KR20110021121A - Ｏｆｄｍ 신호 동기화 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부로부터 수신된 OFDM 신호를 동기화함에 있어서 FFT 윈도우 및 샘플링 주파수의 오차를 보상하는 OFDM 신호 동기화 장치 및 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 OFDM 신호 동기화 장치는 외부로부터 수신된 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호에 대하여 샘플링을 수행하고, FFT(Fast Fourier Transform) 윈도우를 이용하여 상기 샘플링된 복사 구간과 데이터 구간을 포함하는 OFDM 신호에서 상기 복사 구간을 제거하며, 상기 복사 구간이 제거된 OFDM 신호에 대하여 FFT를 수행하는 OFDM 신호 동기화 장치에 있어서, 상기 FFT에 의해 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환된 OFDM 신호에 대하여 채널 추정을 수행하는 채널 추정부; 상기 채널 추정부가 구한 채널 추정 값의 임펄스 응답을 계산하는 임펄스 응답 계산부; 상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답을 이용하여 상기 FFT 윈도우의 위치를 조정하는 FFT 윈도우 조정부; 및 상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답을 이용하여 상기 샘플링 주파수를 보정하는 샘플링 주파수 보정부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
OFDM, 동기, 샘플링, FFT, 윈도우, 채널 추정, 파일럿, 자기 상관

Description

ＯＦＤＭ 신호 동기화 장치 및 방법{apparatus and method for synchronizing OFDM signal}
본 발명은 OFDM 신호 동기화 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 외부로부터 수신된 OFDM 신호를 동기화함에 있어서 FFT 윈도우 및 샘플링 주파수의 오차를 보상하는 OFDM 신호 동기화 장치 및 방법에 관한 것이다.
OFDM(Orthogonal Frequency Division Mutiplexing)은 멀티캐리어 변조 방식의 일종으로, 다중 경로(multi-path) 및 이동수신 환경에서 우수한 성능을 발휘한다. 이 때문에 지상파 디지털 TV 및 디지털 음성 방송에 적합한 변조 방식으로 주목을 받고 있다.
OFDM은 주로 통신 분야에서 연구가 진행되어 왔으나, EBU(European Broadcasting Union)가 제안한 디지털 음성 방송 시스템의 변조 방식으로 채택되면서 방송 분야에서도 연구 개발이 진행되었다.
멀티 캐리어 시스템인 OFDM 시스템의 성능은 시간 및 주파수 동기에 민감하다. OFDM 전송 방식은 단일 반송파 전송 방식에 비해 송수신단 간의 반송파 주파수 옵셋이 존재할 경우 주파수 스펙트럼 상에서 수신 신호의 부반송파 간의 직교성이 상실되어 신호대잡음비(SNR)가 크게 감소하는 단점이 있다. 일반적으로, 주파수 오차는 송신기와 수신기 사이의 오실래이터 차이로 인하여 발생한다.
무선 랜(IEEE 802.11a)과 같은 패킷 통신 시스템에서는 일정한 길이의 데이터를 전송하기 전에 초기 동기를 위한 프리앰블을 전송하며, 이 프리앰블을 이용하여 심벌 동기 및 주파수 동기 그리고 채널 추정을 한다. 그러나, 디지털 오디오 방송시스템(DAB), 디지털 멀티미디어 방송 시스템(DMB)등과 같은 OFDM 방송시스템은 초기 동기를 위한 프리앰블이 없으며, 일반적으로 데이터 중간에 삽입되어 있는 파일럿을 이용하여 시스템 동기 및 채널 추정을 한다. 이러한 끊임없이 데이터가 전송되는 OFDM 방송 시스템에서 송수신단의 오실레이터에 의한 주파수 오차는 샘플링 오차를 야기하고 이것이 누적되면 샘플이 추가되거나, 빠지게 되어 FFT 윈도우 포인터가 변경이 된다. 이러한 FFT 윈도우 변경은 OFDM 시스템에서 심벌간 간섭(ISI:Inter Symbol Interference)과 캐리어간 간섭(ICI : Inter Carrier Interference)을 야기하며, 결국 성능 열하를 일으킨다.
디지털 OFDM 수신기는 입력된 연속 OFDM 신호에서 샘플링 주파수로 정해지는 정격 주기 간격으로 샘플링을 수행한다. 샘플링된 신호는 FFT(Fast Fourier Transform)를 통한 복조 과정 등의 디지털 신호로 처리된다. 이러한 OFDM 수신기에서는 최적의 샘플링 타이밍을 찾는 기능 혹은 샘플링 주파수 오류로 인하여 신호에 발생하는 왜곡 성분을 제거하는 등화 기능이 중요한 역할을 한다.
