KR20030089776A - 직교주파수 분할 시스템의 주파수 오차 보상 회로 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 시스템의 주파수 오차 보상 회로 및 방법에 관한 것으로 특히, 수신신호의 복조시 주파수 오차 추정과 보정의 부정확으로 인해 발생하는 잔류주파수 오차 성분을 제거함으로써 안정적인 패킷 복조가 가능하도록 하여 시스템 성능을 향상시킬 수 있도록 함에 목적이 있다. 이러한 목적의 본 발명은 직교 주파수 다중화 시스템에 있어서, 시간영역에서 주파수 오차가 보상된 신호를 주파수 성분으로 변환하는 고속푸리에 변환기(210)와, 상기 주파수 성분으로부터 잔류 주파수 오차 성분을 검출하는 주파수 영역 등화기(220)와, 이 주파수 영역 등화기(220)에서의 잔류주파수 오차 성분에 대한 성상도 위치를 결정하는 성상도 위치 결정기(230)와, 이 성상도 위치 결정기(230)의 출력신호와 상기 주파수 영역 등화기(220)의 출력 신호를 비교하여 위상오차를 검출하는 위상오차 검출기(240)와, 이 위상오차 검출기(240)에서 검출된 위상 오차를 근거하여 주파수 영역에서 OFDM 심볼 단위로 잔류 주파수 오차를 보상하는 위상오차 보상기(250)를 구비하여 안정적인 패킷 데이터 복조 성능을 얻도록 구성함을 특징으로 한다.

Description

직교주파수 분할 시스템의 주파수 오차 보상 회로 및 방법{FREQUENCY ERROR COMPENSATION CIRCUIT AND METHOD FOR ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION SYSTEM}

본 발명은 직교 주파수 분할 다중화 시스템에 관한 것으로 특히, 주파수 오차 보상 회로 및 방법에 관한 것이다.

최근 고속 전송이 가능하고 다수의 부반송파를 사용하여 주파수 대역을 효율적으로 사용할 수 있는 직교주파수 분할 다중화(OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

직교주파수 분할 다중화(OFDM)에서는 심볼 앞부분에 보호구간을 삽입하여 심볼 간섭(Inter-Symbol Interference)을 줄일 수 있다.

이러한 이유로 유럽에서 DAB(Digital Audio Broadcasting), DVB(Digital Video Broadcasting)에 적용되어 사용되고 있다.

또한, 근거리 무선랜 규격인 802.11a에도 채택되었다.

통상적으로 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서는 상관기의 계산 결과를 이용하여 주파수 동기를 수행하고 주파수 오차를 추정한 결과를 이용하여 수신신호를 보상한 후 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하므로써 수신신호를 복조한다.

그런데, 직교주파수 분할 다중화 시스템에서는 수신 신호를 복조할 때 송수신기의 발진기 오차에 의해 발생하는 주파수 오차를 추정하여 보상하는 과정이 필수적이다.

즉, 시간 영역에서 추정된 주파수 오차의 추정값이 실제 주파수 오차와는 차이가 있으므로 이를 보상하여야 한다.

종래의 기술에서 주파수 오차를 추정하기 위해서는 심볼 앞에 삽입되는 보호 구간을 이용하여 동기를 검출하는 방법과 프리앰블을 이용하여 동기를 검출하는 방법이 있다.

심볼 보호구간을 이용한 방법은 프리앰블을 이용한 방법에 비해 정확성이 떨어진다.

종래 기술은 프리앰블을 이용한 동기 검출 방법을 예로 들어 설명하기로 한다.

도1은 무선랜 규격인 802.11a의 프리앰블 구조를 도시한 예시도로서 Short Preamble과 Long Preamble로 이루어진다.

상기 Short 프리앰블(Preamble)에서 첫번째 구간부터 열번째 구간(S1~S10)까지는 동일한 데이터열이 반복되며, 10개의 구간(S1~S10)중 처음 7개 구간(S`~S7)은 신호 검출, AGC(Automatic Gain Control) 등에 사용하고 나머지 3개 구간(S8~S10)은 시간 동기와 정수배 주파수 오차 검출에 사용하도록 권고되어 있다.

