KR100741349B1

KR100741349B1 - 무선 통신을 위한 수신 장치

Info

Publication number: KR100741349B1
Application number: KR1020060019083A
Authority: KR
Inventors: 이정우
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-07-20

Abstract

본 발명은 간단한 구성의 채널 추정부를 이용하여 수신 신호의 앨리어싱 효과를 제거할 수 있는 무선 통신을 위한 수신 장치에 관한 것으로, 안테나로 수신되는 신호를 디지털 변환하기 위한 A/D 변환부와, A/D 변환부에 접속되어 다중 경로 신호의 경로를 추적하고 보상하는 핑거와, 핑거의 출력 신호를 결합하는 컴바이너를 포함하는 무선 통신을 위한 수신 장치로서, 핑거는 A/D 변환부에서 디지털 변환된 다중 경로 신호를 샘플링하는 샘플러, 샘플링된 신호의 전력을 극대화하기 위하여 최적의 샘플 위치를 검색하는 부호 추적부, 부호 추적부에서 출력된 신호를 지정된 시간동안 지연하는 지연부, 지정된 주파수마다 0이 삽입되는 단일 필터로 구성되어, 부호 추적부에서 출력된 신호에 대하여 왜곡을 추정하고 보상하는 1-필터 채널 추정부 및 지연부 및 상기 1-필터 채널 추정부의 출력 신호를 결합하는 결합부를 포함하여, 단일 필터를 이용한 간단한 구조의 채널 추정부를 이용하여 무선 통신용 수신 장치에서 수신 신호의 채널 추정시 앨리어싱 효과를 현저하게 제거할 수 있다.

채널 추정, 앨리어싱

Description

무선 통신을 위한 수신 장치{Receiver for Wireless Communication}

도 1은 일반적인 무선 통신용 수신 장치의 블록도,

도 2는 도 1에 도시한 채널 추정부의 일 예시도,

도 3은 일반적인 수신 장치에서 앨리어싱 효과를 설명하기 위한 도면,

도 4는 본 발명에 의한 무선 통신용 수신 장치의 블록도,

도 5a 및 5b는 본 발명에 적용되는 1-필터 채널 추정부에 적용되는 필터의 시간 응답 특성을 설명하기 위한 도면,

도 6은 본 발명에 적용되는 필터의 주파수 응답 특성을 설명하기 위한 도면,

도 7은 본 발명에 의한 1-필터 채널 추정부의 출력 신호 스펙트럼을 나타내는 도면,

도 8 내지 도 13은 종래의 채널 추정부와 본 발명에 의한 1-필터 채널 추정부를 사용한 경우 비트 에러율 특성을 설명하기 위한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10 : A/D 변환부 210 : 샘플러

220 : 부호 추적부 230 : 지연부

240 : 채널 추정부 250 : 결합부

40 : 1-필터 채널 추정부

본 발명은 통신용 수신 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 간단한 구성의 채널 추정부를 이용하여 수신 신호의 앨리어싱 효과를 제거할 수 있는 무선 통신을 위한 수신 장치에 관한 것이다.

UMTS, CDMA2000과 같은 무선통신 방식에서는 코히어런트(coherent) 방식을 채택하고 있기 때문에, 수신단에서 다중경로 페이딩에 의해 발생하는 신호의 위상과 진폭에 대한 왜곡을 추정하고 보상하기 위한 채널 추정 과정이 필수적이다. 채널 추정 기술은 파일럿이라고 불리는 약정된 신호를 보내어 이를 이용해서 채널 추정을 하는 파일럿 심벌 이용 채널 추정 방법과, 파일럿 심벌뿐만 아니라 일반 데이터를 같이 이용하여 채널 추정을 하는 결정 지향 채널 추정 방법으로 나눌 수 있다.

도 1은 일반적인 무선 통신용 수신 장치의 블록도이다.

도시한 것과 같이, 일반적인 수신 장치는 안테나로 수신되는 신호를 디지털 변환하기 위한 A/D 변환부(10), A/D 변환부(10)에 접속되어 다중 경로 신호의 경로를 추적하고 보상하는 복수의 핑거(20-1, 20-n), 핑거(20-1~20-n)의 출력 신호를 결합하는 컴바이너(30)로 이루어진다.

