KR20160077597A - 주파수 옵셋 추정장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 DTV(Digital Video Broadcasting)-T2 수신기에서 P1 프리엠블의 구조를 이용하여 정수배(Integer Part) 및 소수배(Fractional Part) 주파수 옵셋을 시간 영역에서 추정하는 주파수 옵셋 추정장치 및 그 방법에 관한 것으로, 상기 장치는, 프리앰블의 PC의 각 신호와 PA의 각 신호, 프리앰블의 PA의 각 신호와 PB의 각 신호를 이용하여 각각의 자기 상관을 계산하는 상관기; 상기 상관기에서 계산된 각각의 자기 상관의 피크값을 이용하여 주파수 옵셋을 각각 추정하는 제1 옵셋 추정부; 및 상기 주파수 추정부에서 추정된 각각의 주파수 옵셋의 차이값을 계산하고, 계산된 차이값에 대한 절대값으로 최종 주파수 옵셋을 추정하는 제2 옵셋 추정부를 포함할 수 있다.

Description

주파수 옵셋 추정장치 및 그 방법{Apparatus and method estimating frequency offset}

본 발명은 주파수 옵셋 추정 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 DTV(Digital Video Broadcasting)-T2 수신기에서 P1 프리엠블의 구조를 이용하여 정수배(Integer Part) 및 소수배(Fractional Part) 주파수 옵셋을 시간 영역에서 추정하는 주파수 옵셋 추정장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, DTV-T2 시스템은 유럽의 차세대 디지털 지상파 방송 시스템을 의미하며, 변복조 방식으로 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM)를 사용한다.

OFDM 방식은 부반송파 사이의 직교성이 파괴될 경우에는 인접 채널간 간섭(Inter-Channel Interference; ICI)이 발생하여 시스템의 성능을 저하시킨다. 여기서, 직교성이 파괴되는 주된 원인은 수신단에서 심볼 동기 및 주파수 동기화가 정확히 이루어지지 않은 경우이다.

한편, 송신단에서 전송한 기저대역 신호는 발진기(Oscillator)에서 발생된 주파수를 기반으로 통과 대역으로 천이되어 안테나를 통해 송신되며, 수신단에서 수신된 신호는 동일한 주파수에 의해 기저대역 신호로 변환된다. 이때 송신단과 수신단의 발진기 차이로 인해 위상잡음과 반송파 주파수 옵셋이 발생한다.

반송파 주파수 옵셋은 주파수가 옵셋만큼 이동되어 신호의 직교성이 파괴된다. 반송파 주파수 옵셋은 정수배(integer part) 주파수 옵셋과 소수배(fractional part) 주파수 옵셋으로 구분할 수 있으며, 정수배 주파수 옵셋의 경우 각 부반송파의 간격만큼 옵셋이 발생한 것을 의미한다. 이 경우는 주파수 영역에서 부반송파가 순환 천이된 결과로 나타나므로 ICI는 발생하지 않지만, 이를 보상하지 않을 경우 심각한 성능 열화를 가져온다.

