KR100981542B1

KR100981542B1 - 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서의 주파수 복원 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100981542B1
Application number: KR1020050116041A
Authority: KR
Inventors: 노희진; 윤수진; 김민구
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2010-09-10
Also published as: US20070133699A1; US7733971B2; KR20070056881A

Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 사전 약속 심볼을 이용하여 수신 신호의 반송파 주파수를 복원하는 방법에 있어서, 수신 신호와 사전 약속 심볼 간에 주파수 오프셋 범위 내에서 계산된 자기 상관 값 중 크기 순으로 결정된 적어도 3개의 상관 값과 해당 주파수 오프셋을 검출하는 제1과정과, 상기 적어도 3개의 상관 값 중 제1자기 상관 값 및 제2자기 상관 값을 선택하고, 상기 제1자기 상관 값과 제2자기 상관 값의 비를 제1임계값과 비교하는 제2과정과, 상기 제1자기 상관 값과 제2자기 상관 값의 비가 상기 제1임계값보다 작으면, 상기 제1자기 상관 값 및 상기 제2자기 상관 값 각각에 해당하는 제1주파수 오프셋 및 제2주파수 오프셋이 서로 인접한 주파수 오프셋인지를 확인하는 제3과정과, 상기 제1주파수 오프셋과 상기 제2주파수 오프셋이 인접하고, 상기 제2자기 상관 값과 상기 적어도 3개의 상관 값 중 상기 제1자기 상관 값과 제2자기 상관 값을 제외한 나머지 상관 값인 제3자기 상관 값의 비가 제2임계값보다 크면, 상기 제1주파수 오프셋과, 주파수 오프셋 보정 값의 차이 값을 이용하여 초기 반송파 주파수 오프셋을 결정하는 제4과정을 포함한다.

OFDM, DAB, DVB-T, HDTV, 반송파 주파수 오프셋, 반송파 주파수 동기

Description

직교 주파수 분할 다중화 시스템에서의 주파수 복원 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR RECOVERING FREQUENCY IN ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING SYSTEM}

도 1은 일반적인 OFDM 수신기를 나타낸 블록도,

도 2a 및 도 2b는 종래의 주파수 오프셋을 보정하는 장치를 나타낸 블록도,

도 3은 종래 주파수 오프셋 추정 과정에서 주파수 추정 성능을 도시한 그래프,

도 4a 내지 도 4b는 CFO에 따라 사전 약속 심벌의 자기 상관 특성을 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 바람직할 실시 예에 따라 OFDM 시스템에서의 주파수 복원 장치를 나타낸 블록도,

도 6a 내지 도 6b는 CFO에 따라 반송파 주파수 오프셋 추정 값에 따라 자기 상관 특성을 나타낸 도면,

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주파수 복원 방법을 나타낸 순서도,

도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 반송파 주파수 오프셋 추정 성능을 도시한 그래프.

본 발명은 직교 주파수 분할 다중화(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing: 이하 'OFDM'이라 칭하기로 한다) 시스템에 관한 것으로 , 특히 OFDM 시스템의 수신기에서 반송파 주파수 오프셋을 복원하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

OFDM 전송 방식은 다중 반송파 변조 방식의 한 종류로서 1990년대 초반 이후 초고밀도 직접 회로(VLSI: Very Large Scale Integration) 기술의 발전에 따라서 각광받기 시작한 기술이다. OFDM 전송 방식은 상호 간 직교성(Orthogonality)을 유지하는 부반송파에 데이터를 병렬 전송함을 특징으로 하며 도 1에서와 같이 일반적인 OFDM 수신기(100)는 FFT(Fast Fourier Transform)를 사용하여 간단하게 구현될 수 있다. 이와 같은 OFDM 시스템은 단일 주파수 변조 방식(single carrier modulation scheme)에 비해 전송 대역을 효율적으로 사용할 수 있어 광대역 전송 방식에 많이 적용되고 있다.

수신 특성에 있어서 OFDM 전송 방식은 단일 반송파 전송 방식에 비해 주파수 선택적 다중 경로 페이딩 채널(frequency selective multipath fading channel)에 강한 특성을 보인다. 이는 수신기의 입력 신호 특성이 복수 개의 부반송파가 차지하는 대역에 있어서는 주파수 선택적 채널이 되지만 각각의 부반송파 대역에 있어서는 주파수 비선택적 채널(frequency nonselective channel)이 되므로 간단한 채널 등화 과정을 거쳐서 쉽게 채널 보상이 가능하기 때문이다. 특히, 각각의 OFDM 심벌 앞에는 그 OFDM 심벌의 후반부를 복사하여 전송하는 순환 전치 심벌(CP:Cyclic Prefix)을 전송함으로써 이전 심벌로부터의 간섭 성분(Inter Symbol Interference, ISI)을 제거할 수 있다. 이와 같은 다중 경로 페이딩 채널에 강한 특성은 OFDM 전송 방식을 광대역 고속 통신에 적합한 전송 방식이 되도록 한다.

