KR100884381B1 - 주파수 옵셋 추정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동통신 시스템에서 주파수 옵셋 추정 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 수신 신호에 포함된 기준 심볼의 보호 구간 중 일부에 해당하는 제1 블록의 신호와 상기 수신 신호를 상관하여 제1 상관값을 계산하고, 상기 보호 구간 중 일부에 해당하는 제2 블록의 신호와 상기 수신 신호를 상관하여 제2 상관값을 계산한 후, 상기 제1 상관값을 시간 지연시키고, 상기 지연시킨 제1 상관값의 켤레 복소수와 상기 제2 상관값을 곱하고, 상기 곱한 값의 위상값을 상기 제1 블록과 상기 제2 블록의 시간 간격으로 나누어 주파수 옵셋을 추정한다.

OFDM, 지상파 DMB, 주파수 옵셋 추정, 동기

Description

주파수 옵셋 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF ESTIMATION OF FREQUENCY OFFSET}

도 1은 종래 기술에 따른 OFDM 수신기의 블록도이다.

도 2는 지상파 DMB 시스템의 전송프레임의 구조 및 동기 채널의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이동 통신 시스템의 수신기의 블록도이다.

도 4는 도 3의 본 발명의 실시예에 따른 이동 통신 시스템이 수신기의 블록도 중 주파수 옵셋 추정 장치를 상세하게 나타낸 블록도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 옵셋 추정 방법을 나타낸 순서도이다.

도 6는 본 발명에 따른 P-상관기와 Q-상관기 출력의 컴퓨터 모의실험 결과를 나타낸 것이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 옵셋 추정 방법의 모의실험 결과를 나타낸 것이다.

본 발명은 이동통신 시스템에서 주파수 옵셋 추정 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 직교 주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple, 이하 "OFDM"이라 함) 시스템 또는 지상파 DMB 시스템에서 주파수 옵셋을 추정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

OFDM 전송 시스템은 주파수영역에서 송신기와 수신기 사이에 약속된 파일럿 정보를 함께 전송한다. 파일럿 정보는 시간영역의 데이터나 혹은 주파수영역의 데이터에 삽입해 사용하고 있다. 주요한 용도로는 수신기에서 주파수 동기, 심볼 타이밍 동기, 채널 추정 및 채널 등화 등에 이용될 수 있다. 특히, 지상파 DMB 시스템의 경우 한 개의 전송프레임 내에 주파수영역에서 상기준심볼(Phase Reference Symbol, 이하 "PRS"라 함) 라는 OFDM 한 개의 심볼 전체가 파일럿 정보의 역할을 하고 있고, 나머지 데이터 OFDM 심볼에는 파일럿이 존재하지 않는다.

OFDM 시스템에서는 직교 주파수 다중화 방식을 사용하기 때문에 송신기와 수신기 사이에서 발생하는 반송파 주파수 옵셋에 매우 민감하다. 특히, 부반송파 사이의 간격으로 정규화 하였을 때 정수배와 소수배로 나누어서 주파수 옵셋을 추정한다. 정수배 주파수 옵셋이 존재할 경우 수신기에서는 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transformation) 이후에 심볼의 위치만 변화시키나, 소수배 주파수 옵셋이 존재할 경우 부반송파 간의 간섭으로 심볼의 복원을 어렵게 한다. 따라서, OFDM 수신기에서는 반송파 주파수 옵셋을 추정하기 위해 다양한 방법을 사용하여 수신 성능을 향상 시킨다.

OFDM 수신기에서 주파수 옵셋 추정 방법의 종래 기술에 대해 도 1을 참조하 여 설명한다. 도 1은 종래 기술에 따른 OFDM 수신기의 블록도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 OFDM 수신기는 곱셈기(110), 보호구간 제거부(120), 고속퓨리에 변환부(130), 상관부(140), F_Ref Signal(150), 주파수 옵셋 추정부(160)를 포함한다.

