KR100839843B1

KR100839843B1 - Ｏｆｄｍ 심볼구조를 이용한 부호화/복호화 방법

Info

Publication number: KR100839843B1
Application number: KR1020020004205A
Authority: KR
Inventors: 계환원
Original assignee: 주식회사 엘지이아이
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2002-01-24
Publication date: 2008-06-20
Also published as: GB2385756A; GB0300287D0; KR20030063859A; GB2385756B

Abstract

본 발명은 OFDM 변조기법에서 연집오류에 강한 특성을 발휘하고 FFT 윈도우의 시작 위치를 신속하게 추정할 수 있도록 심볼 보호구간의 삽입방법을 새롭게 정의하고 이러한 구조의 OFDM 심볼을 이용하여 부호화/복호화를 수행하는 기술에 관한 것이다. 이러한 본 발명 중 부호화 방법은 IFFT의 출력샘플에 대하여

부터

까지 N/2개의 샘플값과,

부터

까지 N/2개의 샘플값으로 양분해서 각각 보호구간(G)을 삽입하는 제1과정과;

까지의 첫 번째 유효구간 블록 중에서 G/2개의 후반부 샘플을 첫 번째 보호구간(

)으로 사용하고,

까지 두 번째 유효구간 블록 중에서 G/2개의 후반부 샘플에 -1을 곱하여 두 번째 보호구간(

)으로 사용하는 제2과정에 의해 달성된다.

Description

ＯＦＤＭ 심볼구조를 이용한 부호화/복호화 방법{ENCODING AND DECODING METHOD USING OFDM SYMBOL STRUCTURE}

도 1은 일반적인 DVB-T 송신기의 블록도.

도 2는 OFDM 프레임의 포맷도.

도 3은 OFDM 시스템의 블록도.

도 4는 FFT 윈도우 위치 복원예를 나타낸 설명도.

도 5는 본 발명에 의한 2개의 보호구간을 갖는 OFDM 시스템의 블록도.

도 6a-6c는 본 발명에 의한 FFT 윈도우의 위치 복원 설명도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

51,55 : 병렬/직렬변환기 52 : IFFT

53,57 : 병렬/직렬변환기 54 : 가산기

56 : FFT

본 발명은 직교 주파수 분할 다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 변조기법에서 연집오류(burst error)에 강한 특성을 발휘하고 FFT 윈도우의 시작 위치를 신속하게 추정할 수 있도록 심볼 보호구간의 삽입방법을 새롭게 정의하고 이러한 구조의 OFDM 심볼을 이용하여 부호화/복호화를 수행하는 기술에 관한 것으로, 특히 윈도우 심볼의 시작위치 추정시간을 단축하고, 연집오류가 있는 채널 환경에서도 보호구간과 유효구간을 이용하여 심볼의 윈도우 위치를 정확하게 판정할 수 있도록 한 OFDM 심볼구조를 이용한 부호화/복호화 방법에 관한 것이다.

OFDM은 다수 반송파 전송(multicarrier transmission)의 특수한 형태이며, 하나의 데이터 열이 보다 낮은 데이터 전송률을 갖는 부반송파를 통해 전송된다. OFDM은 주파수 선택성 페이딩이나 협대성 간섭에 대해 강한 특성이 있어 여러 분야에 널리 응용되고 있다. 특히 현재 유럽형 디지털 지상파 방송 규격인 DVB-T에서도 OFDM이 사용되고 있는데, 도 1은 그 DVB-T 시스템의 기본 구조를 나타낸 것이다.

채널 코드부를 통과한 신호는 IFFT를 통한 후 도 2와 같은 심볼의 형태로 채널로 전송된다. 도 2는 OFDM 프레임의 구조를 나타낸 것이다. DVB-T에서는 FFT의 크기를 2K 모드(N=2048)와 8K 모드(N=8192)로 규정한다. 한 심볼은 유효구간과 보호구간(Guard Interval)의 영역으로 나뉘어지는데, 유효구간의 마지막 부분을 복사 한 구간이 그 보호구간으로 사용된다.

DVB-T 방송 시스템에서 송신기의 IFFT 출력은 채널을 통과한 후에 그대로 수신기의 FFT에 재 정렬되어 입력된다. 이때, 심볼간의 간섭을 방지하기 위해 심볼과 심볼 사이에 보호구간을 삽입하여 전송하게 되므로, 수신기측에서는 수신받은 샘플열에서 심볼의 시작점을 검출하고 보호구간을 제거한 후 유효 샘플열만을 FFT에 입력해야 한다. 도 3은 FFT 윈도우 위치 복원이 수행되는 부분을 나타낸 것이다.

