KR20090096986A - Apparatus for receiving to improve signal-to-noise ratio of ofdm systems by using oversampling - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 직교 주파수 분할 다중화 (orthogonal frequency division multiplexing: 이하 OFDM이라 함) 전송시스템의 수신기에서 AD 변환기의 표본화 속도를 높여 복조신호의 신호 대 잡음비를 개선시키는 방법과 장치에 관한 것으로, 특히 OFDM 전송시스템의 수신기에서 수신신호를 나이퀴스트(Nyquist) 주파수의 1배 이상의 실수배로 과표본화하여 복조 신호의 신호 대 잡음비를 개선시키는 수신장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for improving the signal-to-noise ratio of a demodulated signal by increasing the sampling rate of an AD converter in a receiver of an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) transmission system. The present invention relates to a receiver for over-sampling a received signal at a real time multiple of one or more times the Nyquist frequency in a receiver to improve the signal-to-noise ratio of the demodulated signal.
일반적으로, OFDM 시스템은 디지털 방송등에서 변조방식으로 사용되고 있는 디지털 통신방식으로, 사용하는 목적에 따라 각각의 부반송파의 수와 주파수 대역은 다르지만 기본적인 변조방식은 동일하다. OFDM 수신기에서는 OFDM 신호의 나이퀴스트 주파수에 해당하는 속도로 아날로그-디지털 (analog-to-digital: AD) 변환기에서 표본화 한 후 고속 푸리에 변환 (fast Fourier transform: FFT)하여 신호를 복조한다. OFDM 신호는 채널을 거치면서 백색 가우스 잡음(additive white Gaussian noise: 이하 AWGN 이라 함)이 유입된다. 유입되는 AWGN에 의한 영향을 최소화하기 위하여 대한민국 등록특허 제 605109호에서는 나이퀴스트 주파수의 정수배로 과표본화(oversampling)하여 복조신호의 신호 대 잡음비를 개선하는 방법이 제시되었다.In general, the OFDM system is a digital communication method used as a modulation method in digital broadcasting. The number and frequency bands of subcarriers vary depending on the purpose of use, but the basic modulation method is the same. The OFDM receiver demodulates the signal by sampling at an analog-to-digital (AD) converter at a speed corresponding to the Nyquist frequency of the OFDM signal and then performing a fast Fourier transform (FFT). The OFDM signal introduces additive white Gaussian noise (AWGN) through the channel. In order to minimize the effect of the incoming AWGN, Korean Patent No. 605109 discloses a method of improving the signal-to-noise ratio of a demodulated signal by oversampling with an integer multiple of the Nyquist frequency.
대한민국 특허 605109호에서는 입력되는 아날로그 신호를 나이퀴스트 주파수의 과표본화율 배에 해당하는 주파수로 과표본화하여 디지털 데이터로 변환하고, 변환된 디지털 데이터를 소정의 연산속도로 고속푸리에 변환하며, 고속푸리에 변환하는 단계를 거친 디지털 데이터를 과표본화율을 참조하여 주파수영역 데이터의 위상을 보상한다. 그리고 위상을 보상한 데이터를 조합하여 상기 과표본화율에 해당하는 향상된 신호 대 잡음비를 가진 복조신호로 출력한다.In Korean Patent 605109, the input analog signal is oversampled into a digital data by oversampling at a frequency corresponding to the oversampling rate times the Nyquist frequency, and the converted digital data is converted to a fast Fourier at a predetermined operation speed, The phase of the frequency domain data is compensated for by referring to the oversampling rate of the digital data which has been converted. The data of the phase compensation are combined and output as a demodulated signal having an improved signal-to-noise ratio corresponding to the oversampling rate.
