KR100874498B1 - 양자화 에러 최소화를 위한 고속 광대역 모뎀의 송신 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속 광대역 모뎀의 송신 장치에 관한 것으로서, 스크램블러, 콘볼루션 인코더, 인터리버, 매퍼 및 IFFT를 포함하는 MB-OFDM 방식 고속 광대역 모뎀의 송신 장치에 있어서, 상기 IFFT는 n(n ≥ 1인 자연수) 개의 스테이지로 구성되고, 상기 매퍼로부터의 출력에 2의 n x m (m ≥ 2인 자연수) 제곱을 곱한 값을 입력받아 처리하되 n-1 개의 상기 스테이지를 거칠 때마다 연산값에 2의 m 제곱을 나누는 것을 특징으로 하는 고속 광대역 모뎀의 송신 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, IFFT의 입력단에 들어오는 심볼의 값을 최대한 정수화시켜 양자화 에러를 줄이고, IFFT 내부의 계산 방법을 개선하였기 때문에 양자화 에러를 최소화할 수 있다.

MB-OFDM, IFFT, 매퍼, 광대역 모뎀, 송신 장치, 양자화 에러

Description

양자화 에러 최소화를 위한 고속 광대역 모뎀의 송신 장치{TRANSMISSION APPARATUS OF BROAD BAND MODEM FOR MINIMIZE QUANTIZATION ERROR}

도 1은 통상의 고속 광대역 모뎀의 송신 장치 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 고속 광대역 모뎀 송신 장치의 매퍼 및 IFFT를 도시한 블록도.

도 3은 본 발명에 따른 고속 광대역 모뎀 송신 장치의 IFFT 내부의 계산 구조도.

본 발명은 MB-OFDM 고속 광대역 모뎀의 양자화 에러 최소화를 위한 송신기 구조에 관한 것으로, 특히 IFFT의 입력단에 들어오는 심볼의 값을 최대한 정수화시켜 양자화 에러를 줄이고, IFFT 내부의 계산 방법을 개선하여 양자화 에러를 최소화하는 고속 광대역 모뎀의 양자화 에러 최소화를 위한 송신기 구조에 관한 것이다.

2000년대 들어 통신 방송을 중심으로 한 다양한 신규 무선 기술이 개발되어 서비스가 도입되고, 각종 산업에서 무선 서비스에 대한 수요가 급격히 확대됨에 따 라 주파수에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 상황이다. 이로 인해 유한한 자원으로서 주파수의 가치는 점차 높아지고 있으며, 효율적인 주파수 활용에 대한 관심이 점차 고조되는 것은 자연스런 귀결이라 할 수 있을 것이다.

이와 관련하여, MB-OFDM에 대한 연구가 국내외 연구기관에 의하여 활발하게 전개되고 있다. MB-OFDM은 기본적으로 OFDM 기반이기 때문에 다중경로 지연에 의한 ISI (Intersymbol Interference)를 효과적으로 제거할 수 있으며, 또한 2.4GHz/5GHz의 비면허대역을 사용하는 Bluetooth 및 무선랜에 의한 간섭에 쉽게 대처할 수 있는 장점이 있다.

MB-OFDM의 기반이 되는 OFDM 방식을 살펴보면 다음과 같다. OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)은 통신 세션을 위해 할당된 주파수 대역폭을 복수의 협대역 주파수 부대역으로 분할하는 광대역 변조 방식으로서, 각 부대역은 무선 주파수(RF) 부반송파를 포함하며, 각 부반송파는 다른 부채널들 각각에 포함된 RF 부반송파에 대해 수학적으로 직교한다. 상기 부반송파들의 직교성은 그들의 개별 스펙트럼들이 다른 반송파들과의 간섭없이 중첩됨을 허용한다. 주파수 대역폭을 복수의 직교 부대역들로 분할함으로 말미암아 OFDM 방식은 높은 데이터 전송 속도와 매우 효율적인 대역폭 사용이 가능하다.

OFDM 방식은 전송하고자 하는 데이터를 먼저 M-ary QAM (M-ary quadrature amplitude modulation) 형태의 복소심벌(complex symbol)로 변환하고 복소심벌의 수열인 복소심벌열(complex symbol sequence)을 직병렬전환을 통해 다수의 병렬 복소심벌로 전환한 후 병렬 복소심벌들 각각을 구형파성형화(rectangular pulseshaping)하고 부반송파(sub-carrier)변조하는 다중반송파변조(Multi-Carrier Modulation) 방식이다. 다중반송파변조 방식에서는 부반송파변조된(sub-carrier modulated) 모든 병렬 복소 심볼들이 서로 직교 (orthogonal)하도록 부반송파 사이의 주파수 간격이 설정된다.

