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KR100705443B1 - 직교주파수 분할 다중 접속 시스템의 송신기용 디지털클리핑 방법 - Google Patents

직교주파수 분할 다중 접속 시스템의 송신기용 디지털클리핑 방법 Download PDF

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KR100705443B1
KR100705443B1 KR1020050038845A KR20050038845A KR100705443B1 KR 100705443 B1 KR100705443 B1 KR 100705443B1 KR 1020050038845 A KR1020050038845 A KR 1020050038845A KR 20050038845 A KR20050038845 A KR 20050038845A KR 100705443 B1 KR100705443 B1 KR 100705443B1
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KR
South Korea
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clipping
frequency division
orthogonal frequency
transmitter
multiple access
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KR1020050038845A
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박형숙
박윤옥
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한국전자통신연구원
에스케이 텔레콤주식회사
주식회사 케이티프리텔
삼성전자주식회사
하나로텔레콤 주식회사
주식회사 케이티
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Abstract

본 발명은 직교주파수분할 다중접속(OFDMA) 시스템의 송신기에서 송신 신호의 높은 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)을 줄이기 위해 사용하는 디지털 클리핑 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 직교주파수 분할 다중접속 시스템의 송신기에서 디지털 클리핑 방법은, a) 디지털 클리핑할 상기 송신 신호를 실수부와 허수부로 나누는 단계; b) 상기 실수부와 허수부 신호에 그 크기를 여러 클리핑 구간으로 나누는 단계; 및 c) 상기 송신신호의 실수부와 허수부 신호에 대해 복수의 클리핑 레벨과 비교하여, 위상 오차를 허용하면서 각각 클리핑하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 직교주파수분할 다중 액세스 시스템의 송신기 설계에 적용되어 송신기의 하드웨어의 크기를 줄이고 최대 전력 대 평균 전력비(PAPR)도 감소시킬 수 있다.
OFDMA, 클리핑, 레벨, PAPR, 비교기

Description

직교주파수 분할 다중 접속 시스템의 송신기용 디지털 클리핑 방법 {A digital clipping method for transmitter of orthogonal frequency division multiple access system}
도 1은 일반적인 직교주파수 분할 다중접속(OFDMA) 변조장치의 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 송신 신호의 클리핑 방법을 나타낸 그래프이고, 도 2b는 직교주파수 분할 다중 접속 시스템의 송신기용 디지털 클리핑 방법의 동작 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송신 신호의 클리핑 방법을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 송신 신호의 클리핑 방법에 따른 오류 벡터치(EVM)(%)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 송신 신호의 클리핑 방법에 따른 최대 전력 대 평균 전력비(PAPR)를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 직교주파수 분할 다중 접속 시스템의 송신기용 디지털 클리핑 방 법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직교주파수 분할 다중접속 시스템(Orthogonal Frequency Division Multiple Access System, OFDMA)에서 송신 신호의 높은 최대 전력 대 평균 전력비(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)를 감소시키기 위한 디지털 클리핑 방법에 관한 것이다.
종래 기술로서, 대한민국 특허출원 제2001-88387호에는 "직교주파수 분할다중 무선통신 시스템에서 피크전력 대 평균전력 감소 장치 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있다.
구체적으로, 선행 발명은, 역고속 퓨리에 변환 출력의 신호를 소프트 클리핑하는 과정을 통하여 피크 전력 대 평균 전력(PAPR)을 감소시키는 장치로서, 소프트 클리핑 레벨의 시작점 C와 소프트 클리핑 레벨의 끝점 U를 이용하여 신호가 C보다 작으면 클리핑이 발생하지 않고, 신호가 C와 U 사이일 때에 명시된 식에 의해 클리핑이 일어나는데, 이는 곱셈기와 나눗셈기가 필요하게 된다. 이와 같이 상기 선행 발명에서 제시한 방법은 기존의 클리핑 방법에 비해 대역 내의 왜곡이 발생할 뿐만 아니라, 대역 밖의 클리핑 잡음으로 성능이 나빠지는 문제점을 해결하기 위해 신호의 왜곡 없이 클리핑함으로써 피크 전력 대 평균 전력(PAPR)을 감소시키는 것이 특징이다.
또한, 종래 기술로서, 국제출원 번호 Wo03/041327호(2002년 11월 9일 출원)에는 "Apparatus and Method for Reducing PAPR in an OFDM mobile communication System"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있다.
