KR100709519B1 - 전송 채널의 복소 이득을 추정하는 시스템 - Google Patents

Abstract

디지털 무선 방송에 사용될 수 있는 병렬형 변조기/복조기를 위해, 전송 채널의 복소 이득을 추정하는 시스템이 설계된다. 상기 시스템은 전송된 신호에 고르게 분포되어 있는 이득 기준들을 구성하는 공지된 심볼들로부터 유용한 심볼에 대한 이득을 추정하는 주어진 수 (N) 만큼의 보간기 세트를 구비하며, 보간기의 각 세트는 안정한 단일-경로 채널로부터 시간적 분산과 불안정성이 높은 채널에 이르기까지, 특정한 수신 상황에 적응되어 있다. 보간기의 출력은, 특정된 길이의 시간 동안 가장 약하게 추정된 잡음을 내는 보간기의 세트를 선택하도록 프로그램되어 있는 선택 장치에 접속된다.

이득 기준, 보간기의 세트

Description

전송 채널의 복소 이득을 추정하는 시스템{SYSTEM FOR THE ESTIMATION OF THE COMPLEX GAIN OF A TRANSMISSION CHANNEL}

도 1 은 본 발명에 의한 보간기 시스템의 편제 모드를 보여주는 도면;

도 2 는 본 발명에 의해 수행되는 보간에 의한 연산 모드의 실례 뿐만 아니라 몇 개의 병렬-변조된 반송파를 구비한 전송 채널상의 이득 기준 심볼의 분포를 보여주는 도면;

도 3 은 본 발명에 따른 방법의 다양한 스테이지를 흐름도 형태로 보여주는 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 보간기의 세트 2 : 선택 장치

3 : 잡음 추정기

본 발명은 전송 채널의 복소 이득을 추정하는 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 특히, 진폭-변조된 장파, 중파 및 단파 대역의 병렬 변조기/복조기를 사용하는 디지털 무선 방송 분야에 응용될 수 있다.

비용과 효율 사이에 최상의 균형을 이루는 방법은, 각각이 고유 중심 주파수에 로크 (lock) 되어 있으며 초당 수십 비트의 낮은 비트 속도를 가진, 최소 단위가 되는 변조기/복조기를 수 백개의 큰 수 (N) 만큼 나란히 놓는 것 (juxtaposition) 으로 종종 설명되는 병렬 변조기/복조기의 사용에 기초하고 있다. 이들 중심 주파수는 가능한한 서로 인접해 있어, 전송기에 할당된 주파수 대역 내에서 전송된 정보의 비트 속도는 최대가 된다.

예를 들어, 무선 방송의 현 표준에 의하면, 병렬 변조기/복조기는 3,125 Hz 간격으로 구분된 288 개의 반송파로 구성된 총 9 KHz 의 대역 내에서 동작할 수 있어야 하는데, 각 반송파는 이웃한 반송파와 독립적으로 변조되며, 반송파들은 서로 동기되어 있다.

전송 채널이 불안정한 경우, 특히 단파에서, 상관 복조로 알려진 복조법을 사용할 수 있으려면, 그 변화를 쫓아 시간 내의 임의 포인트에서 그리고 모든 반송파에 대해 진폭과 위상에서의 복소 이득을 추정할 수 있는 것이 반드시 필요하다.이 상관 복조법은, 점유 대역의 Hz 당 전송된 초당 비트 수가 크다는 것에 그 특징이 있는, 스펙트럼 효율이 높은 다중-상태 변조의 최적 이용을 가능하게 한다.

채널의 복소 이득은 대개, 소정의 정규 패턴에 따라, 공지된 진폭과 위상의 심볼 (symbols) 을 삽입함으로써 추정된다. 이들 심볼은 또한 "이득 기준 (gain reference)" 심볼로도 불린다. 이들은 유용한 비트 속도를 최대화되도록, 전송된 심볼 전체 중 가능한 가장 작은 부분을 나타낸다.

이득 기준들에 대해 관측된 이득을 사용하여 원하는 위치에서의 채널 이득을 연산하는 보간법으로, 시간 내의 임의 포인트와 임의 주파수에 대한 채널의 복소 이득이 추정될 수 있다.

