KR100195261B1 - Receiver for multi-carrier modem system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 반송파 수신기에 관한 것으로서, 수신된 신호의 크기를 조절하는 자동이득제어 증폭기; 상기 자동이득제어 증폭기에서 증폭된 수신 신호를 디지털로 바꾸는 아날로그-디지털 변환기; 상기 아날로그-디지털 변환기에서 변환된 수신 신호를 기준 레벨에 따라 검출하는 레벨 검출기; 상기 레벨 검출기의 출력을 아날로그로 변환하여 자동이득제어 증폭기로 귀환시키는 디지털-아날로그 변환기; 상기 디지털로 변환된 수신 신호를 입력으로 하여 채널 특성을 추정하는 채널 추정기; 디지털로 변환된 수신 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환, 즉, 복조시키는 복소 고속 퓨리에 변환기; 상기 레벨 검출기의 출력과 상기 채널 추정기의 출력을 입력으로하여 조정된 스텝 크기를 출력하는 스케일러; 상기 복소 고속 퓨리에 변환기의 출력과 상기 채널 추정기의 출력 및 상기 스케일러의 출력을 입력으로하여 복원된 데이터 심볼을 출력하는 주파수 영역 등화기; 및 복호기를 포함한다.The present invention relates to a multi-carrier receiver, comprising: an automatic gain control amplifier for adjusting a magnitude of a received signal; An analog-to-digital converter for converting the received signal amplified by the automatic gain control amplifier into digital; A level detector for detecting the received signal converted by the analog-digital converter according to a reference level; A digital-to-analog converter that converts the output of the level detector into analog and returns it to an automatic gain control amplifier; A channel estimator estimating a channel characteristic by using the digitally converted received signal as an input; A complex fast Fourier transformer for converting, i.e. demodulating, the digitally converted received signal from the time domain to the frequency domain; A scaler for outputting the adjusted step size by inputting the output of the level detector and the output of the channel estimator; A frequency domain equalizer which outputs the recovered data symbols by inputting the output of the complex fast Fourier transformer and the output of the channel estimator and the output of the scaler; And a decoder.
본 발명에 의하면 수신기에 등화기의 계수 조정을 위해 스케일러를 추가해서 스텝 크기를 조정하여 각 서브 채널의 수렴 특성을 최적화하므로써, 주파수 영역 등화기의 초기화 시간을 대폭 줄일 수 있고, 심한 감쇠가 있는 신호인 경우에도 등화기가 안정되게 수렴할 수 있다.According to the present invention, a scaler is added to the receiver to adjust the step size to optimize the convergence characteristic of each subchannel, thereby greatly reducing the initialization time of the frequency domain equalizer, and having a severe attenuation signal. Equalizer can also converge stably.
Description
본 발명은 다중 반송파 수신기에 관한 것으로, 특히 채널 감쇠가 심한 신호가 들어왔을 때 초기화 시간을 줄이면서 신뢰도를 높일 수 있는 다중 반송파 수신기에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-carrier receiver, and more particularly, to a multi-carrier receiver that can increase the reliability while reducing the initialization time when a signal with a high channel attenuation.
