KR100913394B1 - 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엠어리(M-ary) PSK(Phase Shift Keying)를 추가계층 신호 변조방식으로 하는 OFDM 기반 계층변조 전송 시스템 등에서 채널추정 결과를 판정기반 방식과 조합하여 채널을 등화함으로써, 채널 등화 결과신호의 분산을 감소시켜 잡음증폭이 발생할 확률을 감소시키기 위한, 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치에 있어서, 심벌의 부반송파에 대한 추정된 채널계수를 등화 수단으로 전달하기 위한 채널 보간 수단; 추정된 기본계층 심벌을 상기 등화 수단으로 전달하기 위한 매핑 수단; 및 수신 심벌, 상기 채널 보간 수단으로부터 전달받은 채널계수 및 상기 매칭 수단으로부터 전달받은 기본계층 심벌을 이용하여 채널을 등화하기 위한 상기 등화 수단을 포함한다.

계층변조, 디지털 방송, 채널 등화, 잡음증폭

Description

채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치 및 그 방법{Apparatus and method for channel equalizing using absolute value of Channel Coefficient}

본 발명은 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엠어리(M-ary) PSK(Phase Shift Keying)를 추가계층 신호 변조방식으로 하는 OFDM 기반 계층변조 전송 시스템 등에서 채널추정 결과를 판정기반 방식과 조합하여 채널을 등화함으로써, 채널 등화 결과신호의 분산을 감소시켜 잡음증폭이 발생할 확률을 감소시키기 위한, 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-017-01, 과제명: 지상파 DMB 전송 고도화 기술].

일반적으로, 계층변조는 서로 다른 변조 방식으로 변조된 적어도 2개의 신호가 함께 더해져서 전송되도록 동기적으로 변조하는 기술로 데이터 전송률을 높이기 위해 사용된다.

DAB(Digital Audio Broadcasting) 또는 지상파 DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 시스템을 일례로 들면, 각 부반송파를 통해 전송되는 신호는 각 전송 프레임의 처음에 전송되는 PRS(Phase Reference Symbol)를 포함하여, 그로부터 짝수 번째 OFDM 심벌 구간에 대해서는 도 1의 (a)와 같은 성상도를 가지며, 홀수 번째 OFDM 심벌 구간에 대해서는 도 1의 (b)와 같은 성상도를 갖는다.

상기와 같은 성상도를 갖는 신호에 계층변조를 적용한 성상도의 예는 도 2의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같다. 이때, 기본계층 신호에는 π/4-DQPSK 변조 방식을, 추가계층 신호에는 QPSK 변조 방식을 적용하였다.

계층 변조된 시스템의 특성을 결정하는 변수인

를 하기의 [수학식 1]과 같이 정의한다.

여기서, a값은 인접한 "quadrants" 사이에서 최소 추가계층 신호 간의 간격을 의미하며, b값은 하나의 "quadrants" 내에서 인접한 추가계층 신호 사이의 간격이다

이때,

값이 작을수록 추가계층 신호 성분의 전력이 상대적으로 증가하므로 추가계층 신호의 수신 성능은 개선되지만, 서로 다른 기본계층 심벌에 해당하는 성상도 군간의 거리가 짧아지므로 기본 계층 신호의 수신 성능 열화가 증가한다. 반대로,

값이 커지게 되면 추가계층 신호의 수신 성능 열화는 증가하고 기본계층 신호의 수신 성능 열화는 감소한다.

수신기에서는 계층 변조된 신호를 적절히 복원하기 위하여 채널 추정과 채널 등화를 수행해야 하는데, 이를 위하여 송신기에서는 채널 추정을 위한 파일럿 신호(심벌)를 송신 신호에 주기적 또는 비주기적으로 삽입하여 전송한다.

이러한 파일럿 심벌을 통하여 채널을 추정하기 위한 가장 일반적인 방식으로 LS(Least-Squares) 방식이 있는데, LS 방식의 채널 추정은 하기의 [수학식 2]와 같이 표현된다.

여기서, p는 해당 변수(

)가 파일럿에 대한 것임을 나타내며, n은 OFDM 심벌 번호, 그리고 k는 파일럿의 부반송파 위치를 나타낸다.

따라서

은 n번째 OFDM 심벌의 파일럿 부반송파 위치에서 수신된 파일럿 심벌 벡터를 의미하며,

은 수신된 파일럿 심벌들에 대한 추정 값들로 이루어져 있는 벡터를 의미한다.

수신기에서는 상기 [수학식 2]와 같이 추정된 채널계수를 기반으로, 보간(interpolation) 등을 통하여 파일럿 외의 모든 부반송파들에 대한 채널계수를 추정하며, 그 결과는 채널 등화를 위해 사용된다.

