KR20060055225A - Automatic frequency correction apparatus and method for digital ultra-narrowband terminal, and receiving system using its - Google Patents
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Abstract
1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
본 발명은 디지털 초협대역 단말기용 주파수 옵셋 자동 보상 장치 및 그 방법과, 그를 이용한 수신 시스템에 관한 것임.The present invention relates to a frequency offset automatic compensation device for a digital ultra narrowband terminal, a method thereof, and a receiving system using the same.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제2. The technical problem to be solved by the invention
본 발명은 주파수 대역이 초협대역 특성을 갖으면서 파일럿 채널과 같은 기준 주파수 정보가 없이 데이터 정보만을 이용하여 심볼 타이밍 및 주파수 정보를 얻은 후 주파수 옵셋을 추정하여 이의 에러를 디지털적으로 자동 보상하기 위한 주파수 옵셋 자동 보상 장치 및 그 방법과, 그를 이용한 수신 시스템을 제공하는데 그 목적이 있음.The present invention obtains symbol timing and frequency information using only data information without reference frequency information such as a pilot channel while the frequency band has ultra narrow band characteristics, and then estimates a frequency offset to automatically compensate for the error thereof. An object of the present invention is to provide an offset automatic compensation device and a method thereof, and a receiving system using the same.
3. 발명의 해결방법의 요지3. Summary of Solution to Invention
본 발명은, 디지털 초협대역 단말기용 주파수 옵셋 자동 보상 장치에 있어서, 입력 데이터와 지연 데이터의 위상 차이를 주파수 옵셋 추정에 사용되는 심볼 수만큼 추출하여 누적한 후, 누적된 위상 차이의 평균을 이용하여 주파수 옵셋 정보를 추출하고, 추출된 주파수 옵셋 정보를 이용해 심볼 전송속도와 유사하게 주파수 옵셋을 보정하기 위한 1차 주파수 옵셋 보정 수단; 원하는 데이터만을 필터링한 후 타이밍 에러를 보상하여 매 심볼주기마다 정확한 타이밍의 데이터를 추출하기 위한 수단; 및 1차 주파수 옵셋이 보정된 데이터를 차동검파한 후, 각 심볼마다 위상 에러 정보를 추출하여 보정하고, 위상 에러 정보를 누적하여 다음 데이터의 주 파수 옵셋을 보정하기 위한 2차 주파수 옵셋 보정 수단을 포함한다.The present invention provides a frequency offset automatic compensation device for a digital ultra narrowband terminal, and extracts and accumulates a phase difference between input data and delay data by the number of symbols used for frequency offset estimation, and then uses the average of the accumulated phase difference. First frequency offset correction means for extracting frequency offset information and correcting the frequency offset similar to the symbol transmission rate by using the extracted frequency offset information; Means for filtering only desired data and compensating for timing errors to extract data of correct timing every symbol period; And differential detection of data whose primary frequency offset is corrected, and extracting and correcting phase error information for each symbol, accumulating phase error information, and correcting a frequency offset of the next data. Include.
4. 발명의 중요한 용도4. Important uses of the invention
본 발명은 디지털 초협대역 단말기에 이용됨.The present invention is used in a digital ultra narrowband terminal.
디지털 초협대역 단말기, 주파수 옵셋 보상, AFC, CQPSK, 주파수 오차Digital ultra narrowband terminal, frequency offset compensation, AFC, CQPSK, frequency error
Description
도 1 은 종래의 주파수 옵셋 보상 장치에 따른 발진기 미세 조정을 이용한 수신기의 구성 예시도, 1 is an exemplary configuration diagram of a receiver using fine tuning of an oscillator according to a conventional frequency offset compensation device;
도 2 는 본 발명에 따른 디지털 초협대역 단말기용 주파수 옵셋 자동 보상 장치의 일실시예 구성도, 2 is a configuration diagram of an automatic frequency offset automatic compensation device for a digital ultra narrowband terminal according to the present invention;
도 3 은 본 발명에 따른 디지털 초협대역 단말기용 주파수 옵셋 자동 보상 방법에 대한 일실시예 흐름도, 3 is a flow chart of an embodiment of a frequency offset automatic compensation method for a digital ultra narrowband terminal according to the present invention;
도 4 는 본 발명에 따라 1차 주파수 옵셋 보상시 정규화된 주파수 옵셋 추정 오차의 분산을 나타낸 일실시예 설명도,4 is an explanatory diagram illustrating a variance of a normalized frequency offset estimation error in the first frequency offset compensation according to the present invention;
도 5 는 본 발명에 따라 1차 주파수 옵셋 보상시 정규화된 주파수 옵셋 추정 오차의 히스토그램을 나타낸 일실시예 설명도,FIG. 5 is an exemplary explanatory diagram showing a histogram of a normalized frequency offset estimation error in first frequency offset compensation according to the present invention; FIG.