일반적으로, 샘플링 주파수 오차 측정 및 보정 방식은 수신 신호의 주파수 하향 변환 방식에 따라 IF(Intermediate Frequency) 직접 샘플링 방식과 기저 대역 변환 방식으로 구분할 수 있고, 샘플링 클럭의 제어 유무에 따라서는 동기 구조와 비동기 구조로 구분할 수 있다.
IF 직접 샘플링 방식은 IF 수신 신호에서 직접 샘플 신호를 추출하며 기저 대역 변환 방식은 샘플링 타이밍 제어 구조에 따라 2 가지의 샘플 구조로 분류할 수 있다. 즉, 동기 구조는 PLL을 이용하여 샘플링 타이밍 오류를 추정하여 해당하는 발진기의 타이밍을 제어하며 비동기 구조는 자유 샘플링을 수행하므로 샘플링 타이밍을 제어하지 않고 뒷단에 위치한 등화기(equalizer)가 샘플링 타이밍 오류에 의한 신호 왜곡을 보상한다.
도 1은 일반적인 동기 구조의 샘플링 주파수 제어 방식의 구조도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래 OFDM 신호 동기화 장치는 FFT(20)에서 출력된 신호 중 연속 파일럿(pilot) 부반송파 혹은 분산 파일럿 부반송파 복소 신호의 위상 회전을 이용하여 샘플링 오프셋을 추정하는 동기 구조로서, 추정한 위상 오프셋을 이용하며 DPLL(Digital Phase Locked Loop; 40)로 직접 VCXO(Voltage controllde oscilator; 50)를 제어한다.
구체적으로, 종래 OFDM 신호 동기화 장치는 외부로부터 수신된 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호에 대하여 샘플링을 수행하는 ADC(10), FFT 윈도우를 이용하여 상기 샘플링된 복사 구간과 데이터 구간을 포함하는 OFDM 신호에서 상기 복사 구간을 제거하며, 상기 복사 구간이 제거된 OFDM 신호를 주파수 영역으로 변환하는 FFT(20), FFT(20)에서 출력된 신호에서 파 일럿을 추출하는 파일럿 추출부(30), 파일럿 추출부(30)에서 추출된 파일럿을 이용하여 샘플링 주파수 오차를 계산하는 DPLL(40) 및 DPLL(40)에서 계산된 오차 값을 이용하여 ADC(10)의 샘플링 주파수를 보정하는 VCXO(50)를 포함하여 이루어진다.
도 2는 종래 샘플링 주파수 보정 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 3은 FFT를 통과한 OFDM 신호의 주파수 스펙트럼이다.
먼저, 단계 S10에서는 OFDM 방송 시스템의 규격마다 다른 일정한 간격으로 존재하는 파일럿을 추출한다.
다음으로, 단계 S13에서는 마이너스 주파수에 존재하는 파일럿의 위치와 위상 변화(Pm)를 계산한다.
다음으로, 단계 S15에서는 플러스 주파수에 존재하는 파일럿의 위치와 위상 변화(Pp)를 계산한다.
다음으로, 단계 S17에서는 평균치를 구하기 위하여 Pm, Pp를 여러 심볼 동안 관찰 및 누적한다.
다음으로, 단계 S19에서는 평균치를 이용하여 샘플링 주파수 오차를 계산한다. 그런 다음, 계산된 오차 값을 이용하여 OFDM 신호의 샘플링 주파수를 보정한다.
이러한 종래 샘플링 주파수 보정 방법은 위에서 설명한 바와 같이 파일럿들 간의 위상 변화 차를 이용하는 것으로서, AWGN(additive white gaussian noise) 채널에서는 우수한 성능을 갖는다.
