KR100650218B1 - Apparatus and method for compensating residual frequency offsets - Google Patents
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Abstract
본 발명은 버스트 통신 시스템에서 잔류 주파수 옵셋을 보상하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 이를 위해 본 발명은 수신된 데이터 영역에서 잔류 주파수 옵셋으로부터 야기된 천이된 위상을 검출하고, 이전에 검출된 위상 천이 차이를 반영하여 수신된 신호의 프리앰블 영역을 이용하여 구한 위상 보상값을 갱신한다. 그리고 갱신된 위상 보상값을 통해 수신된 신호의 위상을 보상하고, 보상된 신호로부터 데이터 영역의 신호를 추출함으로써 데이터 영역의 전송 에러를 최소화하도록 한다. 이에 따라 본 발명은 파일럿 신호의 삽입에 따른 데이터의 전송량을 감소없이도 현재 데이터 전송 채널 환경에 따라 발생한 잔류 주파수 옵셋을 보상하여 데이터 전송 에러를 최소화할 수 있도록 한다. The present invention provides an apparatus and method for compensating for a residual frequency offset in a burst communication system. To this end, the present invention detects the shifted phase resulting from the residual frequency offset in the received data region and updates the phase compensation value obtained using the preamble region of the received signal by reflecting the previously detected phase shift difference. The phase compensation of the received signal is compensated through the updated phase compensation value, and the transmission error of the data area is minimized by extracting a signal of the data area from the compensated signal. Accordingly, the present invention can minimize the data transmission error by compensating for the residual frequency offset generated according to the current data transmission channel environment without reducing the data transmission amount according to the insertion of the pilot signal.
잔류 주파수 옵셋 보정 Residual Frequency Offset Compensation
Description
도 1은 통상적인 버스트 통신에서 잔류 주파수 옵셋 있는 경우에 저하된 수신 신호의 성능을 BER 특성으로서 보이는 그래프의 예시도, 1 is an exemplary diagram showing a graph showing the performance of a degraded received signal as a BER characteristic when there is a residual frequency offset in a typical burst communication.
도 2a는 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 보상 알고리즘이 적용된 장치의 블록 구성도, 2A is a block diagram of an apparatus to which a residual frequency offset compensation algorithm is applied according to an embodiment of the present invention;
도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 보상 알고리즘이 적용된 장치에서 IIR 필터를 사용하여 위상 천이 보상값을 산출하는 경우의 예시도, 2B is an exemplary diagram of calculating a phase shift compensation value using an IIR filter in a device to which a residual frequency offset compensation algorithm according to an exemplary embodiment of the present invention is applied.
도 2c는 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 보상 알고리즘이 적용된 장치에서 QPSK(4진 위상편이 키잉: quaternary phase shift keying) 변조에 적합한 M=4인 V&V 알고리즘을 적용하여 천이된 위상을 추출하는 경우의 예시도, FIG. 2C illustrates a method of extracting a shifted phase by applying a V & V algorithm of M = 4 suitable for quaternary phase shift keying (QPSK) modulation in a device to which a residual frequency offset compensation algorithm is applied according to an embodiment of the present invention. Examples of cases,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 보상 장치에서 잔류 주파수 옵셋을 보상하는 동작의 과정을 보이는 흐름도, 3 is a flowchart illustrating an operation of compensating for a residual frequency offset in a residual frequency offset compensation apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention;
도 4는 수신단에서 본 발명의 실시 예에 따른 알고리즘이 적용된 장치가 있는 경우와 없는 경우에 수신된 신호들을 QPSK 성좌도로 보인 예시도, 4 is an exemplary view showing received signals with and without an apparatus to which an algorithm according to an embodiment of the present invention is applied at a receiving end as a QPSK constellation diagram;
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 알고리즘이 적용된 경우 의 수신 신호의 BER 특성을 보이는 그래프의 예시도. 5 is an exemplary diagram illustrating a BER characteristic of a received signal when a residual frequency offset algorithm according to an exemplary embodiment of the present invention is applied.
본 발명은 버스트(Burst) 통신 시스템에서 수신단이 수신한 신호의 보상에 관한 것으로, 특히 수신된 신호에서 잔류 주파수 오차에 의하여 발생한 위상 천이의 보상에 관한 것이다. The present invention relates to compensation of a signal received by a receiver in a burst communication system, and more particularly to compensation of phase shift caused by residual frequency error in a received signal.
일반적인 버스트 방식의 통신 시스템에서 송신단에서 송신되는 신호는 동기 복조를 위한 프리앰블 (Preamble)영역과 실제 정보 전송을 위한 데이터 영역으로 구분된 프레임 구조로 되어 있다. 여기서 프리앰블 영역은 전송 신호의 시작점을 식별하거나 데이터 영역의 전송 동기화를 위해 STR(Symbol Timing Recovery), AFC(Automatic Frequency Control), 그리고 CR(Carrier Recovery)을 위한 심볼들로 구성되며, 데이터 영역은 실제 정보 전송을 위한 심볼들로 구성되어 있다. In a typical burst type communication system, a signal transmitted from a transmitter has a frame structure divided into a preamble area for synchronous demodulation and a data area for actual information transmission. The preamble area is composed of symbols for symbol timing recovery (STR), automatic frequency control (AFC), and carrier recovery (CR) to identify the starting point of a transmission signal or to synchronize transmission of the data area. It consists of symbols for information transmission.
