KR101244247B1 - 프레임-반송파 결합 동기 장치 및 동기 방법 - Google Patents

Abstract

하나의 최장 길이 수열발생기를 이용하여 2N 길이의 결합 동기 프리엠블(preamble)을 생성하여 전송하는 송신부; 상기 송신부에서 출력하는 결합 동기 프리엠블을 수신하여 이중 상관기를 통한 심벌(symbol) 동기와 주파수 편이 추정기를 이용하여 반송파를 동시에 추정하는 수신부를 포함하여 이루어지는 프레임-반송파 결합 동기 장치 및 이를 이용한 결합 동기 방법.

Description

프레임-반송파 결합 동기 장치 및 동기 방법 {Apparatus for frame and carrier joint synchronization and method thereof}

본 발명은 프레임-반송파 결합 동기 장치 및 동기 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나의 프리엠블을 공통으로 이용하여 반송파 동기 및 심벌(symbol)타이밍 동기를 동시에 추정할 수 있는 동기 장치 및 동기 방법에 관한 것이다.

디지털 무선 통신 시스템에서 심벌(symbol) 타이밍 동기 및 반송파 동기기술은 시스템성능을 좌우하는 결정적 기능이다. 종래 기술에 따른 심벌(symbol) 타이밍 동기 및 반송파 동기 기술은 도 1의 신호처리 개통도에 도시된 바와 같이 이루어진다.

심벌(symbol) 타이밍 추정을 위한 기능블록과 반송파 복원을 위한 기능블록이 분리되어 순차적으로 관련 파라메터를 추정한다. 이때, 심벌(symbol) 타이밍 및 반송파 동기를 위하여 도 1과 같이 송신측에서 심벌(symbol)타이밍을 위한 프리엠블과 반송파 동기를 위한 프리엠블로 각각 독립적으로 구성되는 버스트 데이터의 프리엠블을 이용하여 관련 파라메터를 추정한다.

프레임 동기를 이용한 심벌(symbol) 타이밍 추정을 위한 기술로는 도 2를 참조하면 저잡음환경 및 반송파 편이에 강인한 이중 상관기가 선호되며, 반송파 편이 추정은 N길이 프리엠블 심벌(symbol)을 2번 반복하여 구성하는 프리엠블을 이용하여 빠른 추정 및 행업(hang-up) 현상을 발생시키지 않는 특성을 갖는 도 3의 MLE 기반 피드-포워드(Feedforward) 방식이 선호된다.

도 4에서 보는 바와 같이 버스트 데이터 포맷은 동기 획득을 위한 프리엠블과 실질적 데이터 부분으로 구성되어 있다. 제한된 버스트 데이터 내의 프리엠블 크기 결정은 동기 성능과 전송효율과의 트레이드-오프(trade-off) 문제이다. 즉, 프리엠블크기가 커지면 동기 성능은 향상될 수 있지만 실효 데이터 크기가 줄어들게 되므로 전송효율은 떨어지게 되고, 반대의 경우, 동기 성능은 떨어지지만 전송효율은 높아지게 된다. 이것은 동기를 위한 프리엠블 자체가 통신 자원(전력 및 주파수 스펙트럼)을 소모하기 때문이다.

본 발명은 잡음이 많은 환경에서 통신 품질을 유지할 수 있는 프레임-반송파 결합 동기 장치 및 결합 동기 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 신뢰성있는 동기 특성을 충족시킬 수 있는 프레임-반송파 결합 동기 장치 및 결합 동기 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 안정적 수신 복조 성능을 확보할 수 있는 프레임-반송파 결합 동기 장치 및 결합 동기 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 프레임-반송파 결합 동기 장치는 하나의 프리엠블을 공통으로 이용하여 반송파 동기 및 심벌(symbol) 타이밍 동기를 동시에 추정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 프레임-반송파 결합 동기 장치의 다른 특징은 하나의 최장 길이 수열발생기를 이용하여 2N 길이의 결합 동기 프리엠블(preamble)을 생성하여 전송하는 송신부; 상기 송신부에서 출력하는 결합 동기 프리엠블를 수신하여 이중 상관기를 통한 심벌(symbol)동기와 주파수 편이 추정기를 이용하여 반송파를 동시에 추정하는 수신부를 포함하여 이루어지는 점이다.

