KR20010010342A

KR20010010342A - 보간 필터를 사용한 타이밍 복원장치 및 방법

Info

Publication number: KR20010010342A
Application number: KR1019990029162A
Authority: KR
Inventors: 김명섭; 송윤정; 이성팔
Original assignee: 정선종; 한국전자통신연구원
Priority date: 1999-07-19
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2001-02-05
Also published as: KR100346783B1

Abstract

본 발명은 보간 필터를 사용한 타이밍 복원장치 및 방법에 관한 것으로서, 고정 클록에 의해서 구동되는 A/D(Analog to digital) 변환기의 출력신호를 정합필터에서 필터링하고, 보간 필터를 이용하여 신호를 보간한 후, 타이밍 오차 검출기로부터 심볼 타이밍 위상차를 검출하며, 상기 검출된 심볼 타이밍 위상차에 따라 제어회로에서 보간 필터의 계수를 선택하여 그 보간 필터의 계수를 가지고 타이밍 위상차를 제거하는 기능을 수행하도록 하였고, 보간 필터의 특성상 시간 지연에 따라 사용되는 필터 계수를 그 필터 계수들간의 대칭성을 이용하여 계산양과 계산 시간을 1/2로 줄일 수 있도록 함으로써, 기저대역에서 수신 신호의 심볼 타이밍을 복원할 수 있으며, 보간 필터 구조의 복잡도를 1/2로 줄일 수 있다.

Description

보간 필터를 사용한 타이밍 복원장치 및 방법{Apparatus of timing recovery using interpolation filter}

본 발명은 보간 필터를 사용한 타이밍 복원장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 4위상 천이 방식(QPSK)이나 직교 진폭 변조(QAM) 방식으로 변조된 신호를 복조할 때, 보간 필터와 타이밍 오차 검출기를 사용하여 수신 신호의 심볼 타이밍을 복원하기 위한 타이밍 복원장치 및 방법에 관한 것이다.

고속의 위성 통신을 포함한 무선 통신시 4위상 천이 방식(QPSK:Quaternary Phase Shift Keying)이나 직교 진폭 변조(QAM:Quadrature Amplituded Modulation) 등과 같은 디지털 모뎀을 이용하는 경우 데이터 심볼과 샘플링 위치가 동기 되지 않으면 심볼 타이밍을 복원하기 위한 회로가 요구되며, 이와 같이 심볼 타이밍을 복원하기 위한 방법으로 위상 고정 루프(PLL:Phase Locked Loop)를 수신 신호의 샘플에 직접 작용함으로써 오차 신호를 만들고 그 궤환 값에 의해 추적 점을 교정해 나가도록 하는 방법이 많이 사용되고 있다.

이를 위해 종래에는 보간 필터를 이용하여 심볼 타이밍을 복원하는 방법이 많이 사용하였는데, 특히, 스테판(Stephen) K에 의해 제안된 방법에서는 보간 필터로서 나이퀴스트(Nyquest) 필터를 사용하였으며, 심볼 타이밍 복원 회로에서 제공되는 제어 신호는 보간 필터의 입력 신호에 의해 심볼 타이밍 위상차를 검출하고 검출된 심볼 위상차에 따라 보간 필터에서 사용되는 계수 군을 선택하는 개방 루프 제어 방식을 선택하였다. 그러나, 이와 같이 복원 회로에 아날로그 PLL(Phase Locked Loop)이나 DPLL (Digdtal PLL)을 사용할 경우 나 보간 필터로 나이퀴스트 필터를 사용하는 경우 수 백 Mbps의 고속 통신에서 완벽한 필터의 구현이 어려우므로 회로가 복잡해지고 성능 저하가 일어날 수 있다는 문제점이 있으므로, 고속 통신에서 시스템의 성능 저하를 막으면서 회로 구현 상의 복잡도를 줄이는 디지털 방식의 심볼 타이밍 복원 회로를 구현하기 위해 PLL 방식을 배제하면서도 성능 저하를 방지하는 구현 장치가 필요하다.

