KR20000043086A - 직교주파수분할다중화수신기초기주파수동기장치및그방법 - Google Patents

Abstract

직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing::OFDM) 수신기 초기 주파수 동기 장치 및 방법이 개시된다. 본 직교주파수분할다중화(OFDM) 수신기 초기 주파수 동기 장치는 복조된 심볼 데이터를 입력하여 소정의 회전량 d 으로 순환 회전시킨 심볼 데이터 X(k+d) 를 저장하여 출력하는 버퍼와, 위상기준심볼 Z(k) 을 발생하는 기준심볼 발생부와, 회전량 d 값을 계수화하는 카운터와, 수신신호 X(k) 와 기준심볼 Z(k) 을 입력하여 K 개의 분할 대역들에 대하여 부분상관값으로써를 계산하는 부분 상관부, 및 상기 부분상관값이 최대가 되는 회전량 d 를 구하여 출력하는 최대값 검출부를 포함하여, 적은 계산에 의하여 안정적인 주파수 동기를 수행할 수 있도록 한다.

Description

직교주파수분할다중화 수신기 초기 주파수 동기 장치 및 그 방법

본 발명은 직교주파수분할다중화(OFDM) 수신기에 관한 것으로, 더 상세하게는 직교주파수분할다중화(OFDM) 수신기의 초기 주파수 동기 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

도 1에는 종래의 직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing:: OFDM) 수신기의 구조를 블록도로써 도시하였다. 도 1을 참조하면, 종래의 OFDM 수신기는 OFDM 복조부(10)와 주파수 동기부(12)를 구비한다. OFDM 복조부(10)는 RF 수신부(101), A/D 변환부(102), I/Q 분리부(103), 주파수 보정부(104), FFT부(105), 및 비터비(Viterbi) 디코더부(106)를 구비한다. 주파수 동기부 (12)는 버퍼(121), 복소(complex) 데이터 곱셈기(122), IFFT부(123), 최대값 검출기(124), 카운터(125), 및 기준심볼 발생부(126)를 구비한다.

상기와 같은 수신기의 동작을 설명하면, 먼저, RF 수신부(101)는 RF 신호를 수신한다. A/D 변환부(102)는 수신된 RF 신호를 양자화한다. I/Q 분리부(103)는 양자화된 신호로부터 I/Q를 분리하고, 주파수 보정부(104)는 주파수 오차를 보정한다. FFT부(105)는 주파수 보정된 신호를 입력하여 푸리에 변환함으로써 복조를 수행하고, 비터비(Viterbi) 디코더부(106)는 복조된 신호를 디코딩한다.

한편, 복조된 신호는 주파수 동기부(12)의 버퍼(121)에 저장되었다가 수신신호 Χ 로써 출력된다. 기준심볼 발생기(126)에서 출력되는 위상기준심볼은 Ζ 라 한다. 수신신호가 w 만큼의 프레임동기 오차를 가질 경우 Χ 와 Ζ 의 k 번째 신호를 각각 X_k 와 Z_k 라 하면 X_k= Z_ke^{-j 2π k w/N} 가 된다. 복소(complex) 데이터 곱셈기(122)는 X_k 와 Z_k 의 공액값을 각각 곱한다. 곱해진 신호는 IFFT부(123)에 의하여 역푸리에 변환됨으로써,

를 출력한다. 이 때, 송신신호 Z_k 에 대하여 주파수 오차의 정수배 Δf_i 가 포함된 수신신호는 X_k= Z_k-Δfi e^{-j 2π k w/N} 가 된다. 따라서 수학식 1은,

와 같이 정리된다. 상기 수학식 2의 결과는 시간영역에서 두 신호의 콘볼루션을 구하는 과정과 동일하며 그 결과값 h_n 은 채널임펄스응답(이하 CIR이라 칭한다)이다. 이와 같이, 주파수 영역 기준신호를 알고 있는 OFDM 시스템에서는 전송되는 기준심볼을 이용하여 채널임펄스응답(Channel Impulse Response: CIR)을 구할 수 있다. 여기서, 만일 송신단에서 주어진 신호 Z_k 가 k 에 대하여 상관관계가 없도록, 즉, PN 신호열(Pseudo Noise Sequence)로 주어진다면 수학식 2의 결과는 주파수 오차 Δf_i 가 0인 경우에만 최대의 피크값이 존재할 것이고 그렇지 않은 경우에는 값이 아주 낮은 잡음성 값의 나열이 발생하게 될 것 임을 알 수 있다. 이와 같은 관계를 이용하여 수신신호를 Δf_i 에 대하여 순환 회전시키고 최대값 검출기(124)에서 수학식 2를 적용하여 최대의 피크값을 검출하며, 카운터(125)에서 그러한 최대의 피크값이 발생하는 회전량 Δf_i 을 찾는다. 회전량 Δf_i 은 검출하고자 하는 주파수 오차의 정수배에 해당하는 오차값 F_o 이 된다. 이 관계를 정리하면,