도 6 은 본 발명의 주파수 옵셋 자동 보상 장치에 따른 발진기 미세 조정이 필요치 않은 수신 시스템의 구성 예시도이다. 6 is an exemplary configuration diagram of a receiving system that does not require fine tuning of an oscillator according to the frequency offset automatic compensation device of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
21 : 주파수 옵셋 보정부 22 : 1차 주파수 옵셋 정보 추출부21: frequency offset correction unit 22: primary frequency offset information extraction unit
23 : 수신필터 24 : 타이밍 동기부23: Receive filter 24: Timing synchronizer
25 : 표본화부 26 : 차동 검파기25: sampling unit 26: differential detector
27 : 2차 주파수 옵셋 정보 추출부 27: secondary frequency offset information extraction unit
본 발명은 디지털 초협대역 단말기용 주파수 옵셋 자동 보상 장치 및 그 방법과 그를 이용한 수신 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주파수 대역이 초협대역 특성을 가지면서 기준 주파수 정보가 없이 데이터 정보만을 이용하여 주파수 오차를 계산하여 AFC(Automatic Frequency Correction) 기능을 구현함으로써, 발진 주파수 미세 조정이 필요없는, 주파수 옵셋 자동 보상 장치 및 그 방법과, 그를 이용한 수신 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a frequency offset automatic compensation device for a digital ultra narrowband terminal, a method thereof, and a receiving system using the same. More particularly, the frequency band has a super narrowband characteristic and uses only data information without reference frequency information. The present invention relates to a frequency offset automatic compensation device, a method thereof, and a receiving system using the same, by implementing an AFC (Automatic Frequency Correction) function by calculating the AFC.
기지국 송신신호 및 단말기 수신신호 사이의 주파수 차이에 의한 주파수 옵셋 성분은 단말기내의 기준 클럭으로 사용되는 VCTCXO(Voltage Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator)의 주파수 안정도 및 단말기 이동 속도에 따른 도플러 주파수에 의해 주로 발생된다. The frequency offset component due to the frequency difference between the base station transmission signal and the terminal reception signal is mainly generated by the Doppler frequency according to the frequency stability of the Voltage Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator (VCTCXO) used as the reference clock in the terminal and the terminal moving speed.
특히, 이러한 성분들은 디지털 변조 방식의 경우에 동상(I : In-phase) 및 직교(Q : Quadrature) 신호의 성상도를 회전시키는 효과를 가져와 신호의 정확한 복조를 어렵게 함으로써, 시스템의 비트에러율(BER) 성능 열화를 발생한다. 또한, 주파수 옵셋 성분의 발생 정도는 변조 신호의 대역폭에 따라, 즉 신호의 대역폭이 상대적으로 넓은 IMT-2000 등과 같은 경우에는 약간의 주파수 옵셋이 발생하여도 대역폭과 비교하여 주파수상에서 스펙트럼의 이동 정도가 미미하여 성능에 큰 영향을 주지 않지만, 이에 반해 신호의 대역폭이 좁은 초협대역의 경우에는 약간의 주파수 옵셋이 발생하여도 신호 스펙트럼의 이동이 상대적으로 크게 영향을 미치게 되어 상당한 시스템 성능저하를 가져오게 된다. In particular, these components have the effect of rotating the constellations of in-phase and quadrature signals in the case of digital modulation, making it difficult to accurately demodulate the signal, thereby reducing the system's bit error rate (BER). ) Deteriorates performance. In addition, the frequency offset component is generated according to the bandwidth of the modulated signal, that is, in the case of a relatively wide bandwidth of the signal, such as IMT-2000, even if a slight frequency offset occurs, the degree of spectrum shift in frequency compared to the bandwidth. On the contrary, in the case of ultra narrow bands where the signal bandwidth is narrow, even if a slight frequency offset occurs, the movement of the signal spectrum has a relatively large effect, resulting in considerable system performance degradation.
따라서, 이러한 성능 저하를 최소화하기 위하여, CDMA(Code Division Multiple Access) 이동통신 및 8-VSB(Vestigial SideBand) 디지털 방송과 같은 대부분의 상용 시스템들은 파일럿(pilot) 채널과 같은 기준 신호를 이용하여 AFC(Automatic Frequency Correction) 기능을 통해 주파수 오차를 정정한다. Therefore, to minimize such performance degradation, most commercial systems, such as Code Division Multiple Access (CDMA) mobile communications and 8-Vestibular SideBand (VSB) digital broadcasting, use AFC (reference channel) signals such as pilot channels. Automatic frequency correction function to correct frequency error.