이하, 도 3을 참조하여 종래의 ZF(Zero-Forcing) 방식의 채널 등화 방법에 대해 살펴보기로 한다.

가 n번째 OFDM 심벌의 k번째 부반송파 위치에서 수신된 심벌이라 하고,

가 그에 해당하는 송신 심벌이라고 하면, 하기의 [수학식 3]을 이용하여 채널 등화를 수행한다.

여기서,

는 n번째 OFDM 심벌의 k번째 부반송파의 채널 등화 결과를 의미하고,

는 LS 방식과 보간 등에 의해 추정된 n번째 OFDM 심벌의 k번째 부반 송파의 채널계수를 의미하며,

는 채널과 상관관계가 없는 가우시안(Gaussian) 잡음 벡터를 의미한다.

상기 [수학식 3]과 같은 종래의 ZF(Zero-Forcing) 방식의 채널 등화 방법은,

값이 작은 부분(채널의 널(null) 부분)에서는 잡음 증폭을 야기시켜 등화 성능을 열화시키는 문제점이 있다.

이를 요약해 보면, 종래의 ZF 방식의 채널 등화 방법은, 이론적으로는 수신 신호를 왜곡 없이 복원 가능하지만, 실제로는 잡음 증폭 문제로 인하여, 특히 주파수 선택적 페이딩 채널 환경하에서 좋은 성능을 기대하기 어렵다.

즉, 주파수 차원에서 채널 이득이 매우 작은 널(null)이 신호 대역 내에 존재하는 경우, 각 부반송파 채널에 대해 추정된 채널 이득의 역(inverse)을 수신 신호의 각 부반송파 신호에 곱하면 신호 성분은 원래의 송신 신호와 같은 형태로 복원되지만, 널에 해당하는 부반송파 채널에 실린 잡음 성분 또한 크게 증폭되어서 결과적으로 부반송파 채널에서 발생하는 수신 오류가 전체적인 수신 성능을 크게 떨어뜨리는 문제점을 야기한다.

엠어리(M-ary) PSK(Phase Shift Keying)를 추가계층 신호 변조방식으로 하는 OFDM 기반 계층변조 전송 시스템 등에서 채널추정 결과를 판정기반 방식과 조합하여 채널을 등화함으로써, 채널 등화 결과신호의 분산을 감소시켜 잡음증폭이 발생할 확률을 감소시키기 위한, 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치 및 그 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 과제 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 과제 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 장치는, 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치에 있어서, 심벌의 부반송파에 대한 추정된 채널계수를 등화 수단으로 전달하기 위한 채널 보간 수단; 추정된 기본계층 심벌을 상기 등화 수단으로 전달하기 위한 매핑 수단; 및 수신 심벌, 상기 채널 보간 수단으로부터 전달받은 채널계수 및 상기 매칭 수단으로부터 전달받은 기본계층 심벌을 이용하여 채널을 등화하기 위한 상기 등화 수단을 포함한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 방법은, 채널계수의 크기 기반 채널 등화 방법에 있어서, 심벌의 부반송파에 대한 추정된 채널계수를 전달받는 단계; 추정된 기본계층 심벌을 전달받는 단계; 및 수신 심벌, 상기 전달받은 채널계수 및 상기 추정된 기본계층 심벌을 이용하여 채널을 등화하는 채널 등화 단계를 포함한다.

상술한 과제, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 하기의 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 쉽게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

본 발명은, 엠어리(M-ary) PSK(Phase Shift Keying)를 추가계층 신호 변조방식으로 하는 OFDM 기반 계층변조 전송 시스템 등에서 채널추정 결과를 판정기반 방식과 조합하여 채널을 등화함으로써, 채널 등화 결과신호의 분산을 감소시켜 잡음증폭이 발생할 확률을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일실시 예에서는 OFDM 기반 계층변조 전송 시스템을 예로 들어 설명하며, OFDM 기반 계층변조 전송 시스템은 DAB(Digital Audio Broadcasting) 또는 지상파 DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 시스템을 포함한다.

본 발명의 설명에 앞서, 채널 추정 과정, 즉 기본계층 심벌의 추정 과정과 관련된 기술은 일반적으로 널리 쓰이는 기술이고, 본 발명의 요지가 아니므로 그 상세 설명은 하지 않기로 한다.

