개방루프 주파수 동기 방식을 이용한 ＯＦＤＭ 신호 동기화장치 및 그 장치를 이용한 주파수 오프셋 추정 방법 document_id A220623105239

일반적으로 방송/통신 시스템의 OFDM 동기화 과정은 크게 송/수신기의 주파수 오프셋을 추정하여 보상하고, 또한 수신기 이동으로 발생하는 도플러 효과에 따라 주파수 오프셋을 추정하여 보상하는 주파수 동기 방식, 및 OFDM 심볼 시작 위치를 파악하여 보상하는 시간 동기 방식으로 구분된다. OFDM 시스템에서 주파수 오프셋이 발생하는 경우 다중 반송파 사이에 직교성이 깨져 inter-channel interference(ICI)가 발생되는 원인으로 작용한다. 이로 인하여, 수신기의 성능이 저하된다. 시간 동기 방식에 있어서 심볼 시작 위치가 잘못 파악되는 경우 inter-symbol interferenc가 발생하는 원인으로 작용하여 수신기의 성능이 저하된다. 종래에는 이러한 문제점을 cyclic prefix를 이용하여 극복하였다. 즉, cyclic prefix를 심볼에 삽입하여 시간 동기가 약간 틀어지더라도 큰 에러가 발생하지 않도록 설계한다. 그러나, 주파수 오프셋의 경우 주파수 동기에 매우 민감하므로, 조금만 틀어져도 수신기의 성능에 큰 영향으로 작용한다. 이하에서는 OFDM 방식을 이용하는 T-DMB(Terrestrial Digital Multimedia Broadcasting)를 참고하여 이러한 종래의 문제점을 보다 상세히 설명한다. 도 1은 종래의 T-DMB 시스템의 전송 프레임 구조를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, T-DMB 시스템의 전송 프레임은 크게 synchronization channel(110), fast information channel(FIC) (120), main service channel(MSC) (130)로 구성된다. Synchronization channel(110)은 전송 프레임 동기를 위한 정보 채널로 신호가 아무것도 없는 Null symbol(111)과 DQPSK 신호 디코딩의 기준이 되는 phase reference symbol(PRS)(112)로 구성한다. Null symbol(111)은 아무런 신호가 없는 구간으로, 수신기는 Null symbol(111)과 PRS(112)의 에너지 비를 이용하여 대략적인 시간 동기를 획득한다. PRS(112)는 송신기와 수신기가 모두 알고 있는 정보로 구성되므로, 수신기는 이를 이용하여 정밀한 시간 동기와 정확한 정수배 주파수 동기를 획득할 수 있다. T-DMB 전송 프레임(100)은 Null symbol(111)을 제외하고 총 76개(PRS+FIC+MSC) OFDM 심볼(140)로 구성된다. 또한 모든 OFDM 심볼(140)에는 cyclic prefix(CP)(141)가 삽입된다. Cyclic prefix(141)는 OFDM 심볼 구간을 연장하는 일종의 guard time으로써, 복사된 OFDM 심볼(140)의 뒷부분을 OFDM 심볼(140)의 앞 부분에 삽입하여 신호의 연속성을 유지한다. 따라서, 수신기의 경우 시간 동기를 정확히 획득하지 못하더라도 데이터 디코딩 과정에 에러가 발생하지 않도록 역할을 수행한다. 또한, 수신기는cyclic prefix(141)의 성질을 이용하여 소수배 주파수 오프셋을 추정한다. 주파수 동기 방법에는 크게 밀폐루프(closed-loop) 방식과 개방루프(open-loop) 방식이 있다. 밀폐루프 방식은 신호처리 단에서 추정한 주파수 오프셋을 이용하여 로컬 오실레이터를 반대방향으로 조정하여 주파수 오프셋을 보상한 후, 다시 주파수 오프셋을 추정하여 로컬 오실레이터로 피드백하는 방식이다. 밀폐루프(closed-loop) 방식의 경우, 주파수 오프셋의 발생 원인을 없애는 장점이 있지만, 주파수 오프셋의 추정 및 피드백 루프를 통한 보상 시간이 개방루프식(Open-Loop) 방식에 비해 지연되는 단점이 있다. 이로 인하여, 주파수 오프셋 변화에 빠르게 대응하지 못하는 단점이 있다. 또한, 로컬 오실레이터의 컨트롤 특성에 따라 성능에 차이가 발생한다. 이와 달리, 개방루프 방식(Open-Loop)은 신호처리 단에서 주파수 오프셋을 추정하고 신호처리 단에서 바로 주파수 오프셋을 보상하는 방식이다. 개방루프(Open-Loop) 방식의 경우, 디지털 단에서의 신호처리에 대한 부담이 높은 단점이 있다. 