하지만, 간이무선국용 디지털 초협대역 방식으로 적합한 APCO(Association of Public safety Communications Officials) P25 CQPSK(Complex Quadrature Phase Shift Keying) 변조 방식은 주파수대역이 초협대역(6.25kHz) 특성을 가지면서 파일럿과 같은 기준 주파수 정보가 없어 단지 데이터 정보를 이용하여 주파수 오차를 계산하여 이를 보상해 주어야만 한다. 또한, CQPSK 변조 방식의 경우, 한 심볼 주기동안 심볼간의 위상 차이(+3π/4, +π/4, -π/4, -3π/4) 특성으로 인하여 송신신호의 한 심볼 주기 동안 심볼간의 위상 차이가 ±π/4 이상으로 수신되면, 즉 주파수 옵셋 크기가 심볼 전송속도의 12.5% 이상이 되는 경우에는 시스템 BER 특성이 급격하게 증가하게 된다. However, the Association of Public Safety Communications Officials (APCO) P25 Complex Quadrature Phase Shift Keying (CQPSK) modulation scheme, which is suitable as a digital ultra narrowband scheme for a simple radio station, has a super narrow band (6.25 kHz) characteristic and a reference frequency such as a pilot. Since there is no information, only the data information should be used to compensate for the frequency error. In addition, in the CQPSK modulation scheme, the phase difference between symbols during one symbol period (+ 3π / 4, + π / 4, -π / 4, -3π / 4) causes phases between symbols during one symbol period of a transmission signal. If the difference is received more than ± π / 4, that is, if the frequency offset size is more than 12.5% of the symbol transmission rate, the system BER characteristic is rapidly increased.
참고적으로, 종래의 주파수 옵셋 보상 장치에 따른 발진기 미세 조정을 이용한 수신기의 구성을 살펴보면 도 1과 같다. For reference, the configuration of the receiver using the fine tuning of the oscillator according to the conventional frequency offset compensation device is as shown in FIG.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 주파수 옵셋 보상 장치에 따른 발진기 미세 조정을 이용한 수신기에서는, 송신되는 기준 파일럿 채널을 이용하여 주파수 옵셋 성분 정보를 얻은 다음, 이의 주파수 에러를 추정하여 VCTCXO(12)의 전압을 미세 조정함에 의하여 발진기(11)의 주파수 특성을 변화시켜 발생되는 주파수 오차를 자동적으로 보상하여 준다. As shown in FIG. 1, in a receiver using an oscillator fine tuning according to a conventional frequency offset compensator, frequency offset component information is obtained using a transmitted reference pilot channel, and then the frequency error thereof is estimated to estimate the
이때, 기준 파일럿 채널을 이용하여 국부 발진기(11)의 locking 범위까지 주파수 에러를 자동적으로 보상해 줄 수 있으나, VCTCXO(12)의 전압에 따른 주파수 특성이 부품마다 일정하지 않을 경우 단말기마다 매번 초기치 전압을 설정해야 하고 이의 주파수 에러 정확도를 높이기 위해서는 제어 신호의 간격을 좁혀 주어야 한다. 또한, 추가적으로 이러한 VCTCXO 제어를 위한 PDM(Pulse Density Modulation) 신호나 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 생성이 요구되고, 인터페이스가 하드웨어적으로 구현되어야 한다. At this time, the frequency error can be automatically compensated to the locking range of the local oscillator 11 using the reference pilot channel, but if the frequency characteristic according to the voltage of the
따라서, 디지털 초협대역 단말기에서는 기준 주파수 정보가 없이 데이터 정보만을 이용하여 주파수 오차를 계산하여 디지털적으로 AFC 기능을 수행할 수 있는 방안이 절실히 요구된다. 이렇게 함으로써 구현이 용이하고, 발진 주파수 미세 조정이 필요치 않아 이의 제어를 위한 조정 신호가 요구되지 않는다. Therefore, the digital ultra narrowband terminal is urgently required to perform a digital AFC function by calculating the frequency error using only the data information without reference frequency information. By doing so, it is easy to implement, no oscillation frequency fine tuning is required and no adjustment signal is required for its control.
