KR100744490B1 - Ｏｆｄｍ 시스템의 블록 동기 추적 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동기 정보 없이 들어온 데이터를 복원하면서 동기를 맞추고 베이스밴드 신호로 천이시키기 위한 복소 정현파를 찾아내는 OFDM 시스템의 블록 동기 추적 장치를 제공하기 위한 것으로서, 동기 신호를 포함하고 있지 않은 신호를 수신하여 I,Q 베이스밴드 신호로 천이하는 I/Q 분리부; 상기 I,Q 베이스밴드 신호를 고속 푸리에 변환(FFT)하는 FFT부; 상기 FFT를 해야하는 각 블록의 시작점을 찾아내어 상기 I,Q 베이스밴드를 천이시키기 위한 복소 정현파 값을 구하는 FFT 동기 복구부; 한 블록에 해당하는 크기를 가지며, 상기 FFT 신호를 저장하는 저장부; 상기 저장부의 출력 샘플에 절대치를 취하고, FFT되어 입력되는 현재 샘플에 절대치를 취한 후 두 절대치 값의 차를 구하는 연산부; 상기 연산부에서 출력되는 값을 다수 블록만큼 합하여 평균값을 구하는 평균부; 및 상기 평균값을 근거하여 상기 복소 정현파 값을 보정하여 상기 FFT 동기 복구부로 출력하고 블럭 동기 지점을 추적하는 잡음 판단부를 포함하여 이루어진다.

동기 신호, OFDM, FFT

Description

ＯＦＤＭ 시스템의 블록 동기 추적 장치{Apparatus for tracing synchronous of Orthogonal Frequency Division Multiplexing receiver}

도 1은 일반적인 OFDM 수신 시스템의 구성 블록도

도 2는 본 발명에 따른 OFDM 수신 시스템의 구성 블록도

도 3은 도 2의 FFT부의 상세 블록도

도 4는 도 2의 FFT 동기 복구부의 상세 블록도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : A/D 변환기 200 : I/Q 변환부

300 : 직/병렬 변환부 400 : FFT부

500 : 병/직렬 변환부 600 : 에러 정정부

710 : 저장부 720,730 : 절대치 연산부

740 : 감산기 750 : 평균부

751 : 가산부 752 : 래치

753 : 카운터 754 : 디바이더

760 : 제로 검출부 770 : 위치 이동부

780 : 옵셋 검출부 791 : sin 롬

792 : cos 롬

본 발명은 디지털 TV 전송에 관한 것으로서, 특히 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : OFDM) 방식으로 전송되는 신호의 동기를 검출하는 OFDM 수신 시스템의 블록 동기 추적 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 디지털 TV의 전송 방식에는 크게 하나의 단일 캐리어를 이용하는 싱글 캐리어 변조(Modulation) 방식과 복수의 다중 캐리어를 이용하여 원하고자 하는 데이터를 전송하는 멀티 캐리어 변조 방식으로 구분할 수 있다.

즉, 상기 디지털 TV의 전송 방식은 하나의 단일 캐리어를 이용하는 잔류 측파대(Vestigial Side Band ; VSB) 방식과 복수개의 캐리어를 이용하는 OFDM 방식으로 구분된다.

이중에서 복수의 다중 캐리어를 사용하는 OFDM 방식은 다중 경로 채널에 의한 신호의 손상을 쉽게 복원할 수 있는 특징이 있으며 기존의 싱글 캐리어와는 달리 SFN(Single Frequency Network)이 가능한 것도 하나의 특징이다.

그리고, 이러한 OFDM은 데이터를 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)이라는 방식으로 매핑하여 전송을 하는데 주로 사용되는 변조 방식은 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 16-QAM, 64-QAM 등이 있다.

