KR101340153B1 - Apparatus and method for frequency offset estimation of spread spectrum - Google Patents
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Abstract
본 발명은 주파수 옵셋 추장 장치 및 방법에 관한 것으로, 반복적인 구조로 이루어진 확산 부호 기반 신호를 생성하는 신호 생성부, 확산 부호 기반 신호를 수신하고, 확산 부호 기반 신호에 주파수 옵셋을 생성 및 추가하고, 주파수 옵셋 추가 신호를 생성 후, 복소수로 변환하는 주파수 옵셋 생성부, 복소수로 변환된 주파수 옵셋 추가 신호에서 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정부 및 대역 확산 신호에서의 실제 주파수 옵셋과 주파수 옵셋 추정부에서 추정된 추정된 주파수 옵셋의 차이의 제곱수들의 평균값을 산출하여 주파수 옵셋 추정기의 성능을 평가하는 평가부를 포함한다.
나아가, 본 발명에 따른 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 장치는 신호 대 잡음비를 비교하고, 신호 대 잡음비에 따라, 대역 확산 신호의 길이를 변화시켜 주파수 옵셋의 추정 범위와 평가부의 성능을 개선시키는 주파수 옵셋 추정 성능 분석부를 더 포함한다.
아울러, 본 발명에 따른 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법은 신호 생성부에서 반복적인 구조로 이루어진 확산 부호 기반 신호를 생성하는 S1단계, 주파수 옵셋 생성부에서 확산 부호 기반 신호를 수신하고, 확산 부호 기반 신호에 주파수 옵셋을 생성 및 추가하고, 주파수 옵셋 추가 신호를 생성 후, 복소수로 변환시키는 S2단계, 주파수 옵셋 추정부에서 복소수로 변환된 주파수 옵셋 추가 신호에 더해진 주파수 옵셋을 추정하는 S3단계 및 평가부에서 대역 확산 신호의 실제 주파수 옵셋과 S3단계에서 추정된 주파수 옵셋과의 차이에 대한 제곱수의 평균값을 산출하여, 추정기의 성능을 평가하는 S4단계를 포함한다.
나아가, 본 발명에 따른 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법은 주파수 옵셋 추정 성능 분석부에서 신호 대 잡음비를 비교하고, 신호 대 잡음비에 따라, 대역 확산 신호의 길이를 변화시켜 주파수 옵셋의 추정 범위와 평가부의 성능을 개선시키는 S5단계를 더 포함한다.The present invention relates to a frequency offset recommendation apparatus and method, comprising: a signal generator for generating a spread code based signal having a repetitive structure, receiving a spread code based signal, generating and adding a frequency offset to the spread code based signal, After generating the frequency offset addition signal, the frequency offset generator for converting into a complex number, the frequency offset estimator for estimating the frequency offset from the complex frequency-added additional signal, the actual frequency offset and frequency offset estimator in the spread spectrum signal And an evaluation unit for evaluating the performance of the frequency offset estimator by calculating an average value of squares of the difference between the estimated estimated frequency offsets.
Furthermore, the apparatus for estimating the frequency offset of the spread spectrum signal according to the present invention compares the signal-to-noise ratio and changes the length of the spread-spectrum signal according to the signal-to-noise ratio to improve the estimation range of the frequency offset and the performance of the evaluation unit. It further includes an estimation performance analysis unit.
In addition, the frequency offset estimation method of a spread spectrum signal according to the present invention in step S1 of generating a spread code based signal having a repetitive structure in the signal generator, the spread code based signal received in the frequency offset generator, and spread code based Step S2 of generating and adding a frequency offset to the signal, generating a frequency offset addition signal, and converting the signal to a complex number, and step S3 of estimating the frequency offset added to the frequency offset addition signal converted into a complex number from the frequency offset estimator and the evaluation unit. In step S4 to calculate the average value of the square of the difference between the actual frequency offset of the spread signal and the frequency offset estimated in step S3, and comprises a step S4 for evaluating the performance of the estimator.
Furthermore, in the frequency offset estimation method of a spread spectrum signal according to the present invention, the frequency offset estimation performance analyzer compares the signal-to-noise ratio and changes the length of the spread-spectrum signal according to the signal-to-noise ratio to estimate and estimate the range of frequency offset. It further includes a step S5 to improve negative performance.
Description
본 발명은 주파수 옵셋 추장 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 주파수 옵셋(Frequency Offset) 추정 기법을 적용하여, 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 시 신뢰성을 높이는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for frequency offset recommendation, and more particularly, reliability in frequency offset estimation of a spread spectrum signal by applying orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) frequency offset estimation technique. The present invention relates to an apparatus and method for estimating a frequency offset of a spread spectrum signal.
데이터를 전송하기 위해 필요한 이론적 대역폭보다 넓은 대역폭을 사용하여 데이터를 전송하는 방법을 대역 확산(Spread Spectrum: SS)이라 한다. 대역 확산 기술은 재밍(Jamming) 및 다중경로(Multipath) 간섭에 대해 강한 특성 때문에 부호 분할 다중 접속, 무선 랜, 위성 항법 시스템과 같은 다양한 통신 시스템에 사용되고 있다. 대역 확산 시스템에서는 데이터의 복조를 위해 우선적으로 수신 신호와 수신기에서 생성된 신호 간의 동기화(Synchronization)가 이루어져야 한다. Spread Spectrum (SS) is a method of transmitting data using a bandwidth wider than the theoretical bandwidth required for transmitting data. Spread-spread technology is used in a variety of communication systems such as code division multiple access, wireless LAN, and satellite navigation systems because of its strong nature against jamming and multipath interference. In a spread spectrum system, synchronization between a received signal and a signal generated by a receiver should be performed first for demodulation of data.
