KR101002536B1 - A method and apparatus for estimating ofdm frequency offset of low complexity using a periodogram - Google Patents
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Abstract
본 발명은 주기도표를 이용한 저복잡도의 OFDM 주파수 옵셋 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a low complexity OFDM frequency offset estimation method and apparatus using a period diagram.
본 발명은, 수신 신호로부터 주기도표 확장 기술을 이용해서 확장된 주기도표를 얻는 단계와,The present invention provides a method of obtaining an extended period diagram from a received signal using a period diagram expansion technique,
확장된 주기도표를 이용해서 주파수 옵셋을 추정하는 단계 및,Estimating the frequency offset using the extended periodogram;
추정된 주파수 옵셋을 보상하는 단계를 갖추어 이루어진 OFDM 주파수 옵셋 추정 방법으로,An OFDM frequency offset estimation method comprising the steps of compensating the estimated frequency offset,
상기 주파수 옵셋을 추정하는 단계에서,In estimating the frequency offset,
(여기서, 이고, 는 q배 확장된 주기율표를 이용한 정수 주파수 옵셋의 새로운 추정치, 는 q배 확장된 주기율표를 이용한 정수 주파수 옵셋 추정을 위한 시험 값, (ㆍ)은 복소수의 허수 값, N은 전체 수신 신호 샘플의 수, q는 주기도표의 확장계수임)(here, ego, Is a new estimate of the integer frequency offset using the q times extended periodic table, Is a test value for estimating integer frequency offset using q-folded periodic table, (·) Is an imaginary complex number, N is the total number of received signal samples, q is the expansion factor of the period diagram.)
에 의해 정수 주파수 옵셋 추정의 복잡도를 감소시키고,Reduces the complexity of the integer frequency offset estimation by
(여기서, 는 q배 확장된 주기율표를 이용한 소수 주파수 옵셋의 새로운 추정치임)(here, Is a new estimate of the fractional frequency offset using the q times extended periodic table).
에 의해 소수 주파수 옵셋 추정 가능 범위를 확장시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that to enable to extend the possible range of fractional frequency offset estimation.
Description
본 발명은 주기도표(periodogram)를 이용한 저복잡도의 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 주파수 옵셋 추정 방법 및 이 방법을 이용하는 저복잡도의 OFDM 주파수 옵셋 추정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a low complexity orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) frequency offset estimation method using a periodogram and a low complexity OFDM frequency offset estimation device using the method.
OFDM은 주파수 옵셋(frequency offset)에 매우 민감하다. 따라서, 주파수 옵셋이 존재할 경우 부반송파간의 직교성을 파괴하고, 간섭을 유발해서 데이터 오류율이 높아지게 된다.OFDM is very sensitive to frequency offset. Therefore, in the presence of a frequency offset, orthogonality between subcarriers is destroyed, and interference causes high data error rate.
이를 위해 OFDM 주파수 옵셋 추정을 위한 많은 기술들이 개발되어 왔으나, 이러한 기술들은 시간 오차가 존재하는 상황에서는 주파수 옵셋 추정 성능이 떨어지거나, 매우 복잡하다는 단점이 있었다.To this end, many techniques for OFDM frequency offset estimation have been developed, but these techniques have a disadvantage in that the frequency offset estimation performance is poor or very complicated in the presence of time error.