디지털 방송용 표준안에서는 높은 수신 품질과 고속의 송수신을 보장할 수 있는 전송 기법으로 OFDM 전송 방식이 각광을 받아 왔다. 유럽형 무선 라디오 방송을 위한 DAB(digital audio broadcasting) 및 지상파 HDTV(High Density Television) 표준안인 DVB-T(terrestrial digital video broadcasting) 등이 OFDM 전송 방식을 사용하는 방송용 표준안의 일례에 해당된다. 최근에는 방송 및 통신의 융합 흐름에 맞추어 휴대 이동 방송 시스템의 개발이 전세계적으로 진행되고 있다. 특히, 대용량의 멀티미디어 정보를 이동 채널 환경하에서 전송하는 것이 주 목적이며, 유럽에서는 DVB-T를 발전시킨 DVB-H를 유럽 휴대 이동 방송 표준으로 제정하였고 국내에서는 DAB를 발전시킨 지상파 DMB(Digital Multimedia Broadcasting)를 방송 표준으로 제정하였다. 뿐만 아니라 유럽의 DVB-H도 국내 지상파 DMB의 복수 표준으로 공인되었으며, 이외에도 미국 퀄컴사가 제안하는 미디어 플로우(MediaFLO) 및 일본의 ISDB-T 시스템 또한 OFDM 전송 방식에 기반을 두고 있다.

OFDM 시스템의 동기화 알고리즘은 크게 반송파 주파수 동기 알고리즘 및 심벌 타이밍 동기 알고리즘으로 구분된다. 이 가운데 반송파 주파수 동기 알고리즘은 송수신기간 반송파 주파수 오프셋을 보정하는 기능을 수행한다. 상기 반송파 주파수 오프셋은 주로 송수신기간 오실레이터(Oscillator) 주파수의 차이 및 수신기의 이동에 의한 도플러 효과(Doppler effect)에 의해 발생된다. 수신단으로 입력되는 신호의 반송파 주파수 오프셋(CFO, Carrier Frequency Offset)은 부반송파 간격보다 클 수 있다. 이때, 부반송파 간격의 정수 배에 해당되는 반송파 주파수 오프셋(Integer Frequency Offset, IFO)을 보정하는 과정을 초기 반송파 주파수 동기로 정의하고, 부반송파 간격의 소수 배에 해당되는 반송파 주파수 오프셋(Carrier Frequency Offset, CFO)을 보정하는 과정을 미세 반송파 주파수 동기로 정의한다. 상기 미세 반송파 주파수 동기는 초기 반송파 주파수 동기 이후 잔여 주파수 오프셋을 보정하는 단계로도 정의된다.

반송파의 정수배에 해당되는 오프셋 IFO는 전송된 OFDM 신호를 주파수 영역에서 부반송파 단위의 정수배만큼 이동시키므로 FFT 출력 시퀀스를 그 정수배 만큼 이동시키는 역할을 하게 된다. 반면, 부반송파의 소수배에 해당되는 오프셋 CFO은 FFT 출력 상호 간에 간섭을 일으켜 심각한 비트 에러율(BER: Bit Error Rate)로 인한 성능 저하를 일으키게 된다. 일반적으로 OFDM 시스템에서는 단일 반송파 전송 시스템에 비해 반송파 주파수 오프셋으로 인한 성능 저하 량이 상대적으로 큰 것으로 알려져 있다.

IFO를 추정하는 기존의 초기 반송파 주파수 동기 알고리즘은 블라인드 검출 방식과 사전 약속 심벌을 사용하는 방식으로 구분될 수 있다. 블라인드 검출 방식의 일례로는 보호 대역(guard band)을 사용하여 신호 대역의 이동 량을 추정하는 방식을 사용하는 알고리즘이 있으나 다중 경로 페이딩 채널 환경하에서는 큰 성능 열화를 보이므로 실질적으로 구현하기는 어려운 측면이 있다. 이에 반해서 사전 약속 심벌을 사용하는 방식은 정해진 심벌을 데이터 심벌과 별도로 전송하므로 데이터 전송율을 감소시키는 단점을 가지고 있지만 동기화 및 채널 추정 성능이 향상되므로 대부분의 OFDM 시스템에서 실질적으로 적용되어 사용되고 있다.

OFDM 시스템에서 주파수 영역에서의 사전 약속 심벌을 사용하는 초기 반송파 주파수 복원 장치는 일반적으로 도 2a와 같이 디지털 영역에서 주파수 오프셋을 보정하는 구조(200)와 도 2b에서와 같이 아날로그 영역에서 주파수 오프셋을 보정하는 구조(220)로 구분될 수 있다. 안테나를 통해 수신된 OFDM 신호는 RF 수신부(201, 221)에서 기저대역 신호로 전환되고 아날로그-디지털 변환기(ADC: Analog to Digital Converter)(203,223)와 같은 디지털 신호 변환기에 의하여 디지털 영역의 신호로 변환된다. 이후, 고속 푸리에 변환기(FFT: Fast Fourier Transformer)(207,225)에 의하여 주파수 영역으로 전환된 신호를 입력으로 받아 사전 약속 심벌의 특성을 이용하여 주파수 오프셋 값을 추정한 뒤, 이를 주파수 오프셋 보정기(209,227)에서 보정하는 과정을 거친다.

