디지털 비디오 방송 시스템에서 프리앰블 신호의 피크 전력대 평균 전력비 저감 장치 및 방법 document_id A220623056944

일반적으로 디지털 방송 시스템은 디지털 오디오 방송, 디지털 비디오 방송 및 디지털 멀티미디어 방송 등과 같이, 방송 시스템에서 디지털 전송 기술을 사용하는 시스템을 의미한다. 이 중에서 디지털 비디오 방송(Digital Video Broadcasting : 이하 'DVB'라 칭함) 시스템은 유럽의 디지털 방송 기술로 기존의 디지털 방송 뿐만 아니라 이동용, 휴대용으로 디지털 멀티미디어 서비스를 지원하기 위한 전송 규격이다. 상기 DVB 시스템에서는 MPEG 2 TS(Moving Picture Experts Group 2 Transfort Stream) 기반의 방송 데이터를 다중화하고, IP 기반의 데이터 스트림을 동시에 전송하는 것이 가능하다. 또한 상기 DVB 시스템에서는 여러 가지 서비스가 하나의 IP 스트림에 다중화되어 전송되는 것이 가능하며, 단말은 상기 전송된 IP 스트림의 데이터를 수신한 후 이를 다시 개별 서비스로 역다중화하여 서비스를 복조하고 사용자 단말의 화면으로 출력할 수 있다. 이때, 사용자 단말은 상기 DVB 시스템에서 제공되는 상기 다양한 서비스들의 종류가 무엇이며 각 서비스들이 어떠한 내용을 포함하고 있는지 등에 대한 정보를 필요로 하게 된다. 상기 디지털 비디오 방송 시스템은 OFDM 전송 방식을 사용한다. 상기 OFDM 방식은 종래의 주파수 분할 다중(Frequency Division Multiplexing) 방식과 비슷하나 무엇보다도 다수개의 서브 캐리어들 간의 직교성(Orthogonality)을 유지하여 전송함으로써 고속 데이터 전송시 최적의 전송 효율을 얻을 수 있는 특징을 가지며, 또한 주파수 사용 효율이 좋고 다중 경로 페이딩(multi-path fading)에 강한 특성이 있어 고속 데이터 전송시 최적의 전송 효율을 얻을 수 있다는 특징을 가진다. 또한, 주파수 스펙트럼을 중첩하여 사용하므로 주파수 사용이 효율적이고, 주파수 선택적 페이딩(frequency selective fading)에 강하고, 보호구간을 이용하여 심벌간 간섭(Inter Symbol Interference) 영향을 줄일 수 있으며, 하드웨어적으로 등화기 구조를 간단하게 설계하는 것이 가능하며, 임펄스(impulse)성 잡음에 강하다는 장점을 가지고 있어서 통신시스템 구조에 적극 활용되고 있는 추세에 있다. 상기 OFDM 시스템의 장점에도 불구하고 OFDM 시스템에는 다중반송파 변조로 인한 높은 PAPR(Peak to Average Power Ratio)이 유발되는 문제점이 존재한다. 즉, 상기 OFDM 방식이 다중 반송파들을 이용하여 데이터를 전송하므로 최종 OFDM 신호는 진폭의 크기가 각 반송파의 진폭 크기의 합이 되어 진폭의 변화폭이 심하며, 각 반송파들의 위상이 일치한다면 매우 큰 값을 가지게 된다. 이러한 높은 PAPR의 신호는 고출력 선형 증폭기(High Power Amplifier)의 선형 동작 범위를 벗어나게 되고, 상기 고출력 선형증폭기를 통과한 신호는 왜곡이 발생되어 시스템의 성능이 저하되는 문제가 있다. 상기 OFDM 시스템의 PAPR이 큰 문제를 해결하기 위해 여러 가지 방안들이 제안되고 있으며, 클리핑 기법, 코딩, SLM(SeLected Mapping), PTS(Partial Transmit Sequence), TI(Tone Injection) 등 여러 가지 PAPR 저감 기법들이 있다. 