구체적으로, 선행 발명은, 직교주파수 분할 다중(OFDM) 신호의 최대 전력 대 평균 전력비(PAPR)를 감소시키기 위해 송신기의 역고속 퓨리에 변환기 출력에 프리엠퍼시스(Pre-Emphasis)를 수행하고 수신기에서 고속 퓨리에 전단에서 디엠퍼시스(De-Emphasis)를 수행하여 효율적으로 최대 전력 대 평균 전력비(PAPR)를 감소시키는 것이다. 이는 역고속 퓨리에 변환기 출력이 정해진 크기에 비해 크거나 작을 때, 각각 다른 이득이 곱해지는 전달 함수로 정의되며, 즉 송신 신호 S(n)를 프리엠퍼시스(Pre-Emphasis)의 전달 함수를 통해 Spre(n)로 만든 다음에 수신부에서는 이 신호를 받아 다시 S(n)를 만드는 디엠퍼시스(De-Emphasis)를 수행하는 것으로, 이 장치는 많은 계산을 필요로 하므로 디지털신호프로세서(DSP)를 이용하여 구현한 것이 특징이다.
또한, Consumer Electronics, IEEE Transactions On(2001년), 17∼21 페이지에는 "PAPR Reduction using Soft Clipping and ACI Rejection in OFDM system"이라는 명칭의 논문이 게재되어 있다.
구체적으로, 선행 논문은, OFDM 송신 신호의 PAPR을 감소시키기 위해 하드 클리핑(Hard Clipping)이 아닌 소프트 클리핑(Soft Clipping) 방법을 제안하였고, 이 방법에서는 상기 선행 발명과 동일한 방법인 것으로 분석된다. 클리핑 레벨의 시작점과 끝점을 두어 이 구간동안 일어나는 클리핑을 소프트 클리핑으로 수행하는 방법이다. 또한 클리핑을 수행하면 송신 신호에 클리핑 잡음이 더해지는데, 이를 제거하기 위하여 FFT와 IFFT를 추가하여 필터링 기능을 수행한다. 그러나 이 필터링은 대역 밖 클리핑 잡음을 제거하는 것은 가능하나, 대역 내 잡음은 여전히 존재하는 것으로 분석된다. 클리핑이 이루어진 송신 신호의 필터링을 위해 IFFT/FFT가 별도로 하드웨어가 추가되는 방법이 특징이다.
한편, 직교주파수 분할 다중접속 시스템에서 송신 신호의 최대 전력 대 평균 전력비(PAPR)를 줄이기 위하여 복소수인 송신 신호를 클리핑하는 기술로서, 첫 번째 방법으로는, 복소수인 송신 신호의 크기를 구하여 실수부와 허수부에 크기를 나눔으로서 위상 오차 없이 클리핑하는 방법이 있다.
그러나 이러한 방법은 곱셈기와 나눗셈기가 매 샘플마다 동작하는 복잡성이 있어 위상 오차를 허용하면서 실수부와 허수부 신호를 따로 클리핑하는 기술로 알려져 있다. 이러한 첫 번째 방법으로서는 클리핑 기술에 있어서 이상적인 방법이나 하드웨어가 복잡해진다.
두 번째 방법으로는, 별도의 곱셈기나 나눗셈기 없이 실수부와 허수부 신호를 따로 클리핑하는 방법으로서, 간단한 구조이지만 위상 오차를 허용하며, 같은 클리핑 레벨에 대한 최대 전력 대 평균 전력비(PAPR)가 여전히 높다는 단점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 직교주파수 분할 다중접속 시스템에서 적절한 클리핑 레벨에서 하드웨어의 크기를 줄이고 최대 전력 대 평균 전력비(PAPR)도 감소시킬 수 있는 클리핑 장치로서, 송신기의 하드웨어 면적과 전력 소모를 감소시킬 수 있는 직교주파수 분할 다중접속 시스템의 송신기에서 디지털 클리핑 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 직교주파수 분할 다중접속 시스템의 송신기에서 디지털 클리핑 방법은,
직교주파수분할 다중(OFDM) 송신 신호를 클리핑하는 방법에 있어서,
a) 디지털 클리핑할 상기 송신 신호를 실수부와 허수부로 나누는 단계;
b) 상기 실수부와 허수부 신호에 그 크기를 여러 클리핑 구간으로 나누는 단계; 및
c) 상기 송신신호의 실수부와 허수부 신호에 대해 복수의 클리핑 레벨과 비교하여, 위상 오차를 허용하면서 각각 클리핑하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 c) 단계는 상기 복소수인 송신신호의 실수부와 허수부 신호에 대해 적어도 복수의 클리핑 레벨과 각각 비교하기 위한 복수의 비교기를 추가로 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 복수의 클리핑 레벨이 3개의 클리핑 레벨(A, L1, L2)인 경우, 상기 클리핑 레벨(A, L1, L2)과 각각 비교하기 위해 2개의 비교기를 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 b) 단계의 클리핑 구간은 제1 클리핑 레벨(A), 제2 클리핑 레벨(L1) 및 제3 클리핑 레벨(L2)로 구분되며, 이때, 제2 클리핑 레벨(L1)은
Figure 112005024436952-pat00001
로 주어지고, 상기 제3 클리핑 레벨(L2)은
Figure 112005024436952-pat00002
로 주어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 c) 단계에서 클리핑한 후의 신호(y(n))의 실수부(y i (n))는, 상기 제1 클리핑 레벨(A), 제2 클리핑 레벨(L1) 및 제3 클리핑 레벨(L2)로 정해지는 각 클리핑 구간에 따라 적어도 6가지 값 중 어느 하나를 갖는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 c) 단계에서 클리핑한 후의 신호(y(n))의 실수부(y i (n))는,
Figure 112005024436952-pat00003
로 주어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 직교주파수 분할 다중접속 시스템의 송신기에서 디지털 클리핑 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 직교주파수분할 다중접속 시스템에서 송신기 기능에 따른 일반적인 송신기 구조를 나타낸 것이다.
