KR0177882B1 - 디지탈 이동 통신 시스템의 주파수 오프셋 측정 장치 및 그 측정방법 - Google Patents

디지탈 이동 통신 시스템의 주파수 오프셋 측정 장치 및 그 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디지털 이동 통신 시스템의 주파수 오프셋 측정 장치 및 그 측정 방법을 공개한다. 안테나를 통해 주파수 정정 버스트를 입력하여 아날로그 I 및 Q신호로 분리하고, 디지털 신호로 변환하여, 각각 기저대역으로 이동시키기 위해 소정 주파수와 믹싱하는 수단과, 측정된 주파수 오프셋을 입력하여 보정하는 주파수 오프셋 보정수단을 구비하는 이동국 시스템의 그 오프셋 측정 장치는, 디지털 I 및 Q신호를 입력하여 주파수 정정 버스트의 비트 샘플링 속도의 소정수배로 샘플링한 후 임의의 샘플링된 신호들을 추출하여 위상을 구하고, 위상들의 위상 평균값을 출력하는 수단과, 및 위상 평균값을 π와 비교하여 주파수 오프셋을 계산하고, 계산된 주파수 오프셋을 주파수 오프셋 보정수단으로 출력하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하고, 주파수 오프셋을 측정할 신호의 잡음을 최소화하고, 열적 안정성을 우수하게 하여 정확한 주파수 오프셋을 측정할 수 있도록 하고, 위상 계산량을 감소시켜 주파수 오프셋 보정 시간을 단축시키는 효과가 있다.

Description

디지털 이동 통신 시스템의 주파수 오프셋 측정 장치 및 그 측정 방법
제1도는 종래의 주파수 오프셋을 측정 및 보정하는 장치의 블록도이다.
제2도는 본 발명에 의한 주파수 오프셋 측정장치를 설명하기 위한 디지털 이동통신 시스템에서 이동국의 개략적인 블록도이다.
제3도는 제2도에 도시된 본 발명에 의한 주파수 오프셋 측정부의 세부적인 블록도이다.
제4도는 제3도에서 수행되는 본 발명에 의한 주파수 오프셋 측정 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
본 발명은 디지털 이동통신의 주파수 동기에 관한 것으로서, 특히, 시분할 다중 접속(TDMA : Time Division Multiple Access)방식의 디지털 이동 통신 시스템의 주파수 오프셋(offset)을 측정하는 디지털 이동 통신 시스템의 주파수 오프셋 측정 장치 및 그 측정 방법에 관한 것이다.
TDMA방식 디지털 셀룰러 이동통신 시스템은 기지국(base station)과 이동국(mobile station)간의 주파수 동기를 위해 기지국은 주파수 정정 버스트(frequency corrcetion burst)를 TDMA의 멀티 프레임 통신 규약에 맞추어 반복적으로 무선 송출한다. 이동국에서는 이와같은 주파수 정정 버스트(frequency correction burst)를 TDMA의 멀티 프레임 통신 규약에 맞추어 반복적으로 무선 송출한다. 이동국에서는 이와 같은 주파수 정정 버스트를 수신하여 기지국의 주파수와 동기화시킨다.
TDMA방식에서 주파수 정정 버스트는 이미 정해져 있는 특정 데이터가 변조된 아날로그 무선신호이다. 특히, 유럽형 TDMA방식(SGM, DCS)의 경우, 주파수 정정 버스트는 총 148개의 비트로 구성되며, 148비트 모두가 이진 데이터 '0'으로 정의되어 있다, 이러한 유럽형 TDMA방식의 주파수 정정 버스트는 148비트의 '0'이 가우시언 최소 편차키잉(GMSK : Gaussian Minimum Shift Key)로 변조되어 기지국에서 이동국으로 무선 송출되며, 이때, 심볼 전송속도를 T라 하면, 반송파 주파수(fca)에서만큼 천이된의 주파수 스펙트럼 특성을 갖는다. 또한 무선 주파수(RF : Radio Frequency)인 반송파 주파수가 제거된 기저대역(baseband)에서의 주파수 정정 버스트는의 주기를 갖는 정현파 특성을 나타낸다.