본 발명은 상기 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 주파수 대역이 초협대역 특성을 갖으면서 파일럿 채널과 같은 기준 주파수 정보가 없이 데이터 정보만을 이용하여 심볼 타이밍 및 주파수 정보를 얻은 후 주파수 옵셋을 추정하여 이의 에러를 디지털적으로 자동 보상하기 위한 주파수 옵셋 자동 보상 장치 및 그 방법과 그를 이용한 수신 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to meet the above-mentioned requirements, and the frequency band has ultra narrowband characteristics, and the symbol timing and frequency information are obtained using only the data information without reference frequency information such as a pilot channel, and then the frequency offset is estimated. An object of the present invention is to provide a frequency offset automatic compensation device for automatically compensating an error digitally, a method thereof, and a receiving system using the same.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
Other objects and advantages of the present invention can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. Also, it will be readily appreciated that the objects and advantages of the present invention may be realized by the means and combinations thereof indicated in the claims.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 디지털 초협대역 단말기용 주파수 옵셋 자동 보상 장치에 있어서, 입력 데이터와 지연 데이터의 위상 차이를 주파수 옵셋 추정에 사용되는 심볼 수만큼 추출하여 누적한 후, 누적된 위상 차이의 평균을 이용하여 주파수 옵셋 정보를 추출하고, 추출된 주파수 옵셋 정보를 이용해 심볼 전송속도와 유사하게 주파수 옵셋을 보정하기 위한 1차 주파수 옵셋 보정 수단; 원하는 데이터만을 필터링한 후 타이밍 에러를 보상하여 매 심볼주기마다 정확한 타이밍의 데이터를 추출하기 위한 수단; 및 1차 주파수 옵셋이 보정된 데이터를 차동검파한 후, 각 심볼마다 위상 에러 정보를 추출하여 보정하고, 위상 에러 정보를 누적하여 다음 데이터의 주파수 옵셋을 보정하기 위한 2차 주파수 옵셋 보정 수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a frequency offset automatic compensation device for a digital ultra narrowband terminal, wherein the phase difference between the input data and the delay data is extracted and accumulated by the number of symbols used for frequency offset estimation. First frequency offset correction means for extracting frequency offset information using the average of the differences and correcting the frequency offset similar to the symbol transmission rate using the extracted frequency offset information; Means for filtering only desired data and compensating for timing errors to extract data of correct timing every symbol period; And second-order frequency offset correction means for differentially detecting the data whose primary frequency offset is corrected, extracting and correcting phase error information for each symbol, and accumulating phase error information to correct frequency offset of the next data. Characterized in that made.
그리고, 본 발명은 디지털 초협대역 단말기용 주파수 옵셋 자동 보상 장치에 적용되는 주파수 옵셋 보정 방법에 있어서, 입력 데이터와 지연 데이터의 위상 차이를 주파수 옵셋 추정에 사용되는 심볼 수만큼 추출하여 누적하는 단계; 상기 누적된 위상 차이의 평균을 이용하여 주파수 옵셋 정보를 추출하고, 추출된 주파수 옵셋 정보를 이용해 심볼 전송속도와 유사하게 주파수 옵셋을 보정하는 주파수 옵셋 보정 단계; 주파수 옵셋이 보정된 데이터를 차동검파한 후, 샘플링된 각 심볼마다 위상 에러 정보를 추출하여 보정하는 단계; 및 상기 위상 에러 정보를 누적하여, 다음 데이터의 주파수 옵셋 보정에 이용하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. In addition, the present invention provides a frequency offset correction method applied to a frequency offset automatic compensation device for a digital ultra narrowband terminal, comprising: extracting and accumulating a phase difference between input data and delay data by the number of symbols used for frequency offset estimation; A frequency offset correction step of extracting frequency offset information by using the average of the accumulated phase difference and correcting the frequency offset by using the extracted frequency offset information similar to a symbol transmission rate; Differentially detecting data whose frequency offset is corrected, and extracting and correcting phase error information for each sampled symbol; And accumulating the phase error information and using the frequency offset correction for the next data.
한편, 본 발명은 상기 주파수 옵셋 자동 보상 장치 및 방법에 의해 보정된 주파수 옵셋을 이용하는 수신 시스템에 있어서, 디지털 신호 처리(DSP) 수단 자체에서, 기준 주파수 정보가 없이 데이터 정보만을 이용하여 심볼 타이밍 및 주파수 정보를 얻은 후 주파수 옵셋을 추정하여 이의 에러를 자동적으로 보상함으로써, 국부 발진기 주파수 보정을 위한 제어 전압이 필요치 않는 것을 특징으로 한다. Meanwhile, the present invention provides a symbol timing and frequency using only data information without reference frequency information in a digital signal processing (DSP) means in a receiving system using a frequency offset corrected by the frequency offset automatic compensation apparatus and method. After the information is obtained, the frequency offset is estimated and automatically compensated for the error thereof, so that a control voltage for local oscillator frequency correction is not required.
