KR101029811B1

KR101029811B1 - 디지털 수신기의 주파수 복원 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101029811B1
Application number: KR1020040074475A
Authority: KR
Inventors: 김태호
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2011-04-20
Also published as: TW200644530A; AU2005211532B2; EP1638284A3; TWI282680B; EP1638284A2; US7551692B2; AU2005211532A1; US20060062316A1; KR20060025704A; CN1750530A

Abstract

본 발명은 샘플링 오프셋에 강건한 디지털 수신기의 주파수 복원 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 8k 모드의 OFDM 현재 심볼 및 상기 현재 심볼이 한심볼 구간 지연된 지연 심볼을 2k 모드에 해당하는 데이터 구간으로 4분하여 출력하는 분할 윈도우와, 8k 모드의 파일롯 패턴을 2k 모드에 해당하는 4분된 파일롯 패턴으로 생성하여 출력하는 분할 파일롯 패턴 발생기와, 상기 4분된 현재 심볼 및 지연 심볼과 상기 4분된 분할 파일롯 패턴 각각을 상관 연산하는 상관기와, 상기 상관기의 출력값 중 최대값을 이용하여 주파수 오프셋을 추정하는 추정기를 포함하여 구성되는 주파수 복원 장치를 제공한다. 따라서, 8k 모드에서 샘플링 클럿 오프셋이 100ppm인 환경에서도 올바른 대략적 주파수 오프셋 추정이 가능해지는 효과가 있다.

DVB-T, OFDM, 심볼, 주파수 오프셋, 주파수 복원

Description

디지털 수신기의 주파수 복원 장치 및 방법{Apparatus of frequency recovery in Digital receiver and Method of the same}

도 1은 종래 기술에 따른 대략적 주파수 오프셋 추정기의 구성을 나타낸 블록도

도 2는 일반적인 연속 파일럿의 위치를 나타낸 도면

도 3은 종래 기술에 따른 주파수 오프셋에 대한 상관기 출력을 나타낸 도면

도 4는 본 발명에 따른 대략적 주파수 오프셋 추정기의 구성을 나타낸 블록도

도 5는 본 발명에 따른 분할 윈도우를 나타낸 도면

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

401 : FFT부 403 : 지연기

405, 407, 409, 411 : 분할 윈도우

413, 415, 417, 419 : 분할 파일럿 패턴 발생기

421, 423, 425, 427 : 교차 상관기

429 : 추정기

본 발명은 디지털 수신기의 주파수 복원에 관한 것으로, 보다 상세하게는 DVB-T 방송시스템에서 샘플링 오프셋에 강건한 대략적 주파수 복원 장치 및 방법에 관한 것이다.

DVB-T(Digital Video Broadcasting-Terrestrial) 방송 시스템은 기본적으로 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)을 이용하여 송수신한다. 상기 OFDM의 기본 원리는 고속 전송률을 갖는 데이터열을 낮은 전송률을 갖는 많은 수의 데이터 열로 나누고, 이들을 다수의 부반송파(sub-carrier)를 사용하여 동시에 전송하는 것이다.

이러한 OFDM을 사용하는 중요한 이유 중 하나는 OFDM을 사용하면 주파수 선택성 페이딩이나 협대역 간섭에 대한 강건함이 증가하기 때문이다. 상기 다수 반송파 시스템은 반송파가 서로 직교하는 특성을 이용하여 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)를 통해 효율적으로 구현할 수 있다.

상기 OFDM 수신기의 기본적인 동기의 하나로 반송파 복원(Carrier Recovery)이 있으며, 주파수 동기는 송,수신기간의 RF 반송파 주파수를 일치시키는 기능이다. 상기 송,수신기간의 반송파 주파수 차이를 주파수 오프셋이라 부르며, 특히 OFDM은 주파수 오프셋에 민감한 단점이 있다.

상기 주파수 오프셋은 수신 신호에 두가지의 심각한 문제점으로 나타나는데, 그 하나로 각 부반송파를 통해 전송된 신호의 크기가 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 복조되면 감소되는 것과, 다른 하나로 부반송파간 간섭(ICI : Inter Carrier Interference)이 발생하여 더 이상 부반송파간 직교성이 유지될 수 없게 되는 문제점이 발생하는 것이다.

즉, OFDM 방식은 전송 대역에 비해 부반송파간의 주파수 간격이 상대적으로매우 작으므로 부반송파 간격보다 작은 주파수 오프셋에도 민감하게 영향을 받을 수 있으므로 주파수 동기가 중요한 요소 기술중 하나라고 볼 수 있는 것이다.

