KR101339424B1 - 샘플링 주파수 오프셋 추정 방법, 샘플링 주파수 오프셋추정 장치 및 그 장치를 구비하는 샘플링 타이밍 복원 루프 - Google Patents

샘플링 주파수 오프셋 추정 방법, 샘플링 주파수 오프셋추정 장치 및 그 장치를 구비하는 샘플링 타이밍 복원 루프 Download PDF

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치는 파형 특성 추출부, 변화량 계산부 및 SFO(Sampling Frequency Offset) 추정기를 구비한다. 상기 파형 특성 추출부는 샘플 데이터 신호의 1 프레임 구간 중에서 트레이닝 시퀀스(training sequence) 구간의 파형 특성을 추출하여 상기 트레이닝 시퀀스 구간의 파형 특성에 상응하는 파형 특성값을 출력한다. 상기 변화량 계산부는 제 m 프레임에서의 파형 특성값 및 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값에 기초하여, 제 m 프레임에서의 파형 특성이 제 m-k 프레임에서의 파형 특성에 비해서 얼마만큼 변화했는가를 나타내는 파형 특성 변화량을 계산한다. 상기 SFO 추정기는 상기 파형 특성 변화량에 기초하여 상기 샘플 데이터 신호의 샘플링 주파수 오프셋을 추정한다.
Figure R1020070071279
샘플링 타이밍 에러, 샘플링 주파수 오프셋, 파형 특성, 변화량

Description

샘플링 주파수 오프셋 추정 방법, 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치 및 그 장치를 구비하는 샘플링 타이밍 복원 루프{method and apparatus of estimating sampling frequency offset, and sampling timing recovery loop having the apparatus}
본 발명은 샘플링 주파수 오프셋 추정 방법, 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치 및 그 장치를 구비하는 샘플링 타이밍 복원 루프에 관한 것으로서, 특히 프레임들(frames)간의 파형 특성 변화량(waveform characteristic variation quantity)에 기초하여 샘플링 주파수 오프셋을 추정하는 기술에 관한 것이다.
아날로그 데이터 신호를 디지털 데이터 신호로 변환하기 위해서는 샘플링(sampling) 동작이 필요하다. 예컨대, 방송 통신 시스템의 수신기에서는 유무선 채널을 통하여 수신되는 아날로그 데이터 신호를 샘플링하여 디지털 데이터 신호를 얻는다. 샘플링 타이밍(sampling timing)은, 즉, 어느 시점에서 아날로그 데이터 신호를 샘플링하는가는 디지털 데이터 신호의 정확성에 많은 영향을 미친다.
도 1은 아날로그 데이터 신호를 샘플링하여 디지털 데이터 신호를 얻는 과정을 보여준다.
예컨대, 방송 통신 시스템의 수신기로 수신되는 아날로그 데이터 신호(S_in)는 아날로그 프로세서(110)를 거쳐 샘플러(120)로 입력된다. 샘플러(120)는 발진기(130)로부터 입력되는 샘플링 클럭(CK)에 기초해서 아날로그 데이터 신호를 이산 데이터 신호로 변환한다. 디지털 프로세서(140)는 샘플러(120)로부터 입력되는 이산 데이터 신호를 처리하여 디지털 데이터 신호(D_out)를 출력한다.
발진기(130)는 고정된 주파수를 가지는 샘플링 클럭(CK)을 생성할 것을 요구받지만, 발진기(130) 자체의 특성이나 주변 환경에 의해서 샘플링 클럭(CK)의 주파수는 미소하게 변할 수 있다. 실제의 샘플링 클럭(CK)의 주파수와 정해진 샘플링 클럭(CK)의 주파수의 차이를 샘플링 주파수 오프셋(sampling frequency offset)이라고 한다. 정해진 주파수가 아닌 주파수를 가지는 샘플링 클럭(CK)이 샘플러(120)로 입력되면 샘플링 타이밍 에러(sampling timing error)가 발생한다. 샘플링 타이밍 에러는 정확한 샘플링 타이밍과 실제의 샘플링 타이밍의 차이를 의미한다. 즉, 샘플링 타이밍 에러가 발생한다는 것은 잘못된 시점에서 아날로그 데이터 신호를 샘플링한다는 것을 의미한다.
한편, 실제의 샘플링 클럭(CK)의 주파수가 정해진 샘플링 클럭(CK)의 주파수와 일치하더라도(즉, 샘플링 주파수 오프셋이 zero이더라도), 실제의 샘플링 타이밍들이 전체적으로 앞으로 또는 뒤로 쉬프트(shift)된 경우에는 역시 샘플링 타이밍 에러가 발생한다. 실제의 샘플링 타이밍들이 정확한 샘플링 타이밍들로부터 쉬프트된 정도를 샘플링 페이즈 오프셋(sampling phase offset)이라고 한다. 샘플링 페이즈 오프셋에 의한 샘플링 타이밍 에러는 방송 통신 시스템의 수신기에 구비되 는 채널 등화기(channel equalizer)에 의해서 정정될 수 있다.