그러나, OFDM 수신기에서 AD 변환기의 표본화 속도를 증가시켜 복조신호의 신호 대 잡음비를 향상시키고자 할 때, AD 변환기의 표본화 속도를 나이퀴스트 주파수의 정수배로만 결정하는 방법은 나이퀴스트 주파수가 높은 경우 과표본화 하기 위해서는 AD 변환기의 주파수가 과도하게 높게 되어 AD 변환기를 구현할 수 없거나 AD 변환기의 가격이 급격하게 상승하는 결과를 가져왔다.However, in order to improve the signal-to-noise ratio of the demodulated signal by increasing the sampling rate of the AD converter in the OFDM receiver, the method of determining the sampling rate of the AD converter only as an integer multiple of the Nyquist frequency has a high Nyquist frequency. In the case of oversampling, the frequency of the AD converter is excessively high, resulting in the inability to implement the AD converter or the sudden increase in the price of the AD converter.
또한, 정수배 표본화의 경우 AD 변환기의 최대 표본화 주파수 및 AD 변환기의 최대 표본화 속도를 완전히 이용할 수 없는 단점이 있었다. In addition, in case of integer sampling, the maximum sampling frequency of the AD converter and the maximum sampling rate of the AD converter cannot be fully utilized.
예를 들어 어떤 AD 변환기의 최대 표본화 속도가 복조하고자 하는 OFDM 신호의 나이퀴스트 주파수의 2.8배 일 때, 대한민국 특허 605109호에서 제시된 방법은 정수사이의 실수배는 불가능하기 때문에 최대 과표본화율이 2이고 이에 따른 신호 대 잡음비의 향상률도 2가 된다. For example, when the maximum sampling rate of an AD converter is 2.8 times the Nyquist frequency of the OFDM signal to be demodulated, the method proposed in Korean Patent No. 605109 shows that the maximum oversampling rate is 2 because the real multiples between integers are not possible. And thus the signal-to-noise ratio is 2.
그러나 OFDM 전송시스템의 수신기의 수신신호를 나이퀴스트(Nyquist) 주파수의 1배 이상의 실수배로 과표본화하는 본 발명에 의하면 AD 변환기의 최대 표본화 속도가 복조하고자 하는 OFDM 신호의 나이퀴스트 주파수의 2.8배 일 때, 2.8배 과표본화가 가능하고 이에 따라 신호 대 잡음비도 2.8배 향상된다. 따라서 AD 변환기의 최대 표본화 주파수 및 AD 변환기의 최대 표본화 속도를 완전히 활용할 수 있는 것이다.However, according to the present invention, which oversamples a received signal of a receiver of an OFDM transmission system by more than 1 times the Nyquist frequency, the maximum sampling rate of the AD converter is 2.8 times the Nyquist frequency of the OFDM signal to be demodulated. In this case, 2.8 times oversampling is possible, which improves the signal-to-noise ratio by 2.8 times. Thus, the maximum sampling frequency of the AD converter and the maximum sampling rate of the AD converter can be fully utilized.
본 발명은 OFDM 수신기에서 AD 변환기의 표본화 속도를 증가시켜 복조신호의 신호 대 잡음비를 향상시키고자 할 때, 나이퀴스트 주파수보다 큰 실수배로 AD 변환이 가능하게 함으로써, 나이퀴스트 주파수의 정수배로만 AD 변환이 가능하던 종래의 방법에 비해 AD 변환기의 최대 속도 이내에서 표본화 속도를 자유롭게 결정할 수 있고, 과표본율 만큼의 신호 대 잡음비를 개선시킬 수 있는 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 과표본화를 이용한 신호 대 잡음비 개선시키는 수신장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. In the present invention, when the OFDM receiver is to increase the sampling rate of the AD converter to improve the signal-to-noise ratio of the demodulated signal, the AD conversion is possible by a real multiple of the Nyquist frequency. Signal-to-noise ratio using oversampling in an orthogonal frequency division multiplexing system that can freely determine the sampling rate within the maximum speed of the AD converter and improve the signal-to-noise ratio as much as the over-sampling ratio, compared to the conventional method that AD conversion was possible. An object of the present invention is to provide a receiver for improving.