종래의 주파수 오프셋 측정 및 보정 장치를 도면 제1도를 참조하여 다음과 같이 설명한다.
제1도는 종래의 주파수 오프셋 측정 및 보정 장치의 블록도로서, 공중파 수신용 안테나(10)로부터, RF수신기(20), 저대역 통과기(30), 위상 측정기(40), 주파수 오프셋 보정부(50)를 구성하는 믹서(52), 루프필터(54) 및, 전압제어발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator)(56)로 차례로 구성된다.
TDMA 디지털 이동통신의 기지국에서 송출된 주파수 정정 버스트가 제1도에 도시된 이동국의 안테나(10)와 RF수신기(20)를 통과하면의 주기를 갖는 정현파 특성을 갖는다. 이러한 주파수 정정 버스트는의 저대역 차단 주파수를 갖는 저대역 통과기(30)를 거쳐 위상 측정기(40)로 입력된다. 위상 측정기(40)는 기준 주파수(fR)를 기준으로 저대역 통과기(30)로부터 입력한 신호의 위상을 측정한 후, 주파수 오프셋 보정부(50)로 출력한다. 주파수 오프셋 보정부(50)에서 위상은 모듈로(modulo) 2π 감산기(52) 및 루프필터(54)를 통과하여 VCO(56)로 입력된다. 이 때, VCO(56)의 출력 주파수는 루프필터(54)의 출력신호의 크기에 따라 제어되며, 루프필터(54)의 출력신호가 '0'이면 주파수 동기가 안정화된 것이며, '0'의 값에서 벗어날수록 주파수 오프셋차(差)가 큰 경우이다. 이 차가 '0'이 되도록 계속 루프가 동작된다. 결국, 주파수 오프셋이 보정된 신호는 VCO(56)로부터 출력되어 RF 송수신부에 응용되어 주파수 동기화가 이루어진다.
전술한 종래의 주파수 오프셋 측정 및 보정부의 하드웨어 구현은 주로 수동소자인 모듈로 2π 감산기인 믹서(mixer)(52), 저대역 통과기(30) 및 VCO(56)등을 사용한 위상 동기 루프(PLL : Phase Locked Loop)기법을 이용하며, 이 때 사용되는 소자들의 특성인 오차 허용도 및 온도 특성등에 따라 주파수 오프셋을 정확히 측정 및 보정하지 못하는 문제점이 있다.
아울러, 다중 경로의 패이딩(fading)이 심해지거나 기지국의 또다른 기지국으로의 변동인 핸드 오버(handover)등 급변하는 이동통신 채널 환경 하에서 수신신호의 상태에 따라 능동적으로 미세한 주파수 오프셋을 측정하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 주파수 오프셋의 정확한 보정을 위해 디지털적으로 주파수 오프셋을 측정하는 디지털 이동 통신 시스템의 주파수 오르셋 측정 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 본 발명에 의한 디지털 이동 통신 시스템의 주파수 오프셋 측정 장치에서 수행되는 주파수 오프셋 측정 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 안테나를 통해 주파수 정정 버스트를 입력하여 아날로그 I신호 및 Q신호로 분리하는 신호분리수단, 상기 I신호 및 Q신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지탈 변환기, 상기 I신호 및 Q 신호를 각각 기저 대역으로 이동시키기 위해 소정 주파수와 믹싱하는 믹서들, 측정된 주파수 오프셋을 입력하여 보정하는 주파수 오프셋 보정수단을 구비하는 이동국 시스템의 주파수 오프셋 측정 장치는, 상기 믹서들로부터 출력되는 상기 I신호 및 Q 신호를 입력하여 상기 주파수 정정 버스트의 비트 샘플링 속도의 소정수배로 샘플링하고, 샘플링된 In신호 및 Qn신호를 출력하는 표본 수단과, 상기 In신호 및 Qn신호를 입력하여 위상을 구하고, 상기 위상들의 위상 평균값을 출력하는 위상 계산수단과, 및 상기 위상 평균값을 π와 비교하여 상기 주파수 오프셋을 계산하고, 계산된 상기 주파수 오프셋을 상기 주파수 오프셋 보정수단으로 출력하는 주파수 오프셋 계산수단으로 구성됨이 바람직하다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 주파수 정정 버스트를 수신하여 I신호 및 Q신호로 분리하여 디지털 신호로 변환하고, 변환된 신호로부터 주파수 오프셋을 계산하며, 계산된 상기 주파수 오프셋 측정방법은, 상기 I신호 및 Q 신호를 상기 주파수 정정 버스트의 비트 샘플링 속도의 소정수배로 샘플링하여, 샘플링된 In신호 및 Qn신호를 구하는 단계와, 다음 제1식을 이용하여 상기 주파수 정정 버스트의 위상(θi)을 구하고, 상기 위상(θi)의 평균값()을 구하는 단계.
