KR20020088009A - 개별 다중 톤 시스템을 위한 클럭 타이밍 복원 회로 및클럭 타이밍 복원 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 개별 다중 톤 시스템에서 전치부호(미리 약정된 심볼)를 여러번 반복해 보내어 초기 타이밍 클럭 오차를 구한 뒤 잔여오차에 대해서는 판정된 데이터 값을 사용하여 오차를 수정하는 판정 지향(decision-directed) 방법을 이용하여 추적, 복원하는 클럭 타이밍 복원 회로 및 클럭 타이밍 복원 방법에 관한 것이다.

Description

개별 다중 톤 시스템을 위한 클럭 타이밍 복원 회로 및 클럭 타이밍 복원 방법{Clock timing recovery circuit and Method for DMT system}

본 발명은 개별 다중 톤 시스템에서 전치부호(미리 약정된 심볼)를 반복해 보내어 데이터 수신 초기에 초기 타이밍 오차를 구한 뒤 잔여오차에 대해서는 판정 지향 방법을 이용하여 추적, 복원하는 클럭 타이밍 복원 회로에 관한 것이다.

고속 데이터 통신의 중요성과 활용도가 점차 증가함에 따라 다중 반송파 시스템에 대한 관심이 크게 증가하고 있으며, 이는 최근 들어 디지털 가입자망, 고속 근거리 통신망 등에서 다양하게 이용되고 있다. 일반적으로 개별 다중 톤 통신 시스템들은 다중 경로 지연 감쇄로 인한 심볼간 간섭에 강하다는 장점을 지니고 있는 반면 타이밍 오차에 대단히 민감하다는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 타이밍 오차를 보정하기 위한 방법들이 여러 가지 제안되었다.

이들 방법은 크게 동기 방식과 비동기 방식 등 두 가지로 나눌 수 있다. 동기방식은 타이밍 오차를 구하여 위상동기루프(Phase-locked loop, 이하 PLL)를 이용하여 아날로그 신호의 샘플링 클럭을 직접 조정하는 방법이고, 비동기 방식은 고정된 샘플링 클럭을 사용하여 신호를 디지털 영역에서 샘플링하고 타이밍 오차를 추정하여 정확한 타이밍을 보간(Interpolation)하여 보정하는 방법이다.

그러나, 동기 방식은 하드웨어의 복잡도가 크고 고속의 데이터 전송을 위해서는 샘플링의 위상을 신속하게 제어하기가 어렵다는 문제점으로 인해 고속의 통신 시스템에서는 사용하지 않고 있다. 따라서 고속의 시스템에서는 고정된 샘플링 클럭을 사용하여 디지털 영역에서 타이밍을 보정하는 비동기 방식을 주로 사용하고 있다.

모니어(Monnier)는 반복되는 동일한 파일럿 신호를 이용하여 샘플링 오차를 찾아내는 방법을 제안하였다. 이러한 방식의 경우, 전체 대역 중 파일럿 심볼을 위한 부반송파들을 따로 할당해야 하므로 전체 데이터 전송효율이 떨어지게 되고, 수렴하는 속도가 느리다는 문제점을 가지고 있다.

도1은 PLL을 사용하는 회로로서 파일럿 신호를 이용하여 타이밍 오차를 복원하는 종래의 회로를 나타낸 것으로, 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 A/D 변환기(10)와, FFT 처리에 사용되는 신호샘플들을 선택해주는 FFT 윈도우부(11)와, 입력된 시영역의 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 FFT부(12)와, 타이밍 오차에 대한 정보를 얻기 위해 정해진 위치에 들어오는 파일럿 신호를 추출하기 위한 파일럿 신호 추출부(13)와, 상기 추출된 파일럿 신호로부터 오차 정보를 계산하는 타이밍 오차 계산부(14)와, 상기 계산된 오차를 정수부와 소수부로 나누기 위한 반올림기(15)와, 상기 FFT 윈도우(11)의 위치를 조정할 수있도록 하는 FFT 윈도우 컨트롤러(16)와 AD 변환기의 샘플 주파수를 조정하는 PLL(17)로 구성된다.

상기 타이밍 동기 오차에 의한 위상 회전량은 크게 FFT 윈도우(11)의 위치 오차로 인해 생기는 위상 오차와 샘플링 클럭 오차에 의해 발생하는 위상 오차로 나눌 수 있다.

