KR20040023440A - 이동통신시스템의 수신단에서의 주파수 오차 추정 및 결합기 - Google Patents

이동통신시스템의 수신단에서의 주파수 오차 추정 및 결합기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동통신시스템의 수신단에서 다이버시티를 이용한 주파수 오차 추정 및 결합기에 있어서, 주파수 오차 추정을 위한 기준 심볼들을 다이버시티 결합하는 다이버시티 결합기 및 상기 다이버시티 결합기로부터 출력되는 신호를 결합하여 주파수 옵셋 값을 출력하는 주파수 오차 추정기를 구비하는 다수의 핑거와, 상기 주파수 오차 추정기로부터의 출력을 다중 경로 다이버시티 결합하는 주파수 오차 결합기를 포함한다.

Description

이동통신시스템의 수신단에서의 주파수 오차 추정 및 결합기{FREQUENCY ERROR DETECTOR AND FREQUENCY ERROR COMBINER FOR RECEIVER IN A MOBILE COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 이동통신시스템에서 주파수 오차 검출기 및 주파수 오차 결합기에 관한 것이다.
통상적으로 이동통신시스템은 동기방식과 비동기방식으로 크게 구분될 수 있는데, 비동기방식은 유럽에서 채택되고 있는 방식이며, 동기방식은 미국에서 채택하고 있는 방식이다. 유럽에서의 이러한 이동통신시스템은 UMTS(Universal Mobile Telecommunication System)라고 하고, UMTS에서의 이동통신단말기는 UE(user equipment)라고 한다.
한편, 주파수 옵셋(offset)은 반송파 주파수가 온도에 따라 점차적으로 변하기 때문에 이동 통신 시스템에 있어서 피할 수 없는 성능 저하의 요인이다. 따라서 주파수 옵셋을 보상하기 위한 AFC(Automatic Frequency Control)가 필요하다. UMTS 시스템에서 주파수 오차 제어 루프의 기준 신호가 되는 것은 공통 파일롯 채널 신호(common pilot channel: 이하 CPICH라고 함)이다.
도 1은 이러한 CPICH의 변조 패턴을 나타낸다. CPICH의 평균 위상은 트래픽(traffic) 채널의 전송 속도와 무관하게 임의의 시간 구간을 택하여 계산할 수 있다. CPICH는 변조되지 않은 신호를 전송하기 때문에, 연속적인 CPICH 신호로부터 위상 변화를 계산할 수 있다. 즉, 수신 신호를 일정 구간 동안 I&D(integrate & dump) 함으로써 현재 수신 심볼의 좌표를 알 수 있고, 이 좌표와 이전 수신 심볼의 좌표로부터 현재 수신 심볼의 위상 변화를 계산할 수 있다. 작은 위상 변화에 대해서, 위의 결과는 위상 변화의 선형 추정 값이 되며, 이 값은 바로 주파수 오차에 비례한다. 이와 같은 위상의 변화는 단말기가 기지국에 대해 상대적으로 타이밍이 부정확하기 때문에 생기게 된다.
단말기의 타이밍 기준은 VCTCXO(voltage-controlled temperature crystal oscillator)인데, VCTCXO의 작은 주파수 오차에 의해 타이밍 오차가 생기게 된다. 따라서 VCTCXO의 제어 전압을 조절하여 단말기와 기지국의 주파수 오차에 의한 타이밍 오차를 보정한다. AFC의 위상 오차 검출기에서 검출된 CPICH의 위상 변화는 루프 필터에서 적절한 이득을 곱한 후 무한 누적된다. 루프 필터의 출력은 PDM(pulse duration modulation)신호로 변환되어 VCTCXO의 주파수를 제어하기 위한 디지털 펄스 신호가 된다.
