KR102207829B1

KR102207829B1 - 고효율 위성 서비스를 위한 통신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102207829B1
Application number: KR1020140059505A
Authority: KR
Inventors: 김판수; 오덕길
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2021-01-26
Also published as: US20150333936A1; KR20150132931A; US9621381B2

Abstract

본 발명은 VCM(Variable Coding and Modulation) 또는 ACM(Adaptive Coding and Modulation) 환경의 위성 방송이나 통신을 위한 위성 서비스에서 프레임 동기 및 MODCOD(Modulation Code rate) 검출이 필요한 MMSE(minimum-mean square error) 등화기의 적용을 위하여 왜곡이나 인접심볼간섭을 제거 개선함으로써, 대역폭당 위성 신호의 송수신 주파수 효율, 또는 대역폭당 전송 효율(Spectral Efficiency, S.E)을 개선할 수 있는 통신 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

고효율 위성 서비스를 위한 통신 장치 및 방법{Communication Apparatus and Method for High Efficiency Satellite Service}

본 발명은 위성 서비스를 위한 통신 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 위성 방송 및 통신 서비스를 위한 기존대비 대역폭당 위성 신호의 송수신 주파수 효율, 또는 전송 효율(Spectral Efficiency, S.E)을 개선할 수 있는 통신 장치 및 방법에 관한 것이다.

기존의 디지털 통신 시스템에서 일대일 통신 또는 일대다 통신의 경우 Shannon 이론의 적용은 전송 용량(capacity)의 한계를 보여준다. 아울러, 송신 및 수신에서 전송신호의 간섭 없이 수신하기 위해서는 Nyquist Rate을 기반으로 데이터를 전송해야 완벽하게 인접심볼 간섭 없이 수신신호를 복구할 수 있게 된다. 최근 위성 방송 및 통신의 경우 기존대비 전송 효율(Spectral Efficiency, S.E)을 개선하는 기술이 제안되고 있다.

예를 들어, DVB(Digital Video Broadcasting)-S2(Satellite Second Generation) 모뎀 구조나 이와 같은 DVB-S2 모뎀에서 송신기 전치왜곡기(Pre-Distorter)와 수신기에 등화기를 추가하는 구조를 통해, 전송 용량(capacity)을 증가시키는 종래 기술이 있다. 그러나 종래 기술의 경우 매 프레임 단위로 프레임 길이와 변조방식이 달라지는 VCM(Variable Coding and Modulation) 또는ACM(Adaptive Coding and Modulation) 환경에 대해서 어떻게 MMSE(minimum-mean square error) 등화기를 적용해야 할 것인가 하는 문제가 있으며, 게다가 42 탭 MMSE 등화기의 경우 곱셈 연산의 복잡도를 가진다. 또한 기존의 MMSE 적응 등화기가 단순한 LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 기반으로 적절한 훈련열(training sequence)(known 데이터/pilot 심볼)를 사용하여 DA(data-aided) mode를 기반으로 동작하지만 VCM/ACM 환경에는 위와 같은 적용 상의 한계가 있다.

여기서 송수신 주파수 효율, 또는 전송 효율(Spectral Efficiency, S.E) 개선을 위해 일반적으로 [수학식1]과 같이 기저대역 필터의 롤오프(roll off) 값(RO)을 줄임으로써 대역폭당 전송효율을 개선할 수 있다. 여기서 R_s는 심볼속도, r은 채널부호의 부호화율, M은 변조차수(예, QPSK=4, 8PSK=8), W 는 대역폭으로서 여기서 W= R_s*(1+RO)로 정의되고, 롤오프(roll off) 값(RO)이 줄어들수록 전송효율이 증가하게 된다.

[수학식1]

예를 들어, 위성중계기 대역폭이 약 100MHz (-3dB 대역폭)인 채널에서 채널왜곡을 피하기 위해서는 롤오프(roll off) 값(RO)이 0.2로 가정하면 83.33MHz의 심볼속도로 전송하는 경우 왜곡을 피할 수 있다. 그러나 83.33MHz 이상의 심볼속도로 전송하는 경우 왜곡이 발생하게 된다. 또한, 심볼속도가 증가할수록 캐리어(반송파)의 대역폭은 증가하게 되고 group delay 특성으로 인해 인접심볼간섭을 일으키게 되며 이를 극복하는 방안이 필요하게 된다. 일반적으로 위성중계기의 경우 IMUX(Input Multiplex) 필터, 증폭기, OMUX(Output Multiplexer) 필터로 구성되어 있는데 IMUX 필터의 경우 OMUX 필터보다 대역폭이 크므로 IMUX 왜곡보다 OMUX 필터의 왜곡을 보상하는 것이 더 중요하다. 증폭기의 경우 증폭기 특성을 알면 전치왜곡을 통해 거의 완벽히 보상이 가능하므로 증폭기에 의한 비선형왜곡은 거의 존재하지 않는다고 가정한다.