따라서, 본 발명에서는 상기 단점을 보완하기 위해 레이즈드-코사인(Raised- Cosine)필터를 보간 필터로 사용하며, PLL을 사용하지 않고 보간 필터의 계수군을 몇 개로 묶은 후 심볼 타이밍 위상차에 따라 보간 필터의 계수군을 선택하여 심볼 타이밍 위치와 보간 필터 출력을 내보내도록 하는 타이밍 복원장치 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명에서 제공하는 타이밍 복원장치는 고정 클록에 의해서 구동되는 A/D(Analog to digital) 변환기의 출력신호를 정합필터에서 필터링하고, 보간 필터를 이용하여 신호를 보간한 후, 타이밍 오차 검출기로부터 심볼 타이밍 위상차를 검출하며, 상기 검출된 심볼 타이밍 위상차에 따라 제어회로에서 보간 필터의 계수를 선택하여 그 보간 필터의 계수를 가지고 타이밍 위상차를 제거하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다. 또한, 보간 필터의 특성상 시간 지연에 따라 사용되는 필터 계수를 그 필터 계수들간의 대칭성을 이용하여 계산양과 계산 시간을 1/2로 줄일 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 통신 시스템에 대한 블록 구성도,

도 2는 본 발명의 심볼 타이밍 복원장치에 대한 블록 구성도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 보간 필터 출력을 계산하는 과정에 대한 처리 흐름도,

도 4는 일반적인 보간 필터에 대한 구조도,

도 5는 본 발명의 보간 필터에 대한 구조도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

110 : A/D 변환기 120 : 고정 주파수 클럭 블록

130 : 주파수 하향기 및 정합 필터 140 : 타이밍 복원회로

141 : 디지털 보간 필터 142 : 심볼 타이밍 복원장치

150 : 반송파 복원회로 151 : 반송파 위상 검출기

152 : 반송파 복원장치 160 : 결정블록

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 복원장치 및 방법을 좀 더 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 통신 시스템에 대한 블록 구성도로서, 도 1을 참조하면 본 발명이 적용되는 통신 시스템은 수신된 신호를 고속 통신에서 동작하도록 하기 위해 고정 주파수로 동작하는 고정 주파수 클럭(120)에 의해 디지털 신호로 변환하는 A/D(Analog/Digital) 변환기(110)와, 그 A/D 변환기(110)에 의해 변환된 디지털 신호를 주파수 하향시키며, 희망신호를 검출하기 위한 주파수 하향기 및 정합 필터(130)와, 고정 클럭에 의해서 구동되는 A/D 변환기(110)를 사용하기 때문에 송수신기의 사용 클럭의 차이로 발생하는 타이밍 슬립(Slip)을 방지하기 위해 타이밍 복원을 수행하는 타이밍 복원회로(140)와, 상기 타이밍 복원 회로의 출력신호에서 반송파 위상차를 복원하는 반송파 복원 회로(150)와, 상기 타이밍 및 반송파가 복원된 신호에서 실제 전송된 데이터를 검출하는 결정 블록(160)으로 구성된다.

이 때, 상기 A/D 변환기(110)는 고정 클럭을 이용하기 때문에 송신기에서 사용하는 기준 클럭과 수신기에서 사용하는 클럭 간의 차이로 인해서 심볼 타이밍 슬립이 발생하며, 이를 보상하기 위해 상기 타이밍 복원 회로에서 보간 필터를 필요로 한다.

또한, 상기 주파수 하향기 및 정합 필터(130)는 상기 디지털로 변환된 신호를 기저대역으로 주파수 하향 변환하고, 실수(Real) 신호를 I-위상(phase)과 Q-위상(phase) 신호의 복소수 신호로 바꾼 후 병렬 형태의 정합 필터에서 저역 필터링을 수행한다. 이 때, 상기 정합 필터 부분은 고속에서 동작하는 복조기에서 계산 양이 가장 많고 복잡한 회로이기 때문에 이 부분의 계산 양을 줄이면서 주파수를 하향하는 기능을 제공하기 위하여 상기 주파수 하향기 및 정합 필터(130)는 정합 필터 기능과 주파수 하향 기능을 동시에 수용하는 구조를 사용한다.

한편, 상기 타이밍 복원 회로(140)는 상기 A/D 변환기(110)에서 발생된 타이밍 슬립(Slip)을 방지하기 위해 레이즈드-코사인(Raised-Cosine)필터로 구성되어 상기 주파수 하향기 및 정합 필터(130)의 출력신호를 보간하는 디지털 보간 필터(141)와 심볼 타이밍 복원장치(142)로 구성되며, 반송파 복원 회로(150)는 상기 디지털 보간 필터에서 출력된 신호에서 반송파 위상을 검출하는 반송파 위상 검출기(151)와, 그 반송파 위상 검출기(151)의 출력신호를 다시 피드백시키도록 하는 반송파 복원장치(152)로 구성된다.