도 4 는 본 발명에 따른 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치에 대한 일실시예 구성도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치는, 추정된 n번째 OFDM 심벌의 k번째 부반송파의 채널계수(

)를 등화기(43)로 전달하기 위한 채널 보간기(41), 추정된 기본계층 심벌(

)을 등화기(43)로 전달하기 위한 π/4-DQPSK 맵퍼(42), 및 상기 채널 보간기(41)로부터 전달받은 채널계수, 상기 π/4-DQPSK 맵퍼(42)로부터 전달받은 기본계층 심벌 및 수신 심벌(

)을 이용하여 채널을 등화하기 위한 등화기(43)를 포함한다.

여기서, 상기 등화기(43)는

인 부분, 즉 채널계수의 크기가 임계치(

)보다 작은 부분에서는 수신 심벌과 추정된 기본계층 심벌의 평균을 이용하여 등화한다.

즉, 상기 등화기(43)는 하기의 [수학식 4]를 이용하여 채널을 등화한다.

여기서,

는 추정된 기본계층 심벌을 의미하고,

는 적용할 채널 등화 방식을 선택하기 위한 임계치를 의미한다.

본 발명에 따른 등화 방법은 채널 크기가 작은 부분에서 채널 등화기 다음 블록인 채널 복호기의 입력으로 잡음의 분산이 줄어든 심벌이 사용되도록 한다.

한편, 채널 및 기본계층 심벌 추정이 정확하다고 가정하면 등화기(43)의 출력은 하기의 [수학식 5]와 같다.

여기서,

는 정확한 기본계층 심벌에 대한 송신 심벌을 나타내고,

는 수신 심벌을 나타내고,

은 수신 심벌에 대한 송신 심벌을 나타내고,

는 채널과 상관관계가 없는 가우시안(Gaussian) 잡음 벡터를 나타내며,

는 정확한 채널 계수를 나타낸다.

상기 [수학식 5]를 통해 등화기(43)의 출력이

에 바이어스(bias)되어 있음을 알 수 있다.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 채널계수의 크기 기반 채널 등화 방법의 성능을 알아보기 위해, 본 발명의 방법에 따른 등화기 출력 심벌의 성상도 및 인버스 필터링(inverse filtering) 방법에 따른 등화기 출력 심벌의 성상도를 비교해 본다.

도 5의 (a)는

인 부분에서 본 발명(제안된)에 따른 등화기 출력 심벌의 성상도 및 인버스 필터링 방법을 적용한 등화기 출력 심벌의 성상도를 나타내며, 도 5의 (b)는

인 부분에서 등화기 출력 심벌의 성상도를 나타낸다.

이때, 등화기 출력 심벌의 성상도를 나타내기 위해 사용된 채널은 COST-207 TU6 채널 모델이고, 고려된 이동 속도는 120 km/h, SNR 24dB이며,

값은 0.5이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 잡음 증폭으로 인하여

인 경우의 성상도 가

인 경우보다 넓게 퍼져 있는 것을 볼 수 있다.

또한,

인 경우 본 발명의 방법은 심벌의 성상도가 기본계층 심벌값 주변으로 모여 있는 반면, 인버스 필터링 방법은 분산되어 있는 것을 볼 수 있다.

결국, 잡음의 분산이 1/4로 줄어들어, 채널의 크기가 작은 부분, 즉 추정된 채널계수의 부정확성이나 잡음의 증폭이 심한 부분에서 잡음 증폭이 줄어든 등화기 출력을 다음 블록인 채널 복호기 입력으로 사용할 수 있다.

도 6 은 본 발명에 이용되는 계층변조 신호를 수신하는 수신기의 성능평가를 위하여 모의실험을 수행한 결과를 나타낸 일예시도이다.

실험에 사용된 채널은 COST-207 TU6 채널 모델이고, 중심 주파수는 200MHz 이며, 고려된 이동속도는 120km/h이다. 그리고 BER(Bit Error Rate) 분석을 위하여 사용된 길쌈 부호화기의 부효율(code rate)은 기본계층 신호와 추가계층 신호 모두 1/2을 적용하였다.

도 6에 도시된 바와 같이, HP(High Priority)는 계층변조 시스템에서 π/4-DQPSK 복조를 통한 기본계층의 수신 성능을 나타내며, LP(Low Priority)는 계층변조 시스템에서 계층변조 신호를 수신하는 수신기에 의해 동위상 복조된 추가계층의 수신 성능을 나타낸다.

도 7 내지 도 9 는 본 발명에 따른 채널계수의 크기 기반 채널 등화 방법의 성능평가를 위하여 모의 실험을 수행한 결과를 나타낸 일예시도이다.

실험에 사용된 채널은 COST-207 TU6 채널 모델이고, 중심 주파수는 200 MHz 이며, 고려된 이동 속도는 80km/h, 120km/h, 200km/h이다. 그리고, BER(Bit Error Rate) 분석을 위하여 사용된 길쌈 부호화기의 부호율(code rate)은 기본계층 신호와 추가계층 신호 모두 1/2을 적용하였고, 성능 분석을 위하여

값은 3,

값은 0.5를 적용하였다.