그러나, VCM/ACM 환경에서 SOF(Start of Frame) 및 파일롯 심볼 등 프레임 동기와 MODCOD(Modulation Code rate) 등의 검출이 필요하지만, 이와 같이 왜곡이나 인접심볼간섭 등이 존재하는 경우에 프레임동기와 MODCOD 검출이 불가능한 문제점이 있다. 예를 들어, 인접채널간섭이 없고 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 잡음이 없는 경우, 도 1의 (a)와 같이 정상적인 16APSK(Amplitude Phase Shift Keying) 송수신이 가능하지만, 도 1의 (b)와 같이 AWGN 잡음이 없음에도 불구하고 인접심볼간섭이 존재하는 경우에는 SIR(Signal to Interference Ratio)가 6.4dB로 감소할 만큼 성상(constellation) 구분이 어려워 프레임동기와 MODCOD 검출이 불가능하게 된다.

1. ICSSC(31st AIAA International Communications Satellite Systems Conference) 2013 학회에서 발표된 논문 "Bandwidth Optimization for Satellite Digital Broadcasting"

2. 미국특허공개번호 US2011/0188550(2011. 08. 04 공개)

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 매 프레임 단위로 프레임 길이와 변조방식이 달라지는 VCM(Variable Coding and Modulation) 또는 ACM(Adaptive Coding and Modulation) 환경의 위성 방송이나 통신을 위한 위성 서비스에서 프레임 동기 및 MODCOD(Modulation Code rate) 검출이 필요한 MMSE(minimum-mean square error) 등화기의 적용을 위하여 왜곡이나 인접심볼간섭을 제거 개선함으로써, 대역폭당 위성 신호의 송수신 주파수 효율, 또는 대역폭당 전송 효율(Spectral Efficiency, S.E)을 개선할 수 있는 통신 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의일면에 따른 통신 장치는, 오버샘플된 샘플을 수신하여 FIR(Finite Impulse Response) 필터링으로 주파수 대역 균등화를 수행하고 축약된 샘플을 출력하는 등화기; 상기 축약된 샘플을 수신하여 전송 방식에 대한 정보를 검출하고 해당 변조방식 및 프레임 길이에 따른 동기 시점에 모드 전환 신호를 생성하는 수신 상태 추정부; 및 상기 등화기로부터 상기 오버샘플된 샘플을 수신하는 별도의 제2등화기가 상기 주파수 균등화를 수행하고 생성하는 데이터를 이용하여 상기 FIR 필터링을 위한 탭 계수들을 업데이트하여 상기 등화기에 제공하되, 상기 모드 전환 신호에 따라 블라인드 모드에서 DA(data-aided) 모드로 전환하여 상기 탭 계수들의 업데이트를 수행하는 필터 업데이트 처리부를 포함한다.

상기 통신 장치는 3dB 대역폭 관점에서 전송신호 반송파의 대역폭이 상기 통신 장치가 적용된 필터의 대역폭 보다 소정의 범위에서 큰 대역을 사용하는 채널 또는 필터통과의 선형왜곡 특성이 심한 채널에서 신호왜곡을 보정함으로써 심볼속도를 증가시킬 수 있다.

상기 필터는 위성중계기 필터이고, 상기 소정의 범위는 수학식 W= R_s*(1+RO)에서 반송파의 대역폭(W), 심볼속도(R_s)에 대하여 롤 오프값(RO)을 0 내지 0.2로하는 범위를 포함할 수 있다.

상기 전송 방식에 대한 정보는 MODCOD(Modulation Code rate) 정보이다. 상기 통신 장치는 VCM(Variable Coding and Modulation) 또는 ACM(Adaptive Coding and Modulation) 환경에서 위성 신호를 수신하기 위한 것이다. 상기 통신 장치는 DVB(Digital Video Broadcasting) 모뎀에 적용될 수 있다.

상기 필터 업데이트 처리부는, 별도로 DSP(Digital Signal Processing) 칩으로 구현될 수 있다.

상기 오버샘플된 샘플은 심볼당 2 오버샘플(oversamples)로 구성되며, 상기 축약된 샘플은 심볼당 1샘플로 구성될 수 있다.

상기 필터 업데이트 처리부는, 상기 제2등화기의 출력과 출력 신호 파워값 간의 오차에 해당하는 에러를 산출하여 해당 모드에서 상기 탭 계수들을 업데이트하는 업데이트 인터럽트 요청부; 및 상기 DA 모드에서 상기 업데이트 인터럽트 요청부가 상기 에러의 계산에 사용할 데이터를 제공하는 기준 심볼 제어부를 포함한다.

상기 기준 심볼 제어부는, 상기 수신 상태 추정부에서 상기 축약된 샘플을 기초로 생성한 제어 신호에 따라 기준 심볼의 레벨과 위상을 조정하여 생성한 상기 데이터를 제공하는 신호 레벨/위상 조정기를 포함한다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 통신 장치의 신호 수신 방법은, 등화기에서 오버샘플된 샘플을 수신하여 FIR(Finite Impulse Response) 필터링으로 주파수대역 균등화를 수행하고 축약된 샘플을 출력하는 단계; 상기 축약된 샘플을 수신하여 전송 방식에 대한 정보를 검출하고 해당 변조방식 및 프레임 길이에 따른 동기 시점에 모드 전환 신호를 생성하는 단계; 및 상기 등화기로부터 상기 오버샘플된 샘플을 수신하는 별도의 제2등화기가 상기 주파수 대역 균등화를 수행하고 생성하는 데이터를 이용하여 상기 FIR 필터링을 위한 탭 계수들을 업데이트하여 상기 등화기에 제공하되, 상기 모드 전환 신호에 따라 블라인드 모드에서 DA(data-aided) 모드로 전환하여 상기 탭 계수들의 업데이트를 수행하는 단계를 포함한다.