즉, OFDM 방식에 의해 원하는 데이터를 전송하려면 우선 상기된 3가지 변조 방법 중의 한가지로 데이터를 매핑하여 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform ; IFFT)한 후 전송한다. 이때, 전송하는 캐리어의 수에 따라 캐리어의 수가 1705개인 2K 모드와 6817개인 8K 모드로 다시 나뉘어진다. 예를 들어, 2K 모드인 경우 OFDM 심볼은 2048개의 샘플수로 이루어진다.

그러면, OFDM 수신 시스템은 수신된 신호를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform ; FFT)함으로써 일반 전송 방식에서의 복조가 가능하게 된다.

이때, 수신된 신호가 2K 모드인 경우 OFDM 수신 시스템은 2048-포인트 FFT를 사용하게 되며 8K 모드인 경우에는 8192-포인트 FFT를 사용해야 한다.

또한, 상기 OFDM 수신 시스템에서 FFT를 하기 위해서는 수신된 신호의 디지털 샘플(Digital sample) 중 어디서부터(즉, FFT할 데이터 샘플의 시작점)와 얼만큼(즉, FFT할 데이터의 샘플 구간) FFT를 해야하는가를 알아야지만 정확한 FFT 결과를 얻어낼 수 있다. 이를 위해서 동기 신호를 검출하여야 한다.

이를 위해 통상 OFDM 수신측에서는 동기 신호를 삽입하여 전송한다.

도 1은 종래의 OFDM 수신 시스템의 개략도로서, 안테나를 통해 수신된 RF 신호는 튜너(10)를 통해 중간 주파수(IF) 신호로 변환된 후 A/D 변환부(20)에서 디지털화된다. 그리고, 상기 디지털화된 신호는 I/Q 분리부(30)로 입력되어 I 신호와 Q 신호로 분리된 후 동기 추적부(40)로 입력된다. 상기 동기 추적부(40)는 입력되는 I,Q 신호로부터 동기 신호를 검출하여 FFT부(50)로 출력한다. 상기 FFT부(50)는 상기 동기 신호에 동기시켜 수신된 데이터를 FFT하여 에러 정정부(60)로 출력한다.

상기 에러 정정부(60)는 상기 FFT된 신호를 입력받아 상기 채널 임펄스 응답으로 나누어 채널에 의해 왜곡된 캐리어를 보상한 후 디맵핑을 위해 출력한다.

이때, 상기와 같은 OFDM 수신 시스템은 송신측에서 동기 신호를 삽입하여 전송하는 경우에 가능하다.

그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 OFDM 수신 시스템은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 송신측에서 부가적인 동기 신호를 넣어서 송신하므로 대역폭이 증가하게되고, 또한 전력 소비도 많아지게 되는 문제점이 있다.

둘째, 패스밴드(pass band)의 신호를 베이스밴드(base band) 신호로 천이시키기 위한 복소 정현파(Sin(wt), Cos(wt))를 포착하기 위해서 부가적인 루프가 필요한 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 동기 정보 없이 들어온 데이터를 복원하면서 동기를 맞출 수 있는 OFDM 시스템의 블록 동기 추적 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 데이터를 복원하면서 그 정보로 베이스밴드 신호로 천이시키기 위한 복소 정현파를 찾아내는 OFDM 시스템의 블록 동기 추적 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 OFDM 시스템의 블록 동기 추적 장치의 특징은 동기 신호를 포함하고 있지 않은 신호를 수신하여 I,Q 베이스밴드 신호로 천이하는 I/Q 분리부; 상기 I,Q 베이스밴드 신호를 고속 푸리에 변환(FFT)하는 FFT부; 상기 FFT를 해야하는 각 블록의 시작점을 찾아내어 상기 I,Q 베이스밴드를 천이시키기 위한 복소 정현파 값을 구하는 FFT 동기 복구부; 한 블록에 해당하는 크기를 가지며, 상기 FFT 신호를 저장하는 저장부; 상기 저장부의 출력 샘플에 절대치를 취하고, FFT되어 입력되는 현재 샘플에 절대치를 취한 후 두 절대치 값의 차를 구하는 연산부; 상기 연산부에서 출력되는 값을 다수 블록만큼 합하여 평균값을 구하는 평균부; 및 상기 평균값을 근거하여 상기 복소 정현파 값을 보정하여 상기 FFT 동기 복구부로 출력하고 블럭 동기 지점을 추적하는 잡음 판단부를 포함한다.

