KR100831615B1 - Ｉｆ 직접 상관 처리 기반의 채널 보상 회로를 이용한 이동ｄｔｖ 수신기 - Google Patents

Ｉｆ 직접 상관 처리 기반의 채널 보상 회로를 이용한 이동ｄｔｖ 수신기 Download PDF

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Abstract

디지털 티브이(DTV) 수신기 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 IF(Intermediate Frequency) 대역에서 직접 상관 처리를 통해 기저대역의 처리 없이 상용 수신기 전단에 사용할 수 있는 IF 직접 상관 처리 기반의 채널 보상 회로를 이용한 이동 DTV 수신기 구조에 관한 것이다.
DTV, IF, DOA, 가중치

Description

ＩＦ 직접 상관 처리 기반의 채널 보상 회로를 이용한 이동 ＤＴＶ 수신기 {DTV Receiver}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DTV 수신기를 개략적으로 도시한 블럭도이다. 도 2는 도 1의 다중 안테나부에 대한 블럭도이다.
도 3a는 VSB 데이터 프레임을 도시한 것이고, 도 3b는 VSB 데이터 필드 싱크를 도시한 것이고, 도 3c는 필드 싱크 PN 수열 발생기를 도시한 것이다.
도 4a는 채널의 영향 없는 경우 생성된 파형을 도시한 것이고, 도 4b는 채널의 영향을 받는 경우 생성된 파형을 도시한 것이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 다중 안테나부 110 : 수신 안테나
120 : 신호변환부 121 : 디지털하향변환기
122 : A/D 130 : 신호처리부
131 : 추정계산모듈 132 : 빔형성모듈
133 : 바인드모듈 134 : D/A
20 : 상용 수신부
디지털 티브이(DTV) 수신기 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 IF(Intermediate Frequency) 대역에서 직접 상관 처리를 통해 기저대역의 처리 없이 상용 수신기 전단에 사용할 수 있는 IF 직접 상관 처리 기반의 채널 보상 회로를 이용한 이동 DTV 수신기 구조에 관한 것이다.
영국과 미국에서 1998년부터 시작한 디지털 방송은 2000년 ATSC 방식의 시험 방송을 송출함으로서 우리나라도 본격적인 디지털 방송 시대를 맞고 있다. 고화질과 고품질 음질을 제공할 수 있는 디지털 방송을 이동 및 실내 다중경로 환경에서 최적으로 수신할 수 있도록 8-VSB 방식의 DTV 수신기의 성능을 높이기 위한 연구가 전세계적 진행되고 있다.
최근 미국의 MSTV(Maximum Service Television)/NAB의 연구 보고에 따르면 8-VSB 방식 DTV 수신기의 실내수신 성공률이 약 30%에 불과하며, 브라질의 ABERT/SET가 브라질 통신주관(ANATEL)에 제출한 보고서 결과에서도 8-VSB 시스템의 실내수신과 이동수신의 성공률이 저조함을 발표하였다.
수신률이 저조한 이유는 수신 신호가 주변 사물에서 반사 또는 회절되어 입사되어 다중경로와 송신기와 수신기 이격으로 인한 신호의 감쇠현상으로 생기기 때문이다. 이를 해결하기 위한 적응 등화기의 도입으로 ATSC 방식의 초기 모델에 비해서는 디지털 방송의 수신성능이 크게 향상되었으나 ATSC DTV SFN 네크워크상에서 최적의 수신을 위해서는 여전히 많은 문제점을 지니고 있다.
최근 다방면으로 DTV 수신기의 성능을 개선하기 위한 연구가 진행되고 있으며 특히, 다중 안테나를 이용한 빔형성 기술을 사용함으로써 수신성능을 개선하려는 많은 연구는 진행 중이다. 즉, 다수의 안테나 소자를 이용하여 신호를 수신하고 시간영역에서의 신호처리뿐만 아니라 공간영역에서 신호처리를 통하여 원하는 신호의 입사 방향(DOA, direction of arrival)으로 안테나 빔을 형성하고, 원치 않는 간섭신호에 대해서는 안테나의 이득을 감소시킴으로써 신호 대 잡음비(SNR, signal to noise ratio)가 높임으로써 수신 성능을 높이는 연구가 진행 중이다.
종래의 DTV 수신기는 수신 성능을 개선할 수 있는 방식으로 다중 송신기(Multi Input) 에서 송신되는 신호를 안테나 배열(Multi Output)을 사용하여 도래각(DOA)을 추정하여 빔형성을 하고, 그 출력신호를 적응등화기를 거쳐 Ghost를 제거하여 수신 신호의 상태를 개선하는 방식이 있었으나, 복잡한 구조와 처리 과정을 요구하는 단점을 지니고 있어 거의 실현이 불가능한 문제가 있었다.
