KR100350497B1 - 직교주파수분할다중/코드분할다중접속 통신시스템에서파일럿 심벌을 이용한 타이밍 오류 복구 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템의 타이밍 복구 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 심볼단위로 삽입되는 파일럿 신호를 이용하여 타이밍 오류를 복구하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 송신기가 미리 설정되어 있는 개수의 데이터 심볼들 주기로 파일럿 심볼이 삽입된 직교주파수분할 다중전송 심볼열을 송신하고, 수신 신호를 소정 샘플링 동기에 의해 디지털 변환하여 상기 직교주파수분할 다중 전송 심볼열을 출력하는 아날로그/디지털 변환부와, 상기 직교주파수분할 다중 전송 심볼들 각각에 삽입된 보호구간을 소정 프레임 동기에 의해 제거하는 보호구간 제거기와, 상기 보호구간이 제거된 직교주파수분할 다중 심볼들 각각을 고속 푸리에 변환하여 수신 심볼열로 출력하는 고속 푸리에 변환부를 포함하는 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템에서 타이밍 오류를 복구하는 시스템에 있어서, 상기 수신 심볼열에 상기 데이터 심볼들 주기로 삽입되어 있는 파일럿 심볼을 검출하는 파일럿 심볼 검출기와, 상기 검출한 파일럿 심볼과 미리 설정되어 있는 기준 파일럿 심볼을 이용하여 위상차 라인을 결정한 후, 상기 결정한 위상차 라인을 가지고 타이밍 오류를 복구하기 위한 타이밍 오류 복구 신호를 생성하여 상기 샘플링 동기와 상기 프레임 동기를 결정하는 타이밍 복구기를 포함함을 특징으로 한다.

Description

직교주파수분할다중/코드분할다중접속 통신시스템에서 파일럿 심벌을 이용한 타이밍 오류 복구 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR COMPENSATING TIMING ERROR USING PILOT SYMBOL IN OFDM/CDMA COMMUNICATION SYSTEM }
본 발명은 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템의 타이밍 복구 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 심벌단위로 삽입되는 파일럿 신호를 검출, 위상차 라인을 이용하여 타이밍 오류를 복구하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 직교주파수분할다중(Orthogonal Frequency Division Multiplex: 이하 "OFDM"라 함)/부호분할다중접속(Code Division Multiplex Access: 이하 "CDMA"라 함) 통신시스템은 직교성을 가지는 다중 반송파를 이용한다. 상기 OFDM/CDMA 통신시스템은 수신단에서 다중 반송파간의 직교성 유지가 통화 품질에 직접적인 연관성을 받으므로 복조 시 상기 다중 반송파들간의 직교성 유지는 매우 중요하다. 상기 OFDM/CDMA 통신시스템의 수신기 또한 다른 이동통신시스템 수신기와 마찬가지로 송신기로부터 송신되는 OFDM 신호를 복조하기 위해 프레임 동기, 샘플링 동기, 반송 주파수 동기 등을 수행한다. OFDM/CDMA 통신시스템은 직교성을 갖는 다중 반송파들을 이용하므로서 복조시에도 상기 직교성을 유지해야 하므로 정확하게 동기가 맞춰져야 한다.
도1은 일반적인 OFDM/CDMA 통신시스템의 블록 구성도이고, 도2는 일반적인 파일럿 신호의 삽입 구조를 나타낸 도면이다. 이하 도1 내지 도2를 참조하여 설명한다.
먼저, 송신기의 구성을 설명하면, 파일럿 샘플 삽입기(101)는 일반적으로 확산된 N개의 샘플 데이터로 구성되는 데이터 심벌을 입력받고, 도2와 같이 일정간격으로 파일럿 샘플을 삽입하여 출력한다. 상기 파일럿 샘플 삽입방법에는 파일럿 샘플을 삽입할 위치의 실제 샘플 데이터를 지연시킨 후 삽입하는 방법과, 상기 실제 샘플 데이터를 펑처링한 후 삽입하는 펑처링 방법 등이 있다. 이하의 설명에서는 파일럿 샘플 삽입 방법으로 상기 파일럿 샘플 삽입 방법들 중 펑처링 방법을 사용할 경우을 위주로 하여 설명한다. 상기 데이터 심벌은 N배의 레이트(Rate)를 가지는 코드로 확산된 신호이다. 직/병렬 변환기(103)는 상기 파일럿 샘플 삽입기(101)에서 출력되는 파일럿 샘플 데이터가 삽입된 데이터 심볼은 N개의 샘플 데이터들로 분리되고 상기 샘플 데이터들은 병렬로 역 고속 푸리에 변환부(Inverse Fast Fourier Transform: 이하 "IFFT"라 함-105)로 입력한다. IFFT(105)는 상기 직/병렬 변환기(103)에서 출력되는 N개의 샘플데이터들을 입력받아 역 고속 푸리에 변환, 즉 OFDM 변조를 수행하여 OFDM 변조된 N개의 OFDM 샘플 데이터들을 병렬로 출력한다. 병/직렬 변환기(106)는 상기 IFFT(105)에서 출력되는 OFDM 샘플데이터들을 병렬로 입력받아 직렬로 변환하여 보호구간 삽입기(107)로 출력한다. 그러면 보호구간 삽입기(107)는 상기 N개의 OFDM 샘플데이터들로 구성되는 OFDM 심볼에서 상기OFDM 샘플 데이터들 중 마지막 G개의 OFDM 샘플 데이터(이하 "복사 샘플 데이터"라 함)를 복사하여 상기 OFDM 심벌의 앞단에 삽입하여 출력한다(이하 OFDM 심볼에 보호구간이 삽입된 것을 "OFDM 전송 심볼"이라 함). 또한, 디지털/아날로그 변환부(Digital to Analog Converter: 이하 "DAC"라 함"-109)는 상기 보호구간 삽입기(107)에서 출력되는 OFDM 전송 심벌을 입력받아 아날로그 형태로 변환하여 전송한다(이하 "OFDM 신호"라 함).