도 4는 시간영역에서 FFT 윈도우 위치 복원을 위한 타이밍도이다. OFDM 심볼은 G개 샘플의 보호구간과 N개 샘플의 유효데이터 구간으로 구성되며, N개의 샘플 중에서 후반부 G개의 샘플값을 복사하여 보호구간으로 사용한다. 따라서, 보호구간과 유효구간의 후반부의 값은 동일하며, 대응되는 샘플간의 거리는 N개의 샘플에 해당되는 것을 알 수 있다. G와 G'는 각각 OFDM 심볼을 구성하는 보호구간과 유효구간의 후반부이다.

초기화 과정에서는 수신기가 OFDM 심볼의 시작지점을 알 수 없으므로 임의의 지점 "0"을 설정하여 N+G개의 입력 샘플열(

)을 저장한다. 또한, "0" 시점보다 N개 샘플 간격만큼 늦게 입력된 N+G 개의 입력 샘플열(

)을 저장한다. 첫 번째로 저장된 샘플열에는 j번째 심볼의 유효구간의 후반부가 포함되어 있으며, 두 번째로 저장된 샘플열에는 j번째 심볼의 보호구간이 저장되어 있다.

상기 두 개의 샘플열의 시작 지점을 맞추어 겹치게 되면 j번째 심볼의 보호구간과 j번째 심볼의 유효구간의 후반부가 일치하는데, 이 특성을 이용하여 OFDM 심볼의 시작 지점을 추정한다. 또한, 한 번의 윈도우 위치 복원을 위하여 OFDM 심 볼의 시작 지점을 추정하는데 총 2N+G개의 샘플이 필요함을 알 수 있다.

일반적으로, 윈도우 위치 복원은 대략적인 윈도우 복원 알고리즘을 사용하여 윈도우 시작위치에서 0∼15에 근접한 범위까지 추정을 하며, 그 후에 FFT의 출력값을 이용하는 미세 윈도우 알고리즘을 사용하여 정확한 위치를 찾아가게 된다. 이와 같은 과정은 수십 심볼에 걸쳐서 반복적으로 수행된다. 대략적으로 윈도우 위치를 복원하는 알고리즘은 샘플의 차의 절대값을 이용하는 방법, 샘플의 상관값을 이용하는 방법 등이 있는데, 이와 같은 방법에서는 다음의 [수학식1],[수학식2]와 같이 계산하여 윈도우의 위치를 찾게 된다.

상기 [수학식1]에서는 첫 번째 입력된 샘플열

과 두 번째 입력된 샘플열

에서 N 샘플열 간격으로 대응되는 두 샘플 값간의 크기 차이를 보호 구간(G)동안 누적하고, 이 누적치를 n=0부터 N+G-1까지 계산한 후 최소 누적값을 가지는 시점을 FFT 윈도우 위치 복원 시점으로 판정한다. 다음의 [수학식2]는 두 샘플값 간의 실수부의 상관값이 가장 크게 나타나는 시점을 윈도우 위치 복원 시점으로 판정하는 방법이다.

DVB-T에서 종래의 FFT 윈도우 위치 복원을 위해서는 총 2N+G개의 샘플값을 필요하고, G 길이 만큼의 누적치를 N+G개 기억하고 있어야 한다. 또한, 만약 채널을 통해 심볼이 전송될 때에 보호 구간이나 G 길이 만큼 유효구간 후반부에 연집된 왜곡이 발생하였을 경우, 윈도우 위치 복원시 대응되는 두 샘플을 이용하는데 어려이 있었다.

이와 같이 종래의 OFDM 변조기법에 있어서는 채널을 통해 심볼이 전송될 때 보호 구간이나 G 길이 만큼 유효구간 후반부에 연집된 왜곡이 발생하였을 경우, 윈도우 위치 복원시 대응되는 두 샘플을 이용하는데 어려움이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 윈도우 심볼의 시작위치 추정시간을 단축할 수 있도록 하고, 보호구간이나 유효구간의 후반부에 보호구간 길이만큼 연집 오류가 있는 채널 환경에서도 다른 보호구간과 유효구간을 이용하는 것이 가능한 OFDM 심볼구조를 이용한 부호화/복호화 방법을 제공함에 있다.