상기 통신 장치의 신호 수신 방법은, 3dB 대역폭 관점에서 전송신호 반송파의 대역폭이 상기 통신 장치가 적용된 필터의 대역폭 보다 소정의 범위에서 큰 대역을 사용하는 채널 또는 필터통과의 선형왜곡 특성이 심한 채널에서 신호왜곡을 보정함으로써 심볼속도를 증가시킬 수 있다.

상기 전송 방식에 대한 정보는 MODCOD(Modulation Code rate) 정보이다. 상기 통신 장치는 VCM(Variable Coding and Modulation) 또는 ACM(Adaptive Coding and Modulation) 환경에서 위성 신호를 수신하기 위한 것이다.

상기 탭 계수들의 업데이트를 수행하는 단계에서, 상기 제2등화기의 출력과 출력 신호 파워값 간의 오차에 해당하는 에러를 산출하여 해당 모드에서 상기 탭 계수들을 업데이트하되, 상기 DA 모드에서 상기 축약된 샘플을 기초로 생성한 제어 신호에 따라 기준 심볼의 레벨과 위상을 조정하여 생성한 데이터를 상기 에러 계산에 이용하여 상기 탭 계수들을 업데이트할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 통신 장치 및 방법에 따르면, VCM/ACM 환경에서도 프레임 동기 및 MODCOD이 검출 가능하도록 등화기술을 적용하여 위성 방송이나 통신을 위한 위성 서비스 신호의 왜곡이나 인접심볼간섭을 제거할 수 있으며, 대역폭당 위성 신호의 송수신 주파수 효율, 또는 전송 효율(Spectral Efficiency, S.E)을 개선할 수 있다.

도 1은 일반적인 통신 장치에서의 16APSK 성상도(constellation)를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 서비스를 위한 통신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 서비스를 위한 통신 장치의 동작 설명을 위한 흐름도이다.
도 4는 인접심볼간섭이 존재할 때, 본 발명의 등화기 구조가 없는 경우와 있는 경우의 QPSK 성상도(constellation)를 비교 예시한 도면이다.
도 5는 위성 신호의 반송파 스펙트럼과 위성중계기 대역제한필터의 전달함수특성을 도시하고 본 발명의 등화기 구조가 필요한 경우에 대한 그래프의 예시이다.
도 6은 본 발명의 등화기 구조가 있는 경우의 FER(Frame Error Rate)의 성능 개선을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 등화기 구조가 있는 경우의 대역폭당 전송 효율을 설명하기 위한 그래프이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분이 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 서비스를 위한 위성 신호 수신을 위한 통신 장치(100)를 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 장치(100)는, 수신 샘플처리부(110), 등화기(120), 수신 상태 추정부(130), 프레임 프로세서(140), 및 필터 업데이트 처리부(150)을 포함한다.

수신 샘플처리부(110)는 제1레벨 콘트롤부(111), CFO(Carrier Frequency Offset) 정정부(112), 정합 필터(matched filter)(113), 심볼동기를 위한 보간필터(114), 심볼 동기 블록(115)를 포함한다.

등화기(120)는 병렬-직렬 변환기(P/S)(121), 등화기 필터(EqFilter)(122)를 포함한다.

수신 상태 추정부(130)는 업데이트 정규화 팩터부(Update Normalization Factor Unit)(131), 제2레벨 콘트롤부(132), 헤더 검출 및 수신기 상태 머신부(Header Detection and Receiver State Machine Unit)(133)를 포함한다.

필터 업데이트 처리부(150)는 버퍼(151), 등화기 탭계수 업데이트부(152), 기준 심볼 제어부(Ref Symbol control unit)(153)를 포함한다.

먼저, 수신 샘플처리부(110)는 7(Variable Coding and Modulation) 또는 ACM(Adaptive Coding and Modulation) 환경의 위성 방송이나 통신을 위한 위성 서비스를 위한 수신 신호를 입력받아 AWGN 등 잡음 제거, 인접심볼간섭(ISI) 제거, 타이밍 오차 보정 등을 수행하여 등화기(130)로 출력한다. 예를 들어, 위성 서비스를 위한 수신 신호를 구성하는 PL(Physical Layer) 프레임은 전송 방식에 따라 해당 복수 개의 슬롯으로 구성되고, 각 슬롯은 90 심볼로 이루어질 수 있으며, 각 프레임의 첫번째 슬롯에 포함되는 PL 헤더 정보 또는 PLS(Physical Layer signaling) 정보는 프레임의 시작점 정보인 SOF(Start of Frame) 정보, 전송 방식에 대한 정보로서 MODCOD 정보, 파일럿의 유무를 알리기 위한 타입 정보 등이 각각 소정의 심볼로 구성된다.