종래의 모니어 방식은 반복되는 동일한 파일럿 신호를 이용하여 위상 오차와 샘플링 클럭 오차들을 구하게 된다. 동일한 부반송파 위치에 일정한 파일럿 신호를 부가하여 두 심볼 사이에서 위상차를 추출함으로써 클럭 오차를 구하여 한 심볼내에서 두 개의 파일럿 신호 사이의 관계에 의해 위상 오차를 알아 낼 수 있는 방법이다. 이 경우, 파일럿을 심볼상의 일정한 위치에 신호로 넣어준다. j 번째 심볼의 k번째 부반송파에 발생하는 위상 회전량은 수학식1과 같이 표현할 수 있다.

상기 수학식1에서T _d 는 FFT 오차를 나타내고Δt _j 는 샘플링 타이밍 오차를 나타낸다.T _u 는 심볼의 전체구간을 나타낸다. 이를 이용하여 한 심볼상에 있는 두 샘플(k ₁ ,k ₂ ) 사이의 위상 회전량을 계산하므로써 대략적인 샘플링 오차를 구할 수 있게 된다. 이를 수식으로 나타내면 수학식2와 같다.

상기 수학식2를 통해 정규화된 타이밍 동기 오차를 구하면 수학식3과 같고, 수학식3의 일정한 부반송파 개수만큼 구한 후 평균을 취하면 수학식4와 같이 구할 수 있다.

이때 평균값으로 취해진 타이밍 오차를 정수부와 소수부로 나누어 정수부는 FFT 윈도우의 조정으로 한 샘플을 가감하도록 조정하며 나머지 소수부는 PLL이나 위상회전기를 이용하여 보정하여 주도록 한다. 이때, 소수부의 범위를 ±0.5 이내로 제한하기 위해 반올림기와 같은 회로가 필요하게 된다.

상기 종래의 보정회로는 파일럿 신호들을 추출하고 이로부터 얻은 정보를 이용하여 윈도우의 이동이나 PLL 또는 위상회전기를 통해 직접 샘플링 클럭의 위치를 조정함으로써 보상해 왔다. 그러나, 이러한 방식의 경우 타이밍 오류를 정정하고 정상상태까지 가는 수렴시간이 상당히 길어지며 같은 주파수 대역의 사용으로 비교해 본다면 파일럿 신호를 할당하는 만큼 데이터를 전송할 수 있는 부반송파의 수가 줄어들게 되어 전체적인 효율이 떨어지게 된다는 문제점이 있었다. 또한 주기적으로 일어나는 샘플 가감을 필요로 하게 되어 빈번한 FFT의 윈도우 위치 조정이 필요하며 이러한 조정의 빈도수를 줄이기 위해서는 정확도가 우수한 소자가 필요하게 되어 결국 하드웨어 가격의 상승을 초래한다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 타이밍 오차를 보정하는데 있어서 파일럿 신호를 이용하지 않고 데이터 전송에 앞서 일정한 전치부호를 전송하여 타이밍 오차를 구한 후 잔여오차에 대해서는 판정 지향 방법을 이용하여 추적한 값을 위상 회전기를 이용하여 보정하도록 하고, 이를 통해 종래의 방식과는 달리 샘플의 가감을 이용하지 않도록 하여 하드웨어의 크기를 최소화하고 오차에 대한 빠른 수렴을 유도하며, 주파수 효율성을 높이도록 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 A/D변환기, FFT부, 초기 타이밍 검출기, 경판정기, 타이밍 오차 추적기, 덧셈기 그리고 위상 회전기로 구성되며, 상기 A/D변환기는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키고; 상기 FFT부는 입력된 시영역의 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하며; 상기 초기 타이밍 검출기는 FFT부를 통해 수신된 주파수 영역의 전치부호로부터 초기 타이밍 오차를 기울기로부터 계산하여 출력하고; 상기 경판정기는 상기 위상 회전기의 출력 값을 기초로 송신된 정보를 검출하며; 상기 타이밍 오차 추적기는 상기 경판정기의 경판정 후 신호들로부터 잔여오차를 구하고; 상기 덧셈기는 상기 초기 위상검출기에서 출력된 값과 상기 타이밍 오차 추적기에서 구한 잔여오차를 더하여 오차를 구하며; 그리고 상기위상 회전기는 상기 구해진 오차를 이용하여 위상을 보정하는 것을 특징으로 하는 개별 다중 톤 시스템을 위한 클럭 타이밍 복원회로를 특징으로 한다.