본 발명에 따른 프레임-반송파 결합 동기 장치의 또 다른 특징은 상기 주파수 편이 추정기가 상기 이중 상관기의 일부를 이용하는 위상 정렬기를 포함하는 점이다.

본 발명에 따른 프레임-반송파 결합 동기 장치의 또 다른 특징은 상기 이중 상관기 구조의 일부에서 계산된 출력값이 신호 성상도(Constellation)에서 2, 3 사분면에 위치할 때, 상기 위상 정렬기가 위상을 180도°회전시키는 점이다.

본 발명에 따른 프레임-반송파 결합 동기 장치의 또 다른 특징은 상기 주파수 편이 추정기가 MLE(Maximum Likelyhood Estimation)를 기반으로 하여 반송파를 추정하는 점이다.

본 발명에 따른 프레임-반송파 결합 동기 장치의 또 다른 특징은 상기 송신부가, 수신신호 처리시 하나의 이진반극신호(antipodal signal)인 프리엠블 L(=2N)을 공통으로 사용하도록 하나의 최장 길이 수열 발생기(N)를 이용하여 전반부 프리엠블(N)을 구성하고, 천이 연산자(Shift Operator)를 상기 전반부 프리엠블에 적용하여, 이어지는 N 길이의 후반부 프리엠블을 생성하여 총 L(=2N) 길이의 결합 동기 프리엠블을 만드는 점이다.

본 발명에 따른 프레임-반송파 결합 동기 방법은 하나의 최장 길이 수열발생기를 이용하여 2N 길이의 결합 동기 프리엠블(preamble)을 생성하는 과정; 상기 결합 동기 프리엠블을 이용하여 이중 상관기를 통한 심벌(symbol)동기와 주파수 편이 추정기를 이용하여 반송파를 동시에 추정하는 과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 프레임-반송파 결합 동기 장치 및 결합 동기 방법은 다음과 같은 효과를 나타낼 수 있다.

첫째, 동기 성능의 저하없이 프리엠블의 길이를 줄일 수 있다.

둘째, 전송 효율을 증대시킬 수 있다.

셋째, 잡음이 많은 환경에서 통신 품질을 유지할 수 있다.

도 1은 일반적인 디지털 통신 수신 동기를 위한 기저대역 신호처리 개통도이다.
도 2는 일반적인 프레임 동기를 위한 이중 상관기 구조 개통도이다.
도 3은 일반적인 반송파 동기를 위한 Feedforward 방식의 MLE 구조 개통도이다.
도 4는 일반적인 버스트 통신 시스템에서 버스트 데이터 포맷이다.
도 5는 일반적인 동기용 프리엠블 발생기 및 프레임 구조이다.
도 6은 본 발명에 의한 프레임-반송파 결합 동기를 위한 기저대역 신호처리 개통도이다.
도 7은 본 발명에 따른 프레임-반송파 결합 동기 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 의한 동기용 프리엠블 발생기 및 프레임 구조이다.
도 9는 본 발명에 의한 도 2와 등가인 이중 상관기 구조 개통도 내부 구성도이다.
도 10은 본 발명에 의한 반송파 동기를 위한 Feedforward 방식의 MLE 구조 개통도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 프레임-반송파 결합 동기 장치 및 결합 동기 방법을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 프레임-반송파 결합 동기 장치는 크게 하나의 최장 길이 수열발생기를 이용하여 2N 길이의 결합 동기 프리엠블(preamble)을 생성하여 전송하는 송신부(100)와, 상기 송신부(100)에서 출력하는 결합 동기 프리엠블를 수신하여 이중 상관기를 통한 심벌(symbol)동기와 주파수 편이 추정기를 이용하여 반송파를 동시에 추정하는 수신부(200)를 포함하여 이루어지며, 그 구성은 도 6의 신호처리 개통도를 통해 알 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 프레임-반송파 결합 동기 방법을 나타낸 흐름도이다. 그 동작 과정은 하나의 최장 길이 수열발생기를 이용하여 2N 길이의 결합 동기 프리엠블(preamble)을 생성하는 과정(S100)과, 상기 결합 동기 프리엠블을 이용하여 이중 상관기를 통한 심벌(symbol)동기와 주파수 편이 추정기를 이용하여 반송파를 동시에 추정하는 과정(S200)을 포함하여 이루어진다.