다중 반송파 변조 방식은 심볼간 간섭(intersymbol interference)이 있는 채널에서 오차 확률을 최소화하면서 통신 용량에 가장 근접한 정보 속도(information rate)를 갖는 최적의 변조 방식으로 그 구조는 도 1과 같다. 전송 속도 R bits/sec인 입력 데이터열은 심볼 주기로 RT 비트씩 완충기(buffer)에 입력된다. 완충기에 입력된 데이터열은 부호화기(encoder)에서 N개의 서브 채널로 할당되어 크기와 위상을 가진 복소 부심볼 (complex subsymbol), Xi로 바뀐다. Xi는 다중 반송파 변조의 i번째 직교 진폭 변조 (QAM) 신호를 나타내며, 각 서브 채널에 대해서는 2bi개의 신호 공간상의 점을 가진다. 상기 복소 직교 진폭 변조는 M=2N개의 복소 역 고속 퓨리에 변환(Complex Inverse Fast Fourier Transform:IFFT)을 통해 이뤄지며, M개의 실수값을 가지는 시간축 샘플들을 만든다. 즉,The multi-carrier modulation scheme is an optimal modulation scheme having an information rate closest to the communication capacity while minimizing the probability of error in a channel having intersymbol interference. The structure of FIG. The input data string having the transmission rate R bits / sec is input to the buffer by RT bits in symbol period. The data sequence input to the buffer is allocated to N subchannels in an encoder and is converted into a complex subsymbol, Xi, having a magnitude and a phase. Xi represents the i-th quadrature amplitude modulation (QAM) signal of multi-carrier modulation, with 2 bi signal space points for each subchannel. The complex quadrature amplitude modulation is performed through M = 2N Complex Inverse Fast Fourier Transforms (IFFTs), producing time-base samples with M real values. In other words,
과 같이 표현되는 다중 반송파 심볼이 만들어진다. M개의 샘플들은 디지털-아날로그 변환기를 거쳐 연속 변조 신호 X(t)가 되어 채널을 통해 전송된다. 수신 다중 반송파 신호 y(t)는 전송로상의 잡음 n(t)와 함께 수학식 2와 같은 M=2N개 복소 고속 퓨리에 변환에 의하여 다음과 같은 송신 시의 k번째 직교 진폭 변조 신호 Xk로 복조된다.A multicarrier symbol represented as follows is created. The M samples pass through the channel as a continuous modulated signal X (t) via a digital-to-analog converter. The received multicarrier signal y (t) is demodulated to the kth orthogonal amplitude modulated signal Xk at the following transmission by M = 2N complex fast Fourier transforms such as Equation 2 together with noise n (t) on the transmission path. .
다중 반송파 전송은 반송파 주파수가 다른 다수의 단일 반송파 신호들이 합쳐진 형태이다. 따라서 단일 반송파 전송 시스템의 일반적인 기능을 그대로 가진다.Multi-carrier transmission is a form in which a plurality of single carrier signals having different carrier frequencies are combined. Therefore, it retains the general function of the single carrier transmission system.
도 2는 종래의 다중 반송파 수신기로서, 수신된 신호의 크기를 조절하는 자동이득제어 증폭기, 상기 증폭된 수신 신호를 디지털로 바꾸는 아날로그-디지털 변환기, 상기 변환된 수신 신호를 기준 레벨에 따라 검출하는 레벨 검출기(level detector), 상기 레벨 검출기의 출력을 아날로그로 변환하여 자동이득제어 증폭기로 귀환시키는 디지털-아날로그 변환기, 상기 디지털로 변환된 수신 신호를 입력으로하고 채널 특성을 추정하여 등화기의 계수를 초기화시키는 채널 추정기(channel estimator), 디지털로 변환된 수신 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환, 즉, 복조시키는 복소 고속 퓨리에 변환기, 전송 신호의 감쇠 및 왜곡을 보상하기 위한 주파수 영역 등화기(frequency-domain equalizer), 및 복호기로 구성된다.2 is a conventional multi-carrier receiver, comprising: an automatic gain control amplifier for adjusting a magnitude of a received signal, an analog-to-digital converter for converting the amplified received signal into a digital signal, and a level for detecting the converted received signal according to a reference level A level detector, a digital-to-analog converter that converts the output of the level detector into an analog signal and returns it to an automatic gain control amplifier, and initializes coefficients of the equalizer by inputting the digitally converted received signal and estimating channel characteristics. A channel estimator, a complex fast Fourier transformer to demodulate, or demodulate, the digitally converted received signal from a time domain to a frequency domain, and a frequency-domain equalizer to compensate for attenuation and distortion of the transmission signal. equalizer), and a decoder.