또한, 종래의 DTV 수신기는 다양한 채널환경하에서 최적의 수신 성능 향상을 기대할 수 없으며, 또한 기저 대역 처리가 필요하므로 상용 수신기를 사용할 수 없는 독자적인 수신기를 제작해야 동작하는 구조를 가지고 있어 기존의 수신기를 배제한 새로운 형태의 수신기를 설계 제작해야 한다는 문제가 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 이 동 환경에서 높은 수신율을 확보할 수 있으며, IF(Intermediate Frequency) 대역에서 직접 상관 처리를 통해 기저대역의 처리 없이 상용 수신기를 사용할 수 있는 IF 직접 상관 처리 기반의 채널 보상 회로를 이용한 이동 DTV 수신기 구조를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 IF 직접 상관 처리 기반의 채널 보상 회로를 이용한 이동 DTV 수신기는 수신되는 RF신호를 수신하는 다수의 수신 안테나와 상기 RF신호를 IF신호로 변환하는 신호변환부와 상기 신호변환부로부터 IF신호를 입력받아서 딜레이와 채널의 크기 및 위상을 추정하고, 상기 추정치를 이용하여 가중치를 계산하고, 상기 가중치를 이용하여 실시간으로 빔형성하고, 그 출력신호를 결합하여 최종 빔형성 출력을 생성하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 신호변환부는 상기 RF신호를 IF신호로 변환하는 디지털 하향 변환기와 상기 변환된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 신호변환부는 복소 디지털 신호로 변환하기 위한 힐버트 변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 신호처리부는 상기 신호변환부로부터 IF 신호를 입력받아 채널 추정을 통하여 딜레이와 채널의 크기와 위상을 추정하고, 가중치를 계산하는 추정 계산모듈과 상기 추정계산모듈로부터 추정 계산된 추정치와 가중치를 이용하여 실시간 빔을 형성하는 빔형성모듈과 상기 빔형성부를 통해 출력된 신호를 결합하여 최종 빔형성 출력을 생성하는 바인더모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 추정계산모듈은 PN511코드를 이용하여 IF 대역의 자기상관을 취하고, 채널 추정을 통하여 딜레이와 채널의 크기와 위상을 추정하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 추정계산모듈은 MUSIC 알고리즘을 이용하여 도래각을 추정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 추정계산모듈은 배열 안테나 수 만큼의 상관기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 구체적인 구성 및 작용에 대하여 도면 및 실시예를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DTV 수신기를 개략적으로 도시한 블럭도이다. 도 2는 도 1의 다중 안테나부에 대한 블럭도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 IF 직접 상관 처리 기반의 채널 보상 회로를 이용한 이동 DTV 수신기는 상용 수신부 전단에서 다중 안테나를 통해 수신된 RF신호를 IF 대역의 직접상관을 통해 빔형성된 신호를 출력하는 다중안테나부(10)와 상기 다중안테나부(10)에서 출력된 신호를 DTV 신호로 복원하여 출력하는 상용 수신부(20)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상용 수신부(20)는 상기 다중안테나부를 통해 입력된 방송신호중 원 하는 채널을 추출하는 튜너(디모듈레이터 포함)와 상기 튜너를 통해 추출된 압축 방송신호를 비디오, 오디오 및 정보데이터로 추출 분리하는 역다중화기(Demux)와 상기 역다중화된 비디오, 오디오 및 정보데이타로 추출 분리하는 디코더부와 신호 처리 과정을 거쳐 방송을 디스플레이시키는 디스플레이부와 전체 수신기의 시스템을 제어하는 마이크로 프로세서 및 메모리를 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같은 상용 수신부(20)의 구조는 DTV의 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항이며 본 발명의 핵심에서 벗어나는 부분이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 다중안테나부(10)는 다중으로 수신되는 RF신호를 수신하는 다수의 수신 안테나(110)와 상기 각 RF신호를 IF신호로 변환하는 신호변환부(120)와 상기 신호변환부(120)로부터 IF신호를 입력받아 채널 추정을 통하여 딜레이와 채널의 크기와 위상을 추정하고, 상기 추정치 중에서 가장 큰 신호에 대한 빔형성 가중치를 구하여 상기 신호를 결합하여 최종 빔형성 출력을 생성하는 신호처리부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 다수의 수신 안테나(110)는 낮은 수신 이득을 가진 안테나 어레이로 구성될 수 있다.