따라서, OFDM 방식에서는 단일 반송파 전송 방식과는 달리 주파수 동기를 두개의 모드에서 동작하도록 하는 것이 일반적이며, 상기 두개의 모드로는 대략적 주파수 동기 모드와 미세 주파수 동기 모드가 있다.

상기 대략적 주파수 동기는 초기 주파수 오프셋에 대하여 가장 가까운 부반송파 간격의 정수배를 추정하여 보상하는 기능을 수행하며, 상기 미세 주파수 동기는 부반송파 간격 절반 이하의 주파수 오프셋을 추정하여 보상하는 기능을 수행한다. 즉, 상기 대략적 주파수 동기를 통해 부반송파 간격보다 큰 초기 주파수 오프셋을 부반송파 간격의 절반 이하로 줄이고, 상기 부반송파 간격의 절반 이하로 줄어든 주파수 오프셋은 미세 주파수 동기를 통해 보상하도록 하는 것이다.

따라서, 대략적 주파수 동기는 초기 주파수 오프셋에서 가장 근접한 부반송파 간격의 정수배를 추정하여야 하며, 이러한 대략적 주파수 오프셋 추정기의 기본적인 구성을 첨부한 도 1에 도시하였다.

도 1은 종래 기술에 따른 대략적 주파수 오프셋 추정기의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 1과 같은 대략적 주파수 오프셋 추정기는 기본적으로, FFT 출력과 파일럿 패턴(pilot pattern)간의 상관 작업을 통하여 최대 상관값이 출력되는 파일럿 패턴의 이동치를 대략적인 주파수 오프셋으로 판정하도록 동작한다.

이를 위해, 파일럿 패턴 발생기(121)는 2k 모드, 8k 모드에서 각각 45, 175만큼의 파일럿 패턴을 발생하며, 나머지는 영(zero)으로 패딩(padding)한 값을 발생한다. 이러한 파일럿 패턴은 첨부한 도 2에 도시하였다.

도 2는 2k 모드 1705, 그리고 8k 모드 6817 샘플로 정의된 하나의 심볼내에서 연속 파일롯(Continual Pilot)에 해당하는 부반송파의 위치를 나타낸 도면으로, 도 2와 같이 2k 모드의 경우 45개, 8k 모드의 경우에는 175개의 파일롯 패턴이 발생한다.

그러나, 실제적으로는 한 심볼에 해당하는 데이터를 IFFT/FFT 취하기 위하여 심볼의 중간 부분에 0을 삽입한다. 이를 보호구간(Guard Band)이라 한다. 따라서, 도 2에서 연속 파일롯의 위치는 실제 2k 모드와 8k 모드의 경우 각각 2048, 8192의 샘플로 확장 적용된다.

이와 같이 발생된 연속 파일럿 정보와 FFT(107)부에서 출력되는 현재 심볼 및 지연기(117)를 통해 한심볼 지연된 이전 심볼은 교차 상관기(Cross Correlator)(119)에서 상관 연산되어 그 상관값이 출력된다.

상기 상관기(119)의 출력값은 추정기(Estimator)(115)로 입력되어, 한 심볼내의 상관값 중 최대값을 추적하고, 추적된 최대값의 위치를 이용하여 대략적 주파수 오프셋을 추정한다.

이는 발생된 주파수 오프셋이 상기 FFT부(107)를 통과하면서 주파수 평면에 서 주파수의 이동으로 나타나는데 기인한 것으로, 만일 주파수 오프셋이 없다면 한 심볼이 끝나는 위치에서 상관 값은 최대값이 나타나게 된다. 따라서, 최대값의 위치 변화에 따라 대략적 주파수 오프셋을 추정할 수 있게 된다.

도 3은 주파수 오프셋에 대한 상기 상관기의 출력값을 나타낸 도면으로, 도 3과 같이, 상대적 주파수 ε가 0인 경우, 즉 주파수 오프셋이 발생하지 않은 경우에는 한 심볼이 끝나는 위치에서 상관값이 최대가 나타나지만, 주파수 오프셋이 발생하면 최대값의 위치가 변화됨을 알 수 있다. 여기서 상기 상대적 주파수 오프셋이란 실제 주파수 오프셋을 부반송파 간격으로 나눈값을 의미한다.

이와 같은 방법으로 추정된 대략적 주파수 오프셋은 누산기(Accumulator)(113)를 통해 주파수 오프셋을 보상하게 된다.

