KR20040024986A - 오에프디엠 시스템의 심볼동기 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 OFDM 시스템의 심볼동기 검출장치에 관한 것으로, 프레임 구조의 주기적인 구조를 가지는 OFDM 신호를 심볼주기만큼 지연시켜 차신호를 발생시키고, 차신호에 대한 순시전력을 구하는 수단, 차신호 전력을 이동 평균하여 잡음의 영향을 줄이는 수단, 선행되는 훈련심볼에 대한 이동평균된 평균 잡음전력을 추정하여 최적 임계값을 설정하는 수단, 최적 임계값에 의해 변별된 차신호에 이동뺄셈법을 사용하여 후보 타이밍을 검출하는 수단, 검출된 후보 타이밍 정보로부터 실시간적으로 정확하고 신뢰성있는 기준타이밍을 식별 및 결정하는 기준 타이밍 결정 수단과, 기준 타이밍 정보로부터 심볼 타이밍을 발생시키는 심볼 타이밍 발생 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하며, 추정된 평균 잡음전력을 이용하여 항상 최적의 잡음전력 임계값을 설정함으로써 채널환경과 무관하게 어떠한 채널에 대해서도 일정한 타이밍 검출성능을 제공하게 되고, 최적 임계값에 의해 판별된 신호에 대해 새로운 검출법인 이동뺄셈법(Moving Subtraction Method)을 적용함으로써 주파수 옵셋이 존재하는 경우나 원하지 않은 잡음이 존재하는 경우에 대해서도 효과적으로 '-'타이밍 (0의 타이밍위치보다 짧은 타이밍위치 즉, 0-n의 타이밍 위치)발생확율을 줄여 유리한 동기화 성능을 낼 뿐만 아니라 실시간 처리 방식으로 올바른 타이밍을 식별 및 결정하는 타이밍 결정부를 사용함으로써 고속으로 심볼 타이밍을 검출해 내게 되며, 그리고 뺄셈 연산에 의해 심볼 타이밍 검출이 행해지므로 신호처리의 단순화와 낮은 복잡도의 하드웨어를 구성할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

오에프디엠 시스템의 심볼동기 검출장치{SYMBOL TIMING DETECTION APPARATUS OF OFDM SYSTEM}

본 발명은 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiply ; 이하, 'OFDM'이라 칭함) 시스템의 심볼동기 검출장치에 관한 것으로, 특히 잡음 평균전력의 추정방법을 이용하여 채널환경에 구애받지 않고 항상 최적의 임계값을 제공함으로써 어떠한 채널에 대해서도 일정한 타이밍 검출성능을 제공하며, 주파수 옵셋이 존재하는 경우나 원하지 않은 잡음이 존재하는 경우에 대해서도 효과적으로 '-'타이밍 발생확율을 줄여 뛰어난 동기화 성능을 낼 수 있도록 하고, 뺄셈 연산에 의해 심볼 타이밍 검출이 행해지므로 신호처리의 단순화와 낮은 복잡도의 하드웨어 구성이 이룩될 수 있고 실시간 처리방식으로 OFDM 시스템에서의 심볼 동기화를 이룰 수 있도록 한 OFDM 시스템의 심볼동기 검출장치에 관한 것이다.

일반적으로 OFDM은 데이터 블록을 병렬로 처리하여 서로 직교하는 다수의 부반송파에 실어 병렬로 전송하는 방식이다. 이러한 OFDM 신호의 발생은 직렬의 데이터를 병렬변환후 역 고속 푸리에 변환(IFFT) 처리에 의하여 얻어진다. OFDM 신호는 데이터의 IFFT 처리구간을 데이터 샘플구간으로 하여 작성되는 데이터심볼과 훈련심볼에 의해 프레임단위로 구성되어진다.

수신에서는 송신의 베이스밴드(기저대역)신호에 대해 아날로그 디지털변환후에 고속 푸리에 변환(FFT)방식을 사용하여 심볼복원후 데이터복조에 의해 데이터가 복원된다.