도1은 종래의 PLL과 파일럿 신호를 이용한 타이밍 복원회로를 나타낸 블록도.

도2는 본 발명에 따른 타이밍 오차 복원 회로를 나타낸 블록도.

도3은 타이밍 오차량을 부반송파에 따른 위상 증가로 나타내는 그래프.

도4는 본 발명에 따른 초기 타이밍 오차 검출기 회로를 나타낸 블록도.

도5는 본 발명에 따른 위상회전기와 잔여 타이밍 오차 추적회로를 나타낸 블록도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,20 : A/D 변환기11 : FFT 윈도우

12,21 : FFT부13 : 파일럿 신호 추출기

14 : 타이밍 오차 계산부15 : 반올림기

16 : FFT 윈도우 콘트롤러17 : PLL

22 : 위상 회전기23,41 : 경판정기

24 : 초기 타이밍 검출기 25 : 타이밍 오차 추적기

31 : 한 심볼 지연단32 : 복소 공액부

33,42 : 위상 검출기34,43 : 평균 계산기

35 : 기울기 검출기44 : 기울기 갱신부

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도2는 본 발명에 따른 타이밍 오차를 연산하기 위한 회로를 나타낸 것으로서, 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 A/D 변환기(20)와, 입력된 시영역의 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 FFT부(21)와, 상기 FFT부를 거쳐 수신된 주파수 영역의 전치부호로부터 초기 타이밍 오차를 심볼들 사이의 위상 오차 기울기로부터 계산해내는 초기 타이밍 검출기(24)와, 위상 회전기의 출력 값을 기초로 송신된 정보를 검출하는 경판정기(23)와, 경판정후 신호들로부터 잔여 오차를 구하는 타이밍 오차 추적기(25), 상기 초기 타이밍 검출기(24)에서 구해진 기울기와 타이밍 오차 추적기(25)를 통해 구해진 오차를 이용하여 위상을 보정하는 위상 회전기(22)로 구성되어 있다.

상기 초기 타이밍 검출기(24)는 도4에 도시된 바와 같이 입력되는 전치부호를 지연시키기 위한 한 심볼 지연단(31)과, 상기 지연단에서 지연된 신호의 복소 공액 성분을 얻기 위한 복소공액부(32)와, 전치부호와 지연된 전치부호간의 위상차를 구하기 위한 곱셈기와, 상기 곱셈의 결과 값으로부터 위상을 검출하는 위상검출기(33)와, 상기 검출된 위상으로부터 평균값을 계산하는 평균 계산기(34) 그리고 계산된 평균값으로부터 기울기를 추출하기 위한 기울기 검출기(35)로 구성된다. 도시된 초기 타이밍 검출기(24)는 입력된 전치부호를 해석해서 초기 타이밍 오차를 각 부반송파들의 위상 기울기로서 출력하게 된다.

상기 전치부호는 동일한 심볼이 반복되는 특성을 가지고 있으므로, 현재의 심볼 내의 부반송파는 한 심볼이 지연된 후에도 반복된다. 이러한 성질을 이용하면 두 전치부호 간의 위상차를 구할 수 있다. 또한, 상기 한 심볼지연단(31)을 거쳐 복소공액부(32)를 통과한 신호들과 입력된 전치부호의 곱은 부반송파 신호의 위상 오차값을 포함하고, 이러한 위상 오차값은 두 값의 곱으로 생성된 복소 신호의 위상에 포함되어 있다. 이 것을 수학식5에 나타내었다.k는 부반송파 번호를m은 심볼 인덱스를 나타내며 전치부호의 개수만큼 증가한다. 이 위상을 검출하는 위상검출기(33)의 출력을 통해서 전치 부호의 위상을 검출한다.

상기와 같이 두 전치부호의 각 부반송파 성분별 위상차이를 얻은 후, 전치부호가 2개 이상일 경우 각 전치부호 사이의 위상차를 평균을 하게된다. 출력은 각 부반송파들의 평균적인 위상오차 값이다.

다음으로 기울기 검출기(35)는 입력된 데이터 값을 통해서 기울기를 구해낸다. 초기 위상 오차에 따른 주파수 영역에서의 효과는 주파수에 따라 선형적으로 도3과 같이 증가하는 결과로 나타나며 이 경우, 기울기는 수학식 6에서와 같이 초기 위상 오차 τ에 비례한다.