이러한 종래 기술에 따른 대략적 주파수 오프셋 추정 방법은, 만일 샘플링 클럭(sampling clock) 오프셋이 발생한 경우, 상기 샘플링 클럭 오프셋이 FFT부(107)를 거치면서 위상 변화량으로 나타나게 되어 상기 대략적 주파수 오프셋 추정에 좋지 않은 영향을 주게 된다.

즉, 일반적으로 샘플링 클럭 오프셋이 100ppm인 경우, 2k 모드는 4심볼마다 샘플의 삽입/누락이 발생하며, 8k 모드인 경우에는 1심볼마다 샘플의 삽입/누락이 발생하게 된다.

따라서, 2k 모드는 샘플링 클럭 오프셋에 대해 어느 정도 강건하지만, 8k 모드의 경우에는 샘플링 클럭 오프셋에 취약함을 알 수 있다. 즉, 종래 기술에 따른 대략적 주파수 오프셋 추정 방법은 샘플링 클럭 오프셋이 100ppm인 환경에서 2k 모 드는 올바르게 추정하나, 8k 모드는 추정을 못하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 8k 모드에서 샘플링 클럭 오프셋이 100ppm인 환경에서도 올바른 주파수 오프셋을 추정하는 대략적 주파수 오프셋 추정 장치 및 방법을 제안하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 8k 모드의 OFDM 현재 심볼 및 상기 현재 심볼이 한심볼 구간 지연된 지연 심볼을 2k 모드에 해당하는 데이터 구간으로 4분하여 출력하는 분할 윈도우와, 8k 모드의 파일롯 패턴을 2k 모드에 해당하는 4분된 파일롯 패턴으로 생성하여 출력하는 분할 파일롯 패턴 발생기와, 상기 4분된 현재 심볼 및 지연 심볼과 상기 4분된 분할 파일롯 패턴 각각을 상관 연산하는 상관기와, 상기 상관기의 출력값 중 최대값을 이용하여 주파수 오프셋을 추정하는 추정기를 포함하여 구성되는 디지털 수신기의 주파수 복원 장치를 제공한다.

그리고, 상기 2k 모드에 해당하는 데이터 구간에 최대값의 위치 변동을 추적하기 위한 Pull-in range 구간을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 OFDM 심볼을 푸리에 변환을 통해 주파수 영역으로 변환하는 FFT부를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 분할 윈도우, 분할 파일럿 패턴 발생기 및 상관기는 각각 4개씩 존재하여 심볼을 4분하고, 4분된 파일럿 패턴을 생성하며, 상기 4분된 심볼 및 파일럿 패턴 각각을 상관 연산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 8k 모드의 OFDM 현재 심볼 및 상기 현재 심볼이 한심볼 구간 지연된 지연 심볼을 2k 모드에 해당하는 데이터 구간 및 Pull-in range 구간으로 4분하여 출력하는 단계와, 8k 모드의 파일롯 패턴을 2k 모드에 해당하는 4분된 파일롯 패턴으로 생성하여 출력하는 단계와, 상기 4분된 현재 심볼 및 지연 심볼과 상기 4분된 분할 파일롯 패턴 각각을 상관 연산하는 단계와, 상기 상관 연산된 값 중 최대값을 이용하여 주파수 오프셋을 추정하는 단계를 포함하여 이루어지는 디지털 수신기의 주파수 복원 방법을 제공한다.

따라서, 본 발명에 의하면 8k 모드에서 샘플링 클럿 오프셋이 100ppm인 환경에서도 올바른 대략적 주파수 오프셋 추정이 가능해지는 효과가 있다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 대략적 주파수 오프셋 추정기의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 4와 같이, 디지털 변환된 OFDM 심볼을 입력받아 푸리에 변환을 통해 주파수 영역으로 변환하는 FFT부(401)와, 상기 주파수 변환된 현재의 심볼을 입력받아 하나의 심볼 구간동안 지연시키는 지연기(403)와, 상기 현재의 심볼과 지연기(403)를 통과한 이전 심볼을 입력받아 8k 모드에서 각각 2k 모드에 해당하는 데이터 1705(1704)와 pull-in range에 해당하는 데이터 구간만을 통과시키고 보호 영역(Guard Band)과 나머지 데이터 값들은 0(zero)으로 패딩하는 4개의 분할 윈도우(window)들(405, 407, 409, 411)과, 8k 모드에서 각각 2k 모드에 해당하는 45(44) 만큼의 파일럿 패턴을 발생하며 나머지는 0으로 패딩하는 분할 파일럿 패턴(pilot pattern) 발생기들(413, 415, 417, 419)과, 상기 분할 윈도우들(405, 407, 409, 411) 및 분할 파일럿 패턴 발생기들(413, 415, 417, 419)의 출력값들을 서로 상관시켜 상관값을 출력하는 교차 상관기(Cross Correlator)들(421, 423, 425, 427)과, 상기 각각의 상관기를 통과한 분할 상관값 중 최대값을 이용하여 대략적 주파수 오프셋을 추정하는 추정기(Estimator)(429)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 대략적 주파수 오프셋 추정기의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 디지털 변환된 8k 모드의 OFDM 심볼을 입력받아 FFT부(401)에서 푸리에 변환을 통해 주파수 영역으로 변환하여 출력한다. 이때, 수신된 OFDM 심볼에 주파수 오프셋이 존재한다면 상기 FFT부(401)를 통과하면서 주파수 평면에서 주파수 이동으로 나타나게 된다.