여기에서, 각각의 핑거(20-1~20-n)는 디지털 변환된 다중 경로 신호를 샘플링하는 샘플러(210), 샘플링된 신호의 전력을 극대화하기 위하여 최적의 샘플 위치 를 검색하는 부호 추적부(220), 부호 추적부(220)에서 출력된 신호를 지정된 시간동안 지연하는 지연부(230), 부호 추적부(220)에서 출력된 신호에 대하여 왜곡을 추정하고 보상하는 채널 추정부(240) 및 지연부(230)와 채널 추정부(240)의 출력 신호를 결합하는 결합부(250)를 포함한다.

현재, 채널 추정부(240)는 선형 보간 기법(Linear interpolation), 가우스 보간 기법(Gaussian interpolation), 위너 필터링 기법(Wiener Filtering), 가중 멀티슬롯 평균(Weighted Multi-Slot Averaging; WMSA) 기법 등 다양한 방식을 이용하여 구현되고 있으며, 도 2는 가중 멀티슬롯 평균 기법을 이용한 채널 추정부를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 채널 추정부(240)는 입력 신호를 사각파 변조(Square wave modulation)하는 변조 유닛(2410), 변조된 신호 중 유효한 신호만을 선택하기 위한 블록 평균 필터(2420), 블록 평균 필터(2420)에서 출력되는 복수의 신호 중 지정된 간격에 위치하는 신호만을 선택하기 위한 다운 샘플링 유닛(2430), 다운 샘플링 유닛(2430)에서 선택한 신호에 대한 평균치를 구하기 위한 멀티 슬롯 평균 유닛(2440) 및 멀티 슬롯 평균 유닛(2440)의 출력 신호를 다운 샘플링 전의 신호로 확장하기 위한 업 샘플링 유닛(2450)을 포함한다.

그런데, WMSA 채널 추정부는 블록 평균 필터(2420)가 넓은 대역폭을 갖기 때문에 채널 추정 결과에 앨리어싱(Aliasing) 현상이 나타나게 되는 문제가 있다. 앨리어싱 현상은 도 3에 도시한 것과 같이, 실제 구하고자 하는 신호 외의 원하지 않는 신호가 특정 주파수마다 반복되어 나타나는 것을 말한다. 도 3을 참조하면, 실제 구하고자 하는 신호는 주파수가 0인 위치에 나타나는 신호인데, +/-1500Hz 마다 원하지 않는 신호 성분이 출력되는 것을 알 수 있다.

즉, 송신단에서는 채널 추정을 위해 알려진 데이터(파일럿 신호)를 수신단으로 전송하며, 이 파일럿 신호는 단일 사각 펄스 형태를 갖는다. 이 단일 사각 펄스를 x(n), 타임 슬롯당 파일롯 심벌의 수를 Np, 타임 슬롯당 모든 심벌의 수를 Ns(=10)이라 할 때, 단일 사각 펄스 x(n)의 이산 시간 퓨리에 변환(DTFT)은 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

그리고, 단일 사각 펄스 x(n)을 모든 Ns 샘플들에 대하여 반복하면, y(n)으로 나타내어지는 사각 펄스열을 얻을 수 있다.

[수학식 2]

[수학식 3]은 y(n)의 이산 시간 퓨리에 변환 결과를 나타낸다.

[수학식 3]

제어 채널(DPCCH)을 통해 입력되는 신호를 z(n)이라 하고, 사각파 변조 신호 를 w(n)=y(n)z(n)이라 하면, 사각파 변조 신호 w(n)의 이산 시간 퓨리에 변환 결과는 [수학식 4]와 같이 나타내어 진다.

[수학식 4]

