KR100977096B1

KR100977096B1 - Ｏｆｄｍ 시스템을 위한 프레임 동기 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100977096B1
Application number: KR1020080048823A
Authority: KR
Inventors: 김진영; 김은철
Original assignee: 광운대학교 산학협력단
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2010-08-23
Also published as: KR20090122826A

Abstract

본 발명은 OFDM 시스템을 위한 프레임 동기 방법에 관한 것으로, (a) 송신단에서 시간영역의 직렬 데이터 프레임에 보호구간이 삽입되는 단계, (b) 보호구간의 시작부분에 3진 시퀀스가 삽입되는 단계, (c) 3진 시퀀스가 삽입된 데이터 프레임이 디지털/아날로그 변환을 거쳐 수신단으로 전송되는 단계, (d) 수신단에서 수신 신호에 대해 아날로그/디지털 변환을 행하는 단계, (e) 디지털 변환된 신호에 대해 송신단과 동일한 3진 시퀀스를 이용하여 상관함으로써 프레임 동기를 얻는 단계 및, (f) 데이터 프레임에서 보호구간을 제거하는 단계를 포함한다.

Description

ＯＦＤＭ 시스템을 위한 프레임 동기 방법 및 장치{Method and apparatus on frame synchronization for OFDM system}

본 발명은 OFDM 시스템에 관한 것으로, 특히 OFDM 기반 시스템에서 시스템이 정상적으로 동작하기 위해서 중요한 사항 중 하나인 프레임 동기 방법 및 장치에 관한 것이다.

직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM) 변조 방식은 다중 반송파를 사용하여 높은 전송률을 가지며, 단일 반송파 방식에 비해 주파수의 선택적인 페이딩(fading)과 시간 영역의 충격 잡음에 강한 특징을 갖는다. 좁은 반송파 간격 내에서 수신 신호는 같은 크기로 왜곡되므로 비교적 간단한 채널 등화기만으로 다중 경로의 영향을 보상할 수 있다. 직교 주파수 분할 다중화 변조 방식은 이러한 장점으로 인해 무선 LAN 시스템 등에 이용된다.

도 1은 일반적인 OFDM 시스템의 물리 계층에서의 송/수신기의 구조를 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 송신하고자 하는 입력 비트 스트림은 소스(100)로부터 직렬-병렬 변환기(102)(Serial to Parallel Conversion)로 전달된다. 그러면 직렬-병 렬 변환기(102)에서 N 개의 심볼들을 모아서 인코더(104)를 거쳐 역 고속 퓨리에(Inverse Fast Fourier Transform : IFFT) 변환기(106)로 전달함으로써 전송 심볼을 주파수 영역에서 시간 영역 심볼로 변환한다. 이어서, 다시 병렬-직렬 변환기(108)를 통해 병렬의 시간 영역 심볼을 직렬의 심볼로 변환한다. 여기서 모아진 N 개의 데이터 심볼을 'OFDM 심볼' 이라고 칭한다. 병렬-직렬 변환기(108)를 통해서 얻어진 시간영역에서의 심볼들은 다중 경로 채널의 영향을 제거하기 위해 OFDM 심볼 단위로 보호구간(Cyclic Prefix) 삽입기(110)에서 보호구간이 추가되고, 디지털/아날로그 변환기(112)를 통해 디지털 영역에서 아날로그 영역의 신호로 변환된 후 수신측으로 전송된다.

송신단에서 전송된 신호가 채널(114)을 통하여 수신되면, 수신단에서는 아날로그/디지털 변환기(116)를 통해 수신 신호를 일단 아날로그 영역에서 디지털 영역의 신호로 변환한다. 이어서, 보호구간 제거기(118)를 통해 다중 경로의 영향으로 오염된 OFDM 심볼로부터 보호구간을 제거한다. 이렇게 보호구간이 제거된 수신 신호는 직렬-병렬 변환기(120)를 거친 후, 고속 퓨리에(Fast Fourier Transform : FFT) 변환기(122)를 통해서 주파수 영역의 신호로 변환된다. 주파수 영역으로 변환된 수신 심볼들은 디코더(124)에서 디코딩된 후, 병렬-직렬 변환(126)을 거쳐서 최종으로 출력 비트 스트림으로 출력된다.