단계와, 상기 평균값()이 π보다 크면 다음 제2식을 이용하여 상기 주파수 오프셋(fo)을 구하는 단계와, 상기 평균값이 π보다 작으면 다음 제3식을 이용하여 상기 주파수 오프셋(fo)을 구하는 단계
(여기서, T는 심볼 전송율을 나타낸다)로 이루어짐이 바람직하다.
이하, TDMA방식의 디지털 이동통신 시스템엣 이동국의 구성 및 동작을 도면 제2도룰 참조하여 다음과 같이 설명한다.
제2도는 본 발명에 의한 주파수 오프셋 측정장치를 설명하기 위한 디지털 이동통신 시스템에서 이동국의 개략적인 블록도로서, 안테나(60)로부터 듀플렉서(duplexer)(70), RF송수신기(80), 아날로그/디지탈(Analogue/Digital) 변환기(90), 믹서들(100 및 102), 주파수 오프셋 보정부(110) 및 주파수 오프셋 보정부(120)로 차례로 구성된다.
TDMA방식의 디지털 이동통신 시스템의 기지국으로부터 RF반송파를 이용하여 무선 전송된 주파수 정정버스트는 안테나(60)를 통해 디지털 이동통신 시스템의 이동국으로 수신되어 듀플렉서(70)를 거쳐 RF송수신기(80)로 입력된다.
여기서, RF송수신기(80)는 안테나(60)를 통해 주파수 정정 버스트를 수신하였을 경우, 수신기능을 수행하고, 이동국과 기지국간의 주파수가 동기되었을 경우, 신호를 이동국에서 기지국으로 송출하고자 할 경우에는 송신 기능을 수행한다.
이 때, RF송수신기(80)로부터 출력되는 신호는 반송파 주파수가 제거되고, GMSK변조된 아날로그 신호인 I(In-phase)신호와 Q(Quadrature)신호로서, Q신호는 I신호에 비교해서 90°의 위상차 특성을 갖는다.
A/D 변환기(90)는 아날로그 형태의 I 및 Q신호를 디지털 형태의 I 및 Q 신호로 변환하여 믹서(100 및 102)로 출력한다. 이 때, 출력되는 디지털 형태의 I 및 Q 신호는 주파수 스펙트럼상에서만큼 천이된 신호로서, 제1믹서(100)와 제2믹서(102)는 I신호 및 Q신호를 입력단자 IN1을 통해 입력한 주파수와 각각 믹싱하여 주파수 정정 버스트의 기저대역 특성인주기의 정현파를 거의 직류 성분에 가까운 신호로서 주파수 오프셋 측정부(110)로 출력한다.