샘플링 타이밍 에러가 발생하는 경우에 샘플링 결과를 그대로 출력한다면 디지털 데이터 신호(D_in)의 정확성은 매우 떨어진다. 그래서, 샘플링 결과로부터 샘플링 타이밍 에러를 검출하고, 검출된 샘플링 타이밍 에러로부터 샘플링 페이즈 오프셋이나 샘플링 주파수 오프셋을 추정하며, 추정 결과에 기초하여 원래의 샘플링 결과를 정정해서 출력하는 샘플링 타이밍 복원 동작이 필요하다. 샘플링 타이밍 에러를 정확하게 검출하는 것과 샘플링 페이즈 오프셋이나 샘플링 주파수 오프셋을 정확하게 추정하는 것은 샘플링 타이밍 복원의 성능을 결정한다. 샘플링 타이밍 복원을 위해서 ELG(Early-Late Gate) 알고리즘, Mueller & Muller 알고리즘, Gardner 알고리즘 등이 제안되었다.
본 발명은 프레임들(frames)간의 파형 특성 변화량(waveform characteristic variation quantity)에 기초하여 샘플링 주파수 오프셋을 추정하는 샘플링 주파수 오프셋 추정 방법 및 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치를 구비하는 샘플링 타이밍 복원 루프(sampling timing recovery loop)를 제공하고자 한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치는 파형 특성 추출부, 변화량 계산부 및 SFO(Sampling Frequency Offset) 추정기를 구비한다. 상기 파형 특성 추출부는 샘플 데이터 신호의 1 프레임 구간 중에서 트레이닝 시퀀스(training sequence) 구간의 파형 특성을 추출하여 상기 트레이닝 시퀀스 구간의 파형 특성에 상응하는 파형 특성값을 출력한다. 상기 변화량 계산부는 제 m 프레임에서의 파형 특성값 및 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값에 기초하여, 제 m 프레임에서의 파형 특성이 제 m-k 프레임에서의 파형 특성에 비해서 얼마만큼 변화했는가를 나타내는 파형 특성 변화량을 계산한다. 상기 SFO 추정기는 상기 파형 특성 변화량에 기초하여 상기 샘플 데이터 신호의 샘플링 주파수 오프셋을 추정한다.
상기 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치는 상기 트레이닝 시퀀스 구간의 파형을 증폭해서 상기 파형 특성 추출부로 출력하는 파형 증폭기를 더 구비할 수 있다. 상기 파형 증폭기는, 상기 트레이닝 시퀀스에 포함된 PN(Pseudo-Noise) 시퀀스와 자체적으로 생성한 로컬 PN 시퀀스(local PN sequence)를 상관(correlation)시켜 출력하는 PN 상관기를 구비할 수 있다.
상기 트레이닝 시퀀스는 PN(Pseudo-Noise) 시퀀스를 포함할 수 있다. 상기 파형 특성값은 상기 트레이닝 시퀀스 구간의 파형에 존재하는 피크(peak)의 파형 특성을 나타내는 특성값이다.
상기 파형 특성 추출부는, 상기 트레이닝 시퀀스 구간의 파형에 존재하는 피크(peak)를 검출하고 검출된 피크의 파형 특성을 나타내는 파형 특성 벡터를 출력하는 피크 검출기 및 상기 파형 특성 벡터로부터 상기 파형 특성값을 추출하는 특성값 추출기를 구비할 수 있다.
상기 변화량 계산부는, 상기 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값을 k 프레임만큼 지연시켜 출력하는 지연기 및 상기 파형 특성 추출부로부터 출력되는 상기 제 m 프레임에서의 파형 특성값과 상기 지연기로부터 출력되는 상기 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값의 차이를 계산하여 상기 파형 특성 변화량을 출력하는 감산기를 구비할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 샘플링 타이밍 복원 루프는 보간기, 파형 특성 추출부, 변화량 계산부, SFO 추정기, 루프 필터 및 제어기를 구비한다. 상기 보간기는 이산 데이터 신호를 보간하여 샘플 데이터 신호를 출력한다. 상기 파형 특성 추출부는 상기 샘플 데이터 신호의 1 프레임 구간 중에서 트레이닝 시퀀스 구간의 파형 특성에 상응하는 파형 특성값을 출력한다. 상기 변화량 계산부는 제 m 프레임에서의 파형 특성값과 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값에 기초하여 파형 특 성 변화량을 계산한다. 상기 SFO 추정기는 상기 파형 특성 변화량에 기초하여 상기 샘플 데이터 신호의 샘플링 주파수 오프셋(SFO: Sampling Frequency Offset)을 추정한다. 상기 루프 필터는 상기 SFO 추정기로부터 출력되는 상기 샘플링 주파수 오프셋을 루프 필터링(loop filtering)하여 오프셋 정보 신호를 출력한다. 상기 제어기는 상기 샘플 데이터 신호의 샘플링 타이밍 에러를 정정하기 위하여, 상기 오프셋 정보 신호에 상응하는 오프셋 조정 신호를 상기 보간기로 출력한다.
