KR19980015798A - 직각 위상 편이 복조기의 반송파 복원 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디지털 직각 위상 편이(quadrature phase shift keying : QPSK) 복조기에 관한 것으로, 특히 수신 신호의 왜곡된 위상 에러를 메모리를 사용하여 검출하지 않고, 수신 신호로부터 직접 근사한 위상 에러각을 얻어내는 직각 위상 편이 복조기의 반송파 복원 장치에 관한 것으로서, I채널 신호와 Q채널 신호를 각각 입력받아 어떤 상한에 존재하는지를 판단하여 상한 선택 신호를 출력하는 선택신호 생성부(41)와; 상기 I채널 신호와 Q채널 신호를 입력받아 가산 또는 감산 연산하여 출력하는 위상 에러 계산부(43); 상기 선택신호 생성부(41)의 상한 선택신호에 의해 상기 위상 에러 계산부(43)로부터 출력된 연산값 중에서 하나를 선택하여 출력하는 위상 에러값 선택부(45); 상기 위상 에러값을 입력받아 필터링 처리하여 평균 에러값을 구하는 루프 필터(47); 상기 평균 에러값에 해당하는 사인함수값과 코사인함수값을 출력하는 보상신호 발생부(49);로 구성된 본 발명은, I채널 신호와 Q채널 신호의 가산 또는 감산하는 연산 회로와 상기 연산 결과중 하나를 위상 에러값으로 선택하는 멀티플레서와 같은 논리 회로를 이용하여 수신 신호로부터 직접 근사한 위상 에러각을 얻어내므로써 반송파 복원부의 상당한 메모리 소지를 줄이면서도 전체 복조기를 간단히 구현할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Description

직각 위상 편이 복조기의 반송파 복원 장치(An apparatus for recovering carrier in a QPSK demodulator)

본 발연은 디지털 직각 위상 편이(quadrature phase shift keying : QPSK) 복조기에 관한 것으로, 특히 수신 신호의 왜곡된 위상 에러를 메모리를 사용하여 검출하지 않고, 수신 신호로부터 직접 근사한 위상 에러를 얻어내므로써, 메모리의 소비를 줄이면서도 전체 복조기를 간단히 구현할 수 있도록 된 직각 위상 편이 복조기의 반송파 복원 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 위상 편이 변조 방식(PSK : phase-shift-keying)는 정보 신호에 따라 반송파의 위상을 예정된 몇가지 값으로 변화사키는 디지털 변조 방식으로서, 반송파가 가질 수 있는 위상의 수에 따라 이진 위상 편이 변조(BPSK : binary phase shift keying), 직각 위상 편이 변조(이하 QPSK라 함) 등이 있다.

위상 편이 변조 방식(PSK)은 진폭 편이 변조(ASK : amplitude-shift-keying)에 비해 동일한 부호오류율을 얻는데 소요되는 수신전력이 작아도 되고, 또 2상 PSK에서 4상 PSK 내지 8상 PSK로 다상화됨에 따라 전송용량이 동일한 무선대역에서 각각 2배, 3배로 증가시킬 수 있는 장점이 있기 때문에 디지털 위성 통신 방송이나 밀리파 통신 방식 등의 분야에서 널리 연구되어 지고 있다.

특히, QPSK 방식이 많이 사용되고 있는데, 도 1은 신호공간에 표시된 4개의 QPSK 신호도이다.

도 1의 신호도에서 보는 바와같이, 정보 데이터 2비트 시퀀스가 1심벌을 이루어 4개의 심벌(S1, S2, S3, S4)이 각 사분면에 존재하고 있으면서, 서로 π/2 위상차를 유지하고 있다. 이러한 신호는 변조시 동상채널(이하 I채널이라 함)에 해당하는 비트신호는 반송파 cosωot에 실리고, 직교채널(이하 Q채널이라 함)에 해당하는 비트신호는 반송파 sinωot에 실려서, 두 변조신호가 중첩된 신호를 전송하게 되는 것이다.

그러면, 두 신호가 중첩된 신호를 수신받은 수신기에서는 위상을 알기 위해 수신신호에 변조 반송파와 주파수가 동일한 cosωot와 sinωot의 재생 반송파가 곱해지므로써 I채널 신호와 Q채널 신호를 분리하게 되는 것이다.

상기와 같은 QPSK 신호는 π/2 씩 위상이 서로 다른 인접한 위상의 심벌과 오직 1비트만 다르게 매핑되어 있기 때문에, 복조시 위상에 의해 발생되는 비트에러율이 최소가 될 수 있는 장점이 있다.

