기 변화까지 보상하여 전체적인 동기 및 크기(amplitude)를 추적(tracking)하는 장치 및 방법을 개시한다.
또한, 본 발명의 실시예는, 기존의 IEEE 802.11a 단일 안테나 OFDM 방식에 이용하던 방식과 비슷하지만, 다중 안테나 시스템으로 확장하면서 각 안테나별로 주파수, 위상, 및 시간 오차들을 추적해 나가며, 또한, 매 OFDM 심벌마다 할당된 파일럿 부반송파를 이용하여 각각의 파라미터를 추정하고, 이를 루프 필터를 통과시킨 후, 그 다음에 OFDM 심벌에서 보상해주는 방식을 취하게 된다. 그러나, 이렇게 할 경우, 파라미터 추정 시간과 보상 시간 사이의 오차로 인한 성능 저하가 있을 수 있기 때문에, 피드백(feedback) 방식과 더불어 피드포워드(feed forward) 방식까지 적용함으로써, 기존 방식보다 추적 성능 및 속도를 향상시키게 된다.
이를 위해서 본 발명의 실시예는 파일롯 부반송파만을 우선 추출하기 위해서 이산 퓨리에 변환(Discrete Fourier Transform)을 이용하며, 이를 이용하여 얻은 파일럿 부반송파를 이용하여 추적 파라미터를 우선 추정하고, 그 OFDM 심벌의 데이터 부반송파에 이를 바로 반영할 수 있다. 또한, 이와 더불어 RF 아날로그 회로의 영향 등으로 생길 수 있는 주파수 천이에 효과적으로 대응하기 위해서 주파수 천이를 추정하고, 이를 보상하는 과정과 전력 증폭기의 특성에 의한 수신 신호의 크기 변화 역시 추적할 수 있는 기능을 추가함으로써, OFDM 시스템의 성능을 향상시키게 된다.
한편, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 IEEE 802.11a의 프레임 구조를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 IEEE 802.11a의 OFDM 부반송파 배치를 나타내는 도면이다. IEEE 802.11a의 예에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 프레임의 형태가 도 1과 같은 형태를 갖고, OFDM 심벌의 부반송파 배치가 도 2 와 같다고 가정한다.
도 1을 참조하면, IEEE 802.11a의 프레임 구조는, 신호 검출, AGC, 다이버시티 선택을 위한 구간, Coarse 주파수 오프셋 특정 및 타이밍 동기화 구간, 그리고 채널 및 미세 주파수 오프셋 측정 구간이 주어지며, 또한, 보호구간(Guard Interval)이 삽입되는 구조를 갖는다.
한편, 프레임의 시작에 짧은 프리앰블과 긴 프리앰블이 있어서, 초기 주파수 오차를 추정하고, 이 추정치로 프레임 전체를 보상한다. 또한, 상기 긴 프리앰블을 이용하여 초기 시간 오차를 포함한 채널을 추정하고, OFDM 심벌 단위로 보상하게 된다.
그러나, 초기 추정 오류에 의한 잔여 오차가 있을 수 있고, 시간에 다른 변화가 있을 수 있기 때문에, 이를 추적하기 위한 OFDM 심벌 내에 고정된 부반송파에 고정된 파일럿 심벌을 삽입하게 된다. 즉, IEEE 802.11a의 규격에서는 도 2에 도시된 바와 같이, -21, -7, 7, 21 부반송파에 파일럿을 삽입하였다.
한편, 상기 파일럿 심벌을 이용하여, 각각의 파라미터들을 추정하는 방식에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 부반송파를 이용하여 반송파 위상의 변화를 추정하는 것을 나타내는 블록 구성도이다.
상기 반송파 주파수 오차는 다음의 수학식 4와 같이, 수신 파일럿의 위상의 합을 이용하여 추정할 수 있다.
Figure 112005022681985-pat00013
여기서,
Figure 112005022681985-pat00014
는
Figure 112005022681985-pat00015
번째 OFDM 심벌에 대한 위상 추정치이고,
Figure 112005022681985-pat00016
는
Figure 112005022681985-pat00017
번째 OFDM 심벌에 수신 파일럿 심벌을 나타난다. 또한,
Figure 112005022681985-pat00018
는 약속된 i번째 부반송파에 대한 송신 파일럿 심벌이다. 이때, 상기 P는 모든 파일럿 심벌의 인덱스로 이루어진 집합이다.
