KR20110067872A - Papr 저감 장치 및 papr 저감을 위한 직교 주파수 분할 다중화 시스템 - Google Patents
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Abstract
직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 시스템에서 최대전력 대 평균전력 비(Peak to Average Power Ratio, PAPR) 저감을 위한 PAPR 저감 장치가 개시된다. PAPR 저감 장치는 둘 이상의 변조 방식으로 복합 변조된 신호의 복합변조방식정보 및 평균 전압에 근거하여 PAPR 저감을 위한 클리핑 레벨을 결정하는 클리핑 레벨 결정부, 및 복합 변조된 신호를 결정된 클리핑 레벨로 클리핑하는 클리핑부를 포함한다. 이에 의해 복합변조방식에 적합한 클리핑 레벨을 설정할 수 있어, PAPR이 효과적으로 저감된다.
Description
직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 시스템에 관한 것으로, 특히 OFDM 신호의 PAPR(Peak to Average Power Ratio) 현상을 감소시키기 위한 기술에 관한 것이다.
시간영역 OFDM 신호는 독립적으로 변조된 많은 부반송파(sub-carrier)들로 구성된다. 이는 단일 반송파 시스템에 비해 우수한 장점들을 가진다. 그러나 반송파 신호가 동일한 위상으로 더해질 때 큰 크기의 신호가 발생하며, 이로 인해 PAPR이 크게 나타난다. 또한 N개의 부반송파 신호가 동일한 위상으로 더해지면 최대전력은 평균전력의 N배가 되며, 이로 인해 OFDM 시스템이 피크 전력까지 모두 수용하기 위해서는 OFDM 시스템의 아날로그 디지털 변환기(ADC)와 디지털 아날로그 변환기(DAC)의 복잡도가 증가하게 된다.
도 1은 전력증폭기의 입력에 대한 출력 그래프이다. 도 1을 보면, 전력증폭 기의 입력이 커짐에 따라 출력의 왜곡이 심해짐을 알 수 있다. 따라서 전력증폭기가 선형적으로 동작하도록 동작 영역을 백오프(back-off)시켜야 하나, 이로 인해 전력증폭기의 효율은 떨어지게 된다.
도 2는 피크를 가지는 입력에 대한 클리핑(clipping) 후 형태를 나타내는 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전력증폭기로 입력된 신호의 피크를 적당한 선에서 클리핑함으로써, 입력에 대하여 선형적 출력을 만들 수 있다. 그러나 이로 인해 원 신호의 왜곡이라는 PAPR 현상이 발생한다. 따라서 PAPR을 감소시키기 위한 기술이 요구된다.
종래, OFDM 신호를 시간영역에서 신호의 피크 값을 클리핑하고 왜곡신호에 대한 필터링을 함으로써, PAPR을 감소시키는 기술이 알려져 있다. 이 방식은 우선 시간 영역의 신호를 주파수 영역으로 변환하여 EVM(Error Vector Magnitude)을 만족하는지 확인하여 클리핑 레벨을 정해야 한다. 이를 위해서는 또 다른 하드웨어 자원이 필요로 된다. 그리고 EVM 측정 방식은 단일 변조 입력에 대한 측정치로써, 실제 둘 이상의 복합적인 변조 방식으로 변조된 신호에 대해서는 적합하지 않다.
둘 이상의 변조 방식으로 변조된 신호의 PAPR 현상을 감소시키기 위한 OFDM 시스템 및 PAPR 저감 장치를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 부가적인 하드웨어 자원을 사용하지 않고서도 클리핑 레벨을 정할 수 있는 OFDM 시스템 및 PAPR 저감 장치를 제공함을 목적으로 한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 PAPR 저감 장치는 둘 이상의 변조 방식으로 복합 변조된 신호의 복합변조방식정보 및 평균 전압에 근거하여 최대전력 대 평균전력 비(Peak to Average Power Ratio, PAPR) 저감을 위한 클리핑 레벨을 결정하는 클리핑 레벨 결정부, 및 변조된 신호를 결정된 클리핑 레벨로 클리핑하는 클리핑부를 포함한다. 나아가 클리핑부는 복소함수로 표현되는 변조된 신호를 크기와 위상으로 변환하는 크기 및 위상 변환부, 결정된 클리핑 레벨에 따라 크기를 저감하는 크기 저감부, 및 저감된 크기와 변환된 위상을 복소함수로 변환하는 복소함수 변환부를 포함한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 OFDM 시스템은 송신하고자 하는 신호를 둘 이상의 변조 방식으로 복합 변조하는 변조부, 복합 변조된 신호의 복합변조방식정보 및 평균 전압에 대응되는 클리핑 레벨로 클리핑하여 최대전력 대 평균전력 비(Peak to Average Power Ratio, PAPR)를 저감하는 PAPR 저감부를 포함한다.
