KR20040017367A - 널-파일럿 심볼 이용 고속 자동 주파수 제어 - Google Patents

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Abstract

캐리어 위상 변조(CPM)의 코히런트 복조를 위한 널-파일럿 심볼 이용 고속 자동 주파수 제어(AFC)는 현 파일럿 심볼 위치에서의 위상과 이전 파일럿 심볼 위치에서의 위상 사이의 차이를 결정하기 위해 매 파일럿 클록 사이클 마다 한번씩 동작하는 파일럿 클록 피구동 위상 미분기(252,253,255)를 포함한다(209). 이 때, 주파수 오프셋 선택기(256)가 동일 위상 차이를 일으키는 모든 주파수 오프셋들의 집합 중에서 가장 가능성있는 주파수 오프셋을 선택하기 위해 사용된다.

Description

널-파일럿 심볼 이용 고속 자동 주파수 제어{Null-pilot symbol assisted fast automatic frequency control}
주파수 동기화는 송신(Tx) 및 수신(Rx) 라디오들 사이의 신뢰성 있는 디지털 통신을 위해 필수적이다. 이 기술 분야에서 알려진 바와 같이, 송신기 및 수신기 양자 모두는 함께 통신할 때 동일한 공칭 주파수들을 가져야 한다. 실제 문제로서, 두 라디오들(Tx 및 Rx)내의 기준 발진기들은 공칭 주파수로부터 서로 다른 오차들을 가진다. 따라서, 수신기는 정보를 수신하기 위해 실제 송신기 주파수의 소정 허용 오차내에서 "동조"할 필요가 있다. 이는 일반적으로 주파수 동기화로서 공지되어 있다. 특히, 코히런트 복조법들을 사용하는 통신 시스템들은 Tx와 Rx 라디오 주파수들 사이의 주파수 차이에 매우 민감하다. 자동 주파수 제어 시스템(AFC)은 변조 스킴(scheme)에 의해 허용된 허용 오차내로 주파수 오차를 맞추고 유지하는 것을 필요로 한다.
대부분의 이동 통신 링크들은 채널내의 다중-경로 페이딩의 영향들에 민감하다. 이는 통신 신호의 위상의 왜곡을 유발한다. 이는 정보가 신호의 위상내에 포함되어 있는 연속 위상 변조(CPM) 신호들의 경우에 특히 문제가 된다. 파일럿 심볼들은 채널에 의해 유발된 위상 왜곡을 추정하기 위해 수신기를 돕도록 전송된 시퀀스내에 송신기에 의해 주기적으로 삽입되는 수신기에 선험적으로(a-priori) 알려져 있는 심볼들이다. 연속 위상 변조(CPM)의 경우에, 모든 파일럿 위치는 위상 상태를 "알려진(known)" 상태로 가져가기 위해 심볼을 가질 필요가 있다. 이는 일반적으로 "널" 심볼이라 지칭된다. 전형적인 널-파일럿-심볼 보조 연속 위상 변조 시스템은 호(Ho) 등에 의한 US 특허 5,712,877에서 고려되었으며, 이는 본 명세서에서 참조하고 있다. Ho 등은 후속 채널 위상 왜곡 추정을 위해 디지털 데이터의 프레임들내에 데이터 의존 파일럿 심볼들을 주기적으로 삽입하기 위해 파일럿 심볼 삽입 장치를 사용하여 디지털 정보를 송신 및 수신하기 위한 장치를 개시한다.
고속 획득을 위한 한가지 해법은 오늘날의 저층(low tier) 개인 이동 라디오(PMR) 시스템들에서 아날로그 기술로부터의 전이를 가능하게 하도록 의도된 새로운 디지털 정보 교환 및 시그널링(DIIS) 표준과 함께 사용되는 캐리어 위상 변조(CPM)의 독특한 특징들 중 하나인 전송 인터럽트 특징의 동작을 가능하게 한다. 이 유형의 시스템은 음성 및 데이터 양자 모두를 지원하는 보다 높은 속도(12Kbps)의 디지털 통신을 가능하게 한다. 이는 초기 유럽 표준, 즉, ETS300.230.PMR 프로토콜(DIIS)이라고도 공지된 이진 정보 교환 및 시그널링(BIIS)으로부터의 발전형이다.