OFDM 방식을 사용하지 않고 무선 페이딩(fading) 채널을 통해 M-ary QAM 변조신호를 전송할 경우, 다중경로지연(multipath delay)에 의해 발생하는 채널의 지연확산(delay spread)이 변조신호의 심벌주기보다 크면, 심벌간상호간섭(inter-symbol interference)이 발생하여 수신단에서 올바른 신호복원이 불가능해진다. 따라서 랜덤한 지연확산을 보상하는 등화기(equalizer)를 사용해야 하지만, 등화기의 구현이 매우 복잡할 뿐만 아니라 수신단에서 입력잡음에 의한 전송성능의 열화가 커지는 단점이 있다.

반면, OFDM 방식을 이용하면 각 병렬 복소 심볼의 심벌 주기를 채널의 지연확산보다 훨씬 길게 할 수 있으므로 심벌간 상호간섭을 상대적으로 매우 작게 할 수 있다. 특히 보호구간(guard interval)을 지연확산보다 길게 설정함으로써 심벌간 상호간섭을 완전히 제거할 수 있는 장점이 있다. 물론 다중경로지연에 의한 랜덤한 지연확산을 보상하는 등화기를 구현할 필요가 없다.

따라서, OFDM 방식은 무선 페이딩 채널을 통한 데이터 전송에 매우 효과적이므로 현재 유럽의 지상파(terrestrial) 디지털 텔레비전 및 오디오 방송시스템에 대한 표준 전송방식으로 채택되어 있다. 또한 디지털가입자망(DSL; digital subscriber loop) 및 전력선통신(powerline communication) 등의 유선 채널을 통한 데이터 전송시스템 등에서도 선로망 환경에서 발생하는 다중경로 반사(multipath reflection)에 의한 전송성능 열화를 제거하는 데 많이 사용되고 있다.

OFDM 방식을 이용한 데이터 전송시스템의 송신단은 전송하고자 하는 데이터를 먼저 부호화데이터(coded data)로 바꾸는 채널부호화(channel encoding) 수단, 부호화데이터를 매핑기(mapper)를 통해 M-ary QAM, PSK(phase shift keying) 및 DPSK(differential PSK) 등 형태의 복소심벌로 변환하고 이를 직병렬전환을 통해 다수의 병렬 복소심벌로 전환한 후 각각의 병렬 복소심벌을 구형파성형화하고 부반송파변조한 후 부반송파변조된 모든 신호들의 합을 반송파변조하는 변조 수단, 그리고 무선 및 유선 채널을 통해 반송파변조된 신호를 전송하기 위해 증폭기 및 안테나 등으로 구성되는 송신단채널정합 수단 등으로 구성된다. 수신단은 송신단과는 반대로 수신단채널정합 수단, 복조 수단 및 채널복호화(channel decoding) 수단 등으로 구성된다.

상기한 채널부호화 수단으로는 길쌈부호화(convolutional encoding), 블록부호화(block encoding), 터보부호화(turbo encoding) 등을 포함하는 다수의 방법 또는 그들의 적절한 조합이 이용된다. 상기한 송신단 변조 수단 중 다수의 병렬 복소심벌들의 구형파성형화 및 부반송파변조 수단은 표본화이론(sampling theorem)에 근거하여 IFFT(inverse fast Fourier transform)신호처리 수단으로 구현하며, 수신단에서의 역신호처리는 FFT(fast Fourier transform)신호처리 수단을 이용한다.

OFDM 방식을 이용한 데이터 전송시스템의 송신단에서 부호화데이터는 매핑기를 거쳐 복소심벌로 전환되며, 복소심벌은 주파수교직기(frequency interleaver) 및 수신단의 주파수역교직화기(frequency deinterleaver)에 의해 인접하는 복소심벌들이 서로 독립적인 페이딩 영향을 받게 된다. 따라서 수신단에서 복원된 부호화데이터는 군집성(burst) 형태의 손실로 인한 심각한 성능열화가 방지된다.

MB-OFDM에서는 FCC에서 실내 무선통신 분야로 제한한 3.1GHz에서 10.6GHz까지의 전체 7.5GHz의 대역을 그림 1에서와 같이 528MHz의 대역폭을 갖는 13개의 작은 대역으로 나누고 이를 4개의 그룹으로 분류하였다. 이 중에서 5GHz대의 ISM대역이 포함된 그룹 B와 8GHz 이상인 그룹 D는 향후 이용할 것으로 남겨두고, 현재는 그룹 A(3.1.8GHz)와 그룹 B(6.0.1GHz) 만을 사용하는 것으로 제안되었다. 그룹 A만을 이용한 Mode 1의 경우, OFDM 신호가 3개의 대역에 걸쳐서 호핑(Hopping)하는 TFI(Time-Frequency Interleaved) 구조를 이용하여 주파수영역에서 다이버시티 효과와 동시에 사용되는 다른 piconet간의 간섭을 최소화하는 구조로 이루어져 있다. 또한 Mode 2에서는 이러한 SOP(SimultaneouslyOperating Piconet)의 성능향상을 위해서 그룹 C에 포함된 4개의 대역을 추가하여 전체 7개의 대역을 이용할 수 있도록 하고 있다.