이와 같은 목적을 수행하기 위한 본 발명은, The present invention for performing such an object,
아날로그 기저대역 신호를 나이퀴스트 주파수에 실수배의 과표본화율을 곱한 주파수로 표본화하는 AD 변환기; An AD converter that samples the analog baseband signal at a frequency multiplied by the Nyquist frequency multiplied by a real multiple of the oversampling rate;
AD 변환기의 출력측에 접속되어 상기 과표본화율에 따라 보호구간에 해당하는 신호를 제거하는 보호구간 제거기; A guard interval remover connected to the output side of the AD converter to remove a signal corresponding to the guard interval according to the oversampling ratio;
보호구간 제거기의 출력측에 접속되어 상기 과표본화율에 따라 직렬 신호열을 병렬로 변환하는 직병렬 변환기; A serial-to-parallel converter connected to an output side of the guard interval eliminator and converting serial signal strings in parallel according to the oversampling ratio;
직병렬 변환기를 통과한 신호를 상기 과표본화율에 따라 신호를 복조하는 과표본신호 FFT 복조기; 및 An oversample signal FFT demodulator for demodulating a signal passing through a serial-to-parallel converter according to the oversample rate; And
과표본신호 FFT 복조기에서 출력된 병렬 신호를 직렬로 변환하는 병직렬 변환기를 포함한다.And a parallel-to-serial converter for serially converting the parallel signals output from the FFT demodulator.
본 발명은 OFDM 수신기에서 AD 변환기의 표본화 속도를 증가시켜 복조신호의 신호 대 잡음비를 향상시키기 위하여 나이퀴스트 주파수보다 큰 AD 변환기의 최대 표본화 속도 이내에서 자유롭게 표본화 속도를 결정할 수 있어서 AD 변환기의 속도에 대해 최대의 신호 대 잡음비 성능을 얻을 수 있다. 예를 들어 AD 변환기의 최대 속도가 복조하고자 하는 OFDM 신호의 나이퀴스트 주파수의 2.8배 일 때, 종래의 정수배 방식에 의해서는 2배의 과표본화만 가능하고 이에 따른 신호 대 잡음비가 2배 향상되지만, 본 발명에 의하면 2.8배 과표본화가 가능하고 이에 따라 신호 대 잡음비가 2.8배 향상된다. The present invention can freely determine the sampling rate within the maximum sampling rate of the AD converter larger than the Nyquist frequency in order to increase the sampling rate of the AD converter in the OFDM receiver to improve the signal-to-noise ratio of the demodulated signal. Maximum signal-to-noise ratio performance can be achieved. For example, when the maximum speed of the AD converter is 2.8 times the Nyquist frequency of the OFDM signal to be demodulated, the conventional integer multiple method only doubles the oversampling and the signal-to-noise ratio is twice as high. According to the present invention, the 2.8 times oversampling is possible and the signal-to-noise ratio is improved by 2.8 times.
첨부된 도면중 도 1은 일반적인 OFDM 심볼의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 일반적인 OFDM 수신기의 표본화 및 복조과정을 나타낸 블록도이며, 도 3은 본 발명에 따라 과표본화하는 OFDM 수신기의 표본화 및 복조과정을 나타낸 블록도이다. 1 is a diagram illustrating a structure of a general OFDM symbol, FIG. 2 is a block diagram illustrating a sampling and demodulation process of a general OFDM receiver, and FIG. 3 is a sampling and demodulation of an OFDM receiver oversampled according to the present invention. A block diagram showing the process.
OFDM 신호는 OFDM 심볼이 연속적으로 전송되며, OFDM 심볼은 도 1에서 보는 바와 같이 길이의 보호구간(guard interval)과 길이의 유용구간(useful symbol period)으로 구성되어 있다. 개의 부반송파를 사용하는 OFDM 시스템인 경우, 나이퀴스트 주파수로 표본화하는 일반적인 OFDM 수신기에서는 구간동안 개의 표본을 취한다. OFDM symbols are continuously transmitted OFDM symbols, OFDM symbol as shown in Figure 1 The guard interval of the length It consists of a useful symbol period of length. In an OFDM system using two subcarriers, a typical OFDM receiver sampling at the Nyquist frequency During the interval Take a sample of dogs.