동기 획득 시스템의 동작은 전송된 심볼 비트 스트림내에 주기적(매 720ms 마다 한번)으로 포함된 30 심볼들의 알려진 시퀀스에 의존한다. 수신기에게 이미 알려져 있는 이 심볼들의 시퀀스는 동기화 워드라 불린다. 정보에 관련된 소정의 후속 호는 일반적으로 동기 워드 직후에 보내진다. 이 방식으로 소정의 수신기는 최초 통신을 형성할 때, 통신 또는 "호"내에 참여할 것인지 여부를 판정하기 위해 동기 워드 및 호 정보를 찾기 시작한다. 부가적으로, 파일럿 심볼들은 데이터 스트림에 삽입되어 수신기가 채널 위상 왜곡을 추정하는 것을 돕는다. 파일럿 심볼들은 동기 워드 보다 매우 많은 빈도수(매 20ms 마다 한번)로 삽입된다. 따라서, 파일럿 심볼 기반 AFC는 동기 워드 기반 주파수 제어 보다 신속 및 정확한 주파수 보정을 위해 보다 많은 주파수 오차의 추정들을 얻는다.
코히런트 복조는 수신된 신호의 주파수 및 위상에 대한 지식을 필요로 한다. 동일 공칭 주파수들에서조차도, 송신 및 수신 라디오들의 발진기들의 실제 주파수 사이에 차이가 항상 존재한다. 자동 주파수 보정(AFC)은 수신된 신호의 이 주파수 오프셋을 추정 및 보정하기 위해 사용된다. 가능한 짧은 양의 시간에 높은 정확도로 주파수 오프셋을 보정하는 것이 필요하다. 따라서, 주파수 동기화의 고속 취득의 문제를 해소할 필요가 있다. 이 이슈는 호가 이미 진행하는, 레이트 엔터링 라디오(late entering radio)의 경우에 보다 중요하게 된다. 주파수 동기화 획득에 소모된 시간은 심볼들의 추가 손실을 의미한다. 이 고속 주파수 획득은 중요하다.
전형적인 디지털 수신기의 기능도는 종래기술 도 1에 도시된 것과 유사할 수있다. 이 유형의 수신기와 연계된 공통적인 이슈는 획득 시간이다. 획득 시간은 송신된 데이터를 수신된 데이터와 동기시키는 데 소요되는 시간, 즉, 전송된 데이터와 아직 동기화되어 있지 않기 때문에, 그 동안 수신기가 데이터를 수신할 수 없는 시간이다. 디지털 동위상(I) 및 직교(Q) 대역(0 중심 주파수 또는 낮은 IF나 매우 낮은 IF) 신호들(102)이 엄밀(sharp) 디지털 채널 선택(CS) 필터(106)의 범위내로 라디오 주파수(RF) 입력 신호의 범위를 가져가기 위해 개략(coarse) 자동 주파수 제어(AFC)(104)에 입력된다.
비록, CS 필터가 DIIS 변조를 위해 3KHz에서 일반적으로 3-dB 대역폭을 가지지만, 이런 CS 필터는 소정의 채널외(off-channel) 출력을 배제하면서 원하는 신호를 선택하도록 선택된다. 그러나, 개략 AFC(104) 없이는 디지털 신호는 주파수의 관점에서 CS 통과대역의 외측으로 이동될 수 있다. 일반적으로, DIIS 변조에 대하여, CS 필터(106)의 중심 주파수의 600Hz내에 디지털 I-Q 입력 신호(102)를 가져가는 것이 필요하거나, 너무 많은 신호가 소실된다.
그후, 필터링된 신호는 선험적으로 수신기에 알려져 있는 디지털 심볼들의 시퀀스를 찾는 장치인 프레임 동기 검출기(108)에 전달된다. 따라서, 수신기가 IF 필터 통과대역내의 에너지를 검출할 때는 언제나 프레임 심볼화를 위해 알려진 비트의 시퀀스를 검출하는 프로세스를 시작한다. 미세 심볼 시간 추정기(110)를 사용함으로써, 수신기는 심볼들 사이의 경계를 판정하고, 또한, 프레임 동기화를 달성한다(즉, 정보의 유입 비트의 알려진 패턴을 인식한다).