보간법은 필터링 동작법에 필적하며, 대상 셀에 인접한 이득 기준들의 가중치된 합을 연산하는 것으로 이루어진다.

제 1 의 공지된 양태는, 주파수 보간이 수반되는 시간적 보간을 수행하는 것으로 이루어진다. 따라서, 2 개의 단계가 필요하다.

제 1 단계는, 보간법으로, 이전과 나중에 위치한 이득 기준들로부터 각 반송파의 특정 심볼에 대한 채널의 복소 이득을 추정하는 것으로 구성된다. 이 보간은 특정 수 (Kt) 만큼의 이득 기준들을 선형적으로 조합함으로써 수행된다.

제 2 단계는, 상기 추정이 향상되도록, 횡단 필터를 이용해 주파수 축을 따라 수행되는 필터링 동작으로 구성된다. 신호-대-잡음비를 개선하기 위하여, 소정 반송파에 인접한 반송파들에 대해 시간 내의 소정 포인트에서 추정된 이득들 모두가, 상기 반송파에 대해 추정된 이득과 결합된다. Kf 개의 반송파들에 대해 이러한 보간이 수행된다.

상기 제 1 양태에서, N 은 반송파의 수이며, 그로부터 얻어지는 세트의 복잡성은 N ×Kt + N ×Kf = N(Kt + Kf) 에 비례한다.

제 2 양태는 2 차원 보간을 수행하는 것으로 이루어진다. 이 경우, 상기 추정은, 하나의 단계로만 수행되며, 시간적 보간과 주파수 보간이 결합된 결과를 나타낸다. 검사되고 있는 반송파에 대해 시간 내의 소정 포인트에서 추정된 이득은, 검사되고 있는 반송파와 그에 이웃한 반송파들에 대해, 고려되고 있는 시간 내 포인트의 이전, 현재 및 나중에 나타나는 이득 기준들에 대한 이득의 선형적 조합이다.

상기 제 1 양태의 성능 레벨에 근접한 성능 레벨을 얻기 위해, Kt ×Kf 보다 약간 적은 이득 기준들을 고려하여 추정되어야 할 이득과 "상관 관계가 높은" 것들만이 각 보간에 포함되도록 할 필요가 있는데, 이는 약 3/4 ×N ×Kt ×Kf 의 복잡성과 일치한다.

제 3 양태는 고유-벡터들에 투영하는 것으로 이루어진다. 이 경우, 수신된 신호는 다중경로 채널을 통해 전송된 원본 신호의 복사들 (R) 의 합으로부터 얻어진 것으로 간주된다. 시간 내의 소정 포인트에서 N 개의 반송파에 대해 고려되고 있는 채널의 이득 모두가, 다음 벡터들의 합인 하나의 이득 벡터로 감축될 수도 있다 : 다양한 정도로 상관성이 제거된 R 개의 느리게 변화하는 (협-대역) 벡터와 하나의 불규칙 잡음 벡터.

주파수 축을 따라 이득들의 자기 상관을 연산하고, 이들 자기 상관을 계수로 갖는 행렬을 형성하며, 그 행렬의 고유치를 찾고, R 개의 경로에 대응되는 R 개의 고유-벡터를 유지하는 방법이 사용된다.

그 다음 상기 이득 벡터는 이들 고유-벡터에 투영되며, 상기 투영은 잡음이 제거된 평활화된 이득의 완전한 상태인 것으로 간주된다.

이 방법의 복잡성은, N ×N 의 크기를 가진 행렬의 고유치를 연산하는 것이 수반되는, N 개의 자기 상관 연산에 해당된다. 다시 말해, 상기 복잡성은 아주 크다.

마지막으로, 제 4 양태는, 2 가지 보간법, 즉, 주파수 보간이 수반되는 시간적 보간 또는 2 차원 보간 중의 하나를 사용하며, 경사도 알고리즘, 간략화된 경사도 알고리즘, 사인 (sign) 알고리즘 또는 심지어 일정한 간격으로 동일한 연산이 반복되는 방법 같은 널리 공지된 수학적 방법에 따라, 시간의 경과 중에 상기 보간 필터의 계수를 변화시키는 적응 필터링의 방법을 구현한다. 이 경우, 복잡성의 정도는 고정된 보간법의 복잡성과 투영법 복잡성의 사이가 된다. 제 4 양태는, HF 단파 대역에 있는 경우지만, 채널이 크게 교란되는 채널 불안정의 위험을 수반한다.

