KR101019481B1 - 타이밍 복구 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디지털 송수신 시스템의 타이밍 복구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 심볼 샘플율의 MMSE 타이밍 에러 검출기를 이용하여 타이밍을 복구하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 심볼 샘플율로 샘플링된 신호를 입력받아 추적 모드에서 확률적 기울기 알고리즘을 이용하여 타이밍 에러를 검출하는 타이밍 에러 검출기와, 상기 검출된 타이밍 에러값을 입력받아 심볼간 천이 시점을 조절하여 심볼 동기를 맞추는 심볼 동기부와, 상기 샘플링된 신호로부터 포착과 추적 모드 전환을 위한 SNR값을 계산하는 SNR 예측기를 포함하여 구성되는 타이밍 복구 장치를 제공한다. 따라서, 타이밍 복구시 MMSE 타이밍 복구 방식을 적용한 추적 모드를 갖게 되어 고스트(ghost)에 대한 추적 성능이 우수해지며, 심볼 샘플율의 채널 등화기를 사용하게 되어 하드웨어 비용을 줄이는 효과가 있다.

타이밍 복구, MMSE 알고리즘, 심볼 샘플율, 채널 등화기

Description

타이밍 복구 장치 및 방법{Apparatus of timing recovery system and Recovering method of the same}

도 1은 일반적인 심볼 동기부를 포함한 QAM 복조기의 구성을 나타낸 도면

도 2는 일반적인 MMSE 심볼 복구 알고리즘에 따른 구성을 나타낸 블록도

도 3은 일반적인 타이밍 에러 검출기의 구성을 나타낸 블록도

도 4는 종래 기술에 따른 결정기 입력

가 나이퀴스트 샘플율일때 샘플들을 나타낸 도면

도 5는 본 발명에 따른 심볼 샘플율에 의한 확률적 기울기 알고리즘을 이용한 타이밍 에러 검출기의 구성을 나타낸 블록도

도 6 내지 도 7은 결정기 입력

가 심볼 샘플율일때 샘플들을 나타낸 도면

도 8은 본 발명에 따른 포착모드와 추적모드를 갖는 수신기의 구성을 나타낸 블록도

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

511, 513 : 지연기 515, 517, 521, 529 : 뺄셈기

519, 523 : 부호기 525 : 비교기

527 : 결정기 531 : 컨쥬게이트 연산부

533, 535 : 곱셈기 537 : 실수화 연산부

본 발명은 디지털 송수신 시스템의 타이밍 복구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 심볼 샘플율의 MMSE 타이밍 에러 검출기를 이용하여 타이밍을 복구하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

디지털 TV의 케이블 채널 전송 방식의 표준으로 선정된 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 수신기(Receiver)의 심볼 동기는 심볼 열의 클럭을 재생하는 과정이므로 클럭 동기 또는 클럭 재생이라고도 한다. 상기 심볼 동기의 목표는 수신된 데이터 열에 근거하여 수신기에서의 심볼 천이 시점을 올바르고 정확하게 추정하는데 있으며, 따라서 심볼 동기는 디지털 송수신 시스템의 복조 과정에서 반드시 필요한 과정이라고 할 수 있다. 상기 심볼 동기부를 포함한 일반적인 QAM 복조기의 구성은 첨부한 도 1에 도시하였다.

도 1과 같이, 일반적인 QAM 복조기는 입력 신호와 수치 제어 발진기(NCO)(121)에서 출력된 소정 주파수의 신호와 곱하여 기저대역 신호를 출력하는 곱셈기(111)와, 상기 곱셈기(111)에서 출력된 기저대역 신호를 입력받아 샘플링(sampling)하는 표본기(113)와, 상기 표본기(113)에서 출력된 신호를 입력받아 디코딩과 같은 신호 처리를 하기 위한 기저대역 신호 처리부(117)와, 상기 기저대역 신호 처리부(117)에서 출력된 신호의 왜곡 보상을 위한 반송파 동기부 및 채널 등화기(119)와, 상기 기저대역 신호 처리부(117)에서 출력된 신호를 입력받아 상기 신호에서 심볼 천이 시점을 올바르게 추정하기 위한 심볼 동기부(115)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 심볼 동기부(115)는 일반적으로 반송파 동기부 및 채널 등화기(119)의 앞단에 위치하여 후단의 반송파 동기부 및 채널 등화기(119)에 동기화된 심볼 데이터를 전달한다.