여기서 STR이라는 것은 신호 탐색 및 전파 지연으로 인한 타이밍 오차(Timing Offset)를 보다 정밀하게 추정하여 정확한 심볼 동기를 수행함으로써 샘플링 에러로 인한 SNR(Signal to Noise Ratio) 감소를 보상하며, AFC는 송수신단의 오실레이터 불일치 및 도플러 쉬프트(Doppler Shift)로 인하여 발생할 수 있는 주파수 옵셋(Frequency Offset)에 대한 검출 및 보상을 수행하기 위한 것이다. 그리고 CR은 전송시 발생한 위상 옵셋(Phase Offset)의 영향을 제거하는 역할을 수행한 다. 따라서 버스트 방식의 통신 시스템에서 이러한 프리앰블 영역의 전송을 통하여 데이터 영역의 전송 에러율을 최소화 한다. Here, STR compensates for SNR (Signal to Noise Ratio) reduction due to sampling error by performing accurate symbol synchronization by more accurately estimating timing offset due to signal search and propagation delay. To detect and compensate for frequency offsets that may occur due to oscillator mismatch and Doppler shift. CR plays a role of removing the influence of phase offset generated during transmission. Therefore, the transmission error rate of the data area is minimized through the transmission of the preamble area in a burst communication system.
그러나 프리앰블 영역의 심볼을 이용하여 타이밍 오차, 주파수 오차 및 위상 오차를 복원하는데 있어서 잡음과 채널 환경의 변화에 따라 완벽한 복원은 불가능하다. 특히 주파수 옵셋 추정 에러에 따른 잔류 주파수 오차는 데이터 영역의 수신 심볼에 대한 위상 천이를 유발하며, 이러한 경우 누적된 위상 천이는 데이터 영역의 길이가 증가할수록 누적되게 되므로 치명적인 수신 성능 저하를 일으키게 된다. However, in recovering the timing error, frequency error, and phase error using the symbols of the preamble region, it is impossible to completely recover the noise due to the change of noise and channel environment. In particular, the residual frequency error caused by the frequency offset estimation error causes a phase shift with respect to the received symbol in the data region. In this case, the accumulated phase shift accumulates as the length of the data region increases, which causes a fatal reception performance.
하기 도 1은 통상적인 버스트 통신에서 잔류 주파수 옵셋이 있는 경우에 저하된 수신 신호의 성능을 BER 특성으로서 보이는 도면이다. 도 1은 잔류 주파수 옵셋을 동일한 신호 수신 시간간격(TS : Symbol Duration)으로 곱하여 정규화한 잔류 주파수 오차와 CR을 위한 심볼 구간에 따른 BER(Bit Error Rate) 성능을 나타낸다. 여기서 BER 성능 분석을 위하여 STR은 이상적이라고 가정하였으며, 위상 옵셋의 파일럿을 통하여 초기 위상 옵셋 60°를 보상한 경우를 가정한다. 또한 정규화된 잔류 주파수 옵셋은 0(100), 0.0001(102), 0.0005(104), 0.001(106)이라고 가정한다. 여기서 상기 정규화된 잔류 주파수 옵셋은 하기 수학식 1과 같다. FIG. 1 is a diagram showing the performance of a degraded received signal as a BER characteristic when there is a residual frequency offset in a typical burst communication. FIG. 1 shows bit error rate (BER) performance according to a symbol interval for CR and a residual frequency error normalized by multiplying a residual frequency offset by the same signal reception time interval (T S : Symbol Duration). Here, it is assumed that STR is ideal for BER performance analysis, and the case where the initial phase offset 60 ° is compensated through the pilot of the phase offset is assumed. It is also assumed that the normalized residual frequency offsets are 0 (100), 0.0001 (102), 0.0005 (104), and 0.001 (106). Here, the normalized residual frequency offset is represented by
도 1을 참조하여 살펴보면, 주파수 옵셋이 없는 경우(100) Eb/No, 즉 잡음 밀도에 대한 비트 에너지는 대략 10.5dB일 경우 BER은 10-6으로 거의 0에 가깝게 된다. 그러나 주파수 옵셋이 증가하여 0.0001인 경우(102)에는 상기 주파수 옵셋이 없는 경우(100)보다 BER는 증가하고, 또한 주파수 옵셋이 0.0005인 경우에는 BER은 크게 증가하여 잡음에 대한 비트 에너지가 10.5dB일 경우, BER은 거의 1/100으로 증가하게 된다. 또한 잡음이 더욱 증가하여 주파수 옵셋이 0.001이 될 경우 BER은 0.1 이상이 되어 통신이 불가능한 상태가 된다. 따라서 도 1을 참조하여 보면 잔류 주파수 옵셋이 없고 위상 오차만이 존재할 경우 CR을 위한 프리앰블 영역의 길이와는 무관하게 BER 성능은 이상적인 환경에서와 거의 일치하나, 잔류 주파수 옵셋이 존재할 경우 BER 성능은 크게 열화되는 것을 볼 수 있다. Referring to FIG. 1, when there is no frequency offset (100), when the Eb / No, that is, the bit energy for the noise density is approximately 10.5 dB, the BER becomes 10 −6 and almost close to zero. However, when the frequency offset is increased to 0.0001 (102), the BER is increased than when the frequency offset is absent (100), and when the frequency offset is 0.0005, the BER is significantly increased, so that the bit energy of the noise is 10.5 dB. In this case, the BER will increase to almost 1/100. In addition, when the noise increases further and the frequency offset becomes 0.001, the BER becomes 0.1 or more, which makes communication impossible. Therefore, referring to FIG. 1, BER performance is almost identical to that of an ideal environment regardless of the length of the preamble region for CR when there is no residual frequency offset and only phase error, but BER performance is large when there is residual frequency offset. It can be seen that it deteriorates.