이러한 OFDM 주파수 옵셋 추정 기술들 중에서, 주기 도표를 이용한 기존의 주파수 옵셋 추정 기술은 단일 훈련 심벌로도 높은 추정 정확도를 제공하기는 하지만, 복잡도가 매우 높아서 실제 구현 시에 어려움이 있었다.Among these OFDM frequency offset estimation techniques, the conventional frequency offset estimation technique using a period chart provides high estimation accuracy even with a single training symbol, but has a high complexity and has a difficulty in actual implementation.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, OFDM 주파수 옵셋 추정을 위하여, 주기도표 확장을 이용한 주파수 옵셋 추정 기술을 적용함으로써, 매우 낮은 복잡도를 가지면서 정확도의 감소는 미약한 주기도표를 이용한 저복잡도의 OFDM 주파수 옵셋 추정 방법 및 장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been invented in view of the above, and by applying a frequency offset estimation technique using a periodic diagram extension for OFDM frequency offset estimation, a very low complexity and low accuracy using a weak periodic diagram An object of the present invention is to provide a method and apparatus for estimating complexity of an OFDM frequency offset.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저복잡도의 OFDM 주파수 옵셋 추정 방법 및 장치는, 수신 신호로부터 주기도표 확장 기술을 이용해서 확장된 주기도표를 얻는 단계와,
확장된 주기도표를 이용해서 주파수 옵셋을 추정하는 단계 및,
추정된 주파수 옵셋을 보상하는 단계를 갖추어 이루어진 OFDM 주파수 옵셋 추정 방법으로,
상기 주파수 옵셋을 추정하는 단계에서,
(여기서, 이고, 는 q배 확장된 주기율표를 이용한 정수 주파수 옵셋의 새로운 추정치, 는 q배 확장된 주기율표를 이용한 정수 주파수 옵셋 추정을 위한 시험 값, (ㆍ)은 복소수의 허수 값, N은 전체 수신 신호 샘플의 수, q는 주기도표의 확장계수임)
에 의해 정수 주파수 옵셋 추정의 복잡도를 감소시키고,
(여기서, 는 q배 확장된 주기율표를 이용한 소수 주파수 옵셋의 새로운 추정치임)
에 의해 소수 주파수 옵셋 추정 가능 범위를 확장시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.A low complexity OFDM frequency offset estimation method and apparatus according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of: obtaining an extended period diagram from a received signal using a period diagram extension technique;
Estimating the frequency offset using the extended periodogram;
An OFDM frequency offset estimation method comprising the steps of compensating the estimated frequency offset,
In estimating the frequency offset,
(here, ego, Is a new estimate of the integer frequency offset using the q times extended periodic table, Is a test value for estimating integer frequency offset using q-folded periodic table, (·) Is an imaginary complex number, N is the total number of received signal samples, q is the expansion factor of the period diagram.)
Reduces the complexity of the integer frequency offset estimation by
(here, Is a new estimate of the fractional frequency offset using the q times extended periodic table).
It is characterized in that to enable to extend the possible range of fractional frequency offset estimation.
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또한 본 발명은, 추정된 주파수 옵셋을 보상하는 단계가 정수 주파수 옵셋, 소수 주파수 옵셋, 나머지 주파수 옵셋 중 어느 하나의 주파수 옵셋을 보상하는 것임을 특징으로 한다.Further, the present invention is characterized in that the step of compensating the estimated frequency offset is to compensate for any one of the frequency offset of the integer frequency offset, fractional frequency offset, the remaining frequency offset.
또한 본 발명은, 추정된 주파수 옵셋을 보상하는 단계가, 정수 주파수 옵셋, 소수 주파수 옵셋, 나머지 주파수 옵셋을 더하여 한번에 보상하는 것임을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that the step of compensating the estimated frequency offset, the integer frequency offset, the fractional frequency offset, the remaining frequency offset is added to compensate at once.
또한 본 발명은, 추정된 주파수 옵셋을 보상하는 단계가, 정수 주파수 옵셋, 소수 주파수 옵셋, 나머지 주파수 옵셋 중 일부를 더하여 보상하는 것임을 특징으로 한다.Further, the present invention is characterized in that the step of compensating the estimated frequency offset, by adding a portion of the integer frequency offset, fractional frequency offset, the remaining frequency offset to compensate.
더욱이, 본 발명에 따른 주기도표를 이용한 저복잡도의 OFDM 주파수 옵셋 추정 장치는, 상기한 주기도표를 이용한 저복잡도의 OFDM 주파수 옵셋 방법을 이용해서 주파수 추정을 위한 수신 신호의 주기도표를 생성하도록 된 것을 특징으로 한다.Furthermore, the low-complexity OFDM frequency offset estimation apparatus using the periodic diagram according to the present invention is to generate a periodic diagram of the received signal for frequency estimation using the low-complexity OFDM frequency offset method using the above-described periodic diagram. It features.
또한 상기 장치가, OFDM 수신기, 레이더 또는 소나 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.The apparatus may be any one of an OFDM receiver, a radar, and a sonar.
본 발명에 따르면, 주기도표 확장을 이용한 주파수 옵셋 추정 기술을 적용함으로써, 더욱 넓은 주파수 옵셋 추정범위를 가지게 되고, 기존 방법보다 평균적으로 절반 이하의 복잡도만으로 주파수 옵셋 추정이 가능하게 된다.According to the present invention, by applying a frequency offset estimation technique using a periodic table expansion, it has a wider frequency offset estimation range, and it is possible to estimate the frequency offset with an average complexity of less than half of the conventional method.