수신단의 동기화 및 채널 추정을 위하여 전송되는 사전 약속 심벌은 일반적으로 PN 시퀀스와 같이 자기 상관(Auto-Correlation) 특성을 이용할 수 있는 시퀀스로 이루어져 있다. 이러한 자기 상관 특성은 입력되는 사전 약속 심벌에 전송된 시퀀스와 수신기에서 국부 발생된 시퀀스 사이의 코드 오프셋(code offset)이 없는 경우 자기 상관 값이 최대값을 나타내며 코드 오프셋이 있는 경우 자기 상관 값이 작아지게 된다.

도 3은 종래 주파수 오프셋 추정 과정에서 주파수 추정 성능을 도시한 도면으로 신호대잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)에 대하여 IFO 검출 오류 확률을 도시하였다. 여기서 가로축은 SNR를 나타내고, 세로축은 IFO 검출 오류 확률을 나타낸다. 또한 ΔFc는 주파수 오프셋을 나타낸다. 이하 설명에서는 IFO 및 CFO 을 각각 부반송파 간격으로 정규화된 정수 배의 반송파 주파수 오프셋 및 소수배의 반송파 주파수 오프셋으로 사용하기로 한다.

삭제

도 3에 도시된 바와 같이, CFO가 0.5 근방으로 갈수록 IFO의 검출 오류 확률이 급속도로 증가하여 CFO가 0.5인 경우 301 부분에서와 같이 IFO 검출 오류 확률이 1/2로 수렴하게 된다. 따라서, 미세 반송파 주파수 복원 과정을 수행하더라도 최종적으로 추정된 주파수 오프셋 값이 부반송파 간격만큼 차이가 발생할 수 있는 문제점이 발생한다.

또한 미세 반송파 주파수 복원 과정은 일반적으로 풀인 범위(Pull-in range)가 -0.5 ~ 0.5 (단위: 부반송파 간격)인 위상 검출기(phase detector)를 사용하게 되므로 CFO가 0.5 근방이 되면 행업(Hang-up)현상이 발생되면서 수렴 시간이 증가하게 되어 수렴 시간도 오래 소요되는 문제점이 있다. 특히, 사인(Sine) 형태의 위성 검출기 특성 곡선을 사용하는 경우라면 행업현상으로 인한 수렴 시간 증가량은 더욱 커질 수밖에 없다.

따라서 본 발명의 목적은 OFDM 시스템에서 반송파 주파수 추정 성능을 향상시키는 주파수 복원 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 추정된 초기 반송파 주파수 오프셋 값을 적응적으로 보정하여 미세 반송파 주파수 복원기의 수렴 속도를 감소시키는 주파수 복원 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 OFDM 시스템의 수신기에서 상기 반송파 주파수 추정 성능을 향상시키면서 하드웨어 복잡도를 감소시키는 주파수 복원 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 사전 약속 심볼을 이용하여 수신 신호의 반송파 주파수를 복원하는 방법에 있어서, 수신 신호와 사전 약속 심볼 간에 주파수 오프셋 범위 내에서 계산된 자기 상관 값 중 크기 순으로 결정된 적어도 3개의 자기 상관 값과 해당 주파수 오프셋을 검출하는 제1과정과, 상기 적어도 3개의 자기 상관 값 중 제1자기 상관 값 및 제2자기 상관 값을 선택하고, 상기 제1자기 상관 값과 제2자기 상관 값의 비를 제 1임계값과 비교하는 제2과정과, 상기 제1자기 상관 값과 제2자기 상관 값의 비가 상기 제1임계값보다 작으면, 상기 제1자기 상관 값 및 상기 제2자기 상관 값 각각에 해당하는 제1주파수 오프셋 및 제2주파수 오프셋이 서로 인접한 주파수 오프셋인지를 확인하는 제3과정과, 상기 제1주파수 오프셋과 상기 제2주파수 오프셋이 인접하고, 상기 제2자기 상관 값과 제3자기 상관 값의 비가 제2임계값보다 크면, 상기 제1주파수 오프셋과, 주파수 오프셋 보정 값의 차이 값을 이용하여 초기 반송파 주파수 오프셋을 결정하는 제4과정을 포함하며, 여기서 상기 제3자기 상관 값은 상기 적어도 3개의 자기 상관 값에서 상기 제1자기 상관 값과 제2자기 상관 값을 제외한 적어도 하나의 상관 값 중 하나로써, 상기 제1 및 제2자기 상관 값에 비해 크기가 작음을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 직교 주파수 다중 시스템에서 수신 신호의 반송파 주파수를 복원하는 장치에 있어서, 상기 수신 신호와 사전 약속 심볼 간에 주파수 오프셋 범위 내에서 자기 상관 값을 연산하는 자기 상관 계산기와, 상기 연산된 자기 상관 값 중 크기 순으로 결정된 적어도 3개의 자기 상관 값과 해당 주파수 오프셋을 검출하는 최대값 검출기와, 상기 적어도 3개의 자기 상관 값 중 제1자기 상관 값 및 제2자기 상관 값을 선택하고, 상기 제1자기 상관 값과 제2자기 상관 값의 비를 제1임계값과 비교하고, 상기 제1자기 상관 값 및 제2자기 상관 값의 비가 상기 제1임계값보다 작으면, 상기 제1자기 상관 값 및 상기 제2자기 상관 값 각각에 해당하는 제1주파수 오프셋과 제2주파수 오프셋이 서로 인접한 주파수 오프셋인지를 확인하고, 상기 제1주파수 오프셋과 상기 제2주파수 오프셋이 인접하고, 상기 제2자기 상관 값과 제3자기 상관 값의 비가 제2임계값보다 크면, 상기 제1주파수 오프셋과, 주파수 오프셋 보정 값의 차이 값을 이용하여 초기 반송파 주파수 오프셋을 결정하는 주파수 오프셋 보정기를 포함하며, 여기서 상기 제3자기 상관 값은 상기 적어도 3개의 자기 상관 값에서 상기 제1자기 상관 값과 제2자기 상관 값을 제외한 적어도 하나의 상관 값 중 하나로써, 상기 제1 및 제2자기 상관 값에 비해 크기가 작음을 특징으로 한다.