수신 시스템에서 유용한 데이터를 복원해 내기 위해서는 프레임 단위의 주기적 구조의 OFDM신호에서 데이터 심볼의 시작 타이밍을 맞추는 것이 매우 중요하게 되는데, 이러한 프레임의 시작타이밍을 맞추는 것을 프레임 동기라 하며 프레임 동기로부터 데이터 심볼기간의 FFT를 행하기 위한 심볼동기 타이밍을 발생하게 된다.

OFDM 신호의 심볼은 도 2에서와 같이 N_G`개 샘플의 보호구간과 N개 샘플의 데이터샘플구간에 의해 N_G`+`N`개의 샘플구간으로 구성되어진다. 심볼간의 간섭을 방지하기 위해 설정하는 보호구간은 데이터샘플의 끝부분 N_G`개 샘플을 복사하여 데이터샘플의 선두에 붙여 생성하며, 일반적으로 채널의 평균지연확산(delay spread) 시간보다배 긴 값을 사용하며 데이터샘플구간은 보호구간보다배 길게 하고 있다.

일반적으로 OFDM 시스템의 수신부는 도 1에 도시된 바와 같이, 수신되는 베이스밴드(기저대역)신호에 대해 디지털로 변환하는 아날로그 디지털 변환부(ADC)(1)와, 기준 심볼 타이밍을 검출하는 기준심볼타이밍 검출부(2)와, FFT윈도우 제어부(3)와, 가드인터벌 즉, 보호구간 제거부(4)와, 고속 푸리에 변환(FFT)부(5) 및 데이터 복조부(6)로 이루어진다.

종래에는 FFT윈도우 제어용 타이밍 펄스를 발생시키기 위하여 수신신호간의 상관특성을 이용하는 방식을 사용하고 있다. 이 방식은 주기적인 구조를 가지는 신호를 심볼 주기만큼 지연시켜 상관을 취한 후, 주기성의 상관값에 임계값을 비교시켜 기준 심볼 타이밍을 추정해내는 방식이다. 자기상관 방식인 이 방식은 계산이 간단하다는 장점을 가지나 한 샘플 어긋났을 경우의 상관값과의 차이가 적어서 검출된 타이밍의 정밀도가 떨어지는 결과를 초래한다.

따라서, 타이밍 오차의 분산이 커지게 되며, 특히 최적의 임계값이 아닌 경우 그 타이밍 오차의 분산이 크게 증가하게 된다. 이러한 방식은 상관값이 채널환경(전력 지연 프로파일 등)에 따라 그 크기의 변동이 있게 되어 사실상 채널환경에 따라 최적의 임계값이 달라지게 되어 채널환경이 고정되어 있지 않으면 원하는 타이밍 검출 성능을 보장할 수 없는 결과를 초래하게 된다.

상호상관을 사용하는 방식은 채널을 통해 수신된 훈련심볼등의 기준신호와 수신부에 저장된 이 신호와의 상호상관을 취한 결과값으로부터 OFDM 심볼의 시작 타이밍 정보를 검출하게 된다. 이 방식은 자기상관법에 비해 계산량이 많고 하드웨어적으로도 복잡한 반면 인접 샘플간의 상관값의 차이가 커서 상관특성이 보다 정밀하다.

그러나, 주파수 오차가 있을 경우에는 급격한 성능 감쇄를 가져오게 된다. 뿐만 아니라 이 방식의 상관피크는 채널의 전력 프로파일을 그대로 따르므로 특히, 간접파가 직접파보다 큰 non_minimum phase 채널 등에 대해서는 최대 상관피크의 위치가 달라지게 되어 타이밍 검출이 어렵게 될 수 있다. 이 방식 역시 채널환경에 따라 상관피크의 크기 변동이 발생하게 되므로 최적 임계값이 채널에 따라 달라지게 되어 채널환경이 고정되어 있지 않으면 원하는 타이밍 검출 성능을 보장할 수 없는 결과를 초래하게 된다.