수신 샘플처리부(110)에서, 제1레벨 콘트롤부(110)는 매 프레임 단위로 프레임 길이와 변조방식이 달라지는 VCM/ACM 환경의 위성 방송이나 통신을 위한 위성 서비스를 위한 수신 신호를 입력받아 소정의 오차 보정 알고리즘에 따라 신호 레벨을 보정한다. 여기서 수신 신호는 심볼당 2 오버샘플(oversamples)로 구성될 수 있다.

CFO 정정부(120)는 제1레벨 콘트롤부(110) 출력에 대해 CFO(반송파 주파수 옵셋)를 정정하며, 다만, 헤더 검출 및 수신기 상태 머신부(133)에서 주파수 오차 계산이 완료된 후에 생성하는 소정의 제어 신호에 따라 CFO 정정을 수행한다.

정합 필터(113)는 제1레벨 콘트롤부(110) 또는 CFO 정정부(120)를 거친 신호의 AWGN 등 잡음을 제거하며, 이때 SRRC(Square Root Raised Cosine) 필터가 이용될 수 있다. 정합필터(113)는 송신 필터와 관계되는 일정한 양의 인접심볼간섭을 제거한다. 여기서 채널 응답에 의해 생기는 인접심볼간섭은 제거 되지 않는 상태이며, 이는 하기하는 바와 같이 제거될 수 있다.

심볼 동기 블록(115)은 보간필터부(114)의 출력에 대해 타이밍 오차를 보정하여 등화기(130)로 출력한다. 보간필터부(114)는 심볼 동기 블록(115)에서 계산된 타이밍 오차 보정 값을 재샘플링(resampling)하는 기능을 수행한다.

심볼 동기 블록(115)이 TED(Timing Error Detector)를 이용하여 타이밍 오차를 계산하고 보간필터부(114)가 타이밍 오차 보정 값을 재샘플링하는 동작을 이용하여, 타이밍 오차를 보정한 샘플 데이터를 등화기(130)로 출력하되, 이때, TEC(Timing Error Controller)를 이용하여 샘플링 시점을 보정하여 스위치들을 통해 샘플링되도록 제어함으로써 타이밍 오차를 보정한 샘플 데이터를 출력할 수 있고, 심볼당 2 오버샘플(oversamples)로 구성된 상태로 출력하며 샘플을 축약(decimation)시키지 않는다.

등화기(120)는 추정된 채널 응답에 의해 생기는 인접심볼간섭, 잡음 등 왜곡을 개선하기 위하여, 주파수 대역 특성의 균등화를 수행한다. 이때 병렬-직렬 변환기(P/S)(121)에 의해 축약없이 병렬로 수신한 심볼당 2 샘플 모두를 입력받아 등화기 필터(EqFilter)(122)로 직렬로 출력하며, 등화기 필터(EqFilter)(122)는 필터 업데이트 처리부(150)에서 갱신하는 FIR 필터 탭 계수를 이용하여, 주파수 특성의 균등화를 위한 피드포워드(feedforward) 방식의 FIR(Finite Impulse Response) 필터링을 수행함으로써, 축약(decimation)된 샘플(예, 심볼당 1 샘플로 축약된 샘플)을 수신 상태 추정부(130)로 출력한다.

예를 들어, 등화기 필터(EqFilter)(122)가 M(자연수)개의 탭 방식인 경우에, 필터 업데이트 처리부(150)에 의해 하기하는 바와 같이 MMSE(minimum-mean square error)를 위한 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 따라 [수학식2]와 같이 이전 탭 계수들 W_n가 W_n ₊₁로 업데이트될 수 있다.

[수학식2]

여기서, W_n = {W_n _,0, W_n _,1,.. W_n _,M-1}, μ는 스텝사이즈(step size), 입력 데이터 x_n = {x_n, x_n _-1, .. x_n _-M+1}이며, *는 복소 공액(complex conjugate) 연산이다. 또한, 등화기 필터(EqFilter)의 출력인 y_n (=x_nW_n ^T)과 Godard radius로 알려진 R_c의 간의 오차가 반영된 에러 ε_n은 [수학식3]과 같이 정의될 수 있다. R_c ²은 최종 판정된 출력 신호 s(n)에 대한 파워(power) 값에 해당하고, 평균 E(expectation) 산출 방식이 이용된다.

[수학식3]

한편, 수신 상태 추정부(130)는 등화기(120)로부터 축약(decimation)된 샘플(예, 심볼당 1 샘플로 축약된 샘플)을 수신하여 신호 파워(power)를 계산하고, 프레임 동기, 반송파 주파수 오차와 위상 오차의 계산 등을 통한 반송파 동기, MODCOD(Modulation Code rate) 검출 등을 수행하여, CFO 정정부(112)의 동작 제어, 필터 업데이트 처리부(150)에서 CMA(Constant Magnitude Algorithm)와 같은 알고리즘의 블라인드(blind) 모드에서 DA(Data-Aided) 모드로의 전환 제어, 프레임 프로세서(140)의 동작 제어 등을 수행한다.