이러한 QPSK 방식을 이용하는 위성 통신 방송 규격 중의 하나인 DVB(digital video broadcasting)나 DBS(direct broadcasting service)규격에 의하면, QPSK 신호의 전송 심볼율은 21.3Msym/s이고, 반송파는 11.7~12.0GHz 로서 상당히 높은 주파수 대역이 할당되어 있다.

이와 같이 높은 반송파를 포함하고 있는 신호가 위성으로부터 안테나로 수신되어 QPSK 복조기로 입력되기 까지의 과정을 살펴보면 다음과 같다.

안테나로 수신된 신호는 저잡음 제거 필터(LNB : Low Noise Bandpass filter)와 튜너를 거치면서 중간주파수(IF : Intermediate Frequency)대역의 신호로 변환되고, 중간 주파수 신호(IF)는 전압 제어 증폭기(voltage controlled amplifier : 이하 VCA라 함)를 거쳐 아날로그 디지탈 변환기(이하 A/D 컨버터라 함)에서 포화(saturation)가 발생하지 않는 범위로 진폭의 크기가 제한되어 진다. 이제, VCA의 출력은 국부발진회로에 의해 I채널 신호와 Q채널 신호의 기저대역신호로 변환되어, A/D 컨버터를 거친 후, 디지털 QPSK 복조기로 입력된다.

한편, 도 2는 위상 에러가 발생한 직각 위상 편이 변조의 수신 신호도로서, 원래 변조시 위상각은 θc 이고, 수신된 신호의 위상각이 θε 만큼 왜곡되어 수신된 것을 보여주고 있다.

디지털 QPSK 복조기에서는 도 2에서 보여지는 바와 같이, 잡음이 중첩된 수신 신호가 표본 시점에 있어서 제 1 상한에 있으면 올바르게 판정되지만 그 이외의 상한에 들어가면 에러가 된다.

따라서, 위상에 정보를 실어 보내는 위상 편이 변조 방식에서는 변조와 복조단의 정확한 위상 동기를 가능하게 하는 장치 즉, 발생한 위상 에러를 검출하고, 이를 보상하여 동기 반송파를 재생하는 것이 무엇보다도 중요하다.

이어서, 도 3은 일반적인 직각 위상 편이(QPSK) 복조기에 대한 구성도로서, QPSK 복조기는 크게 복소수 곱셈부(20)와, 반송파 복원부(21), 정합 필터부(23), 자동 이득 제어부(25, Automatic Gain Control) 및 타이밍 복원부(27)로 구성된다.

상기 복소수 곱셈부(20)는 상기 A/D 컨버터를 통과한 실수부에 해당하는 I채널 신호(I_in)와 허수부에 해당하는 Q채널 신호(Q_in)를 입력받아 상기 반송파 복원부(21)로부터 출력된 위상 에러 보상 신호와 복소수 곱셈하여 상기 정합 필터부(23)로 출력한다.

상기 반송파 복원부(21)에서는 상기 정합 필터를 거쳐 복원된 신호(I_out, Q_out)를 피드 백 입력받아 위상 에러 검출기(21-1)를 통해서 위상 에러 값 θε 을 찾아내고, 상기 위상 에러 값 θε 을 루프 필터를 통해 평균치를 구한 후, 위상 에러를 제거시키기 위한 보상신호를 상기 복소수 곱셈부(20)로 출력한다.

상기 정합 필터부(23)는 상기 복소수 곱셈부(20)로부터 출력된 신호를 필터링 처리하여 I채널 신호(I_out)와 Q채널 신호(Q_out)를 출력한다.

상기 자동 이득 제어부(25)는 상기 I채널 신호(I_out)와 Q채널 신호(Q_out)를 입력받아 신호의 크기를 측정하여 신호 크기 제어 신호를 외부 디바이스인 전압 제어 증폭기(VCA : Voltage Controlled Amplifier)로 전달하여 신호의 진폭이 외부 디바이스인 A/D 컨버터(도시하지 않음)의 일정한 범위 안에 존재하게 한다.

상기 타이밍 복원부(27)는 상기 I채널 신호(I_out)와 Q채널 신호(Q_out)를 입력받아 타이밍 에러값을 계산한 후, 수정 발진기에 의해 발진하는 전압 제어 발진기(VCXO : voltage controlled cristal oscillator)로 전달하여 샘플링 시간을 정확히 동기시키는 역할을 한다.