본 발명에 의한 OFDM 심볼구조를 이용한 부호화 방법은, 길이 N의 IFFT 출력샘플에 대하여

부터

까지 N/2개의 샘플값과,

부터

까지 N/2개의 샘플값으로 양분해서 각각 보호구간을 삽입 처리하는 제1과정과;

까지의 첫 번째 유효구간 블록 중에서 G/2개의 후반부 샘플을 첫 번째 보호구간

으로 사용하고,

까지 두 번째 유효구간 블록 중에서 G/2개의 후반부 샘플을 복사해서 두 번째 보호구간

로 사용하는 제2과정과; 수신단에서 FFT 윈도우의 위치 복 원을 수행할 때 첫 번째 보호구간의 시점인지 두 번째 보호구간의 시점인지를 구분할 수 있도록 하기 위하여, 두 번째 유효블록의

개의 후반부 샘플에 -1을 곱해주어 보호구간으로 사용하는 제3과정으로 이루어지는 것으로, 이와 같은 본 발명의 작용을 도 5 및 도 6을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 IFFT에서 출력된 유효 구간 N을 양분해서 각각 보호구간 삽입하는 방법을 사용한다. 즉, 도 5에서와 같이 길이 N을 갖는 IFFT의 출력샘플을

부터

까지 N/2개의 샘플값과,

부터

까지 역시 N/2개의 샘플값으로 양분해서 심볼을 구하는 방법이다. 물론, N/2 길이의 상기 유효구간 블록은 모두 보호구간을 하나씩 갖게 된다. 이렇게 함으로써, 보호구간의 간격이 서로 N/2 만큼 벌어지게 되고, G 길이의 연집에러가 보호구간이나 대응되는 유효구간에 발생하더라도 다른 보호구간과 유효구간을 사용하여 심볼의 위치를 추정할 수 있게 된다.

기존의 VSB-T에서는 N 길이의 유효구간 샘플에 대해서 후반부 G개를 그대로 보호구간으로 사용하는 방식을 취하였다. 하지만, 본 발명에 의한 OFDM 심볼은 G/2 크기의 2개의 보호구간을 갖는다. 즉, 본 발명에 의한 보호구간의 형태는

으로 사용한 것을 알 수 있다. 이와 마찬가지로,

를 만든다. 따라서, 한 심볼에 대해 총 두 개의 보호구간

를 가지는 형태가 되며, 각 유효구간 블록은 각각 1개씩의 보호구간을 갖는 형태이다. 물론, 기존의 OFDM 심볼의 보호구간의 크기 G와 본 발명에서 제안한 두 개의 보호구간(

)의 합의 크기는 서로 같다.

도 5에서 보면, 두 번째 유효블록의

개의 후반부 샘플에 -1을 곱해주어 보호구간으로 사용한 것을 알 수 있다. 이것은 수신단에서 FFT 윈도우의 위치 복원을 수행할 때 첫 번째 보호구간의 시점인지 두 번째 보호구간의 시점인지를 구분해 주기 위한 것이다. 만약, -1을 곱해주지 않으면 윈도우 위치 복원알고리즘이 한 심볼내에 속해있는 보호구간을 판정하더라도 그 보호구간이

인지

인지 판정할 수 없기 때문이다.

본 발명에서 제안한 OFDM 심볼에 대하여, 수신단에서 FFT 복원시 N+G 샘플만을 가지고 복원할 수 있는 경우와

샘플을 가지고 복원할 수 있는 2 가지의 모드가 있다.

먼저, 총 샘플 관측구간이 (N+G)일 때의 복원 처리과정을 설명하면 다음과 같다.

도 6a는 본 발명에서 제안한 방법으로 보호구간을 삽입한 OFDM 심볼을 전송했을 때, 수신단에서 FFT 윈도우 위치를 복원하는 과정을 나타낸 것이다.

은 유효샘플 0∼N/2-1 중에서 G/2개의 후반부 샘플

과 같은 보호구간이며,

는 유효샘플 N/2∼N-1 중에서 G/2개의 후반부 샘플

에 -1을 곱해서 만든 보호구간으로서 그 두 보호구간의 크기는 서로 같다. 따라서, 한 심볼안에는 2개의 보호구간이 있으며 총 보호구간의 크기

이다.