상기 보간기는, 상기 오프셋 조정 신호에 응답하여 상기 보간기의 파라메터들(parameters)을 조정하여 샘플링 타이밍 에러가 정정된 샘플 데이터 신호를 출력한다.
상기 샘플링 타이밍 복원 장치는 상기 트레이닝 시퀀스 구간의 파형에 존재하는 피크(peak)를 증폭해서 상기 파형 특성 추출부로 출력하는 파형 증폭기를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 샘플링 주파수 오프셋 추정 방법은, 샘플 데이터 신호의 1 프레임 구간 중에서 트레이닝 시퀀스 구간의 파형에 존재하는 피크(peak)를 검출하는 단계; 검출된 피크의 파형 특성에 상응하는 파형 특성값을 추출하는 단계; 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값을 k 프레임만큼 지연시켜 출력하는 단계; 제 m 프레임에서의 파형 특성값 및 상기 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값에 기초하여 파형 특성 변화량을 계산하는 단계; 및 상기 파형 특성 변화량에 기초하여 상기 샘플 데이터 신호의 샘플링 주파수 오프셋(Sampling Frequency Offset)을 추정하는 단계;를 구비한다.
상기 샘플링 주파수 오프셋 추정 방법은 상기 트레이닝 시퀀스에 포함된 PN(Pseudo-Noise) 시퀀스와 자체적으로 생성한 로컬 PN 시퀀스(local PN sequence)를 상관시켜 상기 트레이닝 시퀀스 구간의 파형에 존재하는 피크(peak)를 증폭하는 단계;를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 샘플링 주파수 오프셋 추정 방법 또는 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치에 의하면 더 넓은 범위의 샘플링 주파수 오프셋을 정확하게 추정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 샘플링 타이밍 복원 루프에 의하면 더 넓은 범위의 샘플링 주파수 오프셋이 발생하더라도 샘플링 타이밍 복원 동작을 안정적으로 실행시킬 수 있다.
먼저 도 2를 참조하여 샘플링 타이밍 복원 동작에 대하여 개략적으로 살펴 본다.
도 2는 샘플링 타이밍 복원 루프를 나타내는 도면이다.
도 2에는 샘플러(220), 발진기(230), 데이터 필터(250), 보간기(260), 검출기 및 추정기(270), 루프 필터(280) 및 제어기(290)가 도시되어 있다. 도 2에서 보간기(260), 검출기 및 추정기(270), 루프 필터(280) 및 제어기(290)는 샘플링 타이밍 복원 루프를 구성한다.
샘플러(220)는 발진기(230)로부터 입력되는 샘플링 클럭(CK)에 기초하여 아 날로그 데이터 신호를 이산 데이터 신호로 변환한다. 샘플러(120)로부터 출력되는 이산 데이터 신호는 데이터 필터(250)를 거쳐 보간기(260)로 입력된다. 보간기(260)는 이산 데이터 신호를 보간(interpolation)하여 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)를 출력한다. 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)는 다음 단계의 데이터 처리 과정(미도시)을 거치게 되고, 최종적으로 디지털 데이터 신호가 얻어진다.
샘플러(220)의 샘플링 동작에서 샘플링 주파수 오프셋에 의한 샘플링 타이밍 에러가 발생하는 경우에 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)를 그대로 출력한다면 최종적으로 얻어지는 디지털 데이터 신호의 정확성은 매우 떨어질 것이다. 샘플링 타이밍 복원 루프는 샘플링 타이밍 에러가 발생하는 경우에 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)가 정정될 수 있도록 동작한다. 즉, 검출기 및 추정기(270)는 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)로부터 샘플링 타이밍 에러를 검출하고, 검출된 샘플링 타이밍 에러로부터 샘플링 주파수 오프셋을 추정한다. 추정 결과가 루프 필터(280) 및 제어기(290)를 거쳐 보간기(260)로 피드백(feedback)되면, 보간기(260)는 보간기(260)의 파라메터들(parameters)을 조정하여 샘플링 데이터 신호(DATA_smpl)를 정정한다.