도 3에서 보는 바와 같이, 반송파 복원 회로의 위상 에러 검출기(21-1)는 I채널 신호(I_out)와 Q채널 신호(Q_out)를 피드 백 입력받아 위상 에러 값 θε 을 구하는 회로로서, M자승 소자(M-th power device)를 사용하거나 복원 회로 자체를 DFPLL(decision feedback phase locked loop)로서 구현하여 수신 신호로부터 변조 위상에 의한 영향을 제거하여 위상 에러를 검출한다.

즉, 상기 정합 필터부(23)로부터 출력된 I채널 신호(I_out)와 Q채널 신호(Q_out)에 대한 위상값 θγ ,을 저장하고 있는 메모리로부터 해당하는 위상값 θγ 을 로드한 후, 변조시 위상각을 각각 비교하여 두 위상각의 오차 즉, 위상 에러값 θε , (=θγ - θc )이 가장 작은 위상차를 위상 에러값으로 검출해내 것이다.

이와 같이 검출된 위상에러값 θε 은 루프 필터(21-2)를 통해 평균 에러값으로 필터링되어 상기 보상 신호 발생기(21-3)로 출력된다.

상기 보상 신호 발생기(21-3)는 사인 함수값과 코사인 함수값을 저장하고 있는 메모리로서, 상기 평균 에러값을 주소로 하여 에러 위상에 대한 사인 함수값과 코사인 함수값을 상기 복소수 곱셈부(20)로 제공하므로써 다음 수신된 신호에 대한 위상 에러를 복원할 수 있는 것이다.

상기에 설명한 바와 같이, 종래의 반송파 복원회로에서는 빗나간 위상 에러를 찾기 위해 I채널 신호와 Q채널 신호가 갖는 위상값이 저장된 메모리로부터 해당 위상값을 얻은 후, 상기 위상값과 가장 가까운 원래의 변조 위상각을 선택하여 두 값의 차를 구하므로써 위상 에러값 θε 을 검출해내기 때문에, 몇번의 과정을 거칠뿐만 아니라, 위상을 저장하기 위해 상당량의 메모리가 소비되는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 수신 신호가 어떤 상한에 존재하느냐에 따라 I채널 신호와 Q채널 신호간의 가산 또는 감산식을 결정하여 위상 에러값을 수신 신호로부터 직접 계산해 내는 직각 위상 편이 복조기의 반송파 복원 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 I채널 신호와 Q채널 신호를 각각 입력받아 4개의 신호공간 중에서 어떤 상한에 존재하는지를 판단하여 상한 선택신호를 출격하는 선택 신호 생성부와; 상기 I채널 신호와 Q채널 신호의 가산 또는 감산 연산하여 각 상한에서 존재하는 위상 에러의 허수 성분 값을 출력하는 위상 에러 계산부; 상기 선택신호 생성부의 상한 선택 신호에 따라 상기 위상 에러 계산부로부터 출력된 연산값 중에서 하나를 선택하여 출력하는 위상 에러값 선택부; 상기 위상 에러값을 입력받아 필터링 처리하여 평균 에러값을 구하는 루프 필터 및; 상기 평균 에러값에 해당하는 사인함수값과 코사인함수값을 출력하는 보상신호 발생부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 통하여서, I채널 신호와 Q채널 신호의 가산 또는 감산하는 연산 회로와 상기 연산 결과중 하나를 위상 에러값으로 선택하는 멀티플렉서와 같은 논리 회로만으로 위상 에러를 검출해냄으로써 반송파 복원부에서 사용되는 상당량의 메모리를 줄일 수 있는 것이다.

도 1은 신호 공간에 표시된 4개의 직각 위상 편이 변조의 신호도,

도 2는 위상 에러가 발생한 직각 위상 편이 변조의 수신 신호도,

도 3은 일반적인 직각 위상 변이 복조기에 대한 블럭도,

도 4는 본 발명의 반송파 복원부에 대한 블럭도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

41 : 선택신호 생성부41-1 : 제 1 선택신호 생성부

41-2 : 제 2 선택신호 생성부43 : 위상 에러 계산부

43-1 : 제 1 계산부43-2 : 제 2 계산부

43-3 : 제 3 계산부43-3 : 제 4 계산부

45 : 위상 에러값 선택부47 : 루프 필터

49 : 보상 신호 발생부

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명하기로 한다.

우선, I채널 신호와 Q채널 신호의 가산 또는 감산한 연산 결과를 위상 에러값이 되는지에 대한 배경 이론을 설명하고자 한다.

원래 변조당시의 위상각 θc 을 갖는 신호와 그 공액 복소수는 하기 수학식 1과 같이 복소 형태로 나타내어진다.

[수학식 1]

('*' 는 공액 복소수 표시)

또한, 잡음이 포함되어 위상 에러가 발생한 수신 신호는 하기 수학식 2와 같이 복소 형태로 나타내어 진다.