수신 상태 추정부(130)에서 업데이트 정규화 팩터부(131)는 먼저 비동기 방식의 SNR 추정기법인 Matzner 기법 등을 이용하여 신호 파워(power)를 계산하며 제2레벨 콘트롤부(132)는 소정의 오차 보정 알고리즘에 따라 신호 레벨을 보정한다. 제2레벨 콘트롤부(132)는 업데이트 정규화 팩터부(131)가 계산한 신호 파워 등을 이용할 수 있다.

제2레벨 콘트롤부(132)에 의해 보정된 신호에 대하여 헤더 검출 및 수신기 상태 머신부(133)는, 프레임 동기 및 반송파 주파수 오차와 위상 오차의 계산 등을 통한 반송파 동기를 수행하며, PLS(Physical Layer signaling) 정보에 포함되는 전송 방식에 대한 정보, 즉, MODCOD(Modulation Code rate) 정보의 검출을 수행하여 변조방식 및 프레임 길이 정보 등을 파악한다. 헤더 검출 및 수신기 상태 머신부(133)는 검출된 MODCOD를 통해 인식한 프레임 시작 시점과 기타 PL(Physical Layer) 헤더 정보를 이용해 해당 동기 시점에 소정의 인에이블 신호(예, 모드 전환 신호)를 발생해 업데이트 정규화 팩터부(131)가 PLL on PLheader 블록에서 DA(Data-Aided) 모드로 제2레벨 콘트롤부(132)를 제어하도록 한다. 이때, 소정의 인에이블 신호는 필터 업데이트 처리부(150)로도 전송되며, 이에 따라 필터 업데이트 처리부(150)에서 CMA(Constant Magnitude Algorithm) 알고리즘의 블라인드(blind) 모드(non data-aided 모드)에서 DA(Data-Aided) 모드(에러 ε_n에서 R_c ² 대신에 적절한 훈련열(training sequence)로 이루어진 미리 알려진 데이터(또는 심볼)을 이용하는 모드)로 전환하여 동작하도록 제어한다. 여기서, 파일롯(pilot) 심볼이 존재하는 경우에 PL(Physical Layer) 헤더 정보 대신에 파일롯 심볼을 활용해 상기 동기 시점을 산출할 수도 있으며, 그렇지 않은 경우에는 PL(Physical Layer) 헤더 정보만을 이용할 수 있다.

이후 수신기인 통신 장치(100)의 동작이 정상 상태(steady state), 즉 위와 같은 등화기(120) 탭 계수 업데이트 동작이 완료되어 등화기(120)가 슬립(sleep) 모드로 동작하고, 헤더 검출 및 수신기 상태 머신부(133)의 소정의 인에이블 신호에 따라 프레임 프로세서(Frame Processor)(140)는 제2레벨 콘트롤부(132)에서 보정된 신호에 대하여 나머지 동기화 과정 및 LDPC(low-density parity-check) 복호화 과정 등을 진행한다.

한편, 필터 업데이트 처리부(150)는 등화기 필터(EqFilter)(122)의 탭 계수들을 업데이트하기 위하여 실제적인 MMSE(minimum-mean square error) 연산 및 LMS(Least Mean Square) 알고리즘이 수행되는 부분으로서, 등화 과정의 수행을 위하여 직렬(serial)적인 곱셈 연산을 고속으로 수행하기 위하여 동작 클록(샘플링, 심볼속도)과 관계없이 수신기의 다른 구성과 별도로 DSP(Digital Signal Processing) 블록(또는 칩)으로 구현될 수 있다. 필터 업데이트 처리부(150)는 필요한 연산이 완료된 시점마다 등화기 필터(EqFilter)를 인터럽트하여 등화기 필터(EqFilter)의 탭 계수들을 업데이트 한다(if(Equalizerupdate==1) 참조).

예를 들어, 버퍼(151)는 등화기 필터(EqFilter)로부터 심볼당 2 오버샘플(oversamples)로 구성된 상태의 심볼들을 직렬 수신하여 탭 계수들 업데이트 연산 시간 동안 저장하고 지연시키며, 심볼들을 FIFO(First Input First Out) 방식으로 등화기 탭계수 업데이트부(152)로 전달한다.

등화기 탭계수 업데이트부(152)의 등화기 이미지부(EqFilter_Image)(157)는 전달된 심볼들(또는 신호)에 대하여 실제적인 MMSE(minimum-mean square error) 연산 및 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 따라 등화기 필터(EqFilter)(122)와 유사하게 피드포워드 방식으로 FIR 필터링에 의한 주파수 대역 특성의 균등화를 수행하는 등화기에 해당한다. 업데이트 인터럽트 요청부(Update IR)(158)는 등화기 이미지부(EqFilter_Image)(157)에서 출력되는 데이터에 대하여 에러 ε_n를 계산하고 [수학식2]의 연산을 통하여 등화기 필터의 탭 계수들을 업데이트하여 등화기 이미지부(EqFilter_Image)(157)와 등화기 필터(EqFilter)(122)로 통보한다. 등화기 이미지부(EqFilter_Image)(157)와 등화기 필터(EqFilter)(122)는 업데이트된 탭 계수들을 이용하여 등화 과정을 수행하게 된다.

