KR20050063213A - Ｄｍｂ 수신기의 주파수 복구 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 DMB 시스템의 주파수 복구에 관한 것으로, 특히 DMB 시스템에서 수신된 신호의 SNR을 추정하는 추정기와 이를 이용한 주파수 복구 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 포착과 추적의 두 가지 모드로 오차를 추정하고 보정하는 DMB 수신기의 주파수 복구 시스템에 있어서, 상기 DMB 수신기의 수신 신호에 프레임 동기를 맞추기 위해 포함된 널구간을 이용하여 SNR을 구하고, 상기 구해진 SNR에 따라 상기 포착 혹은 추적 모드 중 하나를 선택하는 신호를 생성하는 SNR 추정기를 포함하여 구성됨으로써, SNR 추정기를 이용하여 신호의 상태에 따라 오차 추정 방법을 달리 하여 보다 신속하고 정확하게 주파수를 복구하는 효과가 있다.

Description

ＤＭＢ 수신기의 주파수 복구 장치{Apparatus of frequency recovering system in DMB recever}

본 발명은 DMB 시스템의 주파수 복구에 관한 것으로, 특히 DMB 시스템에서 수신된 신호의 SNR을 추정하는 추정기와 이를 이용한 주파수 복구 시스템에 관한 것이다.

DMB 시스템은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multplexing)을 사용하는데, 이는 여러 개의 반송파를 이용하여 동시에 전송하는 것이다.

상기 여러 개의 반송파를 만들기 위해서는 발진기가 여러 개 필요한데, 이를 대신해서 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)를 이용하여 디지털 영역에서 구현한다.

이처럼, 여러 개의 반송파를 이용하여 전송하므로 수신단에서 분리하기 위해서는 반송파간에 직교성이 존재하여야 한다. 상기 직교성이란 서로 다른 반송파를 곱하고 적분하면 0이 나오고, 같은 반송파 간에만 값이 존재하는 특성이다.

따라서, 수신단에서는 수신된 신호에 각각의 반송파를 곱해서 적분하면 각 반송파에 해당하는 신호만 나오게 되므로 신호를 분리할 수 있게 된다. 이때에도 발진기를 대신하여 FFT를 이용함으로써 상기 곱하고 적분하는 역할을 수행한다.

이때, 만약, 수신된 신호에 있는 반송파에 오차가 존재하면 수신된 반송파간의 직교성은 깨지고, FFT를 통해 나온 신호에 간섭이 생겨 신호대 잡음비(SNR)가 낮아진다.

상기 수신된 신호의 위상 오차는 수신기의 차등 복조기에 의해 constant 위상은 없어지게 된다. 따라서, 고려해야 하는 것은 주파수 오차이며, 이러한 주파수 오차를 추정하여 보정하는 것은 중요한 문제가 아닐 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, DMB 시스템에서 수신된 신호의 SNR을 추정하고, 상기 추정된 SNR값을 이용하여 주파수 복구 시스템의 제어 신호로 활용하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 DMB 수신기의 주파수 복구 장치는, 포착과 추적의 두 가지 모드로 오차를 추정하고 보정하는 DMB 수신기에 있어서, 상기 DMB 수신기의 수신 신호에 프레임 동기를 맞추기 위해 포함된 널구간을 이용하여 SNR을 구하고, 상기 구해진 SNR에 따라 상기 포착 혹은 추적 모드 중 하나를 선택하는 신호를 생성하는 SNR 추정기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 SNR 추정기는, 상기 DMB 수신기의 수신 신호에 포함된 동기 신호를 이용하여 상기 널구간에 포함된 잡음의 전력값을 구하는 제곱기와, 상기 잡음 전력 값을 입력받아 적분하고, 평균을 취하여 평균 잡음 전력을 구하는 누적 및 평균기와, 상기 주파수 복구 장치 내부 AGC를 통해 기 설정된 전력값으로 조절되어진 기준 전력값과 상기 평균 잡음 전력의 차를 구하여 신호 전력을 생성하는 뺄셈기와, 상기 구해진 신호 전력 값을 상기 평균 잡음 전력으로 나누어 SNR 값을 구하는 나눗셈기와, 상기 구해진 SNR 값과 기 설정되어 입력된 기준 SNR 값을 비교하여 상기 모드 선택 신호를 생성하는 비교기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 SNR 추정기를 포함한 주파수 복구 시스템을 나타낸 도면이다.