대역 확산 신호의 동기화를 위해 시간 동기화, 위상(Phase) 추정, 주파수 옵셋 추정이 이루어져야 한다. 현재, 동기화를 위한 과정 중 시간 동기화 및 위상 추정에 관한 기술은 다양하게 소개되고 있는 반면에 주파수 옵셋 추정에 관한 기술은 상대적으로 미흡한 실정이다.Time synchronization, phase estimation, and frequency offset estimation should be performed to synchronize the spread spectrum signal. Currently, techniques for time synchronization and phase estimation have been introduced in various ways for synchronization, while techniques for frequency offset estimation are relatively inadequate.
일반적으로 주파수 옵셋은 부반송파의 크기로 정규화하여 표현되며, 크기에 따라 각각 정부 부분, 소수 부분으로 나누어진다. 정수 부분은 부반송파 색인 간 이동을 초래하며, 소수 부분은 부반송파 간 직교성을 파괴한다. 따라서, 주파수 옵셋이 정확하게 추정되지 않으면 시스템의 전체적인 성능이 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 방법이 개발되어 소개되었다.In general, the frequency offset is expressed by normalizing the size of the subcarrier, and divided into the government part and the decimal part according to the size. The integer part causes the shift between subcarrier indices and the fractional part destroys orthogonality between subcarriers. Thus, if the frequency offset is not estimated accurately, the overall performance of the system is degraded. To solve this problem, various methods have been developed and introduced.
한국공개특허 제10-2003-0040876호의 ‘다중 반송파 수신 시스템의 주파수 옵셋 추정장치 및 그의 주파수 옵셋 추정방법’에 관한 종래기술은 부반송파신호의 손실을 최소화하기 위해 주파수영역에 삽입된 보호대역을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하는 다중 반송파 수신 시스템의 주파수 옵셋 추정장치 및 그의 주파수 옵셋 추정방법이 개시된다.The prior art related to the frequency offset estimation apparatus and its frequency offset estimation method of the multi-carrier reception system of Korean Patent Publication No. 10-2003-0040876 using a guard band inserted in the frequency domain to minimize the loss of the subcarrier signal Disclosed are a frequency offset estimating apparatus and a frequency offset estimating method of a multicarrier reception system for estimating frequency offset.
종래기술에 있어서, 주파수 옵셋 추정장치는 주파수영역의 다중 부반송파 신호의 적어도 한 부분 이상에 삽입된 보호대역의 신호에 대해서 전력을 산출하는 적어도 하나 이상의 전력산출부, 및 적어도 하나 이상의 전력산출부에서 산출된 전력을 이용하여 주파수 옵셋을 결정하는 가산부를 포함한다. 따라서, 주파수 영역의 다중 부반송파 신호의 양쪽 단부에 마련된 보호대역을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하여, 별도의 수신 시스템을 간단하게 구현할 수 있다. 그러나, 이와 같은 종래기술은 주파수 옵셋 추정 시 전력 소모가 크고 신뢰성이 떨어진다는 단점이 있다. 또한, 주파수 옵셋 추정 시 신호 손실이 크기 때문에 효율이 떨어진다.In the prior art, the frequency offset estimating apparatus is calculated by at least one power calculation unit for calculating power for a signal of the guard band inserted in at least one portion of the multiple subcarrier signal in the frequency domain, and at least one power calculation unit And an adder configured to determine a frequency offset using the provided power. Accordingly, by using the guard bands provided at both ends of the multiple subcarrier signals in the frequency domain, the frequency offset can be estimated to easily implement a separate reception system. However, such a prior art has disadvantages such as high power consumption and low reliability when frequency offset estimation. In addition, the efficiency is low because the signal loss is large when estimating the frequency offset.
본 발명은 위에서 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 대역 확신 신호의 주파수 옵셋 추정 시, 간단한 연산으로 신뢰성 높은 주파수 옵셋 추정이 가능하고, 전력 소모 및 신호의 손실을 최소화할 수 있는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 장치 및 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and when estimating the frequency offset of a certain signal, the frequency offset of the spread spectrum signal can be estimated with a simple operation, and the power consumption and signal loss can be minimized. It is an object of the present invention to provide an offset estimation apparatus and method.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 장치는 반복적인 구조로 이루어진 확산 부호 기반 신호를 생성하는 신호 생성부, 확산 부호 기반 신호를 수신하고, 확산 부호 기반 신호에 주파수 옵셋을 생성 및 추가하고, 주파수 옵셋 추가 신호를 생성 후, 복소수로 변환하는 주파수 옵셋 생성부, 복소수로 변환된 주파수 옵셋 추가 신호에서 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정부 및 대역 확산 신호에서의 실제 주파수 옵셋과 주파수 옵셋 추정부에서 추정된 추정된 주파수 옵셋의 차이의 제곱수들의 평균값을 산출하여 주파수 옵셋 추정기의 성능을 평가하는 평가부를 포함한다.In order to achieve the above object, the apparatus for estimating a frequency offset of a spread spectrum signal according to the present invention includes a signal generator for generating a spread code based signal having a repetitive structure, a spread code based signal, and a frequency to the spread code based signal. A frequency offset generator for generating and adding an offset, generating a frequency offset addition signal, and converting it into a complex number, a frequency offset estimator for estimating a frequency offset from the complex number-added frequency offset addition signal, and an actual frequency in the spread spectrum signal And an evaluation unit for evaluating the performance of the frequency offset estimator by calculating an average value of squares of the difference between the estimated frequency offsets estimated by the offset and the frequency offset estimator.