주파수 오프셋 측정부(110)는 믹서(100 및 102)로부터 입력한 I신호 및 Q신호와 입력단자 IN2를 통해 입력한 표본율(M)로부터 위상 평균값을 계산하여 출력하고, 주파수 오프셋 보정부(120)는 위상 평균값을 입력하여 아날로그로 변환한 후에, RC회로망으로 구성되는 저역 통과 필터에서 필터링하여, RF송수신부(80)의 국부 발진기의 제어진압 입력단에 입력된다. 이때, 입력되는 전압의 크기에 따라 국부 발진기의 출력주파수는 이동국 단말기의 RF송수신기(80)에 적용되어 주파수 오프셋이 보정되며, 결국 이동국과 기지국간의 주파수 동기화가 이루어짐으로서, 송, 수신이 가능해진다.
본 발명에 의한 주파수 오프셋 측정부(100)의 구성 및 동작을 제3도 및 제4도를 참조하여 다음과 같이 상세히 설명한다.
제3도는 제2도를 도시한 본 발명에 의하 주파수 오프셋 측정부(110)의 구성 및 동작을 제3도 및 제4를 참조하여 다음과 같이 설명한다.
제3도는 제2도를 도시된 볼 발명에 의한 주파수 오프셋 측정부(110)의 세부적인 블록도로서, 필터부(112)로부터 표본 추출부(114), 위상 계산부(116) 및 주파수 오프셋 계산부(118)로 차례로 구성된다.
제4도는 제3도에서 수행되는 본 발명에 의한 주파수 오프셋 측정 방법을 설명하기 위한 플로우챠트로서, 신호를 샘플링하여 평균 위상값을 구하는 단계(제200단계 및 제202단계)와, 평균 위상값으로부터 주파수 오프셋을 계산하는 단계 (제204단계-제208단계)로 이루어진다.
제3도에 도시된 필터부(112)는 입력단자 IN3 및 IN4를 통해 I신호 및 Q신호를 각각 입력하여 신호대역외의 잡음을 최소화하여 출력한다. 이 때, 필터부(112)의 3dB 차단 주파수(fr)=r×10-6)f10+ fd이상이다.
여기서 r 은 RF송수신기(80)의 국부 발진기의 오차 허용도로서 단위는 ppm이며, fD는 도플러 주파수의 차이를 fL0는 RF송수신기(80)의 국부 발진기의 주파수를 각각 나타낸다. 표본 추출부(114)는 필터부(112)로부터 출력되는 I신호 및 Q신호를 입력하여 주파수 정정 버스터의 비트 샘플링 속도 T[kbps]의 M 배로 샘플링하고, 샘플링된 신호들중 M값의 범위에 따라 임의의 신호들을 추출하며(제200단계) 추출된 I 및 Q신호(In 및 Qn)신호를 출력한다. 이 때, 표본율(M)은 입력단자 IN5를 통해 입력되며 그 범위는 10에서 20정도이다. 예를 들면, 표본 추출부(114)는 신호 I 및 Q을 샘플링하고, 표본율의 범위에 따라 총 148비트로 구성된 주파수 정정 버스트에 대해서 표본된 신호들중에서 7개-14개를 추출(Decimation)하여 주파수 오프셋 측정을 위해 위상계산부(116)로 출력한다.
위상 계산부(116)는 표본추출부(114)로부터 출력되는 In 및 Qn을 입력하여 다음 식(1) 및 식(2)와 같은 위상(θi) 및 위상 평균값()을 구한다(제202단계).
여기서, -πQiπ이고, I는 1부터 n까지의 자연수이다.
여기서,이다.
제202단계후에 주파수 오프셋 계산부(118)는 위상 평균값을 입력하여 위상 평균값이 π보다 큰가를 판단한다(제204단계). 만일, π보다 크다면 다음 식(3)에 의해 부(negative) 주파수 오프셋을 계산하고(제206단계), π보다 적으면 다음 식(4)에 의해 정(positive) 주파수 오프셋을 계산한다(제208단계).