상기 송신기에서 송신된 OFDM 신호는 수신기의 아날로그/디지털 변환부(Analog to Digital Converter: 이하 "ADC"라 함-111)로 수신된다. 상기 ADC(111)는 아날로그 신호의 상기 OFDM 신호를 디지털 형태의 OFDM 전송 심볼로 변환하여 보호구간 제거기(112)로 출력한다. 상기 보호구간 제거기(112)는 상기 OFDM 전송 심벌을 입력받아 OFDM 전송 심벌에 포함되어 있는 보호구간을 제거하여 OFDM 심볼을 출력한다. 상기 ADC(111)는 소정의 타이밍 오류 복구 신호를 입력받아 타이밍 오류 및 주파수 오류등을 보상하면서 각각의 동작을 수행한다. 직/병렬 변환기(113)는 상기 보호구간 제거기(112)에서 출력되는 OFDM 심벌을 입력받아 N개의 OFDM 샘플 데이터로 분리하여 병렬로 출력한다. FFT(114)는 상기 병렬로 입력되는 N개의 샘플 데이터를 입력받아 고속 푸리에 변환, 즉 OFDM 복조를 수행하여 복조된 N개의 샘플 데이터들을 출력한다. 이때, 상기 복조된 샘플 데이터들은 샘플 데이터들 또는 파일럿 샘플들이다. 상기 N개의 샘플 데이터들은 병/직렬 변환부(115)에서 직렬로 변환되어 심볼 단위로 출력된다. 파일럿 샘플 검출기(116)는 상기 병/직렬 변환부(115)에서 출력되는 데이터 심벌을 입력받고, 상기 데이터 심벌에 삽입되어 있는 파일럿 샘플들을 검출하여 타이밍 복구기(117)로 출력하고, 샘플 데이터들은 역확산기(119)로 출력한다. 상기 타이밍 복구기(117)는 상기 파일럿 샘플 검출기(116)로부터 파일럿 샘플들을 입력받고, FFT의 이하 <수학식1>의 특성을 이용하여 타이밍 오류를 구하고 상기 구해진 타이밍 오류를 복구하여 상기 ADC(111)로 타이밍 오류 복구 신호를 출력한다.
상기 x[n-n0]는 송신 신호로 n0의 지연시간이 발생되었음을 나타내고, 상기 X(k)WN kn0는 수신신호로서 상기 지연시간 n0에 의해 주파수 영역상에서 발생하는 선형 위상 이동(Linear Phase Shift)이다.
상기 타이밍 복구기(117)의 구체적인 동작을 상기 <수학식 1>을 참조하여 구체적으로 설명한다. 타이밍 복구기(117)는 상기 파일럿 샘플 검출기(116)에서 검출된 파일럿 샘플의 위상과 미리 알고 있는 기준 위상과의 차를 구한 후 그 값의 변화율을 이용하여 타이밍 오류를 추정한다.
역확산기(119)는 상기 파일럿 샘플 검출기(116)로부터 데이터 심벌을 입력받아 역확산하여 출력한다.
상술한 바와 같이 OFDM/CDMA 통신시스템에서 타이밍을 복구하기 위한 파일럿 샘플을 삽입하는 방법에는 두 가지가 있다. 첫 번째는 상기한 바와 같이 원래의 샘플 데이터들 사이에 일정 주기, 일정 패턴으로 파일럿 샘플을 삽입하는 경우로, OFDM/CDMA 통신시스템은 한 심벌 내의 각각의 샘플들이 같은 정보를 가지고 있으므로 수신단에서 심벌단위로 데이터를 처리해야 한다. 그런데 위와 같은 방법을 사용할 경우 파일럿 샘플 개수만큼 데이터가 뒤로 밀리게 되어, 심볼단위의 전송이 되지 않고, 또한 실제 데이터 심벌이 시작되는 샘플의 위치가 계속 변하게 되므로, 수신단에서 실제 데이터 심벌의 시작위치를 계속 찾아야 하는 문제점이 발생한다.
두 번째 방법은 실제 샘플 데이터들 중 일정 주기 또는 패턴으로 일부 샘플 데이터를 펑처링하고, 상기 펑처링된 샘플 데이터 위치에 파일럿 샘플을 삽입하는 경우, 수신단에서 역확산 과정을 거쳐 실제 샘플 데이터를 복구하려 할 때 원래의 데이터인 샘플 데이터가 펑처링됨에 따라 심각한 노이즈로 발생하는 문제점이 있다.