그러므로 이러한 잔류 주파수 옵셋은 수신단의 수신 성능에 크게 영향을 미치게 된다. 따라서 이러한 잔류 주파수 옵셋을 해결하기 위해 다양한 방법이 등장하였다. 그리고 일반적으로 전송되는 데이터 영역의 중간중간에 송신단과 수신단 사이에 서로 약속된 신호, 즉 파일럿 심벌을 입력하고, 이러한 파일럿 심벌을 이용하여 위상 오차의 변이를 추적하는 방법이 널리 사용된다. 이에 따라 비록 프리앰블 영역의 통해서 충분히 전송 에러를 보상하지 못하였다고 하더라도 데이터 영역에 삽입되어 있는 파일럿 심볼들을 통해 잔류 주파수 옵셋 추정 에러를 최소화 할 수 있으므로, 데이터 전송 에러율을 최소화할 수 있다. 그러나 파일럿 심볼이 많을수록 데이터 전송 양이 줄어들게 되는 단점이 있다. Therefore, this residual frequency offset greatly affects the reception performance of the receiver. Therefore, various methods have emerged to solve this residual frequency offset. In general, a method of inputting a signal promised to each other, that is, a pilot symbol, between a transmitting end and a receiving end in the middle of a data region to be transmitted is widely used. Accordingly, even though the transmission error is not sufficiently compensated through the preamble region, the residual frequency offset estimation error can be minimized through the pilot symbols inserted in the data region, thereby minimizing the data transmission error rate. However, the larger the pilot symbol, the smaller the amount of data transmission is.
따라서 상술한 바와 같이 데이터 영역에 삽입된 파일럿 심볼들을 통해 잔류 주파수 옵셋 추정 에러를 최소화하는 방법은, 삽입되어 있는 파일럿 심볼의 수가 많으면 많을 수로 수신된 신호의 위상 보정 능력은 우수하게 된다. 그러나 이러한 방법은 수신 신호의 데이터 영역에 파일럿 심볼들이 삽입되기 때문에 파일럿 심볼들의 수가 많으면 많을수록 그 만큼 실제로 전송되는 데이터의 양은 감소된다는 문제점이 있다. Therefore, the method of minimizing the residual frequency offset estimation error through the pilot symbols inserted in the data region as described above, the greater the number of pilot symbols inserted, the better the phase correction capability of the received signal. However, this method has a problem that since the pilot symbols are inserted in the data region of the received signal, the larger the number of pilot symbols, the smaller the amount of data actually transmitted.
그러므로 본 발명의 목적은, 데이터의 전송량을 감소시키지 않고서도 잔류 주파수 옵셋을 감소시켜 데이터 전송 에러를 최소화할 수 있도록 하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus and method for minimizing data transmission error by reducing residual frequency offset without reducing the amount of data transmission.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 수신된 신호의 데이터 영역으로부터 데이터 전송 중에 발생한 에러로 인해 천이된 위상을 추정하는 위상 천이 추정부와, 상기 위상 천이 추정부로부터 추정된 위상 천이값을 이용하여 상기 데이터 전송 에러에 따른 위상 천이를 보상할 수 있는 위상 천이 보상값을 산출하는 위상 천이 보상값 산출부와, 상기 산출된 위상 천이 보상값을 이용하여 상기 수신된 신호의 프리앰블(Preamble) 영역에 포함된 위상 보상값을 갱신하여, 갱신된 위상 보상값으로 상기 수신된 신호의 위상을 보상하는 위상 보상값 갱신부를 구비한다. The apparatus of the present invention for achieving the above object comprises a phase shift estimator for estimating a phase shifted due to an error occurring during data transmission from a data region of a received signal, and a phase shift value estimated from the phase shift estimator A phase shift compensation value calculator for calculating a phase shift compensation value capable of compensating for the phase shift according to the data transmission error by using a preamble and a preamble of the received signal using the calculated phase shift compensation value. And a phase compensation value updating unit configured to update the phase compensation value included in the area and compensate the phase of the received signal with the updated phase compensation value.
또한 수신된 신호의 데이터 영역으로부터 기 설정된 개수의 심볼들이 추출되 었는지 추출하는 관찰 구간 체크 단계와, 상기 기 설정된 개수만큼 상기 심볼들이 추출된 경우, 상기 심볼들로부터 상기 수신된 신호의 전송 중에 발생한 에러로 인한 위상 천이를 추정하는 위상 천이값 추정 단계와, 상기 추정된 위상 천이값과, 이전 차례에 산출된 위상 천이 보상값을 일정 비율로 합하여 상기 추정된 위상 천이값에 따른 위상 천이 보상값을 산출하는 위상 천이 보상값 산출 단계와, 상기 추정된 위상 천이값에 따른 위상 천이 보상값을, 상기 수신된 신호의 프리앰블(Preamble) 영역에 포함된 위상 보상값에 합하여 상기 위상 보상값을 갱신하는 위상 보상값 갱신 단계와, 상기 갱신된 위상 보상값으로 상기 수신된 신호의 위상을 보상하는 신호 위상 보상 단계를 구비한다. In addition, an observation interval check step of extracting whether a predetermined number of symbols are extracted from a data area of a received signal, and an error occurring during transmission of the received signal from the symbols when the predetermined number of symbols are extracted Calculating a phase shift value according to the estimated phase shift value by adding a phase shift value estimating step of estimating a phase shift due to the step, the estimated phase shift value, and a previously calculated phase shift compensation value at a predetermined ratio. Calculating a phase shift compensation value; and adding a phase shift compensation value according to the estimated phase shift value to a phase compensation value included in a preamble region of the received signal to update the phase compensation value. A value updating step and a signal phase compensation step of compensating for the phase of the received signal with the updated phase compensation value And a.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the same elements in the figures are denoted by the same reference numerals wherever possible. In the following description and the annexed drawings, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.