사각파 변조 신호 w(n)의 이산 시간 퓨리에 변환 결과는 예를 들어 도 3과 같이 나타내어 지며, +/-1500Hz마다 약간의 감쇄를 가지고 스펙트럼이 반복되는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 현재는 채널 추정 과정에서 원하지 않는 복제 스펙트럼이 특정 주파수(예를 들어, 1500Hz)마다 발생하여 채널 추정에 악영향을 미치게 되고, 결과적으로 수신 신호를 정확하게 복원하기 어려운 문제가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 특정 주파수마다 발생하는 앨리어싱 효과를 제거할 수 있는 무선 통신을 위한 수신 장치를 제공하는 데 그 기술적 과제가 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 간단한 구성을 갖는 채널 추정부를 구비한 무선 통신을 위한 수신 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 수신 장치에서 앨리어싱 효과를 제거함으 로써, 별도의 주파수 오프셋 보상 장치를 구비하지 않고도 수신된 신호를 정확하게 복원할 수 있는 무선 통신을 위한 수신 장치를 제공하는 데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 통신을 위한 수신 장치는 지정된 주파수 주기마다 0이 삽입되는 단일 필터를 포함하는 1-필터 채널 추정부를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 의한 무선 통신을 위한 수신 장치는 안테나로 수신되는 신호를 디지털 변환하기 위한 A/D 변환부와, 상기 A/D 변환부에 접속되어 다중 경로 신호의 경로를 추적하고 보상하는 핑거와, 상기 핑거의 출력 신호를 결합하는 컴바이너를 포함하는 무선 통신을 위한 수신 장치로서, 상기 핑거는 상기 A/D 변환부에서 디지털 변환된 다중 경로 신호를 샘플링하는 샘플러; 상기 샘플링된 신호의 전력을 극대화하기 위하여 최적의 샘플 위치를 검색하는 부호 추적부; 상기 부호 추적부에서 출력된 신호를 지정된 시간동안 지연하는 지연부; 지정된 주파수마다 0이 삽입되는 단일 필터로 구성되어, 상기 부호 추적부에서 출력된 신호에 대하여 왜곡을 추정하고 보상하는 1-필터 채널 추정부; 및 상기 지연부 및 상기 1-필터 채널 추정부의 출력 신호를 결합하는 결합부;를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 의한 무선 통신용 수신 장치의 블록도이다.

도시한 것과 같이, 본 발명에 의한 무선 통신용 수신 장치는 복제 스펙트럼 이 출력되는 특정 주파수마다 0이 삽입되는 1-필터 채널 추정부(40)를 구비한다.

즉, 본 발명의 무선 통신을 위한 수신 장치는 안테나로 수신되는 신호를 디지털 변환하기 위한 A/D 변환부(10), A/D 변환부(10)에 접속되어 다중 경로 신호의 경로를 추적하고 보상하는 핑거(20), 핑거(20)의 출력 신호를 결합하는 컴바이너로 이루어지며, 핑거(20)는 디지털 변환된 다중 경로 신호를 샘플링하는 샘플러(210), 샘플링된 신호의 전력을 극대화하기 위하여 최적의 샘플 위치를 검색하는 부호 추적부(220), 부호 추적부(220)에서 출력된 신호를 지정된 시간동안 지연하는 지연부(230), 특정 주파수마다 0이 삽입되는 단일 필터로 구성되어 부호 추적부(220)에서 출력된 신호에 대하여 왜곡을 추정하고 보상하는 1-필터 채널 추정부(40) 및 지연부(230)와 1-필터 채널 추정부(40)의 출력 신호를 결합하는 결합부(250)를 포함한다.

본 발명에 의한 채널 추정부(40)는 도 2에 도시한 채널 추정부(240)와 비교하여, 단일 필터로 구성되기 때문에 간단한 구성을 가지며, 복제 스펙트럼이 나타나는 특정 주파수, 예를 들어 1500Hz마다 0이 삽입되기 때문에, 채널 추정 결과에서 앨리어싱 효과가 나타나지 않게 된다.

이러한 1-필터 채널 추정부(40)는 예를 들어, 사각형 모양의 임펄스 응답(h(n))을 갖는 필터(이하, ‘사각 임펄스 응답 필터’) 또는 이러한 필터의 임펄스 응답(h(n))을 두 번 또는 그 이상 콘볼루션(convolution)한 필터로 구현할 수 있다.

도 5a 및 5b는 본 발명에 적용되는 1-필터 채널 추정부에 적용되는 필터의 전달 특성을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 5a는 사각 임펄스 응답 필터의 시간 특성을 나타낸다. 이러한 특성을 갖는 필터에서 0이 아닌 값을 갖는 필터 탭의 개수를 Ns라 하고, 디지털 신호의 샘플링 주파수를 Fs라 하고, Ns=Fs/F0를 취하면 F0마다 0이 반복해서 삽입되는 것을 이산 시간 퓨리에 변환을 통해 확인할 수 있다.