업데이트 인터럽트 요청부(Update IR)(158)에서 CMA(Constant Magnitude Algorithm) 알고리즘과 같은 블라인드(blind) 모드(non data-aided 모드)와 DA(Data-Aided) 모드(에러 ε_n에서 R_c ² 대신에 적절한 훈련열(training sequence)로 이루어진 미리 알려진 데이터(또는 심볼)을 이용하는 모드) 간의 전환에 대한 제어는, 기준 심볼 제어부(Ref Symbol control unit)(153)에서 이루어진다. 예를 들어, 헤더 검출 및 수신기 상태 머신부(133)가 MODCOD를 통해 인식한 프레임 시작 시점 및 PL(Physical Layer) 헤더 정보를 이용해 해당 동기 시점에 소정의 인에이블 신호를 발생할 때, 기준 심볼 제어부(Ref Symbol control unit)(153)는 블라인드(blind) 모드(non data-aided 모드)에서 DA(Data-Aided) 모드로 전환을 위해 에러 ε_n의 계산에 사용될 알려진 데이터로서, 소정의 기준 심볼이 조정된 기준 심볼을 업데이트 인터럽트 요청부(Update IR)(158)로 전달하여 DA(Data-Aided) 모드로 전환하도록 할 수 있다. 이를 위하여 기준 심볼 제어부(Ref Symbol control unit)(153)의 신호 레벨/위상 조정기(159)는 제2레벨 콘트롤부(132)의 출력과 헤더 검출 및 수신기 상태 머신부(133)의 위상 조정 신호(Phase adjust)를 이용하여, 헤더 검출 및 수신기 상태 머신부(133)로부터 받는 소정의 기준 심볼(Ref symbol)의 레벨과 위상을 조정한, 상기 조정된 기준 심볼을 업데이트 인터럽트 요청부(Update IR)(158)로 전달할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 서비스를 위한 위성 신호 수신을 위한 통신 장치(100)는, 매 프레임 단위로 프레임 길이와 변조방식이 달라지는 VCM 또는 ACM 환경에서 먼저 심볼당 2샘플(fractional spaced sample)로 구성된 심볼 스트림에 대하여, 필터 업데이트 처리부(150)에 의해 블라인드 모드(non data-aided 모드)로 갱신되는 탭 계수를 이용하여 등화기(120)가 인접심볼간섭, 잡음 등 왜곡을 개선하기 위하여 주파수 특성의 균등화를 수행한다(도 3의 S310 참조). 이후 수신 상태 추정부(130에 의해 프레임 동기, 초기 반송파 주파수 오차와 위상 오차의 계산 등을 통한 반송파 동기, PLS(Physical Layer signaling) 정보에 포함되는 MODCOD(Modulation Code rate) 검출 등을 수행하여, 검출된 MODCOD를 통해 변조방식 및 프레임 길이 등을 파악한 후 인식한 프레임 시작 시점과 기타 PL(Physical Layer) 헤더 정보를 이용해 해당 동기 시점에 등화기(120)가 DA(data-aided) 모드 LMS(Least Mean Square) 알고리즘으로 동작하도록 제어하고(도 3의 S320 참조), 이에 따른 탭 계수의 업데이트에 따라 다시 좀 더 정밀한 PL 헤더 정보, 데이터 등이 복호화 될 수 있도록 활용한다(도 3의 S330 참조). 여기서, 파일롯 심볼이 존재하는 경우에 PL(Physical Layer) 헤더 정보 대신에 파일롯 심볼을 활용해 상기 동기 시점을 산출할 수도 있으며, 그렇지 않은 경우에는 위와 같이 PL(Physical Layer) 헤더 정보만을 이용할 수 있다. 이와 같이 동기화가 이루어진 후 나머지 슬롯들의 데이터 구간에서 프레임 프로세서(Frame Processor)(140)가 데이터 복호화 과정을 진행하는 동안, 등화기(120)가 필터 업데이트 처리부(150)에 의한 필터 탭 계수의 업데이트 없이 동작하는 슬립(sleep) 모드로 동작한다(도 3의 S340 참조). 위와 같은 과정은 소정의 주기로 반복될 수 있으며, 예를 들어, 프레임 마다 반복될 수도 있다.

이와 같은 본 발명의 통신 장치(100)의 등화기 필터(EqFilter)(122), 등화기 탭계수 업데이트부(152) 등 등화기 구조의 동작에 따라, 인접채널간섭이 존재하는 환경에서도, 도 4의 QPSK 성상도(constellation) 예시에서 볼 수 있듯이, 등화기 필터(EqFilter)(122)와 등화기 이미지부(EqFilter_Image)(157)의 필터 탭수를 종래 19 탭과 달리 13 탭으로 줄여도, 정상적인 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 신호 송수신이 가능함을 확인하였다. 도 4는 롤오프(roll off) 값(RO)(수학식 1 참조)이 0.05인 경우의 예시이다.