UMTS 시스템은 송신 다이버시티(Tx diversity)로서 개루프 송신 다이버시티(open loop transmit diversity)와 폐루프 송신 다이버시티(closed loop transmit diversity)를 지원한다. 이 때, 개루프 송신 다이버시티로서 STTD(space time transmit diversity) 방법을 사용한다. STTD를 지원할 경우, 두 개의 안테나를 사용하여 서로 직교하는 CPICH 심볼 패턴을 전송하게 된다. 주파수 오차 검출기는 서로 다른 독립 페이딩을 겪은 두 안테나로부터 수신된 CPICH 신호를 이용하여 주파수 오차를 검출하고, 결합하여 이득을 조정한 후 루프 필터로 넘겨주게 된다. 이 때, 채널의 다중경로(multi-path)에 의해 생기는 시간 지연된 독립적인 주파수 오차들도 결합하여 다중경로 다이버시티 효과를 얻음으로써 제어 루프의 성능을 향상시킨다.
UMTS의 UE에서 주파수 오차를 검출하고, 결합하는 방법은 여러 가지가 있다. 먼저 주파수 오차 검출 방법으로 arc tangent를 이용하는 방법과 CPFDD(crossproduct frequency difference detector)를 이용하는 방법이 있다. 이 두 방법의 차이는 arc tangent를 이용하는 방법은 신호의 크기로 정규화(normalization)하는 반면, CPFDD를 이용하는 방법은 신호의 크기로 정규화하지 않음으로써 신호의 크기에 따라 가중치를 가하고 있다는 점이다. 즉, 신호의 크기가 작은 경우, 잡음에 의해 정확성이 떨어지므로, 가중치를 주는 CPFDD를 이용하는 방법이 실제 상황에서 더 나은 성능을 보인다. 이상적인 채널환경에서는 arc tangent를 이용하는 방법이 가장 정확한 위상 오차를 추정한다.
UMTS 시스템에서 arc tangent를 이용하는 알고리듬과 CPFDD를 이용하는 알고리듬은 다음과 같다. 두 알고리듬 모두 입력은 안테나 패턴을 분리하기 위해서 CPICH 두 심볼을 더한 값의 이전값과 현재값이다. 즉 수신된 CPICH 신호를 I&D(256 chips)한 후, 안테나 패턴을 제거하고, 두 심볼을 누적한 값으로 다음 수학식 1과 같은 복소수 값을 갖는다.
이러한 CPICH 기준 심볼의 복소수 값을 이용하여 Arc tangent 알고리즘에 따라 위상 추정값을 구하는 방식은 이하 수학식 2이며 CPFDD 알고리즘에 따라 위상 추정값을 구하는 방식은 이하 수학식 3이다.
위와 같이 안테나에 따라 구한 위상 추정값을 다중 경로에 따라 다시 결합한다.
그러나, 주파수 오차가 거의 작은 경우 안테나 1은 정상적인 채널 환경이고, 안테나 2는 심한 페이딩 경로를 겪었다고 가정하면, CPFDD를 사용하더라도 문제는 발생한다. 안테나 1의 CPICH 심볼을 입력받은 CPFDD1 출력은 거의 0에 가까운 출력을 내보내게 되지만, 안테나 2의 CPICH 심볼을 입력 받은 CPFDD2 출력은 심한 페이딩에 의한 부정확한 출력을 내보내게 될 것이다. 이러한 안테나 다이버시티 결합 이전의 CPICH 기준 심볼의 복소 평면도를 도 2a 및 도 2b에 도시한다. 이러한 페이딩의 값은 크지 않을 것으로 예상되지만 페이딩의 길이에 따라 잔류 주파수 오차의 크기를 증가시킬 수도 있다. 즉, 도 2a의 안테나1로부터의 CHICH 기준 심볼은 빗금친 부분(10)의 노이즈에 의해 영향을 거의 받지 않지만, 도 2b의 안테나2로부터의 CHICH 기준 심볼은 빗금친 부분(10)의 노이즈에 의해 영향을 받는다.
따라서, 본 발명의 목적은 페이딩에 영향을 거의 받지 않는 주파수 오차 추정 및 결합기를 제공함에 있다.
도 1은 이러한 CPICH의 변조 패턴을 나타낸 도면,
도 2a 및 도 2b는 안테나 다이버시티 결합 이전의 CPICH 기준 심볼의 복소 평면도,
도 3은 본 발명에 따라 UMTS의 UE에서의 자동 주파수 조절의 구성을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 및 주파수 오차 결합기의 구성을 나타낸 도면,
도 5는 안테나 1, 2의 CPICH 기준 심볼을 미리 결합하여 CPFDD의 입력을 생성하는 것을 나타내는 복소 평면도.
