[논문]Inmarsat Mini-m 시스템의 하향 링크 수신기를 위한 Timing Recovery 루프 설계

조병창; 한정수; 최형진

Inmarsat Mini-m 시스템의 하향 링크 수신기를 위한 Timing Recovery 루프 설계
Design of a Timing Recovery Loop for Inmarsat Mini-m System Downlink Receiver 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.33 no.6A, 2008년, pp.685 - 692

조병창 (성균관대학교 정보통신공학부) , 한정수 (성균관대학교 정보통신공학부) , 최형진 (성균관대학교 정보통신공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 Inmarsat (International Marine Satellite) mini-m 시스템의 하향 링크 수신기를 위한 timing recovery 루프를 제안한다. Inmarsat mini-m 시스템 규격에서 요구하는 frequency tolerance는 ${\pm}924$ Hz (signal bandwidth: 2.4 kHz) 이며, timing acquisition 시간은 하나의 UW (Unique Word) 신호 구간인 15ms 이기 때문에 주파수 옵셋에 강인하고 UW 신호 구간에서의 빠른 aquisition 이 가능한 루프 설계가 요구된다. 이에 따라 본 논문에서는 주파수 옵셋에 강인하고 빠른 aquisition 이 가능한 timing recovery 루프를 제안하였으며, 제안된 timing recovery 루프는 UW detector와 UW detector에 의해 검출된 UW 신호를 이용한 timing recovery 루프를 연동한 구조이다. UW detector는 주파수 옵셋 환경에서 안정적인 성능을 위해 차동 기반의 noncoherent detector 방식을 적용하였으며, TED (Timing Error Detector) 알고리즘은 기존의 GAD (Gardner Detector) 알고리즘 대신 본 논문에서 제안하는 UW 신호를 이용한 차동 기반의 ELD (Early Late Detector) 알고리즘 적용하였다. 제안된 방식과 기존의 GAD와의 성능 비교를 통해 제안된 방식이 만족스러운 성능과 신뢰성 있는 동작이 가능함을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a timing recovery loop for Inmarsat mini-m system downlink receiver. Inmarsat mini-m system requires a timing recovery loop which is robust in frequency offset and has fast acquisition because Inmarsat mini-m system specification requires frequency tolerance is required of ${\pm}924$ Hz (signal bandwidth: 2.4 kHz) and acquisition time of UW (Unique Word) signal duration (15ms).Therefore, we propose a timing recovery loop which is suitable for Inmarsat mini-m system. The proposed timing recovery loop adopted noncoherent UW detector and differential ELD which applied differential UW signal for stability and fast acquisition in frequency offset environment. Simulation results show that the proposed timing recovery loop has stable operation and fast acquisition in frequency offset environment for the system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서 제안된 timing recovery 루프는 Inmarsat mini-m 시스템을 위해 .설계되었으나, 프리앰블이 존재하는 일반적인 burst 무선 통신 시스템 수신기의 symbol timing 동기를 위해서도 적용가능할 것으로 예상된다.
본 절에서는 Inmarsat mini-m 시스템을 위한 본 논문에서 제안하는 timing recovery 루프 설계에 대한 내용을 기술한다. 그림 3은 Inmarsat mini-m 시스템의 timing recovery 루프의 전체 구조도이다.
본 절에서는 본 논문에서 제안하는 inmarsat mini-m 시스템의 timing recovery 루프에 대한 성능 검증 및 일반적인 GAD 방식을 적용한 timing recovery 루프와의 성능 비교 결과에 대한 내용을 기술하였다. 모의 실험에 적용된 시스템 사양은 표 1 에 제시된 규격에 맞추어 설정하였으며, 50 Hz와 100 Hz 잔류 주파수 옵셋, 반 심볼 (4 sample)의 timing offset을 고려하였다.
따라서, timing recovery 루프는 발생 가능한 잔류 주파수 옵셋 환경에서 신뢰성 있는 동작이 가능하도록 설계되어야 하며, 규격에서 요구하는 timing acquisition 시간은 UW 신호 구간인 15 ms 이거 때문에 UW 신호 구간에서의 빠른 acquisition 역시 보장되어야 한다. 이에 따라 본 논문에서는 주파수 옵셋에 강인하고 빠른 aquisition 이 가능한 timng recovery 루프를 제안하였다. 제안된 방식은 차동 기반의 noncoherent UW detector 그리고 UW 신호를 이용한 차동 기반의 ELD 알고리즘 및 interpolator를 적용한 timing recovery 루프를 연동한 구조로서 성능 검증을 통하여 제안된 방식이 기존의 방식보다 신뢰성 있는 동작이 가능한 구조임을 입증하였다.
하지만 GAD 방식 역시시 간에 따라 반송파 위상 옵셋이 변화하는 주파수 옵셋의 영향을 고려할 경우 잔류 반송파 위상 옵셋에 의해 지터 성능이 열화되어 안정적인 성능을 보장할 수 없을 뿐 아니라, Inmarsat mini-m 시스템에서 요구하는 UW 구간에서의 빠른 acquisition도 불가능하다. 이에 따라 본 절에서는 GAD 방식의문제점을 분석하고 주파수 옵셋 환경에서 빠른 acquisition 뿐 아니라 신뢰성 있는 동작이 가능한제안된 방식에 대한 내용을 기술한다.