상술한 PAPR 저감 기법 중의 하나인 TR(Tone Reservation) 방식은 부반송파 중 일부의 톤을 예약하고, 이때 예약된 톤은 데이터를 전송하지 않고 PAPR을 저감하기 위해 사용한다. 이때 수신기에서는 정보 신호를 전송하지 않는 예약 톤은 무시하고, 예약 톤 이외의 데이터 톤에서만 정보 신호를 복원하므로 수신기 구조가 간단한 장점이 있다. TR 방식에서 예약 톤을 이용하여 PAPR을 저감하는 방법 중에 대표적인 것으로 그래디언트 알고리즘(gradient algorithm)이 있다. 상기 그래디언트 알고리즘은 상술한 클리핑 기법과 유사한 방법을 TR 방식에 적용한 것이다. 정보 신호를 전송하지 않는 예약 톤을 사용하여 임펄스 특성을 갖는 신호(또는 커널(kernel)이라 함)를 생성하고, IFFT의 출력 신호를 클리핑하기 위해 사용한다. 이때, IFFT의 출력 신호에 임펄스 특성을 갖는 신호를 더해주면, 예약 톤에만 데이터의 왜곡이 일어나고 그 외의 주파수 영역에서 데이터는 왜곡이 일어나지 않는다. 즉, 클리핑 기법과 비교하여 TR의 차이점은 클리핑에 의해 발생하는 잡음이 전체 부반송파에 영향을 주지 않고 일부 예약된 부반송파에만 영향을 주는 것이다. 그레디언트 알고리즘은 시간 영역에서 IFFT 출력 신호의 피크가 감소되도록 임펄스 파형을 최적화시킨다. 그레디언트 알고리즘에 의해 최적화된 임펄스 파형들의 합을 IFFT의 출력 신호에 더하여 PAPR이 저감된 신호는 수신단으로 전송된다. 수신단에서는 예약 톤의 위치를 미리 알고 있으므로 나머지 부반송파의 데이터만 수신하면 된다. 그러면, 상기 TR 방법에 대해 하기에서 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 일반적인 TR 방식의 송신기 구성도이다. 도 1을 참조하면, N-L 점의 입력 신호 X(105)와 L개의 예약톤 신호(110)는 톤 예약부(120)에 입력되고, 상기 톤 예약부(120)은 L 개의 예약톤 신호를 송수신기 사이에 미리 약속된 부반송파 위치에 예약한다. 이때 L개의 톤에는 데이터가 전송되지 않고 0(zero)이 삽입된다. 병렬 데이터 X 와 L 개의 예약된 톤의 합이 N 점-IFFT부(130)로 입력되면, IFFT 연산을 수행한 후에 병-직렬 변환부(140)에 의해 시간 영역의 출력 신호 x가 발생된다. 다음으로 그래디언트 알고리즘부(150)에 의해 생성된 신호 c를 IFFT부의 출력 신호 x 에 더하여 수신기에 전송한다. 이때, 그래디언트 알고리즘(150)는 메모리(160)로부터 불러온 임펄스 파형을 이용하여 출력 신호 x의 PAPR이 저감되도록 신호 c를 계산한다. L개의 톤에 PAPR을 저감하기 위해 더해지는 신호 C는 다음과 같이 결정된다. L개의 부반송파가 미리 예약되어서 부호 C를 위해 사용되며, L개의 부반송파의 위치는 최초의 전송시에 톤 예약부(120)에 고정되어서 데이터 전송 중에는 변하지 않는다. 부호 C는 하기의 003c#수학식 1003e#과 같이 표현할 수 있다. 상기 003c#수학식 1003e#에서 k는 톤 예약부(110)의 인덱스를 나타낸다. 이때, 입력신호 x 는 003c#수학식 2003e#와 같이 부호 C 이외의 부반송파에 예약된다. PAPR의 최소화는 이들 L개의 부반송파의 값을 최적화함으로써 이루어진다. 는 하기의 003c#수학식 3003e#에 의해 PAPR이 작도록 최적화된다. 