여기서, 정수배 주파수 오차란 OFDM의 주파수 스펙트럼중 부반송파 사이의 거리에 해당하는 주파수 오차를 뜻한다.

상기 Long 프리앰블(Preamble)은 GI,L1,L2의 3개 구간으로 이루어진다.

상기 구간(GI)은 뒤에 따르는 L1,L2 심볼의 보호 구간이다.

상기 구간(L1,L2)은 채널 추정과 소수배 주파수 오차 추정에 사용되도록 권고된 구간이다.

여기서, 소수배 주파수 오차란 정수배 주파수 오차 이하를 말한다.

따라서, 종래의 방법은 구간(S9,S10)을 이용하여 정수배 주파수 오차를 추정하고 구간(L1,L2)을 이용하여 소수배 주파수 오차를 추정한다.

이때, 동일 데이터 사이의 상관성을 이용하여 주파수 오차를 추정하게 된다.

즉, 구간(S9,S10)을 이용하는 경우에는 16샘플 거리에 있는 데이터끼리 계산하게 되며 구간(L1,L2)을 이용하는 경우에는 64샘플 거리만큼 떨어져 있는 데이터끼리 계산한다.

주파수 오차를 추정하는 계산식은 기본적으로 Moose 방식이 사용된다.

이 방식으로 주파수 오차를 추정하는 경우에는 심볼의 시간 동기를 이미 알고 있다는 가정이 필요하다.

정수배 주파수 오차를 추정하는 경우 동일 데이터 사이의 상관값 계산은 아래의 [수학식 1]과 같다.

여기서,은 수신된 샘플을 나타내며 미리 심볼 시간 동기를 알고 있다고 가정한다.

그러므로, 정확히 16샘플 거리가 떨어진 반복 구간을 이용하여 상관값을 계산하게 된다.

이후, 상기 [수학식 1]과 같이 계산된 상관값을 이용하여 [수학식 2]와 같은연산을 통해 주파수 오차를 구하게 된다.

여기서,는 추정된 정수배 주파수 오차를 나타낸다.

상기 [수학식 2]에서 최종적으로 추정할 수 있는 정수배 주파수 오차의 범위는이다.

그런데, 정수배 주파수 오차 추정값에도 소수배 주파수 오차 범위의 값이 표현된다.

하지만, 그 정확성이 문제되므로 L1,L2 구간을 이용하여 정확한 소수배 주파수 오차를 추정하여야 한다.

소수배 주파수 오차를 추정하는 식은 정수배 주파수 오차를 추정하는 경우와 동일하며 단지, 상관값을 계산하는 샘플 사이의 거리만이 다르다.

즉, 소수배 주파수 오차를 추정하는 경우 동일 데이터 사이의 상관값은 아래의 [수학식 3]과 같은 연산에 의해 구할 수 있다.

상기 [수학식 3]에서는 32샘플 거리가 떨어진 반복 구간을 이용하여 상관값을 구하게 된다.

이후, 상기 [수학식 3]과 같이 계산된 상관값을 이용하여 아래의 [수학식 4]와 같은 연산에 의해 주파수 오차를 구하게 된다.

여기서,는 추정된 주파수 오차를 나타낸다.

상기 [수학식 4]에서 최종적으로 추정활 수 있는 정수배 주파수 오차의 범위는이다.

따라서, 상기 [수학식 2]를 통해 얻어진 결과는 정수 부분을 나타내므로 이에 근거하여 정수배 주파수 오차를 보정하고 이후, [수학식 4]를 통해 얻어진 결과를 참조하여 소수배 주파수 오차를 보정하게 된다.

그러나, 종래의 프리앰블을 이용한 주파수 오차 추정 방법은 주파수 오차 추정값을 계속 적용하여 주파수 오차를 보상함으로 패킷이 길어짐에 따라 주파수 오차 추정값의 부정확성으로 인해 패킷 복조 오류가 점점 증가하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 수신신호의 복조시 주파수 오차 추정과 보정의 부정확으로 인해 발생하는 잔류주파수 오차 성분을 제거함으로써 안정적인 패킷 복조가 가능하도록 하여 시스템 성능을 향상시킬 수 있도록 창안한 직교 주파수 분할 다중화 시스템의 주파수 오차 보상 회로 및 방법을 제공함에 목적이 있다.