곱셈기(110)는 추정된 주파수 옵셋값을 수신한 신호와 곱하고, 보호구간 제거부(120)는 시간영역의 OFDM 심볼에 삽입되어 있는 보호구간을 제거하고, 고속퓨리에 변환부(130)는 주파수영역의 OFDM 심볼로 변환한다. 상관기(140)는 고속퓨리에 변환부(130)의 출력인 주파수 영역의 OFDM 심볼 중 PRS 신호인 주파수 영역 기준 신호(F_Ref_Signal, 150)를 이용하여 상관을 취한다. 주파수 옵셋 추정부(160)는 상관기(140)의 출력신호를 이용하여 부반송파 간격의 정수배에 해당하는 반송파 주파수 옵셋을 추정한다. 따라서 종래 기술은 PRS를 주파수 영역에서 적용하였기 때문에 반송파 주파수 옵셋을 부반송파 간격의 정수배만 추정 가능하다는 문제점이 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이동통신 시스템에서 한 번에 부반송파 간격의 정수배뿐 만 아니라 소수배까지 정확한 반송파 주파수 옵셋을 추정할 수 있어 수신 시스템의 수신 성능 개선 및 시스템 복잡도를 낮출 수 있는 주파수 옵셋 추정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 이동 통신 시스템 의 주파수 옵셋 추정 방법은 수신 신호에 포함된 기준 심볼의 보호 구간 중 일부에 해당하는 제1 블록의 신호와 상기 수신 신호를 상관하여 제1 상관값을 계산하고, 상기 보호 구간 중 일부에 해당하는 제2 블록의 신호와 상기 수신 신호를 상관하여 제2 상관값을 계산한 후, 상기 제1 상관값을 시간 지연시키고, 상기 지연시킨 제1 상관값과 상기 제2 상관값을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정 방법이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른 이동 통신 시스템의 주파수 옵셋 추정 장치는 수신 신호에 포함된 기준 심볼의 보호 구간 중 일부에 해당하는 제1 블록의 신호와 상기 수신 신호를 상관하여 제1 상관값을 계산하는 제1 상관기, 상기 보호 구간 중 일부에 해당하는 제2 블록의 신호와 상기 수신 신호를 상관하여 제2 상관값을 계산하는 제2 상관기, 상기 제1 상관값을 시간 지연시키는 지연기, 상기 지연시킨 제1 상관값의 켤레 복소수와 상기 제2 상관값을 곱하는 곱셈기 및 상기 곱셈기의 출력값을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정기를 포함한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 이동 통신 시스템에서의 주파수 옵셋 추정 장치 및 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예에서는 이동 통신 시스템을 지상파 DMB 시스템으로 예를 들어 설명한다.

먼저, 지상파 DMB 시스템의 전송프레임의 구조와 상기준심볼(Phase Reference Symbol, 이하 "PRS"라 함)에 대해 설명한다.

도 2는 지상파 DMB 시스템의 전송프레임의 구조 및 동기 채널의 구조를 나타낸 도면이다.

도 2의 (a)는 지상파 DMB 시스템의 전송프레임의 구조를 나타낸 도면이다. 도 2(a)에 도시한 바와 같이, 전송프레임은 앞에서부터 동기 채널(Synchronization Channel), 고속 정보 채널(Fast Information Channel) 및 주서비스 채널(Main Service Channel)을 포함한다. 여기서, 동기 채널은 송신기와 수신기 사이에 미리 약속되어 있는 신호이다.

도 2의 (b)는 동기 채널을 시간영역에서 상세히 표현한 것이다. 동기 채널의 앞부분은 널심볼(Null Symbol), 뒷부분은 PRS을 포함한다. T는 시간영역에서 샘플 사이의 간격을 표현한 값이고 Null Symbol은 2656개의 샘플로 신호의 크기가 0인 구간을 나타내고, PRS는 2048개의 샘플과 PRS 뒤쪽 일부를 복사한 504개 샘플인 보호구간을 포함한다. PRS는 주파수영역에서 송신기와 수신기 사이에 약속된 신호이므로 당연히 시간영역에서도 수신기에서 알고 있는 신호로 볼 수 있다.

도 2의 (c)는 시간영역 PRS의 보호구간을 나타낸다. 보호구간은 504개의 샘플로 구성이 되며 본 발명의 실시예에 따른 주파수 옵셋 추정 방법에서는 이 보호구간의 일부 블록을 이용하여 주파수 옵셋을 추정한다. 이때, 보호구간의 시작시점부터 길이 L만큼을 잘라 하나의 블록을 형성하고 이 블록을 P_Ref Vector라고 한다. 그리고 P_Ref Vector 블록의 시작 시점에서 D만큼 뒤부터 시작해서 길이 L만큼을 잘라 또 하나의 블록을 형성하고 이 블록을 Q_Ref Vector라고 한다. 즉 L은 한 개의 블록 크기를 나타내고, D는 두 블록 사이의 시간 간격을 나타낸다. L과 D는 수신기를 설계할 때 시스템 복잡도를 고려해서 실험적으로 설정될 수 있다.