먼저 본 발명의 완전한 이해를 돕기 위해, 본 발명의 기본 원리를 설명하면, 본 발명에서는, 수신된 데이터 영역의 수신 신호로부터 데이터 전송 에러에 의해 천이된 위상을 검출한다. 그리고 이전에 검출된 데이터 전송 에러에 의해 천이된 위상을 반영하여 현재 천이된 위상값에 따른 보상값을 산출하고, 산출된 위상 천이 보상값을 이용하여 수신된 신호의 프리앰블 영역에 포함된 위상 보상값을 갱신한다. 그리고 갱신된 위상 보상값을 통해 수신된 신호의 위상을 보상하고, 보상된 신호로부터 데이터 영역의 신호를 추출함으로써 데이터 영역의 전송 에러를 최소화하 도록 한다. First of all, in order to facilitate a complete understanding of the present invention, the basic principles of the present invention will be described. In the present invention, a phase shifted by a data transmission error is detected from a received signal in a received data area. The compensation value according to the current transition phase value is calculated by reflecting the phase shifted by the previously detected data transmission error, and the phase compensation value included in the preamble region of the received signal using the calculated phase shift compensation value. Update the. The phase compensation of the received signal is compensated through the updated phase compensation value, and the transmission error of the data area is minimized by extracting the signal of the data area from the compensated signal.
도 2a는 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 보상 알고리즘이 적용된 장치의 블록 구성을 보이고 있는 도면이다. 도 2a를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 보상 장치는, 수신된 신호에서 추출된 데이터 영역의 신호를 통해 전송 에러로 인해 발생한 신호의 위상이 천이된 정도를 추정하는 위상 천이 추정부(200)와, 상기 위상 천치 추정부(200)로부터 추정된 위상 천이값을 입력받아 현재 발생된 위상 천이를 보상할 수 있는 위상 천이 보상값을 산출하는 위상 천이 보상값 산출부(202), 그리고 상기 위상 천이 보상값 산출부(202)로부터 위상 천이 보상값을 입력받아 수신 신호의 프리앰블 영역에 포함된 위상 보상값을 갱신하는 위상 보상값 갱신부(204)를 구비한다. 2A is a block diagram illustrating an apparatus to which a residual frequency offset compensation algorithm according to an exemplary embodiment of the present invention is applied. Referring to FIG. 2A, the residual frequency offset compensator according to an exemplary embodiment of the present invention provides a phase shift for estimating a degree of phase shift of a signal generated by a transmission error through a signal of a data region extracted from a received signal. A phase shift compensation
이를 참조하여 살펴보면, 신호가 수신될 경우, 도시되지 않은 수신단의 제어부는, 수신된 신호로부터 데이터 영역의 수신 신호를 추출한다. 그리고 추출된 데이터 영역의 수신 신호의 심볼이 기 설정된 개수만큼 추출되었는지를 체크하고, 기 설정된 횟수만큼 추출되었으면, 현재 추출된 수신 신호를 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 장치의 위상 천이 추정부(200)로 입력한다. 본 발명의 실시 예에 따른 알고리즘에 사용되는 심볼의 개수는 다수의 시뮬레이션 또는 수신 신호의 주파수나 채널 환경에 대한 실험등을 통해 최적화된 값을 추출할 수 있음은 물론이며, 이러한 과정을 통해 추출된 값으로 얼마든지 사용자가 변화시킬 수 있음은 물론이다. Referring to this, when a signal is received, the control unit of the receiving end (not shown) extracts the received signal of the data area from the received signal. In addition, it is checked whether the number of symbols of the received signal of the extracted data area is extracted by a predetermined number, and if the predetermined number of times is extracted, the phase shift estimation unit of the residual frequency offset apparatus according to an embodiment of the present invention. Enter (200). The number of symbols used in the algorithm according to an embodiment of the present invention can extract an optimized value through a plurality of simulations or experiments on frequency or channel environment of a received signal, and of course, extracted through this process. Of course, the value can be changed by the user.
그리고 위상 천이 추정부(200)에서는 입력된 데이터 영역의 수신 신호로부터 천이된 위상을 검출한다. 여기서 위상 천이 추정부(200)에서 위상을 검출하는 방법으로서는 1983 년 IEEE Trans. 에 A. J Viterbi와 A. M. Viterbi에 의해 발표된, "Nonlinear estimation of PSK-modulated carrier phase with application to burst digital transmission(이하, V&V 알고리즘, M=4) " 논문에서 제안된 방법을 사용할 수도 있다. 하기 도 2c는 그러한 예를 보이고 있는 것이다. The