윈도우의 복원 초기화 과정에서는 수신기가 OFDM 심볼의 시작 지점을 알 수 없으므로 임의의 지점 "0"을 설정하여

개의 입력 샘플열(

)을 저장한다. 또한, "0" 시점보다 N/2개 샘플 간격만큼 늦게 입력된

개의 입력 샘플열(

)을 저장한다.

첫 번째로 저장된 샘플열

에는 j번째 심볼의 첫 번째 유효구간 블록의 전반부가 포함되어 있으며, 두 번째로 저장된 샘플열에는 j번째 심볼의 첫 번째 유효구간 블록의 후반부가 저장되어 있다. 이 두 샘플열의 샘플을 서로 비교한 값을 G/2 크기만큼 누적하는데 이 과정을 한 샘플씩 이동하면서 N/2+G까지 수행한다.

보호구간

와 유효구간

가 일치하게 되는 샘플 위치가 파악되면 OFDM 심볼의 시작 지점을 알 수 있게 된다. 도 6a의 경우에는 저장된 샘플열안에

와 유효구간

가 걸쳐있으므로 j번째 심볼의 시작위치를 추정할 수 있다. 또한, 한 번의 윈도우 위치 복원을 위하여 OFDM 심볼의 시작 시점을 추정하는데 총 N+G/2개의 샘플을 관측해야 함을 알 수 있다.

다음의 [수학식3]은 입력된 샘플열

과 두 번째 입력된 샘플열

에서 N/2 샘플 간격으로 대응되는 두 샘플 값간의 크기 차이를 보호구간(G/2)동안 누적하고, 이 누적치를 n=0부터 N/2+G까지 계산한 후 최소 누적값을 가지는 시점을 FFT 윈도우 위치 복원시점으로 판정한다. 참고로, 종래의 방법에 비하여 누적하는 샘플의 범위가 G에서 G/2로 감소하였고, 누적치를 비교해서 제일 작은 값을 찾는 과정도 N에서 N/2으로 줄어든 것을 알 수 있다.

도 6b는 저장된 샘플열의 위치가

와 유효구간

에 결쳐 있으므로 결과적으로 j번째 심볼의 보호구간

의 위치를 추정하게 되는 경우이다. 만약, 윈도우 알고리즘을 사용하여

의 위치가 추정되면 j번째 심볼의 실제 시작위치는

보다 (N/2+G/2)만큼 앞에 있는 샘플임을 알 수 있다.

여기서 주의할 점은 상기 도 6a의 경우는

와 유효구간

의 값이 같으므로 상기 [수학식3]에 의하면 샘플의 차의 절대치가 가장 작은 지점을 찾는데 비하여, 도 6b의 경우는

와 유효구간

의 부호(sign)가 반대이므로 다음의 [수학식4]와 같이 샘플의 차의 절대치가 가장 큰 최대 지점을 추정해야 한다.

한편, 샘플 관측구간이 3(N+G)/2일 때의 복원 처리과정을 설명하면 다음과 같다.

도 6c는 윈도우 위치 복원을 위한 샘플의 관측범위가 3(N+G)/2로 늘어났을 때의 복원 방법을 나타낸 것이다. 윈도우 복원 초기화 과정에서 임의의 지점 "0"을 설정하여 N+3G/2 개의 입력 샘플열(

)을 저장한다. 또한 "0" 시점보다 N/2개 샘플 간격만큼 늦게 입력된 N+3G/2 개의 입력 샘플열(

)을 저장한다.

샘플 관측구간의 범위가 넓으므로 보호구간

과

를 각각 판정해 낼 수 있는 구조이다. 샘플의 절대치를 이용하는 알고리즘을 사용할 경우 보호구간

의 시점에 누적치를 계산하면 가장 큰 값이 나타나며, 반대로 보호구간

의 시점에 누적치를 계산하면 가장 작은 값이 나타나므로, 가장 작은 값을 갖는 시점 j가 심볼 윈도우의 시점임을 알 수 있다.