또한 수신단에서 시간 영역의 주파수 오류는 FFT단을 거치게 되면 주파수 영역에서의 이동 텀(Shift Term)으로 나타나게 되는데, 만약 부반송파 공간보다 큰 주파수 오류가 생겼을 경우 FFT단을 거치게 되면 1 샘플 이상의 이동 텀(timing changing)이 발생하게 되어, 파일럿 샘플 데이터가 있어야 할 자리에 다른 샘플 데이터가 오게 됨으로 필요한 정보를 전혀 얻을 수 없다. 이와 같이 기존의 방법으로는 타이밍 복구를 수행하기 힘들었다.
구체적으로 이상적인 시스템에서는 상기 <수학식 1>에서처럼 수신된 파일럿 샘플 데이터와 기준 샘플 데이터의 위상차가 (2πnek)/N으로 인덱스 k에 대해 선형 특성을 갖는다. 즉 위상차의 인덱스 k에 대한 기울기를 구하여 2π/N으로 나누어주면 타이밍 오류 ne를 바로 구해낼 수 있다. 그러나, 값이 ±π로 제한되는 위상의 특성상 선형의 위상차 라인을 얻을 수 없고 ±π부근에서 ±2π 정도의 급격한 변화가 일어나는 위상차 라인을 얻게 된다. 이러한 위상차 라인에 영향을 미치는 요소는 크게 주파수 오류, 공통 위상 에러(Common Phase Error: CPE), 잡음, 비순환 이동 등이 있다.
수신단에서 주파수 오류(이하 "ke"라 함)는 한 샘플 데이터 간격의 정수배의 주파수 오류(이하 "kei"라 함)와 한 샘플 데이터 간격 이내의 오류(이하 "ked"라 함)로 나눌 수 있다. 시간 영역의 주파수 오류 ke는 FFT단을 거치게 되면 주파수 영역에서의 이동 텀으로 나타나게 되는데, 만약 한 샘플의 주기보다 큰 주파수 오류 kei가 생겼을 경우 FFT단을 거치게 되면 데이터 심벌내의 각각의 파일럿 샘플 데이터들이 한 샘플 데이터 이상 이동하게 되어 원래의 파일럿 샘플 데이터가 아닌 다른 샘플 데이터를 수신하게 되어 정확한 위상차를 구하는 것이 불가능하게 된다. 또한, 주파수 오류 ked도 위상의 변동으로 나타나 위상차 라인에 영향을 미친다. 이럴 경우 도3과 같이 위상차 라인이 형성된다. 상기 위상차 라인에서 도트(Dot)로 표시된 부분이 파일럿 샘플 데이터를 의미한다.
그러므로, OFDM/CDMA 통신시스템에서 기존의 타이밍 복구 방법을 사용하려면 반드시 부반송파 대역 이상의 주파수 오류를 보상한 후 타이밍을 추정하여야 한다.
파일럿 샘플 데이터들의 개수도 성능을 좌우하는 중요한 요소이다. 타이밍오류가 클수록 위상의 변화량이 커지고, 또한 천이의 횟수도 많아지므로, 많은 파일럿 샘플 데이터들을 필요로 하는 데, 최소한 하나의 데이터 심벌 내에 타이밍 오류의 4배 이상의 파일럿 샘플을 필요로 한다.
따라서 본 발명의 목적은 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템의 송신기에서 파일럿 샘플들을 심벌단위로 삽입하여 전송하는 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 심볼 단위로 파일럿 샘플들을 삽입하여 전송하는 송신기를 구비하는 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템의 수신기에서 상기 심볼 단위의 파일럿 샘플 데이터들을 검출하여 타이밍 오류를 복구하는 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 심볼 단위로 파일럿 샘플 데이터들을 삽입하여 송신하는 송신기를 구비한 직교주파수분할/부호분할다중접속 통신시스템의 수신기에서 상기 심볼 단위의 파일럿 샘플 데이터들을 검출, 선형적인 위상차 라인을 이용하여 타이밍 오류를 복구하는 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템에서 타이밍 오류를 복구하는 시스템에 있어서, 정보 데이터를 입력받아 미리 설정되어 있는 코드로 확산하여 데이터 심벌열을 생성하는 곱셈기와, 상기 데이터 심볼열을 입력받고, 수신기의 수신 타이밍 오류 복구를 위해 동일한 위상을 갖는 설정 개수의 파일럿 샘플들로 구성된 파일럿 심볼을 미리 결정되어 있는 데이터 심볼들 주기로 삽입하여 제1심볼열로 출력하는 파일럿 심볼 삽입기를 포함함을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 송신기가 미리 설정되어 있는 개수의 데이터 심볼들 주기로 파일럿 심볼이 삽입된 직교주파수분할 다중 전송 심볼열을 송신하고, 수신 신호를 소정 샘플링 동기에 의해 디지털 변환하여 상기 직교주파수분할 다중 전송 심볼열을 출력하는 아날로그/디지털 변환부와, 상기 직교주파수분할 다중 전송 심볼들 각각에 삽입된 보호구간을 소정 프레임 동기에 의해 제거하는 보호구간 제거기와, 상기 보호구간이 제거된 직교주파수분할 다중 심볼들 각각을 고속 푸리에 변환하여 수신 심볼열로 출력하는 고속 푸리에 변환부를 포함하는 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템에서 타이밍 오류를 복구하는 시스템에 있어서, 상기 수신 심볼열에 상기 데이터 심볼들 주기로 삽입되어 있는 파일럿 심볼을 검출하는 파일럿 심볼 검출기와, 상기 검출한 파일럿 심볼과 미리 설정되어 있는 기준 파일럿 심볼을 이용하여 위상차 라인을 결정한 후, 상기 결정한 위상차 라인을 가지고 타이밍 오류를 복구하기 위한 타이밍 오류 복구 신호를 생성하여 상기 샘플링 동기와 상기 프레임 동기를 결정하는 타이밍 복구기를 포함함을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 미리 설정되어 있는 개수의 데이터 심볼들 주기로 파일럿 심볼을 삽입하여 전송 심볼열로 송신하는 직교주파수분할다중 시스템에서 타이밍 오류 복구 방법에 있어서, 상기 전송 심볼열을 수신하고, 상기 전송 심볼열에 상기 데이터 심볼들 주기로 삽입되어 있는 파일럿 심볼을 검출하는 과정과, 상기 검출된 파일럿 심볼의 위상과 미리 설정되어 있는 기준 위상과의 위상차를 구하여 미리 설정되어 있는 범위내의 위상차 값으로 변환하는 과정과, 상기 변환된 위상차 값의 천이 횟수를 이용하여 상기 전송 심볼열 수신시 타이밍 오류를 복구하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
도1은 일반적인 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템의 블록 구성도를 나타낸 도면.