구체적으로, 도 3을 참조하면, 송신 파일럿(
Figure 112005022681985-pat00019
)은 공액복소수 계산부(310)를 거쳐 곱셈기(320)를 통해 상기 수신 파일럿(
Figure 112005022681985-pat00020
)과 곱해지고, 이후, 지연부(340)에서 지연된 양과 가산기(330)에 의해 더해진 후, 위상 추출부(350)에서 위상이 추출되어 반송파 위상 오차 추정치를 출력하게 된다. 즉, 반송파 주파수 오차는 수신 파일럿의 위상(
Figure 112005022681985-pat00021
)의 합을 이용하여 추정하게 된다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 부반송파를 이용하여 시간 오차를 추정하는 것을 나타내는 블록 구성도이다.
도 4를 참조하면, 시간 오차 추정부는 위상의 기울기를 추정하는 형태인 다음의 수학식 5와 같은 형태로 이루어진다. 즉, 첫 번째와 세 번째, 두 번째와 네 번째 파일럿 사이의 위상 차이를 이들의 인덱스 차이인 28로 나눈 값이
Figure 112005022681985-pat00022
번째 OFDM 심벌의 시간오차인
Figure 112005022681985-pat00023
가 된다.
Figure 112005022681985-pat00024
구체적으로, 첫 번째 수신 및 송신 파일럿이 R-21,k와 S-21로 주어지고, 두 번째 수신 및 송신 파일럿이 R-7,k와 S-7로 주어지며, 세 번째 수신 및 송신 파일럿이 R21,k와 S21로 주어지고, 네 번째 수신 및 송신 파일럿이 R7,k와 S7 로 주어지는 경우, 첫 번째와 세 번째, 두 번째와 네 번째 파일럿 사이의 위상 차이를 이들의 인덱스 차이인 28로 나눈 값이
Figure 112005022681985-pat00025
번째 OFDM 심벌의 시간오차인
Figure 112005022681985-pat00026
가 된다. 여기서, 도면부호 411, 413, 421, 423은 공액복소수 계산부, 미설명 도면부호 412, 414, 415, 422, 424, 425는 곱셈기를 나타내며, 도면부호 430은 가산기, 도면부호 440은 위상 추출부를 나타내며, 도면부호 450은 상기 인덱스 차이인 28로 나누기 위한 스케일링부를 나타낸다.
한편, 프레임 내에서 잔여 주파수 오차가 클 경우, 또는 순간적인 주파수 천이가 있을 경우, 이를 추정하고, 이를 고속 퓨리에 변환(FFT) 전에 시간 영역에서 보상하기 위해서 파일럿 심벌을 이용한 주파수 오차 추정 부분이 있다. 이와 같은 주파수 오차가 클 경우, 이를 고속 퓨리에 변환(FFT) 후에 주파수 영역에서 단순한 위상으로 보상하면 부반송파간 간섭이 남아 있어 성능 열화가 생기게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예는 상기 주파수 오차를 파일럿을 가지고 추정한 후에 초기 반송파 주파수 오차를 보상하는 부분에 추가하여 보상하는 형태를 취한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 부반송파를 이용하여 반송파 주파수 오차를 추정하는 것을 나타내는 블록 구성도이다.
도 5를 참조하면, 사용하는 주파수 오차 추정 방식은 현재 OFDM 심벌의 위상과 이전 OFDM 심벌의 위상 차이를 추정하고 OFDM 심벌의 샘플 간격인 80(IEEE 802.11a의 경우)으로 나누는 형태를 취하는데, 다음의 수학식 6과 같이 주어진다.
Figure 112005022681985-pat00027
여기서
Figure 112005022681985-pat00028
가 추정된 주파수 오차를 나타낸다.
구체적으로, 수신 파일럿(Ri,K)은 제1 지연부(510), 공액복소수 계산부(520) 및 곱셈기(530)를 거친 후, 제2 지연부(55)와 가산기(540)와 더해진 후, 위상 추출부(56)에서 위상이 추출된 후, 스케일링부(570)에 의해 OFDM 심벌의 샘플 간격인 80으로 나뉘어진 후, 반송파 주파수 오차 추정치를 출력하게 된다.