[수학식 2]

이제, 위상 에러각 θε 을 포함한 수신 신호 R과 상기 원래 신호 S의 공액 복소수를 곱하면 위상 에러 값만을 갖는 복소 형태를 갖는 하기 수학식 3이 얻어진다.

[수학식 3]

상기 수학식 3에서 위상 에러각 θε 은 허수부의 사인 함수값을 θε 로 근사화시킬 정도로 작은 값에 해당함은 이미 알려진 사실이다.

또한, 원래 신호 S1, S2, S3, S4 이 존재하는 4가지 상한의 각각의 경우를 상기 수학식 3에 적용하면 하기 수학식 4와 같이 전개할 수 있다.

[수학식 4]

S1=1+j 일 때

S4=1-j 일 때

S2=-1+j 일 때

S3=-1+j 일 때

상기 수학식 4에서 보는 바와 같이, 허수 성분이 바로 상기 수학식 3의 사인 함수값에 해당하는 에러 위상각으로 근사화 되는 값이다.

따라서, 입력된 수신 신호가 도 2의 몇 사분면에 있는지만 판단하여 결정되면, 허수 성분에 해당하는 연산값을 선택하여 우리가 얻고자 하는 에러 위상각을 구할 수 있게 된다.

이제, 상기에 기술한 이론을 적용한 본 발명의 반송파 복원 장치를 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 반송파 복원 장치의 블럭도로서, 반송파 복원 장치는 I채널 신호와 Q채널 신호를 각각 입력받아 어떤 상한에 존재하는지를 판단하여 상한 선택 신호를 출력하는 선택신호 생성부(41)와; 상기 I채널 신호와 Q채널 신호를 가산 또는 감산 연산하여 각 상한에서 존재하는 위상 에러의 허부 성분을 출력하는 위상 에러 계산부(43); 상기 선택신호 생성부(41)의 상한 선택신호에 의해 상기 위상 에러 계산부(43)로부터 출력된 연산값 중에서 하나를 선택하여 출력하는 위상 에러값 선택부(45); 상기 위상 에러값을 입력받아 필터링 처리하여 평균 에러 값을 구하는 루프 필터(47); 상기 평균 에러값에 해당하는 사인함수값과 코사인함수값을 출력하는 보상신호 발생부(49);로 구성되어 있다.

그리고, 상기 선택신호 생성부(41)는 I채널 신호를 입력받아 그 크기를 판단하여 상한 선택신호를 출력하는 제 1 선택신호 생성부(41-1)와, Q채널 신호를 입력받아 그 크기를 판단하여 상한 선택신호를 출력하는 제 2 선택신호 생성부(41-2)로 구성되어 있다.

상기 위상 에러 계산부(43)는 I채널 신호와 Q채널 신호를 입력받아 두 신호의 -I+Q를 계산하는 제 1 계산부(43-1)와, I+Q를 계산하는 제 2 계산부(43-2), -I-Q를 계산하는 제 3 계산부(43-3), 및 I-Q를 계산하는 제 4 계산부(43-4)로 구성되어 있다.

이어서, 상기와 같은 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예를 도 4를 참조하여 본 발명의 작용 및 효과를 자세히 설명하고자 한다.

상기 제 1 선택신호 생성부(41-1)는 I채널 신호를 입력받아(I) 크기를 비교하여 양수이면 0, 음수이면 1값을 출력하고, 상기 제 2 선택신호 생성부(41-2)는 Q채널 신호(Q)를 입력받아 크기를 비교하여 양수이면 0, 음수이면 1값을 출력한다.

즉, I 0 이고 Q 0 일 때는 상한 선택 신호 (0, 0)을 출력하여 제 1 상한을 선택하도록 하고, I 0 이고 Q 0 일 때는 상한 선택 신호 (0, 1)을 출력하여 제 4 상한을 선택하도록 하고, I 0 이고 Q 0 일 때는 상한 선택 신호 (1, 0)을 출력하여 제 2 상한을 선택하도록 하고, I 0 이고 Q 0 일 때는 상한 선택 신호 (1, 1)을 출력하여 제 3 상한을 선택하도록 한다.

한편, 상기 제 1 계산부(43-1)는 I채널 신호(I)와 Q채널 신호(Q)를 입력받아 제 1 상한으로 수신했을 때의 허수 성분 -I+Q 연산하고, 상기 제 2 계산부(43-2)는 제 4 상한으로 수신했을 때의 허수 성분 I+Q 연산하고, 상기 제 3 계산부(43-3)는 제 2 상한으로 수신했을 때의 -I-Q 연산하고, 상기 제 4 계산부(43-4)는 제 3 상한으로 수신했을 때의 허수 성분 I-Q 연산하여 상기 위상 에러값 선택부(45)로 출력한다.