도 1의 종래 기술과 달리 심벌(symbol) 타이밍 추정과 반송파 주파수 편위가 동시에 추정되는 방식으로 설계된 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 프레임-반송파 결합 동기 장치에 따른 송신부는 하나의 이진반극신호(antipodal signal)인 프리엠블을 공통으로 이용하도록 구성된다. 종래 기술에서의 도 4와 같이 N길이 프리엠블 심벌(symbol)을 2번 반복하여 구성하는 방식과 달리, 도 8에서 보는 바와 같이 하나의 최장 길이 수열 발생기를 이용하여 L(=2N) 길이의 결합 프리엠블, S = {s_k|0≤k<L}를 다음과 같이 생성한다.

먼저, 도 8의 예에서 보는 바와 같이 n 단의 쉬프트 레지스트를 이용한 최장길이 수열 발생기를 이용하여 N(N=2ⁿ-1)길이의 전반부 프리엠블, S' = {S'_k|0≤k<N-1}을 생성한다.

아래의 Tⁱ(0<i<N) 천이 연산자(Shift Operator)를 전반부 프리엠블 S'에 적용하여 이어지는 N 길이의 후반부 프리엠블 S"={S"_k|N≤k<L}을 생성한다.

TⁱS'= S" = {S'mod-N(i), S'mod-N(i+1), S'mod-N(i+2) …, S'mod-N(i+N)}

따라서, L(=2N) 길이의 결합 동기 프리엠블, S={S',S"}={S_k|0≤k<L}을 만든다.

이러한 최장 길이 수열발생기 기반 송신 결합 동기 프리엠블의 특징은 심벌(symbol) 타이밍 추정을 위하여 사용되는 이중 상관기의 상관특성이 최장길이 수열의 천이 합(Shift and Add) 특성(S-TⁱS=T^jS, 0<j<N)에 의해 최적의 상관특성을 보장할 수 있어 동기성능을 극대화할 수 있는 효과를 가진다.

수신된 기저대역 신호 모델은 다음과 같다.

여기서

는 위상천이 변조 심벌(symbol)이며, T는 심벌(symbol)주기, W₀=2πf₀, f₀ 그리고 φ₀는 각각 주파수 편이 및 위상 편이를 나타내며, G_n은 가산성 백색잡음을 나타낸다.

먼저, 프레임 동기(심벌(symbol) 타이밍) 추정은 표본시간 μ번째부터 동기 프레임 비교 시작을 가정하면, 프레임의 시작점(심벌(symbol)타이밍(μ~)) 추정은 다음 식에 의해 구현되는 도 2의 이중 상관기의 출력값 T가 사전 설정된 임계치 값을 넘으면 심벌(symbol)동기 획득으로 판단한다.

이때, 이중 상관기 식은 다음 식과 같이 표현될 수 있으며, 이는 도 9와 같이 차등 부호화(Differentially encoed)된 수신 신호와 차등 부호화된 동기 심벌(symbol) {s_k|0≤k<L} 과의 상관기와 등가이다.

한편, 주파수 옵셋(offset) 추정과정에서 빠른 동기를 위한 피드포워드(feedforward) 기반의 data-aided MLE 기반 주파수 편이 추정은 도 10에서와 같이 나타난다. 여기서 arg(·)는 아래 식의 위상을 나타낸다.

위 식에서 보듯이 추정하고자 하는 주파수 편이는 상관거리 N을 가지는 자기 상관 함수의 위상성분이다. 기존의 MLE 기반 주파수 편이 추정은 N 길이 프리엠블 심벌(symbol)을 2번 반복하여 구성되는 프리엠블을 동기 심벌(symbol)로 이용하므로 주파수 편차에 해당하는 자기 상관함수의 위상성분을 구할 수 있지만, 본 발명에서 제안된 프리엠블은 프레임동기의 최적성능을 위하여 2N 길이의 최장길이 수열을 동기 프리엠블로 사용했으므로, 최장길이 수열 특성상 상기 식에 의한 주파수 추정 값은 거의 동일한 수로 이루어진 180도 위상 차가 있는 표본 값들의 합이 계산되어 상쇄되므로 추정된 값의 정확도는 극히 떨어지게 된다.

