KR0134327B1 - 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 송수신장치 - Google Patents

격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 송수신장치

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KR0134327B1
KR0134327B1 KR1019930024754A KR930024754A KR0134327B1 KR 0134327 B1 KR0134327 B1 KR 0134327B1 KR 1019930024754 A KR1019930024754 A KR 1019930024754A KR 930024754 A KR930024754 A KR 930024754A KR 0134327 B1 KR0134327 B1 KR 0134327B1
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Abstract

본 발명은 대역폭의 증가없이도 성능을 개선하는 격자부호변조기법과 전송효율이 양호하고 비교적 구조가 간단한 잔류측대역 전송방식을 결합한 디지탈 송수신장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 송신장치는 송신신호를 에러정정비트가 하나 더 포함된 비트열로 만들어 각 비트신호에 해당하는 진폭레벨로 변환하는 TCM부호화부와, 그 출력신호를 진폭변조하는 변조기 및 변조기의 출력신호를 잔류측대역신호로 만드는 VSB필터로 구성된다. 또한 본 발명의 수신장치는 수신신호로 변조주파수와 같은 정현파를 곱하여 저역성분만을 통과시킴으로써 원래의 신호를 검파하는 동기복조기 및 저역통과필터와, 검파된 신호를 양자화하고 비터비복호방식에 의해 복호화된 신호비트열을 출력하는 TCM복호화부를 구비하게 된다. 그러므로 대역폭을 증가시키지 않고도 신호간의 최소거리를 증가시켜 전송시스템의 성능을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 송수신장치
제 1도는 4레벨 잔류측대역 전송을 하는 종래의 디지탈 송수신장치에서의 신호매핑상태를 보인 예시도.
제 2도는 본 발명의 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 송수신장치의 전체 구성도로서, (가)는 송신장치이고, (나)는 수신장치이다.
제 3도는 제 2도에서 TCM부호화부의 일예를 보인 구성도.
제 4도는 제 3도에서 길쌈부호화부의 일예를 보인 구성도.
제 5도는 제 2도에서 8레벨 매퍼의 신호배열상태를 보인 예시도.
제 6도는 제 2도의 VSB필터 특성그래프.
제 7도는 제 2도에서 TCM복호화부의 일예를 보인 구성도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : TCM부호화부,12 : 길쌈부호화부,
13 : 매퍼,20 : 변조기,
30 : VSB필터,40 : 동기복조기,
50 : 저역통과필터,60 : TCM복호화부,
61 : 양자화부,62 : 비터비복호화부
본 발명은 간단한 구조의 디지탈 전송장치에 관한 것으로, 특히 대역폭의 증가없이도 성능을 개선하는 격자부호변조(Trellis Coded Modulation:TCM)기법과 전송효율이 양호하고 비교적 구조가 간단한 잔류측대역(Vestigial Side Band:VSB) 전송 방식을 결합하여 부호화 이득을 향상시킬 수 있도록 한 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 송수신장치에 관한 것이다.
일반적으로 디지탈 모뎀이나 위성 통신등과 같은 데이터 통신 및 전송 분야에서의 통신 시스템 및 통신 네트워크 뿐만아니라 고화질 텔레비젼 신호의 전송에도 디지탈 변조를 사용할만큼 디지탈 신호 처리 및 전송 기술이 발달하고 있다. 이러한 디지탈 전송 방식은 높은 속도로 디지탈 데이터를 신뢰성있게 전달할 수 있도록 하는 것으로, 아날로그 전송 방식에 비하여 전송 전력이 적게 소요되는 장점이 있는 반면, 전송시 채널상에서 부과되는 잡음의 영향으로 전송 데이터에 에러가 발생하는 경우 데이터 전송 시스템에 치명적인 영향을 미칠 수 있는 단점이 있다.
이와 같은 단점을 해결하기 위하여 종래의 디지탈 전송시스템에서는 에러 정정 부호를 부가하기도 하고, 격자 부호 변조(TCM)라는 기법을 도입하기도 한다. 여기서, 격자 부호 변조란, 변조 기법과 에러 정정 부호화(Error Correcting Coding)를 결합한 것으로, 전송대역이 제한된 시스템에서 대역폭을 증가시키지 않고도 부호화되지 않았을 때보다 상당히 높은 전력 이득을 갖도록 하고, 아울러 신호대 잡음비(SNR)를 개선하기 위해 사용되는 것이다.