본 발명은 복합변조방식에 적합한 클리핑 레벨을 설정할 수 있어 PAPR 저감에 효과적이다. 따라서 전력 증폭기의 효율을 높일 수 있다. 또한 상위 계층(MAC 계층)으로부터 전달되는 복합변조방식정보를 이용하여 클리핑 레벨을 설정하기 때문에, 기존에서와 같이 클리핑 레벨 설정을 위해 부가적인 하드웨어 자원을 필요로 하지 않는다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 단일변조방식에 대응되는 클리핑 전압 변화에 따른 비트에러율(Bit Error Rate, BER) 그래프이다.
단일변조방식으로 변조된 신호에 대하여 클리핑 전압을 달리하면서 측정된 BER 값을 나타낸다. QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)의 경우, BER을 10-2에 요구되는 클리핑 전압은 대략 0.013V 정도이다. 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)의 경우, BER을 10-2에 요구되는 클리핑 전압은 대략 0.028V 정도이다. 그리고 64QAM의 경우, BER을 10-2에 요구되는 클리핑 전압은 대략 0.038V 정도이다. 즉, 변조 방식이 복잡할수록 클리핑 전압이 높아진다.
도 4는 복합변조방식에 대응되는 클리핑 전압 변화에 따른 비트에러율 그래프이다.
복합변조방식으로 변조된 신호에 대하여 클리핑 전압을 달리하면서 측정된 BER 값을 나타낸다. 복합변조방식(QPSK + 16QAM)의 경우, BER을 10-2에 요구되는 클리핑 전압은 대략 0.034V 정도이다. 복합변조방식(QPSK + 64QAM)의 경우, BER을 10-2에 요구되는 클리핑 전압은 대략 0.043V 정도이다. 복합변조방식(16QAM + 64QAM)의 경우, BER을 10-2에 요구되는 클리핑 전압은 대략 0.044V 정도이다. 그리고 복합변조방식(QPSK + 16QAM + 64QAM)의 경우, BER을 10-2에 요구되는 클리핑 전압은 대략 0.047V 정도이다. 즉, 복합변조방식 또한 단일변조방식의 경우와 마찬가지로 변조 방식이 복잡할수록 클리핑 전압이 높아진다.
그리고 단일변조방식(64QAM)과 복합변조방식(QPSK + 16QAM)의 경우를 비교하면, 복합변조방식(QPSK + 16QAM)에 요구되는 클리핑 전압이 단일변조방식(64QAM)에 요구되는 클리핑 전압이 더 높음을 확인할 수 있다. 이는 복합변조방식이 단일변조방식에 비해 반드시 더 높은 클리핑 전압을 요구하지 않음을 의미한다. 즉, 클리핑 전압은 한번에 변조시킬 수 있는 비트 수가 많은 더 변조 방식일 경우 더 높아진다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PAPR 저감을 위한 OFDM 시스템 블록도이다.
OFDM 시스템은 변조부(500), PAPR 저감부(510), 및 송신부(520)를 포함한다. 변조부(500)는 송신하고자 하는 신호를 둘 이상의 변조 방식으로 변조한다. 도시된 바와 같이, 변조부(500)는 복합 변조부(501), 병렬화부(502), 역 고속 푸리에 변환부(503), 및 직렬화부(504)를 포함한다. 복합 변조부(501)는 입력된 디지털 신호를 둘 이상의 변조 방식을 이용하여 변조한다. 일 실시예에 있어서, 복합 변조부(501)는 QPSK, 16QAM, 64QAM 변조 방식을 둘 이상 혼합하여 신호를 변조한다. 복합 변조부(501)의 복합변조방식 정보는 상위 계층(MAC 계층)에서 전달되며, 복합 변조부(501)는 전달된 복합변조방식 정보에 따라 입력 신호를 복합 변조한다. 병렬화부(502)는 복합 변조된 디지털 신호를 저속의 병렬 디지털 신호들로 병렬화한다.
