KR20100042828A

KR20100042828A - 이동통신 시스템의 이득 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20100042828A
Application number: KR1020080101997A
Authority: KR
Inventors: 이병민; 권윤주
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2010-04-27
Also published as: EP2347516A4; US20100098196A1; EP2347516A2; JP2012506197A; US8811549B2; JP5372163B2; WO2010044622A3; WO2010044622A2; KR101544429B1

Abstract

본 발명은 이동통신 시스템에서 신호의 이득 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 이동통신 시스템에서 시간 축의 채널 변화에 따른 헤드 룸 크기를 예측하여 아날로그 디지털 변환기의 전체 가용 범위(Dynamic range)를 조정하여 수신 장치의 성능을 향상시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 입력 전압의 이득 변화량의 평균 값을 산출하여 이득 변화량의 분산 값을 산출하고, 상기 산출한 분산 값을 이용하여 채널 변화가 큰지 판단한 후, 상기 채널 변화량에 따라 헤드 룸을 조정하기 위한 옵셋 값을 설정하는 채널 확인부를 포함하여 고정된 전체 가용 범위를 사용하는 종래의 수신 장치에서 요구하는 아날로그 디지털 변환기의 성능을 낮추어 수신 장치 전체의 성능을 향상시킬 수 있다.

이득 조절, 자동 이득 제어, 헤드룸, ENOB, 채널 변화, ADC

Description

이동통신 시스템의 이득 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR AUTOMATICALLY CONTROLLING GAIN IN PORTABLE COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 이동통신 시스템에서 신호의 이득 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 이동통신 시스템에서 시간 축의 채널 변화에 따른 헤드 룸 크기를 예측하여 아날로그 디지털 변환기의 전체 가용 범위(Dynamic range)를 조정하여 수신 장치의 성능을 향상시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

통상적으로 이동통신 시스템은 무선 대역으로 소정의 데이터를 신호화하여 주고받는 장치이다. 이러한 무선 통신 시스템에서는 송신 장치와 수신 장치간 거리 및 채널 환경에 따라 신호의 증폭도를 달리하여 송신하도록 구성하고 있다. 왜냐하면 송신 장치와 수신 장치 간 거리 및 채널 환경에 따라 적절한 증폭도를 이용하지 않는다면 신호를 수신하지 못하거나 또는 다른 단말에 심한 간섭을 유발하기 때문이다.

따라서 상기와 같이 무선 신호를 송신할 때 특정한 신호의 전력 이상으로 송 신하면 다른 단말에 영향을 끼치기 때문에 수신 장치에서도 수신된 신호를 적절히 증폭하여 사용하는 방식이 요구된다. 따라서 무선 신호를 수신하는 수신 장치들은 수신된 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 가지게 된다.

다른 한편, 무선 신호를 송신할 때 데이터를 그대로 전송할 경우 대역폭의 낭비 및 데이터에 발생할 수 있는 오류 등을 방지하기 위해 소정의 부호화 및 변조 방식을 사용하여 데이터를 송수신하게 된다.

이와 같이 소정 부호화 및 변조 방식을 이용하는 경우 대체로 특정 소자화되어 있는 모뎀 칩을 이용하여 변조 및 부호화를 수행하며, 수신 장치에서는 상기 모뎀 칩을 이용하여 복조 및 복호를 수행한다.

상기와 같은 이동통신 시스템의 자동 이득 제어 과정은 시간 축 상에서 샘플링되는 신호의 순시 전력을 누적하여, 일정 시간에서의 평균 전력을 구한 후, 아날로그 디지털 변환기의 입력 기준 전력 값을 비교하여 ADC 입력 단의 이득 증폭기를 조절한다. 이때 ADC의 기준 전력 값은 단말이 복조할 데이터의 RMS(Root Mean Square)를 의미한다.

이에 따라 수신 장치에서는 고정된 전체 입력 수준에서 데이터 복조를 위한 기준 입력 범위와 채널 변화를 극복 할 페이딩 마진이 고정되어 ADC 입력 신호의 최대 SNR(Signal Noise Rate)은 기준 입력 유효 비트에 고정된다.

따라서, 상기 ADC의 최대 동작 영역(dynamic range)은 수신 장치가 필요한 최대 SQNR을 표현 할 수 있는 기준 입력과 최대 채널 변화를 수용 할 수 있는 페이딩 마진으로 구성된다.

