KR20010113422A

KR20010113422A - 오에프디엠 시스템에서 고출력 증폭기에 의한 비선형왜곡을 보상하기 위한 디로테이션 방법

Info

Publication number: KR20010113422A
Application number: KR1020000034000A
Authority: KR
Inventors: 최승국
Original assignee: 최승국
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2001-12-28

Abstract

고출력 증폭기를 사용하는 OFDM 시스템에서 증폭기의 비선형적인 특성은 수신 데이터 재생 시 비트 오류율(bit error rate)을 증가시키는 문제가 있다. 본 발명에서는 이러한 비선형적인 특성이 수신 신호에 미치는 영향을 감소시키기 위한 보상 기법에 관한 것이다. 왜곡을 보상하기 위한 방법으로 수신단에서 수신 신호의 성상도(constellation)를 역회전(de-rotation) 시키는 보상 기법이 사용되어 오고 있다. 본 발명에서는 이 de-rotation을 빠르고 정확하게 수행할 수 있는 효과적인 보상 방법을 개발하였다.

Description

오에프디엠 시스템에서 고출력 증폭기에 의한 비선형 왜곡을 보상하기 위한 디로테이션 방법{De-rotation compensation technique for nonlinear distortion in OFDM systems with high power amplifier}

최근 무선 초고속 멀티미디어 데이터 전송의 요구가 급속히 증가함에 따라 이를 위해 제시된 전송 방식 중의 하나가 다중 반송파 전송 방식이다. 이중 직교 주파수 분할 다중 전송(OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing)방식은 직렬로 입력되는 송신 데이터를 병렬화 한 후에 이를 상호 직교성을 가지는 다수의 부반송파를 사용하여 전송하기 때문에 기존의 주파수 분할 다중화 전송(FDM)방식에 비해 대역폭 효율이 우수하고, 전송 심볼의 길이가 DS-CDMA와 같은 단일 반송파 전송 방식보다 부반송파의 수만큼 길어지게 된다. 따라서 고속 데이터 전송 시 발생되는 인접 심볼 간 간섭(ISI : Intersymbol Interference)에 강한 특징을 가지며, 다중 경로에 의한 지연 확산(delay spread)보다 긴 cyclic prefix를 보호구간(guard interval)으로 사용할 경우 심볼 간 간섭을 제거할 수 있다.

그러나 이러한 장점에도 불구하고 OFDM 방식은 단일 반송파 전송 방식에 비해 신호의 최대전력 대 평균전력의 비(PAR : Peak-to-Average Power Ratio)가 크기 때문에, 신호의 증폭을 위해 고출력 증폭기를 사용하는 경우 고출력 증폭기의 비선형적인 특성으로 인한 신호의 왜곡이 시스템의 성능에 심각한 영향을 미치게 된다. 이러한 비선형 왜곡은 출력 신호 레벨을 충분히 back-off(OBO : Output Back-Off) 시킴으로써 감소시킬 수 있으나, 이는 송신출력의 감소를 야기해 결국 증폭기의 효율성 저하와, 다중 경로 페이딩 채널에서의 성능 저하를 가져온다.

OFDM 방식은 할당된 주파수 대역을 여러 개의 부채널로 나누어 전송하는 주파수 분할 방식으로써, 이때 각각의 부채널 간격을 심볼 주기의 역수만큼 되도록 분리하여 주파수를 할당함으로써 부채널 반송파간에 직교성을 유지하도록 한다. 도 1에 OFDM 방식의 송·수신 시스템에 대한 블록도를 나타내었다. 전송되어질 데이터는 우선 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 인코더에 의해 주기가 긴 소스 심볼로 변환된 후, 직·병렬 변환기(S/P)를 거쳐 여러 개의 부반송파로 각각 변조된다. 이때 OFDM 변조를 도 1의 송신기에서와 같이 소스 심볼을 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)한 후, 아날로그 신호로 변환시킨 다음 RF변조시키는 방법으로 간단하게 실현할 수 있다. 이 변조된 신호는 TWT(Traveling Wave Tube)와 같은HPA(High Power Amplifier)를 이용하여 증폭되어 전송되는데, 이러한 고출력 증폭기는 다음과 같이 메모리 없는 비선형 시스템으로 표현될 수 있다.