역 고속 푸리에 변환부(503)는 병렬화된 주파수 영역의 디지털 신호들을 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)하여 시간 영역의 디지털 신호들로 변환한다. 또한 본 발명의 일 양상에 따른 역 고속 푸리에 변환부(503)는 IFFT 연산 단위에 해당하는 복소수 출력에 대하여 평균 전압을 산출한다. 그리고 역 고속 푸리에 변환부(503)는 상위 계층으로부터 변조부(500)로 전달된 복합변조방식 정보와 산출된 평균 전압을 PAPR 저감부(510)로 전달한다. 직렬화부(504)는 역 고속 푸리에 변환부(503)에 의해 IFFT 변환된 병렬 디지털 신호들을 직렬 디지털 신호로 직렬화한다.
PAPR 저감부(510)는 직렬화부(504)로부터 출력된 OFDM 디지털 신호를 클리핑하여 PAPR을 저감한다. 본 발명의 일 양상에 따른 PAPR 저감부(510)는 복합 변조 된 OFDM 신호를 그 복합변조방식 정보와 변조 신호의 평균 전압에 대응되는 클리핑 레벨로 클리핑함으로써, PAPR을 저감한다. 송신부(520)는 RF 구성으로서, PAPR 저감부에 의해 PAPR이 저감된 OFDM 신호를 디지털 아날로그 변환부(DAC)(521)를 통해 아날로그화하고, 전력증폭기(Power Amplifier, PA)(522)를 통해 전력 증폭한 후 송신한다. 이하 PAPR 저감부(510)에 대해 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PAPR 저감부의 상세 블록도이다.
OFDM 시스템을 구성하는 PAPR 저감부(510)는 본 특허청구범위에서의 PAPR 저감 장치와 동일하다. 이 PAPR 저감부(510)는 클리핑 레벨 결정부(620), 클리핑부(600), 및 필터링부(610)를 포함한다. 클리핑 레벨 결정부(620)는 변조부(500)에 의해 변조된 OFDM 신호의 복합변조방식정보 및 평균전압에 근거하여 PAPR 저감을 위한 클리핑 레벨을 결정한다. 본 발명의 일 양상에 따라 클리핑 레벨 결정부(620)는 역 고속 푸리에 변환부(503)로부터 복합변조방식정보 및 평균전압을 전달받고, 전달된 복합변조방식정보 및 평균전압에 근거하여 클리핑 레벨을 결정한다. 여기서 복합변조방식정보를 구성하는 각 단일변조방식의 점유율은 중요하지 않다. 즉, 64QAM(80%) + 16QAM(20%) 복합변조방식과 64QAM(50%) + 16QAM(50%)의 복합변조방식을 비교하면, 그 변조방식은 동일하고 점유율을 다르지만, 복합변조방식에 따른 클리핑은 클리핑 범위 내에서 이루어지므로 변조방식의 정확한 점유율에 대한 정보는 필요 없다.
이하, 클리핑 레벨 결정부(620)가 클리핑 레벨을 결정하는 방법에 대해 설명한다. 우선 클리핑 레벨 결정부(620)는 단일변조 클리핑 전압을 결정한다. 여기 서 단일변조 클리핑 전압이라 함은 복합변조방식을 구성하는 단일변조방식들 중 단일변조로 나타낼 수 있는 정보의 수가 가장 많은 변조방식의 최저 클리핑 전압을 말한다. 예를 들어, 복합변조방식이 QPSK + 16QAM인 경우, 클리핑 레벨 결정부(620)는 16QAM의 BER 10-3을 만족하는 클리핑 전압을 단일변조 클리핑 전압으로 결정한다. 그 다음, 클리핑 레벨 결정부(620)는 수학식 1을 이용하여 상위경계인 복합변조 클리핑 전압을 결정한다.
Vrms는 역 고속 푸리에 변환부(503) 출력에 대한 평균전압을 나타내고, 복합변조 입력에 대한 역 고속 푸리에 변환시 쉽게 연산 가능하며, PAPR 저감부(510)로 전달된다. C(0 < C < 1)는 상수로서 복합변조 클리핑 전압이 상위의 단일변조 클리핑 전압보다 크지 않도록 한다. 즉, 복합변조방식이 QPSK + 16QAM인 경우, 이 복합변조 클리핑 전압이 64QAM에 해당하는 클리핑 전압보다 크지 않도록 C 값을 정하는 것이다. SMI(Single Modulation Information)는 단일 변조로 나타낼 수 있는 정보의 수를 나타내며 QPSK일 경우 4, 16QAM일 경우 16, 및 64QAM일 경우 64가 된다. MMI(Multi Modulation Information)는 복합변조로 단일 변조의 조합이 되며 단일 변조 정보의 수를 모두 더한 것을 나타낸다. 예를 들어 QPSK + 16QAM인 복합변조 방식인 경우 20(= 4 + 16)으로 나타낼 수 있으며, 16QAM + 64QAM인 복합변조 방식인 경우 80(= 16 + 64)가 된다. 수학식 1의 복합변조 클리핑 전압은 선형성이 보장되는 전력 증폭기가 허용할 수 있는 범위 내에서 결정이 되어야 함은 물론이다.