그러나, 파일럿의 위상의 변화를 관찰해야 하기 때문에 잔류 주파수 오차가 크고, 이동에 따른 페이딩(fading) 및 다중 경로 환경에서는 위상 오류가 크게 발생하여 성능이 떨어진다고 하는 문제점이 있었다. 또한, 파일럿의 위치와 위상 변화를 계산하기 위해서는 통상, 아크탄젠트(arctangent)를 이용하는데, 이러한 함수를 구현하기가 상당히 복잡하다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다중경로, 이동에 따른 페이딩 및 주파수 오차를 발생하는 환경에서 안정적으로 OFDM 신호의 샘플링 주파수 오차를 보정할 수 있도록 한 OFDM 신호 동기화 장치 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 파일럿의 위치와 위상 변화를 계산하고 이를 이용하여 샘플링 주파수 오차를 계산하는 종래 방법보다 낮은 복잡도를 갖는 OFDM 신호 동기화 장치 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 OFDM 신호 동기화 장치는 외부로부터 수신된 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호에 대하여 샘플링을 수행하고, FFT(Fast Fourier Transform) 윈도우를 이용하여 상기 샘플링된 복사 구간과 데이터 구간을 포함하는 OFDM 신호에서 상기 복사 구간을 제거하며, 상기 복사 구간이 제거된 OFDM 신호에 대하여 FFT를 수행하는 OFDM 신호 동기화 장치에 있어서, 상기 FFT에 의해 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환된 OFDM 신호에 대하여 채널 추정을 수행하는 채널 추정부; 상기 채널 추정부가 구한 채널 추정 값의 임펄스 응답을 계산하는 임펄스 응답 계산부; 상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답을 이용하여 상기 FFT 윈도우의 위치를 조정하는 FFT 윈도우 조정 부; 및 상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답을 이용하여 상기 샘플링 주파수를 보정하는 샘플링 주파수 보정부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
종래에는 파일럿들 간의 위상 변화 차를 관찰하고 이를 통해 샘플링 주파수의 오차를 보정한다. 이러한 종래 방법은 AWGN 환경에서는 우수한 성능을 발휘한다. 그러나, 다중경로, 이동에 따른 페이딩 및 주파수 오차를 발생하는 환경에서는 위상 오류가 크기 때문에 성능이 떨어진다.
본 발명에 따르면, 채널 추정 값의 임펄스 응답을 구하게 되면 FFT 윈도우의 위치와 다중 경로의 수를 알 수 있게 되고 이를 통해 FFT 윈도우의 위치를 조정하거나 샘플링 주파수을 보정하기 때문에, 다중경로, 이동에 따른 페이딩 및 주파수 오차를 발생하는 환경에서도 안정된 성능을 발휘한다.
일반적으로, OFDM 방식의 통신 시스템은 프리앰블(송신단과 수신단에서 공통으로 알고 있는 몇 개의 OFDM 심볼로 이루어짐)을 통해 초기 동기를 맞추지만 방송시스템은 프리앰블(preamble)이 없이 연속적으로 데이터를 전송한다. 이러한 이유로 인해, 방송 시스템은 통신시스템보다는, 다중경로, 이동에 따른 페이딩 및 주파수 오차를 발생하는 환경에 더 열악하다 할 것이다. 따라서, 본 발명의 OFDM 신호 동기화 장치는 방송 시스템에 적용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 임펄스 응답 계산부는, 상기 채널 추정부가 구한 채널 추정 값에 대해 FFT 또는 IFFT(Inverse FFT)를 수행하여 상기 채널 추정 값의 임펄스 응답을 계산하는 것임이 바람직하다. 주지되어 있는 바와 같이, FFT 또는 IFFT는 OFDM 시스템에 꼭 필요한 구성 요소이다. 즉, 임펄스 응답을 구함에 있어 새로운 알고리즘을 추가할 필요가 없다. 따라서, 시스템은 복잡도는 종래에 비해 상당히 낮아진다.
본 발명에 따른 FFT 윈도우 조정부는 구체적으로, 상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 미리 정해진 FFT 윈도우 시작 구간을 벗어난 곳에 위치한 것으로 판단되면, 샘플링 주파수 옵셋 등으로 인해 FFT 윈도우가 이동한 것으로 인식한다. 이러한 경우, FFT 윈도우 조정부는 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 시작 구간에 위치하도록 상기 FFT 윈도우를 이동한다.
상기 FFT 윈도우 시작 구간은 상기 복사 구간 중에서 상기 데이터 구간에 인접한 구간을 일컫는 것으로서, 상기 데이터 구간에 이웃한 우측 구간, 상기 데이터 구간에서 가장 먼 곳에 위치한 좌측 구간 및 이들 구간 사이에 위치한 FFT 윈도우 목표 구간으로 구분된다.
또한, 본 발명에 따른 FFT 윈도우 조정부는, 상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답에서 피크의 개수가 미리 정해진 임계치 이상이면, 첫 번째 피크의 위치 확인을 통한 FFT 윈도우 이동이나 샘플링 주파수 보정으로는 OFDM 신호 동기화를 안정적으로 수행할 수 없다고 판단한다. 이러한 경우, FFT 윈도우 조정부는 상기 샘플링된 OFDM 신호를 자기 상관(autocorrelation)하여 구한 결과 값에 의거하여 상기 FFT 윈도우의 위치를 재설정한다.