또한, 수신신호간 차의 절대값의 최소위치를 찾는 방법도 있으나 주파수 옵셋이 발생하는 경우에는 심볼 시작 위치에 대한 타이밍 검출이 어렵다고 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 그 목적은 수신신호간 차신호에 대한 순시전력신호화와 이동평균법에 의해 잡음의 영향을 줄이고 추정된 평균 잡음전력을 이용하여 최적의 잡음전력 임계값(송신신호에 포함된 부가 잡음이나 주파수 옵셋의 영향 또는 수신 전단부에서의 부가잡음의 영향 등을 포함하는, 실제 신호와 잡음의 변별(discrimination)에 영향을 주는 실효 잡음전력 값)을 설정하게 함으로써 어떠한 채널환경에 대해서도 항상 최적의 임계값을 제공해 주어 일정한 타이밍 검출 성능과 시스템 성능을 보증하도록 한 OFDM 시스템의 심볼동기 검출장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 새로운 타이밍 정보 검출방법으로 이동뺄셈방법(moving subtraction method)을 적용함으로써 간단한 뺄셈처리에 의해 주파수 옵셋이 존재하는 경우나 원하지 않은 잡음이 존재하는 경우에 대해서도 효과적으로 '-'타이밍 에러를 줄여 타이밍 동기화 성능을 좋게 할 뿐만 아니라 정확한 타이밍을 식별하고 결정하는 타이밍 결정부를 통해 실시간 처리방식으로 정확한 타이밍을 보다 신뢰성 있게 검출해 낼 수 있도록 한 OFDM 시스템의 심볼동기 검출장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 이동뺄셈 연산에 의해 심볼 타이밍 검출이 행해지므로 신호처리의 단순화와 낮은 복잡도의 하드웨어 구성이 이룩될 수 있고 실시간 처리방식으로 OFDM 시스템에서의 심볼 동기화를 이룰 수 있도록 한 OFDM 시스템의 심볼동기 검출장치를 제공하는 데에 있다.

도 1은 일반적인 OFDM 시스템의 수신부의 블록 구성도,

도 2는 프리엠블 심볼의 구성 예를 보인 도면,

도 3은 본 발명에 의한 OFDM 시스템의 심볼동기 검출장치의 블록 구성도,

도 4는 도 3의 이동뺄셈기의 블록 구성도,

도 5는 도 3의 이동뺄셈기의 동작 원리를 보인 도면,

도 6은 본 발명에 의한 OFDM 시스템의 심볼동기 검출장치의 각 구성 블록의 출력 파형도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : 참조심볼주기 지연기12 : 뺄셈기