다음, 본 발명의 실시예에 따른 이동 통신 시스템 수신기의 주파수 동기 장치 및 주파수 옵셋 추정 장치에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이동 통신 시스템의 수신기의 블록도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이동 통신 시스템의 수신기는 곱셈기(310), 보호구간 제거부(320), 고속 퓨리에 변환부(330) 및 주파수 옵셋 추정 장치(340)를 포함하고, 주파수 옵셋 추정 장치(340)는 상관부(341), 주파수 옵셋 추정부(342)를 포함한다.

곱셈기(310)는 추정된 주파수 옵셋값을 수신된 신호와 곱하고, 보호구간 제거부(320)는 시간영역의 OFDM 심볼에 삽입되어 있는 보호구간을 제거하고, 고속퓨 리에변환부(330)는 상기 보호구간이 제거된 시간 영역의 OFDM 심볼을 주파수영역의 OFDM 심볼로 변환하고, 주파수 옵셋 추정 장치(340)는 주파수 옵셋을 추정한다.

상관부(341)는 PRS 신호의 보호구간 일부인 시간영역 기준신호(T_Ref Signal) 즉, P_Ref Vector와 Q_Ref Vector를 이용하여 상관을 취하고, 주파수 옵셋 추정부(342)는 상관부(341)의 출력신호를 이용하여 부반송파 간격의 정수배뿐 만 아니라 소수배에 해당하는 반송파 주파수 옵셋을 정확히 추정한다.

도 4는 도 3의 본 발명의 실시예에 따른 이동 통신 시스템이 수신기의 블록도 중 주파수 옵셋 추정 장치(340)를 상세하게 나타낸 블록도이다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 주파수 옵셋 추정 장치는상관부(341)와 주파수 옵셋 추정부(342)를 포함한다.

상관부(341)는 P-상관기(341a) 및 Q-상관기(341b)를 포함한다. P-상관기(341a)는 P_Ref Vector를 수신한 기저대역신호와 상관을 취하고, Q-상관기(341b)는 Q_Ref Vector를 수신한 기저대역신호와 상관을 취한다.

주파수 옵셋 추정부(342)는 지연기(342a), 곱셈기(342b) 및 주파수 옵셋 추정기(342c)를 포함한다. 지연기(342a)는 P-상관기(341a)의 출력을 D만큼 시간 지연시키고, 곱셈기(342b)는 지연기(342a)의 출력신호와 Q-상관기(341b)의 출력신호를 곱하고 주파수 옵셋 추정기(342c)는 곱셈기(342b)의 출력신호를 이용하여 주파수 옵셋을 추정한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 옵셋 추정 방법에 대해 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 옵셋 추정 방법을 나타낸 순서도이다.

수신기는 보호구간이 제거되기 전인 수신한 기저대역신호를 받아서 PRS의 보호구간의 시작시점부터 길이 L만큼을 잘라 P_Ref Vector로 저장하고 PRS의 보호구간의 시작시점에서 D만큼 뒤부터 시작해서 길이 L만큼을 잘라 Q_Ref Vector로 저장한다(S510).

P-상관기(341a)는 수신한 기저대역신호와 P_Ref Vector를 상관한다(S520). P-상관기(341a)의 출력값은 수학식 1과 같다.

여기서, k는 샘플 인덱스이고, C_P(k) 는 P-상관기(341a)의 출력신호이고, P=[p(1), p(2),…, p(L)] 로 P_Ref Vector 에 해당하는 기준 벡터이다. 그리고, r(k) 를 보호구간이 제거되기 전 수신된 기저대역신호라고 할 때, R(k)는 [r(k), r(k-1), …, r(k-L+1)]로 수신신호 r(k)로 구성된 벡터를 나타낸다. 단, ()^*는 복소곱을 위한 켤레복소수를 말한다.

Q-상관기(341b)는 수신한 기저대역신호와 Q_Ref Vector를 상관한다(S530). Q-상관기(341b)의 출력값은 수학식 2와 같다.

여기서, C_Q(k) 는 Q-상관기(341b)의 출력신호이고 Q는 [q(1), q(2),…, q(L)] 로 Q_Ref Vector에 해당하는 기준 벡터이다.

지연기(342a)는 P-상관기(341a)의 출력을 D만큼 시간 지연시키고(S540), 곱셈기(342b)는 지연기(342a)의 출력신호와 Q-상관기(341b)의 출력신호를 곱한다(S550).

주파수 옵셋 추정부(342)는 곱셈기(342b)의 출력값의 위상값을 D로 나누어 주파수 옵셋을 추정한다(S560). 주파수 옵셋 추정부(342)의 출력값인 추정된 주파수 옵셋은 수학식 3과 같다.