시간 심볼 추정에 기초하여, 수신기(100)는 다음에 송신기와 수신기 주파수들 사이의 주파수 오차를 추가로 감소시키기 위해 미세 주파수 추정을 수행한다. 데이터를 적절히 디코딩하기 위해서, 심볼 검출 스킴의 허용 오차 보다 이 주파수 오차를 작게할 필요가 있다. 허용 오차는 DIIS 신호의 코히런트 검출에 대하여 100Hz 또는 DIIS 신호의 난-코히런트 검출의 경우에 10Hz 만큼 작을 수 있다. 시간 동기화가 이미 달성되었기 때문에, 미세 주파수 추정은 미세 주파수 추정기(112)를 사용하여 알려진 심볼들에 대해 작용한다. 개략 AFC(104)가 단지 유입 I-Q 기저대역 신호를 600Hz내로 동조할 수 있기 때문에, 미세 주파수 추정기(112)는 유입 데이터 심볼을 적절히 검출하기 위해 유입 데이터의 주파수를 거의 10Hz로 미세 동조하도록 작용한다. 이 보정은 혼합기(114)에 적용되고, 여기서, 이는 IF 필터(106)로부터의 신호와 혼합된다. 그후, 혼합기(114)의 출력이 심볼 검출기(116)에 적용되고, 여기서 이는 그후 적절히 검출되게 된다.
도 1에 도시된 바와 같은 종래 기술 수신기 동기화 시스템은 몇 가지 약점을 갖는다. 3KHz에서 3-dB 대역폭을 가지는 CS 필터는 일반적으로 인접 채널 간섭 보호 요구조건을 필요로 한다. 이 3dB 대역폭에서, 600Hz의 최대 오프셋은 IF 필터의 입력에서 허용할 수 있다. 관련 표준 스펙들에 따라서, 이동 송신기 주파수는 12.5KHz의 채널 분리에 대하여 그 공칭값으로부터 1.5KHz 까지 허용된다. 기저대역 I-Q 신호가 CS 필터에 직접적으로 공급되는 경우에, 최악의 경우에, Tx와 Rx 사이의 3KHz의 차이에서, 원하는 신호의 상당 부분이 CS 필터에 의해 감쇠될 수 있다. 이는 CS 필터(106) 앞에 배치된 개략 AFC(104)의 원인이 된다. 개략 AFC(104)는 3KHz로부터 600Hz까지 필터 오프셋을 낮추는 것으로 가정된다. 그러나, 개략AFC(104)는 동기 워드를 IF 필터를 통과시키기 위해 동기 워드 이전의 알려지지 않은 데이터상에서 동작하여야만 한다. 이는 궁극적으로 허용가능한 지연 및 어떠한 동기화도 발생하지 않아 수신기가 정보를 수신할 수 없는 주기 보다 크게 된다. 또한, 동기 워드 기반 종래 기술은 주파수 오차에 대하여 매우 덜 빈번하게(매 720ms 마다 한번) 새로운 추정을 생성할 수 있다.
본 발명은 일반적으로 디지털 통신 시스템들에 관한 것으로, 특히, 연속 위상 변조 신호들의 코히런트 복조를 위한 디지털 통신 시스템에서의 디지털 정보의 동기화에 관한 것이다.
도 1은 전형적인 디지털 수신기 시스템을 위한 동기화를 도시하는 종래 기술 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 널-파일럿 심볼 이용 고속 AFC 시스템의 동작을 도시하는 블록도.
도 3은 본 발명을 이행하는 양호한 방법에 따른 널-파일럿 심볼 이용 고속 AFC 시스템의 동작을 도시하는 흐름도.
따라서, 유입 디지털 정보의 어떠한 손실도 방지하기 위해 최소 지연으로 유입 데이터 스트림에 대한 주파수 동기화를 쉽고 정확하게 제공할 수 있는 연속 위상 변조를 위한 디지털 수신기 동기화 시스템을 제공할 필요성들이 있다.