하지만 상기 수신 장치에서 필요로 하는 최대 채널 변화 와 최대 SNR은 상반 관계를 형성함으로 상기 ADC의 고정된 최대 동작 영역(dynamic range)이 모든 상황에서 사용되는 경우가 없기 때문에 상기와 같은 경우는 상기 수신 장치의 성능을 떨어뜨린다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이동통신 시스템에서 수신 장치의 성능을 향상시키는 이득 제어 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 이동통신 시스템에서 채널 변화에 따른 헤드 룸 크기를 예측하여 아날로그 디지털 변환기의 전체 가용 범위(Dynamic range)를 조정하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 이동통신 시스템에서 채널 변화에 따라 헤드 룸의 폭을 조정하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 수신 장치에서 채널 변화량에 따라 아날로그 디지털 변환기의 전체 가용 범위(Dynamic range)를 조정하기 위한 장치는 입력 전압의 이득 변화량의 평균 값을 산출하여 이득 변화량의 분산 값을 산출하고, 상기 산출한 분산 값을 이용하여 채널 변화가 큰지 판단한 후, 상기 채널 변화량에 따라 헤드 룸을 조정하기 위한 옵셋 값을 설정하는 채널 확인부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 수신 장치에서 채널 변화량에 따라 아날로그 디지털 변환기의 전체 가용 범위(Dynamic range) 를 조정하기 위한 방법은 입력 전압의 이득 변화량의 평균 값을 산출하여 이득 변화량의 분산 값을 산출하는 과정과, 상기 산출한 분산 값을 이용하여 채널 변화가 큰지 판단하는 과정과, 상기 판단한 채널 변화량에 따라 헤드 룸을 조정하기 위한 옵셋 값을 설정하는 과정과, 상기 설정한 옵셋 값을 기존 RMS 값에 적용하여 입력 신호를 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 수신 장치에서 시간 축의 채널 변화에 따른 헤드 룸 크기를 예측하여 아날로그 디지털 변환기의 전체 가용 범위(Dynamic range)를 조정함으로써 고정된 전체 가용 범위를 사용하는 종래의 수신 장치에서 요구하는 아날로그 디지털 변환기의 성능을 낮추어 수신 장치 전체의 성능을 향상시킬 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 설명에서는 이동통신 시스템에서 수신 장치의 성능을 향상시키는 이득 제어 장치 및 방법으로 채널 변화에 따른 헤드 룸 크기를 예측하여 아날로그 디지 털 변환기의 전체 가용 범위(Dynamic range)를 조정하기 위한 장치 및 방법에 대하여 설명할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 수신 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

상기 도 1을 참조하면, 상기 수신 장치는 무선 칩(100), 아날로그 디지털 변환기(ADC ; Analog to Digital Converter)(102), 고속 퓨리에 변환기(FFT ; Fast Fourier Transformer)(104), 채널 추정기(106), LLR 생성부(108), 채널 확인부(110) 및 자동 이득 제어기(AGC ; Automatic Gain Controller)(112)를 포함하여 구성할 수 있다.

상기 무선 칩(100)은 안테나(ATN)를 통해 수신하는 신호를 저잡음 증폭기를 이용하여 증폭시키며 상기 증폭 시킨 신호를 상기 아날로그 디지털 변환기(102)로 출력한다.

상기 아날로그 디지털 변환기(102)는 상기 무선 칩(100)으로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후, 상기 변환한 디지털 신호를 상기 자동 이득 제어기(112)와 상기 고속 퓨리에 변환기(104)로 출력한다.

이에 따라 상기 디지털 아날로그 변환기(102)로부터 디지털 신호를 수신한 자동 이득 제어기(112)는 시간축상에서 샘플링되는 신호의 순시 전력을 누적하여, 일정 시간에서의 평균 전력을 구한 후, 상기 아날로그 디지털 변환기(102)의 입력 기준 전력 값을 비교하여 상기 아날로그 디지털 변환기(102)의 입력 이득을 조절하 도록 처리한다.