도 5는 위성 신호의 반송파(carrier) 스펙트럼(roll off 0.05)과 본 발명의 통신 장치(100)가 탑재될 수 있는 위성중계기의 내부 대역제한 필터의 전달함수 특성을 나타낸 것이다. 일반적으로 반송파 신호가 일반적인 위성중계기 필터에 의해 대역의 가장자리 부분의 신호에 왜곡이 발생할 수 있다. 하지만 본 발명의 등화기 구조가 적용되는 경우에 대한 도 5의 그래프의 예시에서도 볼 수 있듯이, 대역제한 위성중계기 필터의 -3dB 대역폭은 약 130MHz로서 반송파 신호의 대역폭 -3dB 대역폭 140MHz에 근접하여 본 발명의 등화기 구조에 따라 인접심볼간섭이 제거되어 SNR(Signal to Noise Ratio)가 개선되어 대역폭대비 심볼속도를 높일 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 등화기 구조가 있는 경우의 FER(Frame Error Rate)의 성능에 대한 도 6의 그래프에서와 같이, 8PSK, 16APSK, 32APSK 등 다양한 변조 방식에서 이성적인(ideal) AWGN 채널환경대비 0.5dB 미만 손실 내에서 동작함을 확인할 수 있었다. 본 발명에서 언급되는 변조 방식은 PSK, APSK 이외에도 경우에 따라 QAM, FSK, GFSK, VSB, MSK, GMSK 등 다양한 변조 방식을 포함할 수 있다.

그리고, 도 7은 본 발명의 등화기 구조가 있는 경우의 대역폭당 전송 효율(Spectral Efficiency, S.E)을 설명하기 위한 그래프이다. 도 7과 같이, 스몰(small) 롤오프(roll off) 값(RO)=0.05를 도입하는 경우 기존 DVB(Digital Video Broadcasting)-S2(또는 DVB-S2x) 규격인 RO=0.2 대비 대역폭당 전송효율이 약 10% 정도 개선됨을 확인할 수 있었다. 도 6의 bound 데이터는 환경에 따라 좀 더 전송효율이 개선될 수 있음을 나타낸다.

이와 같이 본 발명의 통신 장치(100)는 모든 디지털 통신 장비에 적용할 수 있지만, 예를 들어, DVB-S2(또는 DVB-S2x) 표준 송수신 모뎀에 적용하여 위성 방송이나 통신을 위한 위성 서비스 신호의 왜곡이나 인접심볼간섭을 효과적으로 제거할 수 있으며, 대역폭당 위성 신호의 송수신 주파수 효율, 또는 전송 효율(Spectral Efficiency, S.E)을 개선할 수 있다. 즉, 3dB 대역폭 관점에서 위성중계기 필터의 대역폭 대비 전송신호 반송파의 대역폭이 약간 큰 경우(small roll off 적용 경우)의 채널, 예를 들어, 롤오프(roll off) 값(RO)이 0 내지 0.2 사이에서 본 발명의 등화기 구조에 따라 인접심볼간섭이 제거되어 SNR(Signal to Noise Ratio)가 개선되어 대역폭([수학식 1]의 W 참조) 대비 심볼속도([수학식 1]의 R_s 참조)를 높일 수 있게 된다. 또한, 위성중계기 등의 필터에서의 필터통과의 선형왜곡 특성이 심한 채널에서 신호왜곡을 보정함으로써 SNR을 개선하고 심볼속도를 증가시킬 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

수신 샘플처리부(110)
등화기(120)
수신 상태 추정부(130)
필터 업데이트 처리부(150)
버퍼(151)
등화기 탭계수 업데이트부(152)
기준 심볼 제어부(Ref Symbol control unit)(153)

