KR100897414B1 - Automatic gain control apparatus and method of performing in preamble and header data period - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광대역 싱글 캐리어 패킷 기반 무선통신 수신기에서 제한된 프리앰블 구간과 헤더 구간의 데이터를 이용하여 수신신호의 크기를 아날로그 디지털(A/D) 컨버터의 최적 입력 신호 영역 내에서 동작하도록 하는 자동 이득 제어 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명의 자동 이득 제어 방법은 자동 이득 제어를 1차 이득 제어와 2차 정밀 이득제어 단계로 나누어 1차 이득 제어 단계에서 VGA를 사용하여 대략적인 이득값을 추정한 뒤, 2차 이득 제어단계에서 헤더 데이터 구간을 사용하여 정밀 이득값을 추정한다. 2차 이득값을 구하는 방법은 1차 이득제어값으로 제어가 된 신호를 수신하여 전력 누적기를 사용하여 신호의 전력을 계산하여 누적한 뒤, 스케일링을 한 값을 인버젼을 통해 2차 정밀 이득 제어값을 구하는 것이다. 따라서 본 발명에 따르면, 1차 신호크기 추정으로 이득을 제어한 뒤에 헤더 데이터 구간에서 2차 정밀 신호크기 추정을 수행함으로써 프리앰블에서만 이득 제어를 수행하던 기존의 방식에 비해 제어 성능이 뛰어난 장점이 있다.The present invention provides an automatic gain control apparatus for operating a size of a received signal within an optimal input signal region of an analog-to-digital converter using data of a limited preamble section and a header section in a broadband single carrier packet-based wireless communication receiver. And a method is disclosed. In the automatic gain control method of the present invention, the automatic gain control is divided into a first gain control and a second precision gain control step to estimate an approximate gain value using VGA in the first gain control step, and then in the second gain control step. The precision gain value is estimated using the header data interval. The method of obtaining the second gain value is to receive a signal controlled by the first gain control value, calculate and accumulate the signal power using a power accumulator, and control the second precision gain through inversion of the scaled value. To get a value. Therefore, according to the present invention, the control performance is superior to the conventional method of performing the gain control only in the preamble by performing the second precision signal size estimation in the header data interval after controlling the gain with the first signal size estimation.
Single-Carrier, 자동 이득 제어, 동기 알고리듬, 패킷 기반 무선 통신 Single-Carrier, Automatic Gain Control, Synchronous Algorithm, Packet-Based Wireless Communication
Description
본 발명은 광대역 싱글 캐리어 패킷 기반 무선통신 수신기에서 자동 이득 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제한된 프리앰블 구간과 헤더 구간의 데이터를 이용하여 수신신호의 크기를 아날로그 디지털(A/D) 컨버터의 최적 입력 신호 영역 내에서 동작하도록 하는 자동 이득 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an automatic gain control apparatus and method in a wideband single carrier packet-based wireless communication receiver. More particularly, the present invention relates to an analog-to-digital (A / D) converter using a limited preamble section and header section data. An automatic gain control apparatus and method for operating within an optimal input signal region of the present invention.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호:2005-S-030-02, 과제명: WPAN 기반 무선홈네트워킹 기술 개발].The present invention is derived from research conducted as part of the IT new growth engine core technology development project of the Ministry of Information and Communication and the Ministry of Information and Communication Research and Development. [Task Management Number: 2005-S-030-02, Title: WPAN-based wireless home networking technology Development].
일반적으로, 광대역 싱글 캐리어(Single-Carrier) 패킷 기반 무선통신 시스템은 구조가 간단하고 전력을 적게 소모하는 장점 때문에 IEEE 802.15.3 등의 표준안의 모뎀 방식으로 채택되었다. 이 무선통신 시스템은 단위 패킷 구간의 시간이 짧은 특징이 있다. 따라서 전송중에 발생하는 신호왜곡에 대한 추정 및 보상을 패 킷의 전 구간 동안 수행하기 보다는 패킷의 초기 프리앰블 구간 동안에 왜곡을 추정하여 나머지 패킷 구간 동안에 신호를 보상하는 방법을 사용한다. 통상, 신호의 데이터 전송율을 높이기 위해 추정을 위한 신호구간은 매우 짧아야 한다. In general, a broadband single-carrier packet-based wireless communication system has been adopted as a modem method in a standard such as IEEE 802.15.3 because of its simple structure and low power consumption. This wireless communication system is characterized by a short time in a unit packet interval. Therefore, rather than performing estimation and compensation for the signal distortion occurring during transmission for the entire period of the packet, the method of estimating the distortion during the initial preamble period of the packet is used to compensate the signal for the remaining packet period. In general, the signal interval for estimation should be very short in order to increase the data rate of the signal.