그러나, 밀폐루프(closed-loop) 방식과 같이 오실레이터 특성에 민감하지 않고 일정한 성능을 보장하는 장점이 있다. 또한, 주파수 오프셋을 추정한 데이터에 대한 보상이 즉시 가능하므로, 주파수 오프셋의 보상을 위한 시간 지연이 없는 장점이 있다. 도 2는 종래의 개방루프 주파수 동기 방법이 적용된 T-DMB 수신기의 구조를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, T-DMB 수신기는 안테나(201), 저잡음 증폭기(LNA)(202), 믹서(203), 로컬 오실레이터(204), 대역통과 필터(205), 아날로그/디지털 변환기(ADC)(206), 기저대역 디지털 신호 처리부(207) 및 A/V코덱(208)을 포함한다. 저잡음 증폭기(202)는 안테나(201)로 들어오는 신호를 증폭하고, 믹서(203)는 상기 신호를 기저대역으로 옮긴다. 이때, 믹서(203)는 로컬 오실레이터(204)에서 발생된 신호를 이용하게 되는데, 이 주파수가 송신기와 다를 때 주파수 오프셋이 발생한다. 대역통과 필터(205)는 상기 증폭된 신호 가운데 불필요한 신호를 제거하고, analog-to-digital converter(ADC, 206)가 상기 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하여 baseband 디지털 신호 처리부(207)로 출력한다. 디지털 신호처리부(207)는 시간 오프셋 추정부(271), 소수배 주파수 오프셋 추정부(272), 정수배 주파수 오프셋 추정부(273), 시간/주파수 오프셋 보상부(274), OFDM 복조부(275) 및 채널 디코더(276)를 포함한다. 시간 오프셋 추정부(271)는 OFDM 심볼 시작 위치와 프레임 시작 위치를 추정하고, 소수배 주파수 오프셋 추정부(272)는 부반송파 간격의 소수배가 되는 주파수 오프셋을 추정한다. 정수배 주파수 오프셋 추정부(273)는 부반송파 간격의 정수배가 되는 주파수 오프셋을 추정하고, 이 모든 정보를 이용하여 시간/주파수 오프셋 보상부(274)는 프레임 및 OFDM 시작 위치를 조정함으로써, 주파수 오프셋을 보상한다. OFDM 복조부(275)는 FFT를 이용하여 디지털 신호를 복원하고, channel 디코더(276)는 디지털 신호의 에러를 복구한다. A/V 코덱(208)은 상기 디지털 신호를 비디오 및 오디오 신호로 복원한다. 여기서, 주파수 오프셋 추정에 이용되는 알고리즘, 특히 정수배 주파수 오프셋 추정에 사용되는 알고리즘을 살펴보면, 주파수 축 상에서 알고 있는 부반송파와 수신된 부반송파 사이의 상호상관 값을 부반송파 간격으로 신호를 이동시키면서 위치의 최대 값을 검출한다. 여기서, 상기 위치의 최대 값과 기준 위치 간의 이격 차이는 정수배 주파수 오프셋이 된다. 이때, 시간 오프셋의 영향에 따라 알고리즘의 성능이 저하되므로, 잔존하는 시간 오프셋의 영향을 없애기 위해 부분 상호상관(partial correlation) 값을 이용하기도 한다. T-DMB 시스템에서는 수신기에서 알고 있는 신호가 PRS 밖에 없으므로 정수배 주파수 오프셋을 프레임에 한번 PRS를 이용하여 추정할 수 있다. 소수배 주파수 오프셋 추정의 경우 정수배 주파수 오프셋 추정과 달리 시간 축에서 cyclic prefix의 성질을 이용한다. Cyclic prefix는 OFDM 심볼의 뒷부분을 그대로 복사하여 OFDM 심볼 앞에 삽입하는 것으로, 수신한 신호에서 같은 데이터 간에 주파수 오프셋으로 인한 위상 차이를 이용하여 추정한다. 소수배 주파수 오프셋 추정을 위한 수식은 다음 수학식 (1)과 같다. 여기서, 소수배 주파수 오프셋은 위와 같은 추정 알고리즘 특성에 의해 그 범위가 제한된다. 즉, tan-1의 특성상 -0.5*Lss ~ +0.5* Lss(Lss: 부반송파 간격)까지만 추정 가능하다. 도 3은 소수배 주파수 오프셋 추정 알고리즘 특성을 도시한 것이다. FFO1과 FFO2는 소수배 주파수 오프셋 추정 범위 안에 있으므로 그대로 추정되지만 FFO3과 FFO4는 -0.5*Lss ~ +0.5* Lss 범위를 벗어나므로 각각 FFO5와 FFO6으로 추정된다. 그러나, 앞서 언급한 로컬 오실레이터의 천이로 인하여, FFO1에서 FFO3으로 변경되는 경우, 소수배 주파수 오프셋이 추정 가능 범위를 벗어나게 되어 잘못된 값으로 추정하게 된다. 따라서, 주파수 동기가 틀어지고 수신기가 데이터를 제대로 복원할 수 없는 문제점이 있다.