수학식 6에서 1/T은 반송파 사이의 간격을 나타내며, τ는 위상오차로 인한 지연정보를 나타내며,k는 부반송파 번호를 나타낸다.

상술한 바와 같이 얻어진 기울기를 사용하여 위상값을 보정하고 이후에 들어오는 데이터 심볼의 클럭 타이밍 오차를 위상 회전기(22)를 이용하여 부반송파 번호와 기울기의 곱을 위상으로 하여 역으로 보상함과 동시에 후술하는 도5에서 설명할 잔여 오차 추적회로와 연동됨으로써 오차를 보정하게 된다.

상기 회로의 동작을 다시 한번 설명하면 상기 한 심볼 지연단(31)은 한 심볼 주기 이전의 전치부호와의 곱을 위해 신호를 지연시키고, 상기 복소공액부(32)를 거친 지연된 신호의 복소공액 신호를 추출하여 곱셈기를 통해 입력된 전치부호와 곱하고, 상기 곱하여진 결과 값으로부터 위상검출기(33)를 이용하여 위상을 구한다. 그리고 상기 구해진 위상으로부터 평균 계산기(34)를 이용하여 평균을 구하고, 전치부호가 끝나는 시점에서 기울기 검출기(35)를 이용하여 구해진 최종적인 직선의 기울기를 고정하고 이후에 들어오는 데이터 심볼의 클럭 타이밍 오차를 위상 회전기(22)를 이용하여 부반송파 번호와 기울기의 곱을 위상으로 하여 역으로 보상함과 동시에 이후 도5에서 설명할 잔여 오차 추적회로와 연동됨으로써 오차를 보정하게 된다.

상기 매 심볼마다 반복되는 파일럿 심볼을 이용하는 대신에 실제적인 정보데이터를 보내기 전에 미리 약정된 심볼을 여러번 반복해 보내어 초기에 클럭의 샘플링 오차를 평균적으로 구함으로써 비교적 정확한 클럭 타이밍 동기 오차의 크기를 추정할 수 있도록 하였다. 이러한 방법은 파일럿을 이용하여 타이밍 오차를 찾는 기존의 방식에 비해 오차에 대한 수렴속도가 빠르다는 장점을 가지고 있다. 초기 위상 오차는 수학식5와 같이 반복되는 심볼 사이의 같은 부반송파 위치에 있는 신호들 사이의 위상오차를 구함으로 결정된다.

이러한 각 부반송파별 오차를 반복되는 전치부호 동안 계산하여 전치부호구간 동안 각 부반송파별로 평균을 구한다. 구해진 평균값들로부터 기울기 검출기(curve fitter)를 이용하여 일반적인 수식으로 표현하기 위한 기울기를 산출한다. 이때 심볼상의 타이밍 오차로 인한 위상회전량은 수학식6과 같이 부반송파 번호에 비례하는 간단한 형태의 1차 함수로 나타낼 수 있으며 따라서, 도3에 도시된 그래프와 같은 형태로 표현할 수 있게 된다.

도5는 본 발명에 따른 잔여 오차 추적기와 위상 회전기에 대한 회로 구성도를 나타낸 것이다. 초기 타이밍 검출기에서 검출한 초기 위상의 부정확도로 인해 발생하는 작은 크기의 잔여 오차들의 경우 처음 몇 번의 심볼 복원에는 영향을 미치지 않으나 계속적으로 누적될 경우 결국 신호의 복원이 불가능해질 가능성이 크므로 복원해 주어야 할 필요가 있다. 어느 정도의 오차가 남아 있는지는 수학식6과 같은 과정을 통해 경판정함과 동시에 판정신호와 판정 전 신호와의 켤레 복소수 곱을 이용하여 위상오차를 구한다. 수학식7은 잔여 오차 추적 회로를 통해 구해지는 잔여오차에 대한 수식을 나타낸 것이다.Y는 판정전 신호를D는 판정후 신호를 나타낸다.