또한 디지탈 통신의 경우에는 전송되는 신호의 비트율(bit rate)이 높기 때문에 제한된 채널의 대역폭으로 신호를 전송하기 위해서는 대역폭을 효율적으로 전송하기 위한 방식을 사용해야만 한다. 미국형 HD-TV방식으로 제안된 여러 방식중 제니스(Zenith)사와 ATT사가 제안한 DSC-HDTV(Digital Spectrum Compatible High Definition TV)방식은 전송방식으로 4레벨과 2레벨을 갖는 잔류측대역(VSB) 전송방식을 사용하여 최대 21Mbits/sec의 신호를 5.38MHz의 대역폭을 가지도록하여 일반적인 TV신호의 대역폭인 6MHz내의 신호로 전송하고 있다.
제 1도는 격자부호변조기법을 사용하지 않고 4레벨 잔류측대역 전송만 하는 종래의 디지탈 송수신장치에서의 신호매핑의 일예를 나타낸 것으로, 매퍼(Mapper)에 입력된 2진 데이터값(00, 01, 10, 11)에 따라 진폭레벨이 -3, -1, 1, 3인 4레벨중에서 하나의 값이 선택되어 출력된다.
그러나 이러한 잔류측대역을 이용한 전송방식은 신호의 평균에너지가 작아 전송전력이 적게 소모되는 장점이 있는 반면, 신호와 신호간의 최소거리가 작으므로 잡음의 영향으로 전송에러가 발생할 확률이 높게 된다. 그러므로 평균에너지와 최소거리에 의해 구해지는 부호화이득(coding gain)이 저하되어 디지탈 전송시스템의 성능을 떨어뜨리게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 잔류측대역 전송방식에 격자부호변조기법을 결합하여 대역폭을 증가시키지 않고도 신호와 신호간의 최소거리를 증가시킴으로써 부호화 이득을 향상시키고 디지탈 전송시스템의 성능을 개선할 수 있도록 한 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 송수신장치를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 송신장치는 송신하고자 하는 신호비트열을 에러정정비트가 하나 더 포함된 소정갯수의 비트열로 만들고, 설정된 갯수의 진폭레벨중에서 상기 각 비트신호에 해당하는 레벨을 선택하여 아날로그신호화하는 TCM부호화부를 구비하고 있다. 상기 TCM부호화부의 출력신호는 변조기로 인가되고, 상기 변조기는 입력신호를 소정주파수의 반송파로 진폭변조한다. 상기 변조기의 출력단은 VSB필터에 연결되고, VSB필터는 진폭변조된 양측대역신호중 각 측대파의 일부만을 통과시켜 잔류측대역신호를 채널을 통해 전송하게 된다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 수신장치는 채널을 통해 수신된 신호에 송신장치의 반송파주파수와 같은 정현파를 곱하여 복조하는 동기복조기와, 상기 동기복조기의 출력신호중에서 저역성분만을 통과시켜 고조파성분을 제거한 원래의 신호를 검파하는 저역통과필터를 구비하고 있다. 상기 저역통과필터의 출력단에는 TCM복호화부가 연결되어 검파된 신호를 양자화하고 비터비 알고리즘에 의해 복호화된 신호비트열을 출력하게 된다.
이하, 첨부된 제2도 내지 제7도를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
제 2도는 본 발명의 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 송수신장치의 전체 구성도로서, (가)는 송신장치이고, (나)는 수신장치이다. 도시된 바와 같이, 디지탈 송신장치는 입력된 신호비트열[x(n)]을 에러정정비트가 포함된 n+1개의 비트열로 만들고, 2n+1개의 진폭레벨중에서 상기 각 n+1비트신호에 해당하는 레벨을 선택하여 아날로그신호화하는 TCM부호화부(10)를 구비하고 있다. 상기 TCM부호화부(10)의 출력신호[f(t)]는 변조기(20)로 인가되고, 상기 변조기(20)는 입력신호[f(t)]를 소정주파수(ωc)의 반송파로 진폭변조한다. 상기 변조기(20)의 출력단은 VSB필터(30)에 연결되고, VSB필터(30)는 진폭변조된 양측대역(DSB)신호중 각 측대파의 일부만을 통과시켜 잔류측대역(VSB)신호[z(t)]를 채널을 통해 전송한다.
한편, 제 2도의 (나)에 도시된 디지탈 수신장치는 채널을 통해 수신된 [z(t)]에 송신장치의 발송주파수(ωc)와 같은 정연파를 곱하여 복조하는 동기복조기(40)와, 상기 동기복조기(40)의 출력신호중에서 저역성분만을 통과시켜 고조파성분을 제거한 원래의 신호[f'(t)]를 검파하는 저역통과필터(50)를 구비하고 있다. 상기 저역통과필터(50)의 출력단에는 TCM복호화부(60)가 연결되어 검파된 신호[f'(t)]를 양자화하고 비터비(viterbi)알고리즘에 의해 복호화된 비트열[x'(n)]을 출력하게 된다.