이를 극복하기 위해 도 6의 본 발명에서 아래 식에 의해 구현된 위상 정렬기를 이용하여 상기 문제점을 해결하였다.

즉, 신호 성상도(Constellation)에서 2, 3 사분면에 위치한 샘플 값들을 180도 위상 회전을 시켜주므로 결과적으로 기존의 N 길이 프리엠블 심벌을 2번 반복하여 구성되는 프리엠블과 유사한 효과를 가지게 하였다. 위상 정렬기 적용에 의한 주파수 편이 추정 범위가 아래와 같다.

Claims (9)

1. 하나의 최장 길이 수열발생기를 이용하여 2N 길이의 결합 동기 프리엠블(preamble)을 생성하여 전송하는 송신부;
   상기 송신부에서 출력하는 결합 동기 프리엠블을 수신하여 이중 상관기를 통한 심벌(symbol) 동기와 주파수 편이 추정기를 이용하여 반송파를 동시에 추정하는 수신부를 포함하되,
   상기 송신부는, 수신신호 처리시 하나의 이진반극신호(antipodal signal)인 프리엠블 L(=2N)을 공통으로 사용하도록 하나의 최장 길이 수열 발생기(N)를 이용하여 전반부 프리엠블(N)을 구성하고, 또한, 천이 연산자(Shifter Operator)를 상기 전반부 프리엠블에 적용하여, 이어지는 N 길이의 후반부 프리엠블을 생성하여 총 L(=2N) 길이의 결합 동기 프리엠블을 생성하고,
   상기 주파수 편이 추정기는, 상기 이중 상관기의 일부를 이용하는 위상 정렬기를 포함하며,
   상기 위상 정렬기는, 상기 이중 상관기 구조의 일부에서 계산된 출력값이 신호 성상도(Constellation)에서 2, 3 사분면에 위치할 때, 위상을 180도 회전시키는 것을 특징으로 하는 프레임-반송파 결합 동기 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 주파수 편이 추정기는 MLE(Maximum Likelyhood Estimation)를 기반으로 하여 반송파를 추정하는 것을 특징으로 하는 프레임-반송파 결합 동기 장치.
5. 삭제
6. 송신부가 하나의 최장 길이 수열발생기를 이용하여 2N 길이의 결합 동기 프리엠블(preamble)을 생성하는 제 1 과정;
   수신부가 상기 결합 동기 프리엠블을 이용하여 이중 상관기를 통한 심벌(symbol)동기와 주파수 편이 추정기를 이용하여 반송파를 동시에 추정하는 제 2 과정;을 포함하되,
   상기 제 1 과정에서, 상기 송신부는, 수신신호 처리시 하나의 이진반극신호(antipodal signal)인 프리엠블 L(=2N)을 공통으로 사용하도록 하나의 최장 길이 수열 발생기(N)를 이용하여 전반부 프리엠블(N)을 구성하고, 또한, 천이 연산자(Shifter Operator)를 상기 전반부 프리엠블에 적용하여, 이어지는 N 길이의 후반부 프리엠블을 생성하여 총 L(=2N) 길이의 결합 동기 프리엠블을 생성하고,
   상기 제 2 과정에서, 상기 주파수 편이 추정기는, 상기 이중 상관기의 일부를 이용하는 위상 정렬기를 포함하되, 상기 위상 정렬기는, 상기 이중 상관기 구조의 일부에서 계산된 출력값이 신호 성상도(Constellation)에서 2, 3 사분면에 위치할 때, 위상을 180도 회전시키는 것을 특징으로 하는 프레임-반송파 결합 동기 방법.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제6항에 있어서,
   상기 주파수 편이 추정기는 MLE(Maximum Likelyhood Estimation)를 기반으로 하여 반송파를 추정하는 것을 특징으로 하는 프레임-반송파 결합 동기 방법.

Images