13 : 제곱계산기14 : 이동평균기

15 : 실효잡음전력 계산 및 제어부

16 : 레벨변별기17 : 이동뺄셈기

18 : 후보타이밍 추출기19 : 기준 심볼타이밍 결정부

20 : 심볼타이밍 발생부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 OFDM 시스템의 심볼 동기 검출장치는, 프레임 구성에 의한 OFDM신호의 주기적 구조를 이용하여 수신신호를 심볼 주기만큼 지연시켜 차신호를 발생시킨 다음 이동평균방법에 의해 이 차신호에 대한 순시전력을 구하게 되고, 이때, 차신호화 과정에 의하여 지연시간후의 지연시간구간동안은 신호가 상쇄된 부가된 잡음구간으로 되며 이 구간에서의 잡음전력은 실효잡음전력계산 및 제어부에 의해 구해지게 되며, 이후 추정된 평균잡음전력을 이용하여 채널환경(전력프로파일이나 최대 지연 등)에 구애받지 않는 최적 임계값을 설정하고 이동 뺄셈방법과 타이밍 결정부를 통해 실시간적으로 심볼타이밍을 검출하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 OFDM 시스템의 심볼동기 검출장치의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 OFDM 시스템의 심볼동기 검출장치의 블록 구성도로서, 프레임 구성에 의해 주기적인 구조를 가지는 OFDM신호의 수신신호를 심볼주기 T만큼 지연시키는 참조심볼주기 지연기(11)와, 상기 OFDM신호의 수신신호와 참조심볼주기 지연기(11)를 통해 지연된 두 신호사이의 차신호를 만드는 뺄셈기(12)와, 상기 뺄셈기(12)를 통해 만들어진 차신호에 대한 절대치를 제곱 계산하는 제곱계산기(13)와, 심볼기간에 대해 상기 제곱계산기(13)에서 계산된 절대치 제곱의 합을 구하여 평균시키는 이동평균기(14)와, 상기 차신호화 과정에 의하여 신호가 상쇄되어 만들어지는 잡음구간에 대해 평균잡음전력을 구하고 실효잡음전력으로 잡음 임계레벨을 설정하는 실효잡음전력 계산 및 제어부(15)와, 상기 실효잡음전력 계산 및 제어부(15)에서 설정된 잡음 임계레벨보다 큰 상기 이동평균기(14)의 신호레벨은 " 1 ", 작은 신호레벨은 " 0 "으로 출력시키는 레벨변별기(16)와, 상기 레벨변별기(16)의 출력을 심볼의 샘플간격 T_s`(심볼주기T`=`N``T_s`, N;샘플수)마다 차를 구해 가는 이동뺄셈기(17)와, 상기 이동뺄셈기(17)의 출력에서 0보다 큰값의 위치를 추출하는 후보타이밍 추출기(18)와, 상기 후보타이밍 추출기(18)에서 추출된 후보타이밍 중에서 0` + n`의 타이밍오차 범위내에 들어오는 일정의 카운트를 기준 심볼타이밍으로 결정하는 기준 심볼타이밍 결정부(19)와, 상기 기준 심볼타이밍 결정부(19)에서 결정된 기준 심볼타이밍으로부터 심볼타이밍을 출력시키는 심볼타이밍 발생부(20)로 구성된다.

도 4는 상기 이동뺄셈기(17)의 블록 구성도로, 길이 N의 이동뺄셈 윈도우를 보여주고 있는 도면으로서, 이동뺄셈기(17)는 상기 레벨변별기(16)의 출력신호를 지연시키는 다수의 지연기(17-1)와, 상기 다수의 지연기(17-1)에서 지연된 신호들은 합하는 가산기(17-2)와, 상기 레벨변별기(16)의 출력신호와 상기 가산기(17-2)의 출력신호의 차를 구하는 감산기(17-3)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 OFDM 시스템의 심볼동기 검출장치의 동작을 도 5 내지 도 6을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 도 4의 이동 뺄셈기의 동작 원리를 보인 도면이고, 도 6은 본 발명에 의한 OFDM 시스템의 심볼동기 검출장치의 각 구성 블록의 출력 파형도이다.

본 발명에 대한 상세 설명에 앞서 OFDM신호의 프레임 구성에 대해 간략한 설명을 부가하면 다음과 같다.

OFDM은 프레임 동기를 위해 도 2에 도시된 바와 같이 프레임의 선두에 10개의 ??은 훈련심볼과 2개 또는 3개의 긴 훈련심볼이 사용된다. 이러한 프레임 구성에서 2개의 OFDM심볼기간이 되는 10개의 짧은 훈련심볼의 기간은 평균잡음전력을 추정하고, 2개 또는 3개의 긴 훈련심볼의 기간동안은 심볼타이밍의 검출과 채널등화에 이용되도록 구성되어진다.

도 6의 (a)는 주파수옵셋과 다중경로 채널환경에서의 OFDM 베이스밴드(기저대역) 수신신호를 나타내는 파형도로서, 주기적인 구조를 가지는 OFDM신호의 시작부분은 타이밍추정에 이용될 훈련심볼이 부가되어 있다.