상기 신호변환부(120)는 상기 RF신호를 IF신호로 변환하는 디지털 하향 변환기(Digital Download Converter, DDC, 121)와 상기 변환된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기 (A/D, 122)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 복소 디지털 신호로 변환하기 위해 힐버트 변환기(미도시)를 더 포함하여 구 성될 수 있다.
그리고, 상기 신호처리부(130)는 상기 신호변환부(120)로부터 변환된 IF신호를 입력받아 채널 추정을 통하여 딜레이와 채널의 크기와 위상을 추정하고, 가중치를 계산하는 추정계산모듈(131)과 상기 추정계산모듈(131)로부터 추정 계산된 추정치와 가중치를 이용하여 실시간 빔을 형성하는 빔형성모듈(132)과 상기 빔형성모듈(132)을 통해 출력된 신호를 결합하여 최종 빔형성 출력을 생성하는 바인더모듈(133)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 특징은 IF 대역에서 직접 상관 처리를 수행하고, 채널을 추정함으로써, 하드웨어의 복잡도가 증가하지 않으므로 실시간 처리가 가능하고, RF대역에서 기저밴드까지 내려가지 않으므로 위상을 고려하지 않아도 되므로 하드웨어를 간단하게 구성할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 추정계산모듈(131)은 IF 자기 상관을 취하고, PN511을 이용하여 딜레이(Delay, 시간지연) 및 채널의 크기와 위상을 추정할 수 있다. 또한, 도래각(Direction Of Arrival, DOA) 추정은 MUSIC(MUltiple SIgnal Classfication) 알고리즘에 의해 수행될 수 있다. 이를 위해, 추정계산모듈(131)은 안테나 수에 해당하는 상관기(Correlator)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 추정계산 모듈(131)은 상기 추정된 값 중에서 가장 큰 신호를 취하여 각각에 대하여 빔형성 가중치(weight)를 계산한다.
그리고, 상기 빔형성모듈(132)은 상기 가중치(weight)를 이용하여 실시간 빔형성(Beam forming) 및 채널을 보상한다.
상기 바인더 모듈(133)은 상기 빔형성모듈을 통해 출력된 신호를 결합(combing)하여 최종 빔형성 출력을 생성하고, 상기 출력된 신호는 디지털 아날로그 변환기(D/A, 134)를 통해 아날로그 신호로 변환되어 상용수신부(20)에 입력된다.
따라서, 다수의 수신 안테나로부터 DTV 신호를 수신하여 동시에 수신되는 멀티패스 성분인 딜레이를 분석하여 도래각(DOA)을 추정하고, 상기 도래각 추정에 따라 가중치를 계산하여 실시간 빔포밍을 통해 직접파 외에 다른 각도에서 들어오는 신호가 수신되지 않도록 함으로써 이동 환경에서의 DTV의 수신율을 높일 수 있다.
-실시예
도 3a는 VSB 데이터 프레임을 도시한 것이고, 도 3b는 VSB 데이터 필드 싱크를 도시한 것이고, 도 3c는 필드 싱크 PN 수열 발생기를 도시한 것이다.
도 3a 내지 3c를 참조하면, VSB 데이터 프레임은 2개의 필드로 구성되고, 각 데이터 필드 사이는 데이터 필드 싱크라는 완전한 하나의 세그먼트로 시작한다.
PN511은 010000000의 초기값을 갖고 X9 + X7 + X6 + X4 + X3 + X + 1로 생성되는 의사 랜덤 시퀀스(pseudo-random sequence)이다. 따라서, 등시간 간격으로 PN511코드가 들어있는 데이터 필드 싱크가 들어오게 된다.
도 4a는 채널의 영향 없는 경우 생성된 파형을 도시한 것이고, 도 4b는 채널의 영향을 받는 경우 생성된 파형을 도시한 것이다.
채널(통신환경)의 영향을 받지 않게 된다면 도 4a와 같이 등시간 간격으로 파형이 생성되지만, 채널의 영향을 받게 되면 도 4b와 같이 직접파 이외에 멀티패스 성분의 파형이 생성됨을 알 수 있다. 따라서, 상기 PN511를 이용하여 자기 상관을 취하게 되고 멀티패스 성분을 통해 딜레이를 분석할 수 있으며, 이를 통해 채널의 크기와 위상을 추정할 수 있다.