도 1과 같이, 본 발명에 따른 주파수 복구 시스템은, 안테나로 입력된 수신 신호를 원하는 중간 주파수(Intermediate Frequency)의 통과 대역(Pass-band) 신호로 변환하는 튜너(1)와, 상기 튜닝된 신호에 이후 입력될 A/D 변환기(3)에 입력되는 신호의 크기를 일정하게 유지시켜 주기 위해 기준 신호 크기에 따라 계산한 이득값을 곱해주는 자동 이득 제어(AGC : Automatic Gain Control)부(2)와, 상기 일정 크기의 신호에 표본화(Sampling)를 수행하여 디지털 신호로 변환시켜주는 A/D(Analog-Digital) 변환기(3)와, 상기 변환된 디지털 신호의 복소 신호(Complex Signal)를 실수부(Real Part)와 허수부로 분리시키고 저주파 대역으로 변환하는 I/Q 분배기(4)와, 상기 변환된 저주파 신호의 프레임 및 심볼 동기를 추정하는 프레임 및 심볼 동기부(5)와, 상기 변환된 저주파 신호와 동기 신호를 이용하여 FFT를 수행함으로써 주파수 영역 신호로 변환하는 FFT부(7)와, 상기 신호를 심볼 단위로 차등 복조하여 송신 신호인 QPSK 형태의 신호로 변환하는 차등 복조기(8)와, 상기 주파수 영역으로 변환되기 전의 시간 영역 신호를 입력받아 포착(acquisition) 모드로 오차를 추정하는 오차 추정기 1(9)과, 상기 QPSK 형태의 신호를 입력받아 추적(tracking) 모드로 오차를 추정하는 오차 추정기 2(10)와, 상기 각각의 추정된 오차 값 중 하나를 선택하기 위한 먹스(11)부와, 결정된 대역폭에 따라 상기 선택된 오차 값을 누적 보정하는 루프 필터(12)와, 상기 보정된 값에 상응하는 정현파와 여현파를 생성하는 수치 제어 발진기(13)와, 상기 생성된 정현 및 여현파와 상기 I/Q 분배기(4)에서 출력되는 저주파 대역의 신호를 곱하여 오차 보정된 신호를 출력하는 곱셈기(6)와, 상기 곱셈기의 출력을 입력받아 SNR(신호대 잡음비)을 추정하는 SNR 추정기(14)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 SNR 추정기(14)를 포함한 주파수 복구 시스템의 동작 관계를 살펴보면 다음과 같다.

최초, 200MHz 대역에서 수신된 신호는 튜너(1)를 통해 중간 주파수 신호로 변환되고, 자동 이득 제어부(2)에 의해 신호의 이득이 조절된다. 상기 이득 조절된 신호는 ADC(9)부를 통해 샘플링되어 디지털 신호로 변환되고, I/Q 분배기(4)를 통하여 실수부와 허수부로 분리되어 저주파 대역으로 출력된다.

상기 저주파 대역의 신호를 이용하여 포착(acquisition) 모드의 주파수 오차를 추정기 1(9)에서 추정하게 된다.

상기 포착 모드란 주파수 복구 시스템이 갖는 모드 중 하나로써 본 발명에 따른 주파수 복구 시스템은 두가지 모드로 이루어지는데, 큰 오차를 빨리 수렴하는 포착 모드와 작은 오차를 정확하게 수렴하는 추적(tracking) 모드이다.

상기 포착 모드로 동작하는 주파수 복구 시스템은 시간 영역에서 OFDM 심볼의 특성인 보호구간과 신호의 일정 부분이 같은 것을 이용하는 방법이다.

즉, 보호 구간(Guard Interval)과 신호의 일정 부분이 같으므로, 주파수 오차가 존재하면 보호구간과 신호의 일정부분이 주파수 오차에 의해 위상이 일정하게 변하게 되는데, 이를 상관(correlation) 관계 값을 이용하여 표현하면 신호 크기와 주파수 오차로만 표현되는 것을 이용하는 것이다.

예를 들어 설명하면, OFDM 심볼의 보호 구간의 임의의 값을 a*exp(j*wn)이라고 하면 그에 대응하는 심볼 내의 신호는 a이다. 상기 두 값은 서로 M만큼 떨어져 있다고 하고, 주파수 오차 dW가 있다면 a*exp(j*dWn)과 a*exp(j*dW(n+M))이다.

상기 두 값을 복소곱하면 a*exp(j*dWn)*a*exp(-j*dW(n+M))=a²*exp(-j*dWM)이다. 상기 곱의 출력은 신호의 크기와 주파수 오차이다.

상기 출력값에 허수를 취하면 sin(dWM)이고, dWM이 0보다 크고 π보다 작으면 양수이고, 0보다 작고 π보다 크면 음수이므로 곱의 출력을 이용하여 주파수 오차를 추정하게 되는 것이다.