전술한 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 이동통신시스템의 수신단에서 다이버시티를 이용한 주파수 오차 추정 및 결합기에 있어서, 주파수 오차 추정을 위한 기준 심볼들을 다이버시티 결합하는 다이버시티 결합기 및 상기 다이버시티 결합기로부터 출력되는 신호를 결합하여 주파수 옵셋 값을 출력하는 주파수 오차 추정기를 구비하는 다수의 핑거와, 상기 주파수 오차 추정기로부터의 출력을 다중 경로 다이버시티 결합하는 주파수 오차 결합기를 포함한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 UMTS UE용 자동 주파수 오차 제어 루프의 주파수 옵셋 추정 및 결합 장치를 제공한다. 이를 위해 본 발명은 주파수 오차 결합기를 안테나에 의한 주파수 오차 결합기와 다중 경로에 의한 주파수 오차 결합기로 분리시킨다. 본 발명에 따라 STTD(space time transmit diversity)시 안테나에 의한 다이버시티 효과를 얻기 위한 주파수 오차 결합기는 주파수 오차 검출기 앞부분에 위치시킴으로써 한쪽 신호가 잡음에 묻혀서 잘못된 값을 출력하더라도, 다른쪽 신호에 의해 보상받을 수 있으며, 하드웨어도 핑거(finger)의 수만큼 CPFDD 블록을 반으로 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명에 따라 UMTS의 UE에서의 자동 주파수 조절(Automatic Frequency Control: 이하 AFC라고 함)의 구성을 나타낸다.
단말기의 타이밍 기준은 VCTCXO(voltage-controlled temperature crystal oscillator)인데, VCTCXO의 작은 주파수 오차에 의해 타이밍 오차가 생기게 된다. 따라서 VCTCXO의 제어 전압을 조절하여 단말기와 기지국의 주파수 오차에 의한 타이밍 오차를 보정한다. AFC의 위상 오차 검출기에서 검출된 CPICH의 위상 변화는 루프 필터에서 적절한 이득을 곱한 후 무한 누적된다. 루프 필터의 출력은 PDM(pulse duration modulation)신호로 변환되어 VCTCXO의 주파수를 제어하기 위한 디지털 펄스 신호가 된다.
도 3을 참조하면, 자동 주파수 조절 구성은 아날로그 부분(100)와 디지털 부분(200)를 포함한다. 아날로그 부분(100)은 믹서(102,112), 위상 시프터(120), 로우패스필터(104,114) 및 아날로그/디지털 변환기(106,116)으로 이루어진다. 아날로그 곱셈기(102,112)는 각각 안테나1,2로부터 입력되는 I 수신신호와 Q 수신신호에 대하여 VCTCXO(voltage-controlled temperature crystal oscillator)(118)의 출력을 곱한다. 위상 시프터(120)는 국부 발진기(118)로부터 출력되는 신호의 위상을 90도 위상 시프터하여 아날로그 곱셈기(102)에 출력한다. 로우패스필터(104,114)는 각각 I 수신신호와 Q 수신신호에 대하여 캐리어 주파수 신호를 필터링한다. 아날로그/디지털 변환기(106,116)는 로우패스필터(104,114)로부터 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하여 I 수신 데이터 및 Q 수신 데이터를 디지털 부분(200)으로 출력한다.
디지털 부분(200)은 디스프레딩부(202,222), 적분 및 덤프부(Integrate & Dump), 안테나 패턴 제거부(Antenna Pattern), 2심볼 누적기(Accumulator:이하 ACC라고 함)(208,228) 및 주파수 오차 추정및 주파수 오차 결합기(210), 주파수 체배기(212), 루프 필터(214), 디지털/아날로그 변환기(216) 및 국부 발진기(118)를 포함한다.