소수배 주파수 옵셋은 부반송파 간격보다 작은 양의 주파수 옵셋을 의미하며, 이 경우 부반송파간의 직교성이 파괴되어 ICI가 발생한다. 소수배 주파수 옵셋의 크기가 작은 경우, 진폭과 위상왜곡은 회전하면서 그 크기가 변화하며, 시간이 지남에 따라 회전이 일정하게 지속되는 현상을 발생시킨다. 하지만 옵셋의 크기가 증가함에 따라 진폭과 위상 왜곡뿐만 아니라 ICI의 영향도 증가하여 시스템의 성능을 크게 저하시킨다. 따라서 주파수 옵셋을 보정하여 성능 저하를 방지해야 한다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, DTV(Digital Video Broadcasting)-T2 수신기에서 P1 프리엠블의 구조를 이용하여 정수배(Integer Part) 및 소수배(Fractional Part) 주파수 옵셋을 시간 영역에서 효과적으로 추정할 수 있도록 한 주파수 옵셋 추정장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 DTV-T2 시스템의 프리앰블을 이용한 주파수 옵셋 추정장치는, 상기 프리앰블의 PC의 각 신호와 PA의 각 신호, 프리앰블의 PA의 각 신호와 PB의 각 신호를 이용하여 각각의 자기 상관을 계산하는 상관기; 상기 상관기에서 계산된 각각의 자기 상관의 피크값을 이용하여 주파수 옵셋을 각각 추정하는 제1 옵셋 추정부; 및 상기 주파수 추정부에서 추정된 각각의 주파수 옵셋의 차이값을 계산하고, 계산된 차이값에 대한 절대값으로 최종 주파수 옵셋을 추정하는 제2 옵셋 추정부를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 DTV-T2 시스템의 프리앰블을 이용한 주파수 옵셋 추정방법은, 상기 프리앰블의 PC의 각 신호와 PA의 각 신호, 프리앰블의 PA의 각 신호와 PB의 각 신호를 이용하여 각각의 자기 상관을 계산하는 단계; 상기 계산된 각각의 자기 상관의 피크값을 이용하여 주파수 옵셋을 각각 추정하는 단계; 및 상기 주파수 추정부에서 추정된 각각의 주파수 옵셋의 차이값을 계산하고, 계산된 차이값에 대한 절대값으로 최종 주파수 옵셋을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 주파수 옵셋 추정장치 및 그 방법은, DTV(Digital Video Broadcasting)-T2 수신기에서 P1 프리엠블의 구조를 이용하여 정수배(Integer Part) 및 소수배(Fractional Part) 주파수 옵셋을 시간 영역에서 주파수 옵셋을 추정함으로써, 효과적으로 주파수 옵셋을 추정할 수 있으며, 옵셋 추정과 보상의 일련의 과정을 단순하게 구성할 수 있는 효과를 가지게 된다.

즉, 기존의 방식은 소수배 주파수 옵셋을 시간 영역에서 추정한 후, 주파수 영역에서 정수배 주파수 옵셋을 추정하는 방식이나, 본 발명은 시간 영역에서 추정범위의 제한 없이 정수배와 소수배 주파수 옵셋을 추정할 수 있기 때문에 옵셋 추정과 보상의 일련의 과정을 단순하게 구성할 수 있는 것이다.

도 1은 일반적인 DTV-T2 시스템에서 주파수 옵셋을 추정하기 위한 프리앰블 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 주파수 옵셋 추정 장치에 대한 블록 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 주파수 옵셋 추정장치에서 프리앰블 PC와 PB 주파수 추정기의 추정값의 차이를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 주파수 옵셋 추정장치에서 Uwrap 방식의 반송파 주파수 옵셋 추정 결과를 나타낸 그래프.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 기반으로 내려져야 할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 DTV-T2 시스템에서의 주파수 옵셋 추정장치 및 방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 일반적인 DTV-T2 시스템에서의 주파수 옵셋을 추정하기위한 프리앰블 구조를 나타낸 도면이다.

먼저, DTV-T2 시스템에서는 주파수 옵셋을 추정하기 위해 반복되는 구조를 갖는 프리엠블을 프레임 시작시점에 전송한다. 이러한 프리앰블 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 크게 PA, PB, PC 세 부분으로 구성되며, 전체 길이는 2개의 OFDM 심볼 길이로 구성된다. PA는 완전한 하나의 OFDM 심볼로 구성되며, PC와 PB는 각각 인접한 PA를 복사하여 생성한다.

이러한 프리앰블 구조를 이용한 주파수 옵셋 추정장치에 대하여 살펴보자.

도 2는 본 발명에 따른 주파수 옵셋 장치에 대한 블록 구성을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 옵셋 장치는, 제1,2 곱셈기(10, 11), 제1,2 덧셈기(20, 21), 제1,2 주파수 추정기(30, 31) 및 옵셋 추정부(40)를 포함한다.

먼저, 제1 곱셈기(10)는 프리앰블 구조에서 PC의 각 신호(X^* _p(n))와 PA의 신호(X_p(n+N_c)를 각각 멀티플라이하여 제1 덧셈기(20)로 출력한다.