마지막으로, 신호의 크기 보상을 위한 이득 추정하는 방법은 도 6과 같이 주어진다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 부반송파를 이용하여 신호 크기 변화에 따라 신호 크기를 보상하기 위한 이득을 계산하는 것을 나타내는 블록 구성도이다.
도 6을 참조하면, 각 OFDM 심벌의 파일럿을 이용하여 다음의 수학식 7과 같이 신호의 크기(p_pwrk)를 계산한다.
Figure 112005022681985-pat00029
이때, 파일럿 전력 계산부(610)에서 이득 계산에 앞서서, 우선 기준전력 계산부(620)에서 기준 신호 크기(ref_pwr)를 정하는데, IEEE 802.11a와 같은 프레임 구조는 긴 프리앰블에서 파일럿의 위치에 해당하는 4개의 심벌을 가지고 신호 크기를 상기 수학식 7과 같은 방식으로 정한다.
또한, 다음의 수학식 8과 같이, 오차 계산부(630)에서 신호의 크기 오차(error), 즉, 기준 전력과 수신 파일럿의 전력 차(ref_pwr - p_pwr)를 구하고, 이 오차와 기준 전력과의 비율을 이용하여, 신호 크기 보상이득 계산부(640)에서 상기 신호 크기의 보상 이득값(comp_gain)을 구하여 루프 입력으로 이용하게 된다.
Figure 112005022681985-pat00030
그러나, 전술한 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 계산된 위상, 시간 및 크기 오차 추정치를 바로 보상할 경우, 추정 오류에 대한 영향이 크기 때문에 이를 최소화하면서 보상 속도를 적절히 조절할 수 있도록 2차 루프 필터를 통과하게 되는데, 그 구조는 도 7과 같다. 여기서, 상기 반송파 주파수 오차의 경우, 후술할 도 8의 전체 구조에서 확인할 수 있는 바와 같이, 간단히 1차 루프를 이용하여 보상 정도를 결정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 추정치를 보상하기 전에 통과할 루프 필터 의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 추정치를 보상하기 전에 통과할 루프 필터의 구조는 일반적으로 많이 알려진 구조로서 두개의 루프 계수가 있는데, 제1 루프계수를 비례 이득(proportional gain)이라고 하고, 제2 루프계수를 적분 이득(integral gain)이라고 한다. 여기서, 제1 루프계수는 제1 곱셈기(710)에서 루프 입력과 곱해지고, 제2 루프계수는 제2 곱셈기(720)에서 루프 입력과 곱해진 후, 제1 지연부(740)와 제1 가산기(730)에 의해 더해진 후, 상기 제1 곱셈기(710)의 출력과 제1 가산부(730)의 출력은 제2 가산부(750)에서 더해진 후, 상기 제2 가산부(750)의 출력은 제2 지연부(770)와 제3 가산부(770)와 더해진 후 루프 출력을 하게 된다.
한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 시스템을 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치의 블록 구성도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 시스템을 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치는 전술한 도 3 내지 도 7의 각각의 블록들은 도 8과 같은 전체적인 구조를 갖게 된다.
먼저, 주파수 오차 보상부(801)는 초기 반송파 주파수 오차의 추정치(802)와 추적 반송파 오차 추적치의 합(803)을 가지고, 수신 신호에서 반송파 오차를 보상해주는 기능을 한다. 즉, 주파수 오차 보상부(801)는 추적 반송파 주파수 오차 추적치를 초기 반송파 주파수 오차 추정치와 더하여 시간 영역에서 보상하게 된다.
또한, FFT부(804)는 시간 영역의 수신 신호를 주파수 영역 신호로 바꾸어 주 는 기능을 수행하는데, 상기 주파수 오차 보상부(801) 및 FFT부(804)는 OFDM 신호를 수신하기 위한 블록이다.
다음으로, 크기 추적 보상부(805)는 파일럿 전력 계산부(907)의 출력을 루프 필터(808)를 통과시킨 후, 그 출력값을 입력 신호에 곱해서 신호의 크기를 조절하는 역할을 한다. 이와 같이 크기가 보상된 신호는 파일럿 부반송파 추출부(806)와 데이터 부반송파 추출부(809)로 출력된다.