도2는 일반적인 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템에서 파일럿 샘플 삽입 방법을 나타낸 포맷도.
도3은 일반적인 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템에서 위상차 라인을 나타낸 도면.
도4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템의 블록 구성도를 나타낸 도면.
도5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수다중/부호분할다중접속 이동통신시스템에서 파일럿 심벌 삽입 방법을 나타낸 포맷도.
도6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수다중 이동통신시스템에서 위상차 라인을 나타낸 도면.
도7은 상기 도5의 타이밍 복구기의 상세 블록도를 나타낸 도면.
도8은 상기 타이밍 복구기에서 수행되는 파일럿 심벌을 이용한 타이밍 오류 보상 방법을 나타낸 흐름도.
도 9a는 천이가 없을 때의 위상차 라인을 나타낸 도면.
도9b는 천이가 있을 때의 위상차 라인을 나타낸 도면.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에서는 통신시스템에서 샘플링 주파수 옵셋이나 샘플링 위상 옵셋 등의 타이밍 오류의 변화율이 시간에 따라 크게 변하지 않다는 점을 이용한다. 이는 일정한 시간 이내의 데이터들은 같은 크기의 타이밍 오류를 갖는다고 생각해도 무방하다는 의미이다. 즉, 상기 시간 내에 수신되는 데이터들에 대해서는 타이밍 오류를 한번만 찾아서 보상해주면 된다. 심볼단위의 파일럿 심벌을 삽입하는 주기는 샘플링 클럭을 발생하는 발진기의 성능에 따라, 또한 시스템이 요구하는 동기 시간 내에 타이밍 복구가 이루어질 수 있도록 적절하게 결정할 수 있다.
도4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템의 블록 구성도를 나타낸 도면으로서, 이하 도4를 참조하여 본 발명에 따른 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템의 구성을 설명한다.
곱셈기(131)는 실제 데이터 심벌과 N배의 레이트를 가지는 코드를 곱하여 입력되는 데이터를 심볼 단위로 확산하여 출력한다. 이때 하나의 데이터 심벌은 N개의 샘플 데이터로 구성된다. 파일럿 심볼 삽입기(133)는 상기 확산된 데이터 심볼열을 입력받고, 심볼 단위로 파일럿 샘플들을 삽입하여 직/병렬 변환기(135)로 출력한다. 여기에서 상기 파일럿 심볼 삽입기(133)는, 도4에 도시된 바와 같이, 직/병렬 변환기(135)의 앞단에 위치하였지만 상기 직/병렬 변환기(135)의 뒷단에 위치할 수 있다. 이하에서는 상기 파일럿 심볼 삽입기(133)가 상기 직/병렬 변환기(135) 앞단에 위치하는 경우를 가정하여 설명한다. 상기 직/병렬 변환기(135)는 상기 파일럿 심볼 삽입기(133)에서 출력되는 데이터 심볼 또는 파일럿 심볼을 심볼단위로 입력받아 N개의 샘플 데이터들을 병렬로 출력한다. IFFT(137)는 상기 직/병렬 변환기(135)에서 출력되는 샘플 데이터들을 입력받아 역 고속 푸리에 변환하여 OFDM 심벌을 출력한다. 상기 OFDM 심벌은 보호구간 삽입기(139)에서 보호구간이 삽입되어 DAC(141)을 통해 아날로그 형태의 OFDM 신호로 변환되어 전송된다.