아울러, 본 발명에 따른 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법은 신호 생성부에서 반복적인 구조로 이루어진 확산 부호 기반 신호를 생성하는 S1단계, 주파수 옵셋 생성부에서 확산 부호 기반 신호를 수신하고, 확산 부호 기반 신호에 주파수 옵셋을 생성 및 추가하고, 주파수 옵셋 추가 신호를 생성 후, 복소수로 변환시키는 S2단계, 주파수 옵셋 추정부에서 복소수로 변환된 주파수 옵셋 추가 신호에 더해진 주파수 옵셋을 추정하는 S3단계 및 평가부에서 대역 확산 신호의 실제 주파수 옵셋과 S3단계에서 추정된 주파수 옵셋과의 차이에 대한 제곱수의 평균값을 산출하여, 추정기의 성능을 평가하는 S4단계를 포함한다.In addition, the frequency offset estimation method of a spread spectrum signal according to the present invention in step S1 of generating a spread code based signal having a repetitive structure in the signal generator, the spread code based signal received in the frequency offset generator, and spread code based Step S2 of generating and adding a frequency offset to the signal, generating a frequency offset addition signal, and converting the signal to a complex number, and step S3 of estimating the frequency offset added to the frequency offset addition signal converted into a complex number from the frequency offset estimator and the evaluation unit. In step S4 to calculate the average value of the square of the difference between the actual frequency offset of the spread signal and the frequency offset estimated in step S3, and comprises a step S4 for evaluating the performance of the estimator.
위에서 상술한 바와 같이 본 발명은 대역 확산 신호의 주파수 추정 시 확산 부호 기반 신호를 생성하고, 확산 부호 기반 신호에 주파수 옵셋을 첨가 후, 주파수 옵셋을 추정하여 평균제곱오차를 산출함으로써, 간단한 연산으로 신뢰성 높은 주파수 옵셋 추정이 가능하다. 또한, 주파수 옵셋 추정 시 전력 소모 및 신호의 손실이 적다.As described above, the present invention generates a spreading code based signal for frequency estimation of a spread spectrum signal, adds a frequency offset to the spreading code based signal, estimates the frequency offset, and calculates an average square error, thereby making it reliable by simple calculation. High frequency offset estimation is possible. In addition, power consumption and signal loss are low when estimating frequency offset.
도 1은 본 발명에 따른 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 옵셋 생성부를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 옵셋 추정부를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 옵셋에 따른 MSE 그래프이다.1 is a diagram illustrating an apparatus for estimating a frequency offset of a spread spectrum signal according to the present invention.
2 is a diagram illustrating a frequency offset generator according to an embodiment of the present invention.
3 illustrates a frequency offset estimator according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a frequency offset estimation method of a spread spectrum signal according to an embodiment of the present invention.
5 is an MSE graph according to a frequency offset according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 장치 및 방법을 설명하겠다.Hereinafter, an apparatus and method for estimating a frequency offset of a spread spectrum signal according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 장치를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 장치(100)는 반복적인 구조로 이루어진 확산 부호 기반 신호를 생성하는 신호 생성부(101), 확산 부호 기반 신호를 수신하고, 확산 부호 기반 신호에 주파수 옵셋을 생성 및 추가하며, 주파수 옵셋 추가 신호를 생성 후, 복소수로 변환하는 주파수 옵셋 생성부(104), 복소수로 변환된 주파수 옵셋 추가 신호에서 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정부(105) 및 대역 확산 신호에서의 실제 주파수 옵셋과 상기 주파수 옵셋 추정부에서 추정된 주파수 옵셋의 차이의 제곱수에 대한 평균값들을 산출하고, 기준값과 상기 평균값들의 편차 폭에 따라 주파수 옵셋 추정부의 주파수 옵셋 추정 성능을 평가하는 평가부(106)을 포함한다.1 is a diagram illustrating an apparatus for estimating a frequency offset of a spread spectrum signal according to the present invention. As shown, the
나아가, 본 발명은 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio: SNR)를 비교하고, SNR에 따라 대역 확산 신호의 길이를 변화시켜 주파수 옵셋의 추정 범위와 평가부(106)의 성능을 개선시키는 주파수 옵셋 추정 성능 분석부(107)를 더 포함할 수 있다. Furthermore, the present invention compares the signal-to-noise ratio (SNR) and changes the length of the spread spectrum signal according to the SNR to improve the estimation range of the frequency offset and the performance of the
일 실시 예에 따른, 본 발명에서 주파수 옵셋 추가 신호의 생성 및 주파수 옵셋 오차 검출은 부가 백색 가우시간 잡음(Additive White Gaussian Noise: AWGN) 채널(103) 및 다중경로 Rician 분포 채널(102)이 존재할 때 이루어지는 것을 특징으로 한다. According to an embodiment of the present invention, the generation of the frequency offset addition signal and the detection of the frequency offset error may be performed when the Additive White Gaussian Noise (AWGN)
여기서, Rician 분포 채널(102)은 다중경로통신환경을 모델링한 채널 중 하나로서, 다중경로신호 중 한 경로의 신호(Line of Sight)가 다른 경로의 신호들에 비해 강한 채널이다. AWGN은 잡음이 정규분포형태로 존재하며, 주파수 옵셋 추가 신호에 더해져 신호감도를 떨어뜨린다. 본 발명에 따른 다중경로 Rician 분포 채널(102) 및 AWGN 채널(103)은 실제 통신환경 상태를 의미한다. 만약, Rician 분포 채널(102) 및 AWGN 채널(103)이 존재하지 않는다면, 송수신단의 송수신 신호가 모두 동일할 것이며, 주파수 옵셋 추정 범위 내에서 주파수 옵셋 추정부의 주파수 옵셋 추정이 정확하게 이루어질 것이다. 하지만, 실제 통신환경에서는 불가능함으로 배제할 수 있다.Here, the Rician