제 3도는 상기와 같이 구성된 본 발명의 디지탈 송수신장치에서 TCM부호화부의 일예를 보인 구성도이다. 상기 TCM부호화부(10)는 직렬로 입력되는 신호비트열[x(n)]을 n개의 비트열로 분리하는 직렬/병렬 변환부(11)를 구비한다. 상기 직렬/병렬 변환부(11)의 출력단에는 길쌈부호화부(Convolutional Encoder;12)가 연결되고, 길쌈부호화부(12)는 m개의 비트열을 입력받아 에러정정비트가 포함된 m+1개의 비트열로 만든다. 상기 직렬/병렬 변환(11)와 길쌈부호화부(12)의 출력단에는 매퍼(13)가 연결되어, 2n+1개의 진폭레벨중에서 입력된 n+1개의 비트신호에 해당하는 하나의 레벨을 선택하여 출력하게 된다. 여기서, 제 2도의 예는 n=2, m=1일 경우를 나타낸다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 TCM부호화부는 신호비트열[x(n)]이 입력되면, 직렬/병렬 변환부(11)에서 직렬로 입력되는 비트열로부터 2비트를 2개의 비트(x1)(x2)로 분리하여 이중 하나의 비트(x1)는 매퍼(13)로 출력하고, 다른 하나의 비트(x2)는 길쌈부호화부(12)로 출력한다. 길쌈부호화부(12)에서는 상기 1비트신호(x2)를 입력받아 에러정정비트가 포함된 2개의 비트신호(y1)(y2)로 만든 후 매퍼(13)로 출력한다.
제 4도는 상기 길쌈부호화부의 일예를 보인 구성도로서, 이 길쌈부호화부는 2개의 출력비트(y1)(y2)를 생성하기 위해 1개의 비트(x2)를 입력받고 2개의 기억소자(12A)(12B)를 가지므로 (2,1,2)길쌈부호화기로 표시된다. 이 길쌈부호화부(12)는 1비트(x2)의 정보를 가지는 구획이 현재뿐만 아니라 기억소자 (12A)(12B)에 저장된 과거의 구획에 의해서도 에러정정구획이 생성된다. 제 4도의 예에서는 입력신호(x2)를 기억소자(12A)(12B)를 이용해 지연시키고, 가산기(12C)에서는 원래의 입력신호(x2)와 상기 기억소자(12B)의 출력신호를 더하여 출력신호(y1)를 만들었으며, 다른 가산기(12D)에서는 입력신호(x2)와 기억소자(12A)(12B)의 출력신호를 모두 더하여 출력신호(y2)를 만들었다. 그러나 상기 기억소자(12A)(12B)와 가산기 (12C)(12D)의 연결구성을 다르게 할 수도 있으며, 기억소자의 개수를 증가시킬수록 부호화기의 성능은 향상되나 이를 복호화하는 수신장치의 구성이 복잡해지게 된다.
상기 길쌈부호화부(12)에서 출력된 2비트신호(y1)(y2)는 직렬/병렬 변환부(11)에서 출력된 1비트신호(x1)와 함께 매퍼(13)로 인가된다. 매퍼(13)는 다음단의 진폭변조를 위해 입력된 디지탈신호를 아날로그신호로 변환하게 된다. 이때 2n+1개의 진폭레벨중에서 하나를 선택하는데, 본 실시예에서는 n=2이므로 8개의 진폭레벨중에서 입력신호(x1,y1,y2)에 해당하는 하나의 레벨을 선택하여 출력하게 된다.
제5도는 제2도에 구성된 8레벨 매퍼의 신호배열의 일예를 나타낸 것으로, 상기 매퍼(13)에 입력된 2진데이타(x1,y1,y2)는 그값(010,011,001,000,110,111,101,100)에 따라 진폭레벨이 -7,-5,-3,-1,3,5,7인 8레벨중에서 하나의 값으로 변환되어 출력된다.