이때, 상기 자동 이득 제어기(112)는 상기 채널 확인부(110)로부터 제공받은 채널 변화량에 따른 기준 입력값을 이용하여 입력 이득을 제어할 수 있다. 즉, 상기 자동 이득 제어기(102)는 상기 채널 확인부(110)로하여금 채널 변화량이 큼에 따라 높은 입력 이득이 필요함을 확인할 경우, 높은 이득 조절을 위한 과정을 수행한다. 반대로 상기 자동 이득 제어기(112)는 상기 채널 확인부(110)로하여금 채널 변화량이 작음에 따라 낮은 입력 이득이 필요함을 확인할 경우, 낮은 이득 조절을 위한 과정을 수행한다.

상기 디지털 아날로그 변환기(102)로부터 디지털 신호를 수신한 고속 퓨리에 변환기(Fast Fourier Transformer)(104)는 입력된 신호를 FFT 변환하여 시간 영역의 신호를 주파수 영역의 신호로 변환한다. 상기 채널 추정기(106)는 상기 고속 퓨리에 변환기(104)로부터 수신한 신호에 대한 채널 추정 과정을 수행하여 채널 추정 값을 확인한다.

상기 LLR 생성부(108)는 상기 채널 추정기(106) 및 상기 채널 확인부(110)로부터 수신하는 필요한 헤드 룸 크기 정도를 이용하여 헤드 룸 폭을 조절하여 이득 조정을 수행할 수 있다.

상기 채널 확인부(110)는 현재 구간의 채널과 이전 구간의 채널 변화량을 추정하고, 상기 추정한 채널 변화량을 바탕으로 헤드 룸 크기의 조정을 위한 옵셋 값을 설정하여 상기 자동 이득 제어기(112)로 제공한다.

예를 들어, 상기 채널 확인부(110)는 채널 변화량이 작다고 판단할 경우 즉, 현재 채널 변화가 기존 채널 변화보다 작다고 판단할 경우, 상기 헤드 룸을 늘리기 위한 옵셋을 설정한다. 한편, 상기 채널 확인부(110)는 채널 변화량이 크다고 판단할 경우 즉, 현재 채널 변화가 기존 채널 변화보다 크다고 판단할 경우, 상기 헤드 룸을 줄이기 위한 옵셋을 설정한다.

상기 헤드 룸 폭을 조정하기 위한 옵셋 값을 제공받은 자동 이득 제어기(112)는 상기 옵셋 값을 이용하여 헤드 룸 폭을 조정하여 상기 아날로그 디지털 변환기(102)의 동작 영역을 최소화하도록 처리한다.

이상은 이동통신 시스템에서 수신 장치의 성능을 향상시키기 위하여 채널 변화에 따른 헤드 룸 크기를 예측하여 아날로그 디지털 변환기의 전체 가용 범위(Dynamic range)를 조정하기 위한 장치에 관하여 설명하였고, 이하 설명에서는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 상기 장치를 이용하여 채널 변화에 따른 헤드 룸 크기를 예측하여 아날로그 디지털 변환기의 전체 가용 범위(Dynamic range)를 조정하기 위하여 수신 장치의 성능을 향상시키기 위한 방법에 관하여 설명할 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 수신 장치에서 채널 상태에 따른 기준 입력 값을 추정하는 과정을 도시한 도면이다.

일반적인 아날로그 디지털 변환기의 신호대 잡음비(SNR ; Signal to Noise Ratio)는 유효한 입력 신호의 출력 비트(bit)에 비례함으로 동일한 외부 상황에서 입력 신호의 크기를 키워 유효한 출력신호 비트를 높이면 신호대 잡음비는 좋아지 게 된다.

그러나 상기 아날로그 디지털 변환기의 전체 가용 범위(Dynamic range)는 제한적임으로 기준 입력 신호의 증가로 인한 SNR 개선과 페이딩 마진은 배타적인 관계이다. 결국 동일 채널 상황에서 더 높은 SNR에서 동작하는 성능을 위해서는 아날로그 디지털 변환기의 전체 가용 범위가 더 필요하여 더 높은 아날로그 디지털 변환기의 성능이 요구된다.

하지만, 수신 신호의 채널 변화가 높은 상황에서는 수신 신호의 채널 변화가 높은 상황에서는 그로 인한 간섭으로 수신 신호의 신호대 잡음비가 감소하게되어 수신 장치의 복조 신호의 SQNR(Signal to Quantization noise power ratio)SNR(Signal to Noise Ratio) 요구치도 작아진다. 물론 채널 변화가 감소하면 그에 따른 SNR도 증가하지만 채널 변화의 감소로 인하여 요구되는 헤드 룸(Head room)도 줄어진다.