또한, 이러한 필터의 임펄스 응답(h(n))을 자기 자신과 두 번 또는 그 이상 콘볼루션한 필터도 같은 특성을 갖게 된다. 즉, h1(n)=h(n)*h(n)(사각 임펄스 응답 필터의 1차 콘볼루션 필터), h2(n)=h1(n)*h(n)(사각 임펄스 응답 필터의 2차 콘볼루션 필터) 등과 같은 필터들 또한 주파수 축에서 특정 주파수(F0)마다 0이 삽입되게 된다.

특정 주파수마다 0 삽입되는 필터의 다른 예로, 래이즈드(raised) 코사인 필터를 들 수 있다. 이 필터는 도 5a의 사각파 필터의 경계 영역을 부드럽게 만든 필터이며, 도 5b에 그 예를 나타내었다. 래이즈드 코사인 필터의 경계 영역의 기울기는 베타(b) 파라미터로 변경할 수 있다.

즉, 본 발명의 1-필터 채널 추정부(40)는 사각 임펄스 응답 필터, 사각 임펄스 응답 필터의 1차 콘볼루션 필터, 사각 임펄스 응답 필터의 2차 콘볼루션 필터, 래이즈드 코사인 필터 중 어느 하나로 구성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 특정 주파수마다 반복적으로 0이 삽입되는 안티-앨리어싱 필터라면 선택적으로 적용 가능하다.

도 6은 본 발명에 적용되는 필터의 주파수 응답 특성을 설명하기 위한 도면 으로, 베타값이 0.5인 경우의 래이즈드 코사인 필터, 사각 임펄스 응답 필터의 1차 콘볼루션 필터, 사각 임펄스 응답 필터의 2차 콘볼루션 필터 각각의 주파수 응답 특성을 나타낸다.

이러한 필터들은 모두 특정 주파수(1500Hz)의 배수에서 0 응답을 갖는다. 그리고, 사각 임펄스 응답 필터의 1차 콘볼루션 필터는 낮은 주파수 또는 높은 주파수의 도플러 주파수 모두에서 동작 특성이 가장 우수하다는 것을 시뮬레이션 결과로부터 확인할 수 있다.

상기와 같은 필터를 사용하는 것에 의해 사각파 변조로 인한 복제 스펙트럼을 효과적으로 제거할 수 있다.

도 7은 본 발명에 의한 1-필터 채널 추정부의 출력 신호 스펙트럼을 나타내는 도면으로, 실제 구하고자 하는 신호 외의 복제 스펙트럼이 나타나지 않는 것을 알 수 있다.

본 발명에서는 이와 같이, 채널 추정부를 특정 주파수마다 0이 삽입되는 1-필터 채널 추정부로 구현함으로써, 채널 추정시의 앨리어싱 효과를 제거할 수 있다. 아울러, 앨리어싱 효과가 제거됨에 의해, 수신된 신호의 변조시 주파수 오프셋이 발생하는 것 또한 방지할 수 있어, 주파수 오프셋 보상 장치를 별도로 구현하지 않고도, 단일 필터를 이용하여 앨리어싱 효과가 제거된 채널 추정 및 주파수 오프셋 보상이 모두 가능해지게 된다.

도 8 내지 도 13은 종래의 채널 추정부와 본 발명에 의한 1-필터 채널 추정부를 사용한 경우 비트에러율(BER) 특성을 설명하기 위한 그래프로서, 2슬롯 평균 을 이용하는 고정 WMSA 채널 추정부, 슬롯 평균이 변화되는 WMSA 채널 추정부, 그리고 본 발명에 의한 1-필터 채널 추정부의 도플러 속도별 비트 에러율 특성을 나타낸다.

먼저, 도 8 내지 도 10은 주파수 오프셋이 없는 경우 도플러 속도가 각각 3km/h, 120km/h 및 450km/h인 경우의 비트에러율을 비교한 것으로, 도플러 속도가 낮은 경우(도 8) 본 발명의 1-필터 채널 추정 장치는 고정 WMSA 채널 추정부와 유사한 성능을 갖는 반면, 도플러 속도가 도 9 및 도 10과 같이 증가하는 경우 본 발명의 1-필터 채널 추정부는 고정 WMSA 채널 추정부에 비하여 1.0dB 이상의 이득을 갖는 것을 알 수 있다.