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 디지털 이동 통신 시스템의 주파수 오프셋 측정 장치 및 그 측정 방법은 주파수 오프셋을 측정할 신호의 잡음을 수신기의 국부 발진기 오차 허용도와 도플러 주파수 천이등을 고려한 저대역 통과필터를 이용하여 최소화하고, 디지털 신호처리 방식에 의해 주파수 오프셋을 측정하기 때문에 하드웨어적으로 구현된 종래의 장치에서 발생되는 소자의 오차 허용도를 최소화하고, 열적 안정성을 우수하게 하여 정확한 주파수 오프셋을 측정할 수 있도록 하고, 표본 추출부를 사용함으로써 위상 계산량을 감소시켜 주파수 오프셋 보정 시간을 단축시키는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 안테나를 통해 주파수 정정 버스트를 입력하여 아날로그 I신호 및 Q신호로 분리하는 신호분리수단, 상기 I신호 및 Q신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기, 상기 I신호 및 Q 신호를 각각 기저 대역으로 이동시키기 위해 소정 주파수와 믹싱하는 믹서들, 측정된 주파수 오프셋을 입력하여 보정하는 주파수 오프셋 보정수단을 구비하는 이동국 시스템의 주파수 오프셋 측정 장치에 있어서, 상기 믹서들로부터 출력되는 상기 I신호 및 Q 신호를 입력하여 상기 주파수 정정 버스트의 비트 샘플링 속도의 소정수배로 샘플링하고, 샘플링된 신호들중 상기 소정수에 따라 임의의 신호들을 추출하여 In신호 및 Qn신호를 출력하는 표본 추출수단; 상기 In신호 및 Qn신호를 입력하여 위상을 구하고, 상기 위상들의 위상 평균값을 출력하는 위상 계산수단; 및 상기 위상 평균값을 π와 비교하고, 그 비교결과에 따라서 상기 주파수 오프셋을 계산하고, 계산된 상기 주파수 오프셋을 상기 주파수 오프셋 보정수단으로 출력하는 주파수 오프셋 계산수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 이동 통신 시스템의 주파수 오프셋 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주파수 오프셋 측정장치는 입력되는 상기 I신호 및 Q신호의 신호대역외의 잡음을 최소화하여 신호를 출력하는 필터부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 이동 통신 시스템의 주파수 오프셋 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 주파수 오프셋 계산수단은 상기 위상 평균값이 π보다 크면 다음 제1식을 이용하여 상기 주파수 오프셋을 계산하는 제1계산수단; 및
    상기 위상 평균값이 π보다 작으면 다음 제2식을 이용하여 상기 주파수 오프셋을 계산하는 제2계산수단을 구비함을 특징으로 하는 디지털 이동 통신 시스템의 주파수 오프셋 측정 장치.
    (여기서, T는 심볼 전송율을 나타낸다)
  4. 주파수 정정 버스트를 수신하여 I신호 및 Q신호로 분리하여 디지털 신호로 변환하고, 변환된 신호로부터 주파수 오프셋을 계산하며, 계산된 상기 주파수 오프셋을 보정하는 이동국의 주파수의 오프셋 측정 및 보정장치의 주파수 오프셋 측정 방법에 있어서, 상기 I신호 및 Q 신호를 상기 주파수 정정 버스트의 비트 샘플링 속도의 소정수배로 샘플링하여, 샘플링된 신호들중 상기 소정수에 따라 임의의 신호들을 추출하여 In신호 및 Qn신호를 구하는 단계; 다음 제1식을 이용하여 상기 주파수 정정 버스트의 위상(θi)을 구하고, 상기 위상(θi)의 평균값()을 구하는 단계;
    (여기서, i=1, 2, 3, ...., n이고, -πQiπ이다)
    상기 평균값()이 π보다 큰가를 판단하는 단계; 및 상기 평균값()이 π보다 크면 다음 제2식을 이용하여 상기 주파수 오프셋(fo)을 구하는 단계; 상기 평균값이 π보다 작으면 다음 제3식을 이용하여 상기 주파수 오프셋(fo)을 구하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 이동통신 시스템의 주파수 오프셋 측정방법.
    (여기서, T는 심볼 전송율을 나타낸다)
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