상기 주파수 변환된 현재의 심볼 및 지연기(403)를 통해 한구간 지연된 심볼은 본 발명에 따른 분할 윈도우(405, 407, 409, 411)들을 통해 2k 모드에 해당하는 데이터 1705(1704)와 Pull-in range에 해당하는 데이터 구간만이 통과된다. 이를 첨부한 도 5를 참조하여 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 분할 윈도우를 나타낸 도면이다.

도 5와 같이, 8k 모드에서 보호구간(Guard Band)이 포함되어 확장된 8192 샘플로 정의된 하나의 심볼 구간을 4개의 2k 모드에 해당하는 데이터 구간과 Pull-in range에 해당하는 데이터 구간으로 나눈다. 이때, 상기 Pull-in range란 FFT 변환 된 주파수 오프셋이 주파수의 이동으로 나타나는바, 하나의 심볼 구간에서 상관 최대값의 위치 변화를 추적하기 위해 임의로 설정(보통 -170에서 +170정도)하는 데이터 구간을 의미한다.

즉, 1/4 윈도우(405)를 통해서는 2k 모드에 해당하는 1705 샘플 만큼의 0에서 1704까지의 데이터 구간과, 상기 데이터 구간의 ±방향으로 기설정 구간만큼의 Pull-in range에 해당하는 데이터 구간만이 통과되도록 하며, 나머지 구간은 0으로 패딩된다.

또한, 2/4 윈도우(407)를 통해서는 2k 모드에 해당하는 1704 샘플만큼의 1705에서 3408까지의 데이터 구간과, 상기 데이터 구간의 ±방향으로 기설정 구간만큼의 Pull-in range에 해당하는 데이터 구간만이 통과되도록 하며, 나머지 구간은 0으로 패딩된다.

마찬가지 방법으로, 3/4 윈도우(409)를 통해서는 4784에서 6487까지의 데이터 구간 및 상기 데이터 구간의 ±방향으로 기설정 구간만큼의 데이터 구간만을, 4/4 윈도우(411)를 통해서는 6488에서 8191까지의 데이터 구간 및 상기 데이터 구간의 ±방향으로 기설정 구간만큼의 데이터 구간만이 통과되도록 한다.

한편, 본 발명에 따른 분할 파일롯 패턴 발생기(413, 415, 417, 419)들을 통해서는 8k 모드에서 각각 2k 모드에 해당하는 45(44)개의 파일롯 패턴을 발생한다.

즉, 도 2에 도시한바와 같이, 8k 모드에서 총 177개의 연속 파일롯 중 최초 1/4 파일롯 패턴 발생기(413)에서는 2k 모드에 해당하는 45개의 파일롯 패턴 즉, 0에서 1704까지의 패턴을 발생하며, 나머지는 0으로 패딩한 값을 발생한다.

또한, 다음의 2/4 파일롯 패턴 발생기(415)에서는 2k 모드에 해당하는 44개의 파일롯 패턴 즉, 1752에서 3408까지의 파일롯 패턴을 발생하며, 나머지는 0으로 패딩한 값을 발생한다. 마찬가지 방법으로 3/4 파일롯 패턴 발생기(417)에서는 3456에서 5112까지의 파일롯 패턴을 발생하고, 4/4 파일롯 패턴 발생기(419)에서는 5160에서 6816까지의 파일롯 패턴이 발생하며 각각 해당되지 않은 영역의 패턴은 0으로 패딩된다.