따라서, 심볼 동기의 수렴 특성은 후단의 반송파 동기부 및 채널 등화기(119)의 수렴 특성에 영향을 주게 된다. 때문에, 수신기가 보다 우수한 추적 성능을 갖기 위해서 채널 등화기(119)의 후단에 심볼 동기 정보를 이용하는 MMSE(Minimum Mean Squared Error) 방식의 심볼 동기 복구 기술을 사용한다. 이러한 MMSE 심볼 복구 알고리즘 및 구성의 일예를 첨부한 도 2 내지 도 3에 도시하였다.

도 2는 일반적인 MMSE 심볼 복구 알고리즘에 따른 구성 블록들을 나타낸 블록도이며, 도 3은 일반적인 타이밍 에러 검출기의 구성을 나타낸 블록도로써, 도 2의 점선으로 표시된 영역을 나타낸 도면이다.

도 2 및 도 3과 같이, 수신된 기저대역 신호 R(t)는 나이퀴스트(Nyquist) 샘플율로 샘플링된 후, 디지털 영역에서 프론트-엔드(211) 처리를 거쳐

가 된다. 상기 신호

에서 k는 k번째의 샘플을 의미하며,

는 k번째의 샘 플 타이밍 에러를 나타낸다. 따라서, 신호

는

만큼의 타이밍 에러를 갖는 k번째의 샘플을 의미한다.

이때, 이상적으로

는 최적의 샘플링 위상에 대하여 일정하지만, 실제의

는 타이밍 지터(jitter)를 갖게되므로, 일반적으로 타이밍 복원은 이러한

를 반복적으로 조정하는 기술로 이해되어 지고 있다.

따라서, MMSE 타이밍 복원 방식은 결정기(slicer)(215)의 입력 심볼

과 정확한 심볼

사이의 제곱 에러의 기대값을 최소화하기 위해 상기

를 조절한다. 이를 다음의 수학식 1에 나타내었다.

상기 MMSE 타이밍 복원 방식은 최적의 타이밍 위상을 찾아내는 시도를 위하여 적응 등화기에서 사용하는 척도(criterion)와 동일한 확률적 기울기 알고리즘(stochastic gradient algorithm)을 사용할 수 있다. 따라서, 만약 수신기에서 정확한 심볼

를 사용할 수 있다면, 이 척도는 직접적으로 결정 에러를 최소화하고, 결과적으로 최소 오류 확률에 근접되어 진다.

그러나, 불행하게도 결정기의 입력

는 타이밍 위상

의 복잡한 비선형 함수이므로, 적응 등화기의 경우와는 다르게 유일한 최소 MSE 타이밍 위상으로 정의되기가 어렵다. 또한 analytic closed-form solution이 불가능하다. 때문에, closed-form solution을 찾는 대신에 타이밍 위상을 조절해줌으로써 제곱 에러의 기대값을 최소화하기 위한 시도를 할 수 있다.

상기 제곱 에러의 기대값을 최소화하는 반대 방향 기울기는 실수 변수

의 복소함수

로 주어지는바, 다음의 수학식과 같이 표현된다.

상기 수학식 2를 전개하면,

이 된다. 여기서 상기

는

에의 함수가 아니므로, 다음의 수학식 4와 같이 쓸수 있다.

따라서, 반대 기울기 방향에 타이밍 위상을 조절하기 위하여 다음의 수학식 5를 사용한다.