신호 생성부(101)는 대역 확산 신호의 동기화를 위한 과장 중 시간 동기화 및 위상 추정이 모두 이루어졌다는 가정하에 주파수 옵셋 추정을 위해 확산 부호 기반 신호를 생성한다. 확산 부호 기반 신호는 주파수 옵셋 생성부(104)로 출력된다. 주파수 옵셋 생성부(104)는 도 2를 참조하여 설명할 수 있다.The
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 옵셋 생성부를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 주파수 옵셋 생성부(104)는 신호 생성부(101)에서 생성된 확산 부호 기반 신호를 수신하여 실수부와 허수부로 나누고, 실수부와 허수부에 파라미터로 설정한 주파수 옵셋 값을 첨가한다. 주파수 옵셋 값이 첨가된 주파수 옵셋 추가 신호는 복소수로 변환되어 출력된다. 2 is a diagram illustrating a frequency offset generator according to an embodiment of the present invention. As shown, the
파라미터로 설정되는 주파수 옵셋 값은 대역 확산 신호에 첨부된 최초의 주파수 옵셋 값과 동일하며, 주파수 옵셋 ()은 확산 기반 신호 대역폭에 Normalized된 값을 뜻하며, 정수부와 소수부로 나누어 생각할 수 있다. 정수 주파수 옵셋은 신호를 수신 시, 부반송파의 인덱스를 변화시키고, 소수 주파수 옵셋은 SNR의 감소를 가져오는데, 본 발명에서는 소수 주파수 옵셋 만을 고려하였다.The frequency offset value set by the parameter is equal to the original frequency offset value attached to the spread signal, and the frequency offset ( ) Is the normalized value to the spreading-based signal bandwidth, which can be thought of as being divided into integer and fractional parts. The integer frequency offset changes the index of the subcarriers upon receiving the signal, and the fractional frequency offset results in a decrease in the SNR. In the present invention, only the fractional frequency offset is considered.
본 발명은 확산 부호 기반 신호를 수신하여 실수부와 허수부로 나누고, 주파수 옵셋 추가 신호를 복소수로 변환하기 위해 주파수 옵셋 생성부(104)에 복소수 변환부(104a)를 포함한다. 주파수 옵셋 생성부(104)에서 출력된 주파수 옵셋 추가 신호는 주파수 옵셋 추정부(105)에서 수신하게 된다. 주파수 옵셋 추정부(105)는 도 3을 참조하여 설명할 수 있다.The present invention includes a
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 옵셋 생성부를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 주파수 옵셋 추정부(105)는 주파수 옵셋 생성부(104)에서 수신한 주파수 옵셋 추가 신호를 수신하여, 대역 확산 신호의 대역폭으로 정규화된 주파수 옵셋을 추정한다. 3 is a diagram illustrating a frequency offset generator according to an embodiment of the present invention. As shown, the
평가부(106)은 대역 확산 신호에서의 실제 주파수 옵셋과 상기 주파수 옵셋 추정부에서 추정된 주파수 옵셋의 차이의 제곱수에 대한 평균값들을 산출하고, 기준값과 상기 평균값들의 편차 폭에 따라 주파수 옵셋 추정부의 주파수 옵셋 추정 성능을 평가한다. 이때, 수치적으로 ‘0’이 될 수 있다. 평균값이 ‘0’에 가까울수록 주파수 옵셋 추정 성능이 우수하다는 것을 의미한다. 반면, 평균값이 ‘0’에서 멀어질수록 주파수 옵셋 추정 성능이 떨어진다는 것을 의미한다. The
평균값은 복수의 실제 주파수 옵셋과 주파수 옵셋 추정부에서 추정된 복수의 주파수 옵셋의 차이의 제곱수에 대한 평균값들이다. 각각의 평균값들 중 상대적으로 ‘0’에 가까운 평균값을 가지는 경우가 주파수 옵셋 추정 성능이 우수한 경우를 의미한다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 시스템의 목표 성능에 따라 기준값을 정할 수 있다. The average values are average values of the squares of the differences between the plurality of actual frequency offsets and the plurality of frequency offsets estimated by the frequency offset estimator. Among the average values, the average value relatively close to '0' means that the frequency offset estimation performance is excellent. The present invention is not limited thereto, and the reference value may be determined according to the target performance of the system.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법을 설명하는 순서도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법은 신호 생성부에서 반복적인 구조로 이루어진 확산 부호 기반 신호를 생성하는 S1단계, 주파수 옵셋 생성부에서 확산 부호 기반 신호를 수신하고, 확산 부호 기반 신호에 주파수 옵셋을 생성 및 추가하고, 주파수 옵셋 추가 신호를 생성 후, 복소수로 변환시키는 S2단계, 주파수 옵셋 추정부에서 복소수로 변환된 주파수 옵셋 추가 신호에 더해진 주파수 옵셋을 추정하는 S3단계 및 평가부에서 대역 확산 신호의 실제 주파수 옵셋과 S3단계에서 추정된 주파수 옵셋과의 차이에 대한 제곱수의 평균값들을 산출하고, 상기 평균값들의 편차 폭에 따라 주파수 옵셋 추정부의 주파수 옵셋 추정 성능을 평가하는 S4단계를 포함한다.4 is a flowchart illustrating a frequency offset estimation method of a spread spectrum signal according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, in the method of estimating a frequency offset of a spread spectrum signal, in step S1 of generating a spread code based signal having a repetitive structure in a signal generator, a spread code based signal is received from a frequency offset generator and spread. A step S2 of generating and adding a frequency offset to the sign-based signal, generating a frequency offset addition signal, and converting the signal to a complex number, and step S3 of estimating a frequency offset added to the frequency offset addition signal converted into a complex number by the frequency offset estimator; Step S4 of the evaluation unit calculates the average value of the square number of the difference between the actual frequency offset of the spread signal and the frequency offset estimated in step S3, and evaluates the frequency offset estimation performance of the frequency offset estimator according to the deviation width of the average value It includes.