도 2는 본 발명의 심볼 타이밍 복원장치에 대한 블록 구성도로서, 도 2를 참조하면 상기 심볼 타이밍 복원장치(142)는 상기 주파수 하향기 및 정합 필터(130)에서 출력된 신호를 이용하여 타이밍 위상차를 검출하는 타이밍 오차 검출기(210)와, 상기 검출된 위상차를 기준 문턱값에 도달할 때까지 적분하는 적분기(230)와, 상기 적분기(230)에서 적분되어 출력된 값과 문턱값을 비교하는 문턱값 비교기(240)와, 상기 문턱값 비교기(240)의 비교 결과 상기 적분기(230)의 출력값이 문턱값 보다 클 경우 다른 보간 필터의 계수군을 선택하도록 제어하여 타이밍 위상차를 제거하기 위한 제어 신호를 출력하는 타이밍 위상 제어기(250)와, 일정 기준을 벗어날 경우 그 문턱값을 리셋하도록 제어하는 리셋 회로(220)로 구성된다.

이 때, 상기 타이밍 위상 제어기(250)에서 출력되는 제어 신호는 보간 필터(141)에 입력되어 보간 필터의 출력을 위상차이 만큼 보상하는 위치에서 심볼 블록이 형성되도록 보간 필터의 계수를 선택 하도록 한다.

한편, 상기 타이밍 오차 검출기(210)는 여러 가지의 궤환 루프 방식 중에 가드너(Gardner)의 결정-지향(Decision-directed)방식을 채택하였는데, 이 방법은 심볼 타이밍에서 결정된 샘플 값과 심볼 타이밍 지점에서 1/2 차이를 가지는 지점에서의 샘플 값을 이용하여 입력 신호에 대한 심볼 타이밍 위상차를 검출하는 방법이다.

이와 같이하여 검출된 오차신호는 상기 적분기(230)에서 적분되며, 상기 문턱값 비교기(240)의 비교 결과 그 적분된 신호가 문턱 값을 넘어서면 타이밍 위상 제어기(250)에서는 제어기를 구동하기 위한 제어 신호를 발생한다.

이 때, 문턱 값은 양과 음의 값을 가지며 적분된 신호가 양의 방향으로 기준 값을 넘으면 +1의 값을 출력하고 음의 문턱 값 보다 작은 값을 가지면 -1의 값을 출력 하며, 이 값을 이용하여 심볼 타이밍 제어회로(250)에서는 보간 필터(141)에서 사용되는 보간 필터 계수 군을 선택하고 심볼 타이밍을 제어하는 기능을 수행하는데, 상기 문턱값이 +1 이나 -1인 경우 적분기에 저장된 값을 리셋(reset)하기 위해 상기 리셋 회로(220)에는 출력 값에 따라서 문턱 값 만큼 가감하는 회로가 구성되어 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 보간 필터 출력을 계산하는 과정에 대한 처리 흐름도로서, 도 3은 보간 필터의 출력 계산시 현재 선택된 보간 필터의 계수 군을 N 번째 계수 군이라고 가정 했을 때, 보간 필터 출력과, 출력되는 시점의 선택 그리고 보간 필터의 출력 계산시 필터 계수군의 선택을 수행하는 과정을 나타낸다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 먼저, 타이밍 제어회로에서 입력되는 제어 신호가 1 인 경우(301) 적분된 신호가 양의 방향으로 기준값을 넘은 경우이므로, 현재 보간 필터 계수군이 마지막 필터 계수군이면(302), 보간 필터 계수군을 첫 번째 필터 계수군으로 변경(306)하고, 보간 필터 출력을 계산(307)한 후, 심볼당 한 샘플 지연시켜 출력(308)하며, 현재 보간 필터 계수군이 마지막 필터 계수군이 아니면(302), 보간 필터 계수군을 이전 필터 계수군+1번째 필터 계수군으로 변경(303)하고, 보간 필터 출력을 계산(304)하여 심볼 타임에 출력(305)한다.