여기서, 시공간의 채널 추정은 도래각(Direction Of Arrival, DOA) 추정을 통해 행해질 수 있으며, 상기 도래각 추정은 MUSIC(MUltiple SIgnal Classfication) 알고리즘에 의해 수행될 수 있다. MUSIC 알고리즘은 입력 Covariance matrix의 eigen 구조를 분석하여 높은 해상도로 다수의 신호를 추정할 수 있는 기법으로 당업자에게 자명한 알고리즘이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같이 각 안테나를 통해 수신된 신호의 추정된 값 중에서 가장 큰 신호를 취하여 각각에 대하여 빔형성 가중치(weight)를 계산하고, 상기 가중치를 이용하여 실시간 빔포밍 및 결합을 통해 최종 신호를 출력하게 된다.
도래각 추정 및 가중치 계산에 대한 구체적인 설명은 하기와 같다.
(θ, Ø) 방향에서 수신되는 신호에 대해서　 m 번째 어레이 요소와 원점에 위치한 요소 간의 위상 차이는 아래의 식과 같다.
Figure 112007039966868-pat00001
일반적으로 안테나 어레이는 일정한 형태로 분포된 형태를 지닌다. 그리고 일정한 간격의 선형(Linear equally spaced, LES) 안테나 어레이(Linear equally spaced), 원형 어레이, 삼각형 어레이 등이 자주 쓰인다. 안테나 어레이의 베이스밴드(Baseband) 신호에 곱해지는 가중치 요소 ωm은 magnitude와 phase를 가지는 복소수이다. m번째 안테나 요소의 위치가 xm = m△x이고, 수신 신호가
Figure 112007039966868-pat00002
여기서, A는 채널 특성과 안테나 이득을 고려한 상수이다.
일 때, 각 안테나 신호에 가중치(weight)를 곱해 더한 신호 z(t)는 아래와 같이 된다.
Figure 112007039966868-pat00003
여기서, f(Ø,θ)는 array factor라 불리며, 신호 As(t)와 수신신호 z(t)사이의 관계를 DOA(Direction of Arrival), 즉 (θ,Ø)의 함수로 나타낸다.
따라서, ωm 값을 정함으로써 원하는 방향(θ0,Ø0)으로 main beam을 형성시키는 것이 가능하다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 IF 직접 상관 처리 기반의 채널 보상 회로를 이용한 이동 DTV 수신기는 이동 환경에서 높은 수신율을 확보할 수 있으며, IF(Intermediate Frequency) 대역에서 직접 상관 처리를 통해 기저대역의 처리 없이 상용 수신기를 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 하드웨어를 간단하게 구현할 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 수신되는 RF신호를 수신하는 다수의 수신 안테나와;
    상기 RF신호를 IF신호로 변환하는 디지털 하향 변환기, 상기 변환된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 상기 디지털 신호를 복소 디지털 신호로 변환하기 위한 힐버트 변환기를 구비하는 신호변환부와;
    상기 신호변환부로부터 출력된 IF신호를 입력받아서 딜레이와 채널의 크기 및 위상을 추정하고, 상기 추정치를 이용하여 가중치를 계산하고, 상기 가중치를 이용하여 실시간으로 빔형성하고, 그 출력신호를 결합하여 최종 빔형성 출력을 생성하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 IF 직접 상관 처리 기반의 채널 보상 회로를 이용한 이동 DTV 수신기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 신호처리부는
    상기 신호변환부로부터 IF 신호를 입력받아 채널 추정을 통하여 딜레이와 채널의 크기와 위상을 추정하고, 가중치를 계산하는 추정계산모듈과;
    상기 추정계산모듈로부터 추정 계산된 추정치와 가중치를 이용하여 실시간 빔을 형성하는 빔형성모듈과;
    상기 빔형성부를 통해 출력된 신호를 결합하여 최종 빔형성 출력을 생성하는 바인더모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 IF 직접 상관 처리 기반의 채널 보상 회로를 이용한 이동 DTV 수신기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 추정계산모듈은
    PN511코드를 이용하여 IF 대역의 자기상관을 취하고, 채널 추정을 통하여 딜레이와 채널의 크기와 위상을 추정하는 것을 특징으로 하는 IF 직접 상관 처리 기 반의 채널 보상 회로를 이용한 이동 DTV 수신기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 추정계산모듈은
    MUSIC 알고리즘을 이용하여 도래각을 추정하는 것을 특징으로 하는 IF 직접 상관 처리 기반의 채널 보상 회로를 이용한 이동 DTV 수신기.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 추정계산모듈은
    배열 안테나 수 만큼의 상관기를 포함하는 것을 특징으로 하는 IF 직접 상관 처리 기반의 채널 보상 회로를 이용한 이동 DTV 수신기.
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