과 같다. 여기에서 Z 는 위상기준 심볼이며 X_R 은 주파수영역에서 수신심볼 X 의 개별값 X_k 을 Δf_i 만큼 순환회전시킨 X_((k+Δfi))N 로 구성되는 수신심볼이다.

상기와 같은 종래의 OFDM 수신기에서 초기주파수 동기 방법은 이론 및 실제적으로 채널의 환경이나 프레임동기 오차와 관계없이 모든 경우에 거의 정확한 주파수 오차를 추정할 수 있다. 하지만, 상기 방법은 계산량이 너무 많은 단점이 있다. 따라서 주어진 짧은 시간동안에 정확한 주파수 오차를 추정하기 위하여 매우 복잡한 역푸리에변환(IFFT) 모듈을 채택해야 하고, 응답시간이 길어 시간 지연이 과도하게 발생한다는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 적은 계산에 의하여 안정적인 주파수 동기를 수행할 수 있는 직교주파수분할다중화(OFDM) 수신기 초기 주파수 동기 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 장치에서 구현되는 초기 주파수 동기 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 적은 계산에 의하여 안정적인 주파수 동기를 수행할 수 있는 직교주파수분할다중화(OFDM) 수신기를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 직교주파수분할다중화 수신기에 대한 구조의 일 예를 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따른 초기 주파수 동기 장치 및 방법을 설명하기 위하여 프레임동기 오차가 있는 자기신호의 지연신호와 자기신호와의 프레임동기 오차에 대한 지연상관대역폭의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초기 주파수 동기 장치를 구비한 직교주파수분할다중화 수신기의 구조를 도시한 블록도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초기 주파수 동기 방법의 주요 단계들을 나타낸 흐름도이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 초기 주파수 동기 오차 검출 방법에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

도 6a 및 도 6b는 종래의 초기 주파수 동기 오차 검출 방법에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 초기 주파수 동기 방법의 오차 검출 정확도를 설명하기 위하여 프레임동기 오차범위에 따른 이론적 구간 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

30...OFDM 복조부, 301...RF 수신부,

302...A/D 변환부, 303...I/Q 분리부,

304...주파수 보정부, 305...FFT부,

306...비터비(Viterbi) 디코더부, 32...주파수 동기부,

331...버퍼, 322...부분 상관기,

324...최대값 검출기, 325...카운터,

326...기준심볼 발생부,

X(k+d) ...순환 회전시킨 심볼 데이터,

Z(k) ...위상기준심볼, d ...회전량.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에 따른 직교주파수분할다중화(OFDM) 수신기 초기 주파수 동기 장치는 직교주파수분할다중화(OFDM) 수신기의 주파수 동기부내에 구비되어 초기 주파수 동기를 수행하는 초기 주파수 동기 장치에 있어서 복조된 심볼 데이터를 입력하여 소정의 회전량 d 으로 순환 회전시킨 심볼 데이터 X(k+d) 를 저장하여 출력하는 버퍼와, 위상기준심볼 Z(k) 을 발생하는 기준심볼 발생부와, 회전량 d 값을 계수화하는 카운터와, 수신신호 X(k) 와 기준심볼 Z(k) 을 입력하여 K 개의 분할 대역들에 대하여 부분상관값으로써를 계산하는 부분 상관부, 및 상기 부분상관값이 최대가 되는 회전량 d 를 구하여 출력하는 최대값 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전량 d 은 ±K/2 이내의 범위인 것이 바람직하다.