만일, 타이밍 제어회로에서 입력되는 제어 신호가 -1인 경우(309) 적분된 신호가 음의 방향으로 기준값을 넘은 경우이므로, 현재 보간 필터 계수군이 마지막 필터 계수군이면(310), 보간 필터 계수군을 마지막 필터 계수군으로 변경(311)하여 보간 필터 출력을 계산(312)하며, 심볼당 한 샘플 선행 시켜 출력(313)한다. 그리고, 현재 보간 필터 계수군이 첫 번째 필터 계수군이 아니면(310), 보간 필터 계수군을 이전 필터 계수군 - 1번째 필터 계수군으로 변경(314)하고, 보간 필터 출력을 계산(315)한 후, 심볼 타임에 출력(316)한다. 만일, 타이밍 제어회로에서 입력되는 제어 신호가 1도 아니고, -1도 아니면, 보간 필터 계수군을 이전 필터 계수군으로 설정(317)한다.

이 때, 보간 필터의 출력은 타이밍 복원 회로에서 심볼 당 2개의 샘플을 이용하므로 심볼 타이밍에 한 샘플 그리고 1/2 심볼 타이밍에 한 샘플을 출력한다.

도 4는 심볼 타이밍 복원을 위해 사용되는 보간 필터의 형태를 나타내는 도면으로서, 도 4를 참조하여, 보간 필터는 입력된 샘플을 계수 군에 따라 필요한 만큼의 값을 보간 필터 계산기(420)에서 미리 설정된 계수(C₁, C₂, …, C_N-1)(421)와 곱한(422) 후 모든 값을 출력 장치(430)에서 합하여 출력한다. 이 때 출력되는 신호는 심볼 타이밍 복원을 위해 심볼 타임 때와 심볼 타임과 위상차가 1/2인 때에 신호가 출력된다. 이 값을 이용하여 타이밍 오차 검출기에서 타이밍 오차를 검출하게 된다.

상기에 제시된 보간 필터의 경우 그 계수가 원점을 기준으로 대칭적으로 나타나기 때문에 이를 반만 사용함으로써, 계산양과 계산 시간을 감소시킬 수 있으며, 도 5는 이러한 보간 필터 계수의 특성을 이용한 본 발명의 보간 필터에 대한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 보간 필터는 폴딩(Folding) 구조를 갖는데, 계수 군이 원점에 대해서 대칭적인 값을 가지므로 보간 필터를 계산하기 위한 계수 군을 1/2만 사용(530)하고 계수 군과 곱하기 전에 대칭되는 계수들은 서로 더하여(520) 준다. 이후 제어 신호에 의해서 선택된 신호와 곱하고 전체의 결과를 더해서(540) 보간 필터의 출력을 낸다. 이러한 구성은 복잡도를 1/2로 줄인 것으로서, 각각의 레지스터에서 출력된 신호를 더하거나 곱하는 회로를 도 4에서 제시한 방법보다 1/2로 줄임으로써, 계산 속도와 복잡도를 줄이고 고속의 통신회로에서 사용 가능한 구조를 나타낸 것이다.

상기와 같은 본 발명은 고속 통신에서 사용 가능한 보간 필터를 이용하여 기저대역에서 수신 신호의 심볼 타이밍을 복원하도록 하였으며, 상기 보간 필터의 계산시 대칭이되는 두 값은 하나로 사용함으로써 보간 필터 구조의 복잡도를 1/2로 줄이도록 하였다. 또한, 본 발명의 보간 필터에서 사용된 계수는 4 개의 군으로 선정되어서 샘플당 4 배의 해상도를 가지도록 하였고, 궤환 루프를 이용한 심볼 타이밍 위상차에 의해 보간 필터의 계수를 선택함으로써, PLL 방식을 배제하면서도 성능 저하를 방지할 수 있도록 하였다.

Claims

보간 필터를 이용한 통신 시스템의 타이밍 복원장치에 있어서,

수신된 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 A/D 변환기에서 발생된 타이밍 슬립(Slip)을 방지하기 위해 레이즈드-코사인(Raised-Cosine)필터로 구성되어 입력 신호를 보간하는 디지털 보간 필터와,

상기 디지털 보간 필터로 상기 타이밍 슬립을 방지하도록 하는 제어 신호를 발생하는 심볼 타이밍 복원장치로 구성된 것을 특징으로 하는 타이밍 복원장치.
제 1 항에 있어서,