한편, 상기 저주파 대역의 신호는 프레임 및 심볼 동기부(5)의 동기 신호를 이용하여 FFT(Fast Fourier Transform)부(7)에서 주파수 영역의 신호로 변환된다. 상기 FFT부(7)의 출력 신호는 각 반송파에 실려있는 DQPSK 신호로써 이 신호를 심볼 단위로 차등 복조기(8)를 통해 차등 복조하면 송신 신호인 QPSK 형태의 신호를 얻게 된다.

이때, 수신 신호에 주파수 오차가 있다면 상기 QPSK 신호는 왜곡되고, 주파수 오차에 의해서 성상점(constellation point)이 돌아간다.

이러한 오차를 잡아 주기 위해, 추정기 2(10)에서 추적(tracking) 모드로 주파수 오차를 추정한다. 즉, 상기 추정기 2(10)에서는 상기 성상점이 돌아간 각도를 추정하는 방법을 사용하는 것이다.

이를 좀 더 자세히 설명하면, 상기 추정기 2(10)의 입력 신호는 차등 복조기(8)의 출력인 QPSK 신호이고, 상기 신호에 주파수 오차가 섞여 있으면 그 성상점이 돌아가게 되므로, 상기 신호를 QPSK 결정기(101)를 통해 결정해준다. 즉, 예를 들면 성상 점의 좌표가(-0.707,0.707)이라면 결정된 값은 (-1,1)이다.

상기 결정된 값의 각을 이용하여 상기 신호를 반대 방향으로 돌린다. 위 예에서는 (-1,1)이므로 135도이며, 이를 -135도 회전시키면 성상도 상의 좌표는 (1,0)에 온다.

만약, 상기 차등 복조기(8)의 출력 신호가 주파수 오차에 의해 돌아간 좌표를 상기 방법을 이용하여 회전시켜면 I-Phase 축의 ±45도 안에 존재한다.

이 경우, 주파수 오차가 없는 경우이면 좌표는 I-Phase 축에 존재하고, I-Phase 축의 아래에 존재하면 주파수 오차는 양(+)이며, I-Phase 축의 위에 존재하면 주파수 오차는 음(-)이다.

상기 회전된 신호에서 허수부만을 유효한 반송파 구간동안 더하여 누적하고, 그 평균값을 구한다. 상기 평균값이 추정기 2(10)의 출력값이며 추정된 오차값이다.

이때, DMB에는 4가지 종류의 전송 모드가 있는데, 한국에서 표준으로 채택된 전송 모드 1의 경우 유효한 반송파의 개수가 1536개이다. 따라서, 상기 추정기 2(10)의 방법을 사용하면 주파수 오차를 ±100Hz까지 잡을 수 있고, 1536개의 평균을 구하므로 분산도 적다.

이와 같이, 오차 추정기 1,2(9,10)를 이용하여 추정된 오차 값은 먹스부(11)에서 상기 추정된 오차 값 중 하나가 선택되게 되는데, 상기 선택 신호로써 SNR 추정기(14)의 출력값이 사용된다.

즉, 상기 SNR을 이용하여 주파수 복구 시스템의 제어에 사용하는 것이다.

상기 SNR 추정기(14)의 내부 구성을 첨부한 도 2에 나타내었다.

도 2와 같이, 본 발명에 따른 SNR 추정기(14)는, 저주파 대역으로 변환된 신호를 입력받아 널(null) 구간에서 일정 부분의 잡음 전력을 계산하는 제곱기(141)와, 상기 계산된 전력을 적분하여 잡음의 평균 전력을 구하는 누적 및 평균기(142)와, 상기 평균 전력을 신호의 기준 전력에서 빼서 순수한 신호의 평균 전력을 구하는 덧셈기(143)와, 상기 신호의 평균을 추정된 잡음 전력으로 나누어 SNR값을 추정하는 나눗셈기(144) 및 기준 SNR값을 입력받아 상기 구해진 SNR값과 비교하여 선택 신호를 생성하는 비교기(145)로 구성된다.

이와 같이 구성된 SNR 추정기(14)의 동작 관계를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, SNR 추정기(14) 내부 제곱기(141)는 상기 I/Q 분배기(4)에서 출력되는 저주파 대역으로 변환된 데이터 신호와 동기 신호를 입력받아 널 구간의 잡음 전력을 계산한다.

상기 널 구간이란 DMB 시스템의 송신 신호에 섞여 있는 신호로, 프레임 동기를 맞추기 위해 사용되는 신호이다. 상기 널 구간은 데이터 신호를 포함하지 않고 0(zero)값만 있다.