본 발명의 목적은, 위에서 참조된 가장 번거로운 방법들의 성능 레벨에 필적하는 성능 레벨을 얻을 수 있는 서브-최적 양태를 제공하는 것이다. 동시에, 본 발명은 복잡성이 아주 낮은 방법을 얻고자 한다. 채널이 항상 동일한 방식으로 교란되지 않는 경우를 가정할 때, 수신기가 그 입수와 사용에 허용가능한 비용을 가져야 한다면, 이는 반드시 필요한 조건이다. 시간 내의 소정 포인트에서 수신할 수 있는 각종 방송국의 수신 조건은 엄청나게 다양하다. 어떤 방송국은 "분명하고 명료하게" 수신되는 반면, 다른 방송국은 잡음과 왜곡의 영향을 받는다. 따라서, 수신기의 채널 추정기가 수행해야 할 작업이 양자의 경우에 동일해서는 안된다는 것을 명백하게 알 수 있다.

거기에 더하여, 교란된 채널에 적응된 보간기는 고품질 채널에 대한 성능의 품질을 저하시킨다는 것을 알 수 있다. 채널이 불안정한 경우 넓어야 하고 채 널이 안정할 경우 다소 좁아야 하는 저역-통과 평활 필터처럼 동작하는 것으로 상기 보간기를 생각함으로써, 이를 설명할 수 있다. 채널이 안정한 동안 상기 필터가 불안정한 채널에 적응해야 한다면, 필터는 수신된 이득 기준들로 표현되는 유용한 신호와 함께 과도한 잡음을 수신하게 될 것이다. 반대로, 채널이 급속한 변화를 겪고 있는 동안 상기 필터가 안정한 채널에 적응해야 한다면, 필터는 그 변화를 따라갈 수 없게 될 것이고, 그 결과 작은 잡음이 있으면, 상기 채널은 부적합한 것으로 추정될 것이며 상기 추정기의 품질은 악화될 것이다.

따라서, 수신이 행해지고 있는 장소와 시간에 따라 결정되는 현재의 상황에 충분히 적응된 보간기를 항상 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우, 그 성능은 최적 보간기의 경우보다 다소 떨어질 수 있겠지만, 간과하여 넘기기에 충분한 정도의 열화가 될 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 디지털 무선 방송에 사용될 수 있는 병렬형 변조기/복조기를 위해 설계된, 전송 채널의 복소 이득을 추정하는 시스템인데, 상기 시스템은 전송된 신호 내에 고르게 분포된 이득 기준들을 구성하는 공지된 심볼들로부터 유용한 심볼에 대한 이득을 추정하는 소정의 수 (N) 만큼의 보간기 세트를 구비하며, 각각의 보간기 세트는 안정한 단일-경로 채널로부터 시간적으로 높은 분산과 불안정성을 가진 채널에 이르기까지, 특수한 수신 상황에 적응되어 있으며, 상기 보간기 출력들은, 특정된 길이의 시간 동안 가장 약하게 추정된 잡음을 내는 보간기의 세트를 선택하도록 프로그램된 선택 장치에 접속되어 있다.

본 발명은 구현이 아주 간단하며, 선택 조건의 연산에 사용되는 알고리즘이 복조를 수행하기 위해 일반적으로 필요한 알고리즘과 유사하다는 장점을 가진다. 선택 조건이 이득 기준들에 대해서만 연산되기 때문에, 필요한 연산 전력의 증가는 미미하다. 본 발명은 또한 극도로 다양한 수신 조건에 대해 저비용의 적응을 제공한다는 장점을 가진다. 마지막으로 본 발명은 준-최적화 (quasi-optimality), 즉 변함없이 최적인 시스템을 사용해 얻을 수 있는 성능에 비해 약간 열화된 성능을 얻을 수 있도록 한다.