그리고 위상 천이 추정부(200)에서 전송 에러에 따른 위상 천이값이 추정되면, 추정된 위상 천이값은 위상 천이 보상값 산출부(202)로 입력된다. 갑자기 데이터 전송에 영향을 줄 수 있는 채널 환경 요소가 크게 변화하더라도 안정화된 위상 천이 보상값을 산출하기 위하여 위상 천이 보상값 산출부(202)에는 이전에 산출되었던 위상 천이 보상값이 반영된 위상 천이 보상값을 산출하는 IIR(In-finite Impulse Response) 필터를 적용되었다. IIR 필터를 통하여 급격한 채널 환경 및 잡음의 영향으로 잔류 주파수 옵셋이 발생할 경우 발생되는 위상의 흔들림 현상, 즉, 위상 지터(Phase Jitter)가 발생하는 경우에서도 안정화된 위상 천이 보상값을 산출할 수 있다. 하기 도 2b는 본 발명에서 위상 천이 보상값 산출부(202)로서 상기 IIR 필터를 사용하고 있는 구조를 보이고 있는 것이다. When the phase shift value according to the transmission error is estimated by the
그리고 위상 천이 보상값 산출부(202)로부터 안정화된 위상 천이 보상값이 산출되면, 수신부의 도시되지 않은 제어부에 의해 산출된 위상 천이 보상값은 위상 보상값 갱신부(204)로 입력된다. 이 위상 보상값 갱신부(204)는 입력받은 위상 천이 보상값을 이용하여, 수신 신호의 프리앰블 영역에 포함된 위상 보상값을 갱신한다. 여기서 상기 위상 천이 보상값을 이용하여 위상 보상값을 갱신하는 방법으로서 는 하기 수학식 2와 같이 상기 위상 보상값에 산출된 상기 위상 천이 보상값을 단순히 더하는 방법이 사용될 수도 있다. 여기서 residual은 위상 보상값을 의미하며, 는 위상 천이 보상값을 의미한다. 따라서 위상 보상값은 위상 천이 보상값에 의해 갱신된다. When the stabilized phase shift compensation value is calculated from the phase shift compensation
그리고 이러한 방법을 통해 갱신된 위상 보상값으로 수신된 신호의 위상을 보상한다. 그리고 상기 제어부는 위상이 보상된 수신 신호로부터 데이터 영역의 신호를 추출한다. 따라서 본 발명에서는 수신 신호의 데이터 영역에 삽입되어 있는 파일럿 심볼을 사용하지 않고서도, 수시로 변화하는 데이터 채널 환경에 따라 적응하여 잔류 주파수 옵셋으로 인해 발생한 위상 천이를 보상할 수 있다. 도 2b는 상술한 바와 같이 본 발명에서 위상 천이 보상값 산출부(202)로서 상기 IIR 필터를 사용하고 있는 구조를 보여주고 있는 도면이다. 도 2b를 참조하여 살펴보면, 이전 위상 천이 보상값을 반영하는 비율(이하 포겟팅 팩터(forgetting factor)라 칭한다)의 값을 '??로 설정하고 있음을 알 수 있다. 그리고 본 발명의 실시 예에 따라 위상 천이 추정부(200)로부터 위상 천이 추정값이 입력되면 위상 천이 보상값 산출부(202)에서 이를 이용하여 안정화된 위상 천이 보상값을 산출한다. 이 과정은 도 2의 (b)에서 도시되어 있는 바와 같다. 즉, 입력된 위상 천이값을 상기 포겟팅 팩터가 제외된 비율, 즉 현재 추정된 위상 천이값이 적용되는 비율로 산출하고, 이를 이전 과정에서 산출된 위상 천이 보상값에 상기 포겟팅 팩터의 값을 곱하여 산출된 값에 더한다. 따라서 상기 포겟팅 팩터에 따라 이전 과정에서 산출된 위상 천이 보상값이 반영되는 정도가 결정된다. 즉, 예를 들어 상기 포겟팅 팩터가 0.5일 경우라면, 위상 천이 보상값 산출부(202)로부터 출력되는 위상 천이 보상값은, 이전에 산출되었던 위상 천이 보상값 50%와 현재 추정된 위상 천이값이 50% 반영된 값이 된다. 따라서 현재 추정된 위상 천이값이 변화가 크다고 할지라도, 실제로 산출되는 위상 천이 보상값에는 변화된 값의 50%만이 반영된다. 따라서 갱신된 위상 보상값을 통해 추출되는 데이터 영역의 수신 신호는 위상의 변화에 따른 영향을 그만큼 적게 받게 된다. 그리고 이러한 포겟팅 팩터의 값은 다수의 시뮬레이션 또는 수신 신호의 주파수나 채널 환경에 대한 실험등을 통해 최적화된 값을 추출할 수 있음은 물론이며, 이러한 과정을 통해 추출된 값으로 얼마든지 사용자가 변화시킬 수 있음은 물론이다.In this way, the phase of the received signal is compensated with the updated phase compensation value. The controller extracts a signal of the data area from the received signal whose phase is compensated. Accordingly, the present invention can compensate for the phase shift caused by the residual frequency offset by adapting to a data channel environment that changes frequently, without using a pilot symbol inserted in the data region of the received signal. FIG. 2B is a diagram illustrating a structure in which the IIR filter is used as the phase shift compensation
도 2c는 상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 위상 천이 추정부(200)로 상기한 QPSK(4진 위상편이 키잉: quaternary phase shift keying) 변조에 적합한 M=4인 V&V 알고리즘의 개념이 적용된 경우의 예를 보이고 있는 도면이다. 도 2c를 참조하여 살펴보면, V&V 알고리즘을 이용하여 데이터 영역의 수신 신호를 입력받아서 추정 위상 천이값을 산출하는 과정을 보이고 있다. 이를 자세히 살펴보면, 일반적으로 데이터 영역의 수신신호는 위상 천이가 발생하지 않은 경우 하기 수학식 3와 같이 표현할 수 있다. 2C is a phase
여기서 i=0,1,2,3이고 n=1,2,...P이며, P는 누적 심볼 수를 의미한다. 와 같이 정의할 경우 상기 수학식 3의 Dre와 DIm는 수신 신호의 제곱을 취한 것으로 하기 수학식 4와 같이 표현할 수 있다. Where i = 0,1,2,3 and n = 1,2, ... P, where P is the cumulative number of symbols. When defined as follows, D re and D Im in
상기 수학식 4를 다시 제곱을 취함으로써 수신신호의 4제곱을 취할 수 있으며 그 결과 하기 수학식 5와 같이 나타낼 수 있으므로 최종적으로 arc-tan의 출력은 하기 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다. Since the square of
여기서 는 -π/4 ~ π/4 범위 내에 잔류 주파수로 인하여 발생한 위상 천이 성분을 의미하며 이는 하기 수학식 7과 같이 정리될 수 있다. Here, means a phase shift component generated due to the residual frequency within the range of -π / 4 ~ π / 4, which can be summarized as Equation 7 below.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 위상 천이 추정부(200)에서는 이러한 V&V 알고리즘을 이용하여 데이터 전송 과정에서 발생한 위상 천이값을 추정할 수도 있으며, 이러한 과정을 통해 추정된 위상 천이값은 위상 천이 보상값 산출부(202)로 입력된다. 그리고 현재 입력된 위상 천이값과, 이전 과정에서 산출된 위상 천이 보 상값, 그리고 반영 비율에 따라 위상 천이 보상값이 결정되고, 결정된 위상 천이 보상값은 위상 보상값 갱신부(204)로 입력되어, 수신된 신호의 프리앰블 영역에 포함된 위상 보상값을 갱신하고, 갱신된 위상 보상값을 이용하여 위상이 보상된 수신 신호로부터 데이터 영역의 신호들을 추출하게 된다. Accordingly, the