상기 다른 과제를 이루기 위하여 본 발명에 따른 직교주파수분할다중화(OFDM) 수신기 초기 주파수 동기 방법은 직교주파수분할다중화(OFDM) 복조와 주파수 동기를 수행하는 직교주파수분할다중화 수신 처리시 초기 주파수 동기를 수행하는 방법에 있어서 복조된 심볼 데이터를 입력하여 소정의 회전량 d 으로 순환 회전시킨 심볼 데이터 X(k+d) 를 저장하여 출력하는 단계와, 위상기준심볼 Z(k) 을 발생하는 단계와, 회전량 d 값을 계수화하는 단계와, 수신신호 X(k) 와 기준심볼 Z(k) 을 입력하여 K 개의 분할 대역들에 대하여 부분상관값으로써를 계산하는 단계, 및 상기 부분상관값이 최대가 되는 회전량 d 를 구하여 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방법은 시간동기의 허용오차를 K/2 샘플 이내에 동기되도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 또 다른 과제를 이루기 위하여 본 발명에 따른 직교주파수분할다중화(OFDM) 수신기는 복조된 심볼 데이터를 입력하여 소정의 회전량 d 으로 순환 회전시킨 심볼 데이터 X(k+d) 를 저장하여 출력하는 버퍼와, 위상기준심볼 Z(k) 을 발생하는 기준심볼 발생부와, 회전량 d 값을 계수화하는 카운터와, 수신신호 X(k) 와 기준심볼 Z(k) 을 입력하여 K 개의 분할 대역들에 대하여 부분상관값으로써를 계산하는 부분 상관부, 및 상기 부분상관값이 최대가 되는 회전량 d 를 구하여 출력하는 최대값 검출부를 구비하는 초기 주파수 동기 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 직교주파수분할다중화 수신기 초기 주파수 동기 장치 및 방법의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 초기 주파수 동기 장치 및 방법에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명에 적용되는 상관값과 지연상관 대역폭에 대하여 상세히 기술하기로 한다.

먼저, 수신신호의 반송파 주파수 오차의 영향을 보기 위하여 수신신호의 k 번 째 부반송파 수신 주파수를 f_k+f_off 로 가정한다. 여기에서 f_k 는 부반송파의 주파수이며 f_off 는 주파수 오차이다. 한편 주파수 오차의 단위는 부반송파 주파수간격의 배수를 사용하며 일반적으로 부반송파 간격의 정수배수 및 소수배수의 오차를 별도로 처리한다. 따라서 f_k+f_off 의 각 항을 다음과 같이 정의한다.

여기서, Δf 는 부반송파의 주파수 오차를 부반송파 간격의 배수로 표현한 수이며 Δf 는 다시 정수인 Δf_i 과 -1/2 < Δf_f< 1/2 의 조건을 만족하는 소수의 합으로 표현한다. 이와같은 조건에서 n 번 째 심볼의 수신신호는 다음과 같다. 단, 잡음은 수식전개의 편리를 위하여 없다고 가정한다.

여기서, C_n,k 는 주파수영역에서 n 번 째 심볼의 k 번째 전송신호를 나타내고 N 은 OFDM 부반송파 개수를 나타낸다.

한편, 주파수 오차 중에서 정수배의 오차가 없는 경우, 즉, Δf_i=0 인 복조신호 는 다음과 같다.

위 식에서 복조신호 는 k 가 정수값에서만 계산되므로 주파수 오차 Δf_f 가 0이면 k=p 인 주파수에서만 출력이 발생하고 나머지 주파수에서는 출력이 0이 되어 주파수들 사이의 직교성이 유지된다. 하지만, 주파수 오차 Δf_f 가 0이 아니면 k=p 인 주파수에서도 크기가 감소할 뿐만 아니라 다른 주파수에서도 0이 아닌 출력이 발생하게 된다. 이 값들이 부반송파간의 간섭을 일으켜 채널간 간섭(Inter Channel Interference: ICI) 요소가 된다. 이제 수학식 5의 수신신호로부터 복조신호 를 다음과 같이 얻는다.

이 결과는 주파수 오차의 정수 배에 해당하는 주파수 오차에 의한 영향은 원래 복조되어야 할 신호가 Δf_i 를 정수라 할 때, -Δf_i 만큼 쉬프트(shift)되어 복조됨을 의미한다. 특히 수학식 7은 이산푸리에변환(DFT: Discrete Fourier Transform)의 과정을 포함하고 있으므로 식에서의 쉬프트 현상은 순환적 쉬프트(cyclic shift)가 된다.