상기 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 수신 장치는 시간 축의 채널 변화에 따른 헤드 룸 크기를 예측하여 아날로그 디지털 변환기의 전체 가용 범위(Dynamic range)를 조정함으로써 수신 장치의 성능을 향상시키도록 한다.

상기 도 2를 참조하면, 앞서 설명한 상황에 대하여 시간 축상의 채널 변화 상태를 도시한 그래프로 채널 변화량이 적은 구간(201)과 채널 변화량이 큰 구간(203)으로 나누어서 설명한다.

상기 채널 변화량이 적은 구간은 페이딩 마진이 적어(207)도 입력 신호가 헤드 룸을 벗어나지 않는다. 하지만, 채널 변화량이 큰 구간은 페이딩 마진을 충분 히 설정하기 위하여 헤드 룸을 늘여(205)준다.

상기와 같이 본 발명에 따른 수신 장치는 채널 변경량에 따라 아날로그 디지털 변환기에서 필요한 헤드 룸 크기를 예측하여 아날로그 디지털 변환기의 전체 가용 범위(Dynamic range)를 조정하여 상기 수신 장치의 성능을 향상시킨다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예예 따른 수신 장치에서 채널 변화량에 따른 자동 이득 제어를 수행하는 과정을 도시한 흐름도이다.

상기 도 3을 참조하면, 상기 수신 장치는 먼저 301단계에서 자동 이득 제어 과정을 수행하도록 한 후, 303단계로 진행하여 채널 변화량을 추정하기 위한 과정을 수행한다.

여기에서, 상기 채널 변화량을 추정하는 과정은 상기 수신 장치에서 채널 변화량을 추정하는 과정은 일반적인 자동 이득 제어 과정에서 사용하는 고정된 기준 입력 값을 사용하여 자동 이득 제어기의 동작 범위가 커지는 현상을 방지하고, 채널 변화에 따른 최적의 기준 입력 값을 추정하여 자동 이득 제어기의 동작 범위를 최소화하기 위하여 채널 변화의 크기를 측정하는 과정이다.

상기와 같은 채널 변화향 추정 과정을 수행하기 위하여 상기 수신 장치는 305단계로 진행하여 특정 구간에서의 이득 변화량을 측정한 후, 307단계로 진행하여 상기 측정한 이득 변화량의 분산 값을 이용하여 채널 변화량을 추정할 수 있다. 여기에서, 상기 수신 장치는 하기 <수학식 1>을 이용하여 이득 변화량을 측정한 후, 하기 <수학식 2>를 이용하여 상기 측정한 이득 변화량의 분산을 측정할 수 있 다.

여기에서, 상기 M(PWR)은 특정 구간의 이득 변화량을 나타내고, M은 이득 변화량을 측정하고자 하는 구간, D(PWR)은 입력 신호의 크기를 나타낸다.

여기에서, 상기 Var(D)은 특정 구간의 이득 변화량의 분산을 나타내고, M은 이득 변화량을 측정하고자 하는 구간, D(PWR)은 입력 신호의 크기 및 M(PWR)은 특정 구간의 이득 변화량을 나타낸다.

하지만 상기 수신 장치는 309단계로 진행하여 순간 채널 변화에 적응하기 위하여 상기 <수학식 2>를 통해 연산한 분산 값의 가중 평균 값을 산출하여 채널 변화량을 판단할 수 있다.

하기 <수학식 3>은 상기 이득 변화량의 가중 평균 값을 구하는 수학식으로 상기 수신 장치는 상기 이득 변화량의 가중 평균 값을 자동 이득 제어에 필요한 기준 입력 값에 적용하여 채널 변화에 따른 헤드 룸(Head Room) 조절을 수행한다.

여기에서, 상기 X는 이득 변화량의 가중 평균 값을 나타내고, Var(D)은 특정 구간의 이득 변화량의 분산을 나타낸다.

상기와 같은 수신 장치는 상기 이득 변화량의 가중 평균 값을 이용하여 채널 변화가 큰지 또는 채널 변화가 작은지를 판단할 수 있음으로 상기 수신 장치는 311단계로 진행하여 상기 과정에 따라 현재 구간의 채널 변화량과 이전 구간의 채널 변화량을 비교하여 채널 변화량을 판단한다.