삭제

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 OFDM 시스템에서 효율적으로 주파수를 복원하는 장치 및 방법을 제공하는 것으로, 우선 본 발명에 따른 반송파 주파수 복원 장치를 설명한 후, 그에 따른 반송파 주파수 복원 방법을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 반송파 주파수 복원 알고리즘을 개략적으로 설명하면, 초기 반송파 주파수 동기 과정 시 계산된 자기 상관 크기 값을 근거로 적어도 3개의 자기 상관 값을 입력받아서 그 크기를 상호 비교함으로써 IFO를 추정하여 보정하고, CFO가 0.5 근방에 있는 경우를 검출하여 CFO의 일부분을 추가로 보정하는 방식을 사용한다.

반송파 주파수 오프셋을 보정하기 위해서는 사전 약속 심벌과 PN시퀀스의 자기 상관 값을 계산하여야 하는데, 여기서 사전 약속 심벌과 PN시퀀스의 자기 상관 값의 경우를 다음의 도 4a 내지 도 4c를 이용하여 간략히 설명하기로 한다. 도 4a는 부반송파 간격의 정수 배에 해당하는 IFO를 고정한 후 부반송파 간격의 소수 배에 해당하는 반송파 주파수 오프셋 CFO를 변화시키면서 사전 약속 심벌의 자기 상관 특성을 도시한 것이다.

도 4a는 CFO가 0인 경우 자기 상관 크기의 최대값을 가짐을 알 수 있다. 도 4b 및 도 4c는 각각 CFO가 0.4, 0.5를 나타낸 그래프로 CFO가 0.5로 접근할수록 자기 상관 크기의 최대값(401 내지 405)이 감소하면서 인접한 부반송파에서의 자기 상관 값이 증가하는 것을 알 수 있다.

이에 대해 본 발명에서는 다음의 도 6a 내지 도 6c에 해당하는 케이스를 구별하여 그에 따른 주파수 오프셋을 보정하는 방법을 설명한다.

도 6a 내지 6c에서 보인 바와 같이, 반송파 주파수 오프셋 추정 값에 대하여 나타날 수 있는 자기 상관 특성은 크게 3가지로 구분될 수 있다. 여기서 가로축은 주파수 에러값을 나타내고, 세로축은 자기 상관 값을 나타낸다.
도 6a의 케이스(CASE) 1은 하나의 반송파 주파수 오프셋 추정 값(Offset1)(607)에서 자기 상관 값이 최대값(Max1)(601)을 가지며 두 번째 큰 자기 상관 값(Max2)(603)과의 차이가 큰 경우를 나타낸다. 이러한 경우는 통상적으로 CFO가 작은 경우에 발생할 수 있으며 미세 반송파 주파수 동기 시간도 작게 소요되는 경우로 볼 수 있다.
도 6b의 케이스 2는 두 개의 연속한 반송파 주파수 오프셋 추정 값(f1, f2)에서 자기 상관 값이 가장 크면서도 다른 자기 상관 값과의 차이가 크게 나타나는 경우를 나타낸다. 이러한 경우는 통상적으로 CFO의 크기가 0.5 근처에 있는 경우에 발생할 수 있으며 미세 반송파 주파수 동기 시간이 증가하는 경우로 볼 수 있다. 따라서 본 발명에서는 이러한 케이스 2를 검출함으로써 케이스 2인 경우에 대하여 미세 반송파 주파수 동기 성능을 향상 시키고 그 수렴 시간을 감소시키도록 주파수 오프셋 보정을 수행한다.
마지막으로 도 6c의 케이스 3은 모든 반송파 주파수 오프셋 추정 값에서의 자기 상관 값이 비슷한 경우로 낮은 신호대잡음비의 환경 또는 사전 약속 심벌이 전송되지 않는 OFDM 심벌의 위치에서 상기 자기 상관을 취하는 경우로 볼 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직할 실시 예에 따라 OFDM 시스템에서의 주파수 복원 장치(500)를 나타낸 블록도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 주파수 복원 장치(500)는 자기 상관 크기 계산기(501), 최대값 검출기(503), 주파수 오프셋 추정기(505), 주파수 오프셋 보정기(507)를 포함한다.

상기 주파수 복원 장치(500)를 상세히 설명하면, 상기 자기 상관 크기 계산기(501)는 사전 약속 심벌 위치에서의 FFT 출력 신호를 수신하여 국부 발생된 PN 시퀀스와의 자기 상관 값을 계산하게 된다.