따라서, 본 발명에 의한 초기 주파수 동기 방법은 이미 알고있는 위상기준심볼과 수신신호를 심볼구간만큼 순차적으로 회전시키면서 상관값을 구하여 상관값이 최대가 되는 회전량을 주파수 오차의 정수배에 해당하는 양으로 정한다. 이 관계식은 다음과 같다.

여기에서 ((k+d ))_N 은 모듈로-N(modulo-N) 더하기 연산을 표시하는 기호이며 X(k) 은 이산푸리에변환 후의 k 번째 수신신호를, Z(k) 는 k 번째 위상기준신호를 나타낸다. 또한 X(k) 및 Z(k) 는 모두 주파수 영역에서의 신호이다. 하지만, 이러한 방법은 프레임동기가 맞는 경우에는 주파수 오차를 보정할 수 있으나 프레임동기가 맞지 않은 경우에는 주파수 오차를 보정할 수 없는 문제점이 있다. 이 문제점은 수신신호와 위상기준신호와의 지연상관대역폭을 분석하여 해결한다.

이제, 직교주파수분할다중화(OFDM)를 사용하는 DAB 시스템의 경우를 일 예로써 수신신호와 위상기준신호와의 지연상관대역폭에 대하여 기술한다. 일반적으로 채널의 상관대역폭(Coherence Bandwidth)이란 어떤 채널이 '평탄한(flat)', 즉, 모든 스펙트럼 요소에 대하여 근사적으로 같은 이득과 선형 위상을 같도록 통과시키는 채널이라고 간주할 수 있는 통계적으로 측정된 주파수 대역을 말한다. 다시 말하면 그 대역 내에서 임의의 두 개의 서로 다른 주파수 성분이 서로 강한 상관관계를 갖는 주파수 대역을 채널의 상관대역이라 한다. 이때 채널의 상관대역을 B_c 라 하면 B_c 보다 주파수 간격이 멀리 떨어진 두 개의 정현파는 채널에서 서로 다른 영향을 받는다. 따라서 이러한 두 신호의 수신신호 상호상관의 관계는 보장될 수 없음을 의미한다.

시간영역에서 지연관계가 있는 동일 신호의 이산푸리에 변환된 두 신호에 대하여 주파수영역에서 상호상관값을 구할 때 두 신호의 상호상관 관계가 유지되는 주파수 구간을 지연상관대역폭이라 정의한다. 이 관계를 위에서 설명한 채널의 상관대역과 동일한 개념에서 접근하면 그 주파수 대역 내에서 두 신호는 항상 서로 강한 상관관계를 갖는 대역을 의미한다.

직교주파수분할다중화(OFDM) 시스템에서 시간영역 신호를 z(t ) 라 하고 z(t ) 의 T_off 만큼의 프레임동기 오차를 갖는 지연 도착된 신호를 z(t+T_off) 라 한다. 또한 신호 z(t ) 를 이산푸리에변환한 주파수 영역의 신호를 Z(k) 라 하면 신호 z(t+T_off) 를 DFT한 주파수 영역의 신호는,

과 같다. 여기서, 수식전개의 편의를 위하여 잡음과 주파수 오차는 없다고 가정되었으며, N 은 부반송파의 개수이다.

한편, 지연상관대역폭은 상술한 바와 같이 그 주파수 대역 내에서 두 신호가 항상 서로 강한 상관관계를 갖는 대역으로 정의한다. 즉, 임의의 주파수 대역 B 에 대하여 그 대역 내에서 두신호 Z(k) 와 e^{j 2π kToff/N}Z(k) 의 상호상관값이 항상 임계값 이상인 최대의 대역 크기 B 를 구하면 그 대역이 지연상관대역폭이 된다. 이러한 관계는,

과 같이 표현된다. 여기에서 T_C 는 임계값이고 N 은 부반송파 개수이다. 만일, OFDM 신호에서 | Z(k) |=1 을 만족한다면 수학식 10의 좌변은,

과 같이 정리된다. 이 조건은 DAB(Digital Audio Broadcasting) 시스템의 경우에 해당된다. 위 식은 적분구간의 시작위치 m 이 포함되어 있어 프레임동기 오차 T_off 와 적분구간 K 와의 관계가 분명하지 않다. 따라서 먼저 수학식 11이 적분구간의 시작위치 m 에 관계없는 식으로 정리가 가능하며 결과식은,