이때 상기 FFT 동기 복구부는 상기 연산부의 출력에 제로가 있으면 그 지점부터 FFT하도록 심볼의 위치를 이동시키는데 다른 특징이 있다.

이때 상기 FFT 동기 복구부는 상기 연산부의 출력에 제로가 없으면 상기 연산부의 출력값에 해당하는 옵셋을 출력하는 옵셋 검출부와, 상기 옵셋 검출부의 옵셋 값에 해당하는 복소 정현파를 생성하여 상기 I/Q 분리부로 출력하는 롬 테이블을 더 포함하여 구성되는데 또 다른 특징이 있다.

그리고 상기 잡음판단부는 평균을 내고자 하는 블록의 개수를 카운트하는 카운트부와, 상기 카운트부에서 인에이블 신호가 입력될 때까지 연산부에서 출력되는 값을 합산하는 가산부와, 상기 가산부에서 합산된 값과 상기 카운트부에서 카운트된 블록의 개수를 이용하여 평균값을 구하는 디바이더를 포함하여 구성되는데 또 다른 특징이 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 OFDM 시스템의 블록 동기 추적 장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 OFDM 수신 시스템의 구성 블록도로서, 입력되는 IF신호를 디지털화하는 A/D 변환부(100), 상기 A/D 변환부(100)에서 출력되는 신호를 I(RE) 신호와 Q(Im) 신호를 분리하는 I/Q 분리부(200), 상기 I/Q 분리부(200)를 통해 입력되는 신호를 병렬로 변환하는 직/병렬 변환부(300), 상기 직/병렬 변환부(300)에서 출력된 신호를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform ; FFT)하는 FFT부(400), 상기 FFT부(400)에서 출력되는 신호를 직렬로 변환하는 병/직렬 변환부(500), 그리고 에러를 정정하는 에러 정정부(600)가 순차 연결되어 구성된다.

이때, 상기 FFT부(400)의 출력은 FFT 동기 복구부(700)로 입력되고, 상기 FFT 동기 복구부(700)는 동기 신호 정보가 없는 데이터에서 동기 신호를 검출하여 상기 FFT부(400)로 출력함과 동시에 베이스밴드로 천이시키기 위한 복소 정현파(Cos(wt), Sin(wt))를 상기 I/Q 분리부(200)로 출력한다.

즉, A/D 변환부(100)에서 디지털화된 패스밴드 신호는 I/Q 분리부(200)로 입력되고, 상기 I/Q 분리부(200)는 상기 패스밴드 디지털 신호에 FFT 동기 복구부(700)에서 제공되는 복소 정현파(Cos(wt), Sin(wt))를 곱하여 패스밴드 디지털 신호를 베이스밴드 디지털 신호로 천이하면서 동시에 I, Q 신호로 분리한다.

도 3은 도 2의 FFT부의 상세 블록도이고, 도 4는 도 2의 FFT 동기 복구부의 상세 블록도이다.

도 4에 나타내고 있는 상기 FFT 동기 복구부(700)는 한 블록에 해당하는 크기를 가지는 저장부(710)에 상기 FFT부(400)에서 출력되는 샘플 신호를 저장한다. 그리고 상기 저장부(710)에서 출력되는 샘플 신호에 제 1 절대치 연산부(720)를 통해 절대치를 취한다.

그리고 상기 FFT부(400)에서 그 다음으로 출력되는 샘플 신호를 제 2 절대치 연산부(730)를 통해 절대치를 취한 후, 상기 제 1, 및 제 2 절대치 연산부(720)(730)에서 각각 절대치를 취한 값의 차를 감산기(740)를 통해 구한다.