도 3은 종래의 주파수 영역 등화기로서, 상기 등화기의 초기 계수를 조정하기 위해 미리 결정되어 있는 약속된 신호열(training sequence)을 발생시키는 약속된 신호열 발생기, 슬라이서를 이용한 심볼 결정기, 및 복소 적응형 필터로 구성된다. 등화기의 계수는 먼저 수신기에서도 알고있는 약속된 신호열을 송신기가 채널을 통해 전송한 후, 수신기 필터의 출력과 상기 약속된 신호열의 차로써 오차 신호를 만들고, 상기 오차 신호를 필터에 입력하므로써 초기 계수를 조정한다. 상기 복소 적응형 필터의 계수는 최소 평균 자승(Least Mean Square) 알고리즘에 따라 다음과 같이 적응적으로 변한다;FIG. 3 is a conventional frequency domain equalizer, comprising a promised signal sequence generator, a symbol determiner using a slicer, and a complex adaptive, which generate a predetermined promised training sequence for adjusting the initial coefficients of the equalizer. It consists of a filter. The coefficients of the equalizer are first transmitted by transmitting a signal sequence promised by the receiver through a channel, and then generating an error signal based on the difference between the output of the receiver filter and the signal sequence and inputting the error signal to the filter. Adjust it. The coefficient of the complex adaptive filter is adaptively changed as follows according to a Least Mean Square algorithm;
여기서 An은 n번째 적응형 필터의 계수이고, Zn은 고속 퓨리에 변환에 의하여 복조된 신호이며, en은 필터의 출력과 심볼 결정기 출력의 차이인 오차 신호이다. μ는 스텝 크기이다. 등화기의 초기 계수 값은 수렴속도를 빠르게하기 위해 채널 추정기의 도움을 받아 채널의 역수로 초기화된다.Where An is the coefficient of the nth adaptive filter, Zn is a signal demodulated by the fast Fourier transform, and en is an error signal that is the difference between the output of the filter and the symbol determiner output. μ is the step size. The initial coefficient value of the equalizer is initialized to the inverse of the channel with the help of the channel estimator to speed up the convergence rate.
시스템 초기화 과정중에 위 주파수 영역 등화기의 초기화 시간이 차지하는 비율이 크기 때문에 이를 줄일 필요가 있다. 특히 기존의 전화선을 사용한 고속의 광대역 전송의 경우 각 서브 채널별 감쇠폭은 등화기의 계수가 채널의 역수로 초기화되어도 매우 큰 차이를 보이고 있다. 즉, 동일한 스텝 크기를 사용하여 각 서브 채널별 등화기 알고리즘을 수행하면 고주파 영역의 채널 감쇠가 저주파 영역에 비해 크므로 등화기 입력 신호중 고주파 영역이 저주파 영역에 비해 상대적으로 매우 작기 때문에 수렴에 걸리는 시간이 매우 길어 지므로 주파수에 따른 최소 평균 자승 알고리즘의 수렴 속도가 매우 큰 차이를 보인다.During the system initialization process, it is necessary to reduce the ratio of the initialization time of the frequency domain equalizer. In particular, in the case of high-speed broadband transmission using a conventional telephone line, the attenuation width of each subchannel shows a great difference even if the coefficient of the equalizer is initialized to the inverse of the channel. In other words, if the equalizer algorithm for each sub-channel is performed using the same step size, the time required for convergence because the high-frequency region of the equalizer input signal is relatively small compared to the low-frequency region because the channel attenuation of the high frequency region is larger than that of the low frequency region. Since this becomes very long, the convergence speed of the least mean square algorithm with frequency shows a very big difference.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 스텝 크기가 고정되어 있는 종래의 등화기를 다중 반송파 시스템에 적용하기 위해서 등화기의 스텝 크기를 최적화하는 다중 반송파 수신기를 제공함에 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a multi-carrier receiver for optimizing the step size of an equalizer in order to apply the conventional equalizer having a fixed step size to a multi-carrier system.
도 1은 다중 반송파 시스템에 대한 블록도를 도시한 것이다.1 shows a block diagram for a multi-carrier system.
도 2는 종래의 다중 반송파 수신기의 블록도를 도시한 것이다.2 shows a block diagram of a conventional multi-carrier receiver.
도 3은 종래의 주파수 영역 등화기에 대한 블록도를 도시한 것이다.3 shows a block diagram of a conventional frequency domain equalizer.