상기와 같이 동작하는 TCM부호화부(10)에서 출력된 신호[f(t)]는 변조기(20)로 인가되고, 변조기(20)는 상기 입력신호[f(t)]에 소정주파수(wc)의 반송파〔cos(ωct)〕를 곱하여 진폭변조한다. 이때 진폭변조된 신호[fc(t)=f(t)cos(ωct)]를 푸리에(Fourier)변환하면, Fc(ω)=[F(ω-ωc)+F(ω+ωc)]1/2이므로 상기 변조기(20)의 출력신호는 반송파주파수(-ωc)(ωc)주위에 생긴 양측대역(DSB)신호가 된다. 이 양측대역신호는 VSB필트(30)로 인가되어 잔류측대역(VSB)신호로 만들어지는데, 상기 VSB필터(30)는 제 6도의 VSB필터 특성그래프에 나타낸 바와 같이, 반송파주파수(-ωc)(ωc) 주위의 필터 컷오프(cut-off)특성이 상보대칭(complementary symmetry)의 특성을 갖는 필터이다. 이 VSB필트(30)는 입력된 양측대역신호중에서 한쪽측대파의 일부와 다른측대파의 일부만을 통과시켜 채널로 전송하게 되고, 이와 같이 잔류측대역의 신호를 전송하게 되면 양측대역신호를 전송할때보다 채널의 대역폭을 적게 사용하면서도 수신측에서 원래의 신호를 복원할 수 있다.
채널을 통과하여 디지탈 수신장치에 수신된 신호[z'(t)]는 동기복조기(40)로 인가되는데, 상기 동기복조기(40)는 상기 입력신호[z'(t)]에 송신장치의 반송파주파수(ωc)와 같은 정현파[cos(ωct)]를 곱하여 복조하게 된다. 이때 상기 동기복조기(40)의 출력신호를 수식으로 표시하면, fc(t)×Kcosωct = f(t)cosωct×Kcosωct=Kf(t)cos2ωct = K/2(1+cos2ωct)f(t)로 표시되고, 이 신호를 푸리에변환하면 2ωc의 주파수를 중심으로 한 제2고조파성분이 나타나게 된다. 그러므로 상기 동기복조기(40)의 출력신호를 저역통과필터(50)에 인가하여 저역성분만을 통과시키면 상기 제2고조파성분이 제거되어 원래의 신호[f'(t)]를 얻을 수 있게 된다. 저역통과필터(50)의 출력신호는 TCM복호화부(60)로 인가되고, 여기서 양자화된 후 비터비 알고리즘에 의해 복호화되어 복원된 신호비트열[x'(n)]이 출력된다.
제 7도는 상기 TCM복호화부의 일예를 보인 구성도이다. 도시된 바와 같이, 상기 TCM복호화부(60)는 저역통과필터(50)에 의해 검파된 신호[f'(t)]를 양자화하는 양자화부(61)와, 양자화부(61)의 출력신호를 길쌈부호에 대한 비터비알고리즘에 따라 복호화하여 신호비트열[x'(n)]을 출력하는 비터비복호화부(62)로 구성된다.
이와 같이 구성된 TCM복호화부의 동작을 설명하면, 양자화부(61)는 입력신호[f'(t)]를 양자화할 때 기존과 같이 레벨과 레벨 사이에 하나의 결정임계값(decision threshold)을 두는 하드(hard)결정을 행하여 비터비 복호화할 수도 있다. 그러나 본 발명에서는 입력신호[f'(t)]를 좀더 세분화된 값으로 양자화할 수 있도록 레벨과 레벨 사이에 수개의 결정임계값을 두는 소프트(soft)결정을 행함으로써 2dB정도의 성능개선을 얻을 수 있다.
양자화부(61)에서 출력된 신호는 비터비복호화부(62)로 인가되어 최종적으로 복호화된 비트열[x'(n)]이 출력된다. 상기 비터비복호화부(62)는 공지된 비터비 알고리즘을 이용하는데, 격자 다이어그램에서 각 상태에 입력되는 통로(path)중 거리(distance)가 가장 작은 경로를 선택하는 과정을 반복적으로 수행하여, 전체적으로 거리가 최소인 경로를 찾는다. 이때 일반적인 길쌈부호에 대한 비터비복호화와는 달리 입력된 값과 통로에 기억된 값의 차인 메트릭(metric)이 기존의 해밍(hamming)거리가 아닌 기하학적인(Euclidean) 거리이며, 하나의 기지(branch)에 2개의 병렬통로가 존재한다.