본 발명에 따른 샘플링 주파수 보정부는 구체적으로, 상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 우측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간으로 이동하도록 샘플링 주파수를 높게 하고, 상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 좌측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간으로 이동하도록 샘플링 주파수를 낮게 하는 것이 될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 샘플링 주파수 보정부는, 상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 우측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간에서 상기 우측 구간으로 이동하는데 걸린 시간에 비례하여 샘플링 주파수를 높게 하고, 상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 좌측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간에서 상기 좌측 구간으로 이동하는데 걸린 시간에 비례하여 샘플링 주파수를 낮게 하는 것이 될 수 있다.
한편, 본 발명의 OFDM 신호 동기화 방법은 외부로부터 수신된 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호에 대하여 샘플링을 수행하고, FFT(Fast Fourier Transform) 윈도우를 이용하여 상기 샘플링된 복사 구간과 데이터 구간을 포함하는 OFDM 신호에서 상기 복사 구간을 제거하며, 상기 복사 구간이 제거된 OFDM 신호에 대하여 FFT를 수행하는 OFDM 신호 동기화 방법에 있어서, 상기 FFT에 의해 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환된 OFDM 신호에 대하여 채널 추정을 수행하는 (a) 단계; 상기 채널 추정의 결과인 채널 추정 값의 임펄스 응답을 계산하는 (b) 단계; 및 상기 계산한 임펄스 응답을 이용하여 상기 FFT 윈도우의 위치를 조정하거나 상기 샘플링 주파수를 보정하는 (c) 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 OFDM 신호 동기화 방법은 방송 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명의 OFDM 신호 동기화 방법에 있어서, 상기 (b) 단계는 상기 채널 추정의 결과인 채널 추정 값에 대해 FFT 또는 IFFT(Inverse FFT)를 수행하여 상기 채널 추정 값의 임펄스 응답을 계산하는 것이 될 수 있다.
여기서, 상기 복사 구간은, 상기 데이터 구간에 이웃한 우측 구간, 상기 데이터 구간에서 가장 먼 곳에 위치한 좌측 구간 및 이들 구간 사이에 위치한 FFT 윈도우 목표 구간으로 구분되는 FFT 윈도우 시작 구간을 포함한다.
본 발명의 OFDM 신호 동기화 방법에 있어서, 상기 (c) 단계는 일 예로, 상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 시작 구간을 벗어난 곳에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 시작 구간에 위치하도록 상기 FFT 윈도우를 이동하고, 상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 우측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간으로 이동하도록 샘플링 주파수를 높게 하며, 상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 좌측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간으로 이동하도록 샘플링 주파수를 낮게 하는 것이 될 수 있다.
본 발명의 OFDM 신호 동기화 방법에 있어서, 상기 (c) 단계는 다른 예로, 상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 시작 구간을 벗어난 곳에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 시작 구간에 위치하도록 상기 FFT 윈도우를 이동하고, 상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 우측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간에서 상기 우측 구간으로 이동하는데 걸린 시간에 비례하여 샘플링 주파수를 높게 하며, 상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 좌측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간에서 상기 좌측 구간으로 이동하는데 걸린 시간에 비례하여 샘플링 주파수를 낮게 하는 것이 될 수 있다.
본 발명의 OFDM 신호 동기화 방법에 있어서, 상기 (c) 단계는 또 다른 예로, 상기 계산한 임펄스 응답에서 피크의 개수가 미리 정해진 임계치 이상이면, 상기 샘플링된 OFDM 신호를 자기 상관(autocorrelation)하여 구한 결과 값에 의거하여 상기 FFT 윈도우의 위치를 조정하고, 상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 시작 구간을 벗어난 곳에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 시작 구간에 위치하도록 상기 FFT 윈도우를 이동하며, 상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 우측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간으로 이동하도록 샘플링 주파수를 높게 하며, 상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 좌측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간으로 이동하도록 샘플링 주파수를 낮게 하는 것이 될 수 있다.
본 발명의 OFDM 신호 동기화 장치 및 방법에 따르면, 채널 추정 값의 임펄스 응답을 이용하여 FFT 윈도우를 조정하고 샘플링 주파수를 보정함으로써, 다중경로, 이동에 따른 페이딩 및 주파수 오차를 발생하는 환경에서도 OFDM 신호 동기의 안정화를 이룰 수 있는 효과가 있다.
또한, 임펄스 응답의 계산은 기존의 FFT나 IFFT 블록을 이용하면 되기 때문에 새로운 알고리즘을 추가할 필요가 없다. 따라서, 시스템은 복잡도는 종래에 비해 상당히 낮아지는 효과가 있다.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 OFDM 신호 동기화 장치 및 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 OFDM 신호 동기화 장치의 블록 구성도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 OFDM 신호 동기화 장치는 ADC(110), FFT(120), 파일럿 추출부(130), 채널 추정부(140), 임펄스 응답 계산부(150), FFT 윈도우 보정부(160), 자기상관(autocorrelation)부(170) 및 샘플링 주파수 보정부(180)를 포함하여 이루어질 수 있다.