상기 003c#수학식 3003e#에서 Cn은 벡터 C를 IFFT한 시간영역 벡터의 n번째 원소 값이다. C의 최적화된 신호를 찾기 위해 003c#수학식 3003e#의 연산을 수행한다. 상기 003c#수학식 3003e#을 풀기 위해서는 복잡한 선형 연산을 수행해야 하나, 실제 구현에서는 간단한 연산만으로도 비슷한 성능을 얻을 수 있는 그레디언트 알고리즘이 사용된다. C 위에서 수행된다. 부호 C는 벡터 x의 첨두값을 제거하도록 최적화된다. 만약 을 x가 어떠한 레벨 로 클리핑된 벡터라고 한다면 하기의 003c#수학식 4003e#가 도출된다. 상기 003c#수학식 4003e#에서 는 클리핑값이고, 는 클리핑된 위치이고, 는 임펄스 함수이다. 만약, c를 하기의 003c#수학식 5003e#와 같이 정의하면, 하기의 003c#수학식 6003e#이 도출되어, 전송 심볼의 첨두값을 줄일 수 있다. 따라서, 는 지연되고 스케일된 임펄스 함수의 합으로 해석할 수 있다. 그러나, 주파수 영역에서 는 대부분의 주파수 위치에서 0이 아닌 값을 갖게 되고, 예약된 L개의 위치 외의 데이터 심볼들의 값을 왜곡하게 된다. 따라서, 주파수 영역에서는 L개의 예약된 위치에만 영향을 받고, 그 이외에서는 영향을 받지 않는 임펄스 함수의 특성을 갖는 파형을 이용하여 클리핑에 사용할 필요가 있다. 임펄스 특성을 갖는 파형 설계는 다음과 같다. 을 예약된 L개의 위치에서 값이 1이고, 나머지 위치에서는 값이 0인 벡터라고 하고, p는 하기의 003c#수학식 7003e#로 정의된다고 하자. 상기 003c#수학식 7003e#에서 이고, 은 각각 에 비해 상당히 작은 값을 가진다. 이 를 만큼 순환 이동한 것이라고 할 때, 이것의 DFT를 취해도 주파수 영역에서는 위상값만 변하게 되고, L개의 예약된 위치 외에서는 0의 값을 갖게 된다. 상기에서 언급한 바와 같이 임펄스 특성을 갖는 파형을 설계함에 있어서 를 제외한 나머지 의 크기가 작도록 설계해야 이상적인 임펄스 파형과 유사해진다. 의 크기가 작을수록 클리핑 수행시 의 위치 이외의 다른 신호들의 변화가 작아진다. 만약, 이 크게 설계되었다면, 클리핑 과정에서 다른 신호들의 피크가 다시 커질 수 있다. 이러한 영향에 의해서 PAPR 저감 성능이 떨어지게 된다. 도 2는 OFDM 방식을 사용하는 일반적인 DVB 방송 시스템의 물리 계층의 프레임 구조를 나타내는 구성도이다. 도 2의 프레임 구조(201)는 간략하게 프리앰블(preamble)부분(202, 203)과 페이로드(Payload) 부분(204)으로 나눌 수 있으며, 프리앰블은 프레임의 시그널링(signaling) 정보가 전송되고, 페이로드(Payload)는 데이터가 전송되는 부분으로 구성된다. 먼저 도 2의 P1 프리앰블(202)은 수신기에서 프레임의 초기 신호를 스캔(scan)하기 위해 사용된다. 주파수 옵셋(offset)을 검출(detection)하고, 중앙 주파수(center frequency)를 튜닝(tuning)하는데 사용된다. 다음으로 P2 프리엠블(203)은 DVB 시스템의 레이어 1(Layer 1) 시그널링을 제공하기 위해 사용된다. 레이어 1의 시그널링에는 DVB 시스템의 전송 타입, 전송 파라미터 등의 정보가 있다. 마지막으로 페이로드(204)는 DVB 시스템의 시그널링 정보로 구성되어 있다. 상기에서 언급한 바와 같이 OFDM 방식을 사용 디지털 비디오 방송 시스템에서 프리엠블에도 PAPR 문제가 발생하며 이를 해결하기 위한 방안이 필요하다.