한편, 수신기의 ADC(145)는 소정의 타이밍 동기 신호를 입력받아 상기 송신기에서 송신된 OFDM 신호를 수신하여 보호구간을 포함하는 디지털 형태의 OFDM 심벌로 변환하여 보호구간 제거기(147)로 출력한다. 보호구간 제거기(147)는 상기 ADC(145)에서 출력되는 OFDM 심벌을 입력받아 상기 OFDM 심벌에 포함되어 있는 보호구간을 검출 및 제거하여 출력한다. FFT(149)는 상기 보호구간 제거기(147)에서 출력되는 OFDM 심벌을 입력받아 푸리에 변환하여 N개의 샘플 데이터를 병렬로 출력한다. 또한, 병/직렬 변환부(150)는 상기 병렬로 입력되는 N개의 샘플 데이터를 직렬로 변환하여 심볼 단위의 샘플 데이터들, 즉 데이터 심벌을 파일럿 심볼 검출기(152)로 출력한다. 상기 파일럿 심볼 검출기(152)는 입력되는 데이터 심볼열로부터 파일럿 심볼을 검출하여 타이밍 복구기(151)로 출력하고 상기 파일럿 심볼이 제거된 데이터 심볼열은 역확산기(153)로 출력한다. 상기 역확산기(153)는 상기 병/직렬 변환부(150)에서 출력되는 데이터 심벌을 입력받아 역확산하여 출력한다. 타이밍 복구기(151)는 상기 파일럿 심볼 검출기(152)로부터의 파일럿 심볼과 수신기가 미리 알고 있는 원래의 파일럿 심볼을 이용하여 타이밍 오류를 추정하고, 상기 추정된 타이밍 오류를 보상하기 위한 타이밍 오류 추정신호를 상기 ADC(145)로 출력한다.
상술한 수신기의 동작을 수학적 개념에 의해 구체적으로 설명한다.
직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템의 실제 전송 상에서는 주파수 오류가 발생한다. 한 심볼 단위의 주파수 오류량을 ke[Hz/symbol]라 하면 한 샘플 단위의 주파수 오류량은 ke/N[Hz/sample]이고, m 번째 심벌의 n 번째 샘플의 주파수 오류 km[n]이라 하면 상기 Km[n]은 이하 <수학식 2>로 나타낼 수 있다.
상기 송신기의 보호구간 삽입기(139) 전단의 신호를 Xm[n]이라고 하면, 보호구간을 제거한 FFT(149) 입력단의 신호 y'm[k]와 FFT(149)단을 거친후의 신호y'm[n]이라 할 때, 상기 y'm[k]와 y'm[n]은 이하의 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.
where n=0, 1, 2,....,N-1 :샘플 수
m=0, 1, 2,...., :심볼 수
N: 1 심볼 당 샘플 수
G: 보호구간의 샘플 수
Km[n]: m 번째 심볼에서 n 번째 샘플의 주파수 옵셋
Pe :공통 위상 에러
Wm[n]: m 번째 심볼의 AWGN
FFT 시작점 검출 오류, 타이밍 주파수 옵셋(Timing Frequency Offset), 타이밍 위상 옵셋(Timing Phase Offset) 등의 타이밍 오류를 ne라고 하면, 수신단에서 ADC(145)를 거친 후 보호구간을 제거한 실제 FFT(149) 입력단의 신호는 이하 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.
상기 y'm(k)는 FFT(149)를 거치게 되면 FFT의 성질에 의해 주파수의 이동, 즉 타이밍 오류가 신호의 위상 변화량으로 변환되며, 이하 <수학식 5>와 나타난다.
타이밍 복구기(151)에서 상기 Y'm(k)로부터 파일럿 심벌만 검출하면 이하 <수학식 6>과 같이 나타낼 수 있다.
상기 l은 파일럿 심벌의 삽입주기이다. 상기 수신된 파일럿 심벌의 위상을 구해보면 이하 <수학식 7>로 나타난다.
여기서 두 번째 항은 인덱스 k에 따른 위상의 일정한 변화로 나타나고, 다음 3개의 항들은 상수 위상 옵셋으로, 마지막 항은 위상의 변동(Fluctuation)으로 나타난다.
수신기에서 ∠Xm(k)를 기준 위상으로 갖고 있으므로, 타이밍 오류 ne를 구하기 위해 수신된 파일럿 심벌의 위상과 기준 위상간의 차를 구해보면 다음과 같다.
상기 <수학식 8>에서 주파수 오류 ke가 0인 경우 ∠Xm(k-ke) - ∠Xm(k)의 값이 0이 되어 위상차는 인덱스 k에 대해 잡음에 의한 변동(∠W m [k-k e ])이 포함된 선형 라인으로 나타나므로, 위상 차 라인의 기울기를 구한 후, 상기 <수학식 8>에 의해 타이밍 오류 ne를 추정할 수 있다. 주파수 오류 ke가 0이 아닌 경우, ∠Xm(k-ke) - ∠Xm(k)의 값이 0이 아니므로 위와 같은 방법으로 타이밍 오류 ne를 구하기 힘들다. 따라서, 본 발명에서는 주파수 오류가 있는 상황에서도 타이밍 오류를 찾을 수 있는 방법 중 하나로, 파일럿 심벌의 모든 샘플들이 동일한 위상을 갖도록 한다. 이를 위해 파일럿 심벌의 실수부와 허수부를 동일한 신호를 보내는 방법이 있다. 이 경우 채널의 영향을 무시한다면 주파수 오류의 영향을 전혀 받지 않는다.