본 발명은 주파수 대역이 초협대역 특성을 갖으면서 파일럿과 같은 기준 주파수 정보가 없이 단지 데이터 정보를 이용하여 심볼 타이밍 및 주파수 정보를 통하여 주파수 오차를 ±π/4 이하로 줄임과 동시에, APCO P25 규격에 정의되어 있는 주파수 안정도 특성(VHF & UHF 대역: ±2.5ppm, 800MHz 대역: ±2ppm)을 만족함으 로서 디지털 초협대역 단말기에 적용하고자 한다.According to the present invention, the frequency band has ultra narrowband characteristics, and without using reference frequency information such as pilot, the frequency error is reduced to ± π / 4 or less through symbol timing and frequency information using only data information. It satisfies the defined frequency stability characteristics (VHF & UHF band: ± 2.5ppm, 800MHz band: ± 2ppm) and is applied to digital ultra narrowband terminals.
따라서, 본 발명에서는 주파수 대역이 초협대역 특성을 갖으면서 파일럿 채널과 같은 기준 주파수 정보가 없이 데이터 정보만을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하여 이의 에러를 디지털적으로 보상함으로써, 발진 주파수의 미세 조정 과정이 필요치 않아 VCTCXO의 전압에 따른 주파수 특성이 부품마다 일정치 않더라도 주파수 에러를 자동적으로 보상해 줄 수 있고, VCTCXO 제어용 인터페이스 신호가 요구되지 않아 디지털적으로 AFC 기능 구현이 가능하여 단말기 제작이 간편하고 성능 개선이 용이하다. 또한, 본 발명은 디지털 초협대역 단말기의 VHF대역 뿐만 아니라, 800MHz대역까지도 적용이 가능하고, 아울러 디지털 TRS용 초협대역 단말기 AFC 기능 구현에 활용할 수 있다. Therefore, in the present invention, the frequency band has a super narrowband characteristic, and there is no need for reference frequency information such as a pilot channel to estimate the frequency offset using only the data information and digitally compensate for the error thereof, thereby fine tuning the oscillation frequency. Therefore, even if the frequency characteristics according to the voltage of VCTCXO is not constant for each part, the frequency error can be compensated automatically, and the interface signal for VCTCXO control is not required. It is easy. In addition, the present invention can be applied not only to the VHF band of the digital ultra narrow band terminal, but also to the 800 MHz band, and can also be used to implement the AFC function of the ultra narrow band terminal for digital TRS.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.The above objects, features and advantages will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, whereby those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. There will be. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2 는 본 발명에 따른 디지털 초협대역 단말기용 주파수 옵셋 자동 보상 장치의 일실시예 구성도이다. 2 is a configuration diagram of an automatic frequency offset automatic compensation device for a digital ultra narrowband terminal according to the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 디지털 초협대역 단말기용 주파수 옵셋 자동 보상 장치는, 입력 데이터와 지연 데이터의 위상 차이를 주파수 옵셋 추정에 사용되는 심볼 수만큼 추출하여 누적한 후, 누적된 위상 차이의 평균을 이용하여 주파수 옵셋 정보를 추출하고, 추출된 주파수 옵셋 정보를 이용해 심볼 전송속도와 유사하게 주파수 옵셋을 보정하기 위한 1차 주파수 옵셋 보정부(주파수 옵셋 보정부(21), 1차 주파수 옵셋 정보 추출부(22))와, 원하는 데이터만을 필터링한 후 타이밍 에러를 보상하여 매 심볼주기마다 정확한 타이밍의 데이터를 추출하기 위한 수단(수신필터(23), 타이밍 동기부(24), 표본화부(25))과, 1차 주파수 옵셋이 보정된 데이터를 차동검파한 후, 각 심볼마다 위상 에러 정보를 추출하여 보정하고, 위상 에러 정보를 누적하여 다음 데이터의 주파수 옵셋을 보정하기 위한 2차 주파수 옵셋 보정부(차동검파기(26), 2차 주파수 옵셋 정보 추출부(27))를 포함한다. As shown in FIG. 2, the frequency offset automatic compensation apparatus for a digital ultra narrowband terminal according to the present invention extracts and accumulates a phase difference between input data and delay data by the number of symbols used for frequency offset estimation, and then accumulates the accumulated signal. Primary frequency offset correction unit (frequency
여기서, 원하는 데이터만을 필터링한 후 타이밍 에러를 보상하여 매 심볼주기마다 샘플링하기 위한 수신필터(23), 타이밍 동기부(24), 표본화부(25)는 주파수 에러를 보상하는 장치에 있어서 일반적인 구성에 지나지 않으므로 본 발명에서는 논외로 한다. Here, the
디지털 초협대역 단말기용 주파수 옵셋 자동 보상 장치(수신기)는 주파수 오차의 크기에 따라 두 단계의 주파수 옵셋 보정(1차 주파수 옵셋 보정, 2차 주파수 옵셋 보정)을 통하여 디지털 초협대역 단말기 규격에 명시된 주파수 안정도 특성(<2.5ppm)을 만족한다. The frequency offset automatic compensation device (receiver) for digital ultra narrowband terminals uses two levels of frequency offset correction (primary frequency offset correction and secondary frequency offset correction) according to the magnitude of the frequency error. It satisfies the characteristic (<2.5ppm).