도1은 무선랜 규격 802.11a의 프리앰블 구조를 보인 예시도.

도2는 본 발명의 실시예에서 잔류주파수 오차 보상 회로의 블록도.

도3은 본 발명의 실시예에서 잔류주파수 오차 산출 과정의 동작 순서도.

도4는 본 발명의 실시예에서 잔류주파수 오차 보상시의 복조 성능을 보인 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *

210 : 고속 푸리에 변환기220 : 주파수 영역 등화기

230 : 성상도 위치 결정기240 : 위상 오차 검출기

250 : 위상 오차 보상기

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 직교 주파수 다중화 시스템에 있어서, 시간영역에서 주파수 오차가 보상된 신호를 주파수 성분으로 변환하는 고속푸리에 변환기와, 상기 주파수 성분으로부터 잔류 주파수 오차 성분을 검출하는 주파수 영역 등화기와, 이 주파수 영역 등화기에서의 잔류주파수 오차 성분에 대한 성상도 위치를 결정하는 성상도 위치 결정기와, 이 성상도 위치 결정기의 출력신호와 상기 주파수 영역 등화기의 출력 신호를 비교하여 위상오차를 검출하는 위상오차 검출기와, 이 위상오차 검출기에서 검출된 위상 오차를 근거하여 주파수 영역에서 OFDM 심볼 단위로 잔류 주파수 오차를 보상하는 위상오차 보상기를 구비하여 안정적인 패킷 데이터 복조 성능을 얻도록 구성함을 특징으로 한다.

상기 성상도 위치 결정기는 Direct Decision 방식의 연산을 수행하여 주파수 영역 등화기의 출력 신호를 가장 가까운 성상도 위치로 결정하도록 구성함을 특징으로 한다.

상기 위상 오차 보상기는 LMS(Least Mean Square) 방식으로 모든 부반송파에 대한 평균을 산출하고 그 평균값을 잔류 주파수 오차 추정값으로 하여 보상하도록 구성함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 수신신호에 대해 시간 영역에서 주파수 오차를 보상하는 단계와, 상기에서 주파수 오차가 보상된 수신신호를 주파수 성분으로 변환하는 단계와, 상기에서 변환된 주파수 성분에서 잔류 주파수 오차를 검출하는 단계와, 상기에서 검출된 잔류 주파수 오차를 모든 부반송파에 대해 평균값을 구하고 이를 근거하여 OFDM 심볼 단위로 잔류 주파수 오차를 보상하는단계를 수행함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에서 수신 신호는 시간 동기가 맞추어져 있고 프리앰블에 의한 주파수 오차 추정이 이루어졌다고 가정하여 설명하기로 한다.

도2는 본 발명의 실시예를 위한 회로의 블럭도로서 이에 도시한 바와 같이, 직교 주파수 다중화 시스템에 있어서, 시간영역에서 주파수 오차가 보상된 신호를 주파수 성분으로 변환하는 고속푸리에 변환기(210)와, 상기 주파수 성분으로부터 잔류 주파수 오차 성분을 검출하는 주파수 영역 등화기(220)와, 이 주파수 영역 등화기(220)에서의 잔류주파수 오차 성분에 대한 성상도 위치를 결정하는 성상도 위치 결정기(230)와, 이 성상도 위치 결정기(230)의 출력신호와 상기 주파수 영역 등화기(220)의 출력 신호를 비교하여 위상오차를 검출하는 위상오차 검출기(240)와, 이 위상오차 검출기(240)에서 검출된 위상 오차를 근거하여 주파수 영역에서 OFDM 심볼 단위로 잔류 주파수 오차를 보상하는 위상오차 보상기(250)를 구비하여 안정적인 패킷 데이터 복조 성능을 얻도록 구성함을 특징으로 한다.

이와같이 구성한 본 발명의 실시예에 대한 동작 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.

고속 푸리에 변환기(210)는 이미 시간 동기가 맞추어져 있고 시간 영역에서 주파수 오차 보상이 이루어진 신호가 입력되면 주파수 성분으로 변환하여 주파수 영역 등화기(220)로 입력시키게 된다.