이때,

가 나이퀴스트 샘플율의 샘플이므로,

상기 수학식 6과 같이 표현될 수 있고, 이때 dk는 미분 필터의 임펄스 응답이 된다. 실제 상기 미분 필터는 FIR(Finite Impulse Response) 필터(213)로 근사화 될수 있으며, 상기 FIR 필터(213)를 이용한 간단한 근접화를 통해 다음의 수식을 얻을 수 있다.

이처럼 종래 기술에 따른 MMSE 타이밍 복구 방식은 상기 미분값을 구하기 위해 나이퀴스트 샘플링(수신 신호의 두배 이상의 주파수)된 채널 등화기의 출력 신호를 필요로 한다. 이를 첨부한 도 4를 참조하여 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 종래 기술에 따른 결정기 입력

가 나이퀴스트 샘플율일때 샘플들을 나타낸 도면이다.

도 4의 (a)의 경우는 타이밍 위상 에러가 없는 경우를 나타낸 것이며, 도 4의 (b)의 경우는 타이밍 위상이 정확한 위상보다 늦은 경우를, 도 4의 (c)는 타이밍 위상이 정확한 위상보다 빠른 경우를 나타내고 있다.

따라서, 도 4의 (b)나 도 4의 (c)와 같이, 타이밍 위상이 정확한 위상과 차이나는 경우, 상기 위상차가 정확한 위상보다 빠른지 늦은지를 알 수 있어야 복원이 가능하며 이를 위해, 심볼 샘플 사이값(

,

: 천이값)들을 이용한 미분값(기울기)이 필요하다(앞서 언급한 확률적 기울기 알고리즘). 즉, 상기 미분값이 음(-)인 경우는 위상차가 정확한 위상보다 늦은 경우를, 상기 미분값이 양(+)인 경우는 위상차가 정확한 위상보다 빠른 경우를 나타내는 것이다.

이와 같이 심볼 샘플 사이값들을 이용하여 미분값을 구해내기 위해서는 나이 퀴스트 샘플율에 따라 수신 신호의 주파수보다 두배 이상의 주파수에 의한 샘플링이 이루어져야한다.

따라서, 디지털 영역의 프론트-엔드 처리 과정에서 상기 나이퀴스트 샘플율의 샘플을 처리하여야 하며, 특히, 수신기의 구성에 60∼70%를 차지하는 등화기가 상기 나이퀴스트 샘플율의 샘플 데이터를 처리하기 위해선 그만큼 하드웨어 비용이 증가하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 나이퀴스트 샘플율의 절반인 심볼 샘플율을 사용함으로써 등화기의 하드웨어 비용을 절감하며, 타이밍 복구부의 추적 성능을 향상시키는 MMSE 타이밍 복원 방식을 제안하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 SNR을 예측하여 채널의 상태에 따라 포착 모드와 추적 모드 전환이 가능한 수신기의 구성을 제안하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 심볼 샘플율로 샘플링된 신호를 입력받아 추적 모드에서 확률적 기울기 알고리즘을 이용하여 타이밍 에러를 검출하는 타이밍 에러 검출기와, 상기 검출된 타이밍 에러값을 입력받아 심볼간 천이 시점을 조절하여 심볼 동기를 맞추는 심볼 동기부와, 상기 샘플링된 신호로부터 포착과 추적 모드 전환을 위한 SNR값을 계산하는 SNR 예측기를 포함하여 구성되는 타이밍 복구 장치를 제공한다.