Claims

오버샘플된 샘플을 수신하여 FIR(Finite Impulse Response) 필터링으로 주파수 대역 균등화를 수행하고 축약된 샘플을 출력하는 등화기;
상기 축약된 샘플을 수신하여 전송 방식에 대한 정보를 검출하고 해당 변조방식 및 프레임 길이에 따른 동기 시점에 모드 전환 신호를 생성하는 수신 상태 추정부; 및
상기 등화기로부터 상기 오버샘플된 샘플을 수신하는 별도의 제2등화기가 상기 주파수 대역 균등화를 수행하고 생성하는 데이터를 이용하여 상기 FIR 필터링을 위한 탭 계수들을 업데이트하여 상기 등화기에 제공하되, 상기 모드 전환 신호에 따라 블라인드 모드에서 DA(data-aided) 모드로 전환하여 상기 탭 계수들의 업데이트를 수행하는 필터 업데이트 처리부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
제1항에 있어서,
상기 통신 장치는 3dB 대역폭 관점에서 전송신호 반송파의 대역폭이 상기 통신 장치가 적용된 필터의 대역폭 보다 소정의 범위에서 큰 대역을 사용하는 채널 또는 필터통과의 선형왜곡 특성이 심한 채널에서 신호왜곡을 보정함으로써 심볼속도를 증가시키기 위한 것을 특징으로 하는 통신 장치.
제2항에 있어서,
상기 필터는 위성중계기 필터이고, 상기 소정의 범위는 수학식 W= R_s*(1+RO)에서 반송파의 대역폭(W), 심볼속도(R_s)에 대하여 롤 오프값(RO)을 0 내지 0.2로하는 범위를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
제1항에 있어서,
상기 전송 방식에 대한 정보는 MODCOD(Modulation Code rate) 정보인 것을 특징으로 하는 통신 장치.
제1항에 있어서,
상기 통신 장치는 VCM(Variable Coding and Modulation) 또는 ACM(Adaptive Coding and Modulation) 환경에서 위성 신호를 수신하기 위한 것을 특징으로 하는 통신 장치.
제1항에 있어서,
상기 필터 업데이트 처리부는, 별도로 DSP(Digital Signal Processing) 칩으로 구현된 것을 특징으로 하는 통신 장치.
제1항에 있어서,
상기 오버샘플된 샘플은 심볼당 2 오버샘플(oversamples)로 구성되며, 상기 축약된 샘플은 심볼당 1샘플로 구성되는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
제1항에 있어서,
상기 필터 업데이트 처리부는,
상기 제2등화기의 출력과 출력 신호 파워값 간의 오차에 해당하는 에러를 산출하여 해당 모드에서 상기 탭 계수들을 업데이트하는 업데이트 인터럽트 요청부; 및
상기 DA 모드에서 상기 업데이트 인터럽트 요청부가 상기 에러의 계산에 사용할 데이터를 제공하는 기준 심볼 제어부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
제8항에 있어서,
상기 기준 심볼 제어부는,
상기 수신 상태 추정부에서 상기 축약된 샘플을 기초로 생성한 제어 신호에 따라 기준 심볼의 레벨과 위상을 조정하여 생성한 상기 데이터를 제공하는 신호 레벨/위상 조정기
를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
제1항에 있어서,
상기 통신 장치는 DVB(Digital Video Broadcasting)-S2 또는 DVB-S2x를 포함하는 DVB 모뎀에 적용을 위한 것을 특징으로 하는 통신 장치.
등화기에서 오버샘플된 샘플을 수신하여 FIR(Finite Impulse Response) 필터링으로 주파수 대역 균등화를 수행하고 축약된 샘플을 출력하는 단계;
상기 축약된 샘플을 수신하여 전송 방식에 대한 정보를 검출하고 해당 변조방식 및 프레임 길이에 따른 동기 시점에 모드 전환 신호를 생성하는 단계; 및
상기 등화기로부터 상기 오버샘플된 샘플을 수신하는 별도의 제2등화기가 상기 주파수 대역 균등화를 수행하고 생성하는 데이터를 이용하여 상기 FIR 필터링을 위한 탭 계수들을 업데이트하여 상기 등화기에 제공하되, 상기 모드 전환 신호에 따라 블라인드 모드에서 DA(data-aided) 모드로 전환하여 상기 탭 계수들의 업데이트를 수행하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치의 신호 수신 방법.
제11항에 있어서,
상기 통신 장치는 3dB 대역폭 관점에서 전송신호 반송파의 대역폭이 상기 통신 장치가 적용된 필터의 대역폭 보다 소정의 범위에서 큰 대역을 사용하는 채널 또는 필터통과의 선형왜곡 특성이 심한 채널에서 신호왜곡을 보정함으로써 심볼속도를 증가시키기 위한 것을 특징으로 하는 통신 장치의 신호 수신 방법.
제12항에 있어서,
상기 필터는 위성중계기 필터이고, 상기 소정의 범위는 수학식 W= R_s*(1+RO)에서 반송파의 대역폭(W), 심볼속도(R_s)에 대하여 롤 오프값(RO)을 0 내지 0.2로하는 범위를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치의 신호 수신 방법.
제11항에 있어서,
상기 전송 방식에 대한 정보는 MODCOD(Modulation Code rate) 정보인 것을 특징으로 하는 통신 장치의 신호 수신 방법.
제11항에 있어서,
상기 통신 장치는 VCM(Variable Coding and Modulation) 또는 ACM(Adaptive Coding and Modulation) 환경에서 위성 신호를 수신하기 위한 것을 특징으로 하는 통신 장치의 신호 수신 방법.
제11항에 있어서,
상기 오버샘플된 샘플은 심볼당 2 오버샘플(oversamples)로 구성되며, 상기 축약된 샘플은 심볼당 1샘플로 구성되는 것을 특징으로 하는 통신 장치의 신호 수신 방법.
제11항에 있어서,
상기 탭 계수들의 업데이트를 수행하는 단계에서,
상기 제2등화기의 출력과 출력 신호 파워값 간의 오차에 해당하는 에러를 산출하여 해당 모드에서 상기 탭 계수들을 업데이트하되,
상기 DA 모드에서 상기 축약된 샘플을 기초로 생성한 제어 신호에 따라 기준 심볼의 레벨과 위상을 조정하여 생성한 데이터를 에러 계산에 이용하여 상기 탭 계수들을 업데이트하는 것을 특징으로 하는 통신 장치의 신호 수신 방법.