[논문]DCT와 DHT를 사용하는 OFDM 기반의 SSB 시스템

안창영; 김병재; 유흥균

doi:10.5573/ieie.2017.54.8.20

[국내논문] DCT와 DHT를 사용하는 OFDM 기반의 SSB 시스템
OFDM-Based SSB System using DCT and DHT 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.54 no.8 = no.477, 2017년, pp.20 - 25

안창영 (충북대학교 전자공학과) , 김병재 (충북대학교 전자공학과) , 유흥균 (충북대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 PAM 변조를 사용하는 OFDM 기반 시스템에서 FFT를 사용하는 대신, DCT와 DHT를 사용하여 SSB 변조와 같은 파형을 발생하는 시스템 모델을 제안한다. SSB 변조와 마찬가지로 제안하는 시스템 모델은 전체 스펙트럼을 DSB라할 때 SSB변조 즉 LSB혹은 USB만을 만들어 내고 이뿐만이 아니라 USB와 LSB 각각에 다른 PAM신호를 송신하도록 한다. 또한, 제안한 시스템모델에서 USB와 LSB를 통해 동시에 송신할 경우 발생하는 중심주파수 간섭문제를 해결하는 방안을 제시하고 시뮬레이션을 통해 확인한다. 시뮬레이션 결과 제안한 시스템은 USB와 LSB스펙트럼을 생성하며 기존 OFDM의 절반의 스펙트럼만을 사용하여 PAM 정보신호를 전송 할 수 있고 USB와 LSB 각각에 서로 다른 정보신호를 전송할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an OFDM-Based SSB System using DCT and DHT transform. The proposed system presents the same waveform as the SSB modulation. The proposed system generates SSB spectrum which are USB and LSB spectrum, also the proposed system can transmit PAM signal through USB and the other PAM signal through LSB. Additionally, we propose how to resolve the center frequency interference problem between USB and LSB. We confirm the simulation result by MATLAB program. The simulation result show the proposed system can transmit PAM signal through only half of spectrum of conventional OFDM system.

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AI 본문요약
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문제 정의

OFDM 시스템의 스펙트럼 효율을 향상시키려는 목적으로 본 논문에서는 OFDM 시스템의 FFT를 대신하여 DCT(Discrete Cosine Transform)와 DHT(DiscreteHilbert Transform)을 사용하여 OFDM 시스템에 SSB 변조방법을 적용하여 USB와 LSB에 다른 데이터를 전송하는 시스템을 제안하고 제안하는 시스템의 스펙트럼을 확인하고 동작확인을 위해 AWGN(Additive WhiteGaussian Noise)에서 BER(Bit Error Rate) 성능을 확인한다.
특히, iDCT를 사용한 다중반송파 시스템의 경우, 실제 통신환경에서 발생할 수 있는CFO(Carrier Frequency Offset)등에 의한 ICI(InterCarrier Interference)에 대한 영향에 강인함이 알려져있다^[9]. 따라서 본 논문에서는 ICI에 강인한 다중반송파시스템에 SSB변조 기술을 적용하는 연구를 수행한다. 기존의 SSB 변조 방법 중 힐버트 변환을 이용하는 경우 보내고자 하는 정보신호를 2 branch로 나누어 한쪽은 코사인을 곱하고 다른 한쪽은 힐버트 변환을 사용하여 위상을 –90° 변화 시킨 후 코사인과 위상차가 90°인 사인을 곱한 후 코사인을 곱한 쪽에 빼거나 더함으로써 주파수영역에서 볼 때 한쪽 측파대만을 제거하여 USB 혹은 LSB만을 얻어 낼 수 있다.