이때 가산부(751)는 감산기(740)에서 출력되는 다수의 블록들의 차이값들을 계속해서 가산한다. 그리고 카운터(735)에서 셋팅된 블록의 개수만큼 카운트가 완료되어 래치(752)로 인에이블 신호를 인가하면 가산을 멈춘다.

그러면 상기 가산부(751)는 카운트된 개수의 블록에 대한 합계값만을 출력하게 되고 이를 디바이더(754)에서는 상기 카운터(753)에서 카운트된 블록의 개수로 나누어 평균값을 구한다.

그리고 제로 검출부(760)에서는 상기 디바이더(754)의 출력으로부터 제로값이 있는지의 여부를 판단해 주고, 제로값이 있다면 위치 이동부(770)에서는 제로값인 지점부터 FFT하도록 블록의 위치(position)를 이동시킨다.

그리고 제로값이 없는 경우는 옵셋 검출부(780)에서 상기 제로 검출부(760)의 출력으로부터 옵셋을 검출하여 정현파와 여현파를 분리하여 출력한다.

상기 출력되는 정현파 Sin(wt)은 정현파 룸(791)을 통해 그리고 여현파 Cos(wt)는 여현파 룸(792)을 통해 상기 I/Q 분리부(200)로 출력한다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 OFDM 시스템의 블록 동기 추정장치의 동작을 상세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, A/D 변환부(100)는 입력되는 패스밴드의 IF 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 I/Q 분리부(200)로 출력한다.

그리고 상기 I/Q 분리부(200)는 상기 패스밴드 디지털 신호에 FFT 동기 복구부(700)에서 제공되는 복소 정현파(Cos(wt), Sin(wt))를 곱하여 패스밴드 디지털 신호를 베이스밴드 디지털 신호로 천이하면서 동시에 I,Q 신호로 분리하여 직/병렬 변환부(300)로 출력한다.

이어 상기 직/병렬 변환부(300)는 상기 베이스밴드 디지털 신호를 FFT할 수 있도록 병렬 신호로 변환하여 FFT부(400)로 출력한다.

이때 상기 FFT부(400)는 도 3에서와 같이 멀티캐리어를 곱해주는 부분의 등가 회로이다.

상기 FFT부(400)에서 생성된 신호 S(t)는 하기의 수학식 1과 같다.

여기서, N은 단위당 심볼 개수, f_k는 k번째의 반송파 주파수이다.

그리고, 상기 수학식 1을 복소 해석적으로 표현하면 하기의 수학식 2와 같 다.

여기서, S(k) = A(k) + jB(k)이다.

또한, 상기 수학식 2의 OFDM 신호를 Ts 간격으로 표본화하고, 이를 그대로 복소수로 나타내면 하기의 수학식 3과 같다.

여기서, Ts는 심볼 간격이고, t=mTs이다.

이와 같이 상기 FFT부(400)는 멀티캐리어를 사용함으로써, 다중 경로(multi path)에 의한 신호의 왜곡에 강한 특성을 나타낸다.

즉, 본 발명은 멀티패스에 강한 OFDM의 신호 처리 방식인 다중 주파수를 곱해주는 방식을 FFT에 사용함으로써, 케이블 모뎀을 무선화하면서 생길 수 있는 멀티패스에 의한 신호 왜곡을 막아줄 수 있다.

이와 같이 상기 FFT부(400)에서 FFT된 샘플 신호는 병/직렬 변환부(500)에서 다시 직렬 신호로 변환되어 에러 정정부(600)로 출력됨과 동시에 심볼 복구를 위해 FFT 동기 복구부(700)로 출력된다.

상기 FFT 동기 복구부(700)는 정확한 FFT 위치를 잡아내기 위한 신호 추적을 한다. 여기서, FFT 위치란 FFT를 해야하는 각 심볼의 시작점을 찾아내는 것을 말한다.