상기 최대값 검출기(503)는 도 6a 내지 도 6c에서 설명한 케이스를 구별하기 위해 수신신호와 사전 약속 심볼 간의 주파수 오프셋 범위 내에서 계산된 자기 상관 값들 중 크기 순으로 결정한 적어도 3개의 자기 상관 값들 및 그에 따른 주파수 오프셋 값을 검출하여 상기 주파수 오프셋 보정기(507)에 전송한다. 또한 상기 최대값 검출기(503)는 상기 자기 상관 값들 중 가장 큰 최대 자기 상관 값(Max1)을 주파수 오프셋 추정기(505)에 전송함으로써, 우선 IFO에 대한 주파수 오프셋을 추정하게 된다.

여기서 상기 최대값 검출기(503)와 상기 주파수 오프셋 추정기(505)에서 최대 자기 상관 값과 그에 따른 주파수 오프셋 값을 추정하는 방법을 살펴보기로 한다. 초기 반송파 주파수 오프셋 과정에서는 반송파 주파수 오프셋이 발생하면 그 주파수 오프셋 양만큼 FFT 출력에서의 수신 PN 시퀀스가 주파수 영역에서 이동하게 되므로 그 이동량을 추정하는 것이며, 그 이동량에 해당하는 위치에서 자기 상관 값이 최대가 됨을 이용한다. 따라서, <수학식 2>와 같은 주파수 오프셋을 추정하는 식을 얻을 수 있다.

여기서 Y[k]는 k 번째 부반송파에 수신된 FFT 출력을 의미하고, p[k]는 k 번째 부반송파를 위한 PN 시퀀스 값을 의미하고, f_n은 추정하고자 하는 부반송파 간격의 정수 배에 해당하는 반송파 주파수 오프셋을 의미한다. Z(f_n)은 자기 상관 값의 크기를 나타내는 척도로서 m의 값은 0보다 큰 정수이다. 그러므로, 최종적인 주파수 오프셋 추정치는 Z(f_n)이 최대가 되는 코드 오프셋으로 정의되며 다음의 <수학식 3>과 같이 기술될 수 있다.

상기 최대값 검출기(503)는 상기 <수학식 2>에 의해 정의되는 Z(f_n) 가운데 두 번째로 큰 자기 상관 값 (Max 2) 및 세 번째로 큰 자기 상관 값 (Max 3)을 첫 번째로 큰 자기 상관 값 (Max 1) 과 함께 검출한다. 아울러, 상기 <수학식 3>과 같이 각각의 경우에 해당하는 주파수 오프셋 값을 검출하여 출력한다.

상기 주파수 오프셋 보정기(507)는 상기 최대값 검출기(503)로부터 전송된 3개의 자기 상관 값들과 해당 주파수 오프셋 값을 수신하여 본 발명에 따른 케이스를 구별한다. 이후 상기 주파수 오프셋 보정기(507)는 추정된 IFO에 추가하여 상기 구별된 케이스에 따라 CFO의 일부분을 보정하는 역할을 수행한다.

하기에서는 이에 대한 설명을 포함하여 본 발명에 따른 주파수 복원 방법을 다음의 도 7을 이용하여 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주파수 복원 장치(500)에서 주파수 복원 방법을 나타낸 순서도이다. 도 7을 참조하면, 우선 상기 주파수 복원 장치(500)의 자기 상관 크기 계산기(501)는 701단계에서 사전 약속 심벌의 위치에서의 FFT 출력 값을 입력받아 상기 <수학식 2>과 같이 추정하고자 하는 반송파 주파수 오프셋 범위에 대하여 자기 상관 크기 값을 계산한다. 이후 703 단계에서 상기 최대값 검출기(503)는 입력된 자기 상관 값 Z(f_n)으로부터 가장 큰 3개의 자기 상관 값 및 그때의 추정된 주파수 오프셋 값을 출력한다. 여기서 가장 큰 자기 상관 크기 값을 Max 1, 두 번째로 큰 자기 상관 크기 값을 Max 2, 세 번째로 큰 자기 상관 크기 값을 Max 3으로 정의하고, 그때의 각 주파수 오프셋 값을 Offset 1, Offset 2, Offset 3으로 정의한다.

그런 후 본 발명에 따라 나누어진 케이스들 중 첫 번째로 케이스 1과 다른 케이스들을 구분하기 위해 상기 Max 1, Max2, Max3을 입력받은 주파수 오프셋 보정기(507)는 705단계에서 다음의 <수학식 4>과 같이 입력된 Max1과 Max2의 비를 계산한 u 값을 계산하여 미리 결정된 제1임계값보다 큰지 확인한다.

여기서 상기 제1임계값은 도 6a의 T1(605)을 나타내는 것으로, 상기 주파수 오프셋 보정기(507)는 상기 u 값이 상기 T1(605)보다 크면 케이스 1로 판단한다. 상기 705단계에서 케이스 1로 판정된 경우라면 CFO 값이 작은 것을 의미하므로 707단계에서와 같이 IFO에 대한 주파수 오프셋 값을 상기 <수학식 3>의 주파수 오프셋 값인 Offset 1로 설정하고 717단계로 진행하여 상기 Offset 1 값을 사용하여 초기 반송파 주파수 과정을 수행한다.