과 같다. 또한, 수학식 12를 수학식 10에 적용하면 프레임동기 오차의 변화에 따른 지연상관대역폭은,

과 같이 구할 수 있다. 상기 수학식 13의 좌변은 시간영역 신호 z(t ) 와 T_off 만큼의 프레임동기 오차를 갖는 지연 도착된 신호 z(t+T_off) 를 적분구간 K 에 대한 주파수영역 영역에서의 상호상관함수이다. 즉, 지연상관대역폭은 위 식과 같이 프레임동기 오차 T_off 를 갖는 두 신호의 상호상관함수가 항상 임계값 T_C 보다 큰 값을 갖는 대역 B 를 의미한다.

도 2에는 수학식 13의 관계를 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 구한 결과로써, 프레임동기 오차가 있는 자기신호의 지연신호와 자기신호와의 프레임동기 오차에 대한 지연상관대역폭의 관계를 그래프로써 나타내었다. 도 2를 참조하면, 대역폭을 부반송파 개수를 단위로 표현하였으며 채널의 전체 대역은 1024로 하였다. 또한, 상관관계 임계값이 각각 0.2, 0.5, 0.9 및 0.99로 하였을 때 프레임동기 오차가 없는 경우부터 100.0샘플까지의 프레임동기 오차가 있을 때의 지연상관대역폭을 구하였다. 도 3을 참조하면, 상관관계 임계값을 높여 줄수록 지연상관대역폭은 좁게 나타남을 알 수 있다. 이러한 현상은 다경로 채널의 상관대역폭에서의 관계와 동일한 것이다. 한편, 시간지연 요소가 일반적으로 코히런스(coherence ) 대역폭과 역수관계에 있는 관계를 비교하기 위하여 BW/2T_off 에 의한 대역폭을 비교 표시하였다. 이 경우, 프레임동기 오차에 대한 대역폭 변화 관계가 상관관계 임계값을 0.5로 하였을 때의 대역폭 변화 관계와 유사하게 나타난다. 따라서 지연상관대역폭을 근사적으로 BW/2T_off 로 사용할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 관계로부터, 참조신호와 수신신호가 시간지연 관계에 있는 경우, 두 신호에 대한 지연상관대역폭은 지연시간에 반비례하는 관계가 있다. 이러한 관계는 지연상관대역폭이 일반적으로 알고 있는 다경로 채널의 상관대역폭과 거의 유사하게 볼 수 있다. 따라서, 이상에서 설명한 바와 같은 프레임 동기 오차가 있는 자기 신호의 지연신호와 자기 신호와의 프레임 동기 오차에 대한 지연상관대역폭의 관계로부터 주파수 영역의 두 신호가 지연상관대역폭 보다 멀리 떨어진 경우 두 신호의 상관관계는 보장될 수 없음을 의미한다. 또한 시간지연에 의한 상관대역폭의 감쇄는 BW/2T_off 로 근사화 된다. 이러한 원리를 본 발명에 적용하였다.

다음으로, 본 발명에 따른 직교주파수분할다중화 수신기 초기 주파수 동기에 대하여 상세히 설명한다. 먼저, 수학식 8에서 위상기준신호 Z(k) 의 역푸리에 변환된 신호 z(t) 를 기준신호라 하고 신호 X(m) 의 역푸리에 변환된 신호 x(t) 를 수신신호라 가정한다. 그리고 수신신호 x(t) 가 Δt 만큼의 시간지연 즉, 프레임동기 오차를 갖는다고 가정한다. 이 경우 위에서 설명한 관계에 의하여 프레임동기 오차 Δt 는 주파수축 지연상관대역폭과 역수의 관계가 성립한다. 이러한 관계는 프레임동기 오차가 클수록 주파수축 지연상관대역폭은 줄어든다는 것을 의미한다.