상기 위상 에러값 선택부(45)는 4-1멀티플렉서로 구성되어, 상기 상한 선택 신호가 (0, 0)이면, 상기 제 1 계산부(43-1)의 연산값 -I+Q을 선택하여 출력하고, 상기 상한 선택 신호가 (0, 1)이면, 제 2 계산부(43-2)의 연산값 I+Q을 선택하여 출력하고, 상기 상한 선택 신호가 (1, 0)이면, 제 3 계산부(43-3)의 연산값 -I-Q을 선택하여 출력하고, 상기 상한 선택 신호가 (1, 1)이면, 제 4 계산부(43-4)의 연산값 I-Q을 선택하여 출력한다.

상기 위상 에러값 선택부(45)로부터 출력된 연산값은 위사 에러각 θε 의 근사치에 해당하는 값으로서, 상기 루프 필터(47)를 거쳐 필터링 처리되어 평균 에러각으로 출력된다.

상기 보상신호 발생부(49)는 평균 에러각에 해당하는 사인 함수와 코사인 함수값을 저장하고 있는 롬으로서, 상기 평균 에러각을 양자화 하여 주소로 변환시킨 후, 보상 신호인 사인 함수값과 코사인 함수값을 출력한다.

상기에서 설명한 바와 같이, 수신 신호와 원래 신호의 공액 복소수를 곱하면 위상 에러각에 대한 복소 형태의 결과값을 얻게 되고, 그 허수 성분을 위상 에러각으로 근사화 시킬 수 있다는 것을 이용하여서 수신 신호의 크기를 비교하여 어떤 상한에 수신 신호가 존재하는지를 판단한 다음, 각 상한의 에러각에 대한 허수 성분을 계산하여 위상 에러각을 검출해 내는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, I채널 신호와 Q채널 신호의 가산 또는 감산하는 연산 회로와 상기 연산 결과중 하나를 위상 에러값으로 선택하는 멀티플렉서와 같은 논리 회로를 이용하여 수신 신호로부터 직접 근사한 위상 에러각을 얻어내므로써 반송파 복원부의 상당한 메모리 소비를 줄이면서도 전체 복조기를 간단히 구현할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (3)

1. 변조에 의한 위상 편이량을 알기 위해 위상의 기준이 되는 반송파를 재생하는 반송파 재생 장치에 있어서,

   I채널 신호와 Q채널 신호를 입력받아 4개의 신호 공간 중에서 어떤 상한에 존재하는지를 판단하여 상한 선택 신호를 출력하는 선택신호 생성부(41)와;

   상기 I채널 신호와 Q채널 신호의 가산 또는 감산 연산하여 각 상한에 존재하는 위상 에러의 허부 성분 값을 출력하는 위상 에러 계산부(43);

   상기 선택신호 생성부(41)의 상한 선택신호에 의해 상기 위상 에러 계산부(43)로부터 출력된 연산값 중에서 하나를 선택하여 출력하는 위상 에러값 선택부(45);

   상기 위상 에러값을 입력받아 필터링 처리하여 평균 에러값을 구하는 루프 필터(47); 및

   상기 평균 에러값에 해당하는 사인함수값과 코사인함수값을 출력하는 보상신호 발생부(49);를 포함하여 구성된 직각 위상 편이 복조기의 반송파 복원 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 선택신호 생성부(41)는 I채널 신호를 입력받아(I) 신호 크기가 양수인지 음수인지 판단하여 0 또는 1을 출력하는 제 1 선택신호 생성부(41-1)와; Q채널 신호(Q)를 입력받아 신호 크기가 양수인지 음수인지 판단하여 0 또는 1을 출력하는 제 2 선택신호 생성부(41-2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 직각 위상 편이 복조기의 반송파 복원 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 위상 에러 계산부(43)는 I채널 신호(I)와 Q채널 신호(Q)를 입력받아 제 1 상한으로 수신했을 때의 허수 성분 -I+Q 를 계산하는 제 1 계산부(43-1)와; 제 4 상한으로 수신했을 때의 허수 성분 I+Q 를 계산하는 제 2 계산부(43-2); 제 2 상한으로 수신했을 때의 -I-Q 를 계산하는 제 3 계산부(43-3); 제 3 상한으로 수신했을 때의 허수 성분 I-Q 를 계산하는 제 4 계산부(43-4);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 직각 위상 편이 복조기의 반송파 복원 장치.