나아가, 주파수 옵셋 추정 성능 분석부에서 신호 대 잡음비를 비교하고, 신호 대 잡음비에 따라, 대역 확산 신호의 길이를 변화시켜 주파수 옵셋의 추정 범위와 평가부의 성능을 개선시키는 S5단계를 더 포함할 수 있다.Furthermore, the method may further include a step S5 of comparing the signal-to-noise ratio in the frequency offset estimation performance analyzer and improving the estimation range of the frequency offset and the performance of the evaluation unit by changing the length of the spread spectrum signal according to the signal-to-noise ratio. .
일 실시 예에 있어서, S1단계는 신호 생성부(101)가 아래의 수학식1에 의해 반복적인 구조를 가지는 확산 부호 기반 신호 s(n)를 생성한다. 수학식1에 의해 생성된 확산 부호 기반 신호는 S2단계의 주파수 옵셋 생성부(104)로 출력된다. 수학식1은 원래의 데이터 신호에 확산 신호가 곱해져 대역 확산 신호가 생성되는 것을 표현한다.
In an embodiment, in step S1, the
여기서, S(n)은 확산 부호 기반 신호, n은 샘플인덱스, 은 확산 부호 기반 신호의 길이, 은 과 서로 소인 정수, 와 는 0부터 사이의 정수를 의미한다. 수학식 1에서 s(n)은 CAZAC(constant amplitude zero autocorrelation) Sequence를 수학적으로 표현한 것이다. Where S (n) is a spread code based signal, n is a sample index, Is the length of the spread code based signal, silver And integers postmarked with each other, Wow From 0 Means an integer between. In
본 발명에서는 대역확산수열로 CAZAC Sequence를 선택하였고, CAZAC Sequence는 시간과 주파수 영역에서 일정한 Amplitude를 가지며, 시간차 0일 때를 제외한 나머지 지점의 자기상관(Autocorrelation) 값이 0이라는 특성 때문에 동기화를 위한 확산수열로 사용했다.In the present invention, the CAZAC sequence is selected as the spread spectrum sequence, and the CAZAC sequence has a constant amplitude in the time and frequency domains, and is spread for synchronization because the autocorrelation value of the remaining points except for time difference 0 is 0. Used as a sequence.
이때, 수학식1에서의 와 는 수열의 인덱스 과 아래의 수학식2와 같은 관계를 갖는다.
At this time, in
본 발명에 따른 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법에 있어서, S1단계에서는 주파수 옵셋 추정을 구체적으로 구현 및 효과를 입증하기 위해 을 36으로 설정하였으며, 이를 각각 4회, 8회 반복하였다. S1단계에서 수학식1과 수학식2를 통해 생성된 확산 부호 기반 신호는 S2단계의 주파수 옵셋 생성부(104)에 출력된다.In the frequency offset estimation method of a spread spectrum signal according to the present invention, in step S1 to specifically implement the frequency offset estimation and to prove the effect Was set to 36, which was repeated 4 and 8 times, respectively. The spread code based signal generated through the equations (1) and (2) in step S1 is output to the frequency offset
수학식 2는 수학식 1의 CAZAC Sequence에서 사용된 파라미터들에 대한 특성을 나타낸 것이다. 즉, 수학식 2를 만족하는 수들을 이용하여 수학식 1의 CAZAC Sequence를 생성한다.Equation 2 shows characteristics of the parameters used in the CAZAC sequence of
S2단계는 AWGN 채널 및 다중경로 Rician 분포 채널을 통해 주파수 옵셋 생성부(104)가 수신한 확산 부호 기반 신호에 주파수 옵셋을 적용하여 주파수 옵셋 추가 신호를 생성한다. S2단계는 복소수 변환부(104a)에서 주파수 옵셋 추가 신호를 수신하여, 주파수 옵셋 추가 신호를 복소수로 변환하는 S2-1단계를 포함한다. Step S2 generates a frequency offset addition signal by applying a frequency offset to the spread code based signal received by the frequency offset
또한, S2단계는 S1단계로부터 수신한 확산 부호 기반 신호를 주파수 옵셋 생성부(104)에 포함된 복소수 변환부(104a)가 실수부와 허수부로 나누고, 실수부와 허수부에 파라미터로 설정한 주파수 옵셋 값을 첨가한다. 주파수 옵셋 값이 첨가된 주파수 옵셋 추가 신호는 다시 복소수 변환부(104a)에 의해 복소수로 변환되어 출력된다. In addition, in step S2, the complex
S2단계에서 주파수 옵셋 생성부(104)가 수신한 확산 부호 기반 신호는 아래의 수학식3으로 정의된다. 아래의 수학식 3은 복소신호로써, 실수부와 허수부로 이루어져있다. 신호에 주파수 옵셋을 적용하기 위해서 의 특성을 이용한다. 즉, (a+jb)(cos+jsin)의 방법을 통해 주파수 옵셋을 적용하였으며, 이를 위해 r(n)을 실수부와 허수부로 분리한다.(여기서, r=a+bj)
The spread code based signal received by the frequency offset
여기서, r(n)은 수신신호, 는 확산 부호 기반 신호의 전력, 는 시간 영역에서 반복 전송된 확산 부호, 는 확산 부호 기반 신호의 대역폭으로 정규화된 주파수 옵셋, 는 평균 0, 분산 을 갖는 AWGN, 은 대역 확산 신호의 길이를 의미한다. Where r (n) is the received signal, Is the power of the spread code based signal, Is a spreading code repeatedly transmitted in the time domain, Is a frequency offset normalized to the bandwidth of a spreading code based signal, Is an average of 0, variance AWGN with Is the length of the spread spectrum signal.