본 발명에 의한 초기 주파수동기 방법은 기본적으로 위상기준신호 상관값을 이용한 초기 주파수동기이다. 본 방법에 따르면, 상호상관함수의 적분구간을 프레임동기 오차에 의하여 발생된 참조신호와 수신신호와의 줄어든 지연상관대역폭 이내로 줄인다. 즉, 참조신호와 수신신호에 대한 상호상관값을 구할 때 적분구간을 두 신호의 지연상관대역폭 이내로 줄여 여러개의 작은 블록으로 나누어 적용한 후 평균 또는 합을 취하는 방법을 사용하면 프레임의 프레임동기가 정확히 맞지 않아 발생하는 위상기준신호와 수신신호와의 무상관대역이 배제됨으로서 상호상관함수값이 항상 의미를 갖게 된다. 따라서 프레임동기가 맞지 않은 경우에도 초기 주파수동기가 가능하게 된다. 이러한 원리들이 본 발명에 따른 초기 주파수 동기 장치 및 방법에 적용된다.

도 3에는 본 발명의 실시예에 따른 초기 주파수 동기 장치를 구비한 직교주파수분할다중화(OFDM) 수신기의 구조의 일예를 블록도로써 도시하였다. 도 3을 참조하면, 상기 OFDM 수신기는 OFDM 복조부(30)와 주파수 동기부(32)를 구비한다. OFDM 복조부(30)는 RF 수신부(301), A/D 변환부(302), I/Q 분리부(303), 주파수 보정부(304), FFT부(305), 및 비터비(Viterbi) 디코더부(306)를 구비한다. 주파수 동기부 (32)는 버퍼(321), 부분 상관기(322), 최대값 검출기(324), 카운터(325), 및 기준심볼 발생부(326)를 구비한다.

상기와 같은 장치에는 본 발명에 따른 직교주파수분할다중화 수신기의 초기 주파수 동기 방법이 구현된다. 도 4에는 본 발명의 실시예에 따른 직교주파수분할다중화 수신기의 초기 주파수 동기 방법의 주요단계들을 흐름도로써 도시하였다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 초기 주파수 동기 방법은 복조된 심볼 데이터를 입력하여 소정의 회전량 d 으로 순환 회전시킨 심볼 데이터 X(k+d) 를 저장하여 출력(단계 30)한다. 다음에는 위상기준심볼 Z(k) 을 발생(단계 32)하고, 회전량 d 값을 계수화하면서 수신신호 X(k) 와 기준심볼 Z(k) 을 입력하여 K 개의 분할 대역들에 대하여 부분상관값으로써를 계산(단계 34)한다. 다음에는 상기 부분상관값이 최대가 되는 회전량 d 를 구하여 출력한다(단계 36).

다시 도 3을 참조하여, 상기와 같이 구현된 본 발명의 실시예에 따른 초기 주파수 동기 장치의 동작을 설명하면, 버퍼(321)는 복조된 심볼 데이터 X(k) 를 입력하여 소정의 회전량 d 으로 순환 회전시킨 심볼 데이터 X(k+d) 를 저장하여 출력한다. 카운터(324)는 회전량 d 값을 계수화한다. 기준심볼 발생부(325)는 위상기준심볼 Z(k) 을 발생한다. 부분 상관부(322)는 수신신호 X(k) 와 기준심볼 Z(k) 을 입력하여 K 개의 분할 대역들에 대하여 부분상관값으로써를 계산한다. 최대값 검출부(323)는 상기 부분상관값이 최대가 되는 회전량 d 를 구하여 출력한다. 결과적으로, 본 발명에 따른 초기 주파수 동기 장치에서는,

의 알고리즘이 사용된다. 여기서, N 은 부반송파의 개수이고 K 는 상호상관함수 적분구간을 나눈 개수이다. 즉, 하나의 적분구간은 N/K 개의 부반송파 대역에 해당한다. 또한, 분할된 개별 대역을 분할대역( BW_s )이라 하면, K 개만큼 분할된 하나의 분할대역의 크기는 BW_s= 1/K×BW ( BW 는 채널의 전체대역)에 해당한다.