그러나 상기 705단계에서 상기 u값이 제1임계값 T1(605)보다 작은 경우 상기 주파수 오프셋 보정기(507)는 케이스 2와 케이스 3을 구분하기 위해 우선 709단계에서와 같이 Offset 1과 Offset 2를 차이 값인 D 값의 크기가 '1'인지 확인한다.

상기 D 값을 수학식으로 나타내면 다음과 같다.

여기서, 상기

는

가운데에서 i번째로 큰 값을 의미하고, 상기

와 상기

은 각각 Offset 1과 Offset 2를 나타낸다.

상기 709단계에서 상기 D 값의 크기가 '1' 과 같지 않다면 케이스 3으로 결정하고, 이 경우에는 사전 약속 심벌의 위치 검출이 잘못된 경우이든지 또는 채널 상황이 열악하여 신호대잡음비가 낮아 신뢰도 높은 주파수 검출이 어려운 경우로 판정한다. 그러면 715단계에서 현재 테스트하고 있는 사전 약속 심벌 이후에 전송되는 사전 약속 심벌을 재검출하여 초기 반송파 주파수 단계를 재수행하게 된다. 즉 상기 offset 1과 상기 offset 2가 서로 인접한 주파수 오프 셋이 아닌 경우에 초기 반송파 주파수 단계를 재수행한다.

반면 상기 707단계에서 상기 D의 크기가 1이라면 상기 주파수 오프셋 보정기(507)는 CFO가 0.5 부근인 것으로 판단 (상기 offset 1과 상기 offset 2가 서로 인접한 주파수 오프셋인 경우)할 수 있으며, 이 경우 상기 주파수 오프셋 보정기(507)는 711단계에서와 같이 다음의 <수학식 6>와 같이 입력된 Max 2와 Max 3의 비인 v 값을 계산하여 미리 결정된 제2임계값보다 큰지 확인한다.

여기서 상기 제2임계값은 도 6b의 T2(613)를 나타내는 것으로, 상기 주파수 오프셋 보정기(507)는 상기 v값이 상기 T2(613)보다 크면 케이스 2로 판단하고, 상기 T2(613)보다 작으면 케이스 3으로 판단한다.

상기 711단계에서 상기 v 값이 상기 제2임계값 T2(613)보다 커서 케이스 2로 판단하면, 상기 주파수 오프셋 보정기(507)는 713단계에서 주파수 오프셋 추정 값을 다음의 <수학식 7>과 같이 설정하게 된다.

여기서 상기

은 Offset1을 의미하고, 상기

는 잔여 반송파 주파수 오프셋을 결정하는 파라미터로 '0'에서 '1' 사이의 값을 갖는다.

상기 주파수 오프셋 보정기(507)는 케이스 2로 판정된 경우 CFO의 크기가 0.5 근처인 것으로 판정하여 717단계에서와 같이 상기 <수학식 7>의 주파수 오프셋 추정 값을 사용하여 초기 반송파 주파수 과정을 수행한다. 상기 케이스 2인 경우 CFO가 0.5정도를 고려하여 미세 반송파 주파수 동기 과정을 수행하므로 수렴 시간을 감소시킬 수 있다.

반면 상기 711단계에서 상기 v 값이 상기 제2임계값 T2(613)보다 작으면 케이스 3으로 판단하여 상술한 바와 같이 715단계를 수행하게 된다.

발명에 따른 주파수 복원 과정에서 만약 제2임계값인 v를 '1'로 설정한 경우는 Max 1이 Max 2보다 항상 크므로 상기 711단계를 생략할 수 있다.

또한 상기 <수학식 7>에서의 D값은 '+1' 또는 '-1'을 가지게 되어 CFO가 0.5 부근인 경우와 -0.5 부근인 경우를 구분하여 주파수 오프셋을 보정하는 역할을 수행한다. 그리고 주파수 오프셋 보정 값

은 잔여 반송파 주파수 오프셋을 결정하는 파라미터이므로 시스템에 따라 가변하여 사용할 수 있다. 특히,

는 CFO가 0.5 부근에 있는 경우를 보정하기 위하여 사용되는 파라미터이므로 0.5 부근의 값으로 설정하는 것이 바람직하다.

만약 DVB-H 시스템에서의 모든 OFDM 심벌에 파일럿이 전송되는 경우와 같이 사전 약속 심벌이 모든 OFDM 심벌에 전송되는 경우라면, 상기 711단계에서 케이스 3인 경우 채널 상황이 열악하여 신호대잡음비가 낮은 경우로 판단하여 상기 <수학식 3>으로 주파수 오프셋 추정 값을 출력하여 초기 반송파 주파수 동기 과정을 수행하도록 할 수도 있다.