그리고, 상기 타이밍 에러 검출기는, 상기 심볼 샘플율로 샘플링된 신호의 샘플값간 기울기를 구하기 위한 미분값 계산부와, 상기 심볼 샘플값과 결정값과의 차를 통해 결정 심볼 에러값을 출력하는 심볼 에러 결정부와, 상기 결정 심볼 에러값의 켤레값을 구하는 컨쥬게이트 연산부와, 상기 결정 심볼 에러값의 켤레값과 상기 미분값을 곱하는 곱셈기와, 상기 곱셈기의 출력값 중 실수값을 계산하여 타이밍 에러 신호를 출력하는 실수화 연산부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 샘플링된 샘플값들의 크기 비교를 위한 비교부와, 상기 비교부의 출력 신호와 상기 미분값을 곱하는 곱셈기를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 비교부는, 상기 샘플값을 입력받아 샘플링된 순서대로 상기 샘플값간 차를 구하는 다수의 뺄셈기와, 상기 차값을 통해 상기 샘플값간 크기를 비교하고, 상기 비교된 샘플값들의 크기가 샘플링된 순서대로 오름차순 혹은 내림차순의 패턴을 갖는 경우 "1"신호를, 아닌 경우에는 "0"신호를 상기 곱셈기로 출력하는 비교기를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 심볼 샘플율로 샘플링된 신호의 샘플값간 미분값을 구하는 단계와, 상기 심볼 샘플값과 결정값과의 차를 통해 결정 심볼 에러값을 생성하는 단계와, 상기 결정 심볼 에러값의 켤레값을 구하고, 상기 켤레값과 미분값을 곱하는 단계와, 상기 곱한 신호의 실수값을 계산하여 타이밍 에러 신호를 생성하는 타이밍 복구 방법을 제안한다.

이하 상기의 목적으로 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 심볼 샘플율에 의한 확률적 기울기 알고리즘을 이용한 타이밍 에러 검출기의 구성을 나타낸 도면이다.

도 5와 같이, 본 발명에 따른 타이밍 에러 검출기는, MMSE 타이밍 복구 방식에서 미분값을 구하기 위해 심볼 샘플 사이값이 아닌 심볼 샘플값들을 이용하여 조건부적으로 구하는 방법을 사용한다. 즉, 상기 심볼 샘플 값인

,

,

를 이용하여 미분값을 구하는 것으로, 이처럼 심볼 샘플값만으로 미분값을 계산하게 되면, 나이퀴스트 샘플율이 아닌 심볼 샘플율로 동작하는 채널 등화기를 사용 가능하게 된다.

이를 좀 더 자세히 설명하면, 수신된 기저대역 신호 R(t)는 심볼 샘플율로 샘플링된 후 디지털 영역에서 채널 등화등의 프론트 엔드 처리를 거쳐

신호로 출력되고, 상기

신호를 입력받아 지연기(Delay)(511,513)를 통해 지연시켜

및

신호를 얻는다. 상기

와

신호는 뺄셈기(515)에서 그 차가 구해져 미분값

으로 곱셈기(533)로 출력된다. 따라서, 상기 지연기(511, 513) 및 뺄셈기(515)는 미분값 계산부가 된다.

한편, 상기

및

신호는 뺄셈기(517)에서 그 차가 구해지고, 상기 차값에 따른 부호(sign)가 부호기(519)에서 결정되어 비교기(525)로 입력된다. 또한, 상기

및

신호는 뺄셈기(521)에서 그 차가 구해지며, 상기 차값에 따른 부호가 부호기(523)에서 결정되어 비교기(525)로 입력된다.

따라서, 상기 비교기(525)에서는 상기 차값에 따른 부호를 입력받아 상기

,

,

신호의 크기를 비교할 수 있게 된다. 때문에, 상기 뺄셈기(517,521), 부호기(519, 523) 및 비교기(525)는 신호 크기 비교부가 된다.

상기 비교 결과 상기 신호의 크기가

≤

≤

이거나,

≤

≤

인 경우에는 "1" 신호를, 그렇지 않은 경우에는 "0" 신호를 곱셈기(533)로 출력한다.

이는, 상기

≤

≤

이거나,

≤

≤

조건인 경우, 즉 샘플값들의 샘플링된 순서에 따라 그 크기가 오름차순 혹은 내림차순의 일정 패턴을 갖는 경우에만 앞서 구한 미분값

이 적용되도록 하는 것으로, 이러한 조건을 갖을때 타이밍 에러에 관한 정확한 결과값을 얻을 수 있다.