여기서A 는 증폭기의 크기(AM/AM)변환 특성,φ 은 위상(AM/PM)변환 특성을 나타내고, γ는 증폭기 입력신호의 complex envelop의 크기를 나타낸다. 위 식에서와 같이 고출력 증폭기에 가해지는 입력 신호의 크기가 증가함에 따라 출력은 더욱 비선형적으로 왜곡되어서 증가하는 것을 알 수 있다. 그러므로 입력 신호의 레벨을 증폭기의 선형 영역에서 동작하도록 충분히 back-off시키는 방법이 있으나, 과도한 back-off는 전력이용의 효율성과 fade margin을 감소시키는 결과를 가져온다. 따라서 고출력 증폭기의 성능을 활용하면서 비선형 왜곡에 의한 영향을 감소시키기 위하여 수신단에서 수신 신호의 성상도(constellation)를 역회전(de-rotation) 시키는 보상 방법이 사용되고 있다.

De-rotation에 의한 방식은 수신기에서 QAM decoder 입력에 나타나는 재생된 성상도를 보상하는 방식이다. 이때 이 성상도는 송신기에 있는 고출력 증폭기에 의한 비선형 왜곡에 의하여 송신기 QAM encoder에서 발생되는 소스 심볼이 형성하는 원래의 성상도와 다른 모양으로 재생된다. 이러한 성상도를 다시 원래의 모습에 가깝게 되도록 보상한다.

위의 설명에서와 같이 de-rotation 보상 방법에서는 원래의 성상도에 가깝게수신기에서 성상도를 정확하게 교정하여야 한다. 아울러 고속의 데이터를 전송하려면 시간적으로 빠르게 이 교정을 수행하여야 한다. 그러나 종래의 방법들에서는 빠르고 정확한 보상 방법이 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 본 발명에서는 우선 비선형 증폭기가 성상도에 미치는 영향을 근본적으로 고찰하여 정확하고 빠른 de-rotation 보상 방법을 개발한다.

도 1은 OFDM 전송 시스템의 구성도

도 2는 OBO가 6.0 dB인 고출력 증폭기를 사용한 경우에 수신단에서 재생된 성상도

도 3은 수신단에서 회전량을 추정한 후, 그 양 만큼 de-rotation 시킨 성상도

본 발명에서 우선 비선형 증폭기가 수신단에서 재생되는 성상도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 도 1의 OFDM 시스템 구성도에 따라 컴퓨터 모의 실험을 하였다. 모의 실험에서는 비선형 왜곡에 의한 영향을 주로 분석하기 위하여 다중 경로에 의한 페이딩과 AWGN(Additive White Gaussian Noise)을 고려하지 않고 오직 증폭기의 비선형 특성만을 고려하였다. OFDM 시스템에서는 gray coding된 16-QAM 변조 방식을 사용하였다. QAM encoder의 출력에 나타나는 심볼들은 512개씩 블록화된 후 OFDM 변조된다. OFDM 변조 및 복조를 의해 512-point IFFT/FFT를 이용한다. 증폭기가 비교적 선형적인 입출력 특성에서 동작되도록 동작 지점을 Output Back-Off(OBO) 시킨다. 증폭기 OBO의 크기는 증폭기 출력의 최대 전력과 평균 전력의 비로 정의된다. 이때 송신기 입력 데이터로 실제 상황에 부합되도록 high, low가 같은 확률로 발생되는 불규칙 데이터를 사용하였다.