도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 이동속도가 각각 80 km/h, 120 km/h, 그리고 200 km/h일 때에 대해 기본계층만 존재할 때의 수신 성능, 계층변조된 신호에 대한 기본계층의 수신 성능, 그리고 계층변조된 신호에 대한 추가계층의 수신 성능을 각각 나타내었다.

즉, "no LP"는 계층변조가 적용되지 않은 경우의 성능을 나타내고, HP는 계층변조 시스템에서 π/4-DQPSK 복조를 통한 기본계층의 수신 성능을 나타내며, LP는 계층변조 시스템에서 채널 등화를 거쳐 코히어런트 복조(coherent demodulation)된 추가계층의 수신 성능을 나타낸다.

이때, 추가계층의 수신 성능의 경우에는 본 발명의 등화 방법(LP : Pro.)과 ZF 등화 방법(LP : Con)을 비교하여 나타내었다.

이를 통해 본 발명에 따른 채널계수의 크기 기반 채널 등화 방법은 BER 성능을 향상시킴을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디 스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

도 1 은 DAB 또는 지상파 DMB 시스템에서 부반송파를 통해 전송되는 신호의 성상도를 나타내는 일예시도,

도 2 는 DAB 또는 지상파 DMB 시스템에서 부반송파를 통해 전송되는 신호에 계층변조를 적용한 성상도를 나타내는 일예시도,

도 3 은 종래의 ZF(Zero-Forcing) 방식의 채널 등화 방법에 대한 일실시예 설명도,

도 4 는 본 발명에 따른 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치에 대한 일실시예 구성도,

도 5 는 본 발명에 따른 채널계수의 크기 기반 채널 등화 방법의 성능을 나타내는 일예시도,

도 6 은 본 발명에 이용되는 계층변조 신호를 수신하는 수신기의 성능평가를 위하여 모의실험을 수행한 결과를 나타낸 일예시도,

도 7 내지 도 9 는 본 발명에 따른 채널계수의 크기 기반 채널 등화 방법의 성능평가를 위하여 모의 실험을 수행한 결과를 나타낸 일예시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

41 : 채널 보간기 42 : 맵퍼

43 : 등화기

Claims (8)

1. 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치에 있어서,

   심벌의 부반송파에 대한 추정된 채널계수를 등화 수단으로 전달하기 위한 채널 보간 수단;

   추정된 기본계층 심벌을 상기 등화 수단으로 전달하기 위한 매핑 수단; 및

   수신 심벌, 상기 채널 보간 수단으로부터 전달받은 채널계수 및 상기 매핑 수단으로부터 전달받은 기본계층 심벌을 이용하여 채널을 등화하며, 상기 채널 등화 시 상기 채널 보간 수단으로부터 전달받은 채널계수의 크기가 임계치보다 작은 부분에서 상기 수신 심벌과 상기 추정된 기본계층 심벌의 평균을 이용하여 채널을 등화하는 상기 등화 수단

   을 포함하는 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 등화 수단은,

   상기 채널 보간 수단으로부터 전달받은 채널계수의 크기가 임계치보다 큰 부분에서 상기 수신 심벌과 상기 추정된 채널계수를 이용하여 채널을 등화하는 것을 특징으로 하는 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 임계치는,

   0.5인 것을 특징으로 하는 채널계수의 크기 기반 채널 등화 장치.
5. 채널계수의 크기 기반 채널 등화 방법에 있어서,

   심벌의 부반송파에 대한 추정된 채널계수를 전달받는 단계;

   추정된 기본계층 심벌을 전달받는 단계; 및

   수신 심벌, 상기 전달받은 채널계수 및 상기 추정된 기본계층 심벌을 이용하여 채널을 등화하며, 상기 채널 등화 시 상기 채널계수의 크기가 미리 설정된 임계치보다 작은 부분에서 상기 수신 심벌과 상기 추정된 기본계층 심벌의 평균을 이용하여 채널을 등화하는 채널 등화 단계

   를 포함하는 채널계수의 크기 기반 채널 등화 방법.
6. 삭제
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 채널 등화 단계는,

   상기 채널계수의 크기가 임계치보다 큰 부분에서 상기 수신 심벌과 상기 추정된 채널계수를 이용하여 채널을 등화하는 것을 특징으로 하는 채널계수의 크기 기반 채널 등화 방법.
8. 제 5 항 또는 제 7 항에 있어서,

   상기 임계치는,

   0.5인 것을 특징으로 하는 채널계수의 크기 기반 채널 등화 방법.

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