제2 곱셈기(11)는 프리앰블 구조에서 PA의 각 신호(X^* _p(n+2N_c))와 PB의 신호(X_p(n+N_a+N_c)를 각각 멀티플라이하여 제2 덧셈기(21)로 출력한다.

그리고, 소수배 주파수 옵셋은 자기 상관기(auto-correlator)를 이용하여 추정할 수 있다. DVB-T2 프리앰블 구조에서 PC와 PB는 각각 PA의 일부분이기 때문에 두 개의 상관기 즉, 제1,2 곱셈기(10, 11)에서 출력되는 신호를 이용하여 각각 자기상관 R_c(τ)와 R_b(τ)를 아래의 수학식 1과 같이 각각 계산할 수 있다.

여기서, N_τ은 평균화 필터(averaging filter)의 윈도우 크기를 의미하며,

을 제어함으로써, 자기상관의 출력 형태를 제어할 수 있다. 각 상관기 출력의 절대값을 최대로 하는 위치는 다음과 같은 식을 통하여 계산된다. 또한,

와

는 대략적인 OFDM 심볼의 시작으로 활용할 수도 있는 것으로 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

그리고, 수학식 1과 같이 제1,2 덧셈기(20, 21)로부터 출력되는 각각의 신호는 제1,2 주파수 추정기(30, 31)에서 각 상관기의 피크값을 활용하여 아래의 수학식 3과 같이 주파수 옵셋을 추정할 수 있다.

여기서,

와

은 각각 복소수의 실수부와 허수부를 의미한다. 각 주파수 옵셋 추정기의 정규화된 추정 범위는 각각 |ε_c|<N_FFT/2N_c와 |ε_b|<N_FFT/2N_b이며, N_c가 542이고 N_b가 482인 경우에 주파수 옵셋 최대 추정범위는 0.9446과 1.0662이며, 이를 초과하는 주파수 옵셋이 발생할 경우에 잘못된 값으로 추정하여 추정 오류를 발생시킨다.

따라서, 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이 옵셋 추정부(40)를 추정하여 옵셋을 정확하게 추정하는 것이다.

상기 수학식 3과 같이 옵셋을 추정하여 발생하는 오류를 보상하는 방법은 최대 범위 내에서 소수배 주파수 옵셋을 보상하고, 남은 정수배 주파수 옵셋은 주파수 영역에서 파일럿 심볼의 주파수 이동량을 측정하여 추정한다. 하지만 이러한 방식은 주파수 영역과 시간영역에서 두 번의 추정기가 필요하며, 주파수 영역에서 주파수 옵셋을 추정하더라도 통상적으로 보상은 시간영역에서 해야 하기 때문에, 구조적으로 복잡한 단점이 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 수학식 3과 같이 제1, 주파수 추정기(30, 31)에서 각각 추정한 각각의 주파수 옵셋값을 차이를 계산하고, 계산된 값에 대하여 절대값을 취함으로써 정확한 주파수 옵셋을 추정하게 되는 것이다.

즉, DVB-T2 프리앰블 구조는 서로 다른 길이의 반복 구조를 지니도록 설계되어 있기 때문에, 서로 다른 주파수 추정 범위를 지닌 두 개의 주파수 옵셋 추정기를 구성할 수 있으며, 두 주파수 추정기에서 측정된 오차의 차이 ε_d = |ε_c - ε_b|를 이용하여 다음 그림과 같이 주파수 옵셋 추정기를 구성할 수 있으며, 이와 같이 제1,2 주파수 추정부에서 추정된 값의 차이에 따른 ε_d 는 도 3에 도시된 바와 같다.

도 3에서 확인할 수 있듯이 경계점에서는 불연속점이 존재하지만, 일정한 차를 유지함을 알 수 있다. 불연속 지점의 영역이 넓어지면, 그에 상응하는 만큼 안정적인 영역이 감소한다.

제1,2 주파수 추정기(30, 31)의 추정 차이

를 활용하여 정수배 주파수 옵셋을 추정할 수 있다. 예를 들어 도 3에서 ε_d 가 0인 경우에 정수배 주파수 옵셋은 0이며, 0.2352이면 정수배 주파수 옵셋은 2이다.