또한, 상기 FFT 동기 복구부(700)는 루프를 돌며 패스밴드 신호를 베이스밴드 신호로 천이시키기 위한 복소 정현파(Cos(wt),Sin(wt))도 추적한다.

상기 FFT부(400)에서 출력되는 샘플 신호는 저장부(710)에 저장됨과 동시에 제 2 절대치 연산부(730)로 입력된다. 상기 저장부(401)는 한 블록을 저장할 수 있는 크기를 가지고 있으며, 상기 저장부(401)의 출력은 제 1 절대치 연산부(720)로 입력된다.

즉, 상기 제 1, 제 2 절대치 연산부(720, 730)에서 절대치화된 FFT 신호는 한 블록만큼의 차이를 가지고 있으며, 상기 제 1, 제 2 절대치 연산부(720,730)의 출력은 감산기(740)로 입력되어 그 차이 값이 검출된다.

이때 하나의 블록에 의해 연산된 값으로 동기 신호 및 복소 정현파(Cos(wt), Sin(wt))를 복원하는 것은 노이즈 또는 에러발생에 따른 부정확한 동작을 통해 부정확한 값과 FFT 위치를 찾게 되는 문제가 발생할 수 있다.

따라서 상기 감산기(740)를 통해 연산된 값을 여러 블록에 대해 평균된 평균값을 사용함으로서 보다 효과적인 값과 지점을 찾게 된다.

그 방법으로 카운터(753)를 통해 평균을 내고자 하는 블록의 개수를 카운트한다. 이때 카운트되는 블록의 개수는 여러 번의 시뮬레이션(simulation)을 통해 가장 적당한 값으로 셋팅해 준다.

동시에 가산부(751)는 감산기(740)에서 다수의 블록을 통해 출력되는 값들을 계속해서 합산한다. 그리고 카운터(753)에서 셋팅된 블록의 개수만큼 카운트가 완료되어 래치(752)로 인에이블 신호를 인가하면 가산을 멈춘다.

그러면 상기 가산부(752)는 카운트된 개수의 블록에 대한 합계값만을 출력하게 되고 이를 디바이더(754)에서는 상기 카운터(753)에서 카운트된 블록의 개수로 나누어 평균값을 구한다.

이 평균값이 일정한 문턱(threshold)값을 넘을 경우에는 베이스밴드로 떨어뜨려주는 w의 값을 잘못 찾은 것으로 인식하고, 그 벗어난 정도에 따라 Sin(wt)과 Cos(wt)를 출력한다.

그리고 일정한 문턱(threshold)값을 넘지 않을 경우에는 제대로 캐리어 복원이 이루어진 것으로 보고 블록의 동기를 맞추어 나간다.

이때, FFT부(400)에서 각 심볼의 시작점에 맞추어 FFT 되었다면 FFT된 심볼의 각 데이터들은 +1, -1의 값만 갖게 된다. 이럴 경우 절대값을 취해 빼 주게 되면 감산기(740)의 출력은 제로가 된다. 그러므로 이 지점을 찾아내면 동기를 찾아내게 된다.

또한, FFT부(400)에서 각 심볼의 시작점에 맞지 않게 FFT 되었다면 즉, 동기가 맞지 않으면 FFT된 심볼의 각 데이터들은 +1, -1 이외의 값을 가질 수 있으므로 상기 감산기(740)의 출력은 틀어진 정도에 비례하는 값을 출력한다.

따라서, 제로 검출부(760)에서는 상기 디바이더(754)의 출력이 제로인지, 제로가 아닌지를 판별하고, 위치 이동부(770)는 상기 제로 검출부(760)의 출력에 따 라 위치 이동 신호 또는 동기 신호를 상기 FFT부(400)로 출력한다.

즉, 상기 위치 이동부(770)에서는 제로값이 있으면 그 지점에서부터 FFT하도록 심볼의 위치를 이동시키는 신호를 상기 FFT부(400)로 출력한다.