S2단계에서 출력되는 주파수 옵셋 추가 신호는 및 로 나타내며, n=0,1,…,N/2-1이다.The frequency offset addition signal output in step S2 And Where n = 0, 1,... , N / 2-1.
수학식 3은 P의 전력을 갖는 CAZAC sequence c(n)에 주파수 옵셋 가 을 통해 적용되고, 잡음 w(n)이 신호에 더해진 것을 의미한다. 이때, r(n)은 기저 대역 신호로 간주되며, 시간 및 정수 주파수 옵셋이 맞았다고 가정한다.
Equation 3 is the frequency offset in the CAZAC sequence c (n) having a power of P end Is applied through, meaning that the noise w (n) is added to the signal. In this case, r (n) is regarded as a baseband signal and assumes that time and integer frequency offsets are correct.
S3단계는 S2단계로부터 수신한 주파수 옵셋 추가 신호에서 아래의 수학식4를 통해 주파수 옵셋 값을 추정하는 단계다. S3단계는 상수 생성부(105a)에서 상수()를 생성하는 S3-1단계를 포함한다.
Step S3 is a step of estimating the frequency offset value from the frequency offset addition signal received from step S2 through Equation 4 below. In step S3, the constant ( S3-1 step of generating).
S3단계에서 수학식4를 이용해 주파수 옵셋 추가 신호에서 주파수 옵셋 추정 시 추정 범위는 이다. 일 예로, 대역 확산 신호의 대역 폭이 2㎒이고, 대역 확산 신호의 길이 이 100이라면, 주파수 옵셋 추정 시 추정 범위는 ± 20㎑이다.
In the step S3, the estimation range when estimating the frequency offset from the frequency offset addition signal using Equation 4 is to be. For example, the bandwidth of the spread spectrum signal is 2 MHz and the length of the spread spectrum signal If 100, the estimation range is ± 20 Hz in frequency offset estimation.
수학식 4에서 r(n)과 r(n+N/2)는 동일한 sequence를 가지고 있다. 따라서, 동일한 sequence를 가지는 두 신호 r(n), r(n+N/2) 간의 위상 차이를 측정하면 주파수 옵셋을 계산할 수 있다. 즉, r(n+N/2)는 잡음이 없고 주파수 옵셋이 존재할 경우, 로 표현될 수 있으며, 의 각도를 취하게 되면 얻는 을 으로 나누어 를 얻는 것이다.
In Equation 4, r (n) and r (n + N / 2) have the same sequence. Therefore, the frequency offset can be calculated by measuring the phase difference between two signals r (n) and r (n + N / 2) having the same sequence. That is, if r (n + N / 2) is no noise and there is a frequency offset, Can be expressed as If you take the angle of of Divided by To get.
S4단계에서는 평가부(106)가 S3단계에서 추정된 주파수 옵셋과 대역 확산 신호의 실제 주파수 옵셋의 차이의 제곱수를 저장하여 평균값을 산출한다. S4단계는 아래의 수학식5를 이용한다.
In step S4, the
여기서, MSE는 평균제곱오차이며, E는 평균연산자이다.
Where MSE is the mean square error and E is the mean operator.
또한, S5단계는 주파수 옵셋 추정 성능 분석부에서 신호 대 잡음비를 비교하고, 신호 대 잡음비에 따라, 대역 확산 신호의 길이를 변화시켜 주파수 옵셋의 추정 범위와 평가부의 성능을 개선한다. 일 예로, 수학식5의 MSE 성능 분석시 5㏈와 10㏈일 때의 SNR에 대해 각각 비교하고, 각 SNR에 따른 수신 신호의 길이 N을 114와 288로 변화시켜 성능을 비교하여, 주파수 옵셋의 추정 범위와 S5단계에서의 최적의 성능을 찾을 수 있다.In addition, step S5 compares the signal-to-noise ratio in the frequency offset estimation performance analyzer and changes the length of the spread spectrum signal according to the signal-to-noise ratio, thereby improving the estimation range of the frequency offset and the performance of the evaluation unit. For example, in the MSE performance analysis of
본 발명은 본 발명은 대역 확산 신호의 주파수 추정 시 확산 부호 기반 신호를 생성하고, 확산 부호 기반 신호에 주파수 옵셋을 첨가 후, 주파수 옵셋을 추정하여 평균제곱오차를 산출함으로써, 간단한 연산으로 신뢰성 높은 주파수 옵셋 추정이 가능하다. 또한, 주파수 옵셋 추정 시 전력 소모 및 신호의 손실이 적다.The present invention generates a spreading code based signal when estimating the frequency of a spread spectrum signal, adds a frequency offset to the spreading code based signal, estimates the frequency offset, and calculates an average square error, thereby simplifying the frequency with high reliability. Offset estimation is possible. In addition, power consumption and signal loss are low when estimating frequency offset.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 옵셋에 따른 MSE 그래프이다. 도 5는 본 발명에 따른 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법을 여러차례 실시하여 도출한 모의 실험 결과이다. 모의 실험 조건은 대역 확산 신호의 길이 N은 144, 288. SNR은 5㏈와 10㏈의 경우를 고려하였다. 또한, Rician 분포 채널의 K-factor는 8로 설정했다.5 is an MSE graph according to a frequency offset according to an embodiment of the present invention. 5 is a simulation result derived by performing a frequency offset estimation method of a spread spectrum signal according to the present invention several times. The simulation conditions consider the cases where the length N of the spread signal is 144, 288. The SNR is 5㏈ and 10㏈. In addition, the K-factor of the Rician distribution channel was set to 8.