먼저, 송신기로부터 입력된 입력 신호(101)를 버스트 단위로 입력받아 직교주파수 분할 다중(OFDM) 심볼 단위로 데이터를 정렬한 후, 각각 변조방식인 QPSK, 16QAM, 64QAM 변조 방식에 따라 변조 맵퍼(102)를 수행한다.
상기 맵핑된 신호는 직교주파수분할 다중(OFDM) 처리한 심볼 단위로 역고속 퓨리에 변환기에서 역고속 퓨리에 변환(103)을 거치고, Cyclic Prefix(CP)를 삽입(104)한다. 이 신호를 클리핑(105)하는데 있어서, 송신 신호(
Figure 112005024436952-pat00004
)는 다음의 수학식 1과 같이 실수부(x i (n)) 및 허수부(jx q (n))로 표현된다.
Figure 112005024436952-pat00005
또한, 클리핑한 후의 신호(y(n))는 다음의 수학식 2와 실수부(y i (n)) 및 허수부(jy q (n))로 표현된다.
Figure 112005024436952-pat00006
따라서, 위상 오차 없이 이상적인 방법으로 클리핑을 하면, 신호는 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005024436952-pat00007
여기서, A는 클리핑 레벨을 나타내며, 이때, 상기와 같이 클리핑이 발생한 경우, 대역 내 잡음과 대역 밖 잡음이 발생하게 된다.
또한, 클리핑 레벨은 신호의 평균전력과 관련지어 표현할 수 있는데, 둘 사 이의 비율을 클리핑 비율(Clipping Ratio)이라 하며, 다음의 수학식 4와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112005024436952-pat00008
여기서,
Figure 112005024436952-pat00009
는 송신 신호(
Figure 112005024436952-pat00010
)의 분산을 나타낸다.
상기 수학식 4와 같이 위상 오차 없이 클리핑하기 위해서, 먼저, 신호의 크기를 구해야 하고, 이때 구해진 크기를 실수부와 허수부에 곱하여 클리핑 신호를 얻게 된다. 이는 도 2a에서 Type Ⅰ에 해당한다.
한편, 도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 송신 신호의 클리핑 방법을 나타낸 그래프이다.
이와 같은 하드웨어 복잡도를 줄이기 위해 도 2a의 Type Ⅱ와 같이 실수부와 허수부 신호를 따로 클리핑하는 방법도 있다. 클리핑한 실수부 신호를 수학식으로 표현하면 다음 수학식 5와 같다. 이때, 허수부 신호도 똑같이 적용된다.
Figure 112005024436952-pat00011
이 방법은 곱셈기와 나눗셈기 없이 비교기만 가지고 간단히 구현할 수 있으나, 같은 성능에 비해 최대 전력 대 평균 전력비(PAPR)가 크게 줄어들지 않는 단점이 있다. 이것은 후술할 도 4 및 도 5를 참조하면 알 수 있다.
따라서, 위상 오차를 허용하면서 몇 개의 비교기만을 더 추가하여 클리핑할 수 있는 방법을 본 발명의 실시예에서 제시하며, 이에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2a에 Type Ⅲ와 같이 클리핑 레벨을 구간별로 나누어 적용할 수 있으며, 다양하게 변형할 수 있다.