따라서, OFDM 전송 방식을 이용한 무선랜, 디지털 방송 등의 단말기에 적용 할 수 있고, 또한 레이더(radar)나 소나(sonar) 등에서 주기도표를 이용한 주파수 추정 기술에 적용할 수 있다.Therefore, the present invention can be applied to a terminal such as a wireless LAN or digital broadcasting using an OFDM transmission method, and can also be applied to a frequency estimation technique using a period diagram in a radar or sonar.
이하, 예시도면을 참조하면서 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 OFDM 주파수 옵셋 추정 방법의 전체 과정을 나타낸 도면이다.1 is a view showing the entire process of the OFDM frequency offset estimation method according to the present invention.
먼저, 수신 신호로부터 주기도표 확장 기술을 이용해서 확장된 주기도표를 얻는다. 이어, 확장된 주기도표를 이용해서 주파수 옵셋을 추정하고, 마지막으로 추정된 주파수 옵셋(예컨대, 정수 주파수 옵셋, 소수 주파수 옵셋, 나머지 주파수 옵셋)을 보상하는 단계를 거친다.First, an extended period diagram is obtained from a received signal using a period diagram extension technique. Subsequently, the frequency offset is estimated using the extended period diagram, and finally, the frequency offset (eg, integer frequency offset, fractional frequency offset, remaining frequency offset) is compensated.
상기 보상 단계에서는 정수 주파수 옵셋과, 소수 주파수 옵셋 및, 나머지 주파수 옵셋을 더하여 한번에 보상해도 되고, 정수 주파수 옵셋과, 소수 주파수 옵셋 및, 나머지 주파수 옵셋 중 일부를 더하여 보상해도 된다.In the compensating step, the integer frequency offset, the fractional frequency offset, and the remaining frequency offset may be added and compensated at once, or the integer frequency offset, the fractional frequency offset, and some of the remaining frequency offset may be added to compensate.
여기서, 도 1에 도시된 주파수 옵셋 추정 방법에 대해 상세히 설명한다.Here, the frequency offset estimation method shown in FIG. 1 will be described in detail.
먼저, 주기도표 시스템 모형은 다음과 같이 된다.First, the periodic chart system model is as follows.
주기도표 시스템 모형Periodic System Model
OFDM 심벌은 IFFT(inverse fast Fourier transform)를 통해 생성되며, 다음 의 식 1과 같이 표현된다.The OFDM symbol is generated through an inverse fast Fourier transform (IFFT), and is represented by
식 1
여기서, 는 k번째 부반송파(subcarrier)를 통해 전송되는 PSK(phase shift keying) 또는 QAM(quadrature amplitude modulation) 데이터이고, N은 역 고속 푸리에 변환의 크기이며, n= 0,1,2,---,N-1이다.here, Is the PSK (phase shift keying) or QAM (quadrature amplitude modulation) data transmitted on the kth subcarrier, N is the magnitude of the inverse fast Fourier transform, and n = 0,1,2, ---, N -1.
시간 동기화 이후 수신 신호는 다음 식과 같이 표현된다.After time synchronization, the received signal is expressed as follows.
식 2
여기서, 은 부반송파 간격으로 정규화된 주파수 옵셋이고, 은 평균이 0인 AWGN(additive white Gaussian noise)이다.here, Is the frequency offset normalized to the subcarrier interval, Is an additive white Gaussian noise (AWGN) with an average of zero.
수신 신호의 주기도표(periodogram)를 얻기 위해서는 EEP(envelope equalized processing) 과정을 거치게 되며, EEP 과정은 다음의 식 3과 같다.In order to obtain a periodogram of a received signal, an EEP (envelope equalized processing) process is performed, and the EEP process is shown in
식 3
EEP 과정 이후의 신호는 다음의 식 4와 같다.The signal after the EEP process is shown in
식 4
여기서, 이다.here, to be.
따라서, 주기도표의 제곱근은 다음의 식 5와 같이 표현된다.Therefore, the square root of the periodic diagram is expressed as shown in
식 5
종래 기술에 따른 주파수 옵셋 추정 방법Frequency offset estimation method according to the prior art
기존의 기술에서는 주파수 옵셋 추정을 위하여 3단계로 나누어진 추정 방법을 사용한다. 이 과정은 각각 정수, 소수, 나머지 주파수 옵셋 추정이다.The existing technique uses a three-step estimation method for frequency offset estimation. The process is integer, decimal, and remaining frequency offset estimation, respectively.