본 발명에 의해 제시된 해결책은, 몇 개의 보간기 세트를 사용하는 것으로 이루어지는데, 각 보간기 세트는 주어진 상황에 적응되어 있으며, 각 상황이란, 채널이 변화하는 속도에 대응되는 도플러 스프레드 및, 가능한 가장 이른 시간과 가능한 가장 늦은 시간에 수신기에 도달한 원본 신호의 두 복사들 사이의 시프트에 대응되는 "시간적 스프레드" 로 특징지워지는 그 자체이다. 채널이 빨리 변할수록, 도플러 스프레드는 커진다. 시간적 스프레드는 전송 채널의 분산에 대한 측정이다.

보간기의 각 세트는, 이들 반송파들에 대해 전송된 이득 기준들로부터 하나 이상의 반송파에 대한 채널 이득을 추정한다.

선택 조건은 보간기의 각 세트와 관련이 있다. n 번째 조건은 n 번째 의 보간기 세트를 사용함으로써 얻을 수 있는 평균 보간 오류의 추정이다. 만약 n 이 최소라면, 사용되어야 하는 것은 논리적으로 n 번째 보간기 세트이다.

이러한 목적을 위해, 도 1 에 도시된 시스템은, 그 입력으로 전송 채널의 복조된 신호가 인가되는, 1₁ 내지 1_N 의 참조 심볼이 붙은 N 개의 보간기 세트를 구비한다. 상기 보간기 세트의 출력은, 3₁ 내지 3_N 의 참조 심볼이 붙은 N 개의 잡음-추정 장치를 써서 선택 장치 (2) 로 접속된다.

상기 선택 조건은, 시간 내의 소정 포인트에서, 이웃하는 이득 기준들에 근거하여 연산된 것과 같은 이득 기준의 값들과 이득 기준들 사이의 차이의 평균을 평가하는 것을 포함한다. 이 연산은, 고려되고 있는 보간기 세트의 특징이 되는 특수 필터에 의해 수행된다. 도 3 의 흐름도의 단계들 (4 내지 8) 에 도시된 바와 같이, 상기 연산은, 단계 4 에서 이득 기준으로 고려되었던 각 심볼에 대해, 단계 5 에서, 상기 심볼 자체와 그에 인접한 심볼들로부터 필터링을 통해 이득을 추정하는 것과, 단계 7 에서, 단계 6 에서 관측된 이득값과 추정된 값 사이의 평균 차를 연산하는 것으로 구성된다. 그 차가 작을수록, 연산을 위해 사용된 보간기의 세트가 보다 적합한 것으로 간주되게 된다. 단지 하나의 이득 기준에 대해서만 상기 연산이 수행되며, 이들 이득 기준이 전송된 심볼의 극히 일부만을 나타내기 때문에, 그 결과 요구되는 연산 전력의 증가는 거의 무시할 수 있을 정도이다.

어느 것이 우세한 조건에 대응되는 가장 좋은 보간기 세트인가를 결정하기 위해, 상기 방법은 하나 이상의 반송파에 대해, 시간 내의 공지된 포인트 (t=....t-2, t-1, t, t+1, t+2...) 에 대응되는 위치에 대해서만 검사를 수행하는데, 도 2 에 도시된 바와 같이, 수신된 신호 r(t) 는 시간 내의 이들 포인트 각각 에 대해 정해져 있는, 공지된 이득 Z(t) 를 갖는다. 이 경우, 직접 채널 g(t) 의 이득은 다음의 수학식 1 에 의해 결정된다:

- 수학식 1

시간 내의 포인트 t 에서의 채널의 간접 이득 g(t) 은, 시간 내의 상기 포인트 t 를 샌드위치하는, 신호의 상이한 수신 순간에서의 채널의 직접 이득이 고려되는, 수학식 2 의 간접 관계에 따른 보간에 의해 얻어진다:

- 수학식 2

여기서, dt(i)≠0 이며, b_ik 는 채널의 변화에 대응되는 대역폭에 적응된 계수를 가리킨다.