이제, 도 2를 참조하면, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 널 파일럿 심볼 이용 고속 자동 주파수 제어(AFC) 시스템(200)의 고 레벨 기능도는 동위상(I) 및 직교(Q) I-Q 디지털 입력 신호(201)를 포함한다. I-Q 입력 신호(201)는 그후 원하는 I-Q 신호들을 통과시키면서 채널외 노이즈 출력을 제거하도록 동작하는 채널 선택 필터(203)를 통과한다. 그후, 동기 기반 주파수 추정기(205) 또는 임의의 등가의 주파수 추정기가 채널 선택 필터(203)로부터의 신호의 주파수 오프셋을 추정하고, 디지털 주파수 혼합기 같은 주파수 보정 회로(207)내에서 보정한다. 주파수 보정 회로(207)로부터의 보정된 신호는 CPM 신호의 코히런트 복조 이전에 보정될 필요가 있는 약간의 잔류 주파수 오차를 갖는다. 이 신호는 그후 널-파일럿 기반 주파수 추정기(209)로 향하고, 여기서, 잔류 주파수 오차(207에 의해 보정되지 않고 남겨진)의 주파수 추정이 후술된 소정의 데이터 처리를 사용하여 생성된다. 이 주파수 보정 추정은 미세 주파수 보정 추정을 제공하기 위해 심볼 검출기(211)에 의해 주파수 보정 회로(207)의 출력과 함께 사용된다.
도 3은 널-파일럿 기반 주파수 추정기(209)의 세부사항들을 도시한다. 주파수 추정기에서, 주파수 보정된 I-Q 신호는 가장 먼저 파일럿 클록(259)에서 샘플링된다(251). 파일럿 클록(259)은 널-파일럿 기반 주파수 추정기(209)에 대한 신호 입력과 함께 입력된 파일럿 심볼들과 동일한 주파수를 갖는다. 따라서, 파일럿들이 매 20ms 마다 한번씩 삽입되면, 이때, 파일럿 클록은 50Hz의 주파수를 갖는다. 샘플링 동작에 이어, 컴플렉스 I-Q 신호의 위상이 좌표 회전 디지털 컴퓨터(CORDIC) 같은 적절한 알고리즘을 사용하여 파일럿 클록(253)내에서 발견된다. 컴플렉스 신호의 위상은 위상 지연을 제공하도록 메모리 소자내에 저장된다(255).
그후, 위상 지연된 신호는 메모리 소자로부터 마이크로프로세서를 사용하여 수행될 수 있는 일련의 처리 단계들(256)로 보내진다. 마이크로프로세서는 그후 이전 파일럿 위치에서의 위상의 차이를 결정하도록 동작하며, 그후, 현 파일럿 위치가 감산 유니트를 사용하여 결정된다(257). 이 위상 차이는 파일럿 주기(M*T, 여기서 M은 연속하는 파일럿 심볼 위치들 사이의 심볼들의 수를 나타내고, T는 심볼 주기임)에 의해 제산되어 제산기(261)의 출력에서 잔류 주파수 오차의 추정을 획득한다. 2π의 팩터는 초당 래디언 추정을 초당 사이클(Hz) 값으로 변환하기 위해 사용된다. 잔류 주파수 오차의 다수의 다른 값들은 257의 출력에서의 동일 위상 차이를 일으키는 것에 유의해야 한다. 잔류 주파수 오차들의 모든 이들 가능한 값들은 "에일리어들"이라 지칭된다.
그후, 이들 에일리어 값들의 가장 가능성있는 것이 결정된다(265). 이는 하기와 같이 수행된다 : 제산(261)의 출력을 f1이라 가정함. 그후, 선택된 잔류 주파수 추정은 : fOFFSET= m*fALIAS+ f1, 여기서, 수 m은 fOFFSET의 크기가 최소화되도록 선택된다. 비록, 처리 단계들(256)이 여기서 규정되었지만, 본 기술의 숙련자들은 소정의 수 및 처리 단계들이 동일한 결과를 달성하기 위해 사용될 수 있다는 것을 명백히 알 것이다.
에일리어 선택(265)의 결정은 그후 평활화 필터(267)로 전달된다. 이 평활화 필터의 출력은 도 2에 도시된 바와 같이 심볼 검출기(211)에 전달된다.