제안 방법

기존의 SSB 변조 방법 중 힐버트 변환을 이용하는 경우 보내고자 하는 정보신호를 2 branch로 나누어 한쪽은 코사인을 곱하고 다른 한쪽은 힐버트 변환을 사용하여 위상을 –90° 변화 시킨 후 코사인과 위상차가 90°인 사인을 곱한 후 코사인을 곱한 쪽에 빼거나 더함으로써 주파수영역에서 볼 때 한쪽 측파대만을 제거하여 USB 혹은 LSB만을 얻어 낼 수 있다. 이러한 SSB변조를 본 논문에서는 유사한 형태로서 데이터를 PAM변조를 사용하고 이후 2 branch로 나누어 한쪽은 기존의 아날로그 SSB변조 방법에서 정보신호에 코사인을 곱하는것과 같이 iDCT를 사용하고 다른 한쪽은 DHT를 사용하고 그 후 iDCT를 사용한 후에 빼준다. 이는 주파수영역에서 기존의 OFDM 시스템의 각 부반송파들을 DSB라고 볼 때 각 부반송파들의 USB 성분만을 얻어내는역할을 한다.
본 논문에서 제안하는 SSB 시스템 에서는 각 부반송파들의 스펙트럼을 LSB와 USB로 나눌 수 있을 뿐만아니라 각 부반송파들의 LSB와 USB 각각에 서로 다른 정보신호를 실어 보낼 수 있는 시스템이다. 하지만 송신기에서 각각 다른 USB와 LSB를 생성한 후 송신할때에는 두 신호를 동시에 보내게 되는데 이때 그림 3과같은 문제가 발생한다.
하지만 송신기에서 각각 다른 USB와 LSB를 생성한 후 송신할때에는 두 신호를 동시에 보내게 되는데 이때 그림 3과같은 문제가 발생한다. 기존의 아날로그 SSB변조에서는 중심 주파수를 기준으로 스펙트럼을 절반을 나누어USB와 LSB를 구분하게 되지만 제안 하는 시스템에서는 OFDM시스템을 기반으로 하는 디지털변조를 위해서 FFT대신 DCT를 사용한다. 이때 iDCT를 사용하는과정 중에서 문제가 발생한다.
이는 앞서 언급한바와 같이 서로 다른 PAM 정보신호를 제안한 시스템을 이용하여 각각 USB와 LSB를 통해 전송하려는 과정에서 발생하는 문제이다. 이러한 중심주파수 간섭이 일어나는 문제점을 해결하기 위하여 송신기에서 iDCT를 사용하는 과정에 Pilot을 추가하고 이를 수신기에서 Pilot을 이용하여 보상하는 방법을 통해 해결한다.
시뮬레이션은 표 1과 같은 환경에서 진행 하였다. 제안하는 시스템의 스펙트럼을 확인 하는 과정을 위해 AWGN에서 시뮬레이션을 진행하였고 DCT변환 크기는 64로 진행을 하였다. 앞서 시스템 모델에서 확인 할 수 있듯이 변조방법은 PAM을 사용하였고 변조 레벨은 2PAM, 4PAM, 8PAM 3가지로 진행하였다.
제안하는 시스템의 스펙트럼을 확인 하는 과정을 위해 AWGN에서 시뮬레이션을 진행하였고 DCT변환 크기는 64로 진행을 하였다. 앞서 시스템 모델에서 확인 할 수 있듯이 변조방법은 PAM을 사용하였고 변조 레벨은 2PAM, 4PAM, 8PAM 3가지로 진행하였다. 제안하는 시스템은 Zero forcing을 이용하여 LSB와 USB의 중심주파수 간의 간섭문제를 해결한다.
앞서 시스템 모델에서 확인 할 수 있듯이 변조방법은 PAM을 사용하였고 변조 레벨은 2PAM, 4PAM, 8PAM 3가지로 진행하였다. 제안하는 시스템은 Zero forcing을 이용하여 LSB와 USB의 중심주파수 간의 간섭문제를 해결한다.