만일, 상기 311단계에서 채널 변화량이 크다고 판단할 경우 즉, 현재 채널 변화가 기존 채널 변화보다 크다고 판단할 경우, 상기 수신 장치는 313단계로 진행하여 헤드 룸을 늘리기 위한 옵셋을 설정한다.

상기 313단계는 채널 변화가 클 수록 헤드룸이 커지고 입력 신호의 크기가 커짐에 따라 상기 입력 신호를 줄이기 위한 기준 신호 값을 줄이기 위한 옵셋 값을 설정하는 과정으로, 이전 채널 변화량과 현재 채널 변화량의 차이를 이용하여 상기 옵셋을 설정한다. 여기에서, 상기 옵셋 값은 상기 <수학식 3>의 이득 변화량의 가중 평균 값의 결과 즉, 마진 평균을 나타내는 값이다.

한편, 상기 311단계에서 채널 변화량이 작다고 판단할 경우 즉, 현재 채널 변화가 기존 채널 변화보다 작다고 판단할 경우, 상기 수신 장치는 319단계로 진행하여 헤드 룸을 늘리기 위한 옵셋을 설정한다.

상기 319단계는 채널 변화가 작을 수록 헤드룸이 작아지고 입력 신호의 크기가 작아짐에 따라 상기 입력 신호를 늘이기 위한 기준 신호 값을 늘이기 위한 옵셋 값을 설정하는 과정으로, 현재 채널 변화량과 기존 채널 변화량의 차이에 응답 게인을 적용하여 설정할 수 있다.

상기와 같이 헤드 룸 폭을 조절하기 위한 옵셋 값을 설정한 수신 장치는 315단게로 진행하여 상기 옵셋을 적용한 RMS를 산출한다. 여기에서, 상기 수신 장치는 하기 <수학식 4>를 이용하여 상기 RMS를 산출하여 이득 조절을 위한 값을 산출할 수 있다.

즉, 상기 수신 장치는 상기와 같이 채널 변화량에 따라 헤드 룸 폭을 조절하기 위한 옵셋 값을 설정하나 상기 채널 변화량이 없을 경우 기존의 방식대로 이득 조절을 위한 값을 산출한다.

이후, 상기 수신 장치는 317단게로 진행하여 상기 옵셋을 적용한 RMS를 기준 신호로 사용하는 입력 신호를 계산하여 이득 조절을 위한 값을 산출한다.

즉, 상기 수신 장치는 하기 <수학식 5>를 이용하여 이득 조절을 위한 값을 산출하는 것이다.

여기에서, 상기 D(PWR)은 이득 조절 값을 나타내고, PWR(t)는 누적 평균 입력값을 나타내며, RMS 는 본 발명에 따라 산출된 옵셋이 적용된 RMS 값으로 이득 변화량의 가중 평균 값의 결과 즉, 마진 평균을 나타내는 값이다.

이후, 상기 수신 장치는 본 알고리즘을 종료한다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 수신 장치의 구성을 도시한 블록도,

도 2는 본 발명에 따른 수신 장치에서 채널 상태에 따른 기준 입력 값을 추정하는 과정을 도시한 도면 및,

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예예 따른 수신 장치에서 채널 변화량에 따른 자동 이득 제어를 수행하는 과정을 도시한 흐름도.

Claims

수신 장치에서 채널 변화량에 따라 아날로그 디지털 변환기의 전체 가용 범위(Dynamic range)를 조정하기 위한 장치에 있어서,

입력 전압의 이득 변화량의 평균 값을 산출하여 이득 변화량의 분산 값을 산출하고, 상기 산출한 분산 값을 이용하여 채널 변화가 큰지 판단한 후, 상기 채널 변화량에 따라 헤드 룸을 조정하기 위한 옵셋 값을 설정하는 채널 확인부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
수신 장치에서 채널 변화량에 따라 아날로그 디지털 변환기의 전체 가용 범위(Dynamic range)를 조정하기 위한 방법에 있어서,

입력 전압의 이득 변화량의 평균 값을 산출하여 이득 변화량의 분산 값을 산출하는 과정과,

상기 산출한 분산 값을 이용하여 채널 변화가 큰지 판단하는 과정과,

상기 판단한 채널 변화량에 따라 헤드 룸을 조정하기 위한 옵셋 값을 설정하는 과정과,

상기 설정한 옵셋 값을 기존 RMS 값에 적용하여 입력 신호를 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.