먼저, 앞 단의 1차 주파수 옵셋 보정부(21,22)는 심볼 전송 속도와 비슷한 정도의 대략적인 주파수 옵셋을 보정해 주는 장치로, 최대 심볼 전송 속도의 두배까지 가능하며, 입력된 심볼 데이터로부터 주파수 옵셋 정보를 추출하는 1차 주파수 옵셋 정보 추출부(22)와 주파수 옵셋 정보를 이용하여 주파수 옵셋을 보정하는 주파수 옵셋 보정부(21)로 구성된다. First, the first frequency
1차 주파수 옵셋 보정부(21,22)에 랜덤 데이터 입력시 주파수 옵셋이 없을 경우 입력된 신호와 일정 시간 동안 지연된 신호의 위상 차이의 평균값은 0도가 되지만, 그렇지 않을 경우 주파수 옵셋의 방향과 크기에 따라 입력 신호와 지연된 입력 신호의 위상 차이의 평균값이 달라지는데, 이때 위상 차이의 평균값이 주파수 옵셋량이다. If there is no frequency offset when the random data is input to the primary frequency offset correction unit (21, 22), the average value of the phase difference between the input signal and the delayed signal for a predetermined time is 0 degrees, otherwise the direction and magnitude of the frequency offset Accordingly, the average value of the phase difference between the input signal and the delayed input signal is different, where the average value of the phase difference is the frequency offset amount.
1차 주파수 옵셋 보정부(21,22)를 통해 심볼 전송 속도와 비슷한 정도로 주파수 옵셋이 보상된 데이터는 수신필터(23)를 통하여 저역필터링된 후 타이밍 동기부(24) 및 표본화부(25)를 통하여 2차 주파수 옵셋 보정부(26,27)로 인가된다. 이때, 2차 주파수 옵셋 보정부(26,27)는 심볼 판정 데이터를 사용하여 발생된 주파수 에러를 ±/4 이내로 디지털적으로 보상해 준다. The data whose frequency offset is compensated to a degree similar to the symbol transmission rate by the first frequency offset
2차 주파수 옵셋 보정부(26,27)에서 입력된 신호의 주파수 옵셋 성분은 차동검파기(26)를 통과한 후에는 위상 에러 성분으로 변환된다. After passing through the
도 3을 참조하여 주파수 옵셋 보정 과정(1차 주파수 옵셋 보정 과정(301~306), 2차 주파수 옵셋 보정 과정(307~311))을 살펴보면, 1차 주파수 옵셋 보정부(21,22)에서는 입력된 데이터와 지연된 데이터의 위상차 L개를 추출한 다음(305) L개 만큼의 위상 차이 정보의 평균을 구하게 된다(306). 그리고, 이렇게 해 서 얻어진 주파수 정보를 이용하여 1차로 측정된 주파수 옵셋의 반대 크기를 갖는 주파수를 곱해주어서 1차 주파수 옵셋 보정을 하게 된다(306). Looking at the frequency offset correction process (primary frequency offset correction process (301 ~ 306), secondary frequency offset correction process (307 ~ 311) with reference to Figure 3), the primary frequency offset correction unit (21, 22) After extracting L phase differences between the delayed data and the delayed data (305), the L phase difference information is averaged (306). The frequency information obtained in this way is used to multiply the frequency having the opposite magnitude of the frequency offset measured first, thereby correcting the first frequency offset (306).