도 4는 도 2에 도시된 옵셋 추정부(40)에서 주파수 옵셋 추정을 위해 적용한 주파수 옵셋 확장방식(Unwrap)을 적용한 주파수 옵셋 추정 결과를 도시한 그래프이다.

도 4에 도시된 바와 같이 C와 B로 표기된 결과는 프리앰블에서 PC와 PB 영역을 활용한 도 1의 제1,2 주파수 추정기(30,31)의 주파수 옵셋 추정 결과를 나타내며, Unwrap으로 표기된 결과는 추정범위가 서로 다른 상기 제1,2 주파수 추정기(30, 31)의 추정차를 옵셋 추정부(40)에서 Unwrap 방식으로 추정 범위를 확장하여 추정한 옵셋 추정 결과 나타낸 것이다.

도 5에서, 정규화된 주파수 옵셋이 8에서 8로 변화시, 제1,2 주파수 추정기(30, 31)는 각각 자신의 추정범위를 벗어나면 추정이 불가함을 확인할 수 있다. 반면, Unwrap 방식을 이용한 옵셋 추정부(40)에서의 추정결과는 추정범위가 제한되지 않고 입력된 옵셋을 정확히 추정함을 확인할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 주파수 옵셋 추정장치 및 그 방법을 실시 예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.

따라서, 본 발명에 기재된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10, 11 : 제1,2 곱셈기
20, 21 : 제1,2 덧셈기
30, 31 : 제1,2 주파수 추정기
40 : 옵셋 추정부

Claims (6)

1. DTV-T2 시스템의 프리앰블을 이용한 주파수 옵셋 추정장치에 있어서,
   상기 프리앰블의 PC의 각 신호와 PA의 각 신호, 프리앰블의 PA의 각 신호와 PB의 각 신호를 이용하여 각각의 자기 상관을 계산하는 상관기;
   상기 상관기에서 계산된 각각의 자기 상관의 피크값을 이용하여 주파수 옵셋을 각각 추정하는 제1 옵셋 추정부; 및
   상기 주파수 추정부에서 추정된 각각의 주파수 옵셋의 차이값을 계산하고, 계산된 차이값에 대한 절대값으로 최종 주파수 옵셋을 추정하는 제2 옵셋 추정부;
   를 포함하는 주파수 옵셋 추정장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 상관기에서 계산되는 각각의 자기 상관은 아래의 수학식을 이용하여 계산하는 것인 주파수 옵셋 추정장치.
   

   

   
   여기서, N_τ은 평균화 필터(averaging filter)의 윈도우 크기이다.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 옵셋 추정기에서 추정되는 각각의 주파수 옵셋은 아래의 수학식을 이용하여 추정하는 것인 주파수 옵셋 추정장치.
   

   

   
   
4. DTV-T2 시스템의 프리앰블을 이용한 주파수 옵셋 추정방법에 있어서,
   상기 프리앰블의 PC의 각 신호와 PA의 각 신호, 프리앰블의 PA의 각 신호와 PB의 각 신호를 이용하여 각각의 자기 상관을 계산하는 단계;
   상기 계산된 각각의 자기 상관의 피크값을 이용하여 주파수 옵셋을 각각 추정하는 단계; 및
   상기 주파수 추정부에서 추정된 각각의 주파수 옵셋의 차이값을 계산하고, 계산된 차이값에 대한 절대값으로 최종 주파수 옵셋을 추정하는 단계;
   를 포함하는 주파수 옵셋 추정방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 자기 상관을 계산하는 단계에서 계산되는 각각의 자기 상관은 아래의 수학식을 이용하여 계산하는 것인 주파수 옵셋 추정방법.
   

   

   
   여기서, N_τ은 평균화 필터(averaging filter)의 윈도우 크기이다.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 상기 계산된 각각의 자기 상관의 피크값을 이용하여 주파수 옵셋을 각각 추정하는 단계에서, 추정되는 각각의 주파수 옵셋은 아래의 수학식을 이용하여 추정하는 것인 주파수 옵셋 추정방법.
   

   

   
   

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