그림 6은 주파수 스펙트럼을 확인한데 이어서 제안하는 시스템의 BER 성능을 확인하기 위하여 AWGN Channel 환경에서 시뮬레이션을 진행한 결과이다. 시스템모델에서 설명한 것과 같이 두 M-PAM 신호를 생성하고 각각의 신호를 제안하는 시스템 모델을 사용하여 각각 USB, LSB를 생성한 후 두 신호를 합쳐 동시에 송신하고 수신기에서 두 신호를 구분 복조하는 과정을 거쳐 나온 신호의 BER 성능을 확인하였다. 제안하는 시스템은 PAM을 사용하고 있지만 기존 OFDM 시스템의 절반의 스펙트럼만을 사용 하여 송신하기 때문에 신호의전력을 좀 더 높이는 경우 BER 성능을 보완 할 수 있다.
본 논문에서는 스펙트럼 효율 향상을 위해 기존의 OFDM 시스템을 기반으로 하고 DCT와 DHT를 사용하여 기존의 아날로그 SSB변조기법처럼 디지털 변조방법인 기존 OFDM 시스템에서 동일한 FFT Size와 같은 DCT Size와 심볼수를 가질 때 QAM변조 대신 PAM변조를 사용하여 기존 대비 절반의 스펙트럼만을 통해 하나의 정보신호를 전송 할 수 있고 나머지 절반의 스펙트럼을 통해 다른 정보신호를 보낼 수 있는OFDM-SSB 시스템 모델을 제시하고 있다. DCT와 DHT를 사용 하여 기존의 아날로그변조 방식인 SSB변조에서 LSB, USB를 구분하는 것과 같은 형태로 두 정보신호를 각 부반송파의 절반의 스펙트럼을 사용하여 동시에 송신하고 수신기에서는 Masking을 통해 LSB와 USB를 구분한다.
본 논문에서는 스펙트럼 효율 향상을 위해 기존의 OFDM 시스템을 기반으로 하고 DCT와 DHT를 사용하여 기존의 아날로그 SSB변조기법처럼 디지털 변조방법인 기존 OFDM 시스템에서 동일한 FFT Size와 같은 DCT Size와 심볼수를 가질 때 QAM변조 대신 PAM변조를 사용하여 기존 대비 절반의 스펙트럼만을 통해 하나의 정보신호를 전송 할 수 있고 나머지 절반의 스펙트럼을 통해 다른 정보신호를 보낼 수 있는OFDM-SSB 시스템 모델을 제시하고 있다. DCT와 DHT를 사용 하여 기존의 아날로그변조 방식인 SSB변조에서 LSB, USB를 구분하는 것과 같은 형태로 두 정보신호를 각 부반송파의 절반의 스펙트럼을 사용하여 동시에 송신하고 수신기에서는 Masking을 통해 LSB와 USB를 구분한다. 복조하는 과정에서 발생하는 USB와 LSB의 중심주파수 중첩문제를 Pilot을 이용하여 해결하는 시스템을 설계 하였다.
DCT와 DHT를 사용 하여 기존의 아날로그변조 방식인 SSB변조에서 LSB, USB를 구분하는 것과 같은 형태로 두 정보신호를 각 부반송파의 절반의 스펙트럼을 사용하여 동시에 송신하고 수신기에서는 Masking을 통해 LSB와 USB를 구분한다. 복조하는 과정에서 발생하는 USB와 LSB의 중심주파수 중첩문제를 Pilot을 이용하여 해결하는 시스템을 설계 하였다. 이 제안된 시스템을 PAM변조를 사용하여 MATLAB 시뮬레이션을 통해 BER성능과 송신하는 신호의 스펙트럼을 확인 하였다.
복조하는 과정에서 발생하는 USB와 LSB의 중심주파수 중첩문제를 Pilot을 이용하여 해결하는 시스템을 설계 하였다. 이 제안된 시스템을 PAM변조를 사용하여 MATLAB 시뮬레이션을 통해 BER성능과 송신하는 신호의 스펙트럼을 확인 하였다. 이 제안된 시스템을 사용하여 하나의 정보신호를 기존의 OFDM 시스템에 대비하여 절반의 스펙트럼만을 이용하여 전송이 가능하며 USB, LSB 각각에 서로 다른 정보신호를 동시에 전송할 수 있다.