그런데, 검출기 및 추정기(270)의 샘플링 주파수 오프셋 추정 범위는 여러 가지 원인에 의해서 제한된다. 추정 가능한 샘플링 주파수 오프셋의 범위를 벗어나는 샘플링 주파수 오프셋이 발생한다면, 발생한 샘플링 주파수 오프셋을 제대로 추정할 수 없으므로 신뢰할 만한 샘플링 타이밍 복원을 기대하기 어렵다. 이러한 측면에서 보면, 추정 가능한 샘플링 주파수 오프셋의 범위가 넓을수록 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치의 성능이 좋다고 할 수 있다. 그래서, 가급적이면 더 넓은 범위의 샘플링 주파수 오프셋까지도 추정할 수 있는 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치가 요구된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 샘플링 타이밍 복원 루프(sampling timing recovery loop)를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 샘플링 타이밍 복원 루프는 보간기(360), 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치(370), 루프 필터(380) 및 제어기(390)를 구비한다. 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치(370)는 파형 특성 추출부(372), 변화량 계산부(375) 및 SFO(Sampling Frequency Offset) 추정기(378)를 구비한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치(370)는 파형 증폭기(371)를 더 구비할 수 있다.
보간기(360)는 이산 데이터 신호를 보간(interpolation)하여 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)를 출력한다. 이산 데이터 신호는 아날로그 데이터 신호를 샘플링 클럭에 기초하여 샘플링한 신호이다. 샘플링 동작에서 샘플링 주파수 오프셋에 의한 샘플링 타이밍 에러가 발생하는 경우에 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)를 정정해서 출력할 것이 요구된다.
파형 증폭기(371)는 보간기(360)로부터 출력되는 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)를 입력받는다. 파형 증폭기(371)는 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)의 1 프레임 구간 중에서 트레이닝 시퀀스(training sequence) 구간의 파형을 증폭해서 파형 특성 추출부(372)로 출력한다. 도 4를 참조하여 트레이닝 시퀀스(training sequence) 구간의 파형을 설명한다.
도 4는 도 3에서의 파형 증폭기(371)가 출력하는 신호의 파형을 예시하는 도면이다.
도 4에서 보듯이, 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)의 1 프레임 구간(Tf)에는 트레이닝 시퀀스 구간(T_PN)과 데이터 심볼 구간(T_DS)이 포함된다. TDS-OFDM(Time Domain Synchronous - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템과 같은 OFDM 시스템에서는 데이터 심볼 간의 간섭(ISI: Inter-Symbol Interference)을 방지하기 위하여 인접하는 데이터 심볼들 사이에 트레이닝 시퀀스(training sequence)가 삽입된다. 트레이닝 시퀀스는 PN(Pseudo-Noise) 시퀀스를 포함하며, OFDM 시스템에서의 수신기는 수신되는 PN(Pseudo-Noise) 시퀀스에 기초하여 동기화(synchronization)를 수행할 수 있다.
도 3에서의 파형 증폭기(371)는 트레이닝 시퀀스 구간(T_PN)의 파형에 존재하는 피크(peak. 이하, "PN 피크"라 함)를 증폭해서 출력한다. 도 4는 트레이닝 시퀀스 구간(T_PN)의 파형에 3 개의 PN 피크가 존재하는 경우를 예시하고 있다. 본 발명에서는 프레임들 간에 PN 피크의 파형 특성이 얼마만큼 변화했는가에 기초하여 샘플링 주파수 오프셋을 추정하기 때문에, 먼저 PN 피크를 증폭해서 PN 피크의 SNR(Signal-to-Noise Ratio)을 높이면 그만큼 샘플링 주파수 오프셋 추정의 정확성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 파형 증폭기(371)는 PN 피크의 SNR이 소정의 기준값보다 작은 경우에는 PN 피크를 증폭해서 파형 특성 추출부(372)로 출력한다. 그러나, PN 피크의 SNR이 소정의 기준값보다 큰 경우에는 굳이 PN 피크를 증폭할 필요가 없다. 따라서, PN 피크의 SNR이 소정의 기준값보다 큰 경우에 파형 증폭기(371)는 PN 피크를 그대로 파형 특성 추출부(372)로 출력한다. 이와 같은 PN 피크의 증폭을 위해서 파형 증폭기(371)는 PN 상관기(PN correlator)를 구비할 수 있다. PN 상관기(PN correlator)는 수신되는 트레이닝 시퀀스에 포함된 PN(Pseudo-Noise) 시퀀스와 자체적으로 생성한 로컬 PN 시퀀스(local PN sequence)를 상관(correlation)시켜 출력함으로써 PN 피크를 증폭할 수 있다.
도 3에서의 파형 특성 추출부(372)는 트레이닝 시퀀스 구간(T_PN)의 파형 특성(예컨대, PN 피크의 파형 특성)에 상응하는 파형 특성값(Cm)을 출력한다. 도 3에 도시된 파형 특성 추출부(372)는 피크 검출기(373)와 특성값 추출기(374)를 구비한다.