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 보상 장치에서 잔류 주파수 옵셋을 보상하는 동작의 과정을 보이는 흐름을 보이고 있는 도면이다. 도 3을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 보상 장치가 구비된 수신단의 제어부는 송신단으로부터 신호가 수신될 경우 300단계로 진행하여 수신된 신호로부터 프리앰블 영역의 신호들을 추출하고, 프리앰블 영역에 포함된 값에 따라 데이터 전송 에러를 보상하여 데이터 영역의 수신 신호를 추출한다. 그리고 301단계로 진행하여 상기 추출된 데이터 영역의 수신 신호로부터 기 설정된 심볼 개수 이상 심볼들의 추출되었는지를 체크한다. 그리고 만약 기 설정된 개수만큼 심볼들이 추출되지 않았다면 상기 제어부는 다시 300단계로 진행하여 수신된 신호로부터 데이터 영역의 수신 신호를 추출한다. 3 is a flowchart illustrating a process of compensating for a residual frequency offset in a residual frequency offset compensator according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, when a signal is received from the transmitter, the controller of the receiver having the residual frequency offset compensator according to an embodiment of the present invention proceeds to step 300 and extracts the signals of the preamble region from the received signal. The received signal of the data area is extracted by compensating for a data transmission error according to a value included in the preamble area. In
그러나 만약 상기 301단계에서 상기 추출된 수신 신호로부터 기 설정된 개수만큼 심볼들이 추출되었다면, 상기 제어부는 302단계로 진행하여 추출된 수신 신호로부터 위상 천이값을 추정한다. 이는 상기 도 2a에서 보인 것과 같이 위상 천이 추정부(200)에 상기 추출된 수신 신호를 입력함으로써 이루어진다. 그리고 상기 제어부는 상기 위상 천이 추정부(200)로부터 위상 천이값이 추정되면, 304단계로 진행하여 상기 위상 천이값을 위상 천이 보상값 산출부(202)로 입력하고 위상 천이 보상값을 산출한다. 그리고 상기 제어부는 위상 천이 보상값 산출부(202)로부터 출력된 위상 천이 보상값을 위상 보상값 갱신부(204)로 입력하여, 수신 신호의 CR 영역과 같은 프리앰블 영역에 포함되어 있는 위상 보상값을 갱신한다. 그리고 상기 제어부는 위상 보상값 갱신부(204)로부터 출력된 위상 보상값을 이용하여 수신 신호의 위상을 보상하고, 데이터 영역의 신호를 추출한다. However, if a predetermined number of symbols are extracted from the extracted received signal in
또한 상기 도 3의 301단계에서 설정되어 있는 심볼의 개수는 얼마든지 사용자가 변화시킬 수 있음은 물론임을 밝힌 바 있다. 그런데 이러한 심볼의 수가 사용자에 의해 많게 설정되면, 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 보상 장치에서는 그만큼 많이 누적된 잔류 주파수 옵셋을 검출하고, 상기 심볼의 수가 사용자에 의해 적게 설정되면 그 만큼 적게 누적된 잔류 주파수 옵셋을 검출하게 된다. 따라서 사용자에 의해 심볼의 수가 많게 설정되면, 그만큼 잔류 주파수 옵셋을 검출하고 이에 따라 위상 보상값을 갱신하는 하는 횟수는 감소하게 되지만, 그만큼 누적되는 잔류 주파수 옵셋값도 커지게 되므로 잔류 주파수 옵셋값의 허용가능한 범위는 적어지게 된다. 또한 만약 사용자에 의해 심볼의 수가 적게 설정되면, 그만큼 누적되는 잔류 주파수 옵셋값도 적어지게 되므로 잔류 주파수 옵셋값의 허용가능한 범위는 커지게 된다. 그러나 이러한 경우 위상 보상값을 갱신하는 횟수가 증가하게 되므로, 수신 신호의 위상을 자주 보상하게 되고, 이에 따라 수신 신호에서는 흔들림 현상, 즉 지터 현상이 심화되게 된다. In addition, the number of symbols set in
이에 따라 사용자는 다수의 시뮬레이션 또는 수신 신호의 주파수나 채널 환경에 대한 실험등을 통해 최적화된 심볼의 개수를 찾고 이를 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 장치에 적용할 수 있도록 한다. 도 4는 이러한 실험의 예를 보이고 있는 도면이다. 이 중 도 4의 (a)는 임의적으로 심볼의 개수를 5개로 설정한 경우의 시뮬레이션 결과를 보이고 있는 도면이며, 도 4의 (b)는 심볼의 개수를 10개로 설정한 경우의 시뮬레이션 결과를 보이고 있는 도면이다. 또한 도 4의 (c)는 심볼의 개수를 20개로 설정한 경우의 시뮬레이션 결과를 보이고 있는 도면이며, 도 4의 (d)는 심볼의 개수를 30개로 설정한 경우의 시뮬레이션 결과를 보이고 있는 도면이다. 또한 데이터 영역의 길이를 100심볼로 설정하였다. 이하 이러한 심볼의 개수를 관찰 구간이라고 칭하기로 한다. Accordingly, the user can find the optimized number of symbols through a plurality of simulations or experiments on frequency or channel environment of a received signal and apply the same to a residual frequency offset device according to an embodiment of the present invention. 4 shows an example of such an experiment. 4 (a) shows a simulation result when the number of symbols is arbitrarily set to five, and FIG. 4 (b) shows a simulation result when the number of symbols is set to ten. It is a drawing. 4C is a diagram showing a simulation result when the number of symbols is set to 20, and FIG. 4D is a diagram showing a simulation result when the number of symbols is set to 30. . In addition, the length of the data area was set to 100 symbols. Hereinafter, the number of such symbols will be referred to as an observation section.