데이터처리

본 논문에서 제안하고 있는 OFDM-SSB 시스템의시뮬레이션을 진행하기 위해서 MATLAB 프로그램을사용하여 스펙트럼과 성능을 확인하였다.

이론/모형

기존의 OFDM 시스템에서는 진폭과 위상을 변화시키는 QAM 변조가 사용되지만 실수 값과 복소수값이 모두 존재하는 변조 방법이다. 그러나 본 논문에서 적용하고자 하는 아날로그 변조 방법인 SSB 변조방법의 경우 입력이 실수인 경우만 사용 할 수 있기 때문에 실수와 복소수 값이 모두 존재하는 QAM변조 대신실수인 진폭 값만을 변화시키는 PAM(Pulse AmplitudeModulation)변조를 사용한다. 또한 OFDM 시스템에서사용되었던 iFFT를 대신하여 iDCT를 사용한다^[7∼8].

성능/효과

그림 5에서 확인 할 수 있듯이, DCT와 DHT를 이용하여 위상변화를 통해 제거된 서로간의 스펙트럼이 100dB 이상으로 이는 SSB와 같이 전체 스펙트럼의 절반만을 사용하는 것과 같음을 알 수 있다. 기존의 OFDM 시스템의 경우 FFT size와 Symbol 수에 따라 스펙트럼이 결정되지만 제안하는 시스템의 경우 QAM변조 대신 PAM을 사용하고 기존대비 절반의 스펙트럼만을 사용하여 하나의 정보신호를 보낼 수 있음을 확인 할 수 있다.
시스템모델에서 설명한 것과 같이 두 M-PAM 신호를 생성하고 각각의 신호를 제안하는 시스템 모델을 사용하여 각각 USB, LSB를 생성한 후 두 신호를 합쳐 동시에 송신하고 수신기에서 두 신호를 구분 복조하는 과정을 거쳐 나온 신호의 BER 성능을 확인하였다. 제안하는 시스템은 PAM을 사용하고 있지만 기존 OFDM 시스템의 절반의 스펙트럼만을 사용 하여 송신하기 때문에 신호의전력을 좀 더 높이는 경우 BER 성능을 보완 할 수 있다.
이 제안된 시스템을 PAM변조를 사용하여 MATLAB 시뮬레이션을 통해 BER성능과 송신하는 신호의 스펙트럼을 확인 하였다. 이 제안된 시스템을 사용하여 하나의 정보신호를 기존의 OFDM 시스템에 대비하여 절반의 스펙트럼만을 이용하여 전송이 가능하며 USB, LSB 각각에 서로 다른 정보신호를 동시에 전송할 수 있다. 따라서 기존시스템에 대비하여 효과적으로 전송할 수 있다.