피크 검출기(373)는 트레이닝 시퀀스 구간(T_PN)의 파형에 존재하는 PN 피크를 검출하고, 검출된 PN 피크의 파형 특성을 나타내는 파형 특성 벡터(Pm)를 출력한다. 한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 트레이닝 시퀀스 구간(T_PN)의 파형에 2 이상의 PN 피크들이 존재하는 경우에, 피크 검출기(373)는 2 이상의 PN 피크들 중에서 크기(amplitude)가 가장 큰 PN 피크의 파형 특성을 나타내는 파형 특성 벡터(Pm)를 출력할 수 있다. PN 피크의 크기가 클수록 PN 피크의 SNR이 높다고 볼 수 있으므로, 샘플링 주파수 오프셋 추정의 정확성을 위해서 SNR이 높은 PN 피크로부 터 파형 특성 벡터(Pm)를 추출한다. 다만, 이 기술 분야의 당업자는, 제 1 프레임의 트레이닝 시퀀스 구간(T_PN)의 파형에서 3 번째 PN 피크를 취했다면 제 2 프레임의 트레이닝 시퀀스 구간(T_PN)의 파형에서도 그 크기에 관계없이 3 번째 PN 피크를 취해야 한다는 점을 알 것이다.
특성값 추출기(374)는 피크 검출기(373)로부터 입력되는 파형 특성 벡터(Pm)로부터 파형 특성값(Cm)을 추출한다. 파형 특성값(Cm)은 트레이닝 시퀀스 구간(T_PN)의 파형에 존재하는 PN 피크의 파형 특성을 나타내는 특성값이다. 즉, 파형 특성값(Cm)은 PN 피크의 크기(amplitude)에 관한 정보, PN 피크의 위치(position)에 관한 정보 또는 PN 피크의 왜곡 정도에 관한 정보 등을 나타내는 특성값이라고 볼 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 특성값 추출기(374)가 수행하는 기능은 수학식 1과 같이 표현된다.
Cm = fwc(Pm)
수학식 1에서는 함수 fwc가 구체적으로 표시되지 않았지만, 파형 특성 벡터(Pm)와 파형 특성값(Cm)의 수학적 관계를 나타낼 수 있는 다양한 함수들이 함수 fwc로 채택될 수 있을 것이다.
도 3에서의 변화량 계산부(375)는, 제 m 프레임에서의 파형 특성값(Cm) 및 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값(Cm-k)에 기초하여, 제 m 프레임에서의 파형 특성이 제 m-k 프레임에서의 파형 특성에 비해서 얼마만큼 변화했는가를 나타내는 파형 특성 변화량(waveform characteristic variation quantity.ΔCm)을 계산한다. 도 3에 도시된 변화량 계산부(375)는 지연기(376)와 감산기(377)를 구비한다.
지연기(376)는 파형 특성 추출부(372)로부터 출력되는 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값(Cm-k)을 k 프레임만큼 지연시켜 감산기(377)로 출력한다. 감산기(377)는 파형 특성 추출부(372)로부터 출력되는 제 m 프레임에서의 파형 특성값(Cm)과 지연기(376)로부터 출력되는 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값(Cm-k)의 차이를 계산하여 파형 특성 변화량(ΔCm)을 출력한다. 파형 특성 변화량(ΔCm)은 다음의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
ΔCm = Cm - Cm-k
지연기(376)로 입력되는 파형 특성값을 얼마의 프레임만큼 지연시킬 것인가는 샘플링 주파수 오프셋 추정의 정확성과 샘플링 주파수 오프셋 추정의 복잡성(예컨대, 계산의 복잡성 및 하드웨어 구현의 복잡성)을 함께 고려하여 결정된다. 프레임 지연수 k가 클수록 샘플링 주파수 오프셋 추정의 정확성은 높아질 것이지만 샘플링 주파수 오프셋 추정의 복잡성도 증가될 것이다. 본 발명의 어느 한 실시예에 있어서, 프레임 지연수 k를 1 또는 2로 설정할 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예가 이러한 경우만으로 한정되는 것은 아니다. 프레임 지연수 k가 1로 설정된 경우에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 m-1 프레임에서의 파형 특성값(Cm-1)과 제 m 프레임에서의 파형 특성값(Cm)의 차이로부터 파형 특성 변화량(ΔCm)이 계산된다.
도 3에서의 SFO 추정기(378)는 파형 특성 변화량(ΔCm)에 기초하여 샘플 데 이터 신호(DATA_smpl)의 샘플링 주파수 오프셋(SFO: Sampling Frequency Offset)을 추정한다. 먼저, SFO 추정기(378)는 파형 특성 변화량(ΔCm)으로부터 샘플링 타이밍 에러(sampling timing error)의 변화량(Δε)을 계산한다. 샘플링 타이밍 에러의 변화량(Δε)은 제 m-k 프레임과 제 m 프레임 간에 샘플링 타이밍 에러가 얼마만큼 변화했는가를 나타낸다. 샘플링 타이밍 에러의 변화량(Δε)은 다음의 수학식 3과 같이 계산될 수 있다. 수학식 3에서 Kd는 샘플링 타이밍 복원 루프의 루프 이득(loop gain)을 나타낸다. 루프 이득 Kd는 도 5에서 더 자세히 설명된다.