즉, 상기 널 구간에는 데이터 신호가 포함되지 않으므로, 동기 신호를 이용하여 상기 널 구간에서 데이터의 영향을 받지 않는 부분의 잡음 전력을 구하게 되는 것이다.

상기 잡음 전력을 누적 및 평균기(142)를 통해 일정 구간 적분하고, 평균을 취하면 평균 잡음 전력을 구하게 된다.

상기 평균 잡음 전력은 덧셈기(143)를 통해 기준 전력(reference power)과의 차를 구함으로써 순수한 신호 전력을 얻게 된다. 상기 기준 전력은 AGC(Automatic Gain Control)에 의해 데이터 구간동안 기 설정된 기준 전력으로 조절된 전력으로써, 잡음 전력을 포함하고 있다.

따라서, 상기 기준 전력에서 널 구간 동안 추정한 평균 잡음 전력을 빼줌으로써 순수한 신호 전력을 구하게 되는 것이다.

상기 구해진 신호 전력은 나눗셈기(144)에서 평균 잡음 전력으로 나뉜다. 즉, SNR(신호대 잡음비 : S/N)은 신호 전력을 평균 잡음 전력으로 나눈 값이므로, 상기 나눗셈기(144)를 통해 신호 전력을 평균 잡음 전력으로 나누어 줌으로써 SNR 값을 계산하여 출력하게 되는 것이다.

상기 구해진 SNR 값은 비교기(145)를 통해 미리 설정되어 입력된 기준 SNR 값과 비교하여 이후 먹스부(11)로 출력될 선택 신호를 생성하게 된다.

즉, 상기 구해진 SNR 값이 기준 SNR값보다 작으면, 이는 신호 상태가 좋지 않으므로, 추정기 1(9)에서 추정된 오차 값을 선택하도록 하는 신호를 생성하고, 상기 구해진 SNR 값이 기준 SNR값 이상이면 추정기 2(10)에서 추정된 오차 값을 선택하도록 하는 신호를 생성하는 것이다.

이는, 시간 영역에서 보호 구간과 신호의 대응하는 구간의 상관 관계값을 이용하는 추정기 1(9)의 경우, 추정 값의 분산이 커서 SNR이 떨어져도 크게 영향을 받지 않는 반면, 주파수 영역에서 수신된 신호의 결정 값을 이용하여 주파수 오차를 추정하는 추정기 2(10)의 경우, 추정 값의 분산이 작아서 SNR이 떨어지면 SNR의 영향을 많이 받기 때문이다. 즉, SNR이 좋을때에는 추정기 2(10)를 사용하고, SNR이 많이 나빠지면 추정기 1(9)을 사용하도록 구해진 SNR 값을 이용하여 제어하는 것이다.

또한, 상기 비교기(145)에서는 SNR 값을 비교하는 방법 이외에도, 기준 SNR 값에 해당하는 잡음 전력과 상기 제곱기(141) 및 누적, 평균기(142)를 통해 구해진 평균 잡음 전력을 비교하여 먹스부(11)로 출력될 선택 신호를 생성하는 방법을 사용할 수도 있다.

한편, 상기 선택 신호를 통해 먹스부(11)에서 선택된 추정기 1(9) 혹은 추정기 2(10)의 오차 신호는 루프 필터(12)에서 그 값이 누적 보정되어 출력되고, 상기 보정된 값은 수치 제어 발진기(NCO : Numerical Control Oscillator)(13)에서 상기 보정된 값에 상응하는 사인 및 코사인파가 생성된다.

상기 생성된 사인 및 코사인파와 상기 I/Q 분배기(4)에서 출력되는 저주파 대역의 신호를 곱셈기(6)에서 곱해줌으로써 오차 보정된 신호를 생성하게 된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 SNR 추정기 및 이를 이용한 주파수 복구 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 시간 영역의 널 구간을 이용하여 잡음 전력을 구함으로써 SNR을 추정할 수 있고, 이를 주파수 복구 시스템의 제어 신호로 활용하는 효과가 있다.