예로써 복합변조방식이 QPSK + 16QAM인 경우, BER 10-3을 만족하는 단일변조 클리핑 전압은 대략 0.032V이고, 이때 역 고속 푸리에 변환부(503)에서 제공되는 Vrms는 0.0192V 이며, C 값을 0.3으로 잡으면, 수학식 1에 의하여 복합변조 클리핑 전압 = 0.032 + 0.3*(0.0192)*(20/16) = 0.038V가 된다. 그리고 이렇게 결정된 0.038V는 도 4를 통해 확인되는 바와 같이 BER 10-3을 만족한다. 복합변조 클리핑 전압이 구해지면, 클리핑 레벨 결정부(620)는 단일변조 클리핑 전압보다는 크고 복합변조 클리핑 전압보다는 작은 범위를 클리핑 레벨로 결정한다.
한편, 복합변조방식정보와 평균전압별로 대응되는 클리핑 레벨이 룩업 테이블로 사전에 구축되어 있을 수 있다. 즉, 복합변조방식정보와 평균전압별로 대응되는 클리핑 레벨이 위와 같은 과정을 통해 결정된 다음, 사전에 룩업 테이블로 구축되는 것이다. 따라서 이 경우, 클리핑 레벨 결정부(620)는 복합변조방식정보와 평균전압에 대응하는 클리핑 레벨을 룩업 테이블을 통해 확인하여 결정할 수도 있다.
클리핑부(600)는 변조부(500)로부터 출력된 OFDM 신호를 입력받고, 입력된 OFDM 신호를 클리핑 레벨 결정부(620)에서 결정된 클리핑 레벨로 클리핑한다. 즉, 복합변조 클리핑 전압보다 높은 OFDM 신호의 피크 전압을 단일변조 클리핑 전압과 복합변조 클리핑 전압 사이로 비선형 클리핑한다. 일 실시예에 있어서, 클리핑 부(600)는 복합변조 클리핑 전압보다 높은 OFDM 신호의 피크 전압에 비례하여 비선형 클리핑함으로써, 수학식 2를 만족하도록 한다.
여기서 C´ 값은 클리핑된 피크 전압이 클리핑 레벨 범위에 들어올 수 있도록 정해진다. 클리핑부(600)는 로그 함수를 이용하여 OFDM 신호의 피크 전압을 비선형 클리핑함으로써, 결과적으로 OFDM 신호의 피크 전압에 비례하여 클리핑되는 결과를 얻을 수 있다. 위와 같이 범위를 두면서 클리핑하면 단순 클리핑에 의한 고주파 성분을 줄이는 효과가 있다. 만약 클리핑 레벨 이하의 OFDM 신호가 입력되면, 클리핑부(600)는 OFDM 신호를 바이패스 시킨다. 그리고 필터링부(610)는 클리핑부(600)의 클리핑에 의해 발생된 대역외 스펙트럼 성분을 필터링하여 제거한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 클리핑부의 상세 블록도이다.
클리핑부(600)는 크기 및 위상 변환부(700), 크기 저감부(710), 및 복소함수 변환부(720)를 포함한다. 크기 및 위상 변환부(700)는 직렬화부(504)로부터 출력된 OFDM 신호를 입력받는다. 크기 및 위상 변환부(700)는 복소함수로 되어 있는 OFDM 신호를 크기와 위상으로 변환한다. 크기 저감부(710)는 클리핑 레벨을 초과하는 크기를 클리핑 레벨에 속하도록 저감한다. 일 실시예에 있어서, 크기 저감부(710)는 로그함수를 사용하여 크기를 저감한다. 이는 원래 크기에 비례하여 저감되도록 하기 위함이다. 복소함수 변환부(720)는 크기 저감부(710)로부터 출력된 크기와 크기 및 위상 변환부(700)로부터 출력된 위상을 입력받아서 다시 복소함수 로 변환한 후 출력한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 전력증폭기의 입력에 대한 출력 그래프.