한편, 결정기(slicer)(527)로 입력되는 신호

는 상기 결정기(527)에서 결정된 값

와의 차가 뺄셈기(529)구해져 결정 심볼 에러(

=

)가 된다.

따라서, 상기 결정기(527) 및 뺄셈기(529)는 심볼 에러 결정부이며, 상기 심볼 에러 결정부에서 결정된 결정 심볼 에러(

)는 컨쥬게이트 연산부(531)에서 그 켤레근(

)이 구해지며, 상기 구해진 켤레근(

)과 곱셈기(533)에서 출력되는 미분값

이 곱셈기(535)에서 곱해진다. 이때, 상기 곱셈기(533)에서 출력되는 미분값은 비교기(525)의 출력이 "1"인 경우에 출력될 것이다.

상기 곱셈기(535)의 출력은 실수화 연산부(537)에서 그 실수값이 구해져 출력되며, 상기 실수화 연산부(537)의 출력값(

)이 바로 위상 조절을 위한 타이밍 에러값이 된다.

이때, 상기 타이밍 에러값이 음수이면 타이밍 위상이 정확한 위상보다 늦은 경우이고, 상기 타이밍 에러값이 양수이면 타이밍 위상이 정확한 위상보다 빠른 경우를 나타낸다. 이를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 6 내지 도 7은 결정기 입력

가 심볼 샘플율일때 샘플들을 나타낸 도면이다.

먼저, 도 6의 (a)는 타이밍 위상 에러가 없는 경우를 나타내었으며, 도 6의 (b)는 타이밍 위상이 정확한 위상보다 늦은 경우를 나타내었다.

상기 도 6의 (b)와 같은 경우를 살펴보면, 타이밍 위상이 정확한 위상보다 늦은 경우에는

의 결정 심볼 에러값이 음수가 됨을 알 수 있으며, 미분값

도 음수가 된다. 따라서 수학식

에 의해 최종 출력 신호인 타이밍 에러 신호도 음수가 되어 타이밍 위상이 정확한 위상보다 늦음을 알 수 있게 된다.

또한, 도 7의 (a)는 타이밍 위상 에러가 없는 경우를 나타내었고, 도 7의 (b)는 타이밍 위상이 정확한 위상보다 빠른 경우를 나타내었다.

따라서, 도 7의 (b)의 경우를 살펴보면, 타이밍 위상이 정확한 위상보다 빠른 경우에는

의 결정 심볼 에러값이 양수가 됨을 알 수 있고, 미분값

은 음수이므로, 수학식

에 의해 최종 출력 신호인 타이밍 에러 신호가 양수가 되어 타이밍 위상이 정확한 위상보다 빠름을 알 수 있다.

한편, 첨부한 도 8은 본 발명에 따른 포착모드와 추적모드를 갖는 수신기의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 8의 구성중 MMSE 타이밍 에러 검출기(821)가 바로, 도 5에서 언급한 블록들을 나타내며, 따라서, 채널 등화기(823)에서 심볼 샘플율로 등화된 신호를 상기 MMSE 타이밍 에러 검출기(821)가 입력받아 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 타이밍 에러를 구하게 되는 것이다.

상기 구해진 타이밍 에러값은 심볼 동기부(815)로 입력되고, 상기 심볼 동기부(815)는 입력되는 타이밍 에러값에 따라 추적(tracking) 모드에서 심볼 동기를 맞추어 출력한다.

한편, SNR 예측기(819)는 상기 채널 등화기(823)에서 출력되는 신호를 입력받아 SNR을 계산하는 블록으로서, 타이밍 복구부에서 초기에 상기 채널 등화기(823)의 입력 신호를 이용하여 타이밍을 포착(acquisition)한 후(포착 모드), 상기 SNR 예측기(819)가 SNR값을 계산하여 일정한 값 이상 되었을때 상기 MMSE 타이밍 에러 검출기(821)를 사용하는 추적모드로 전환하도록 하는 역활을 한다.