상기와 같이 동작하는 본 발명의 디지탈 송수신장치와 종래방식에 의한 송수신장치의 성능을 비교하여 보면, 제 1도에 도시된 4레벨 잔류측대역 전송만을 하는 종래의 신호매핑예에서는 신호의 평균에너지(Ev)가 Ev=((-3)12+(-1)12+12+32)/4=5이고, 신호간의 최소거리(dmin)는 2가 된다. 이에 반하여 제 5도에 도시된 것과 같이 격자부호변조기법을 사용하고 8레벨 잔류측대역 전송을 하는 본 발명의 신호매핑예에서는 신호의 평균에너지(Evt)가 Evt=2(12+32+52+72)/8=21로서 평균에너지가 증가된다. 그러나 최소거리(dfree)는 6이 되므로 격자부호변조기법을사용함으로써얻어지는본발명의부호화 이득(G)은 G=10log(((dfree)2/(dmin)2)/(Evt/Ev))=3.46dB 가 되어 격자부호변조기법을 사용하지 않았을 경우에 비해 본 발명의 디지탈 송수신장치에서는 성능의 향상을 얻을 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명은 잔류측대역 전송방식에 격자부호변조기법을 결합하여 대역폭을 증가시키지 않고도 신호와 신호간의 최소거리를 증가시키므로 부호화 이득을 향상시켜 디지탈 전송시스템의 성능을 개선할 수 있음은 물론, 구조면에서도 간단하게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 송신하고자 하는 신호비트열을 에러정정비트가 하나더 포함된 소정갯수의 비트열로 만들고, 설정된 갯수의 진폭레벨중에서 상기 각 비트신호에 해당하는 레벨을 선택하여 아날로그신호화하는 TCM부호화부와; TCM부호화부의 출력신호를 소정주파수의 반송파로 진폭변조하는 변조기와; 변조기에서 출력된 양측대역신호중 각 측대파의 일부만을 통과시켜 잔류측대역신호를 채널을 통해 전송하는 VSB필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 송신장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 TCM부호화부는 직렬로 입력되는 신호비트열을 소정 갯수의 비트열로 분리하는 직렬/병렬 변환부와; 직렬/병렬 변환부의 출력신호중에서 일부의 비트열을 입력받아 에러정정비트가 하나 더 포함된 비트열로 만드는 길쌈부호화부와; 사전 설정된 개수의 진폭레벨중에서 상기 직렬/병렬 변환부와 길쌈부호화부에서 출력된 비트신호에 해당하는 하나의 레벨을 선택하여 출력하는 매퍼로 구성하는 것을 특징으로 하는 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 송신장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 길쌈부호화부는 서로 직렬연결되어 직렬/병렬 변환부의 출력신호중 일부비트신호를 입력받아 소정시간동안 지연시키는 다수개의 기억소자와; 상기 직렬/병렬 변환부로부터의 입력신호와 상기 기억소자들의 출력신호를 모두 더하여 1비트신호를 만드는 제1가산기와; 상기 직렬/병렬 변환부로부터의 입력신호와 최종적으로 연결된 기억소자의 출력신호를 더하여 1비트신호를 만드는 제2가산기로 구성하는 것을 특징으로 하는 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 송신장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 길쌈부호화부는 2개의 기억소자를 가지고 1개의 비트를 입력받아 2개의 출력비트를 생성하는 (2,1,2) 길쌈부호화기인 것을 특징으로 하는 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 송신장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 매퍼는 직렬/병렬 변환부와 길쌈부호화부로부터 입력된 3비트의 2진데이타값에 따라 진폭레벨이 -7, -5, -3, -1, 1, 3, 5, 7인 8레벨중에서 하나의 값을 선택하여 출력하는 8레벨 매퍼인 것을 특징으로 하는 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 송신장치.
  6. 채널을 통해 수신된 신호에 송신장치의 반송파주파수와 같은 정현파를 곱하여 복조하는 동기복조기와; 동기복조기의 출력신호중에서 저역성분만을 통과시켜 고조파성분을 제거한 원래의 신호를 검파하는 저역통과필터와; 저역통과필터에서 검파된 신호를 양자화하고 비터비복호 방식에 복호화된 신호비트열을 출력하는 TCM복호화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 수신장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 TCM복호화부는 저역통과필터에 의해 검파된 신호를 양자화하는 양자화부와; 양자화부의 출력신호를 길쌈부호에 대한 비터비복호방식에 따라 복호화하여 원래의 신호비트열을 출력하는 비터비복호화부로 구성하는 것을 특징으로 하는 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 수신장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 양자화부는 입력신호를 양자화할 때 레벨과 레벨 사이에 하나의 결정임계값을 두는 하드결정을 행하도록 한 것을 특징으로 하는 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 수신장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 양자화부는 입력신호를 좀더 세분화된 값으로 양자화할 수 있도록 레벨과 레벨 사이에 다수개의 결정임계값을 두는 소프트결정을 행하도록 한 것을 특징으로 하는 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 수신장치.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 비터비복호화부는 격자 다이어그램에서 입력된 값과 통로에 기억된 값의 차인 메트릭이 기하학적인 거리이고 하나의 기지에 2개의 병렬통로가 존재하도록 한 것을 특징으로 하는 격자부호변조기법과 잔류측대역을 이용한 디지탈 수신장치.
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