ADC(110)는 외부로부터 수신된 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호에 대하여 샘플링을 수행한다.
FFT(120)는 FFT 윈도우를 이용하여 샘플링 신호에서 복사 구간을 제거하고, 복사 구간이 제거된 OFDM 신호를 주파수 영역으로 변환한다.
도 5는 방송 시스템에서의 OFDM 심볼의 구조를 보인 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 방송 시스템에서 OFDM 심볼은 복사 구간(CP)과 데이터 구간(FFT Integration data)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 복사 구간은 인접한 데이터 구간의 일부분에 대한 복사본이며, 심볼간 간섭(ISI) 및 캐리어간 간섭(ICI)을 극복하기 위해 사용된다. 그리고, 데이터 구간은 실제 데이터 심볼을 의미한다.
파일럿 추출부(130)는 FFT(120)에 의해 주파수 영역으로 변환된 OFDM 신호에서 파일럿을 추출한다. 여기서, 파일럿은 채널 추정(channel estimation)을 위해 데이터 사이 사이에 심어 놓은, 송신단과 수신단에서 공통적으로 알고 있는 약속된 신호이다.
채널 추정부(140)는 파일럿을 이용하여 채널 추정을 수행한다. 즉, 채널 추정부(140)는 파일럿을 이용하여 무선 채널의 정보(감쇄, 위상 편이, 시간 지연 등)를 추정한다. 채널 추정 기법으로는 LS(least square) 및 MMSE(minimum mean-square error) 등이 알려져 있다.
임펄스 응답 계산부(150)는 채널 추정부(140)가 구한 채널 추정 값에 대해 FFT 또는 IFFT(Inverse FFT)를 수행하여 채널 추정 값의 임펄스 응답을 계산한다. 이렇게 채널 추정 값의 임펄스 응답을 구하게 되면, FFT 윈도우의 위치와 다중 경로의 수를 알 수 있게 된다.
FFT 윈도우 조정부(160)는 임펄스 응답 계산부(150)에서 계산한 임펄스 응답을 이용하여 FFT 윈도우의 위치를 조정한다. 구체적으로, FFT 윈도우 조정부(160)는 임펄스 응답 계산부(150)에서 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한다. 여기서, 첫 번째 피크는 FFT 윈도우의 시작 위치를 나타낸다. 따라서, 첫 번째 피크의 위치를 확인한 결과, FFT 윈도우의 시작점이 미리 정해진 FFT 윈도우 시작 구간(복사 구간 중에서 데이터 구간에 인접한 구간(3); 도 5 참조)을 벗어난 곳에 위치한 것으로 판단되면, FFT 윈도우의 시작점이 (3) 영역에 위치하도록 FFT 윈도우를 이동한다.
또한, FFT 윈도우 조정부(160)는 임펄스 응답 계산부(150)에서 계산한 임펄스 응답에서 피크의 개수를 확인한다. 여기서, 피크의 개수는 다중 경로의 수를 나타낸다. 피크의 개수가 임계치 이상이면, 다중 경로 페이딩으로 인하여 첫 번째 피크의 위치 확인을 통한 FFT 윈도우 이동이나 후술할 샘플링 주파수 보정으로는 OFDM 신호 동기화를 안정적으로 수행할 수 없다고 판단한다. 따라서, FFT 윈도우 조정부(160)는 피크의 개수가 임계치 이상이면, 샘플링 신호를 자기 상관하여 구한 결과 값에 의거하여 FFT 윈도우의 위치를 재설정(초기화)한다.
도 6은 OFDM 신호의 타이밍(timing) 동기를 설명하기 위한 도면이다.
일반적으로, OFDM 신호 동기화 장치는 샘플링된 OFDM 신호를 자기 상관하여 타이밍 동기를 수행한다. 도 6에 도시한 바와 같이, 자기 상관부(170)가 샘플링된 OFDM 신호에 대하여 자기 상관을 수행하게 되면, 복사 구간은 인접한 데이터 구간의 뒷부분에 대한 복사본이기 때문에 복사 구간과 데이터 구간 사이의 경계 지점에서 피크가 발생한다. 이렇게 샘플링된 OFDM 신호를 자기 상관하게 되면, 복사 구간과 데이터 구간을 구분할 수 있게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 방송시스템에서 주파수 오차는 샘플링 오차를 야기하고 이것이 누적되면 샘플이 추가되거나, 빠지게 되어 FFT 윈도우의 시작점이 수시로 변화한다. 따라서, 위와 같은 FFT 윈도우 조정만으로는 OFDM 신호 동기의 안정화를 이룰 수 없다.