디스프레딩부(Despreading)(202,222)는 기지국의 송신단에서 채널화 코드를 이용하여 스프레딩한 데이터에 동일한 코드를 곱하는데, 채널화 코드는 여러 가지 채널이 혼재할 경우 특정 채널을 분리하기 위해 사용된다. 적분 및 덤프부(204,224)는 디스프레딩부로부터의 출력을 일정 구간 동안 적분 및 덤프하며, 이에 따라 현재 수신 심볼의 좌표를 알 수 있게 된다. 안테나 패턴 제거부(206,226)는 적분 및 덤프부(204,224)로부터의 신호에서 안테나 패턴을 제거한다. 누적기(208)는 디스프레딩된 데이터를 특정 시간동안 누적하여 누적된 데이터를 출력한다. 주파수 오차 추정 및 주파수 오차 결합기(Frequency Error Detector and Frequency Error Combiner)(210)는 상기 누적기(208,228)로부터 제공되는 값에 의해 주파수 옵셋 값을 결정하여 주파수 옵셋 추정치를 출력한다. 루프필터(214)는 상기 주파수 오차 추정 및 주파수 오차 결합기(210)로부터 제공되는 주파수 옵셋 추정치를 필터링하여 출력한다. 디지털/아날로그 변환기(DAC)(216)는 상기 루프필터(214)로부터 제공되는 디지털 형태의 주파수 옵셋 추정치를 아날로그 형태의 신호로 변환하여 상기 국부 발진기(118)에 출력한다.
도 4는 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 및 주파수 오차 결합기의 구성을 나타낸다.
기지국 및 이동국의 국부발진기(VCTCXO)(118)의 부정확성 및 이동 채널에서의 도플러 주파수로 인해 수신신호의 반송파 주파수와 이동국 국부발진기(VCTVXO)의 발진주파수간에 옵셋이 발생되는데, 상기 주파수 옵셋으로 인해 수신 데이터는 왜곡되어 데이터 복조에 나쁜 영향을 주게 된다. 그러므로, 상기 주파수 옵셋을 검출하여 상기 발진주파수를 수신신호의 주파수와 동기를 맞추도록 함으로서 주파수 옵셋을 최소화시키는 피드-백(feed-back) 루프가 필요하다. 이러한 역할을 하는 루프가 주파수 추적 루프(AFC Loop)이고, 주파수 차이를 검출하는 것이 FDD(Frequency Difference Detector)인데, 그 중에서 지연된 I채널과 Q채널 값을 원래 값과 교차하여 곱하는 방식을 CPFDD라 한다.
본 발명은 주파수 오차 결합기를 안테나에 의한 주파수 오차 결합기와 다중 경로에 의한 주파수 오차 결합기로 분리시킨다. 본 발명에 따라 STTD(space time transmit diversity)시 안테나에 의한 다이버시티 효과를 얻기 위한 주파수 오차 결합기는 주파수 오차 검출기 앞부분에 위치시킴으로써 한쪽 신호가 잡음에 묻혀서잘못된 값을 출력하더라도, 다른쪽 신호에 의해 보상받을 수 있으며, 하드웨어도 핑거(finger)의 수만큼 CPFDD 블록을 반으로 줄일 수 있다.
도 4의 주파수 오차 추정 및 주파수 오차 결합기는 안테나 다이버시티 결합기(310), CPFDD(Cross Product Frequency Difference Detector)(330) 및 주파수 오차 결합기(400)을 포함한다. 안테나 다이버시티 결합기(310)와 CPFDD(330)는 다중 경로의 각 경로의 핑거마다 설치되며, 주파수 오차 결합기(200)는 이들 각 경로의 핑거에 연결되어 주파수 오차를 결합하여 루프 필터(214)에 출력한다.
안테나 다이버시티 결합기(310)는 안테나1과 안테나2로부터 입력되는 CPICH 기준 심볼을 미리 결합한다. 이를 위해 안테나 다이버시티 결합기(310)는 안테나1로부터 출력되는 I신호와 안테나2로부터 출력되는 I신호의 레벨을 맞춰주는 레벨 조정기(302,304)와 안테나1로부터 출력되는 Q신호와 안테나2로부터 출력되는 Q신호의 레벨을 맞춰주는 레벨 조정기(306,308)를 포함한다. 레벨 조정기(302,304,306,308)는 입력되는 신호의 레벨을 적합하게 조정한다. 또한, 안테나 다이버시티 결합기(310)는 안테나1, 2로부터 출력되는 각 I신호를 더하는 덧셈기(310) 및 안테나1, 2로부터 출력되는 각 Q신호를 더하는 가산기(310)를 포함한다. 이에 따라 이들 CIPCH 기준 심볼은 CPFDD(330)에 입력되기 전에 미리 결합한다. 이렇게 함으로써, 한 쪽 신호가 노이즈에 의해 미약하더라도 다른 신호에 의해서 심각한 영향을 받지 않을 수 있으며, CPFDD를 구현하기 위한 하드웨어도 핑거당 2개에서 하나로 줄일 수 있다.