그런데, 이러한 OFDM 시스템은 블록 단위로 전송되기 때문에 시스템이 정상적으로 동작하기 위해서는 프레임 동기화가 반드시 필요하다. 기존의 프레임 동기화 기법은 시간축에서 OFDM 데이터의 특정 위치에 m-시퀀스나 월쉬 시퀀스 등의 특 정 동기 시퀀스를 추가하고, 수신단에서는 수신된 신호와 송신단에서 더해진 시퀀스와의 상관을 이용하여 프레임 동기 위치를 찾는다.

이러한 방법은 상관값이 가장 큰 부분을 동기 위치로 인식하는데, 실제로 상관을 계산하면 상관값이 가장 큰 부분과 그 이외의 부분과의 차이가 뚜렷하지 않은 경우가 있어서 오류가 발생할 수 있다. 이렇게 오류가 발생하면, 수신단에서 OFDM 신호가 수신된 후 FFT 과정을 거칠 때 프레임 동기가 맞춰지지 않으므로, 복조 성능에 큰 악영향을 끼치는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 3진 시퀀스를 이용하여 OFDM 시스템에서 효과적으로 프레임 동기를 맞출 수 있는 프레임 동기 방법 및 장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면은, (a) 송신단에서 시간영역의 직렬 데이터 프레임에 보호구간이 삽입되는 단계, (b) 보호구간에 3진 시퀀스가 삽입되는 단계, (c) 3진 시퀀스가 삽입된 데이터 프레임이 디지털/아날로그 변환을 거쳐 수신단으로 전송되는 단계, (d) 수신단에서 수신 신호에 대해 아날로그/디지털 변환을 행하는 단계, (e) 디지털 변환된 신호에 대해 송신단과 동일한 3진 시퀀스를 이용하여 상관함으로써 프레임 동기를 얻는 단계 및, (f) 데이터 프레임에서 보호구간을 제거하는 단계를 포함하는 OFDM 시스템을 위한 프레임 동기 방법을 제공한다.

이때 (b) 단계에서, 보호구간의 시작부분에 2개의 동일한 3진 시퀀스가 삽입되는 것이 바람직하다.

그리고 (b) 단계에서, 3진 시퀀스는 (+1,0,-1)인 것이 바람직하다.

(e) 단계에서, 송신단과 동일한 3진 시퀀스를 한 칩 씩 이동하며 수신 신호와 곱한 후 적분함으로써, 상관 값이 최대가 되는 부분을 기준으로 프레임 동기를 얻는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 의한 OFDM 시스템의 송신단을 위한 프레임 동기 장치는, 송신하고자 하는 입력 비트 스트림을 직렬 데이터로부터 병렬 데이터로 변환하는 직렬-병렬 변환기, 병렬 데이터를 QPSK 방식으로 인코딩하는 인코더, 인코딩된 데이터를 주파수 영역에서 시간 영역으로 변환하는 역퓨리에 변환기, 시간영역의 병렬 데이터를 직렬 데이터로 변환하는 병렬-직렬 변환기, 직렬 데이터의 프레임에 보호구간을 삽입하는 보호구간 삽입기, 보호구간에 3진 시퀀스를 삽입하는 3진 시퀀스 삽입기 및, 3진 시퀀스가 삽입된 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 DA 변환기를 구비한다.

이때 3진 시퀀스 삽입기는 보호구간의 시작부분에 2개의 동일한 3진 시퀀스를 삽입하는 것이 바람직하다.

그리고 3진 시퀀스 삽입기는 3진 시퀀스로서 (+1,0,-1)를 삽입하는 것이 바람직하다.

본 발명의 더욱 다른 측면에 의한 OFDM 시스템의 수신단을 위한 프레임 동기 장치는, 수신된 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 AD 변환기, 디지털 변환된 신호에 대해 송신단과 동일한 3진 시퀀스를 이용하여 상관함으로써 프레임 동기를 얻는 프레임 동기화기, 데이터 프레임에서 보호구간을 제거하는 보호구간 제거기, 보호구간이 제거된 직렬 데이터를 병렬 데이터로 변환하는 직렬-병렬 변환기, 시간 영역의 병렬 데이터 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 퓨리에 변환기, 주파수 영역의 신호를 디코딩하는 디코더 및, 디코딩된 병렬 데이터를 직렬 데이터로 변환하는 병렬-직렬 변환기를 구비한다.