본 발명에 따른 방법 및 장치에 의하여 초기 주파수 동기 오차 검출이 제대로 수행되는지를 확인하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 도 5a 및 도 5b에는 그 시뮬레이션 결과를 그래프로써 나타내었으며, 비교를 위하여 도 6a 및 도 6b에는 종래의 초기 주파수 동기 오차 검출 방법에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 시뮬레이션 실험 조건은 가우시안 채널, 신호대잡음비(SNR)는 5dB, 부반송파개수는 1024, 주파수 오차는 부반송파 개수의 -62.4배로 주었으며, 도 5a와 도 6a는 프레임동기오차 0.0인 경우이고, 도 5b 및 도 6b는 프레임동기 오차가 10.0인 경우이다. 종래의 초기 주파수 동기 방법에 따른 초기 주파수 동기 오차 검출 시뮬레이션은 가우시안 채널에서 전체 대역에 대한 상관함수를 적용하였다. 또한, 본 발명의 초기 주파수 동기 방법에 따른 초기 주파수 동기 오차 검출 시뮬레이션은 분할 대역의 개수가 32 개인 경우이며, 가우시안채널에서 부분대역 분할 상관함수의 합을 적용하였다. 또한, 가로축은 주파수, 세로축은 상관함수의 값을 각각 나타낸다. 이 때, 주어진 주파수 동기 오차가 -62.4이므로 최고값이 가로축 -62의 위치에서 최대값이 발생할 경우 초기 주파수 오차 검출이 정확하게 수행되었음을 의미한다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 초기 주파수 동기 방법에 대한 시뮬레이션 결과는 도 5a의 프레임 동기 오차가 없는 경우, 즉, 프레임동기 오차가 0.0인 경우 뿐만 아니라 도 5b의 프레임 동기 오차가 있는 경우, 즉, 프레임동기 오차가 10.0인 경우에도 주어진 주파수 동기 오차에 해당하는 가로축 -62의 위치에서 최대값이 발생하므로 초기 주파수 동기 오차 검출이 정확하게 수행됨을 확인할 수 있다. 단, 본 발명에 따른 초기 주파수 동기 방법은 프레임 동기 오차가 분할대역 개수의 1/2 이내인 것이 바람직하다.

반면에, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 종래의 초기 주파수 동기 오차 검출 방법에 의하면 프레임동기 오차가 없는 경우, 즉, 프레임동기 오차가 0.0인 경우에는 도 6a에 나타낸 바와 같이 정확하게 초기 주파수 오차를 검출하는 것이 가능하지만 프레임 동기 오차가 있는 경우에는 즉, 프레임동기 오차가 10.0인 경우에는 도 6b에 나타낸 바와 같이 주어진 주파수 동기 오차에 해당하는 가로축 -62의 위치에서 어떠한 피크도 나타내지 않으며, 따라서, 초기 주파수 오차 검출이 불가능함을 알 수 있다.

또한, 도 7a 내지 도 7d에는 이론적 정확도와 시뮬레이션에 의한 정확도를 설명하기 위한 그래프를 도시하였다. 즉, 도 7a 내지 도 7d에는 가우시안채널에서 신호대잡음비(SNR)가 5dB인 경우에 프레임동기 -50∼+50 샘플 구간의 차에 대하여 -510∼510의 임의 주파수 오차에 대한 본 발명의 초기 주파수동기 방법이 주파수동기 오차를 정확히 검출해 낼 수 있는 프레임동기의 오차구간을 이론적인 구간 및 시뮬레이션을 통해 구한 구간으로 비교하여 보여준다. 이론적 구간은 굵은 실선으로 표시하였고 시뮬레이션을 통하여 구한 구간은 가는 실선으로 표시하였다. 또한, 시뮬레이션에서는 부반송파의 개수를 각각 1024 및 2048에 대하여 적용하였다. 또한 보호구간의 크기는 128 샘플이다. 시뮬레이션 방법은 하나의 프레임동기 오차에 대하여 임의 주파수 오차를 매번 100회씩 적용하여 주파수 오차를 정확히 획득할 확률을 구한 결과이다.

도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 본 발명에 따른 방법이 이론적으로 제시한 K 개만큼 분할된 하나의 분할대역의 크기 BW_s= 1/K×BW 를 상관함수의 적분구간으로 사용할 경우 부반송파의 배수로 나타낸 주파수 오차가 ±K/2 이내인 경우에 항상 초기 주파수 오차 검출이 가능함을 나타낸다. 도 7a는 분할대역 BW_s=1/8×BW 인 경우이고, 도 7b는 분할대역 BW_s=1/16×BW 인 경우이며, 도 7c는 분할대역 BW_s=1/32×BW 인 경우이고, 도 7d는 분할대역 BW_s=1/64×BW 인 경우이다. 따라서 본 발명에 따른 방법에 대한 시뮬레이션 실험은 본 발명의 방법이 특징적으로 갖는 상관함수의 적용 적분구간의 분할 방법이 적분구간을 분할하지 않았을 경우에 대하여 프레임 동기가 맞지 않은 경우에도 초기 주파수 동기 오차를 정확히 검출할 수 있음을 보인다.