본 발명은 QPSK/QAM 수신기등 MMSE 타이밍 복원이 가능한 통신 분야에 적용 가능하다.

따라서, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가지 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 타이밍 복구 장치 및 방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 타이밍 복구시 MMSE 타이밍 복구 방식을 적용한 추적 모드를 갖게 되어 고스트(ghost)에 대한 추적 성능이 우수해지며, 심볼 샘플율의 채널 등화기를 사용하게 되어 하드웨어 비용을 줄이는 효과가 있다.

둘째, SNR 예측기를 이용하여 포착 모드와 추적 모드를 채널의 상태에 따라 전환 가능하게 되어, 수신기의 신뢰도를 향상시키는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 심볼 샘플율로 샘플링된 신호를 입력받아 추적 모드에서 상기 심볼 샘플율로 샘플링된 신호의 샘플값들간의 기울기 및 상기 샘플값들의 크기 비교를 이용하여 타이밍 에러를 검출하는 타이밍 에러 검출기;

   상기 검출된 타이밍 에러값을 입력받아 심볼간 천이 시점을 조절하여 심볼 동기를 맞추는 심볼 동기부; 그리고,

   상기 샘플링된 신호로부터 포착과 추적 모드 전환을 위한 SNR값을 계산하는 SNR 예측기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 타이밍 복구 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 타이밍 에러 검출기는,

   상기 심볼 샘플율로 샘플링된 신호의 샘플값간 기울기를 구하기 위한 미분값 계산부와,

   상기 심볼 샘플값과 결정값과의 차를 통해 결정 심볼 에러값을 출력하는 심볼 에러 결정부와,

   상기 결정 심볼 에러값의 켤레값을 구하는 컨쥬게이트 연산부와,

   상기 결정 심볼 에러값의 켤레값과 상기 미분값을 곱하는 곱셈기와,

   상기 곱셈기의 출력값 중 실수값을 계산하여 타이밍 에러 신호를 출력하는 실수화 연산부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 타이밍 복구 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 타이밍 에러 검출기는,

   상기 샘플링된 샘플값들의 크기 비교를 위한 비교부와,

   상기 비교부의 출력 신호와 상기 미분값을 곱하는 곱셈기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 타이밍 복구 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 비교부는,

   상기 샘플값을 입력받아 샘플링된 순서대로 상기 샘플값간 차를 구하는 복수의 뺄셈기와,

   상기 차값을 통해 상기 샘플값간 크기를 비교하고, 상기 비교된 샘플값들의 크기가 샘플링된 순서대로 오름차순 혹은 내림차순의 패턴을 갖는 경우 "1"신호를, 아닌 경우에는 "0"신호를 상기 곱셈기로 출력하는 비교기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 타이밍 복구 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 심볼 샘플율로 샘플링된 신호를 입력받아 심볼 샘플율로 왜곡된 신호를 보상하는 채널 등화기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 타이밍 복구 장치.
6. 심볼 샘플율로 샘플링된 신호의 샘플값간 미분값을 구하는 단계와,

   상기 심볼 샘플값과 결정값과의 차를 통해 결정 심볼 에러값을 생성하는 단계와,

   상기 결정 심볼 에러값의 켤레값을 구하고, 상기 켤레값과 미분값을 곱하는 단계와,

   상기 곱한 신호의 실수값을 계산하여 타이밍 에러 신호를 생성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 타이밍 에러 복구 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 심볼 샘플값들의 크기를 비교하여 비교된 샘플들의 순서에 따라 "0" 또는 "1"의 비교 값을 출력하는 단계; 및

   상기 비교값과 상기 미분값을 곱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 타이밍 에러 복구 방법.

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