1차 주파수 옵셋 과정을 통하여 대략적으로 주파수 보정된 데이터는 다시 2차 주파수 옵셋 보정부(26,27)를 거치게 된다. The data approximately frequency corrected through the primary frequency offset process is again passed through the secondary frequency offset
2차 주파수 옵셋 보정부(26,27)는 1차 주파수 옵셋 보정부(21,22)에서 L개의 데이터 정보를 누적하여 이용한 것과는 다르게, 차동검파후 각 데이터마다 위상 정보를 추출하여 이를 바로 위상 옵셋 보정에 이용하게 된다(307~309). 그리고, 에러 정보만 누적하여(310) 다음 데이터 위상 옵셋 보정에 이용한다(307~309). Unlike the second frequency offset
여기서, 2차 주파수 옵셋 보정부(26,27)는 심볼 주파수의 1/8(π/4) 이상의 주파수 옵셋은 보정할 수 없기 때문에, 1차 주파수 옵셋 보정부(21,22)는 최소한 1/8(π/4) 이하의 주파수 옵셋을 갖는 신호를 2차 주파수 옵셋 보정부(26,27)로 전달해 주어야 한다. 따라서, 정규화된 주파수 오차의 범위가 1/8(π/4) 이하인 경우에는 차동검파를 거친후 주파수 옵셋이 위상 에러로 나타나므로, 2차 주파수 옵셋 보정부(26,27)에서는 이를 이용하여 입력 신호의 주파수 옵셋을 보정한다. Here, since the secondary frequency offset
만약, 주파수 오차의 범위가 1/8(π/4) 이상의 심볼 주파수에 상응하는 크기의 주파수 옵셋은 하기의 [수학식 1]과 같이 일정 시간 지연된 값을 본래 신호와 곱한 평균한 값을 이용하여 주파수 옵셋의 크기를 구한다. If the frequency offset of the frequency error corresponds to a symbol frequency of 1/8 (π / 4) or more, the frequency offset is a value obtained by multiplying the delayed value with the original signal as shown in
본 발명에서는, 지연시간을 1/4T로 설정하였는데, 이는 수신 샘플링을 1:4 오버샘플링을 이용하였기 때문에 별다른 처리없이 샘플링한 데이터를 그대로 사용할 수 있다는 것이 첫 번째 이유이고 주파수 추정 범위를 최대화할 수 있다는 것이 두 번째 이유이다. 이와 같이 지연시간을 1/4T로 설정하면 심볼 주파수의 두 배 크기의 주파수 옵셋을 보정하는 것이 가능하다. In the present invention, the delay time is set to 1 / 4T, which is the first reason that the sampled data can be used as it is without any processing since the reception sampling uses 1: 4 oversampling, and the frequency estimation range can be maximized. Is the second reason. In this way, if the delay time is set to 1 / 4T, it is possible to correct the frequency offset of twice the symbol frequency.
여기서, 는 추정하고자 하는 주파수 옵셋을, T는 심볼 주기를, x는 심볼 주기의 4배 오버샘플링한 입력 신호를 나타내고, L0는 주파수 옵셋 추정에 사용되는 심볼 수를 나타낸다.here, Denotes the frequency offset to be estimated, T denotes a symbol period, x denotes an input signal oversampled four times the symbol period, and L 0 denotes the number of symbols used for frequency offset estimation.
1차 주파수 옵셋 보정부(21,22)의 정규화된 주파수 옵셋 추정 오차의 분산을 컴퓨터 모의실험을 통하여 나타내면 도 4와 같다. 4 illustrates the variance of the normalized frequency offset estimation error of the primary frequency offset
여기서, 지연된 데이터의 위상차 L 값이 크면(L = 100 → L = 200) 정확한 주파수 옵셋 보상이 가능하나, 수렴 시간이 길어 메모리가 많이 요구되어 DSP 칩의 처리 속도가 빨라야 하므로 실제 제작시에는 가격 대비 성능의 적절한 trade-off가 요구된다. Here, if the phase difference L value of the delayed data is large (L = 100 → L = 200), accurate frequency offset compensation is possible, but it requires a lot of memory due to long convergence time, so the processing speed of the DSP chip needs to be faster, so it is better Proper trade-off of performance is required.
1차 주파수 옵셋 보정부(21,22)에 대한 정규화된 주파수 추정 오차의 히스토그램을 컴퓨터 모의실험을 통하여 나타내면 도 5와 같다. A histogram of the normalized frequency estimation error for the primary frequency offset
도 5는 L0가 100이고, Eb/No가 10dB인 경우 주파수 옵셋 추정 오차에 대한 히스토그램이다. 여기서, 주파수 옵셋이 심볼 주파수의 1/8(π/4)보다 클 확률은 1.58×10-5로 10-3의 BER을 허용하는 음성 신호 전송의 경우에 적용할 수 있다. 즉, 1차 주파수 옵셋 보정을 거친 후 추정된 주파수 옵셋이 심볼 주파수의 1/8(π/4) 이상이 될 확률은 매우 작게 나타나, 실제 초협대역 단말기에 적용할 수 있다.5 is a histogram of the frequency offset estimation error when L 0 is 100 and E b / N o is 10 dB. Here, the probability that the frequency offset is greater than 1/8 (π / 4) of the symbol frequency may be applied to a voice signal transmission that allows a BER of 10 −3 with 1.58 × 10 −5 . That is, the probability that the estimated frequency offset becomes more than 1/8 (π / 4) of the symbol frequency after the first frequency offset correction is very small, and thus can be applied to an actual ultra narrowband terminal.