여기에 설명된 널-파일럿 심볼들 이용 고속 AFC를 위한 프로세스는 수학적으로 표현될 수 있다.
(1) 심볼 Ik에 대응하는 kth심볼 간격을 위한 연속 위상 변조 신호의 위상은 하기와 같이 기재될 수 있다.
, (kT≤t<(k+1)T에 대해)
여기서, σk는 이전 심볼들로 인한 현 위상 상태이며, T는 심볼 주기이고, h는 변조 인덱스이며, q(t)는 누적 위상 함수(위상 성형 필터의 임펄스 응답의 적분 실행)이다.
(2) 위상 형성 필터가 간격 0<t<LT에 걸쳐 0이 아니며, t<0 및 t>LT에 대하여 매우 작다고 가정. 그후, 변조기의 현 상태는 하기와 같이 주어진다.
(3) kth심볼 동안의 위상에 대한 표현은 하기와 같이 다시써진다.
(4) 하나의 널 심볼 및 두 개의 파일럿 심볼들(P1 및 P2)이 매 M 심볼들 마다 한번씩 각 파일럿 위치에 삽입되는 것으로 가정. 그후, nth파일럿 위치에서 각 널 심볼 이후의 제 2 파일럿 심볼 동안의 위상((nM+2)T<t<(nM+3)T)은 하기와 같이 씌어진다.
, (n=1,2,...에 대해)
(5) 여기서, 정수 Kn은 하기와 같이 주어진다.
(6) fOFF의 잔류 주파수 오프셋을 가진 수신된 신호는 하기와 같이 표현된다.
여기서, c(t)는 컴플렉스 페이딩 채널을 나타낸다.
(7) 그후, n번째 널 파일럿 심볼 위치를 위한 위상(도 3의 253의 출력에서 발견되는 바와 같은)((nM+2T)<t<(nM+3)T)은 하기와 같다.
(8) 그후, n 번째 널 심볼에 이어지는 제 2 파일럿 심볼 동안 수신된 신호의 위상은 하기와 같이 씌어진다.
(0<t<T에 대해)
(9) 그후, 현 파일럿 위치(n) 및 도 3의 261의 출력에서 계산된 바와 같은 이전 파일럿 위치(n-1)에서의 위상 사이의 차이는 하기와 같다.
,(n=2,3,...에 대해)
여기서, 0≤t<T에 대해,이다.
그후, 오프셋 주파수는 하기와 같이 표현된다.
, (n=2,3,...에 대해)
따라서, 요약하면, 본 발명은 캐리어 위상 변조(CPM) 시스템내에 파일럿 주파수에서 주기적으로 삽입된 널-파일럿 심볼들을 사용하는 고속 자동 주파수 제어(AFC)에 관한 것이며, 각 파일럿 심볼 위치에서의 동위상(I) 및 직교(Q) 컴플렉스 디지털 입력 신호의 위상 정보를 저장하기 위한 메모리를 포함한다. 메모리는 컴플렉스 디지털 동위상(I) 및 직교(Q) 디지털 신호 샘플의 위상을 억제하기 위한 위상 검출기와, 위상을 결정하기 위한 위상 검출기를 포함한다. 그후, 이전 파일럿 심볼 위치에서의 위상과 현 파일럿 심볼 위치에서의 위상 사이의 차이를 결정하기 위해, 매 파일럿 블록 사이클 마다 한번씩 동작하도록 메모리의 출력에서 파일럿 클록 피구동 위상 미분기가 사용된다. 주파수 오프셋 선택기는 동일 위상 차이를 일으키는 모든 주파수 오프셋들의 집합 중에서 가장 가능성있는 주파수 오프셋을 수학적으로 선택하기 위한 프로세스를 사용한다. 시스템은 주파수 오프셋 선택기로부터의 주파수 추정의 노이즈를 감소시키기 위한 평활화 필터를 포함한다.