도 4는 본 발명에 따른 다중 반송파 수신기에 대한 블록도를 도시한 것이다.4 shows a block diagram of a multi-carrier receiver in accordance with the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 주파수 영역 적응형 등화기에 대한 블록도를 도시한 것이다.Figure 5 shows a block diagram for a frequency domain adaptive equalizer in accordance with the present invention.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 다중 반송파 수신기는 수신된 신호의 크기를 조절하는 자동이득제어 증폭기; 상기 증폭된 수신 신호를 디지털로 바꾸는 아날로그-디지털 변환기; 상기 변환된 수신 신호을 기준 레벨에 따라 검출하는 레벨 검출기; 상기 레벨 검출기의 출력을 아날로그로 변환하여 자동이득제어 증폭기로 귀환시키는 디지털-아날로그 변환기; 상기 디지털로 변환된 수신 신호를 입력으로 하여 채널 특성을 추정하는 채널 추정기; 상기 디지털로 변환된 수신 신호를 복소 고속 퓨리에 변환을 이용하여 복조하는 복조기; 상기 레벨 검출기의 출력과 상기 채널 추정기의 출력을 입력으로하여 조정된 스텝 크기를 출력하는 스케일러; 상기 복소 고속 퓨리에 변환기의 출력과 상기 채널 추정기의 출력 및 상기 스케일러의 출력을 입력으로하여 전송 신호의 감쇠 및 왜곡을 보상하는 주파수 영역 등화기; 및 상기 등화기의 출력 데이터 심볼을 복호하는 복호기를 포함함이 바람직하다.In order to achieve the above object, a multi-carrier receiver according to the present invention includes an automatic gain control amplifier for adjusting the magnitude of a received signal; An analog-to-digital converter for converting the amplified received signal into a digital; A level detector for detecting the converted received signal according to a reference level; A digital-to-analog converter that converts the output of the level detector into analog and returns it to an automatic gain control amplifier; A channel estimator estimating a channel characteristic by using the digitally converted received signal as an input; A demodulator for demodulating the digitally converted received signal using a complex fast Fourier transform; A scaler for outputting the adjusted step size by inputting the output of the level detector and the output of the channel estimator; A frequency domain equalizer configured to compensate for attenuation and distortion of a transmission signal by inputting the output of the complex fast Fourier transformer and the output of the channel estimator and the output of the scaler; And a decoder for decoding the output data symbol of the equalizer.
상기 주파수 영역 등화기는 초기 계수를 조정하기 위해 미리 결정되어 있는 약속된 신호열을 발생시키는 약속된 신호열 발생기; 상기 약속된 신호열 발생기의 출력을 이용하여 초기 계수를 결정한 후, 상기 복조기의 출력을 입력 신호로 하고 상기 스케일러의 출력과 오차 신호를 이용하여 계수를 결정하고 복원된 데이터를 출력하는 적응형 필터; 상기 적응형 필터의 출력을 입력으로 하여 데이터 심볼을 결정하는 심볼 결정기; 및 상기 적응형 필터의 출력과 상기 심볼 결정기의 출력을 차감하여 상기 오차 신호를 출력하는 감산기를 포함함이 바람직하다.The frequency domain equalizer includes a promised signal sequence generator for generating a predetermined promise sequence for adjusting the initial coefficients; An adaptive filter for determining an initial coefficient using an output of the promised signal string generator, and then using the output of the demodulator as an input signal, determining a coefficient using the output of the scaler and an error signal, and outputting the restored data; A symbol determiner which determines a data symbol by inputting an output of the adaptive filter; And a subtractor for outputting the error signal by subtracting the output of the adaptive filter and the output of the symbol determiner.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작을 상세히 설명한다. 도 4는 본 발명에 의한 다중 반송파 수신기를 블록도로 도시한 것으로서, 자동이득제어 증폭기(400), 아날로그 디지털 변환기(410), 복조기(420), 주파수 영역 등화기(430), 복호기(440), 채널 추정기(450), 레벨 검출기(460), 디지털 아날로그 변환기(470) 및 스케일러(480)로 이루어진다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the operation of the present invention. 4 is a block diagram of a multi-carrier receiver according to the present invention, which includes an automatic gain control amplifier 400, an analog-digital converter 410, a demodulator 420, a frequency domain equalizer 430, a decoder 440, Channel estimator 450, level detector 460, digital-to-analog converter 470, and scaler 480.