상기 파일럿 데이터 추출부(806)는 전체 부반송파 중에서 파일럿 부반송파만을 선택하여 출력하고, 상기 데이터 부반송파 추출부(809)는 데이터 부반송파만을 선택 출력한다.
또한, 채널 보상부(812)는 다음의 수학식 9와 같이, 파일럿 신호의 주파수 채널 응답의 공액복소수(
Figure 112005022681985-pat00031
)를 수신 파일럿 신호(
Figure 112005022681985-pat00032
)에 곱하여 출력하는 역할을 한다.
Figure 112005022681985-pat00033
또한, 상기 채널이 보상된 파일럿을 가지고 반송파 주파수 오차 추정부(825), 반송파 위상 오차 추정부(814) 및 시간 오차 추정부(815)는 각각의 파라미터를 추정하게 된다. 여기서, 각각의 파라미터가 추정된 상기 반송파 위상 오차 추정부(814) 및 시간 오차 추정부(815)는 루프 필터(816, 818)를 거치게 된다.
또한, 상기 반송파 주파수 오차 추정부(825)의 출력은 반송파 주파수 루프 이득(826)이 곱해지고, 지연부(829)와 더해진 후, 상기 반송파 주파수는 초기 반송파 주파수 오차 추정치와 같이 더해져서 상기 주파수 오차 보상부(801)에서 보상된다.
또한, 시간 오차는 그 특성에 따라 파일럿 부반송파가 곱셈기(820)에 의해 곱해져서 파일럿 및 데이터 부반송파의 위상 보상부(813)에서 보상된다.
마지막으로, 반송파 위상 오차는 파일럿 부반송파에 루프 필터(816) 출력이 보상되고, 데이터 부반송파에 현재 위상 추정치와 루프 필터 출력이 더해져서 보상된다. 즉, 반송파 위상을 추적하고 보상할 때, 파일럿에는 루프 필터 출력만으로 보상하고, 데이터 부반송파는 필터 출력에 현재 추정치를 더하여 보상한다.
이와 같은 위상 변화의 경우, 현재 심벌에서 추정하고, 그 심벌에서 바로 보상하는 형태를 갖는다. 즉, 피드포워드적인 성질을 갖게 되는 것이다.
그런데, 피드포워드적인 성질을 갖기 위해서는 파일럿 심벌만을 위한 퓨리에 변환부를 두어 파일럿 심볼을 우선적으로 추출해 낼 필요성이 있을 수 있다. 이 경우에는 도 8의 구조가 약간 변경될 수 있지만, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
따라서, 본 발명의 실시예는 전술한 과정을 통하여 주파수, 위상, 시간 및 크기와 같은 오차들을 모두 추적해 가는 형태를 갖게 된다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 추적 성능을 보이기 위한 BPSK 성상도로서, 추적하기 전의 성상도를 나타내는 도면이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 추적 성능을 보이기 위한 BPSK 성상도로서, 추적하기 후의 성상도를 나타내는 도면이다.
그리고, 이와 같은 회로를 수신 경로별로 둘 경우, 다중 수신 안테나 시스템에도 적용할 수 있다. 그리고 위와 같은 추적 과정이 없이 초기 동기만을 이용하였을 경우, BPSK의 성상점들이 도 9와 같이 왜곡되는 현상을 보이지만, 전술한 추적 과정을 통하여 도 10과 같이 정상적인 수신이 가능한 성상점으로 복원이 가능하게 된다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 무선 패킷 통신 형태의 OFDM 시스템에서 초기 동기 오류 및 라디오 주파수 또는 아날로그 회로의 영향으로 생길 수 있는 여러 가지 동기 추적 및 신호 크기 변화를 추적함으로써 이들 오류에 의한 성능 열화를 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 성능이 약간 떨어질 수 있는 반면에 비교적 저렴한 라디오 주파수 및 아날로그 소자를 이용하더라도 이를 보상할 수 있기 때문에 시스템 구현 비용을 줄일 수 있다.