둘째, SNR 추정기를 이용하여 신호의 상태에 따라 오차 추정 방법을 달리 함으로써 보다 신속하고 정확하게 주파수를 복구하는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 SNR 추정기를 포함한 주파수 복구 시스템을 나타낸 도면

도 2는 본 발명에 따른 SNR 추정기의 내부 구성을 나타낸 도면

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

1 : 튜너 2 : AGC

3 : A/D 변환기 4 : I/Q 분배기

5 : 프레임, 심볼 동기부 6 : 곱셈기

7 : FFT부 8 : 차등 복조기

9 : 오차 추정기 1 10 : 오차 추정기 2

11 : 먹스 12 : 루프 필터

13 : 수치 제어 발진기 14 : SNR 추정기

Claims (4)

1. OFDM 변조 방식으로 전송된 특정 채널의 신호를 복조하여 주파수 오차 및 위상 오차가 보정된 신호로 복구하기 위해 포착(acquisition)과 추적(tracking)의 두 가지 모드로 주파수 오차를 추정하고 보정하는 DMB 수신기의 주파수 복구 시스템에 있어서,

   상기 DMB 수신기의 수신 신호에 프레임 동기를 맞추기 위해 포함된 널구간을 이용하여 SNR을 구하고, 상기 구해진 SNR에 따라 상기 포착 혹은 추적 모드 중 하나를 선택하는 신호를 생성하는 SNR 추정기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 DMB 수신기의 주파수 복구 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 SNR 추정기는,

   상기 DMB 수신기의 수신 신호에 포함된 동기 신호를 이용하여 상기 널구간에 포함된 잡음의 전력값을 구하는 제곱기와,

   상기 잡음 전력 값을 입력받아 적분하고, 평균을 취하여 평균 잡음 전력을 구하는 누적 및 평균기와,

   상기 주파수 복구 장치 내부 AGC를 통해 기 설정된 전력값으로 조절되어진 기준 전력값과 상기 평균 잡음 전력의 차를 구하여 신호 전력을 생성하는 뺄셈기와,

   상기 구해진 신호 전력 값을 상기 평균 잡음 전력으로 나누어 SNR 값을 구하는 나눗셈기와,

   상기 구해진 SNR 값과 기 설정되어 입력된 기준 SNR 값을 비교하여 상기 모드 선택 신호를 생성하는 비교기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 DMB 수신기의 주파수 복구 장치.
3. OFDM 변조 방식으로 전송된 특정 채널의 신호를 복조하여 주파수 오차 및 위상 오차가 보정된 신호로 복구하기 위해 포착(acquisition)과 추적(tracking)의 두 가지 모드로 주파수 오차를 추정하고 보정하는 DMB 수신기의 주파수 복구 시스템에 있어서,

   상기 전송된 신호가 이득 보정되고, 디지털 변환된 신호를 입력받아 실수부와 허수부로 분리하고 이를 저주파 대역으로 변환하여 출력하는 I/Q 분배기와,

   상기 저주파 대역의 신호에 FFT를 수행함으로써 주파수 영역 신호로 변환하는 FFT부와,

   상기 주파수 영역으로 변환된 신호를 심볼 단위로 차등 복조하여 QPSK 형태의 신호로 변환하는 차등 복조기와,

   상기 주파수 영역으로 변환되기 전의 시간 영역 신호를 입력받아 포착(acquisition) 모드로 오차를 추정하는 오차 추정기 1과,

   상기 QPSK 형태의 신호를 입력받아 추적(tracking) 모드로 오차를 추정하는 오차 추정기 2와,

   상기 저주파 대역의 신호와 동기 신호를 입력받아 SNR을 구하고, 이를 기설정되어 입력된 기준 SNR값과 비교함으로써 상기 오차 추정기 1,2에서 추정된 오차 값 중 하나를 선택하는 신호를 생성하는 SNR 추정기와,

   상기 SNR 추정기의 선택 신호로부터 선택된 오차 값을 입력받아 결정된 대역폭에 따라 오차를 누적 보정하는 루프 필터와,

   상기 보정된 값에 상응하는 사인파와 코사인파를 생성하는 수치 제어 발진기와,

   상기 생성된 사인 및 코사인파와 상기 I/Q 분배기에서 출력되는 저주파 대역의 신호를 곱하여 오차 보정된 신호를 출력하는 곱셈기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 DMB 수신기의 주파수 복구 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 SNR 추정기는,

   상기 저주파 대역으로 변환된 신호 및 동기 신호를 입력받아 널 구간의 잡음 전력을 구하는 제곱기와,

   상기 잡음 전력 값을 입력받아 적분하고, 평균을 취하여 평균 잡음 전력을 구하는 누적 및 평균기와,

   상기 주파수 복구 장치 내부 AGC를 통해 기 설정된 전력값으로 조절되어진 기준 전력값과 상기 평균 잡음 전력의 차를 구하여 신호 전력을 생성하는 뺄셈기와,

   상기 구해진 신호 전력 값을 상기 평균 잡음 전력으로 나누어 SNR 값을 구하는 나눗셈기와,

   상기 구해진 SNR 값과 기 설정되어 입력된 기준 SNR 값을 비교하여 상기 오차 선택 신호를 생성하는 비교기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 DMB 수신기의 주파수 복구 장치.