먼저, 정수 주파수 옵셋 추정식은 다음의 식 6과 같다.First, the integer frequency offset estimation equation is as shown in
식 6
여기서, 이다.here, to be.
다음에, 소수 주파수 옵셋 추정식은 다음의 식 7과 같다.Next, the fractional frequency offset estimation equation is as follows.
식 7Equation 7
그리고, 나머지 주파수 옵셋 추정식은 다음의 식 8과 같다.The remaining frequency offset estimation equation is shown in
식 8
여기서, 은 각각 의 추정치이다.here, Are each Is an estimate of.
본 발명에 따른 구성Configuration according to the invention
이상과 같이, 식 5의 제곱근 주기도표를 살펴보면, sinc 함수 형태를 취하고 있음을 알 수 있다. 또한, 식 7과 식 8을 살펴보면, sinc 함수의 기하학적 대칭성에 기반하여 주파수 옵셋을 추정함을 알 수 있다.As mentioned above, looking at the square root period diagram of
식 5의 제곱근 주기도표를 확장해서 식 7과 식 8의 주파수 추정 범위를 확장시키는 과정이 본 발명의 주요한 목적이다.The main purpose of the present invention is to extend the frequency root of the
상기 식 5에서 전체 수신 신호의 샘플이 아닌 연속된 N/q개의 샘플만을 이용할 경우 주기도표는 다음의 식 9와 같이 변경된다.When using only N / q samples consecutively instead of samples of the entire received signal in
식 9
상기 식 9에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 식 5의 원래 주기도표 보다 q배 만큼 확장된 주기도표를 얻을 수 있게 된다. 이러한 원리에 따라 식 7과 식 8의 추정 범위를 확장 시킬 수 있게 된다. 또한, 전체 수신 신호의 샘플 중에서 N/q개만을 이용하였기 때문에, 나머지 샘플들을 이용해서 반복 사용이 가능하다.As can be seen from
따라서, 기존 기술의 추정 과정인 식 5, 식 6, 식 7의 과정은 다음의 의사 부호(pseudocode)로 나타낸 추정 과정으로 대체 될 수 있다.Therefore, the process of
한편, 도 2는 수신 신호의 일부를 이용한 주기도표의 확장 과정을 나타낸 도면으로, q=1,2,4인 경우의 주기도표 확장 과정을 나타내고 있다. 즉, q의 값이 커질 수록 더욱 확장되고 있음을 알 수가 있다.FIG. 2 is a diagram illustrating an expansion process of a period diagram using a part of a received signal, and illustrates an expansion process of a period diagram when q = 1, 2, and 4. In other words, it can be seen that as the value of q increases, it expands further.
또한, 도 3은 FFT 크기 N=64인 경우에 대해 곱셈과 나눗셈 횟수를 비교함으로써, 종래 기술과 본 발명 사이의 복잡도를 비교한 도면으로, 종래의 곱셈과 나눗셈 횟수에 비해 q의 값이 커질수록 곱셈과 나눗셈 횟수가 작아짐을 알 수 있다.In addition, FIG. 3 is a diagram comparing the complexity between the prior art and the present invention by comparing the number of multiplications and divisions for the case where the FFT size N = 64. It can be seen that the number of multiplications and divisions decreases.
이상과 같이 본 발명은 주기도표 확장에 기반하여 주파수 추정 가능 범위를 확장시키게 된다. 따라서, 전체 범위를 추정하기 위한 연산량이 감소하게 되고, 최종적으로 낮은 복잡도로 유사한 성능을 가질 수 있게 된다.As described above, the present invention extends the frequency estimation possible range based on the extension of the periodic table. Therefore, the amount of calculation for estimating the entire range is reduced, and finally, similar performance can be achieved with low complexity.
도 1은 본 발명에 따른 OFDM 주파수 옵셋 추정 방법의 전체 관정을 나타낸 도면,1 is a view showing the overall determination of the OFDM frequency offset estimation method according to the present invention,
도 2는 수신 신호의 일부를 이용한 주기도표의 확장 과정을 나타낸 도면,2 is a diagram illustrating an extension process of a periodic table using a part of a received signal;
도 3은 FFT 크기 N=64인 경우에 대해 곱셈과 나눗셈 횟수를 비교함으로써, 종래 기술과 본 발명 사이의 복잡도를 비교한 도면이다.3 is a diagram comparing the complexity between the prior art and the present invention by comparing the number of multiplications and divisions for the case of FFT size N = 64.
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