요약하면, MB-OFDM은 주파수를 여러개의 528MHz 밴드로 나누어 주파수 호핑을 통해 데이터를 전송하는 방식이다. 데이터는 각 528MHz 밴드에서 OFDM 변조 방식을 사용하여 전송되며 OFDM 반송파는 128-IFFT또는 256-IFFT를 통해 만들어진다.

도 1은 통상의 MB-OFDM 광대역 모뎀의 송신기를 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, MB-OFDM 광대역 모뎀에서 송신할 데이터는 스크램블러(Scrambler), 콘볼루션 인코더(Convolutional encoder), 인터리버(interleaver) 를 거쳐 매퍼(Mapper)로 입력된다.

매퍼의 입력은 0 또는 1의 값을 가지며, 출력은 송신부의 심볼 매핑 방식에 따라 다른 값을 가진다. 정규화된 심볼은 IFFT로 입력이 된다.

그런데, IFFT 블럭은 곱셈기와 덧셈기의 조합이 직렬로 여러 단이 연결되어 있어 각 단마다 양자화 노이즈가 발생한다. 각 부 채널별로 신호의 파워가 정규화 되어야하는 모뎀 송신부의 규격을 만족시키기 위해, 심볼의 크기는 정수와 소수점 이하의 값으로 표시되고, 이를 IFFT로 입력시키면 추가적으로 양자화 노이즈의 양을 증가시킨다.

IFFT는 수학식 1로 나타낼 수 있다.

위 수학식에서 보는 바와 같이 1/N의 스케일링 상수가 있어야 변조 전후의 파워가 일정하게 유지된다. 즉, IFFT 하드웨어 관점에서 보면 단순한 변조한 출력결과는 N배만큼 크기가 커지게 된다. 따라서 IFFT 일정 크기의 결과값을 얻기 위해 입력은 1/N 배의 작은 값이 되어야 하는데 이는 많은 양자화 에러를 발생시킨다.

본 발명은 IFFT의 입력단에 들어오는 심볼의 값을 최대한 정수화시킴으로써, 양자화 에러를 줄이고 IFFT 내부의 계산 방법을 개선하여 양자화 에러를 최소화할 수 있는 고속 광대역 모뎀의 양자화 에러 최소화를 위한 송신기 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 스크램블러, 콘볼루션 인코더, 인터리버, 매퍼 및 IFFT를 포함하는 MB-OFDM 방식 고속 광대역 모뎀의 송신 장치에 있어서, 상기 IFFT는 n(n ≥ 1인 자연수) 개의 스테이지로 구성되고, 상기 매퍼로부터의 출력에 2의 n x m (m ≥ 2인 자연수) 제곱을 곱한 값을 입력받아 처리하되 상기 n 개의 스테이지를 거칠 때마다 연산값에 2의 m 제곱을 나누는 것을 특징으로 하는 고속 광대역 모뎀의 송신 장치를 제공한다.

한편, 데이터 전송 모드가 QPSK일 경우는 상기 IFFT의 출력값에 1/squr(2)을 곱하고, DCM일 경우에는 1/sqrt(10)을 곱함으로써 부 채널별 파워의 정규화를 수행한다.

상기 매퍼는 데이터 전송 모드가 QPSK 일 경우 데이터 심볼로서 ±1을 출력하고, DCM일 경우 데이터 심볼로서 ±3을 출력하며, 상기 매퍼로부터 출력되는 파일럿 신호는 sqrt(5)인 것이 바람직하다.

이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 IFFT의 송신기 구조를 도시한 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 IFFT의 송신기는 매퍼의 출력을 부 채널별로 심볼 파워를 정규화하지 않는다. 이럼으로써 IFFT 처리 중의 양자화 에러를 저감할 수 있다.

심볼 파워 정규화는 데이터 전송 모드에 따라 IFFT 출력값에 대해서 수행된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, QPSK 모드의 경우에는 ±1을 IFFT에 입력하고, DCM 모드의 경우에는 ±1 또는 ±3을 IFFT에 입력한다. 부 채널별 파워의 정규화는 IFFT가 끝난 후의 데이터 전송모드에 따라서 QPSK 모드일 경우 sqrt(2)로 나누고, DCM 모드일 경우 sqrt(10)로 나눈다.