주파수 오류 ke는 한 샘플 간격의 정수배의 주파수 오류 kei와 한 샘플 간격 이내의 값을 가지는 ked로 나눌 수 있는데, 상술한 바와 같이 동일한 위상을 갖는 파일럿 샘플들을 심볼 단위로 삽입하는 방법을 사용할 경우 위상 차 라인에서 kei에 의한 영향은 없으며, ked에 의한 영향은 상수 위상 옵셋으로 나타나므로 기울기에영향을 미치지 않는다.
도5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수다중/부호분할다중접속 이동통신시스템에서 파일럿 심벌 삽입 방법을 나타낸 포맷도를 나타내고 있다. 도5에서는 5 심벌 간격으로 파일럿 심벌이 삽입됨을 나타내고 있다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 직교주파수다중 이동통신시스템에서 위상차 라인을 나타낸 도면이다. 파일럿 신호를 심벌 단위로 삽입함으로써 샘플 단위로 삽입할 때보다 노이즈에 의한 영향을 감소시킬 수 있게 되고, 이로 인해 더욱 정확한 타이밍 오류를 구할 수 있게 된다.
도7은 상기 도4의 타이밍 복구부(151)의 상세 블록 구성도이고, 도8은 본 발명의 실시예에 따른 타이밍 오류 보상방법을 나타낸 흐름도이다. 이하 도7 및 도8을 참조하여 설명하면, 위상검출기(161)는 파일럿 심벌 검출기(152)에서 입력하는 파일럿 심벌을 샘플 단위로 입력받고, 상기 파일럿 샘플들의 위상을 검출하여 위상차 검출기(163)로 출력한다. 상기 위상차 검출기(163)는 상기 검출된 파일럿 샘플들의 위상과 수신기가 알고 있는 기준 위상을 상위계층으로부터 입력받아 위상차를 계산하고, 계산된 위상차를 ±π이내의 값으로 변환하여 위상 변화량 추정부(165)로 출력한다(801단계).
상기 위상 변화량 추정부(165)는 상기 위상차 값을 입력받고 , 위상차 라인의 천이 횟수를 방향을 고려하여 카운트한다(803단계). 이때, 상기 방향을 고려한 천이의 카운트 결과 그 부호는 기준 신호에 대해 늦거나 빠른 타이밍 오류의 방향을 나타냄과 아울러 그 절대값은 (샘플 주기(sample period))의 정수배+1 {(타이밍오류/샘플주기) + 1} 크기만큼의 타이밍 오류를 나타낸다. 노이즈와 상수 위상 옵셋이 포함될 경우, 노이즈에 의해 천이(transition)이 발생하고, 이로 인해 잡음 라인의 값이 ±π 부근으로 접근할 때 수회의 원하지 않는 변동들이 발생한다. 이때, 본 발명에서 상기 노이즈[잡음]에 의한 천이는 +, - 방향의 개수가 같다는 사실을 이용하여 천이의 방향과 횟수를 모두 고려함으로서 노이즈에 의한 영향을 상쇄시킬 수 있게 된다.
상기 천이값이 카운트되면 상기 위상 변화량 추정부(165)는 상기 카운트 값을 타이밍 오류 복구 신호 발생부(167)로 출력한다. 상기 타이밍 오류 복구 신호 발생부(167)는 상기 카운트 값에 따라 타이밍 오류 복구신호를 발생시킨다. 이와 같이, 상기 타이밍 오류 복구신호 발생시 샘플 간격 이상의 타이밍 오류 nei와 샘플 간격 이내의 타이밍 오류 ned로 분류하여 보상하며, 샘플 간격 이상의 타이밍 오류인지 아니면 샘플 간격 이내의 타이밍 오류인지의 판단은 상기 천이의 카운트 값 nt가 1 보다 작으냐 크냐에 의해 판단한다(805단계).
상기 805단계에서 판단결과 천이의 카운트 값 |nt|가 1 이상의 정수값을 가지면, 천이의 카운트 값 nt가 1 이하의 절대값으로 될 때까지 반복하여 상기 천이의 카운트 값 nt에 따라 타이밍 에러를 추정하게 된다. 즉, 타이밍 오류 복구신호 발생부(167)는 위상 변화량 추정부(165)로부터 상기 정수배 타이밍 에러 nei추정신호를 입력받고, 상기 nei추정신호(nt)에 따라 정수배 타이밍 에러를 보상하기 위한 타이밍 오류 복구 신호를 생성하여 ADC(145)로 출력한다(807단계).
또한, 상기 805단계에서 판단결과 천이의 카운트 값 |nt|가 1 이하의 절대값을 가지면, 샘플 간격 이내의 타이밍 에러 ned추정신호를 발생시킨다(809단계). 즉, 상기 타이밍 오류 위상차 라인의 기울기를 먼저 구한 후, 상기 수학식 8에 의해 타이밍 오류 ne를 추정할 수 있게 된다. 이와 같이, 천이의 카운트 값 nt의 절대값이 1 이하인 경우의 기울기를 구하기 위해서는, 우선 도 9A와 같은 위상차 라인을 도 9B와 같은 천이가 없는 선형의 위상차 라인으로 변환한 후에 구하는 것이 보다 정확한 기울기를 구할 수 있게 된다. 이때, <수학식 9>는 노이즈에 의한 천이의 영향을 상쇄시키면서 선형 위상차 라인으로 변환시키기 위해 제안된다.