따라서, 본 발명의 하드웨어 구성시, 상기 도 1의 종래의 주파수 옵셋 보상 장치에 따른 발진기 미세 조정을 이용한 수신기에 비춰 볼 때, DSP 모듈에 의한 발진 주파수 미세 조정이 필요치 않아 VCTCXO 제어 신호가 필요치 않다. 이를 도 6을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.Therefore, in the hardware configuration of the present invention, when viewed in the receiver using the oscillator fine adjustment according to the conventional frequency offset compensation apparatus of FIG. 1, the oscillation frequency fine adjustment by the DSP module is not necessary and thus the VCTCXO control signal is not necessary. This will be described with reference to FIG. 6.
도 6 은 본 발명의 주파수 옵셋 자동 보상 장치에 따른 발진기 미세 조정이 필요치 않은 수신 시스템의 구성 예시도로서, 본 발명에 의하여 단순화된 수신기의 구조를 나타내는 것이다. FIG. 6 is an exemplary configuration diagram of a receiving system in which oscillator fine tuning is not required according to the frequency offset automatic compensation device of the present invention, and illustrates a structure of a receiver simplified by the present invention.
본 발명의 수신 시스템은 상기 도 1의 발진기 미세 조정이 필요한 수신기와의 비교를 통하여 보다 극명하게 나타날 수 있다. The receiving system of the present invention may appear more clearly through comparison with a receiver requiring fine tuning of the oscillator of FIG.
종래의 주파수 옵셋 보상 장치 구조를 갖고 있는 도 1에서는 저역통과필터를 거친 후 믹서를 거쳐 기저대역 신호로 변환된 신호를 이용하여 국부 발진기 주파수를 보정한다. 이때, 국부 발진기(11)의 주파수를 보정해줘야 하는데, 이를 위해서는 별도의 제어 전압을 발생시켜야 하기 때문에 구조가 다소 복잡해진다. In FIG. 1 having a conventional frequency offset compensation device, a local oscillator frequency is corrected by using a signal converted to a baseband signal after passing through a low pass filter. At this time, the frequency of the local oscillator 11 should be corrected, but this requires a separate control voltage, which makes the structure somewhat complicated.
하지만, 본 발명의 주파수 옵셋 보정은 DSP 알고리즘에 의해서 자체적으로 처리되므로 RF 트랜시버 모듈과의 인터페이스 신호가 요구되지 않는다. 즉, 본 발명을 이용할 시에는 도 6과 같이 별도의 제어 전압이 필요하지 않으므로 단순한 구 조로 수신 시스템을 구현하는 것이 가능하다. However, since the frequency offset correction of the present invention is processed by the DSP algorithm itself, no interface signal with the RF transceiver module is required. That is, when using the present invention, since a separate control voltage is not required as shown in FIG. 6, it is possible to implement a receiving system with a simple structure.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.As described above, the method of the present invention may be implemented as a program and stored in a recording medium (CD-ROM, RAM, ROM, floppy disk, hard disk, magneto-optical disk, etc.) in a computer-readable form. Since this process can be easily implemented by those skilled in the art will not be described in more detail.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It is not limited by the drawings.
상기와 같은 본 발명은, 주파수 대역이 초협대역 특성을 갖으면서 파일럿 채널과 같은 기준 주파수 정보가 없이 데이터 정보만을 이용하여 심볼 타이밍 및 주파수 정보를 얻은 후 주파수 옵셋을 추정하여 이의 에러를 자동적으로 보상할 수 있는 효과가 있다. In the present invention as described above, the frequency band has a super narrowband characteristic and obtains symbol timing and frequency information using only data information without reference frequency information such as a pilot channel, and then estimates a frequency offset to automatically compensate for an error thereof. It can be effective.
또한, 본 발명은 심볼 데이터의 두배 정도[APCO P25의 경우 동작 범위는 (-9.6kHz, +9.6kHz)]의 범위에 대하여 주파수 에러 보상이 가능하고, 발진기 주파수에 대한 미세 조정이 요구되지 않아 인터페이스 신호가 없이 모두 디지털적으로 구현이 가능하여 디지털 초협대역 단말기 구현이 간단하고 성능 개선이 용이한 효과 가 있다. In addition, the present invention is capable of compensating for frequency error over a range of about twice the symbol data (in the case of APCO P25, the operating range is (-9.6 kHz, +9.6 kHz)), and fine tuning of the oscillator frequency is not required. All of them can be implemented digitally without a signal, making it easy to implement digital ultra narrowband terminals and easily improving performance.
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