이때 프레임 동기화기는 송신단과 동일한 3진 시퀀스를 한 칩 씩 이동하며 수신 신호와 곱한 후 적분함으로써, 상관 값이 최대가 되는 부분을 기준으로 프레임 동기를 얻는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 3진 시퀀스의 상관 특성이 다른 시퀀스에 비하여 좋기 때문에 기존의 OFDM 프레임 동기 방법에 비해 더욱 효과적으로 동기를 획득할 수 있는 효과가 있다. 아울러, 부가적인 동기 심볼 없이도 프레임 동기를 이루었기 때문에 데이터율에 있어서 효율적이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 OFDM 시스템을 위한 프레임 동기 장치를 설명하기 위한 블록 다이어그램을 나타내고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 OFDM 시스템을 위한 프레임 동기 방법을 설명하기 위한 흐름도를 나타낸다. 프레임 동기란 OFDM 시스템에서 OFDM 신호 블록을 송수신하는 과정에서 수신단이 새로운 프레임의 시작 지점을 찾는 과정을 말한다.

도 2 및 3을 참조하면, 송신하고자 하는 입력 비트 스트림은 소스(200)로부터 직렬-병렬 변환기(202)(Serial to Parallel Converter)로 전달되어 병렬 데이터로 변환된다(S302). 그러면 인코더(204)에서 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)를 거쳐 매핑된 신호는 역 고속 퓨리에(Inverse Fast Fourier Transform : IFFT) 변환기(206)에서 역퓨리에 변환(S306)을 이용하여 Nc 개의 부반송파로 변조된다.

변조된 데이터는 병렬-직렬 변환기(208)에서 병렬-직렬 변환을 거치고(S308), 보호구간 삽입기(210)에서 프레임에 보호구간이 삽입된다(S310). 이어서, 3진 시퀀스 삽입기(211)에서는 시간축에서 OFDM 데이터의 보호구간 시작부분에 3진 시퀀스(Ternary Sequence)가 더해진다(S311). 도 4에서 볼 수 있듯이, 두 개의 동일한 3진 시퀀스가 OFDM 프레임의 보호구간 시작위치에 더해지는 것이 바람직하다. 3진 시퀀스란 세 개의 신호 레벨을 가지고 있는 시퀀스를 말한다. 예를 들면, 2진 시퀀스는 +1, -1의 2개의 레벨을 가지고 있고, 3진 시퀀스는 +1, 0, -1의 3개의 레벨을 가지고 있다.

보호구간에 3진 시퀀스를 삽입할 때, OFDM 시스템의 정상적인 동작에 영향을 미치지 않게 하기 위해, 3진 시퀀스의 에너지를 충분히 낮게 만들어서 삽입하는 것이 바람직하다. 따라서 신호의 에너지를 낮게 하기 위해서는 신호의 진폭을 작게 하여야 한다. 즉, +5,0,-5의 레벨을 가지고 있는 시퀀스 보다는 +1,0,-1의 레벨을 가지고 있는 시퀀스가 에너지가 더 작다. 또한 시퀀스의 길이 또한 에너지를 작게 하기 위해 길이가 짧을수록 바람직하다.

보호구간에 3진 시퀀스가 삽입된 데이터는 DA 변환기(212)에서 디지털/아날 로그 변환(S312)을 거쳐 채널(214)을 통해 송신측으로 전송된다(S314). 송신된 신호가 수신될 때, 수신단에서는 다음과 같이 프레임 동기화가 이루어진다.

즉, 수신된 데이터에 대해 AD 변환기(216)에서 아날로그/디지털 변환(S316)이 이루어진 후, 프레임 동기화기(217)에서 송신단과 동일한 3진 시퀀스를 입력받아 수신된 OFDM 신호와 상관(correlation) 함으로써 프레임 동기를 얻는다(S317). 따라서, 수신단에서는 프레임의 시작 위치는 모르는 상황이지만, 송신단에서 OFDM 데이터에 더해서 보낸 3진 시퀀스에 관한 정보를 미리 알고 있어야 한다. 프레임 동기화기에서는 OFDM 프레임의 시작 위치를 추정하기 위해, 송신단과 동일한 3진 시퀀스를 한 칩(chip)씩 이동하며 수신 신호와 곱한 후, 이를 적분한다. 이때 상관 값이 최대가 되는 부분이 OFDM 프레임에서 보호대역이 시작하는 위치이다.