평균 차이 Q(k) 의 연산은, 수학식 3 의 관계에 의해 단계 7 에서 결정된다:

- 수학식 3

보간기의 각 세트에 대해 상술된 연산이 반복된다. 단계 8 에서 선택된 보간기의 세트는, 수학식 3 으로 정의된 수학적 기대치 Q_k 가 최소가 되게 하는 것이며, 특정된 시간창에서 가장 일반적으로 나타나는 것이다.

물론, 필연적으로 존재하는 잡음의 불규칙성을 가정할 때, 도 1 의 잡음-추정 단위들 (3₁ 내지 3_n) 에 의해 판단을 유연화하는 전략이 수행된다. 이 전략은, 예를 들어, 수학식 3 으로 정의된 조건이 적어도 특정된 수의 연속적인 시간 동안 특정된 수의 연속적인 심볼에 대해 최소가 되는 경우, 검사되고 있는 보간기의 신규 세트가 정말로 적합한 것인지 결정하거나, 그렇지 못할 경우 기존의 보간기 세트를 보존하는 것으로 구성될 수도 있다. 보간기의 세트는, 약간 크거나 작은 시간적 스프레드에 대응되거나 약간 크거나 작은 주파수 스프레드에 대응되는, 이웃하는 세트로 진행함으로써만 변경될 수 있다.

실제로, 상기 시스템이 보간기의 3 개 세트와 일치하는 수로 제한될 수 있는 경우가 있다는 것이 판명되었는데, 보간기의 한 세트는 낮은 엄격성의 조건, 즉 안정한 채널을 사용하는 시간적 스프레드가 낮은 조건을 위한 것이고, 보간기의 한 세트는 시스템이 견딜 수 있는 가장 엄격한 조건을 위한 것이며, 그리고 보간기의 한 세트는 이들 두 극단 사이의 중간에 있는 조건을 위한 것이다.

본 발명에 따른 전송 채널의 복소 이득을 추정하는 시스템은, 구현이 아주 간단하며, 선택 조건의 연산에 사용되는 알고리즘이 통상적으로 복조를 수행하는데 필요한 알고리즘과 유사하다는 장점을 가진다. 그리고, 이득 기준에 대해서만 선택 조건이 연산되기 때문에 필요한 연산 전력의 증가는 미미하다. 본 발명은 또한 극도로 다양한 수신 조건에 대해 저비용의 적응을 제공할 수 있다는 장점을 가진다. 그러면서도, 계속적인 최적 시스템을 사용해 얻을 수 있는 성능에 비 해, 본 발명의 의사-최적화에 따른 성능의 열화는 간과하여 넘기기에 충분할 정도로 작다.

Claims (4)

1. 디지털 무선 방송에 사용될 수 있는 병렬형 변조기/복조기를 위해 설계된, 전송 채널의 복소 이득을 추정하는 시스템으로서,

   전송된 신호 내에 고르게 분포된 이득 기준들을 구성하는 공지된 심볼들로부터 유용한 심볼에 대한 이득을 추정하는 주어진 수 (N) 만큼의 보간기 세트를 구비하며,

   상기 보간기의 각 세트는, 안정한 단일-경로 채널로부터 시간적 분산과 불안정성이 높은 채널에 이르기까지, 특정한 수신 상황에 적응되어 있으며,

   상기 보간기들의 출력은 특정된 길이의 시간 동안 가장 약한 추정 잡음 (estimated noise) 을 내는 보간기의 세트를 선택하도록 프로그램된 선택 장치에 접속되는, 전송 채널의 복소 이득 추정 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 선택 장치는, 시간 내의 주어진 포인트에서 상기 보간기의 각 세트에 대해, 이득 기준들과 이웃하는 이득 기준들에 기초하여 연산된 값들 사이의 평균차를 평가하는, 전송 채널의 복소 이득 추정 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 선택 장치는, 상기 이득 기준들과 상기 이웃하는 이득 기준들로부터 연산된 값들 사이의 상기 평균차의 연산된 값이 최소가 되며, 주어진 시간창 동안 가장 일반적으로 나타나도록 상기 보간기의 세트를 선택하는, 전송 채널의 복소 이득 추정 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 이득 기준들을 구성하는 상기 공지된 심볼들은, 하나의 동일한 전송 채널의 하나 이상의 반송파에 대해 분포되는, 전송 채널의 복소 이득 추정 시스템.

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