샘플링 주파수 보정부(180)는 FFT 윈도우 조정부(160)와 더불어 OFDM 신호 동기의 안정화를 위한 수단으로서, 임펄스 응답 계산부(150)에서 계산한 임펄스 응답을 이용하여 샘플링 주파수를 보정한다. 구체적으로, 임펄스 응답 계산부(150)에서 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한다. 첫 번째 피크의 위치를 확인한 결과, FFT 윈도우의 시작점이 우측 구간(c; 도 5 참조)에 위치한 것으로 판단되면, FFT 윈도우 시작점이 목표 구간(b; 도 5 참조)으로 이동하도록 샘플링 주파수를 높게 한다. 반면, 첫 번째 피크의 위치를 확인한 결과, FFT 윈도우의 시작점이 좌측 구간(a; 도 5 참조)에 위치한 것으로 판단되면, FFT 윈도우 시작점이 목표 구간(b)으로 이동하도록 샘플링 주파수를 낮게 한다.
또한, 샘플링 주파수 보정부(180)는 샘플링 주파수를 조정함에 있어서, 목표 구간에서 우측 구간 또는 좌측 구간으로 이동하는데 걸린 시간을 고려한다. 구체적으로, FFT 윈도우의 시작점이 목표 구간 (b)에서 우측 구간 (c)로 이동하게 되면, 그 이동 시간에 비례하여 샘플링 주파수를 높게 한다. 예를 들어, 이동 시간이 10ms, 5ms라고 한다면, 조정된 샘플링 주파수 값은 각각, 5Hz 및 2.5Hz가 될 것이다. 반대로, FFT 윈도우의 시작점이 목표 구간 (b)에서 좌측 구간 (a)로 이동하게 되면, 그 이동 시간에 비례하여 샘플링 주파수를 낮게 한다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 OFDM 신호 동기화 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 8은 본 발명의 OFDM 신호 동기화 장치에 있어서, FFT를 통과한 OFDM 신호의 주파수 스펙트럼을 보인 도면이며, 도 9는 채널 추정 값의 임펄스 응답을 보인 도면이다.
먼저, 단계 S101에서는 FFT(120)에 의해 주파수 영역으로 변환된 OFDM 신호(도 8 참조)에 대하여 채널 추정을 수행한다.
다음으로, 단계 S103에서는 채널 추정 값에 대해 FFT 또는 IFFT를 수행하여 채널 추정 값의 임펄스 응답을 계산한다(도 9 참조).
다음으로, 단계 S105에서는 임펄스 응답에서 피크의 위치 및 개수를 검색한다.
다음으로, 단계 S107에서는 검색한 피크의 개수가 20개 이상인지를 판단한다.
단계 S107에서의 판단 결과, 피크 개수가 20개 이상인 경우에는 단계 S109로 진행하여 샘플링된 OFDM 신호에 대하여 자기 상관을 수행한다. 그런 다음, 단계 S111로 진행하여 자기 상관 값에 의거하여 FFT 윈도우를 재조정한다.
한편, 단계 S107에서의 판단 결과, 피크 개수가 20개 미만인 경우에는 단계 S113으로 진행하여 첫 번째 피크(FFT 윈도우 시작점)가 (2) 영역(도 5 참조)에 위치하는지를 판단한다.
단계 S113에서의 판단 결과, 첫 번째 피크가 (2) 영역에 위치한 경우에는 단계 S115로 진행하여 FFT 윈도우를 앞으로 이동한다.
한편, 단계 S113에서의 판단 결과, 첫 번째 피크가 (2) 영역에 위치하지 않는 경우에는 단계 S117로 진행하여 첫 번째 피크가 (1) 영역(도 5 참조)에 위치하는지를 판단한다.
단계 S117에서의 판단 결과, 첫 번째 피크가 (1) 영역에 위치한 경우에는 단계 S119로 진행하여 FFT 윈도우를 뒤로 이동한다.
한편, 단계 S117에서의 판단 결과, 첫 번째 피크가 (1) 영역에 위치하지 않는 경우에는 단계 S121로 진행하여 첫 번째 피크가 (b)에서 (a)로 이동하였는지를 판단한다.
단계 S121에서의 판단 결과, 첫 번째 피크가 (b)에서 (a)로 이동한 경우에는 단계 S123으로 진행하여 (b)에서 (a)로 이동하는데 걸린 시간에 비례하여 샘플링 주파수를 낮게 한다. 그런 다음, 단계 S125로 진행하여 카운터를 초기화(t=0)한다.