먼저, 도 2a의 Type Ⅲ-a와 같은 방법의 클리핑 방법을 다음의 수학식 6으로 나타내었다. 이러한 클리핑 방법이 본 발명의 실시예의 주요 구성에 해당된다.
Figure 112005024436952-pat00012
구체적으로, 도 2a를 참조하면, 클리핑한 실수부 신호(y i (n))는 제1 클리핑 레벨(A), 제2 클리핑 레벨(L1) 및 제3 클리핑 레벨(L2)로 정해지는 각 구간에 따라 6가지 값 중 하나를 갖게 된다. 즉, 수학식 1로 나타낸 송신 신호(
Figure 112005024436952-pat00013
)의 실수부(x i (n)) 및 허수부(jx q (n))의 값과 상기 제1 클리핑 레벨(A), 제2 클리핑 레벨(L1) 및 제3 클리핑 레벨(L2)에 따라 각각 A, x i (n), -A, L1, x i (n) 및 -L1 중 어느 한 값을 갖게 된다. 여기서, 상기 제1 클리핑 레벨(A), 제2 클리핑 레벨(L1) 및 제3 클리핑 레벨(L2)에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
한편, 도 2b는 직교주파수 분할 다중 접속 시스템의 송신기용 디지털 클리핑 방법의 동작 흐름도이다.
도 2b를 참조하면, 송신 신호(x(n))를 디지털 클리핑할 때(S301), 상기 수학식 6에 따른 각각의 경우에 대해, S302 내지 S304 단계의 비교를 통해서, S305 내지 S308 단계의 클리핑 값을 각각 출력하는 것을 나타내고 있다. 즉, 클리핑 값은 A, x i (n), -A, L1, x i (n) 및 -L1 중 어느 한 값을 갖게 된다.
한편, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송신 신호의 클리핑 방법을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, Type Ⅲ-b는 다른 방법으로 확장한 경우이며, 이를 수학식으로 나타내면 다음 수학식 7과 같다.
Figure 112005024436952-pat00014
구체적으로, 클리핑한 실수부 신호(y i (n))는 제1 클리핑 레벨(A), 제2 클리 핑 레벨(L1) 및 제3 클리핑 레벨(L2)로 정해지는 각 클리핑 구간에 따라 9가지 값 중 어느 하나를 갖게 된다. 즉, 수학식 1로 나타낸 송신 신호(
Figure 112005024436952-pat00015
)의 실수부(x i (n)) 및 허수부(jx q (n))의 값과 상기 제1 클리핑 레벨(A), 제2 클리핑 레벨(L1) 및 제3 클리핑 레벨(L2)에 따라 각각 A, x i (n), -A, L1, x i (n), -L1, L2, x i (n) 및 -L2 중 어느 한 값을 갖게 된다. 수학식 7을 수학식 6과 비교하면, 클리핑 값이 L2, x i (n) 및 -L2를 추가로 가질 수 있는 것을 의미하며, 이는 사용자의 설정 조건에 따라 달라질 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 송신 신호의 클리핑 방법에 따른 오류 벡터치(EVM)(%)를 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 송신 신호의 클리핑 방법에 따른 최대 전력 대 평균 전력비(PAPR)를 나타낸 그래프이다.
또한, 클리핑된 송신 신호의 성능 비교로 각 클리핑 방법에 따른 오류벡터치(Error Vector Magnitude; EVM)를 도 4와 같이 구하고, 또한 클리핑 방법에 따라 클리핑했을 때, 최대 전력 대 평균 전력비(PAPR)를 구하여 도 5와 같이 나타낼 수 있다.
한편, 도 4에 Type Ⅱ의 Ⅱ-a, Ⅱ-b, Ⅱ-c를 같은 클리핑 방법에 클리핑 레벨을 다르게 사용한 경우이다. 여기서, Ⅱ-a의 클리핑 레벨은 A이며, Ⅱ-b는 L1일 때, Ⅱ-c는 앞의 두 경우의 사이 값이다.
Type I의 성능을 기준으로 삼고 Type Ⅱ를 살펴보면, 같은 성능을 유지하는 Type II-c의 최대 전력 대 평균 전력비(PAPR)는 크게 줄어들지 않는다. 그리고 본 발명의 실시예의 구성에 해당되는 Type Ⅲ-a와 비교해 보면, Type Ⅱ-d가 비슷한 성능을 보이지만, 최대 전력 대 평균 전력비(PAPR)도 Type Ⅲ-a에 비해 크게 줄지 않은 것을 알 수 있다.