도 6의 (b)는 상기 OFDM 베이스밴드(기저대역) 수신신호를 참조심볼의 한 주기(N_p`=`N_G`+`N``) 만큼 지연시킨 신호이고, 도 6의 (c)는 상기 OFDM 베이스밴드(기저대역) 수신신호와 지연된 수신신호의 차를 구한 뺄셈기(12) 출력의 차신호이며, 이 중에서 레벨이 미약하게 나타나는 부분은 차신호화 과정에 의하여 신호가 상쇄되어 만들어지는 잡음구간으로 매 프레임의 짧은 훈련심볼의 처음 1 OFDM 심볼기간(N_p`=`N_G`+`N``)후에 나타나고 있다.

도 6의 (d)는 상기 뺄셈기(12) 출력의 차신호에 대한 절대치의 제곱 계산기(13)의 출력으로 매 샘플시간T_s (T`=`N`T_s )마다 차신호의 순시전력으로 이루어진 신호이고, 도 6의 (e)는 순시전력을 이동 평균시키는 이동평균기(14)의 출력신호이다.

잡음전력의 산출과 최적값의 설정 즉, 최적 임계값을 설정하는 실효잡음전력계산 및 제어부(15)는 상기 이동평균기(14)의 출력 중에서 레벨이 미약하게 나타나는 잡음전력 레벨기간에 평균잡음전력을 구하고 실효잡음전력으로 잡음 임계레벨을 설정해 준다.

이어서, 상기 이동평균기(14)의 출력신호는 잡음 임계레벨에 비교되어 임계레벨보다 큰 신호레벨은 " 1 ", 작은 신호레벨은 " 0 "으로 출력시키는 레벨변별기(16)에 입력된다.

한편, 도 6의 (f)와 같은 파형을 출력하는 상기 레벨변별기(16)의 출력신호는 도 5에 도시된 바와 같이 심볼의 샘플간격 T_s`(심볼주기T`=`N``T_s`, N;샘플수)마다 차를 구해 가는 이동뺄셈기(17)에 입력되어 변별기 출력신호를 +와 - 그리고 0의 값을 가지는 3종류의 신호로 변환시켜 도 6의 (g)와 같은 파형을 만든다.

즉, 도 5는 길이 3인 이동뺄셈기(17)의 동작원리를 보인 도면으로서, (a)는 원 신호이고, (b)와 (c)는 각각 원 신호의 1샘플,2샘플 지연된 신호이며, (d)는 원 신호에서 (b)와 (c)를 뺀 신호이다.

이어서, 후보타이밍 추출기(18)는 도 6의 (h)와 같이 이동뺄셈기(17)의 출력에서 0보다 큰값의 위치를 T_s`의 시간길이 동안 1로 추출하여 기준 심볼타이밍 결정부(19)에 보낸다.

그러면, 상기 기준 심볼타이밍 결정부(19)에서는 도 6의 (i)와 같이 상기 후보타이밍 추출기(18)의 신호검출 정보(enable pulse)를 받아 특정 범위 내에 들어오는 첫 번째 후보 타이밍을 결정적인 타이밍신호로 출력한다.

즉, 시스템 성능에 영향을 주지 않도록 설정된 오차 n에 대하여 후보타이밍중에서 0` +- n`(0점은 정확한 타이밍점을 나타냄)의 타이밍오차 범위내에서 카운트되는 첫 번째의 0보다 큰값의 위치를 기준 심볼타이밍으로 결정한다.

이후, 상기 기준 심볼타이밍 정보를 받아 심볼타이밍 발생부(20)에서는 심볼타이밍을 발생시키게 된다.