CPFDD(330)는 2개의 지연기(332,334), 2개의 곱셈기(336,338), 가산기(340)및 레벨 조정기(342)로 이루어진다. 2개의 지연기(332,334)는 수신 데이터의 I채널 데이터 I(n)과 Q채널 데이터 Q(n)을 각각 지연하여 지연된 I채널데이터 I(n-1)와 Q채널 데이터 Q(n-1)를 출력한다. 한편, 상기 2개의 곱셈기(336,338)는 상기 지연기(332,334)로부터 출력되는 I채널 데이터 I(n-1) 및 Q채널 데이터 Q(n-1)와 지연되지 않은 I채널 데이터 I(n) 및 Q채널 데이터 Q(n)을 곱하여 출력한다. 상기 가산기(340)는 상기 곱셈기(336,338)로부터 출력되는 값에서 상기 곱셈기(540)로부터 출력되는 값의 차를 주파수 옵셋 값으로 출력한다. 레벨 조정기(342)는 곱셈기(540)로부터 출력되는 주파수 옵셋값을 적절한 레벨로 조정하여 주파수 결합기(400)에 출력한다. 주파수 오차 결합기(400)는 각 핑거에서 출력되는 주파수 옵셋 값을 결합하여 루프 필터(214)에 출력한다. 다중 경로에 의한 다이버시티 효과를 얻기 위한 주파수 오차 결합기(400)는 위에서 구한 CPFDD 출력을 LOCK 검출기의 Fn_LOCK 신호를 참조하여 선택적으로 결합한다.
도 5는 안테나 1, 2의 CPICH 기준 심볼을 미리 결합하여 CPFDD의 입력을 생성하는 것을 나타내는 복소 평면도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명은 안테나1로부터 출력되는 CPICH1과 안테나2로부터 출력되는 CPICH2가 결합되어(A,B) 주파수 오차 검출기에 출력함으로써 한쪽 신호가 잡음에 묻혀서 잘못된 값을 출력하더라도, 다른쪽 신호에 의해 보상받을 수 있다.
전술한 본 발명에 따르면, 안테나에 의한 다이버시티 효과를 얻기 위한 주파수 오차 결합기를 주파수 오차 검출기 앞부분에 위치시킴으로써 한쪽 신호가 잡음에 묻혀서 잘못된 값을 출력하더라도, 다른쪽 신호에 의해 보상 받을 수 있으며, 하드웨어도 핑거의 수만큼 CPFDD 블럭을 반으로 줄일 수 있다. 즉, 본 발명은 심한 페이딩의 경우 잘못된 주파수 오차 검출에 의한 AFC 루프의 성능저하를 미리 방지할 수 있으며, 실제 구현에 있어서도 CPFDD 하드웨어를 핑거당 반으로 줄일 수 있는 장점이 있다.

Claims (2)

  1. 이동통신시스템의 수신단에서 다이버시티를 이용한 주파수 오차 추정 및 결합기에 있어서,
    주파수 오차 추정을 위한 기준 심볼들을 다이버시티 결합하는 다이버시티 결합기 및 상기 다이버시티 결합기로부터 출력되는 신호를 결합하여 주파수 옵셋 값을 출력하는 주파수 오차 추정기를 구비하는 다수의 핑거와,
    상기 주파수 오차 추정기로부터의 출력을 다중 경로 다이버시티 결합하는 주파수 오차 결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 오차 추정 및 결합기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다이버시티 결합기는 상기 주파수 오차 추정을 위한 기준 심볼들을 복소수 결합하는 것을 특징으로 하는 주파수 오차 추정 및 결합기.
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