이와 같은 방법으로 분할 파일롯 패턴 발생기(413, 415, 417, 419)에서 발생한 파일롯 패턴과, 상기 분할 윈도우(405, 407, 409, 411)의 출력값은 각각 교차 상관기(421, 423, 425, 427)에서 상관 연산되어 상관값이 출력된다.

즉, 8k 모드의 8192 샘플을 갖는 하나의 OFDM 심볼을 4분하여 각각 2k 모드씩의 크기에 각각 Pull-in range 크기를 더한 크기를 갖는 심볼과 그 심볼이 한심볼 구간 지연된 심볼 및 8k 모드에서 각각 2k 모드에 해당하는 패턴을 갖는 파일롯이 4개의 교차 상관기(421, 423, 425, 427)에서 각각 상관 연산되어 출력되는 것이다.

상기 4개의 교차 상관기(421, 423, 425, 427)를 통해 각각 상관 연산되어 출력되는 상관값은 추정기(429)로 입력된다.

상기 추정기(429)에서는 4개의 분할 상관 최대값 중 가장 큰 하나의 최대값을 이용하여 주파수 오프셋을 추정한다. 이는 분할 상관 최대값 중 최대값을 이용하여 주파수 오프셋을 추정하는 것이 가장 신뢰도가 높기 때문이다.

이와 같이 본 발명에 따른 대략적 주파수 오프셋 추정 방법은 8k 모드에서 상관 구간을 2k 모드로 분할하여 추정하기 때문에 각각의 위상 변화량이 감소하게 되어, 샘플링 클럭 오프셋에 의한 영향을 줄일 수 있다. 따라서, 샘플링 클럭 오프셋이 100ppm인 환경에서도 올바른 주파수 오프셋을 추정하게 되는 것이다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가지 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 주파수 오프셋 추정 장치 및 방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 8k 모드에서 샘플링 클럿 오프셋이 100ppm인 환경에서도 올바른 대략적 주파수 오프셋 추정이 가능해지는 효과가 있다.

Claims

8k 모드의 OFDM 심볼 및 상기 OFDM 심볼을 한 심볼 구간 지연시킨 지연 심볼 각각을 2k 모드에 해당하는 데이터 구간으로 4분하여 출력하는 분할 윈도우,

8k 모드의 파일롯 패턴을 2k 모드에 해당하는 4분된 파일롯 패턴으로 생성하여 출력하는 분할 파일롯 패턴 발생기,

상기 4분된 OFDM 심볼 및 지연 심볼을 각각 상기 4분된 분할 파일롯 패턴과 상관 연산하는 상관기, 및

상기 상관기의 출력값 중 최대값을 이용하여 주파수 오프셋을 추정하는 추정기를 포함하는, 디지털 수신기의 주파수 복원 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 분할 윈도우는, 상기 2k 모드에 해당하는 데이터 구간에 상기 상관기의 출력값 중 최대값의 위치 변동을 추적하는 Pull-in range 구간을 더 포함하여 출력하는, 디지털 수신기의 주파수 복원 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 8k 모드의 OFDM 심볼은 보호구간을 포함하여 8192 개의 샘플로 정의되는 것을 특징으로 하는, 디지털 수신기의 주파수 복원 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 OFDM 심볼을 푸리에 변환을 통해 주파수 영역으로 변환하는 FFT부를 더 포함하는, 디지털 수신기의 주파수 복원 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 분할 윈도우, 분할 파일럿 패턴 발생기 및 상관기는 각각 4개씩 존재하여 심볼을 4분하고, 4분된 파일럿 패턴을 생성하며, 상기 4분된 심볼 및 파일럿 패턴 각각을 상관 연산하는 것을 특징으로 하는, 디지털 수신기의 주파수 복원 장치.
8k 모드의 OFDM 심볼 및 상기 OFDM 심볼을 한 심볼 구간 지연시킨 지연 심볼 각각을 2k 모드에 해당하는 데이터 구간 및 Pull-in range 구간으로 4분하여 출력하는 단계;

8k 모드의 파일롯 패턴을 2k 모드에 해당하는 4분된 파일롯 패턴으로 생성하여 출력하는 단계;

상기 4분된 OFDM 심볼 및 지연 심볼을 각각 상기 4분된 분할 파일롯 패턴과 상관 연산하는 단계; 및

상기 상관 연산된 값 중 최대값을 이용하여 주파수 오프셋을 추정하는 단계를 포함하는, 디지털 수신기의 주파수 복원 방법.