따라서, 곱셈기나 나눗셈기를 사용하지 않고도 실수부와 허수부의 신호를 따로 클리핑하는 경우는 Type Ⅱ보다는 Type Ⅲ-a의 방법이 더 나은 성능을 보인다고 볼 수 있다. 이 방법은 클리핑 레벨을 추가하기 때문에 이에 따른 비교기가 추가된다.
본 발명의 실시예에서, 클리핑 레벨을 똑같이 2개를 사용하지만, Type Ⅲ의 Ⅲ-a와 Ⅲ-b는 오류벡터치(EVM)에서 차이가 많이 발생한다. 여기서, 추가되는 클리핑 레벨 L1과 L2는 각각 다음의 수학식 8과 9로 주어질 수 있다.
Figure 112005024436952-pat00016
Figure 112005024436952-pat00017
여기서, 상기 추가되는 클리핑 레벨 L1과 L2가 상기 수학식 8과 9로 주어지는 것이 바람직하지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 직교주파수 분할 다중접속(OFDMA) 시스템의 송신기에 있어서 2개의 비교기 구성으로 클리핑이 가능한 디지털 클리핑 방법을 제공함으로써, 높은 최대 전력 대 평균 전력비(PAPR)를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 클리핑 방법은 실수부와 허수부를 따로 클리핑함으로써, 기존의 클리핑 방법에 비해 보다 더 향상된 성능을 보인다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백한 것이다.
본 발명에 따르면, 직교주파수 분할 다중접속(OFDMA) 시스템의 송신기에서 기존의 클리핑 방법에 비해 클리핑 성능이 향상된 디지털 클리핑 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 직교주파수분할 다중 액세스 시스템의 송신기 설계에 적용되어 송신기의 하드웨어의 크기를 줄이고, 최대 전력 대 평균 전력비(PAPR)도 감소시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 직교주파수분할 다중(OFDM) 송신 신호를 클리핑하는 방법에 있어서,
    a) 디지털 클리핑할 상기 송신 신호를 실수부와 허수부로 나누는 단계;
    b) 상기 실수부와 허수부 신호에 그 크기를 서로 다른 클리핑 레벨을 가지는 복수의 클리핑 구간으로 나누는 단계; 및
    c) 상기 송신신호의 실수부 신호 및 허수부 신호를 상기 복수의 클리핑 레벨과 각각 비교하여, 위상 오차를 허용하면서 각각 클리핑하는 단계
    를 포함하고,
    상기 c) 단계에서 클리핑한 후의 신호는 상기 복수의 클리핑 레벨에 의하여 정해지는 각 클리핑 구간에 따라 다수의 값 중에서 어느 하나의 값을 가지는, 직교주파수 분할 다중접속 시스템의 송신기에서 디지털 클리핑 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계는 상기 복소수인 송신신호의 실수부와 허수부 신호에 대해 적어도 복수의 클리핑 레벨과 각각 비교하기 위한 복수의 비교기를 추가로 사용하는 것을 특징으로 하는 직교주파수 분할 다중접속 시스템의 송신기에서 디지털 클리핑 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 클리핑 레벨이 3개의 클리핑 레벨(A, L1, L2)인 경우, 상기 클 리핑 레벨(A, L1, L2)과 각각 비교하기 위해 2개의 비교기를 사용하는 것을 특징으로 하는 직교주파수 분할 다중접속 시스템의 송신기에서 디지털 클리핑 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 b) 단계의 클리핑 구간은 제1 클리핑 레벨(A), 제2 클리핑 레벨(L1) 및 제3 클리핑 레벨(L2)로 구분되며, 이때, 제2 클리핑 레벨(L1)은
    Figure 112005024436952-pat00018
    로 주어지고, 상기 제3 클리핑 레벨(L2)은
    Figure 112005024436952-pat00019
    로 주어지는 것을 특징으로 하는 직교주파수 분할 다중접속 시스템의 송신기에서 디지털 클리핑 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 c) 단계에서 클리핑한 후의 신호(y(n))의 실수부(y i (n))는, 상기 제1 클리핑 레벨(A), 제2 클리핑 레벨(L1) 및 제3 클리핑 레벨(L2)로 정해지는 각 클리핑 구간에 따라 적어도 6가지 값 중 어느 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 직교주파수 분할 다중접속 시스템의 송신기에서 디지털 클리핑 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 c) 단계에서 클리핑한 후의 신호(y(n))의 실수부(y i (n))는,
    Figure 112005024436952-pat00020
    로 주어지는 것을 특징으로 하는 직교주파수 분할 다중접속 시스템의 송신기에서 디지털 클리핑 방법.
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