상기 Pk는 천이가 있는 위상차 라인 각각의 위상값들을, Pk'는 천이가 없도록 변환된 각각의 위상값들을 의미한다.
그리고 809단계에서는 잡음에 의한 변동이 포함된 위상라인에서 잡음의 영향을 제거하고, 원래의 기울기에 가까운 값을 구하기 위해 이하 <수학식 10>에 의해 N/2개의 샘플로 나누고, 상기 2개의 N/2 샘플의 평균을 구한다. 그런 다음, 이하 <수학식 11>과 같이 두 평균값으로부터 잡음의 영향을 감소시킨 기울기를 얻을 수 있게 된다.
N: 1 심볼 당 샘플 수
w: 노이즈
a: 기울기
상기 <수학식 10>의 (1)는 기울기가 a인 위상차 라인의 각 샘플값들을 나타내고, (2)는 잡음이 포함된 경우의 각 샘플값들을 나타낸다. 그리고 (3)는 처음 N/2개와 나중 N/2개의 샘플들의 평균값을 나타낸다.
그리고 상기 위상차 라인으로부터 <수학식 11>에 의해 기울기를 구하여 ned보상 신호를 출력한다. 그러면 타이밍 오류 복구 신호 발생부(167)는 811단계에서 상기 ned추정 신호를 입력받고, 상기 ned추정신호에 따른 타이밍 오류를 보상하기 위한 타이밍 오류 추정신호를 ADC(145)로 출력한다.
상기한 바와 같이 본 발명은 타이밍 오류 추정시 주파수 오류의 영향을 거의 제거할 수 있으므로, 주파수 오류를 완전히 보상하지 않은 상태에서도 타이밍 오류를 보상할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명은 잡음에 의한 변동과 원하지 않는 천이의 영향을 제거하므로써 정확도를 높일 수 있는 이점이 있다.

Claims (13)

  1. 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템에서 타이밍 오류를 복구하는 시스템에 있어서,
    정보 데이터를 입력받아 미리 설정되어 있는 코드로 확산하여 데이터 심벌열을 생성하는 곱셈기와,
    상기 데이터 심볼열을 입력받고, 수신기의 수신 타이밍 오류 복구를 위해 동일한 위상을 갖는 설정 개수의 파일럿 샘플들로 구성된 파일럿 심볼을 미리 결정되어 있는 데이터 심볼들 주기로 삽입하여 제1심볼열로 출력하는 파일럿 심볼 삽입기를 포함함을 특징으로 하는 타이밍 오류 복구 시스템.
  2. 송신기가 미리 설정되어 있는 개수의 데이터 심볼들 주기로 파일럿 심볼이 삽입된 직교주파수분할 다중 전송 심볼열을 송신하고, 수신 신호를 소정 샘플링 동기에 의해 디지털 변환하여 상기 직교주파수분할 다중 전송 심볼열을 출력하는 아날로그/디지털 변환부와, 상기 직교주파수분할 다중 전송 심볼들 각각에 삽입된 보호구간을 소정 프레임 동기에 의해 제거하는 보호구간 제거기와, 상기 보호구간이 제거된 직교주파수분할 다중 심볼들 각각을 고속 푸리에 변환하여 수신 심볼열로 출력하는 고속 푸리에 변환부를 포함하는 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템에서 타이밍 오류를 복구하는 시스템에 있어서,
    상기 수신 심볼열에 상기 데이터 심볼들 주기로 삽입되어 있는 파일럿 심볼을 검출하는 파일럿 심볼 검출기와,
    상기 검출한 파일럿 심볼과 미리 설정되어 있는 기준 파일럿 심볼을 이용하여 위상차 라인을 결정한 후, 상기 결정한 위상차 라인을 가지고 타이밍 오류를 복구하기 위한 타이밍 오류 복구 신호를 생성하여 상기 샘플링 동기와 상기 프레임 동기를 결정하는 타이밍 복구기를 포함함을 특징으로 하는 타이밍 오류 복구시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 타이밍 복구기가,
    상기 파일럿 심볼의 위상을 샘플 단위로 검출하는 위상 검출기와,
    상기 검출된 파일럿 샘플의 위상과 미리 설정되어 있는 기준 위상간의 위상차를 검출하여 미리 설정되어 있는 범위 내의 값으로 변환하여 출력하는 위상차 검출기와,
    상기 범위 내의 위상차를 심볼단위로 누적하여 위상차 라인을 구하고, 상기 위상차 라인에서의 천이횟수를 카운트하여 출력하는 위상 변화량 추정부와,
    상기 천이횟수 카운트 값에 따라 상기 타이밍 오류를 복구하기 위한 타이밍 오류 복구 신호를 출력하는 타이밍 오류 복구 신호 발생부를 포함함을 특징으로 하는 타이밍 오류 복구 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 파일럿 샘플의 위상과 기준 위상간의 위상차는 하기 수학식 12에 의해 계산됨을 특징으로 하는 타이밍 오류 복구 시스템.