상기 심볼 타이밍 복원장치는

송/수신기의 사용 클럭 차이로 발생하는 타이밍 위상차를 검출하는 타이밍 오차 검출기와,

상기 타이밍 오차 검출기에서 검출된 위상차를 기준 문턱값에 도달할 때까지 적분하는 적분기와,

상기 적분기에서 적분되어 출력된 값과 문턱값을 비교하는 문턱값 비교기와,

상기 문턱값 비교기의 비교 결과 상기 적분기의 출력값이 문턱값 보다 클 경우 다른 보간 필터의 계수군을 선택하도록 제어하여 타이밍 위상차를 제거하기 위한 제어 신호를 상기 디지털 보간 필터로 출력하는 타이밍 위상 제어기와,

상기 문턱값이 일정 기준을 벗어날 경우 그 문턱값을 리셋하도록 제어하는 리셋 회로로 구성된 것을 특징으로 하는 보간 필터를 사용한 타이밍 복원장치.
제 1 항에 있어서,

상기 디지털 보간 필터는

폴딩 구조를 가지며,

계수 군이 원점에 대해서 대칭적인 값을 가지므로 계수 군을 수신된 신호와 곱하기 전에 대칭되는 계수 군 끼리 합한 후, 상기 심볼 타이밍 복원장치에서 출력되는 제어 신호에 의해서 선택된 신호와 곱하고 전체의 결과를 더해서 출력하는 것을 특징으로 하는 보간 필터를 사용한 타이밍 복원장치.
보간 필터를 이용한 통신 시스템의 타이밍 복원방법에 있어서,

송/수신기의 사용 클럭 차이로 인해 타이밍 위상차가 발생하면 그 위상차의 적분값을 구하는 제 1 과정과,

상기 위상차의 적분값과 문턱값을 비교하여 상기 적분값이 양의 방향으로 기준값을 넘으면 +1을 상기 보간 필터의 제어 신호로 출력하고, 상기 적분값이 음의 문턱값보다 작으면 -1의 값을 출력하여 상기 보간필터의 제어 신호로 출력하는 제 2 과정과,

상기 보간 필터가 상기 제 2 과정에서 제어 신호에 의해 보간 필터의 출력과 보간 필터의 출력 샘플 위치를 결정하여 심볼 타이밍 복원을 수행하는 제 3 과정으로 구성된 것을 특징으로 하는 보간 필터를 이용한 타이밍 복원방법.
제 4 항에 있어서,

상기 제 2 과정은

선택된 계수군이 N번째이고, 타이밍 제어회로에서 입력되는 제어 신호가 0인 보간 필터에 의해 타이밍을 복원하는 경우,

타이밍 제어회로에서 출력으로 0을 내보내고 보간 필터의 계수를 N 번째 계수 군을 사용토록 제어하는 단계와,

상기 선택된 계수군에 의해 보간 필터의 출력을 계산하여 심볼 타임에 출력신호를 내보내도록 제어하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 보간 필터를 이용한 타이밍 복원방법.
제 4 항에 있어서,

상기 제 2 과정은

선택된 계수군이 N번째이고, 타이밍 제어회로에서 입력되는 제어 신호가 +1인 보간 필터에 의해 타이밍을 복원하는 경우,

현재의 보간 필터 계수 군이 마지막 필터 계수 군인지 아닌지를 검토하여 마지막 필터 계수 군이면 보간 필터의 계수 군을 첫 번째 계수 군으로 선택하고, 보간 필터의 출력을 계산 한 후 심볼 당 한 샘플 지연된 시점에서 출력을 내보내도록 제어하는 단계와,

현재 보간 필터 계수가 마지막 필터 계수 군이 아니면 N+1 번째 필터 계수 군을 선택하여 보간 필터의 출력을 계산하고 심볼 타임에 출력을 내보내도록 제어하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 보간 필터를 이용한 타이밍 복원방법.
제 4 항에 있어서,

상기 제 2 과정은

선택된 계수군이 N번째이고, 타이밍 제어회로에서 입력되는 제어 신호가 -1인 보간 필터에 의해 타이밍을 복원하는 경우,

현재의 보간 필터 계수 군이 첫 번째 계수 군인지를 점검하여 첫 번째 계수 군이면 보간 필터의 계수 군을 마지막 필터 계수 군으로 선택하고 보간 필터의 출력을 계산 한 후 심볼 샘플 타임 보다 한 샘플 이전에 출력을 내보내도록 제어하는 단계와,

보간 필터의 계수 군이 첫 번째 계수 군이 아닌 경우 이전 N-1 번째 계수 군을 선택하여 보간 필터의 출력을 계산하고 심볼 타임에 출력을 내보내도록 제어하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 보간 필터를 이용한 타이밍 복원방법.