Figure 112007051699405-pat00001
다음으로, SFO 추정기는 샘플링 타이밍 에러의 변화량(Δε)으로부터 샘플링 주파수 오프셋(δ)을 추정한다. SFO 추정기(378)는, 다음의 수학식 4와 같이, 샘플링 타이밍 에러의 변화량(Δε)을 프레임 지연수 k로 평균하거나 파형 특성 변화량(ΔCm)을 프레임 지연수 k로 평균하여 샘플링 주파수 오프셋(δ)을 계산할 수 있다. 제 m-k 프레임과 제 m 프레임의 간격이 증가할수록(즉, 프레임 지연수 k가 증가할수록) 샘플링 타이밍 에러의 변화량(Δε)이 증가한다는 점을 고려해서, 샘플링 타이밍 에러의 변화량(Δε)이나 파형 특성 변화량(ΔCm)을 프레임 지연수 k로 평균하여 샘플링 주파수 오프셋(δ)을 계산한다.
Figure 112007051699405-pat00002
수학식 4에서 Nf는 1 프레임 구간에 포함되는 샘플수를 나타낸다. Nf는 수학식 5와 같이 계산된다.
Figure 112007051699405-pat00003
수학식 5에서, Tf는 1 프레임 구간의 길이[즉, 프레임 주기(frame period)]를 나타내고, Ts는 샘플링 주기(sampling period)를 나타낸다. 4 fold-up sampling의 경우에 Nf는 4 배로 증가한다.
도 5는 샘플링 타이밍 에러의 설정값(TE_setting)과 샘플링 타이밍 에러의 검출값(TE_detected)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5에는 멀티-캐리어 모드(multi-carrier mode)로 동작하는 중국의 DTTB(Digital Terrestrial Television Broadcasting) 시스템에 대한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다. 구체적인 시뮬레이션 조건은 표 1과 같다.
System platform Chinese standard of DTTB
Operation mode Multi-carrier mode
Frame structure frame head: 420
frame body: 3780
Sampling 4 fold-up sampling
Nf 16800 = 4 * ( 420 + 3780 )
number of frame delay k = 1
도 5에 도시된 시뮬레이션 결과는 샘플링 타이밍 에러의 검출에 관한 시뮬레이션 결과이다. 즉, 샘플러의 샘플링 동작에서 발생하는 샘플링 타이밍 에러를 의도적으로 TE_setting으로 설정할 때, TE_detected는 오픈 루프 조건(open loop condition)에서 동작하는 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치(370)에서 검출되는 샘플링 타이밍 에러를 나타낸다. 여기서, 오픈 루프 조건은 샘플링 타이밍 복원 루프(360, 370, 380, 390)에서 루프 필터(380)와 제어기(390)가 동작하지 않는 조건을 말한다. 즉, 도 3에서 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치(370)가 추정한 샘플링 주파수 오프셋(δ)이 보간기(360)로 피드백되지 않는 조건을 말한다.
도 5에서 보듯이, AWGN(Additive White Gaussian Noise) 채널에 대한 시뮬레이션 그래프는 원점을 기준으로 거의 대칭적이다. 대칭의 경우에는 zero-crossing 포인트가 원점과 일치한다. 그러나, DVB-T(Digital Video Broadcasting - Terrestrial) F1 채널에 대한 시뮬레이션 그래프는 원점을 기준으로 비대칭적이다. 비대칭의 경우에는 zero-crossing 포인트가 원점으로부터 벗어난다.
한편, TE_setting = 0인 포인트에서 시뮬레이션 그래프의 기울기는 수학식 3에서의 루프 이득 Kd를 나타낸다. 도 5에서, AWGN 채널의 경우에 TE_setting = 0인 포인트에서 시뮬레이션 그래프의 기울기는 대략 1.2이다. DVB-T F1 채널의 경우에도 TE_setting = 0인 포인트에서 시뮬레이션 그래프의 기울기는 대략 1.2이다. 이와 같이, 실험적으로 수학식 3에서의 루프 이득 Kd를 구할 수 있다.
도 3에서 루프 필터(380)는 SFO 추정기(378)로부터 출력되는 샘플링 주파수 오프셋(δ)을 루프 필터링(loop filtering)하여 오프셋 정보 신호(S_δ)를 출력한다. 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)의 샘플링 타이밍 에러를 정정하기 위하여, 제어기(390)는 오프셋 정보 신호(S_δ)에 상응하는 오프셋 조정 신호(Ctrl)를 보간기(360)로 출력한다. 보간기(360)는, 오프셋 조정 신호(Ctrl)에 응답하여 보간기(360)의 파라메터들(parameters)을 조정함으로써, 샘플링 타이밍 에러가 정정된 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)를 출력한다.