    단, 상기 수학식 12에서 n=0, 1, 2,....,N-1 :샘플 수
    m=0, 1, 2,...., :심볼 수
    N: 1 심볼 당 샘플 수
    G: 보호구간의 샘플 수
    Km[n]: m 번째 심볼에서 n 번째 샘플의 주파수 옵셋
    Pe :공통 위상 에러
    Wm[n]: m 번째 심볼의 백색 가우시안 잡음(AWGN)
  5. 송신기가 미리 설정되어 있는 제1 개수의 데이터 심볼들 주기로 파일럿 심볼이 삽입된 직교주파수분할 다중 전송 심볼열을 송신하고, 수신 신호를 고속 푸리에 변환하여 수신 심볼열을 출력하는 직교주파수분할다중/부호분할다중접속 통신시스템에서 타이밍 오류를 복구하는 시스템에 있어서,
    상기 수신 심볼열에 상기 데이터 심볼들 주기로 삽입되어 있는 파일럿 심볼을 검출하는 파일럿 심볼 검출기와,
    상기 검출한 파일럿 심볼의 위상차 라인을 결정한 후 상기 결정한 위상차 라인을 가지고 타이밍 오류 복구 신호를 생성하는 타이밍 복구기와,
    상기 타이밍 오류 복구 신호를 가지고 샘플링 동기를 결정하고, 상기 결정한 샘플링 동기에 의해 상기 직교주파수분할 다중 전송 심볼열을 디지털 변환하는 아날로그/디지털 변환부와,
    상기 타이밍 오류 복구 신호를 가지고 프레임 동기를 결정하고, 상기 결정한 프레임 동기에 의해 상기 디지털 변환된 직교주파수분할 다중심볼열의 심볼들 각각에 삽입된 보호구간을 제거하는 보호구간 제거기를 포함함을 특징으로 하는 타이밍 오류 복구시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 타이밍 복구기가,
    상기 파일럿 심볼의 위상을 샘플 단위로 검출하는 위상 검출기와,
    상기 검출된 파일럿 샘플의 위상과 미리 설정되어 있는 기준 위상간의 위상차를 검출하여 미리 설정되어 있는 범위 내의 값으로 변환하여 출력하는 위상차 검출기와,
    상기 범위 내의 위상차를 심볼단위로 누적하여 위상차 라인을 구하고, 상기 위상차 라인에서의 천이횟수를 카운트하여 출력하는 위상 변화량 추정부와,
    상기 천이횟수 카운트 값에 따라 상기 타이밍 오류를 복구하기 위한 타이밍 오류 복구 신호를 출력하는 타이밍 오류 복구 신호 발생부를 포함함을 특징으로 하는 타이밍 오류 복구 시스템.
  7. 미리 설정되어 있는 개수의 데이터 심볼들 주기로 파일럿 심볼을 삽입하여 전송 심볼열로 송신하는 직교주파수분할다중 시스템에서 타이밍 오류 복구 방법에 있어서,
    상기 전송 심볼열을 수신하고, 상기 전송 심볼열에 상기 데이터 심볼들 주기로 삽입되어 있는 파일럿 심볼을 검출하는 과정과,
    상기 검출된 파일럿 심볼의 위상과 미리 설정되어 있는 기준 위상과의 위상차를 구하여 미리 설정되어 있는 범위내의 위상차 값으로 변환하는 과정과,
    상기 변환된 위상차 값의 천이 횟수를 이용하여 상기 전송 심볼열 수신시 타이밍 오류를 복구하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 타이밍 오류 복구 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 범위는 ±π임을 특징으로 하는 타이밍 오류 복구 방법.
  9. 미리 설정되어 있는 개수의 데이터 심볼들 주기로 파일럿 심볼을 삽입하여 전송 심볼열로 송신하는 직교주파수분할다중 시스템에서 타이밍 오류 복구 방법에 있어서,
    상기 전송 심볼열을 수신하고, 상기 전송 심볼열에 상기 데이터 심볼들 주기로 삽입되어 있는 파일럿 심볼을 검출하는 과정과,
    상기 검출된 파일럿 심볼을 샘플 단위로 위상을 검출하는 과정과,
    상기 검출된 각 샘플들의 위상과 미리 설정되어 있는 기준 위상의 위상차를 각각 구하여 미리 설정되어 있는 범위내의 위상차로 변환하는 과정과,
    상기 샘플들 각각에 대해서 상기 범위 내에서의 천이 횟수를 카운트하는 과정과,
    상기 카운트 값이 미리 설정한 설정값을 초과하는지 검사하는 과정과,
    상기 검사 결과 상기 카운트 값이 상기 설정값보다 크면 그 카운트 값에 따라 상기 샘플 주기의 정수배인 타이밍 오류를 복구하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 타이밍 오류 복구 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 카운트 값이 상기 설정 값 이하일 경우 천이가 없는 선형 위상차 라인으로 변환한 후, 상기 선형 위상차 라인 기울기를 추정하여 타이밍 오류를 복구하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 타이밍 오류 복구 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 선형 위상차 라인의 기울기는 하기 수학식 13에 의해 계산됨을 특징으로 하는 타이밍 오류 방법.
    단, 상기 수학식 13에서 N: 1 심볼 당 샘플 수
    w: 노이즈
    a: 기울기
  12. 제9항에 있어서, 상기 설정값은 1임을 특징으로 하는 타이밍 오류 복구 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 범위는 ±π임을 특징으로 하는 타이밍 오류 복구 방법.
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