한편, DCM 모드의 파일럿 신호는 부 채널별 심볼 파워의 크기를 맞춰야 하기 때문에 sqrt(5)로 나누는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명에 따른 IFFT 구조를 도시한 블록도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 IFFT 구조는 기존의 방식과 달리 최초 입력단에서 데이터에 2⁶을 곱하고 두 번째 입력단에서 2²만큼 크기를 줄인다. 즉, 2²로 나눈다. 또한, 세 번째 단과 네 번째 단의 입력에서도 2²만큼씩 줄인다.

즉, 최초의 신호는 2⁶만큼 커졌지만 각 단마다 2²만큼 작아졌기 때문에 전체적으로 보면 데이터 값의 크기 변화는 없다는 것을 알 수 있다.

위와 같이 2⁶을 곱함으로써, 데이터의 자리수가 올라가고 데이터 전체에 0이 많이 포함되게 된다.

도 3에 도시된 IFFT는 4개의 스테이지로 구성된 경우이므로, 2⁶을 곱하고 각 스테이지의 거칠 때마다 연산값에 2²을 나누었지만(마지막 스테이지 제외), 다른 수를 곱하는 것을 제한하는 것은 아니다. 예컨대, IFFT 입력 데이터 2¹²을 곱하고, 각 스테이지를 거칠 때마다 연산값에 2⁴을 나누는 것도 무방하다.

다른 한편, 예컨대 5개 스테이지를 포함하는 IFFT의 경우, 입력값에 2⁸을 곱하고, 각 스테이지를 거칠 때마다 2²을 나눌 수 있다(마지막 스테이지 제외).

따라서, 본 발명에 따른 IFFT는 n(n ≥ 1인 자연수) 개의 스테이지로 구성되고, 상기 매퍼로부터의 출력에 2의 n x m (m ≥ 2인 자연수) 제곱을 곱한 값을 입력받아 처리하되 n-1 개의 상기 스테이지를 거칠 때마다 연산값에 2의 m 제곱을 나누는 것으로 일반화 시킬 수 있다.

본 발명에 따른 고속 광대역 모뎀의 양자화 에러 최소화를 위한 송신기 구조에 따르면, IFFT의 입력단에 들어오는 심볼의 값을 최대한 정수화시켜 양자화 에러를 줄이고, IFFT 내부의 계산 방법을 개선하였기 때문에 양자화 에러를 최소화할 수 있다.

Claims (6)

1. MB-OFDM 방식 고속 광대역 모뎀의 송신 장치에 있어서,

   데이터 심볼을 출력하는 매퍼와,

   상기 매퍼에 연결되고, n(n ≥ 1인 자연수) 개의 스테이지로 구성되며, 상기 매퍼로부터 입력된 심볼 신호에 2의 n x m (m ≥ 2인 자연수) 제곱을 곱한 값을 입력받아 처리하되 n-1 개의 상기 스테이지를 거칠 때마다 연산값에 2의 m 제곱을 나누는 IFFT

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 광대역 모뎀의 송신 장치.
2. 제1항에 있어서,

   데이터 전송 모드가 QPSK일 경우는 상기 IFFT의 출력값에 1/squr(2)을 곱하고, DCM일 경우에는 1/sqrt(10)을 곱함으로써 부 채널별 파워의 정규화를 수행하는 것을 특징으로 하는 고속 광대역 모뎀의 송신 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 매퍼는 데이터 전송 모드가 QPSK 일 경우 데이터 심볼로서 ±1을 출력하고, DCM일 경우 데이터 심볼로서 ±3을 출력하는 것을 특징으로 하는 고속 광대역 모뎀의 송신 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 매퍼로부터 출력되는 파일럿 신호는 sqrt(5)인 것을 특징으로 하는 고속 광대역 모뎀의 송신 장치.
5. MB-OFDM 방식 고속 광대역 모뎀의 변조 방법에 있어서,

   상기 모뎀 내의 매퍼에서 출력되는 데이터 심볼에 2의 n x m (m ≥ 2인 자연수) 제곱을 곱하는 단계와,

   상기 곱한 값을 IFFT에 입력하는 단계와,

   상기 IFFT에서, n-1 개의 스테이지를 거칠 때마다의 연산값에 2의 m 제곱을 나누는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 광대역 모뎀의 변조 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 IFFT의 출력값에 데이터 전송 모드가 QPSK일 경우는 상기 IFFT의 출력값에 1/squr(2)을 곱하고, DCM일 경우에는 1/sqrt(10)을 곱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 광대역 모뎀의 변조 방법.

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