도 2에 OBO가 6.0dB 일 때 보상기법을 사용하지 않은 경우에 고출력 증폭기의 비선형 왜곡으로 인하여 찌그러져 재생된 신호의 성상도가 도시되었다. 도 2에서 관찰되듯이 오직 증폭기의 비직선성에 의해 재생된 성상도의 inphase(I) 성분과quadrature(Q) 성분이 분산되며 아울러 회전하는 것을 알 수 있다. 성상도가 원래 16 상태의 점들로 재생되지 못하고 분산되며 회전되는 것은 불규칙한 16 종류의 심볼열이 OFDM 변조된 신호들 사이에 서로 인접 채널 간섭(ICI : Inter Channel Interference)이 발생하기 때문이다. 이때 불규칙한 데이터에 의해 발생되는 성상도의 16 상태는 균일한 확률 분포를 갖는다.

De-rotation 보상 방법은 고출력 증폭기에 의해 변형된 성상도를 다시 역회전시키는 기법이다. 본 발명에서는 성상도의 회전량을 추정하기 위하여 전송 신호 중 최초 OFDM 심볼 한 블록 심볼을 훈련 신호로 정해 송신한 후, 수신단에서 샘플 평균을 취한다. 그런데 증폭기에 의한 위상 왜곡은 앞에서 소개된 증폭기의 전달 특성을 나타내는 수식에서와 같이 심볼의 위상과는 무관하고 그 크기에만 관계가 있다. 그러므로 도 2의 성상도와 같이 4개의 각 사분면 상에서 같은 크기(원점에서 각 16개 심볼까지의 거리)를 가지는 심볼에 대한 위상 왜곡은 모두 동일하다. 또한 하나의 사분면 상에 위치하는 4개의 심볼에 대한 회전각도는 모의 실험 결과 모두 같다(도 2 참조). 그러므로 수신단에서 회전량 추정 시 16개 모든 심볼에 대한 회전량을 계산할 필요가 없이 그 중 한 개의 사분면 맨 끝 모서리에 존재하는 한 개의 심볼 주의로 분산되어 나타나는 회전량의 평균값을 구하면 된다. 이때 회전량의 추정을 위하여 성상도 상에서 모든 상태의 심볼이 균일 확률로 분포되는 임의의 훈련 신호를 전송한 후, 수신단에서 한 심볼을 중심으로 분산되는 모든 샘플의 평균 회전량을 계산하는 방식을 사용한다. 왜냐하면 실제 불규칙하게 발생되는 데이터 전송 시 역시 동일한 확률 분포를 가지는 심볼들이 발생되고 이 심볼들이 OFDM 변조된 신호들 간의 ICI에 의해 도 2에서와 같이 16개의 지점들을 중심으로 대칭되게 분포되는 성상도가 형성되기 때문이다. 도 3에 이와 같은 방법으로 회전량을 추정한 후, 성상도를 de-rotation 시켜 보상한 성상도가 도시되었다. 도 3에서 이러한 방법으로 회전된 성상도가 원래의 모양에 가깝게 보상될 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에서 빠르고 정확하게 성상도의 de-rotation을 수행하는 방법을 고안하였다. 실제 균일한 확률 분포로 발생되는 심볼에 의한 ICI 때문에 분산되는 성상도의 모양과 같은 모양의 분산이 발생하도록 훈련 신호로 역시 균일 확률 분포를 가지는 한 블록의 심볼들을 사용함으로서 정확한 보상이 가능하다. 또한 수신단에서 보상해야할 회전량을 빠르게 추정해야 고속의 데이터 전송이 가능하다. 이를 위하여 성상도 상에서 오직 한 심볼에 대한 회전량을 계산함으로서 빠른 보상이 가능하다.

Claims

증폭기의 비선형 특성에 의하여 발생되는 수신 신호의 성상도를 de-rotation 시키는 보상 방법에 있어서,

de-rotation 시킬 회전량을 정확하고 빠르게 수행할 수 있는 새로운 방식, 이때 훈련 신호로 균일한 확률 분포를 가지는 한 블록의 심볼들을 사용하며, 아울러 성상도의 모서리에 위치하는 오직 한 개의 심볼에 대한 평균 회전량을 계산함으로서 빠르고 정확한 회전량의 추정이 가능하다.