도 5는 상기 주파수 영역 적응형 등화기(430)의 블록도를 도시한 것으로 적응형 필터(510), 심볼 결정기(520), 감산기(530) 및 약속된 신호열 발생기(540)로 이루어진다.FIG. 5 shows a block diagram of the frequency domain adaptive equalizer 430, which consists of an adaptive filter 510, a symbol determiner 520, a subtractor 530, and a promised signal sequence generator 540. FIG.
상기 자동이득제어 증폭기(400)는 출력이 일정하게 되도록 이득을 조정하며, 상기 아날로그 디지털 변환기(410)는 상기 이득이 조정된 아날로그 입력 신호를 디지털 신호로 변환한다. 상기 복조기(420)는 상기 변환된 디지털 신호를 고속 퓨리에 변환을 통하여 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환한다. 또한 상기 채널 추정기(450)는 상기 변환된 디지털 신호를 입력으로하여 채널의 특성을 추정하는 것으로, 심볼간 간섭이 있는 등가 이산 시간 채널을 모델링한다. 상기 레벨 검출기(460)는 미리 설정된 기준 레벨에 따라 입력 신호를 검출하고, 상기 디지털 아날로그 변환기(470)는 상기 레벨 검출기의 출력 신호를 아날로그로 변환하여 자동이득제어 증폭기에 귀환시킨다. 상기 스케일러(480)는 상기 레벨 검출기의 출력 신호와 채널 추정기로부터 입력 신호 전력을 추정하여 스텝 크기를 결정한다. 상기 주파수 영역 등화기(430)는 상기 복조기(420)의 출력신호를 입력으로하여 채널 특성으로 인한 파형의 일그러짐을 보상하여 출력하며, 상기 복호기(440)는 상기 등화기(430)의 출력 신호를 복호한다.The automatic gain control amplifier 400 adjusts the gain so that the output is constant, and the analog-to-digital converter 410 converts the gain-adjusted analog input signal into a digital signal. The demodulator 420 converts the converted digital signal from the time domain to the frequency domain through fast Fourier transform. In addition, the channel estimator 450 estimates the characteristics of the channel by inputting the converted digital signal, and models an equivalent discrete time channel with intersymbol interference. The level detector 460 detects an input signal according to a preset reference level, and the digital-to-analog converter 470 converts the output signal of the level detector into analog and returns it to the automatic gain control amplifier. The scaler 480 determines the step size by estimating the input signal power from the output signal of the level detector and the channel estimator. The frequency domain equalizer 430 inputs the output signal of the demodulator 420 to compensate for the distortion of the waveform due to channel characteristics, and the decoder 440 outputs the output signal of the equalizer 430. Decrypt
상기 약속된 신호열 발생기(540)는 상기 적응형 필터(510)의 초기 계수를 조정하기 위해 미리 결정되어 있는 신호열을 발생하고, 상기 적응형 필터(510)는 상기 채널 추정기(450)에 의해 초기 계수가 결정되고, 상기 약속된 신호열 발생기(540)로부터의 신호열과 채널을 통해 수신된 신호열의 필터 출력을 감산한 결과를 오차 신호로하여 상기 결정된 초기 계수를 조정하며, 상기 스케일러(480)에 의해 결정된 스텝크기에 따라 갱신되는 최적의 필터 계수를 결정하므로써, 복조기 출력으로부터 신호를 보다 정확히 추출할 수 있다. 상기 심볼 결정기(520)는 상기 적응형 필터(510)의 출력으로부터 테이터 심볼을 결정하고, 상기 감산기(530)는 상기 심볼 결정기(520)의 출력으로부터 상기 적응형 필터(510)의 출력을 감산한 출력 오차 신호를 적응형 필터로 입력한다.The promised signal sequence generator 540 generates a predetermined signal sequence to adjust the initial coefficients of the adaptive filter 510, and the adaptive filter 510 is initialized by the channel estimator 450. Is determined, and the determined initial coefficient is adjusted by subtracting the signal output from the promised signal sequence generator 540 and the filter output of the signal sequence received through the channel as an error signal, and determined by the scaler 480. By determining the optimum filter coefficient to be updated according to the step size, the signal can be extracted more accurately from the demodulator output. The symbol determiner 520 determines a data symbol from the output of the adaptive filter 510, and the subtractor 530 subtracts the output of the adaptive filter 510 from the output of the symbol determiner 520. Input the output error signal to the adaptive filter.