가설 설정

여기서, 수신 sample 신호의 전력은 1 로 가정하였으며, N 은 UW 신호 구간의 sample 수이고 y(幻 = N(씨丄(幻(阵」)] 는 AWGN 이다.

제안 방법

Inmarsat mini-m 시스템에서 사용되는 SRRC 필터의 경우 ROF (Roll-Off Factor) a 는 0.6으로 정해져 있지만 탭 계수는 정해져 있지 않으며, 이에 따라 본 논문에서는 IS-95등 일반적인 무선 통신시스템에 사용되는 48 탭, 8 오버샘플의 송수신 SRRC 필터를 고려하였다.
그림 8은 제안된 방식의 루프 필터 이득에 따른 추적 성능 및 지터 성능이다 그림 8에서 보듯이 루프 필터 이득이 작아지면 지터 성능은 향상되나, 추적 성능이 느려짐을 확인할 수 있으며, 본 논문에서는 지터 성능이 안정적인 q=i/4, G2=i/8을 제안된 timing recovery 루프를 위한 루프 필터 이득으로 설정하였다.
그림 9는 제안된 방식의 interpolator 에 따른 정상 상태 지터 성능이다 그림 9를 통하여 cubic interpolator7]- piecewise parabolic interpolator보다 우수한 성능을 보이나, 성능 차이는 크지 않음을 확인할 수 있으며, 이에 따라 본 논문에서는 하드웨어 구현에서 유리한 piecewise parabolic interpolator를 적용하였다. 그림 10과 식 ((2)는 각각 본 논문에 적용된 piecewise parabolic interpolator의 구조도와 출력식이다^[7].
제안된 방식은 차동 기반의 noncoherent UW detector 그리고 UW 신호를 이용한 차동 기반의 ELD 알고리즘 및 interpolator를 적용한 timing recovery 루프를 연동한 구조로서 성능 검증을 통하여 제안된 방식이 기존의 방식보다 신뢰성 있는 동작이 가능한 구조임을 입증하였다. 또한 제안된 timing recovery 루프에 대한 최적의 루프 필터 이득 및 interpolator 구조 설정도 수행하였다.
모의 실험에 적용된 시스템 사양은 표 1 에 제시된 규격에 맞추어 설정하였으며, 50 Hz와 100 Hz 잔류 주파수 옵셋, 반 심볼 (4 sample)의 timing offset을 고려하였다.
본 논문에서는 주파수 옵셋에 강인하고 빠른 acquisition을 요구하는 Inmarsat mini-m 시스템의 수신기 모뎀의 timing recovery 루프를 제안하였다 제안된 방식은 차동 기반의 noncoherent UW detector 그리고 UW 신호를 이용한 차동 기반의 ELD 알고리즘 및 interpolator를 적용한 timing recovery 루프를 연동한 구조로서 모의 실험을 통해 제안된 timing recovery 루프 구조가 신뢰성 있는 동작이 가능함을 입증하였으며, 제안된 timing recovery 루프에 대한 최적의 루프 필터 이득 및 interpolator 구조 설정도 수행하였다. 본 논문에서 제안된 timing recovery 루프는 Inmarsat mini-m 시스템을 위해 .
본 논문에서는 주파수 옵셋에 강인한 UW detection 성능을 위해 differential filter 기반의 noncoherent detector의 적용을 통하여 UW detection 을 수행하였으며, UW detects는 주파수옵셋의 영향을 줄이기 위한 differential filter, differential filter 출력 신호와 reference 신호인 differential UW 신호와의 상관을 위한 상관기 그리고 전력 계산부로 구성된다.
제안된 루프는 UW detector 와 timing recovery 루프가 연동된 구조로서, UW detector, TED, loop filter, controller 그리고 interpolator로 구성되어 있다 수신 신호 尸(1) 는 symbol rate의 8배인 22.4 kHz 로 A/D 되어 심볼 당 8 샘플 신호로 변환된 후 UW detector에 입력되고 UW detector는 differential UW 신호의 검출 유무를 판단하게 되며, UW detector 에서 검출된 differential UW 신호는 TED 입력이 되어 수신 신호의 타이밍 오차에 해당하는 신호를 발생시킨다. 루프 필터는 주파수 오차로 인해 발생하는 추적 성능의 열화를 방지하기 위해 사용되며, 루프 필터의 출력을 받은 controller는 interpolator를 제어함으로써 샘플 위치를 조절하는 역할을 한다.