본 발명의 양호한 실시예가 예시 및 설명되었지만, 본 발명이 이렇게 한정되지 않는다는 것은 명백하다. 다수의 변형들, 변경들, 변화들, 치환들 및 등가체들이 첨부된 청구범위에 의해 규정된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 본 기술의 숙련자들에게서 이루어질 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 용어들 "포함한다", "포함하는" 또는 소정의 다른 그 변형은 소자들의 리스트를 포함하는 프로세스, 방법, 물품 또는 장치가 이들 소자들만을 포함하는 것이 아니라, 명시적으로 나열되지 않거나 이런 프로세스, 방법, 물품 또는 장치에 고유한 다른 소자들을 포함할 수 있도록 비배제적 포함을 포괄하는 것으로 의도된다.

Claims (8)

  1. 캐리어 위상 변조(CPM)의 코히런트 복조를 위한 널-파일럿 심볼 이용 고속 자동 주파수 제어(AFC) 시스템에 있어서,
    현 파일럿 심볼 위치에서의 위상과 이전 파일럿 심볼 위치에서의 위상 사이의 차이를 결정하기 위해 매 파일럿 클록 사이클 마다 한번씩 동작하는 파일럿 클록 피구동 위상 미분기(pilot clock driven phase differentiator), 및
    동일 위상 차이를 일으키는 모든 주파수 오프셋들의 집합 중에서 가장 가능성있는(most likely) 주파수 오프셋을 선택하기 위한 주파수 오프셋 선택기를 포함하는, 널-파일럿 심볼 이용 고속 자동 주파수 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 주파수 오프셋 선택기로부터의 주파수 추정의 노이즈를 감소시키기 위한 평활화 필터를 더 포함하는, 널-파일럿 심볼 이용 고속 자동 주파수 제어 시스템.
  3. 캐리어 위상 변조(CPM) 시스템내에 파일럿 주파수로 주기적으로 삽입된 널-파일럿 심볼들을 사용하는 고속 자동 주파수 제어 장치(AFC)에 있어서,
    각 파일럿 심볼 위치에서 동위상(I) 및 직교(Q) 컴플렉스 디지털 입력 신호의 위상 정보를 저장하기 위한 메모리,
    현 파일럿 심볼 위치에서의 위상과 이전 파일럿 심볼 위치에서의 위상 사이의 차이를 결정하기 위해 매 파일럿 클록 사이클 마다 한번씩 동작하기 위해 상기 메모리의 출력을 사용하는 파일럿 클록 피구동 위상 미분기, 및
    동일 위상 차이를 일으키는 모든 주파수 오프셋들의 집합 중에서가장 가능성있는 주파수 오프셋을 선택하기 위한 주파수 오프셋 선택기를 포함하는, 고속 자동 주파수 제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 주파수 오프셋 선택기로부터의 주파수 추정의 노이즈를 감소시키기 위한 평활화 필터를 더 포함하는, 고속 자동 주파수 제어 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 메모리는 상기 컴플렉스 동위상(I) 및 직교(Q) 디지털 신호를 매 파일럿 클록마다 한번씩 샘플링하기 위한 샘플러를 포함하는, 고속 자동 주파수 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 메모리는 상기 샘플러로부터의 상기 컴플렉스 동위상(I) 및 직교(Q) 디지털 신호 샘플의 위상을 결정하기 위한 위상 검출기를 더 포함하는, 고속 자동 주파수 제어 시스템.
  7. 송신기에 의해 주기적으로 삽입된 널-파일럿 심볼들에 기초한 주파수 오프셋 정보를 추출하기 위한 방법에 있어서,
    매 파일럿 클록 사이클 마다 한번씩 파일럿 피구동 위상 미분기를 동작시키는 단계,
    현 파일럿 심볼 위치에서의 위상과 이전 파일럿 심볼 위치에서의 위상 사이의 차이를 결정하는 단계, 및
    동일 위상 차이를 일으키는 모든 주파수 오프셋들의 집합 중에서 주파수 오프셋 선택기로부터의 가장 가능성있는 주파수 오프셋을 선택하는 단계를 포함하는, 주파수 오프셋 정보 추출 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 평활화 필터를 사용하여 주파수 추정의 노이즈를 감소시키는 단계를 더 포함하는, 주파수 오프셋 정보 추출 방법.
KR1020047001519A 2001-07-31 2002-07-30 널-파일럿 심볼 이용 고속 자동 주파수 제어 KR100554194B1 (ko)

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