구체적으로, 상관 식은 연속 신호의 경우

이며, 불연속 신호의 경우

이다. 여기서, x(t)는 수신된 신호이고, y(t)는 송신단에서 OFDM 데이터에 더해진 3진 시퀀스이자 수신단이 가지고 있는 동일한 3진 시퀀스이다. 따라서 프레임 동기화부는 3진 시퀀스를 입력받아 이를 계속 이동해가면서 수신된 신호와 3진 시퀀스와의 상관값을 계산한다. 그러면 수신 신호의 3진 시퀀스 부분과 프레임 동기화부로 입력된 3진 시퀀스가 정확히 일치하는 순간 최대 상관값이 나타나게 되고, 이를 이용하여 보호구간의 시작위치 및 OFDM 프레임의 시작 위치를 찾을 수 있다.

프레임 동기를 확보한 다음에는 보호구간 제거기(218)에서 보호구간을 제거(S318)하고, 직렬-병렬 변환기(220)를 거쳐 고속 퓨리에 변환기(222)를 통해 주파수 영역의 신호로 변환된다. 주파수 영역으로 변환된 수신 심볼들은 디코더(224)에서 디코딩된 후, 병렬-직렬 변환기(226)을 거쳐서 최종으로 출력 비트 스트림으로 출력(228)된다.

본 발명에 의하면 기존의 OFDM 프레임 동기 방법에 비해 더 나은 성능을 보여준다. 즉, 3진 시퀀스의 상관 특성이 다른 시퀀스에 비하여 좋기 때문에 효과적으로 동기를 획득할 수 있다. 두 개의 동일한 3진 시퀀스의 주기성은 주파수 옵셋(offset)에 강인하게 타이밍 동기화를 얻을 수 있게 해준다. 또한 부가적인 동기 심볼 없이도 프레임 동기를 이루었기 때문에 데이터율에 있어서 효율적이다.

이러한 효과를 도 5a 및 5b를 이용하여 설명한다.

도 5a는 프레임 동기를 위해 64샘플의 m-시퀀스를 반복하여 2번 사용한 경우이고, 도 5b는 73 샘플의 3진 시퀀스를 반복하여 2번 사용한 경우의 상관 결과 그래프이다. 도 5a 및 5b 모두 AWGN 채널에서 실행한 결과이다.

도 5a 및 5b에서 볼 수 있는 바와 같이, m-시퀀스를 사용한 경우보다 3진 시퀀스를 사용한 경우가 상관 특성이 월등히 좋음을 알 수 있다. 즉, 3진 시퀀스를 이용한 경우 최대 상관이 나타나는 프레임의 위치를 확실하게 찾을 수가 있으므로, 동기 성능이 좋게 된다. 본 실험에서는 단순히 AWGN 채널 환경을 가정하여 실험하였지만, 실제 상황은 다른 잡음도 존재하고 다른 여러 사용자의 간섭 신호도 존재하기 때문에, m-시퀀스를 사용한 경우에는 최대 상관을 찾기 힘들 수도 있다. 이는 m-시퀀스를 사용한 경우, 최대 상관 옆에 생성된 사이드로브(sidelobe)가 더욱 크기 때문이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 2개의 동일한 3진 시퀀스를 사용하는 것이 좋다. 이에 대해서는 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다.

도 6의 (a)~(d)는 AWGN 채널에서 길이가 73 샘플인 3진 시퀀스를 이용하여 동기를 획득하기 위한 상관 결과를 나타낸다. 도 6의 (a)는 3진 시퀀스를 1번 사용한 경우, 도 6의 (b)는 2번 반복하여 사용한 경우, 도 6의 (c)는 3번 반복하여 사용한 경우, 도 6의 (d)는 4번 반복하여 사용한 경우이다. 도 6의 (a)~(d)에서 확인할 수 있듯이, 3진 시퀀스를 2번 반복하여 사용한 경우 최대 상관값을 가장 뚜렷하게 찾을 수 있음을 알 수 있다. 최대 상관이 생기는 부분이 정확히 시퀀스가 일치하는 부분이기 때문에, 프레임 위치를 정확하게 찾을 수가 있게 된다.

도 7의 (a)~(d)는 일반적인 통신 채널에서 73 샘플의 3진 시퀀스를 이용하여 동기를 획득하기 위한 상관 결과를 나타낸다. 도 7의 (a)~(d)에 나타난 바와 같이, 역시 도 7의 (b)와 같이 3진 시퀀스를 2번 반복하여 사용한 경우가 동기 성능이 가장 좋음을 알 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 OFDM 시스템을 위한 프레임 동기 장치를 설명하기 위한 블록 다이어그램이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 OFDM 시스템을 위한 프레임 동기 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 4는 두 개의 동일한 3진 시퀀스가 OFDM 프레임의 보호구간 시작위치에 더해지는 것을 설명하기 위한 예시도이다.