이러한 도 4의 (a),(b),(c) 그리고 (d)를 참조하여 살펴보면 주파수 옵셋이 0.0001이하인 경우 데이터 영역에서의 위상 천이는 매우 적으므로 위상 천이 추정을 위한 관찰 구간을 30심볼까지 증가시켜도 누적된 위상천이가 심벌 경계선(Decision boundary)을 넘어가지 않는다. 여기서 심볼 경계선이라는 것은 수신단에서 잔류 주파수 옵셋에 따른 위상 천이를 보상할 경우에 허용가능한 한계치를 말하는 것이다. 따라서 이를 넘게 되면 데이터 전송 에러로 인한 위상 천이를 보상한다 하더라도 여전히 에러가 발생하게 되는 것을 의미한다. 그리고 관찰구간이 5심볼(도 4의 (a)), 10심볼(도 4의 (b)), 20심볼(도 4의 (c)) 및 30심볼(도 4의 (d))인 경우 큰 성능 향상은 없음을 알 수 있다. Referring to (a), (b), (c), and (d) of FIG. 4, when the frequency offset is less than 0.0001, since the phase shift in the data region is very small, the observation interval for estimating the phase shift is up to 30 symbols. Increasing does not cause the accumulated phase shift to cross the symbol boundary. Here, the symbol boundary refers to an allowable threshold when the receiver compensates for the phase shift caused by the residual frequency offset. Therefore, if this is exceeded, an error still occurs even if the phase shift caused by the data transmission error is compensated. And when the observation interval is 5 symbols (Fig. 4 (a)), 10 symbols (Fig. 4 (b)), 20 symbols (Fig. 4 (c)) and 30 symbols (Fig. 4 (d)) large It can be seen that there is no performance improvement.
그리고 잔류 주파수 옵셋이 0.0005인 경우를 보이고 있는 경우 5심볼(도 4의 (a)), 10심볼(도 4의 (b)), 및 20심볼(도 4의 (c))에서는 유사함을 보이나, 관찰 구간이 30심볼(도 4의 (d))인 경우 약 0.4dB 정도의 성능 감소를 나타낸다. 따라서 잔류 주파수 옵셋이 0.0005인 경우 20심볼 이하의 관찰 구간 설정이 필요함을 알 수 있다. 또한 잔류 주파수 옵셋이 0.001인 경우 데이터 영역 심볼의 위상 천이가 상대적으로 크므로 관찰 구간을 10심볼 이상으로 증가시키면 성능 감소가 증가됨을 확인할 수 있다. 따라서 상기한 도 4를 참조하여 살펴보면 본 발명에서는 0.0005이상인 잔류 주파수 옵셋에 대해서도 신뢰성 있는 통신이 가능함을 확인할 수 있다. 또한 관찰 구간의 범위에 따라 일정 잔류 주파수 옵셋내에서는 수신 성능의 변화가 거의 없으나, 일정 잔류 주파수 오차이상이 되면 급격하게 수신 성능이 저하되고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 관찰 구간이 적을수록 보다 큰 잔류 주파수 옵셋을 보상할 수 있으나, 그만큼 자주 주파수 보상 동작을 수행하여야 하고, 관찰 구간이 클 수록 허용할 수 있는 잔류 주파수 크기가 작아지게 된다. 또한 일정 잔류 주파수 옵셋 내에서는 관찰 구간의 크기에 따라 수신 성능에 크게 변화가 없음을 알 수 있다. In the case where the residual frequency offset is 0.0005, the 5 symbols (Fig. 4 (a)), 10 symbols (Fig. 4 (b)), and 20 symbols (Fig. 4 (c)) is similar. , When the observation interval is 30 symbols (Fig. 4 (d)) shows a performance reduction of about 0.4dB. Therefore, when the residual frequency offset is 0.0005, it can be seen that it is necessary to set the observation interval of 20 symbols or less. In addition, when the residual frequency offset is 0.001, since the phase shift of the data region symbol is relatively large, it can be confirmed that the performance decrease increases when the observation interval is increased to 10 symbols or more. Therefore, referring to FIG. 4, it can be seen that reliable communication is possible even with a residual frequency offset of 0.0005 or more. In addition, although there is almost no change in the reception performance within the constant residual frequency offset depending on the range of the observation interval, it can be seen that the reception performance is suddenly degraded when the constant residual frequency error is exceeded. That is, the smaller the observation interval, the larger the residual frequency offset can be compensated, but the frequency compensation operation should be performed as often, and the larger the observation interval, the smaller the allowable residual frequency size. In addition, it can be seen that the reception performance does not change significantly according to the size of the observation interval within the constant residual frequency offset.
즉, 상기한 도 4의 예를 들어 살펴보면, 잔류 주파수 옵셋이 0.0001인 경우 관찰 구간이 심볼 5개인 경우와 심볼 30개인 경우, 수신 성능에서는 큰 차이가 없다. 그러나 이 때, 관찰 구간을 심볼 30개로 설정한 경우에 한번 주파수 위상 보상값 갱신 동작이 이루어지는 동안, 관찰 구간이 심볼 5개인 경우에는 여섯 번의 위상 보상값 갱신 동작이 이루어진다. 또한 상기한 도 4의 예를 들어 살펴보면, 잔류 주파수 옵셋이 0.001인 경우 관찰 구간이 5개인 경우에는 이를 보상할 수 있으나, 관찰 구간이 30개인 경우에는 이를 보상할 수 없음을 알 수 있다. 따라서 사용자는 이러한 시뮬레이션 결과등을 토대로 가장 적합한 관찰 구간을 설정함으로써 본 발 명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 보상 장치의 성능을 최적화 시킬 수 있다. That is, in the example of FIG. 4, when the residual frequency offset is 0.0001, when the observation interval is 5 symbols and when the symbol is 30, there is no significant difference in reception performance. At this time, however, if the observation interval is set to 30 symbols, the frequency phase compensation value updating operation is performed once, and when the observation interval is 5 symbols, six phase compensation value updating operations are performed. In addition, referring to the example of FIG. 4, when the residual frequency offset is 0.001, this may be compensated for 5 observation intervals, but it may not be compensated for when the observation interval is 30. Therefore, the user can optimize the performance of the residual frequency offset compensation device according to the embodiment of the present invention by setting the most suitable observation section based on the simulation results.