후속연구

기존의 아날로그 SSB 변조 방법에서는 DSB 변조 방식과 동일한 수신기를 사용한다. 하지만 기존아날로그 SSB변조 방법은 하나의 정보신호를 절반의대역폭만을 사용하여 보내지만 앞에서 언급한 바와 같이 본 논문에서 제안하나는 시스템은 하나의 정보신호를 절반의 대역폭만을 사용하여 보내되 다른 절반의 대역폭에는 다른 정보신호를 보내기 때문에 이를 구분하는 과정이 필요하다. 따라서 먼저 수신된 신호를 FFT를 사용하여 주파수 영역으로 변환한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SSB변조 방법은 무엇인가?	SSB변조 방법은 아날로그 통신에서 정보신호에 코사인 캐리어를 곱하여 송신하는 방법에서의 송신 신호 스펙트럼을 DSB(Double Side Band)라고 할 때 중심 주파수를 기준으로 한쪽 측파대를 USB(Upper Side Band) 다른 한쪽 측파대를 LSB(Lower Side Band)로 구분할 수 있다. 이때 기존의 DSB를 모두 전송하는 방법과는 달리 USB 혹은 LSB 두 측파대 중 한 측파대만을 전송하는 변조방법이다. 이때 USB와 LSB 두 측파대로 나누는 방법은 필터를 이용하여 원하는 측파대 성분을 얻는 방법과 힐버트 변환을 이용하여 위상변환을 통해 다른 측파대 성분을 얻는 방법이 있다.
	SSB변조 방법에서 힐버트 변환을 이용해서 USB 또는 LSB를 얻는 방법은 무엇인가?	따라서 본 논문에서는 ICI에 강인한 다중반송파시스템에 SSB변조 기술을 적용하는 연구를 수행한다. 기존의 SSB 변조 방법 중 힐버트 변환을 이용하는 경우 보내고자 하는 정보신호를 2 branch로 나누어 한쪽은 코사인을 곱하고 다른 한쪽은 힐버트 변환을 사용하여 위상을 –90° 변화 시킨 후 코사인과 위상차가 90°인 사인을 곱한 후 코사인을 곱한 쪽에 빼거나 더함으로써 주파수영역에서 볼 때 한쪽 측파대만을 제거하여 USB 혹은 LSB만을 얻어 낼 수 있다. 이러한 SSB변조를 본 논문에서는 유사한 형태로서 데이터를 PAM변조를 사용하고 이후 2 branch로 나누어 한쪽은 기존의 아날로그 SSB변조 방법에서 정보신호에 코사인을 곱하는것과 같이 iDCT를 사용하고 다른 한쪽은 DHT를 사용하고 그 후 iDCT를 사용한 후에 빼준다.
	OFDM시스템에서 FFT대신 iDCT를 사용할 때 어떤 문제점이 발생하는가?	아날로그 SSB변조와 같이 중심주파수를 기준으로 절반이 되는 것이 아니라 중심 주파수를 포함하는 USB와 LSB가 생성이 된다. 이러한 이유로 인해서 송신기에서 두 측파대를 합쳐서 함께 보내게 되면 그림 3과 같이 수신기에서 Masking을통하여 각 부반송파들의 USB와 LSB를 구분하더라도중심주파수 성분이 서로 영향을 주는 문제가 발생하게된다. 이와 같은 이유로, 현재 연구되어 있는 DCT 및DHT 시스템을 사용한 시스템[10]에서는 고차 변조를 사용할 경우 중심주파수 제거 알고리즘이 없으면 송수신에 문제가 발생한다.

참고문헌 (10)

E. Bedrosian., "The analytic signal representation of modulated waveforms", Proc. IRE, vol. 50, no. 10, pp. 2071-2076, Oct. 1962.

상세보기
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상세보기
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Hussein A. Leftah; Said Boussakta, "Novel OFDM Based on C-Transform for Improving Multipath Transmission," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 62, no. 23, Dec. 2014

상세보기
Gen-ichiro Ohta; Takuro Sato, "An Orthogonal Frequency multiplexed(OFDM) four-layer SSB-QAM modulation method," IEICE technical Report, vol. 114, no. 490, pp. 159-164, Mar. 2015.
Yi Jiang., Zhenyu Zhou., Masahiko Nanri., Gen-Ichiro Ohta and Takuro Sato., "Performance Evaluation of Four Orthogonal Single Sideband Elements Modulation Scheme in Multi-Carrier Transmission Systems," in Proc. IEEE Vehicular Technology Conference Fall 2011 (IEEE VTC Fall 2011), pp. 1-6, San Francisco, United States, Sep. 2011.
Deepak GUPTA., Vipin B. VATS., Kamal K. GARG., "Performance Analysis of DFT-OFDM, DCT-OFDM, and DWT-OFDM Systems in AWGN Channel," In Wireless and Mobile Communications, 2008. ICWMC'08. The Fourth International Conference on, pp. 214-216, Athens, Greece, July-August. 2008.
K. R. Rao., Patrick Yip., Discrete Cosine Transform:Algorithms, Advantages, Applications, Academic Press, 2014.
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상세보기
Byeongjae Kim; Heung-Gyoon Ryu, "Spectrum Analysis and Performance Evaluation of OFDM-Single-Side Band Systems Based on BPSK Modulation", The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, Vol. 41, No. 11, pp. 1380-1386, Nov. 2016.

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