도 5a는 프레임 동기를 위해 64샘플의 m-시퀀스를 반복하여 2번 사용한 경우의 상관 결과 그래프이고, 도 5b는 73 샘플의 3진 시퀀스를 반복하여 2번 사용한 경우의 상관 결과 그래프이다.

도 6은 AWGN 채널에서 3진 시퀀스를 1개~4개 이용하여 동기를 획득하기 위한 상관 결과 그래프이다.

도 7은 일반 통신 채널에서 3진 시퀀스를 1개~4개 이용하여 동기를 획득하기 위한 상관 결과 그래프이다.

Claims

OFDM 시스템을 위한 프레임 동기 방법에 있어서,

(a) 송신단에서 시간영역의 직렬 데이터 프레임에 보호구간이 삽입되는 단계;

(b) 보호구간에 시작 부분에 3진 시퀀스가 삽입되는 단계;

(c) 3진 시퀀스가 삽입된 데이터 프레임이 디지털/아날로그 변환을 거쳐 수신단으로 전송되는 단계;

(d) 수신단에서 수신 신호에 대해 아날로그/디지털 변환을 행하는 단계;

(e) 디지털 변환된 신호에 대해 송신단과 동일한 3진 시퀀스를 이용하여 상관함으로써 프레임 동기를 얻는 단계 및;

(f) 데이터 프레임에서 보호구간을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레임 동기 방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서, 보호구간에 2개의 동일한 3진 시퀀스가 삽입되는 것을 특징으로 하는 프레임 동기 방법.
제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서, 3진 시퀀스는 (+1,0,-1)인 것을 특징으로 하는 프레임 동기 방법.
제1항에 있어서, 상기 (e) 단계에서, 송신단과 동일한 3진 시퀀스를 한 칩 씩 이동하며 수신 신호와 곱한 후 적분함으로써, 상관 값이 최대가 되는 부분을 기준으로 프레임 동기를 얻는 것을 특징으로 하는 프레임 동기 방법.
OFDM 시스템의 송신단을 위한 프레임 동기 장치에 있어서,

송신하고자 하는 입력 비트 스트림을 직렬 데이터로부터 병렬 데이터로 변환하는 직렬-병렬 변환기;

병렬 데이터를 QPSK 방식으로 인코딩하는 인코더;

인코딩된 데이터를 주파수 영역에서 시간 영역으로 변환하는 역퓨리에 변환기;

시간영역의 병렬 데이터를 직렬 데이터로 변환하는 병렬-직렬 변환기;

직렬 데이터의 프레임에 보호구간을 삽입하는 보호구간 삽입기;

보호구간의 시작 부분에 3진 시퀀스를 삽입하는 3진 시퀀스 삽입기 및;

3진 시퀀스가 삽입된 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 DA 변환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 프레임 동기 장치.
삭제
제6항에 있어서, 상기 3진 시퀀스 삽입기는 보호구간에 2개의 동일한 3진 시퀀스를 삽입하는 것을 특징으로 하는 프레임 동기 장치.
제6항에 있어서, 상기 3진 시퀀스 삽입기는 3진 시퀀스로서 (+1,0,-1)를 삽입하는 것을 특징으로 하는 프레임 동기 장치.
OFDM 시스템의 수신단을 위한 프레임 동기 장치에 있어서,

수신된 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 AD 변환기;

디지털 변환된 신호에 대해 송신단과 동일한 3진 시퀀스를 이용하여 상관함으로써 프레임 동기를 얻는 프레임 동기화기;

데이터 프레임에서 보호구간을 제거하는 보호구간 제거기;

보호구간이 제거된 직렬 데이터를 병렬 데이터로 변환하는 직렬-병렬 변환기;

시간 영역의 병렬 데이터 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 퓨리에 변환기;

주파수 영역의 신호를 디코딩하는 디코더 및;

디코딩된 병렬 데이터를 직렬 데이터로 변환하는 병렬-직렬 변환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 프레임 동기 장치.
제10항에 있어서, 상기 프레임 동기화기는 송신단과 동일한 3진 시퀀스를 한 칩 씩 이동하며 수신 신호와 곱한 후 적분함으로써, 상관 값이 최대가 되는 부분을 기준으로 프레임 동기를 얻는 것을 특징으로 하는 프레임 동기 장치.