한편, 단계 S121에서의 판단 결과, 첫 번째 피크가 (b)에서 (a)로 이동하지 않은 경우에는 단계 S127로 진행하여 첫 번째 피크가 (b)에서 (c)로 이동하였는지 를 판단한다.
단계 S127에서의 판단 결과, 첫 번째 피크가 (b)에서 (c)로 이동한 경우에는 단계 S129로 진행하여 (b)에서 (c)로 이동하는 걸린 시간에 비례하여 샘플링 주파수를 높게 한다. 그런 다음, 단계 S131로 진행하여 카운터를 초기화(t=0)한다.
한편, 단계 S127에서의 판단 결과, 첫 번째 피크가 (b)에 위치한 경우에는 단계 S133으로 진행하여 이동 주기를 갱신(t++)한다.
본 발명의 OFDM 신호 동기화 장치 및 방법은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.
도 1은 일반적인 동기 구조의 샘플링 주파수 제어 방식의 구조도이다.
도 2는 종래 샘플링 주파수 보정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 FFT를 통과한 OFDM 신호의 주파수 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 OFDM 신호 동기화 장치의 블록 구성도이다.
도 5는 방송 시스템에서의 OFDM 심볼의 구조를 보인 도면이다.
도 6은 OFDM 신호의 타이밍(timing) 동기를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 OFDM 신호 동기화 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 OFDM 신호 동기화 장치에 있어서, FFT를 통과한 OFDM 신호의 주파수 스펙트럼을 보인 도면이다.
도 9는 채널 추정 값의 임펄스 응답을 보인 도면이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
110: ADC 120: FFT
130: 파일럿 추출부 140: 채널 추정부
150: 임펄스 응답 계산부 160: FFT 윈도우 보정부
170: 자기상관(autocorrelation)부 180: 샘플링 주파수 보정부

Claims (15)

  1. 외부로부터 수신된 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호에 대하여 샘플링을 수행하고, FFT(Fast Fourier Transform) 윈도우를 이용하여 상기 샘플링된 복사 구간과 데이터 구간을 포함하는 OFDM 신호에서 상기 복사 구간을 제거하며, 상기 복사 구간이 제거된 OFDM 신호에 대하여 FFT를 수행하는 OFDM 신호 동기화 장치에 있어서,
    상기 FFT에 의해 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환된 OFDM 신호에 대하여 채널 추정을 수행하는 채널 추정부;
    상기 채널 추정부가 구한 채널 추정 값의 임펄스 응답을 계산하는 임펄스 응답 계산부;
    상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답을 이용하여 상기 FFT 윈도우의 위치를 조정하는 FFT 윈도우 조정부; 및
    상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답을 이용하여 상기 샘플링 주파수를 보정하는 샘플링 주파수 보정부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 OFDM 신호 동기화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    방송 시스템을 위한 것임을 특징으로 하는 OFDM 신호 동기화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 임펄스 응답 계산부는,
    상기 채널 추정부가 구한 채널 추정 값에 대해 FFT 또는 IFFT(Inverse FFT)를 수행하여 상기 채널 추정 값의 임펄스 응답을 계산하는 것임을 특징으로 하는 OFDM 신호 동기화 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 FFT 윈도우 조정부는,
    상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 미리 정해진 FFT 윈도우 시작 구간을 벗어난 곳에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 시작 구간에 위치하도록 상기 FFT 윈도우를 이동하는 것임을 특징으로 하는 OFDM 신호 동기화 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 FFT 윈도우 조정부는,
    상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답에서 피크의 개수가 미리 정해진 임계치 이상이면, 상기 샘플링된 OFDM 신호를 자기 상관(autocorrelation)하여 구한 결과 값에 의거하여 상기 FFT 윈도우의 위치를 조정하는 것임을 특징으로 하는 OFDM 신호 동기화 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 FFT 윈도우 시작 구간은,
    상기 복사 구간 중에서 상기 데이터 구간에 인접한 구간인 것임을 특징으로 하는 OFDM 신호 동기화 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 FFT 윈도우 시작 구간은 상기 데이터 구간에 이웃한 우측 구간, 상기 데이터 구간에서 가장 먼 곳에 위치한 좌측 구간 및 이들 구간 사이에 위치한 FFT 윈도우 목표 구간으로 구분되되,
    상기 샘플링 주파수 보정부는,
    상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 우측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간으로 이동하도록 샘플링 주파수를 높게 하고,
    상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 좌측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간으로 이동하도록 샘플링 주파수를 낮게 하는 것임을 특징으로 하는 OFDM 신호 동기화 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 FFT 윈도우 시작 구간은 상기 데이터 구간에 이웃한 우측 구간, 상기 데이터 구간에서 가장 먼 곳에 위치한 좌측 구간 및 이들 구간 사이에 위치한 FFT 윈도우 목표 구간으로 구분되되,
    상기 샘플링 주파수 보정부는,
    상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피 크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 우측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간에서 상기 우측 구간으로 이동하는데 걸린 시간에 비례하여 샘플링 주파수를 높게 하고,
    상기 임펄스 응답 계산부에서 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 좌측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간에서 상기 좌측 구간으로 이동하는데 걸린 시간에 비례하여 샘플링 주파수를 낮게 하는 것임을 특징으로 하는 OFDM 신호 동기화 장치.