종래의 OFDM 수신기는 도 2에서 보는 바와 같이 기저대역 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 AD 변환기(10)의 출력측에 OFDM 심볼에서 보호구간에 해당하는 표본을 제거하는 보호구간 제거기(20)가 접속된다. 보호구간 제거기(20)의 출력측에는 직렬 신호 개를 모아 병렬 신호로 변환하는 직병렬 변환기(30)가 접속되고, 직병렬 변환기(30)의 출력측에는 동시에 입력된 개의 신호를 푸리에 변환하는 FFT처리기(40)가 접속되며, FFT처리기(40)의 출력측에는 개의 복조된 병렬 신호를 직렬로 변환하여 출력하는 병직렬 변환기(50)가 접속되어 구성된다. In the conventional OFDM receiver, as shown in FIG. 2, a
종래의 OFDM 수신기에서 FFT처리기(40)의 입력 신호를 <식 1>과 같이 표현하면, In the conventional OFDM receiver, if the input signal of the
<식 1> <
FFT처리기(40)의 출력은 식 2와 같이 나타낼 수 있다.The output of the FFT
<식 2> <Equation 2>
<식 2>에서 은 FFT 크기가 임을 의미한다. In <Equation 2> Is the FFT size Means.
이에 비하여 본 발명에 따른 OFDM 수신기의 구조는 도 3에서 보는 바와 같이, 기저대역 아날로그 신호는 AD 변환기(210)에서 디지털 신호로 변환된다. 이 때 표본화 속도는 과표본화율을 이라 할 때, 나이퀴스트 주파수의 배이고, 과표본화율 은 <식 3>을 만족하도록 결정된다.In contrast, in the structure of the OFDM receiver according to the present invention, as shown in FIG. 3, the baseband analog signal is converted into a digital signal by the
<식 3> <Equation 3>
<식 3>에서 은 인 어떤 정수이고, 은 보다 작거나 같은 최대 정수이다.In <Equation 3> silver Is any integer that is silver Maximum integer less than or equal to
AD 변환기(210)에서 변환된 디지털 신호는 보호구간 제거기(220)로 입력되어 보호구간에 해당하는 표본을 제거하고, 직병렬 변환기(230)로 입력되어 개의 표본마다 병렬로 변환된다. 직병렬 변환기(230)를 통과한 신호는 과표본신호 FFT 복조기(240)에서 이 1 인 경우와 인 경우로 나누어 복조하고 신호처리하여 개의 디지털 신호를 출력한다. 과표본신호 FFT 복조기(240)에서 출력된 개의 디지털 신호는 병직렬 변환기(250)를 통과하여 개의 병렬 신호가 직렬로 변환되어 출력된다.The digital signal converted by the
본 발명에서는 이 1 인 경우와 인 경우(과표본화율이 인 경우 만 가능)에 과표본신호 FFT복조기(240)의 구조가 달라진다. 먼저, 이 1 일 때 과표본신호 FFT 복조기(240)의 구조는 도 4에서 보는 바와 같이 FFT처리기(241)의 출력단에 과표본 제거기(242)가 접속된 구성을 갖는다.In the present invention If it is 1 and If (the oversample rate is Only if the structure of the over-sampled
이 1인 경우에 개의 입력 신호를 받아 FFT처리기(241)에서 점(-point) FFT를 수행한다. 이때 FFT처리기(241)는 점 FFT를 하는 것이 아니라 점 FFT를 수행한다. FFT처리기(241)의 입력은 <식 4>로 표현되며, FFT처리기(241)의 출력은 <식 5>로 표현된다. If this is 1 FFT processor 241 receives two input signals point( -point) Perform FFT. At this time, the FFT processor 241 Instead of doing a point FFT Perform a point FFT. The input of the FFT processor 241 is represented by <Equation 4>, and the output of the FFT processor 241 is represented by <Equation 5>.