도 2는 피크를 가지는 입력에 대한 클리핑 후 형태를 나타내는 그래프.
도 3은 단일변조방식에 대응되는 클리핑 전압 변화에 따른 비트에러율 그래프.
도 4는 복합변조방식에 대응되는 클리핑 전압 변화에 따른 비트에러율 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PAPR 저감을 위한 OFDM 시스템 블록도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PAPR 저감부의 상세 블록도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 클리핑부의 상세 블록도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
510 : PAPR 저감부 600 : 클리핑부
610 : 필터링부 620 : 클리핑 레벨 결정부
700 : 크기 및 위상 변환부 710 : 크기 저감부
720 : 복소함수 변환부
Claims (10)
- 둘 이상의 변조 방식으로 복합 변조된 신호의 복합변조방식정보 및 평균 전압에 근거하여 최대전력 대 평균전력 비(Peak to Average Power Ratio, PAPR) 저감을 위한 클리핑 레벨을 결정하는 클리핑 레벨 결정부; 및상기 복합 변조된 신호를 상기 결정된 클리핑 레벨로 클리핑하는 클리핑부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PAPR 저감 장치.
- 제1항에 있어서,상기 클리핑 레벨 결정부는 상기 신호를 복합 변조한 변조부로부터 상기 복합변조방식정보 및 평균 전압을 수신함을 특징으로 하는 PAPR 저감 장치.
- 제1항에 있어서,상기 클리핑부는 로그 함수를 이용하여 비선형 클리핑함을 특징으로 하는 PAPR 저감 장치.
- 제1항에 있어서,상기 클리핑에 의한 대역외 스펙트럼 성분을 필터링하는 필터링부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PAPR 저감 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 클리핑부는 :복소함수로 표현되는 상기 복합 변조된 신호를 크기와 위상으로 변환하는 크기 및 위상 변환부;상기 결정된 클리핑 레벨에 따라 상기 크기를 저감하는 크기 저감부; 및상기 저감된 크기와 상기 변환된 위상을 복소함수로 변환하는 복소함수 변환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 최대전력 대 평균전력 비 저감 장치.
- 송신하고자 하는 신호를 둘 이상의 변조 방식으로 복합 변조하는 변조부;상기 복합 변조된 신호의 복합변조방식정보 및 평균 전압에 대응되는 클리핑 레벨로 클리핑하여 최대전력 대 평균전력 비(Peak to Average Power Ratio, PAPR)를 저감하는 PAPR 저감부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PAPR 저감을 위한 직교 주파수 분할 다중화 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 변조부는 :둘 이상의 변조 방식으로 신호를 복합 변조하는 복합 변조부;상기 복합 변조된 신호를 병렬화하는 병렬화부;상기 부반송파 단위로 병렬화된 신호를 역 고속 푸리에 변환하며, 상기 복합변조방식정보와 상기 병렬화된 신호의 평균 전압을 상기 PAPR 저감부로 전달하는 역 고속 푸리에 변환부; 및상기 역 고속 푸리에 변환된 병렬 신호를 직렬화하는 직렬화부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PAPR 저감을 위한 직교 주파수 분할 다중화 시스템.
- 제7항에 있어서, 상기 PAPR 저감부는 :상기 역 고속 푸리에 변환부로부터 전달된 상기 복합변조방식정보와 상기 평균 전압에 근거하여 클리핑 레벨을 결정하는 클리핑 레벨 결정부; 및상기 직렬화된 변조 신호를 상기 결정된 클리핑 레벨로 클리핑하는 클리핑부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PAPR 저감을 위한 직교 주파수 분할 다중화 시스템.
- 제8항에 있어서, 상기 PAPR 저감부는 :상기 클리핑에 의한 대역외 스펙트럼 성분을 필터링하는 필터링부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PAPR 저감을 위한 직교 주파수 분할 다중화 시스템.
- 제8항에 있어서, 상기 클리핑부는 :복소함수로 표현되는 상기 변조된 신호를 크기와 위상으로 변환하는 크기 및 위상 변환부;상기 결정된 클리핑 레벨에 따라 상기 크기를 저감하는 크기 저감부; 및상기 저감된 크기와 상기 변환된 위상을 복소함수로 변환하는 복소함수 변환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PAPR 저감을 위한 직교 주파수 분할 다중화 시스템.
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KR20180092156A (ko) | 2017-02-08 | 2018-08-17 | 박철민 | 야외용 무선 랜턴 |
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2009
- 2009-12-15 KR KR1020090124647A patent/KR20110067872A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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