SNR이 5㏈인 상황에서 N이 144일때와 288일때, 각각 MSE는 -0.004≤≤0.004 및 -0.002≤≤0.002 정도에서 우수한 성능을 보인다. 그 외의 에서는 성능이 급격히 저하되는 것을 볼 수 있다. 또한, SNR이 20㏈인 상황에서는 N이 144일때, 288일때 각각 MSE는 -0.005≤≤0.005 및 -0.0025≤≤0.0025 정도에서 우수한 성능을 보이고 그외의 에서는 성능이 급격히 저하되는 것을 볼 수 있다. When S is 5 ms and N is 144 and 288, MSE is -0.004≤ ≤0.004 and -0.002≤ It shows excellent performance at ≤0.002. Other We can see that the performance drops sharply. In the situation where the SNR is 20 Hz, when N is 144 and 288, the MSE is -0.005≤ ≤0.005 and -0.0025≤ Excellent performance at ≤0.0025 degree and others We can see that the performance drops sharply.
이는 각도 연산을 이용하기 때문에 이 주파수 옵셋의 추정 범위의 한계 지점인 에 가까울수록 주파수 옵셋 추정 성능이 잡음의 영향에 더 민감하기 때문이다. 이러한 부분은 SNR이 높아질수록 극복되며, 잡음의 영향이 거의 없는 경우 주파수 옵셋 추정 범위는 과 일치하게 된다. Because it uses angle calculation The threshold of the estimated range of this frequency offset The closer to, the more sensitive the frequency offset estimation performance is to noise. This is overcome by higher SNR, and the frequency offset estimation range is less if the noise is not affected. To match.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments and the accompanying drawings described in the present specification are merely illustrative of some of the technical ideas included in the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed herein are for the purpose of describing rather than limiting the technical spirit of the present invention, and it is apparent that the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
100: 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 장치
101: 신호 생성부
102: 다중경로 Rician 분포 채널
103: AWGN 채널
104: 주파수 옵셋 생성부
104a: 복소수 변환부
105: 주파수 옵셋 추정부
105a: 상수 생성부
106: 평가부
107: 주파수 옵셋 추정 성능 분석부100: frequency offset estimation device of the spread spectrum signal
101: signal generator
102: Multipath Rician Distribution Channel
103: AWGN channel
104: frequency offset generator
104a: complex number converter
105: frequency offset estimator
105a: constant generator
106: evaluation unit
107: frequency offset estimation performance analysis unit
Claims (15)
확산 부호 기반 신호를 수신하고, 확산 부호 기반 신호에 주파수 옵셋을 생성 및 추가하여 주파수 옵셋 추가 신호를 생성 후, 복소수로 변환하는 주파수 옵셋 생성부;
복소수로 변환된 주파수 옵셋 추가 신호에서 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정부; 및
대역 확산 신호에서의 실제 주파수 옵셋과 상기 주파수 옵셋 추정부에서 추정된 주파수 옵셋의 차이의 제곱수에 대한 평균값들을 산출하고, 기준값과 상기 평균값들의 편차 폭에 따라 주파수 옵셋 추정부의 주파수 옵셋 추정 성능을 평가하는 평가부
를 포함하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 장치.A signal generator for generating a spread code based signal having a repetitive structure;
A frequency offset generator for receiving a spread code based signal, generating and adding a frequency offset to the spread code based signal to generate a frequency offset addition signal, and converting the complex code into a complex number;
A frequency offset estimator for estimating a frequency offset from the complex number-added frequency offset additional signal; And
Computing average values of the squares of the difference between the actual frequency offset in the spread signal and the frequency offset estimated by the frequency offset estimator, and evaluating the frequency offset estimation performance of the frequency offset estimator according to the reference value and the deviation width of the average values. Evaluation department
Frequency offset estimation device of a spread spectrum signal comprising a.
주파수 옵셋 추가 신호의 생성 및 주파수 옵셋 오차 검출은 AWGN 채널 및 다중경로 Rician 분포 채널이 존재할 때 이루어지는 것을 특징으로 하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 장치.The method of claim 1,
The generation of the frequency offset addition signal and the detection of the frequency offset error is performed when the AWGN channel and the multipath Rician distribution channel is present.
확산 부호 기반 신호를 실수부와 허수부로 나누고, 상기 실수부와 허수부에 파라미터로 설정한 주파수 옵셋 값을 첨가하는 것을 특징으로 하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 장치.The method of claim 1, wherein the frequency offset generator,
Dividing a spread code based signal into a real part and an imaginary part, and adding a frequency offset value set as a parameter to the real part and the imaginary part.
주파수 옵셋 추가 신호를 수신하여, 복소수로 변환시키는 복소수 변환부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 장치.The method of claim 1, wherein the frequency offset generator
A complex number converting unit for receiving a frequency offset addition signal and converting the signal into a complex number
Frequency offset estimation device of a spread spectrum signal comprising a.
상수()을 만드는 상수 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 장치.
(여기서, 은 대역 확산 신호의 길이임)The method of claim 1, wherein the frequency offset estimator,
a constant( And a frequency generator for generating a frequency offset.