상기 주파수 영역 등화기(220)는 Direct Decision 방식과 LMS 방식에 의해주파수 성분을 OFDM 심볼 단위로 등화 처리하여 잔류 주파수 오차 성분을 검출하고 그 잔류 주파수 오차 성분을 성상도 위치 결정기(230)와 위상오차 검출기(240)로 출력한다.

여기서, 등화 계수는 최소 제곱 평균(LMS) 방식과 Direct Decision 방식 등을 이용하여 OFDM 심볼 단위로 갱신(update)된다.

상기 주파수 영역 등화기(220)를 거친 신호는 본래 송신된 성상도와 유사한 모양을 갖지만 잔류 주파수 오차에 의한 왜곡이 존재하게 된다.

이때, 잔류주파수 오차는 위상 왜곡과 ICI(Inter-Channel Interference)의 형태로 나타난다.

따라서, 성상도 위치 결정기(230)는 주파수 영역 등화기(220)를 거친 신호의 성상도 위치를 결정함에 있어서 가장 가까운 성상도 위치를 찾고 그 위치가 최초 송신된 신호 위치로 결정하여 위상 오차 검출기(240)로 입력시킨다.

이때, 주파수 영역 등화기(220)와 프리앰블에 의한 주파수 오차 추정이 제대로 이루어졌다면 본래 송신한 위치와는 다른 위치로 결정될 확률은 낮다.

상기 위상 오차 검출기(240)는 주파수 영역 등화기(220)에서의 잔류 주파수 오차 성분과 성상도 위치 결정기(230)에서의 위치를 비교하여 위상 오차를 검출한다.

이때, 주파수 영역 등화를 거친 신호와 성상도 위치를 결정한 신호 사이의 위상 차이는 ICI의 영향도 있지만 잔류주파수 오차 성분이 큼으로 잔류주파수 오차 성분에서 비롯된 것으로 간주한다.

따라서, 위상 오차 검출기(240)에서의 위상 오차는 잔류주파수 오차 성분에 의한 위상 왜곡으로 간주한다.

즉, 위상 위차 검출기(240)는 52개의 부반송파의 위상 왜곡이 동일하다는 가정하면 그 위상 왜곡의 평균을 구하고 본래의 성상도 위치를 기준으로 그 본래의 성상도 위치에서 평균적으로 벗어난 위상 오차를 계산해 낸다.

이에 따라, 위상 오차 보상기(250)는 모든 부반송파에 대해 추정된 위상오차만큼을 OFDM 심볼 단위로 보상하게 된다.

이와같은 위상 보상 과정은 OFDM 심볼 단위로 이루어지며 다중 경로 채널인 경우 등화 계수의 갱신이 필요한데 이는 특정 방법으로 한정하지 않는다.

한편, 고속 푸리에 변환 이후부터 위상 오차 보상까지의 계산 과정은 도3의 동작 순서도와 동일하며 이를 설명하면 다음과 같다.

수신신호를 Y, 송신신호를 X라 하고 채널계수를 H라 가정할 때 고속 푸리에 변환기(210)에서 주파수 성분으로 변환된 수신신호()는 아래의 [수학식 5]와 같이 표현할 수 있다.

우선, 수신 신호에 대해 이전 OFDM 심볼에 적용하였던 채널 계수를 이용하여 송신 신호를 찾아낸다.

여기서, 채널 계수는 실제 채널의 추정치이며 채널 계수에 대한 갱신은 특별히 고려하지 않는다.

이후, 주파수 영역 등화기(220)는 수신신호()와 채널 계수()를 아래의 [수학식 6]과 같은 연산을 수행하여 등화 신호()를 성상도 위치 결정기(230)로 출력한다.

상기 주파수 영역 등화를 거친 신호()에는 잔류 주파수 오차()에 의한 영향이 포함되어 있다.

이때, 성상도 위치 결정기(230)는 상기 등화된 신호()를 Direct Decision 방식에 의해 가장 가까운 성상도 위치로 결정한다.

상기에서 가장 가까운 성상도 위치로 결정된 신호는가 되며 송신신호중 하나를 나타낸다.