여기서,

는 추정된 주파수 옵셋이고, arg()는 복소수의 위상값을 말한다.

도 6는 본 발명의 실시예에 따른 P-상관기와 Q-상관기 출력의 컴퓨터 모의실험 결과를 나타낸 것이다. 이때, 블록의 크기 L은 128, 두 개 블록간 시간 간격 D는 128일 때를 나타낸 것이다. P-상관기가 최대값이 나오는 지점과 Q-상관기의 최대값이 나오는 지점 사이가 128이 됨을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 옵셋 추정 방법의 모의실험 결과를 나타낸 것이다. 식 1~3을 이용하여 주파수 옵셋 추정 입출력 결과를 이상적인 값과 비교를 하였다. 가로축이 입력한 주파수 옵셋값에 해당하고 세로축이 추정한 주파수 옵셋을 나타낸다. 이때, 식 3에서 나오는

는 각주파수 값이며, 도 7에서는 주파수 값을 나타낸다. 이상적인 값과 추정 값 사이의 오차가 거의 없으며, 반송파 주파수 옵셋을 잘 추정함을 알 수 있다.

본 발명의 실시예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 부반송파 간격의 정수배뿐 만 아니라 소수배까지 추정 가능하여 이동 통신 시스템의 수신 성능 개선 및 시스템 복잡도를 낮출 수 있다.

Claims (10)

1. 수신 신호에 포함된 기준 심볼의 보호 구간 중 일부에 해당하는 제1 블록--여기서 제1 블록은 상기 보호 구간의 시작 시점부터 소정의 길이 만큼을 잘라 생성된 블록임--의 신호와 상기 수신 신호를 상관하여 제1 상관값을 계산하는 단계;

   상기 보호 구간 중 일부에 해당하는 제2 블록--여기서 제2 블록은 상기 보호구간의 시작시점에서 소정의 시점만큼 뒤부터 시작해서, 소정의 길이 만큼을 잘라 생성된 블록임--의 신호와 상기 수신 신호를 상관하여 제2 상관값을 계산하는 단계;

   상기 제1 상관값을 시간 지연시키는 단계;

   상기 지연시킨 제1 상관값의 켤레 복소수와 상기 제2 상관값을 곱하여 주파수 옵셋을 추정하는 단계를 포함하는 이동 통신 시스템의 주파수 옵셋 추정 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 블록은 상기 제2 블록보다 시간적으로 앞서는 주파수 옵셋 추정 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 시간 지연시키는 단계는 상기 제1 상관값을 상기 제1 블록과 상기 제2 블록의 시간 간격만큼 시간 지연시키는 주파수 옵셋 추정 방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 주파수 옵셋을 추정하는 단계는

   상기 곱한 값의 위상값을 상기 제1 블록과 상기 제2 블록의 시간 간격으로 나누어 주파수 옵셋을 추정하는 단계를 포함하는 주파수 옵셋 추정 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 기준 심볼은 상기준심볼인 주파수 옵셋 추정 방법.
7. 수신 신호에 포함된 기준 심볼의 보호 구간 중 일부에 해당하는 제1 블록--여기서 제1 블록은 상기 보호 구간의 시작 시점부터 소정의 길이 만큼을 잘라 생성된 블록--의 신호와 상기 수신 신호를 상관하여 제1 상관값을 계산하는 제1 상관기;

   상기 보호 구간 중 일부에 해당하는 제2 블록--여기서 제2 블록은 상기 보호 구간의 시작 시점에서 소정의 시점만큼 뒤부터 시작해서, 소정의 길이 만큼을 잘라 생성된 블록임--의 신호와 상기 수신 신호를 상관하여 제2 상관값을 계산하는 제2 상관기;

   상기 제1 상관값을 시간 지연시키는 지연기;

   상기 지연시킨 제1 상관값의 켤레 복소수와 상기 제2 상관값을 곱하는 곱셈기; 및

   상기 곱셈기의 출력값을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정기를 포함하는 주파수 옵셋 추정 장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제1 블록은 상기 제2 블록보다 시간적으로 앞서는 주파수 옵셋 추정 장치.
9. 제7항에 있어서,

   상기 지연기는 상기 제1 상관값을 상기 제1 블록과 상기 제2 블록의 시간 간격만큼 시간 지연시키는 주파수 옵셋 추정 장치.
10. 제7항에 있어서,

    상기 주파수 옵셋 추정기는

    상기 곱셈기의 위상값을 상기 제1 블록과 상기 제2 블록의 시간 간격으로 나누어 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정 장치.

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