일반적으로 최소 평균 자승 알고리즘이 빠른 수렴 특성을 가지려면, 상기 수학식 3의 μ가 등화기의 계수 갯수 및 등화기 입력 신호 전력에 반비례한 특성을 가져야 하고, 다중 반송파 시스템에서는 복소 단일 탭 계수(complex 1 tap coefficient)를 사용하므로, 스텝 크기는 복조된 각 서브 채널별 신호의 전력에 반비례한 특성을 가지면 최적의 수렴 특성을 얻을 수 있다. 그러나, 상기와 같은 경우 등화기의 수렴 속도가 입력 신호의 전력에 종속되므로, 이러한 종속성을 해결하기 위해 알고리즘의 스텝 크기를 다음 식과 같이 정규화해서 갱신한다.In general, in order for the minimum mean square algorithm to have fast convergence characteristics, μ in Equation 3 should be inversely proportional to the number of coefficients of the equalizer and the equalizer input signal power, and in a multiple carrier system, a complex single tap coefficient (complex) 1 tap coefficient), an optimal convergence characteristic can be obtained if the step size has a characteristic inversely proportional to the power of each demodulated signal. However, in this case, since the convergence speed of the equalizer is dependent on the power of the input signal, the step size of the algorithm is normalized and updated as follows to solve this dependency.
여기서,는 k번째 반복시의 입력 신호 전력 추정치이고, a와 b는 임의의 상수이다. b는 입력 신호의 전력이 매우 작을 때 βk가 커져서 불안하게 됨을 막기 위한 값이다. 다중 반송파의 경우, 상기 b는 전체 채널의 감쇠 정도를 충분히 나타낼 수 있을 정도로 커야 전체 수렴 특성을 최적화할 수 있는 조건이 된다. 전체 수렴 특성을 최적화하기 위하여 다중 반송파의 서브 채널별 스텝 크기를 최적화하므로써 서브 채널이 각각 조정되도록 하기 위하여 상기 스케일러(480)는 상기 채널 추정기(450)로부터 상기를 입력 받고 상기 레벨 검출기(460)로부터 상기 b를 입력받아서 최적의 서브 채널별 스텝 크기 βk를 결정하여 출력한다. 상기 βk는 수학식 3의 μ값에 대입되어 상기 적응형 필터(510)의 계수를 갱신하기 위해 상기 적응형 필터(510)로 입력된다.here, Is an estimate of the input signal power at the k th iteration, and a and b are arbitrary constants. b is a value for preventing βk from becoming unstable when the power of the input signal is very small. In the case of a multi-carrier, b must be large enough to represent the degree of attenuation of the entire channel to become a condition for optimizing the overall convergence characteristic. In order to optimize the sub-channels by optimizing the step size for each sub-channel of the multi-carrier in order to optimize the overall convergence characteristic, the scaler 480 may be configured from the channel estimator 450. Is inputted, and b is received from the level detector 460 to determine and output an optimal step size βk for each subchannel. The β k is substituted into the μ value of Equation 3 and input to the adaptive filter 510 to update the coefficient of the adaptive filter 510.
본 발명에 의하면 최소 평균 자승 알고리즘을 사용하는 종래의 수신기에 스케일러를 추가하여 각 서브 채널별 스텝 크기를 조정하여 등화기의 계수를 조정하므로써 등화기의 수렴 특성을 최적화하여 주파수 영역 등화기의 초기화 시간을 대폭 줄일 수 있고, 심한 감쇠가 있는 신호인 경우에도 안정되게 복원할 수 있다.According to the present invention, by adding a scaler to a conventional receiver using a least mean square algorithm, the step size of each subchannel is adjusted to adjust the equalizer coefficients, thereby optimizing the convergence characteristics of the equalizer to initialize the frequency domain equalizer. Can be drastically reduced, and can be stably restored even in the case of a signal having severe attenuation.
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