<식 4> <Equation 4>
<식 5> <Equation 5>
FFT처리기(241)에서 FFT한 결과에서 처음 개의 신호는 도 5와 같이 데이터 전송에 사용한 개의 부반송파에 해당한다. 따라서 과표본 제거기(242)에서 마지막 개의 신호를 제거하고 출력한다. 과표본 제거기(242)의 출력 는 <식 6>과 같이 나타낼 수 있다.First in the result of FFT in FFT processor 241 Signals are used for data transmission as shown in FIG. Corresponds to two subcarriers. Therefore, in oversample eliminator 242 Remove and output the two signals. Output of Oversample Eliminator 242 Can be expressed as shown in Equation 6.
<식 6> <Equation 6>
FFT처리기(241)의 개의 입력에는 데이터 성분과 잡음성분이 모두 포함되어 있는데, FFT처리기(241)의 출력에서 마지막 개의 신호에는 잡음성분만 포함되어 있으므로, 과표본 제거기(242)에서 마지막 개의 신호를 제거함으 로써 과표본신호 FFT복조기(240)의 출력은 과표본신호 FFT복조기(240)의 입력에 비해 잡음이 로 감소한다. 따라서 SNR은 r 배 향상된다.Of the FFT processor 241 Inputs contain both data and noise components, the last of the output of FFT processor 241 Signals contain only noise components, so the oversampler 242 By removing the two signals, the output of the oversampled
또한, 일 때 과표본 신호 FFT 복조기(340)의 구조는 도 6에서 보는 바와 같이 직병렬 변환기(230)를 통과한 신호를 입력받는 역다중화기(341)의 출력단에 개의 FFT 처리기로 구성된 FFT처리기 블록(342)이 접속되며, FFT 처리기 블록(342)의 출력단에는 FFT처리기 블록(342)을 구성하는 개의 FFT처리기와 각각 접속되는개의 과표본제거기로 구성된 과표본 제거기 블록(343)이 접속된다. 과표본 제거기 블록(343)의 출력단에는 과표본 제거기 블록(343)을 구성하는 개의 과표본 제거기중 하나의 과표본 제거기를 제외한 나머지 과표본 제거기와 각각 접속되는 개의 위상 보상기로 구성된 위상 보상기 블록(344)이 접속된다. 위상보상기 블록(344)의 출력단에는 벡터 덧셈기(345)가 접속되어 구성된다. Also, When the oversampled
개의 신호로 이루어진 직병렬 변환기(230)의 출력은 역다중화기(341)를 통해서 각각이 개의 신호로 이루어진 개의 병렬신호를 출력한다 즉 을 만족한다. 여기서 은 AD 변환기의 과표본화율이며, 은 병렬신호로 변환된 후 각 경로신호(개의 경로에 입력되는 경로신호)에서의 과표본화율에 해당한다. 정리하면 <식 3>으로부터 와 병렬 경로수 과의 관계는 <식 7>과 같이 표현되며 <식 8>을 만족해야 한다. The output of the serial-to-
<식 7> <Equation 7>
<식 8> <
예를 들어 일 때, 면 이고, 가능한 쌍은 <식 7>과 <식 8>을 만족해야 하므로, , , , 가 된다. 역다중화기(341)의 입력을 <식 9>와 같이 표현할 때, E.g when, if Is possible The pair must satisfy <Equation 7> and <
<식 9> <Equation 9>
번째 FFT처리기(342)로 입력되는 역다중화기(341)의 출력 은 다음 <식 10>과 같이 나타낼 수 있다. Of
<식 10> <
개의 FFT로 이루어진 FFT처리기 블록(342)에서 각 FFT처리기는 개의 입력을 받아 점 FFT를 수행한 후 출력한다. 이 때 FFT처리기 블록(342)의 번째 FFT의 출력을 이라 할 때 다음 <식 11>과 같이 나타낼 수 있다. In an
<식 11> <Equation 11>
<식 11>에서 번째 FFT처리기의 출력벡터에서 k 번째 원소를 라 놓으면 다음 <식 12>와 같은 관계식이 성립된다.In <Equation 11> The k th element in the output vector of the first FFT If you put it, the relation like the following <Equation 12> is established.