  9. 외부로부터 수신된 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호에 대하여 샘플링을 수행하고, FFT(Fast Fourier Transform) 윈도우를 이용하여 상기 샘플링된 복사 구간과 데이터 구간을 포함하는 OFDM 신호에서 상기 복사 구간을 제거하며, 상기 복사 구간이 제거된 OFDM 신호에 대하여 FFT를 수행하는 OFDM 신호 동기화 방법에 있어서,
    상기 FFT에 의해 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환된 OFDM 신호에 대하여 채널 추정을 수행하는 (a) 단계;
    상기 채널 추정의 결과인 채널 추정 값의 임펄스 응답을 계산하는 (b) 단계; 및
    상기 계산한 임펄스 응답을 이용하여 상기 FFT 윈도우의 위치를 조정하거나 상기 샘플링 주파수를 보정하는 (c) 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 OFDM 신호 동기화 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    방송 시스템을 위한 것임을 특징으로 하는 OFDM 신호 동기화 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    상기 채널 추정의 결과인 채널 추정 값에 대해 FFT 또는 IFFT(Inverse FFT)를 수행하여 상기 채널 추정 값의 임펄스 응답을 계산하는 것임을 특징으로 하는 OFDM 신호 동기화 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 복사 구간은, 상기 데이터 구간에 이웃한 우측 구간, 상기 데이터 구간에서 가장 먼 곳에 위치한 좌측 구간 및 이들 구간 사이에 위치한 FFT 윈도우 목표 구간으로 구분되는 FFT 윈도우 시작 구간을 포함하되,
    상기 (c) 단계는,
    상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 시작 구간을 벗어난 곳에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 시작 구간에 위치하도록 상기 FFT 윈도우를 이동하고,
    상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 우측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간으로 이동하도록 샘플링 주파수를 높게 하며,
    상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 좌측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간으로 이동하도록 샘플링 주파수를 낮게 하는 것임을 특징으로 하는 OFDM 신호 동기화 방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 복사 구간은, 상기 데이터 구간에 이웃한 우측 구간, 상기 데이터 구간에서 가장 먼 곳에 위치한 좌측 구간 및 이들 구간 사이에 위치한 FFT 윈도우 목표 구간으로 구분되는 FFT 윈도우 시작 구간을 포함하되,
    상기 (c) 단계는,
    상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 시작 구간을 벗어난 곳에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 시작 구간에 위치하도록 상기 FFT 윈도우를 이동하고,
    상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 우측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간에서 상기 우측 구간으로 이동하는데 걸린 시간에 비례하여 샘플링 주파수를 높게 하며,
    상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 좌측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간에서 상기 좌측 구간으로 이동하는데 걸린 시간에 비례하여 샘플링 주파수를 낮게 하는 것임을 특징으로 하는 OFDM 신호 동기화 방법.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 복사 구간은, 상기 데이터 구간에 이웃한 우측 구간, 상기 데이터 구간에서 가장 먼 곳에 위치한 좌측 구간 및 이들 구간 사이에 위치한 FFT 윈도우 목표 구간으로 구분되는 FFT 윈도우 시작 구간을 포함하되,
    상기 (c) 단계는,
    상기 계산한 임펄스 응답에서 피크의 개수가 미리 정해진 임계치 이상이면, 상기 샘플링된 OFDM 신호를 자기 상관(autocorrelation)하여 구한 결과 값에 의거하여 상기 FFT 윈도우의 위치를 조정하고,
    상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 시작 구간을 벗어난 곳에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 시작 구간에 위치하도록 상기 FFT 윈도우를 이동하며,
    상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 우측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간으로 이동하도록 샘플링 주파수를 높게 하며,
    상기 계산한 임펄스 응답에서 첫 번째로 출력된 피크의 위치를 확인한 결과 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 좌측 구간에 위치한 것으로 판단되면, 상기 FFT 윈도우의 시작점이 상기 FFT 윈도우 목표 구간으로 이동하도록 샘플링 주파수를 낮게 하는 것임을 특징으로 하는 OFDM 신호 동기화 방법.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 OFDM 신호 동기화 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체.
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