다음으로, 도 11 내지 도 13은 주파수 오프셋이 500Hz인 경우 도플러 속도가 각각 3km/h, 120km/h 및 450km/h인 경우의 비트에러율을 비교한 것으로, 본 발명의 1-필터 채널 추정부는 주파수 오프셋 증가분만큼 고정 WMSA보다 큰 이득을 갖는 것을 알 수 있다.

즉, 도 10에 도시한 것과 같이, 동일한 도플러 속도(450km/h)에서 주파수 오프셋이 0인 경우 본 발명의 1-필터 채널 추정부는 고정 WMSA에 비하여 약 0.7dB 이상의 이득을 갖는 반면, 도 13에 도시한 것과 같이, 주파수 오프셋이 500Hz인 경우 본 발명의 1-필터 채널 추정부는 고정 WMSA에 비하여 1.5 내지 2.0dB 이상의 이득을 갖는다.

요약하면, 1-필터 채널 추정부는 도플러 속도가 높고 주파수 오프셋 또한 높은 경우 고정 WMSA 채널 추정부보다 현저한 성능을 갖는다. 즉, 이동 속도가 빠를 수록 적응 WMSA 채널 추정 장치보다 실제적으로 우수하게 동작하기 때문에, 정확한 주파수 추정이 어려운 패킷 채널에 대하여 특히 안정적인 동작 특성을 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 의하면 단일 필터를 이용한 간단한 구조의 채널 추정부를 이용하여 무선 통신용 수신 장치에서 수신 신호의 채널 추정시 앨리어싱 효과를 현저하게 제거할 수 있다.

또한, 채널 추정시의 앨리어싱 효과의 제거를 통해 별도의 주파수 오프셋 보상 장치 없이도 수신 신호를 정확하게 복원할 수 있으며, 특히 본 발명의 1-필터 채널 추정부는 도플러 속도가 빠를수록, 주파수 오프셋이 클수록 동작 특성이 우수하기 때문에 정확한 채널 추정이 어려운 패킷 데이터의 복원 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다.

Claims

안테나로 수신되는 신호를 디지털 변환하기 위한 A/D 변환부와, 상기 A/D 변환부에 접속되어 다중 경로 신호의 경로를 추적하고 보상하는 복수의 핑거와, 상기 핑거의 출력 신호를 결합하는 컴바이너를 포함하는 무선 통신을 위한 수신 장치로서,

상기 핑거는 상기 A/D 변환부에서 디지털 변환된 다중 경로 신호를 샘플링하는 샘플러;

상기 샘플링된 신호의 전력을 극대화하기 위하여 최적의 샘플 위치를 검색하는 부호 추적부;

상기 부호 추적부에서 출력된 신호를 지정된 시간동안 지연하는 지연부;

지정된 주파수마다 0이 삽입되는 단일 필터로 구성되어, 상기 부호 추적부에서 출력된 신호에 대하여 왜곡을 추정하고 보상하는 1-필터 채널 추정부; 및

상기 지연부 및 상기 1-필터 채널 추정부의 출력 신호를 결합하는 결합부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신을 위한 수신 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 지정된 주파수 주기는 1500Hz인 것을 특징으로 하는 무선 통신을 위한 수신 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 단일 필터는, 0이 아닌 값을 갖는 필터 탭의 개수를 Ns라 하고, 디지털 신호의 샘플링 주파수를 Fs, 상기 지정된 주파수를 F0라 할 때, Ns=Fs/F0를 취하면 F0마다 0이 반복해서 삽입되는 필터이며, 사각형 모양의 임펄스 응답(h(n))을 갖는 사각 임펄스 응답 필터, 사각 임펄스 응답 필터의 응답(h(n))을 자기 자신과 두 번 콘볼루션한 사각 임펄스 응답 필터의 1차 콘볼루션 필터, 사각 임펄스 응답 필터의 응답(h(n))을 자기 자신과 세 번 콘볼루션한 사각 임펄스 응답 필터의 2차 콘볼루션 필터, 사각파 필터의 경계 영역의 기울기를 변경하여 상기 경계 영역을 부드럽게 변경한 래이즈드 코사인 필터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무선 통신을 위한 수신 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 단일 필터는 안티-앨리어싱 필터인 것을 특징으로 하는 무선 통신을 위한 수신 장치.