도 5는 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 보상 장치가 구비된 수신단과 그렇지 않은 수신단에서 수신된 신호들의 예를 QPSK 성좌도로 보인 도면이다. 이 중 도 5의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 보상 장치가 구비되지 않은 수신단에서 수신된 신호들을 보이고 있으며, 도 5의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 보상 장치가 구비된 수신단에서 수신된 신호들의 예를 보이고 있는 도면이다. 이를 참조하여 살펴보면, 도 5의 (a)는 잔류 주파수 옵셋의 영향으로 인해 수신된 신호들의 위상 천이가 계속 누적되어 위상이 서로 섞여져 있는 것을 나타내고 있으며, 도 5의 (b)는 잔류 주파수 옵셋이 발생하였으나 본 발명의 실시 예에 따른 잔류 주파수 옵셋 보상 동작에 의해 그 천이된 위상이 보상되어 있는 것을 나타내고 있는 도면이다. 따라서 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 위상 보상 방법을 적용하지 않았을 경우 위상 천이의 지속적이 누적으로 인해 올바른 신호를 판단할 수 없는 반면, 위상 보상 방법이 적용된 경우 이러한 위상 천이가 보상되어 올바른 신호의 수신 신호 검출이 가능하다. 5 is a diagram illustrating examples of signals received from a receiver having a residual frequency offset compensation device according to an embodiment of the present invention and a receiver not receiving the QPSK constellation. 5 (a) shows the signals received at the receiving end is not provided with the residual frequency offset compensation device according to an embodiment of the present invention, Figure 5 (b) is a residual frequency according to an embodiment of the present invention FIG. 3 illustrates an example of signals received at a receiver having an offset compensation device. Referring to this, FIG. 5 (a) shows that phase shifts of received signals are continuously accumulated due to the influence of the residual frequency offset, and the phases are mixed with each other. FIG. 5 (b) shows that the residual frequency offset Although it is generated, the shifted phase is compensated by the residual frequency offset compensation operation according to an embodiment of the present invention. Therefore, when the phase compensation method according to the embodiment of the present invention is not applied, the correct signal cannot be determined due to the continuous accumulation of the phase shift, whereas when the phase compensation method is applied, the phase shift is compensated to receive the correct signal. Signal detection is possible.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 특히 알고리즘에 사용되는 심볼의 개수 및 포겟팅 팩터는 다수의 시뮬레이션 및 채널 환경을 고려한 실험등을 통해 최적화된 값을 추출되어야 함음 물론이며, 이러한 과정을 통해 추출된 값으로 얼마든지 사용자가 변화시킬 수 있음은 물론이다. 아울러 상술한 본 발명의 실시 예에서는 위상 천이 추정부에서 천이된 위상을 찾는 방법으로서 V&V 알고리즘에서 제시된 방법을 사용하는 예를 들었으나, 천이된 위상을 검출할 수 있는 다른 방법을 사용할 수도 있음은 물론이다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의해 정할 것이 아니고, 특허청구범위와 특허청구범위의 균등한 것에 의해 정하여져야 한다. Meanwhile, in the above description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. In particular, the number of symbols and the focusing factor used in the algorithm should be extracted from the optimized values through a number of simulations and experiments considering the channel environment. Of course. In addition, in the above-described embodiment of the present invention, the method used in the V & V algorithm is used as a method of finding the shifted phase in the phase shift estimator, but other methods for detecting the shifted phase may be used. to be. Therefore, the scope of the invention should not be defined by the described embodiments, but should be determined by the equivalent of claims and claims.
본 발명은 수신된 데이터 영역의 수신 신호로부터 데이터 전송 에러에 의해 천이된 위상을 검출하고, 이전에 검출된 데이터 전송 에러에 의해 천이된 위상을 반영하여 현재 천이된 위상값에 따른 보상값을 산출하며, 산출된 위상 천이 보상값을 이용하여 수신된 신호의 프리앰블 영역에 포함된 위상 보상값을 갱신한다. 그리고 갱신된 위상 보상값을 통해 수신된 신호의 위상을 보상하고, 보상된 신호로부터 데이터 영역의 신호를 추출함으로써 데이터 영역의 전송 에러를 최소화하도록 한다. 이에 따라 본 발명은 파일럿 신호의 삽입에 따른 데이터의 전송량을 감소없이도 현재 데이터 전송 채널 환경에 따라 발생한 잔류 주파수 옵셋을 보상하여 데이터 전송 에러를 최소화할 수 있도록 한다. The present invention detects a phase shifted by a data transmission error from a received signal of a received data area, calculates a compensation value according to the current shifted phase value by reflecting a phase shifted by a previously detected data transmission error. The phase compensation value included in the preamble region of the received signal is updated by using the calculated phase shift compensation value. The phase compensation of the received signal is compensated through the updated phase compensation value, and the transmission error of the data area is minimized by extracting a signal of the data area from the compensated signal. Accordingly, the present invention can minimize the data transmission error by compensating for the residual frequency offset generated according to the current data transmission channel environment without reducing the data transmission amount according to the insertion of the pilot signal.
Claims (5)
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