Claims (11)

  1. 직교주파수 분할 다중화(OFDM) 시스템을 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치에 있어서,
    추적 반송파 오차 추적치를 초기 반송파 주파수 오차 추정치와 더하여 시간 영역에서 보상하는 주파수 오차 보상부;
    수신 파일럿 신호의 전력 계산량에 대응하는 출력값을 고속 퓨리에 변환(FFT)된 입력 신호에 곱해서 신호의 크기를 조절하는 크기 추적 보상부;
    상기 수신 파일럿 신호의 주파수 채널 응답의 공액복소수를 상기 수신 파일럿 신호에 곱하여 채널이 보상된 신호를 출력하는 채널 보상부;
    상기 채널이 보상된 파일럿을 가지고 반송파 주파수 오차 파라미터를 추정하며, 상기 추적 반송파 주파수 오차 추적치를 제공하는 반송파 주파수 오차 추정부;
    상기 채널이 보상된 파일럿을 가지고 시간 오차 파라미터를 추정하는 시간 오차 추정부; 및
    상기 채널이 보상된 파일럿을 가지고 반송파 위상 오차 파라미터를 추정하는 반송파 위상 오차 추정부
    를 포함하는 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반송파 위상 오차 추정부, 시간 오차 추정부 및 크기 추적 보상부는, 추정 오류에 대한 영향을 최소화하면서 보상 속도를 적절히 조절할 수 있도록 2차 루프 필터를 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반송파 위상 오차 추정부는 상기 반송파 위상을 추적하고 보상할 때, 파일럿에는 상기 루프 필터 출력만으로 보상하고, 데이터 부반송파는 상기 루프 필터 출력에 현재 추정치를 더하여 보상하는 것을 특징으로 하는 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 반송파 위상 오차 추정부는 현재 심벌에서 추정하고, 그 심벌에서 바로 보상하는 피드포워드 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반송파 위상 오차 추정부는 상기 피드포워드적인 형태를 갖기 위해서 파일럿 심벌만을 위한 퓨리에 변환부를 구비하여 파일럿 심볼을 우선적으로 추출하는 것을 특징으로 하는 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 시간 오차 추정부는 파일럿 부반송파가 곱해져서 파일럿 및 데이터 부반송파의 위상 보상부에서 상기 시간 오차가 보상되는 것을 특징으로 하는 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반송파 주파수 오차 추정부는 간단히 1차 루프를 이용하여 보상 정도를 결정하는 것을 특징으로 하는 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 반송파 주파수 오차 추정부의 출력은 반송파 주파수 루프 이득이 곱해진 후, 상기 반송파 주파수가 상기 초기 반송파 주파수 오차 추정치와 같이 더해져서 상기 주파수 오차 보상부에서 보상되는 것을 특징으로 하는 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 장치.
  9. OFDM 시스템을 위한 잔여 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 방법에 있어서,
    a) 수신 파일럿 심볼의 위상의 합을 이용하여 반송파 주파수 오차를 추정하 는 단계;
    b) 상기 수신 파일럿 심볼의 위상의 기울기를 추정하여 시간 오차를 추정하는 단계;
    c) 잔여 주파수 오차가 크거나 순간적인 주파수 위상 천이가 있는 경우, 상기 수신 파일럿 심볼을 이용하여 주파수 오차를 추정하여 FFT 전 시간 영역에서 보상하는 단계;
    d) 상기 c) 단계의 주파수 오차가 큰 경우, 추적 반송파 오차 추적치에 초기 반송파 주파수 오차를 더하여 주파수 오차를 보상하는 단계; 및
    e) 상기 파일럿 심볼을 이용하여 신호의 크기에 따른 크기 오차를 추정하는 단계
    를 포함하는 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반송파 위상 오차, 시간 오차 및 크기 오차의 경우, 추정 오류에 대한 영향을 최소화하면서 보상 속도를 적절히 조절할 수 있도록 각각 2차 루프 필터를 거치는 것을 특징으로 하는 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 e) 단계는, 상기 파일럿 심볼을 이용하여 신호의 크기에 따른 크기 오 차인 기준 전력과 수신 파일럿 심볼의 전력 차이를 구하고, 상기 크기 오차와 기준 전력과의 비율을 이용하여 상기 신호 크기의 보상 이득값을 결정하는 것을 특징으로 하는 주파수 오차, 위상 오차, 시간 오차 및 크기 변화 추적 방법.
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