본 발명에서의 이동뺄셈방법은 자신을 지연시킨 것과의 뺄셈연산을 하는 방식으로서, 주파수 옵셋이나 기대하지 않은 잡음 등에 의해 원하는 타이밍주위에 의사 타이밍의 발생을 제거해 주는 역할을 하게 되어 '-'타이밍 에러를 줄여 주므로 타이밍 동기화 성능을 향상시키는 작용을 한다.

또한 이동뺄셈과 후보타이밍 추출의 기능을 동시에 수행할 수 있고 회로적으로는 2개의 논리게이트와 1개의 지연기를 통해 매우 간단하게 구현할 수 있어 하드웨어적으로도 보다 단순화시킬 수 있다.

이상, 상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은 OFDM 시스템의 심볼 타이밍 추정장치에 관한 것으로서, 추정된 평균 잡음 전력을 이용하여 항상 최적의 임계값이 설정되므로써 채널환경과 무관하게 어떠한 채널에 대해서도 일정한 타이밍 추정성능을 제공하게 된다. 최적 임계값에 의해 변별된 신호에 대해 이동뺄셈방법(moving subtraction method)을 적용함으로써 주파수 옵셋이 존재하는 경우나 원하지 않은 잡음이 존재하는 경우에 대해서도 효과적으로 '-'타이밍 발생확율을 줄여 본 장치가 보다 정확한 동기화 성능을 낼 수 있도록 한다. 뿐만아니라, 실시간 처리 방식으로 올바른 타이밍을 식별 및 결정하는 타이밍 결정부를 사용함으로써 고속으로 심볼 타이밍을 검출해내게 된다. 그리고 상기의 방식은 뺄셈 연산에 의해 심볼 타이밍 검출이 행해지므로 신호처리의 단순화와 낮은 복잡도의 하드웨어를 구성할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명은 채널특성을 미리 알 수 없는 실제 채널환경에 대해 OFDM시스템을 적용함에 있어, 매우 뛰어나고 신뢰할 수 있는 OFDM 심볼 타이밍 검출 성능을 제공하며 또한 시스템의 성능을 보장할 수 있게 한다.

Claims (1)

1. 프레임 구성에 의해 주기적인 구조를 가지는 OFDM신호의 수신신호를 심볼주기 T만큼 지연시키는 참조심볼주기 지연기와,

   상기 OFDM신호의 수신신호와 참조심볼주기 지연기를 통해 지연된 두 신호사이의 차신호를 만드는 뺄셈기와,

   상기 뺄셈기를 통해 만들어진 차신호에 대한 절대치를 제곱 계산하여 순시전력을 구하는 제곱계산기와,

   심볼기간에 대해 상기 제곱계산기에서 계산된 절대치 제곱의 합을 구하여 평균시키는 이동평균기와,

   상기 차신호화 과정에 의하여 신호가 상쇄되어 만들어지는 잡음구간에 대해 평균잡음전력을 구하고 실효잡음전력으로 잡음 임계레벨을 설정하는 실효잡음전력 계산 및 제어부와,

   상기 실효잡음전력 계산 및 제어부에서 설정된 잡음 임계레벨보다 큰 상기 이동평균기의 신호레벨은 " 1 ", 작은 신호레벨은 " 0 "으로 출력시키는 레벨변별기와,

   상기 레벨변별기의 출력을 심볼의 샘플간격 T_s`마다 차를 구해 가는 이동뺄셈기와,

   상기 이동뺄셈기의 출력에서 0보다 큰값의 위치를 추출하여 후보타이밍을 추출하는 후보타이밍 추출기와,

   상기 후보타이밍 추출기에서 추출된 후보타이밍 중에서 0` + n`의 타이밍오차 범위내에 들어오는 일정의 카운트를 기준 심볼타이밍으로 결정하는 기준 심볼타이밍 결정부와,

   상기 기준 심볼타이밍 결정부에서 결정된 기준 심볼타이밍으로부터 심볼타이밍을 출력시키는 심볼타이밍 발생부로 구성되는 것을 특징으로 하는 오에프디엠 시스템의 심볼동기 검출장치.