한편, 상기 717단계에서 초기 반송파 주파수 동기 과정을 수행하면 이후 잔여 주파수 오프셋을 보정하는 미세 반송파 주파수 동기 과정을 수행한다. 본 발명에서 상기 미세 반송파 주파수 동기화 과정은 사전 약속 신호를 사용하는 방식과 블라인드 방식을 사용할 수 있다. 상기 사전 약속 신호는 가장 널리 사용되는 것이 특정 부반송파에 전송되는 파일럿 신호이며, 연속된 두 OFDM 심벌에 전송된 동일한 부반송파 위치에서의 파일럿 신호의 차를 이용하여 잔여 반송파 주파수 오프셋을 추정하게 된다. 상기 블라인드 방식에는 순환 전치 심벌을 이용하는 방식이 많이 사용되는데, 한 OFDM 심벌 내의 순환 전치 심벌(CP)과 그 OFDM 심벌의 후반부가 동일한 특성을 이용하여 잔여 반송파 주파수 오프셋을 추정하게 된다.

도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 반송파 주파수 오프셋 추정 성능을 도시한 그래프로서, 신호대 잡음비(SNR)에 대하여 오류가 발생될 확률을 나타낸 것이다. 상기 그래프에서 가로축은 신호대 잡음비(SNR)을 나타내고, 세로축은 오류 검출 확률을 나타내었다.

도 8에서는 검출 기준을 상기 잔여 반송파 주파수 오프셋이 -0.5에서 0.5 부반송파 간격이 되도록 설정한 경우로, 도시된 바와 같이 기존의 초기 반송파 주파수 동기화 방식에 비하여 CFO가 0.5 부근인 경우의 검출 오류 확률을 크게 감소시킴으로써 검출 성능이 향상됨을 확인할 수 있다.

도 9는 검출 기준을 잔여 반송파 주파수 오프셋이 -0.45에서 0.45 부반송파 간격이 되도록 설정한 경우이다. 이 경우 상기 도 8과 마찬가지로 CFO가 0.5 부근인 경우의 검출 오류 확률이 크게 감소될 뿐만 아니라, 초기 반송파 주파수 오프셋 보정 이후 잔여 반송파 주파수 오프셋이 0.5 부근에 있지 않으므로 행업 현상이 발생하지 않게 된다. 따라서, 초기 반송파 주파수 보정 이후 미세 주파수 보정 단계에서의 동기 소요 시간이 감소하게 된다. 추가적으로 성능면에서는 도 8에 비해서는 검출 오류 성능이 다소 열화되고 있으므로, 미세 주파수 보정 시간과 초기 반송파 주파수 오프셋 검출 성능간에 트레이드 오프(Trade-off) 가 있음을 알게 된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 주파수 복원 방법은 CFO가 0.5 근방인 경우에 추정된 초기 반송파 주파수 오프셋 값을 적응적으로 보정함으로써 종래의 주파수 복원 방법보다 추정 성능을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 초기 반송파 주파수 복원 이후의 미세 반송파 주파수 복원 과정 시 수렴 시간을 감소시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 주파수 복원 과정에서는 비교 과정 2회 및 덧셈 1회만을 필요로 하게 되므로 하드웨어의 증가 량은 매우 미미한 것을 알 수 있다.

Claims

직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 사전 약속 심볼을 이용하여 수신 신호의 반송파 주파수를 복원하는 방법에 있어서,

수신 신호와 사전 약속 심볼 간에 주파수 오프셋 범위 내에서 계산된 자기 상관 값 중 크기 순으로 결정된 적어도 3개의 자기 상관 값과 해당 주파수 오프셋을 검출하는 제1과정과,

상기 적어도 3개의 자기 상관 값 중 제1자기 상관 값 및 제2자기 상관 값을 선택하고, 상기 제1자기 상관 값과 제2자기 상관 값의 비를 제1임계값과 비교하는 제2과정과,

상기 제1자기 상관 값과 제2자기 상관 값의 비가 상기 제1임계값보다 작으면, 상기 제1자기 상관 값 및 상기 제2자기 상관 값 각각에 해당하는 제1주파수 오프셋 및 제2주파수 오프셋이 서로 인접한 주파수 오프셋인지를 확인하는 제3과정과,

상기 제1주파수 오프셋과 상기 제2주파수 오프셋이 인접하고, 상기 제2자기 상관 값과 제3자기 상관 값의 비가 제2임계값보다 크면, 상기 제1주파수 오프셋과, 주파수 오프셋 보정 값의 차이 값을 이용하여 초기 반송파 주파수 오프셋을 결정하는 제4과정을 포함하며,

여기서 상기 제3자기 상관 값은 상기 적어도 3개의 자기 상관 값에서 상기 제1자기 상관 값과 제2자기 상관 값을 제외한 적어도 하나의 상관 값 중 하나로써, 상기 제1 및 제2자기 상관 값에 비해 크기가 작음을 특징으로 하는 반송파 주파수 복원 방법.
제1항에 있어서,

상기 결정된 초기 반송파 주파수 오프셋을 이용하여 초기 반송파 동기를 수행한 후, 잔여 반송파 주파수 오프셋을 이용하여 미세 반송파 주파수 동기를 수행하는 과정을 더 포함하는 반송파 주파수 복원 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1자기 상관 값 및 상기 제2자기 상관 값의 비가 상기 제1임계값보다 큰 경우, 상기 제1주파수 오프셋을 상기 초기 반송파 주파수 오프셋으로 결정하는 과정을 더 포함하는 반송파 주파수 복원 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1주파수 오프셋과 상기 제2주파수 오프셋이 서로 인접한 주파수 오프셋이 아닐 경우, 상기 제1과정 내지 제4과정에 의해 초기 반송파 주파수 오프셋을 결정하는 동작을 수행하는 과정을 더 포함하는 반송파 주파수 복원 방법.
제1항에 있어서,