이상과 같이 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치(370), 루프 필터(380), 제어기(390) 및 보간기(360)에 의해서 샘플링 타이밍 복원 동작을 실행시키면, 샘플링 타이밍 에러가 정정된 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)를 출력할 수 있다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치를 적용한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 6에 도시된 샘플링 주파수 오프셋의 추정에 관한 시뮬레이션 결과는, 샘플러의 샘플링 동작에서 발생하는 샘플링 주파수 오프셋을 의도적으로 100ppm(parts per million)으로 설정한 경우에 대한 시뮬레이션 결과이다. 도 6에서, 가로축은 심볼의 인덱스(index of symbol)를 나타내고, 세로축은 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치(예컨대, 도 3에서의 370)에서 출력되는 샘플링 주파수 오프셋의 추정값(SFO_estimated)을 나타낸다. 도 6에 도시된 샘플링 주파수 오프셋의 추정값(SFO_estimated)은 폐루프 조건(closed loop condition)에서 동작하는 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치(370)가 출력하는 추정값이다. 폐루프 조건에서는 샘플링 타이밍 복원 루프(360, 370, 380, 390)가 온전히 동작하므로, 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치(370)가 추정한 샘플링 주파수 오프셋(δ)이 루프 필터(380)와 제어기(390)를 거쳐 보간기(360)로 피드백된다. 도 6에는 SNR이 0dB인 AWGN 채널에 대한 시뮬레이션 결과와 SNR이 5dB인 DVB-T F1 채널에 대한 시뮬레이션 결과가 함께 도시되어 있다.
도 6에서 보듯이, AWGN 채널에 대한 시뮬레이션 결과와 DVB-T F1 채널에 대한 시뮬레이션 결과가 거의 일치한다. 도 6에 도시된 시뮬레이션 결과에서, 샘플링 주파수 오프셋의 추정값(SFO_estimated)은 대략적으로 20 심볼(symbol)이 경과한 후에 100ppm에 도달한다. 0 번째 심볼부터 20 번째 심볼까지의 구간을 Tracking 구간이라고 한다면, 20 번째 심볼 이후의 구간은 Lock 상태 구간이라고 할 수 있다. Tracking 구간에서는 피드백 루프가 반복되면서 샘플링 주파수 오프셋 추정의 오차가 점차 줄어들고, Lock 상태 구간에서는 샘플링 주파수 오프셋의 추정값(SFO_estimated)이 거의 고정된다.
종래 기술에 따른 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치가 추정할 수 있는 샘플링 주파수 오프셋의 범위가 대략적으로 30ppm 이하인 반면, 본 발명에 따른 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치는 100ppm 이상의 샘플링 주파수 오프셋까지도 추정할 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치는, PN 피크의 파형 특성 자체로부터 샘플링 주파수 오프셋을 추정하지 않고, 프레임들 간에 PN 피크의 파형 특성이 얼마만큼 변화했는가에 기초하여 샘플링 주파수 오프셋을 추정한다. 샘플링 주파수 오프셋의 추정 범위가 상대적으로 더 넓다는 점에서, 그만큼 본 발명에 따른 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치의 성능이 좋다고 할 수 있다.
한편, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치는 TDS-OFDM(Time Domain Synchronous - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템에 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치가 TDS-OFDM 시스템에만 적용될 수 있는 것은 아니며, 본 발명에 따른 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치는 그 외에도 다양한 방송 통신 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명은 다음과 같이 샘플링 주파수 오프셋 추정 방법으로 구현될 수도 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 샘플링 주파수 오프셋 추정 방법은 다음과 같은 동작들에 의해서 구현된다.
먼저, 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)의 1 프레임 구간 중에서 트레이닝 시퀀스 구간(T_PN)의 파형에 존재하는 피크(peak)를 검출한다. 피크(peak)의 검출에 앞서, 트레이닝 시퀀스에 포함된 PN(Pseudo-Noise) 시퀀스와 자체적으로 생성한 로컬 PN 시퀀스(local PN sequence)를 상관시켜 트레이닝 시퀀스 구간(T_PN)의 파형에 존재하는 피크(peak)를 증폭시킬 수 있다. 다음으로, 검출된 피크(peak)의 파형 특성에 상응하는 파형 특성값(Cm)을 추출한다.
제 m-k 프레임에서의 파형 특성값(Cm-k)을 k 프레임만큼 지연시켜 출력한다. 그리고, 제 m 프레임에서의 파형 특성값(Cm)과 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값(Cm-k)에 기초하여 파형 특성 변화량(ΔCm)을 계산한다. 계산된 파형 특성 변화량(ΔCm)에 기초하여 샘플 데이터 신호(DATA_smpl)의 샘플링 주파수 오프셋(Sampling Frequency Offset)을 추정한다.
이상에서는 도면에 도시된 구체적인 실시예를 참고하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자는 그로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 점을 알 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등 및 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 보호 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 이해하기 위하여 각 도면에 대한 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 아날로그 데이터 신호를 샘플링하여 디지털 데이터 신호를 얻는 과정을 보여준다.