, ; <식 12> , ; <Equation 12>
과표본 제거기 블록(343)의 각 과표본 제거기에서는 <식 13>에서 보는 바와 같이 개의 원소로 이루어진 입력벡터에서 처음 마지막 개의 원소를 제거하고 개의 원소로 이루어진 벡터 을 출력한다. In each oversample remover of
<식 13> <Equation 13>
<식 11>으로부터 위상보상기 블록(344)에서 번째 과표본 제거기의 출력벡터의 k 번째 원소의 위상을 <식 14>에서와 같은 위상만큼 회전시키면 와 동일한 값을 얻게 된다. 즉 번째 위상보상기의 출력벡터 은 가 된다. From Equation 11, in phase compensator block 344 K th element of the output vector of the first oversample eliminator If we rotate the phase of by the same phase as in <Equation 14> You get the same value as. In other words Output vector of the second phase compensator silver Becomes
<식 14> <Equation 14>
따라서, 도 7에서 보는 바와 같이 번째 위상보상기의 구조가 성립된다. Thus, as shown in FIG. The structure of the first phase compensator is established.
벡터 덧셈기(345)은 단순히 개의 입력 벡터를 산술적으로 더하여 출력하여 벡터 덧셈기(345)의 출력 는 다음 <식 15>와 같다.The
<식 15> <Equation 15>
벡터 덧셈기(345)의 연산 과정에서 데이터 성분은 서로 같은 값이 더해져 배로 커지고, 불규칙한 잡음은 더해져 서로 상쇄된다. 그리므로, 과표본신호 FFT 복조기(340)은 개의 입력을 받아 최종적으로 개를 출력하므로 SNR은 배 향상된다. In the operation of the
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited thereto and may be improved or modified by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention.
도 1은 일반적인 OFDM 심볼의 구조를 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a structure of a general OFDM symbol.
도 2는 일반적인 OFDM 수신기의 표본화 및 복조과정을 나타낸 블록도이다. 2 is a block diagram illustrating a sampling and demodulation process of a typical OFDM receiver.
도 3은 본 발명에 따라 과표본화하는 OFDM 수신기의 표본화 및 복조과정을 나타낸 블록도이다. 3 is a block diagram illustrating a sampling and demodulation process of an OFDM receiver oversampled according to the present invention.
도 4는 본 발명에서 병렬경로의 수 M 이 일 때 본 발명에 따른 과표본 신호 FFT 복조기의 처리과정을 도시한 블록도이다. 4 is the number M of parallel paths in the present invention. Is a block diagram showing the processing of the oversampled signal FFT demodulator according to the present invention.
도 5는 본 발명에서 병렬경로의 수 M이 일 때 본 발명에 따른 과표본 신호 FFT 복조기에서 FFT 출력의 개수 및 형태를 나타낸 그래프이다. 5 is the number M of parallel paths in the present invention. Is a graph showing the number and shape of the FFT output in the oversampled signal FFT demodulator according to the present invention.
도 6은 본 발명에서 병렬경로의 수 M 이 일 때 본 발명에 따른 과표본 신호 FFT 복조기의 처리과정을 도시한 블록도이다. Figure 6 is the number M of parallel paths in the present invention Is a block diagram showing the processing of the oversampled signal FFT demodulator according to the present invention.
도 7은 본 발명의 과표본 신호 FFT 복조기 내부의 위상 보상기의 동작을 나타낸 블록도이다. 7 is a block diagram illustrating the operation of a phase compensator inside an oversampled signal FFT demodulator of the present invention.
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