상기 제2자기 상관 값과 제3자기 상관 값의 비가 상기 제2임계값보다 작으면, 상기 제1과정 내지 상기 제4과정에 의해 초기 반송파 주파수 오프셋을 결정하는 동작을 수행하는 과정을 더 포함하는 반송파 주파수 복원 방법.
제1항에 있어서, 상기 초기 반송파 주파수 오프셋은,

을 사용하여 계산되며,

여기서 상기
은 상기 제1주파수 오프셋을 나타내고, 상기
는 상기 주파수 오프셋 보정 값을 나타내고, 상기 D는 상기 제1주파수 오프셋과 상기 제2주파수 오프셋의 차이를 나타내고, max₁은 Z(f_n)이 최대값을 갖도록 하는 f_n을 결정하는 수학적 기호이고,
은 상기 초기 반송파 주파수 오프셋을 의미하고, f_n은 추정하고자 하는 반송파 주파수 오프셋을 의미하며, Z(f_n)은 f_n에 대응한 자기 상관 값을 나타냄을 특징으로 하는 반송파 주파수 복원 방법..
제6항에 있어서, 상기 주파수 오프셋 보정 값은,

0.5를 기준으로 소정의 임계 범위 내의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 복원 방법.
직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 수신 신호의 반송파 주파수를 복원하는 장치에 있어서,

상기 수신 신호와 사전 약속 심볼 간에 주파수 오프셋 범위 내에서 자기 상관 값을 연산하는 자기 상관 계산기와,

상기 연산된 자기 상관 값 중 크기 순으로 결정된 적어도 3개의 자기 상관 값과 해당 주파수 오프셋을 검출하는 최대값 검출기와,

상기 적어도 3개의 자기 상관 값 중 제1자기 상관 값 및 제2자기 상관 값을 선택하고, 상기 제1자기 상관 값과 제2자기 상관 값의 비를 제1임계값과 비교하고, 상기 제1자기 상관 값 및 제2자기 상관 값의 비가 상기 제1임계값보다 작으면, 상기 제1자기 상관 값 및 상기 제2자기 상관 값 각각에 해당하는 제1주파수 오프셋과 제2주파수 오프셋이 서로 인접한 주파수 오프셋인지를 확인하고, 상기 제1주파수 오프셋과 상기 제2주파수 오프셋이 인접하고, 상기 제2자기 상관 값과 제3자기 상관 값의 비가 제2임계값보다 크면, 상기 제1주파수 오프셋과, 주파수 오프셋 보정 값의 차이 값을 이용하여 초기 반송파 주파수 오프셋을 결정하는 주파수 오프셋 보정기를 포함하며,

여기서 상기 제3자기 상관 값은 상기 적어도 3개의 자기 상관 값에서 상기 제1자기 상관 값과 제2자기 상관 값을 제외한 적어도 하나의 상관 값 중 하나로써, 상기 제1 및 제2자기 상관 값에 비해 크기가 작음을 특징으로 하는 반송파 주파수 복원 장치.
제8항에 있어서, 상기 주파수 오프셋 보정기는,

상기 제1자기 상관 값과 상기 제2자기 상관 값의 비가 상기 제1임계값보다 큰 경우, 상기 제1주파수 오프셋을 상기 초기 반송파 주파수 오프셋으로 결정함을 특징으로 하는 반송파 주파수 복원 장치.
제8항에 있어서, 상기 주파수 오프셋 보정기는,

상기 제1주파수 오프셋과 상기 제2주파수 오프셋이 서로 인접한 주파수 오프셋이 아닐 경우, 상기 초기 반송파 주파수 오프셋을 결정하는 동작을 반복하여 수행함을 특징으로 하는 반송파 주파수 복원 장치.
제8항에 있어서, 상기 주파수 오프셋 보정기는,

상기 제2자기 상관 값과 제3자기 상관 값의 비가 상기 제2임계값보다 작으면, 상기 초기 반송파 주파수 오프셋을 결정하는 동작을 반복하여 수행함을 특징으로 하는 반송파 주파수 복원 장치.
제8항에 있어서, 상기 초기 반송파 주파수 오프셋은,

을 사용하여 계산되며,

여기서 상기
은 상기 제1주파수 오프셋을 나타내고, 상기
는 상기 주파수 오프셋 보정 값을 나타내고, 상기 D는 상기 제1주파수 오프셋과 상기 제2주파수 오프셋의 차이를 나타내고, max₁은 Z(f_n)이 최대값을 갖도록 하는 f_n을 결정하는 수학적 기호이고,
은 상기 초기 반송파 주파수 오프셋을 의미하고, f_n은 추정하고자 하는 반송파 주파수 오프셋을 의미하며, Z(f_n)은 f_n에 대응한 자기 상관 값을 나타냄을 특징으로 하는 반송파 주파수 복원 장치.
제12항에 있어서, 상기 주파수 오프셋 보정 값은,

0.5를 기준으로 소정의 임계 범위 내의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 복원 장치.