도 2는 샘플링 타이밍 복원 루프를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 샘플링 타이밍 복원 루프(sampling timing recovery loop)를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에서의 파형 증폭기(371)가 출력하는 신호의 파형을 예시하는 도면이다.
도 5는 샘플링 타이밍 에러의 설정값(TE_setting)과 샘플링 타이밍 에러의 검출값(TE_detected)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치를 적용한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
< 도면의 참조 번호에 대한 설명 >
110: 아날로그 프로세서 120, 220: 샘플러
130, 230: 발진기 140: 디지털 프로세서
250: 데이터 필터 260, 360: 보간기
270: 검출기 및 추정기 370: 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치
371: 파형 증폭기 372: 파형 특성 추출부
373: 피크 검출기 374: 특성값 추출기
375: 변화량 계산부 376: 지연기
377: 감산기 378: SFO 추정기
280, 380: 루프 필터 290, 390: 제어기

Claims (25)

  1. 샘플 데이터 신호의 1 프레임 구간 중에서 트레이닝 시퀀스(training sequence) 구간의 파형 특성을 추출하여 상기 트레이닝 시퀀스 구간의 파형 특성에 상응하는 파형 특성값을 출력하는 파형 특성 추출부;
    제 m 프레임에서의 파형 특성값 및 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값에 기초하여, 제 m 프레임에서의 파형 특성이 제 m-k 프레임에서의 파형 특성에 비해서 얼마만큼 변화했는가를 나타내는 파형 특성 변화량을 계산하는 변화량 계산부; 및
    상기 파형 특성 변화량에 기초하여 상기 샘플 데이터 신호의 샘플링 주파수 오프셋(SFO: Sampling Frequency Offset)을 추정하는 SFO 추정기;
    를 구비하는 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트레이닝 시퀀스는 PN(Pseudo-Noise) 시퀀스를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 파형 특성값은,
    상기 트레이닝 시퀀스 구간의 파형에 존재하는 피크(peak)의 파형 특성을 나타내는 특성값인 것을 특징으로 하는 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 트레이닝 시퀀스 구간의 파형을 증폭해서 상기 파형 특성 추출부로 출력하는 파형 증폭기;
    를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 파형 특성 추출부는,
    상기 트레이닝 시퀀스 구간의 파형에 존재하는 피크(peak)를 검출하고, 검출된 피크의 파형 특성을 나타내는 파형 특성 벡터를 출력하는 피크 검출기; 및
    상기 파형 특성 벡터로부터 상기 파형 특성값을 추출하는 특성값 추출기;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 변화량 계산부는,
    상기 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값을 k 프레임만큼 지연시켜 출력하는 지연기; 및
    상기 파형 특성 추출부로부터 출력되는 상기 제 m 프레임에서의 파형 특성값과 상기 지연기로부터 출력되는 상기 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값의 차이를 계산하여 상기 파형 특성 변화량을 출력하는 감산기;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 SFO 추정기는,
    상기 파형 특성 변화량을 상기 k로 평균하여 상기 샘플링 주파수 오프셋을 계산하는 것을 특징으로 하는 샘플링 주파수 오프셋 추정 장치.
  15. 이산 데이터 신호를 보간하여 샘플 데이터 신호를 출력하는 보간기;
    상기 샘플 데이터 신호의 1 프레임 구간 중에서 트레이닝 시퀀스 구간의 파형 특성에 상응하는 파형 특성값을 출력하는 파형 특성 추출부;
    제 m 프레임에서의 파형 특성값과 제 m-k 프레임에서의 파형 특성값에 기초하여 파형 특성 변화량을 계산하는 변화량 계산부;
    상기 파형 특성 변화량에 기초하여 상기 샘플 데이터 신호의 샘플링 주파수 오프셋(SFO: Sampling Frequency Offset)을 추정하는 SFO 추정기;
    상기 SFO 추정기로부터 출력되는 상기 샘플링 주파수 오프셋을 루프 필터링(loop filtering)하여 오프셋 정보 신호를 출력하는 루프 필터; 및
    상기 샘플 데이터 신호의 샘플링 타이밍 에러를 정정하기 위하여, 상기 오프 셋 정보 신호에 상응하는 오프셋 조정 신호를 상기 보간기로 출력하는 제어기;
    를 구비하는 샘플링 타이밍 복원 루프.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 보간기는,
    상기 오프셋 조정 신호에 응답하여 상기 보간기의 파라메터들(parameters)을 조정하여 샘플링 타이밍 에러가 정정된 샘플 데이터 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 샘플링 타이밍 복원 루프.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 이산 데이터 신호는,
    아날로그 데이터 신호를 샘플링 클럭에 기초하여 샘플링한 신호인 것을 특징으로 하는 샘플링 타이밍 복원 루프.
  18. 삭제
  19. 삭제
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