그 후, 상기 수학식7에 따라 한 심볼 동안 생기는 오차들의 평균을 계산한다. 제일 처음 나오는 데이터에 보상되는 기울기의 초기값은 기울기 검출기를 통해 나온 초기 기울기에 따르며, 그 이후부터는 추적회로를 통해 구해진 잔여 오차의 평균에 일정한 수렴상수를 곱하여 현재 사용된 기울기를 갱신하도록 함으로써 다음 한 심볼 동안 적용될 기울기를 구하게 된다. 이렇게 갱신된 기울기는 다음 심볼부터 적용된다. 수학식8은 이러한 갱신과정을 나타내었으며 α는 수렴상수를 나타낸다. 이 값은 응용하고자 하는 통신 시스템의 사양에 따라 다른 값을 가질 수 있다.

이와 같이 구해진 최종 기울기를 위상 회전기를 이용하여 수학식9와 같이 신호에 역으로 보상해주는 과정을 거침으로써 타이밍 오차를 보정한다.

상기 도5는 추적 회로 구성도를 제시한 수식과 함께 도시한 것으로, 추적 회로는 이미 현재의 기울기로 위상회전기를 통해 보정되어 들어온 심볼의 판정전 신호와 판정후 신호의 켤레 곱으로부터 위상을 검출하는 위상 검출기와 계산된 위상의 한 심볼 동안의 평균을 계산하는 I&D(Integrated & Dump) 방식의 평균계산기로 구성한다. 또한 일정한 수렴상수로 기울기를 갱신하는 기울기 갱신부를 거쳐 다음 심볼에 적용할 갱신된 기울기를 산출한다.

본 발명은 고정된 클럭을 이용하며 샘플의 가감부를 제거함으로써 하드웨어 구현 비용을 줄였으며, 파일럿을 이용하는 시스템에 비해 수렴속도를 증가시켰다. 또한 같은 부반송파 수를 사용할 경우, 파일럿 신호를 사용할 경우와 비교하면 파일럿에 할당되었던 부반송파를 데이터 전송에 사용할 수 있어 주파수 효율을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.

Claims (4)

1. A/D변환기, FFT부, 초기 타이밍 검출기, 경판정기, 타이밍오차 추적기, 덧셈기 그리고 위상 회전기로 구성되며,

   상기 A/D변환기는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키고;

   상기 FFT부(12)는 입력된 시영역의 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하며;

   상기 초기 타이밍 검출기는 상기 FFT부를 통해 수신된 주파수 영역의 전치부호로부터 초기 타이밍 오차를 기울기로 계산하여 출력하고;

   상기 경판정기는 상기 위상 회전기의 출력 값을 기초로 송신된 정보를 검출하며;

   상기 타이밍 오차 추적기는 상기 경판정기의 경판정 후 신호들로부터 잔여오차를 구하고;

   상기 덧셈기는 상기 초기 타이밍 검출기에서 출력된 값과 상기 타이밍 오차 추적기에서 구한 잔여오차를 더하여 오차를 구하며; 그리고

   상기 위상 회전기는 상기 구해진 오차를 이용하여 위상을 보정하는 것을 특징으로 하는 개별 다중 톤 시스템을 위한 클럭 타이밍 복원회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 초기 타이밍검출기는 입력되는 전치부호를 지연시키기 위한 한 심볼 지연단과;

   상기 지연단에서 지연된 신호의 복소공액 성분을 얻기 위한 복소공액부와;

   상기 전치부호와 복소공액화된 신호를 곱하는 곱셈기와;

   상기 곱셈의 결과 값으로부터 위상을 검출하는 위상검출기와;

   상기 검출된 위상으로부터 평균값을 계산하는 평균 계산기와; 그리고

   상기 계산된 평균값으로부터 기울기를 추출하기 위한 기울기 검출기로 이루어진 것을 특징으로 하는 개별 다중 톤 시스템을 위한 클럭 타이밍 복원회로.
3. 제 1 항의 회로의 초기 타이밍 검출기로 입력되는 전치 부호를 이용하여 초기 타이밍 오차를 수정한 후, 상기 수정된 타이밍 오차를 판정 지향 방법을 이용하여 타이밍 잔여 오차를 복원하는 개별 다중 톤 시스템을 위한 클럭 타이밍 복원 방법.
4. 제 1 항의 회로의 초기 타이밍 검추기로 입력되는 두 인접 전치부호 사이의 위상오차를 구한 후, 부반송파에 따른 상기 구해진 위상오차의 기울기를 이용하여 타이밍 오차를 추정함으로써 클럭 타이밍을 복원하는 개별 다중 톤 시스템을 위한 클럭 타이밍 복원 방법.