이와 같은 방법을 사용하면, 보호구간

이나

의 어느 한 곳에서 누적치 구분이 분명하지 않은 채널 왜곡이 발생하였을 때 즉,

이나

중 어느 한 부분에 채널 왜곡이 많을 경우

의 누적치 중에서 보다 분명한 한 값을 사용함으로써, 심볼의 위치 복원이 가능하다는 장점이 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 OFDM 심볼 구조에 있어서, 보호구간(G)/2 크기의 보호구간을 2개 사용하도록 함으로써, 관측 구간을 3(N+G)/2 샘플이라 할 때 보호구간 길이 만큼의 연집 오류가 보호구간이나 대응되는 유효구간에 발생할 지라도 이것과 N/2 만큼 떨어져 있는 다른 보호구간과 유효구간을 이용할 수 있으므로 심볼의 윈도우 위치를 정확하게 판정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 샘플의 누적 계산량과 저장해야 할 누적치 값들이 줄어들어 심볼의 윈도우 위치 복원속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 일반적으로 FFT 윈도우의 위치 복원은 수십 심로에 걸쳐 수행되므로 본 발명의 방법을 사용하면 상당한 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

Claims

IFFT의 출력샘플에 대하여
부터
까지 N/2개의 샘플값과,
부터
까지 N/2개의 샘플값으로 양분해서 각각 보호구간(G)을 삽입하는 제1과정과;

까지의 첫 번째 유효구간 블록 중에서 G/2개의 후반부 샘플을 첫 번째 보호구간(
)으로 사용하고,
까지 두 번째 유효구간 블록 중에서 G/2개의 후반부 샘플에 -1을 곱하여 두 번째 보호구간(
)으로 사용하는 제2과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 OFDM 심볼구조를 이용한 부호화 방법.
총 샘플 관측구간이 (N+G)인 경우, 수신단에서 FFT 윈도우 위치를 복원할 때, 임의의 지점 "0"을 설정하여
개의 입력 샘플열(
)을 저장하고, "0" 시점보다 N/2개 샘플 간격만큼 늦게 입력된
개의 입력 샘플열(
)을 저장하는 제1과정과;

상기 두 입력 샘플열의 샘플들을 비교하여 OFDM 심볼의 시작 시점을 추정함에 있어서, 첫번째 보호구간(
)과 첫번째 유효구간(
)의 값이 같은 경우에는 샘플의 차의 절대치가 가장 작은 시점을 찾아 FFT 윈도우 복원시점으로 판정하는 제2과정과;

두번째 보호구간(
)과 두번째 유효구간(
)의 부호가 반대인 경우 샘플 차의 절대치가 가장 큰 최대 시점을 찾아 FFT 윈도우 복원시점으로 판정하는 제3과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 OFDM 심볼구조를 이용한 복호화 방법.
제2항에 있어서, 상기 제2과정은,

상기 입력된 샘플열(
)과 상기 두 번째 입력된 샘플열(
)에서 N/2 샘플 간격으로 대응되는 두 샘플 값간의 크기 차이를 보호구간(G/2)동안 누적하고, 상기 누적치를 n=0부터 N/2+G까지 계산한 후 최소 누적값을 가지는 시점을 FFT 윈도우 위치 복원시점으로 판정하기 위해 다음의 [수학식]을 이용하는 것을 특징으로 하는 OFDM 심볼구조를 이용한 복호화 방법.
제2항에 있어서, 상기 제3과정은,

샘플 차의 절대치가 가장 큰 최대 시점을 찾기 위해 다음의 [수학식]을 이용하는 것을 특징으로 하는 OFDM 심볼구조를 이용한 복호화 방법.
총 샘플 관측구간이 3(N+G)/2인 경우, 임의의 지점 "0"을 설정하여 N+3G/2 개의 입력 샘플열(
)을 저장하고, "0" 시점보다 N/2개 샘플 간격만큼 늦게 입력된 N+3G/2 개의 입력 샘플열(
)을 저장하는 제1과정과;

상기 두 입력 샘플열의 샘플들을 비교하여 OFDM 심볼의 시작 시점을 추정함에 있어서, 첫번째 보호구간(
)과 첫번째 유효구간(
)의 값이 같은 경우에는 샘플의 차의 절대치가 가장 작은 시점을 찾아 FFT 윈도우 복원시점으로 판정하는 제2과정과;

두번째 보호구간(
)과 두번째 유효구간(
)의 부호가 반대인 경우 샘플 차의 절대치가 가장 큰 최대 시점을 찾아 FFT 윈도우 복원시점으로 판정하는 제3과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 OFDM 심볼구조를 이용한 복호화 방법.
제5항에 있어서,

상기 첫번째 보호구간(
)이나 두번째 보호구간(
)의 어느 한 곳에서 누적치 구분이 분명하지 않은 채널 왜곡이 발생하면 상기 누적치 중에서 보다 분명한 한 값을 사용하여, 심볼의 위치를 복원하는 제4과정을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 OFDM 심볼구조를 이용한 복호화 방법.