성능/효과

Ⅱ장에서는 Inmarsat mini-m 시스템의 구조 및 신호 모델에 대해 설명하였으며, HI장에서는 본 논문에서 제안하는 inmarsat mini-m 시스템을 위한 timing recovery 루프 설계에 대한 내용을 기술하였다 IV장에서는 모의 실험결과를 통해 제안된 timing reoevery 루프의 우수성을 입증하였으며, 마지막으로 Ⅴ장에서는 결론을 맺었다.
그림 11과 그림 12에서 보듯이 제안된 방식은 UW 신호 구간에서 acquisition 및 안정적인 성능을 보장하는 반면, GAD 방식을 적용한 timing recovery 루프는 UW 신호 구간에서의 acquisition 및 안정적인 성능을 보장할 수 없으며 이를 통해 제안된 방식이 Inmarsat mini-m 시스템을 위한 timing recovery 루프에 적합한 방식임을 확인할 수 있다
그림 6은 제안된 방식의 TED와 일반적인 GAD 방식의 TED 출력에 대한 50Hz, 100Hz 주파수 옵셋 환경에서의 open loop 지터 성능 비교한 것이다, 그림 6에서 보듯이 제안된 방식이 주파수 옵셋에의한 고정 반송파 위상 옵셋 영향 및 pattern jitter 의 영향을 최소화 함으로써 일반적인 GAD 방식보다 우수한 open loop 지터 성능을 나타냄을 확인할 수 있다.
반송파 위상 옵셋 0 = 8W 에 비해。의 영향이 적음을 확인할 수 있으며, 또한 제안된 방식은 알고 있는 UW 신호 pattern 今를 고려하기 때문에 GAD 방식에서 발생하는 data pattern {弓} 에 의한 pattern jitter의 영향을 최소화 할 수 있는 방식이다.
이에 따라 본 논문에서는 주파수 옵셋에 강인하고 빠른 aquisition 이 가능한 timng recovery 루프를 제안하였다. 제안된 방식은 차동 기반의 noncoherent UW detector 그리고 UW 신호를 이용한 차동 기반의 ELD 알고리즘 및 interpolator를 적용한 timing recovery 루프를 연동한 구조로서 성능 검증을 통하여 제안된 방식이 기존의 방식보다 신뢰성 있는 동작이 가능한 구조임을 입증하였다. 또한 제안된 timing recovery 루프에 대한 최적의 루프 필터 이득 및 interpolator 구조 설정도 수행하였다.

후속연구

본 논문에서 제안된 timing recovery 루프는 Inmarsat mini-m 시스템을 위해 .설계되었으나, 프리앰블이 존재하는 일반적인 burst 무선 통신 시스템 수신기의 symbol timing 동기를 위해서도 적용가능할 것으로 예상된다.

참고문헌 (7)

INMARSAT System Definition Manual, Sep, 2007
Z.Y. Choi and Y.H. Lee, 'Frame synchronization in the presence of frequency offset,' IEEE Trans. Commun., Vol.50, No.7, pp.1062-1065, July 2002

상세보기
Umberto Mengali and Aldo N. D'Andrea, Synchronization Techniques for Digital Receiver, Plenum Press
Dongmin Lim, Member, IEEE 'A Modified Gardner Detector for Symbol Timing Recovery of M-PSK Signals.'IEEE Trans. Commun., Vol.52, No.10, Oct 2004
J. Louveaux, L. Vandendorpe, Senior Member, IEEE, and T. Sartenaer, 'Early-Late Timing Recovery With Decision-Feedback Equalizers', IEEE Commun.,letters, Vol.7, No.7, July 2003
김주경, 이주형, 송형근, '적응적 루프 필터의 지터 평균값을 이용한 ATSC DTV 심볼 타이밍 동기 방식,'전자 공학회 논문지, Vol.10, pp.671-678, 2005
Choon Seuk Oh, Joo Hyun Do, Yang Soo Park and Hyung Jin Choi, 'Interpolator-based Timing Recovry Algorithm based on Interpolator for WCDMA Downlink Receiver,' ITCCSCC Proceeding, pp.43, July 6-8, 2004

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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