상기에서 등화 신호()와 성상도 위치로 결정된 신호()사이의 위상 차이는 잔류주파수 오차 성분에 의한 영향으로 나타난다.

따라서, 위상 오차 보상기(250)는 주파수 오차 추정값의 정확성을 높이기 위해서 52개의 부반송파에 대한 평균을 아래의 [수학식 7]과 같은 연산에 의해 취하고 이로부터 구한 잔류 주파수 오차 추정값을 주파수 영역에서 보상하게 된다.

또한, 무선랜 802.11a 규격에 대해 실험 환경을 AWGN, 주파수 오차()가 0.8, 변조 방식이 16QAM, 송신 데이터가 4075바이트인 경우로 설정한 후 주파수 오차 보상 유무에 따라 실험을 했을 경우 도4의 파형도와 같이 성능 열화가 있음을 관찰할 수 있다.

즉, 잔류주파수 오차를 보상하는 경우(도4의 파형 402)에는 잔류주파수오차 성분이 전혀 없는 경우(도4의 파형 401)와 유사한 복조 성능을 보임을 알 수 있다.

그러나, 잔류주파수 오차 성분을 보상하지 않는 경우(도4의 파형 403)에는 성능열화가 큰 것을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명은 802.11a규격의 직교주파수 분할 다중화 시스템의 수신기에 적용하여 수신기의 주파수 영역에서 Direct Decision 방식을 이용하여 잔류주파수 오차 성분을 검출할 수 있을 뿐만 아니라 그 잔류주파수 오차 성분을 보상할 수 있음을 알 수 있다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 직교주파수 분할 다중화 시스템 수신기에서 잔류주파수 오차 성분을 보상하여 송수신 패킷의 길이에 상관없이 일정한 복조 성능을 달성할 수 있으므로 패킷 데이터가 긴 경우에도 안정적인 복조 성능을 달성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 직교 주파수 분할 다중화 시스템에 있어서, 시간영역에서 주파수 오차가 보상된 신호를 주파수 성분으로 변환하는 고속푸리에 변환기와, 상기 주파수 성분으로부터 잔류 주파수 오차 성분을 검출하는 주파수 영역 등화기와, 이 주파수 영역 등화기에서의 잔류주파수 오차 성분에 대한 성상도 위치를 결정하는 성상도 위치 결정기와, 이 성상도 위치 결정기의 출력신호와 상기 주파수 영역 등화기의 출력 신호를 비교하여 위상오차를 검출하는 위상오차 검출기와, 이 위상오차 검출기에서 검출된 위상 오차를 근거하여 주파수 영역에서 OFDM 심볼 단위로 잔류 주파수 오차를 보상하는 위상오차 보상기를 구비하여 안정적인 패킷 데이터 복조 성능을 얻도록 구성함을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중화 시스템의 주파수 오차 보상 회로.
2. 제1항에 있어서, 성상도 위치 결정기는 Direct Decision 방식의 연산을 수행하여 주파수 영역 등화기의 출력 신호를 가장 가까운 성상도 위치로 결정하도록 구성함을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중화 시스템의 주파수 오차 보상 회로.
3. 제1항에 있어서, 위상 오차 보상기는 LMS(Least Mean Square) 방식으로 모든 부반송파에 대한 평균을 산출하고 그 평균값을 잔류 주파수 오차 추정값으로 하여 보상하도록 구성함을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중화 시스템의 주파수 오차 보상 회로.
4. 수신신호에 대해 시간 영역에서 주파수 오차를 보상하는 제1 단계와, 상기에서 주파수 오차가 보상된 수신신호를 주파수 성분으로 변환하는 제2 단계와, 상기에서 변환된 주파수 성분에서 잔류 주파수 오차를 검출하는 제3 단계와, 상기에서 검출된 잔류 주파수 오차를 근거하여 OFDM 심볼 단위로 잔류 주파수 오차를 보상하는 제4 단계를 수행함을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중화 시스템의 주파수 오차 보상 방법.
5. 제4항에 있어서, 잔류 주파수 오차는 모든 부반송파에 대해 추정값의 평균을 취하여 구하는 것을 특징으로 직교 주파수 분할 다중화 시스템의 주파수 오차 보상 방법.