한편, 상기 제로 검출부(760)에서 제로값이 검출되지 않으면 베이스밴드 신호로 천이시키기 위한 복소 정현파(Cos(wt),Sin(wt))의 값이 잘못된 것이므로 옵셋 검출부(780)에서는 값이 틀어진 정도에 따라 옵셋을 생성하여 정현파 신호를 출력하는 SIN 롬(791)과 여현파 신호를 출력하는 COS 롬(792)으로 출력한다.

상기 SIN, COS 롬(791,792)은 상기 옵셋에 해당하는 값을 읽어내어 I/Q 분리부(200)로 출력한다.

즉, 상기 옵셋 검출부(780)는 베이스밴드 신호로 천이시키기 위해 루프를 돌면서 w를 바꾸어가며 정확한 복소 정현파(Cos(wt),Sin(wt)) 값을 찾아낸다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 OFDM 시스템의 블록 동기 추적 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 동기 신호 없이 수신되는 데이터를 복원하면서 생긴 틀어진 값들을 이용하여 각 심볼의 동기를 잡아주고, 또한 그 값을 이용하여 베이스밴드로 천이시키기 위한 복소 정현파를 검출함으로써, 송신측에서는 동기 신호를 삽입할 필요가 없어 대역폭을 줄이고 전력의 낭비를 줄이는 효과가 있다.

둘째, 패스밴드 신호를 베이스밴드로 천이시키기 위해 필요한 복소 정현파 생성 회로를 없앨 수 있으므로 회로를 단순화할 수 있다.

셋째, 한 개의 블록만을 계산하지 않고 여러 개의 블록에 대한 평균을 취함으로써 노이즈에 영향을 받더라도 변함없이 동작할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (4)

1. 동기 신호를 포함하고 있지 않은 신호를 수신하여 I,Q 베이스밴드 신호로 천이하는 I/Q 분리부;

   상기 I,Q 베이스밴드 신호를 고속 푸리에 변환(FFT)하는 FFT부;

   상기 FFT를 해야하는 각 블록의 시작점을 찾아내어 상기 I,Q 베이스밴드를 천이시키기 위한 복소 정현파 값을 구하는 FFT 동기 복구부;

   한 블록에 해당하는 크기를 가지며, 상기 FFT 신호를 저장하는 저장부;

   상기 저장부의 출력 샘플에 절대치를 취하고, FFT되어 입력되는 현재 샘플에 절대치를 취한 후 두 절대치 값의 차를 구하는 연산부;

   상기 연산부에서 출력되는 값을 다수 블록만큼 합하여 평균값을 구하는 평균부; 및

   상기 평균값을 근거하여 상기 복소 정현파 값을 보정하여 상기 FFT 동기 복구부로 출력하고 블럭 동기 지점을 추적하는 잡음 판단부를 포함하여 이루어진 OFDM 수신 시스템의 블록 동기 추적 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 FFT 동기 복구부는

   상기 연산부의 출력에 제로가 있으면 그 지점부터 FFT하도록 심볼의 위치를 이동시키는 것을 특징으로 하는 OFDM 수신 시스템의 블록 동기 추적 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 FFT 동기 복구부는

   상기 연산부의 출력에 제로가 없으면 상기 연산부의 출력값에 해당하는 옵셋을 출력하는 옵셋 검출부와,

   상기 옵셋 검출부의 옵셋 값에 해당하는 복소 정현파를 생성하여 상기 I/Q 분리부로 출력하는 롬 테이블을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 OFDM 수신 시스템의 블록 동기 추적 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 잡음판단부는

   평균을 내고자 하는 블록의 개수를 카운트하는 카운트부와,

   상기 카운트부에서 인에이블 신호가 입력될 때까지 연산부에서 출력되는 값을 합산하는 가산부와,

   상기 가산부에서 합산된 값과 상기 카운트부에서 카운트된 블록의 개수를 이용하여 평균값을 구하는 디바이더를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 OFDM 시스템의 블록 동기 추적 장치.

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