상기와 같은 본 발명에 따른 방법에 의하면, N 개의 부반송파를 사용하는 직교주파수분할다중화(OFDM) 시스템에서 복소곱셈의 계산량을 기준으로 할 때, 본 발명에 따른 방법에서의 계산량은 N² 에 비례한다. 하지만, 채널의 단위응답을 이용한 종래의 방법은 에 비례하는 계산량이 필요하다. 따라서 본 발명에 따른 방법은 초기 프레임동기 알고리즘의 오차범위 이내에서 종래의 방법과 마찬가지로 안정적으로 동작하면서 의 추가적인 계산량을 감소시킬 수 있다. 이 감소된 계산량은 종래 방법의 계산량과 비교하여 1024개의 부반송파를 사용하는 경우 1/6배, 그리고 2048개의 부반송파를 사용하는 경우 1/11배만의 계산량만을 필요로 한다. 또한 감소된 계산량은 부반송파 개수에 해당하는 N 번의 역푸리에변환(IFFT) 과정을 제거한 결과와 동일하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 직교주파수분할다중화(OFDM) 수신기 초기 주파수 동기 방법 및 장치는 적은 계산에 의하여 안정적인 주파수 동기를 수행할 수 있도록 한다.

Claims (6)

1. 직교주파수분할다중화(OFDM) 수신기의 주파수 동기부내에 구비되어 초기 주파수 동기를 수행하는 초기 주파수 동기 장치에 있어서,

   복조된 심볼 데이터를 입력하여 소정의 회전량 d 으로 순환 회전시킨 심볼 데이터 X(k+d) 를 저장하여 출력하는 버퍼;

   위상기준심볼 Z(k) 을 발생하는 기준심볼 발생부;

   회전량 d 값을 계수화하는 카운터;

   수신신호 X(k) 와 기준심볼 Z(k) 을 입력하여 K 개의 분할 대역들에 대하여 부분상관값으로써를 계산하는 부분 상관부; 및

   상기 부분상관값이 최대가 되는 회전량 d 를 구하여 출력하는 최대값 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교주파수분할다중화 수신기의 초기 주파수 동기 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 회전량 d 은 ±K/2 이내의 범위인 것을 특징으로 하는 직교주파수분할다중화 수신기의 초기 주파수 동기 장치.
3. 직교주파수분할다중화(OFDM) 복조와 주파수 동기를 수행하는 직교주파수분할다중화 수신 처리시 초기 주파수 동기를 수행하는 방법에 있어서,

   복조된 심볼 데이터를 입력하여 소정의 회전량 d 으로 순환 회전시킨 심볼 데이터 X(k+d) 를 저장하여 출력하는 단계;

   위상기준심볼 Z(k) 을 발생하는 단계;

   회전량 d 값을 계수화하는 단계;

   수신신호 X(k) 와 기준심볼 Z(k) 을 입력하여 K 개의 분할 대역들에 대하여 부분상관값으로써를 계산하는 단계; 및

   상기 부분상관값이 최대가 되는 회전량 d 를 구하여 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교주파수분할다중화 수신기의 초기 주파수 동기 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 회전량 d 은 ±K/2 이내의 범위인 것을 특징으로 하는 직교주파수분할다중화 수신기의 초기 주파수 동기 방법.
5. 제3항에 있어서, 시간동기의 허용오차를 K/2 샘플 이내에 동기되도록 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직교주파수분할다중화 수신기의 초기 주파수 동기 방법.
6. 직교주파수분할다중화(OFDM) 수신기에 있어서,

   복조된 심볼 데이터를 입력하여 소정의 회전량 d 으로 순환 회전시킨 심볼 데이터 X(k+d) 를 저장하여 출력하는 버퍼;

   위상기준심볼 Z(k) 을 발생하는 기준심볼 발생부;

   회전량 d 값을 계수화하는 카운터;

   수신신호 X(k) 와 기준심볼 Z(k) 을 입력하여 K 개의 분할 대역들에 대하여 부분상관값으로써를 계산하는 부분 상관부; 및

   상기 부분상관값이 최대가 되는 회전량 d 를 구하여 출력하는 최대값 검출부;를 구비하는 초기 주파수 동기 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교주파수분할다중화 수신기.