(here, Is the length of the spread spectrum signal)
주파수 옵셋 생성부에서 확산 부호 기반 신호를 수신하고, 확산 부호 기반 신호에 주파수 옵셋을 생성 및 추가하여 주파수 옵셋 추가 신호를 생성 후, 복소수로 변환시키는 S2단계;
주파수 옵셋 추정부에서 복소수로 변환된 주파수 옵셋 추가 신호에 첨가된 주파수 옵셋을 추정하는 S3단계 및
평가부에서 대역 확산 신호의 실제 주파수 옵셋과 S3단계에서 추정된 주파수 옵셋과의 차이에 대한 제곱수의 평균값들을 산출하고, 상기 평균값들의 편차 폭에 따라 주파수 옵셋 추정부의 주파수 옵셋 추정 성능을 평가하는 S4단계
를 포함하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법.Generating a spread code based signal having a repetitive structure in the signal generator;
Receiving a spread code based signal from the frequency offset generator, generating and adding a frequency offset to the spread code based signal to generate a frequency offset additional signal, and then converting the signal to a complex number;
Step S3 of estimating a frequency offset added to the frequency offset additional signal converted into a complex number by the frequency offset estimating unit;
Step S4 of the evaluation unit calculates the average value of the square number of the difference between the actual frequency offset of the spread signal and the frequency offset estimated in step S3, and evaluates the frequency offset estimation performance of the frequency offset estimator according to the deviation width of the average value
Frequency offset estimation method of a spread spectrum signal comprising a.
신호 생성부가 아래의 수학식1을 이용해 확산 부호 기반 신호 s(n)를 생성하는 것을 특징으로 하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법.
(수학식1)
(여기서, n은 샘플인덱스, 은 확산 부호 기반 신호의 길이이고, 은 과 서로소인 정수이고, 와 는 각각 및 이고 0부터 사이의 정수임)The method of claim 6, wherein the step S1,
Method for estimating the frequency offset of a spread spectrum signal, characterized in that the signal generator generates a spread code based signal s (n) using Equation 1 below.
(1)
(Where n is the sample index, Is the length of the spread code based signal, silver Are integers with each other, Wow Respectively And And from 0 Is an integer between
상기 수학식1의 와 는 과 아래의 수학식2로 정의되는 관계가 성립되는 것을 특징으로 하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법.
(수학식2) The method of claim 7, wherein
Of Equation 1 Wow The And a relationship defined by Equation 2 below is established.
(2)
AWGN 채널 및 다중경로 Rician 분포 채널을 통해 수신한 확산 부호 기반 신호를 이용해 주파수 옵셋 추가 신호을 생성하는 것을 특징으로 하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법.The method of claim 6, wherein the step S2,
A method for estimating frequency offset of a spread spectrum signal using a spread code based signal received through an AWGN channel and a multipath rician distribution channel.
복소수 변환부에서 주파수 옵셋 추가 신호를 수신하여, 상기 주파수 옵셋 추가 신호를 복소수로 변환시키는 S2-1단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법.The method of claim 6, wherein the step S2,
Step S2-1 of receiving a frequency offset addition signal from the complex converter and converting the frequency offset addition signal into a complex number
Frequency offset estimation method of a spread spectrum signal comprising a.
주파수 옵셋 생성부가 아래의 수학식3으로 정의되는 확산 부호 기반 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법.
(수학식3)
(여기서, r(n)은 수신신호, 는 확산 부호 기반 신호의 전력, 는 시간 영역에서 반복 전송된 확산 부호, 는 확산 부호 기반 신호의 대역폭으로 정규화된 주파수 옵셋, 는 평균 0, 분산 을 갖는 AWGN, 은 대역 확산 신호의 길이)The method of claim 6, wherein the step S2,
A frequency offset estimation method of a spread spectrum signal, characterized in that the frequency offset generator receives a spread code based signal defined by the following equation (3).
(Equation 3)
Where r (n) is the received signal, Is the power of the spread code based signal, Is a spreading code repeatedly transmitted in the time domain, Is a frequency offset normalized to the bandwidth of a spreading code based signal, Is an average of 0, variance AWGN with Is the length of the spread signal)
주파수 옵셋 생성부가 확산 부호 기반 신호를 실수부와 허수부로 나누고, 실수부와 허수부에 파라미터로 설정한 주파수 옵셋 값을 첨가하여, 및 을 출력하는 것을 특징으로 하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법.The method of claim 6, wherein the step S2,
The frequency offset generator divides the spread code based signal into a real part and an imaginary part, and adds a frequency offset value set as a parameter to the real part and the imaginary part. And And a frequency offset estimation method of a spread spectrum signal.
상수 생성부에서 상수 이 생성되는 S3-1단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법.The method of claim 6, wherein the step S3,
Constants in the constant generator Is generated S3-1
Frequency offset estimation method of a spread spectrum signal comprising a.
주파수 옵셋 추정부가 아래의 수학식4에 의해 주파수 옵셋 추가 신호의 주파수 옵셋 값을 추정하는 것을 특징으로 하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법.
(수학식4)
The method of claim 13, wherein the step S3,
The frequency offset estimation method of the spread spectrum signal, characterized in that the frequency offset estimator estimates the frequency offset value of the frequency offset addition signal by the following equation (4).
(Equation 4)
주파수 옵셋 추정의 범위는 인 것을 특징으로 하는 대역 확산 신호의 주파수 옵셋 추정 방법.The method of claim 14, wherein the step S3,
The range of frequency offset estimation is A frequency offset estimation method of a spread spectrum signal.
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