그런데 종래의 추정 특히, 자동 이득 제어를 위한 종래의 신호 크기 추정 방식은 짧은 프리앰블 구간동안 구동되므로 추정 성능이 떨어져 전체적인 신호 추정 성능을 저하하는 주요 원인이 된다. 즉, 매우 짧은 프리앰블 구간 동안 이득 제어를 하기는 쉽지 않다. 예를 들어, 도 1은 IEEE 802.15.3 표준의 프리앰블 구조인데, 전체 구간이 17.45 usec로 짧다. 일반적으로 프리앰블을 이용하여 이득 제어 뿐만 아니라 타이밍 동기, 주파수 오프셋 추정, 채널 등화 등의 작업을 수행해야 하므로, 실제로 프리앰블을 이득제어용으로 사용될 수 있는 구간은 2.9 usec에 불과하다. However, since the conventional signal magnitude estimating method for the automatic gain control, in particular, is driven during a short preamble period, the estimation performance is lowered, which is a major cause of lowering the overall signal estimation performance. That is, it is not easy to control gain during a very short preamble period. For example, Figure 1 is a preamble structure of the IEEE 802.15.3 standard, the entire interval is short as 17.45 usec. In general, since the preamble should be used to perform not only gain control but also timing synchronization, frequency offset estimation, channel equalization, and the like, the interval in which the preamble can be used for gain control is actually only 2.9 usec.
한편, 패킷기반 무선통신 시스템에서 사용되는 데이터 구조의 중요한 특징 중 하나는 패이로드 데이터 구간에서는 다양한 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 방식이 사용되지만 헤더 데이터 구간에서는 QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying) 또는 DQPSK(Differential QPSK)와 같은 일정한 신호크기를 갖는 변조방식이 사용된다는 점이다. 더욱 중요한 점은 헤더 데이터 구간의 길이가 이득제어용 프리앰블 구간길이보다 길다는 것이다. 예를 들면, IEEE 802.15.3의 이득제어용 프리앰블 구간이 약 2.9usec에 비해 헤더의 구간은 약 5usec가 된다. 즉, 헤더의 구간을 잘 활용함으로써 성능이 향상된 자동 이득 제어 방식을 개발할 수 있다.On the other hand, one of the important features of the data structure used in the packet-based wireless communication system is a variety of Quadrature Amplitude Modulation (QAM) scheme in the payload data interval, but Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK) or DQPSK (Differential DQPSK) in the header data interval. A modulation scheme having a constant signal size such as QPSK) is used. More importantly, the length of the header data section is longer than the length of the preamble section for gain control. For example, the gain section of the IEEE 802.15.3 gain control preamble section is about 5usec compared to about 2.9usec. That is, the automatic gain control scheme with improved performance can be developed by utilizing the header section well.
본 발명은 상기와 같은 필요성을 충족시키기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 광대역 싱글 캐리어 패킷 기반 무선통신 수신기에서 제한된 프리앰블 구간과 헤더 구간의 데이터를 이용하여 수신신호의 크기를 A/D 컨버터의 최적 입력 신호 영역 내에서 동작하도록 하는 자동 이득 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다. The present invention has been proposed to meet the above necessity, and an object of the present invention is to provide the size of a received signal by using data of a limited preamble section and a header section in a broadband single carrier packet-based wireless communication receiver. It is to provide an automatic gain control apparatus and method for operating in an optimum input signal region.
본 발명에서 제안하는 자동 이득 제어 기술은 프리앰블 구간동안 1차 신호 크기를 추정하여 이득을 제어한 뒤에 헤더 데이터 구간에서 2차 정밀 신호크기 추정을 수행함으로써 프리앰블에서만 이득 제어를 수행하던 기존의 방식에 비해 제어 성능이 뛰어난 장점이 있다.The automatic gain control technique proposed by the present invention estimates the primary signal size during the preamble period and controls the gain, and then performs the second precision signal size estimation in the header data period, compared to the conventional method of performing gain control only in the preamble. The control performance is excellent.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 싱글 캐리어 패킷 기반 무선 수신기의 가변이득제어증폭기(VGA)의 자동이득조정장치에 있어서, 상기 가변이득제어증폭기의 디지털로 변환된 데이터에서 수신 패킷을 추출하고 심볼 타이밍을 추출하여 프리앰블 구간에서 1차 자동이득제어값을 산출하는 1 차 AGC부; 상기 가변이득제어증폭기의 디지털로 변환된 데이터에서 수신 패킷을 추출하고 심볼 타이밍을 추출하여 헤더구간에서 2차 제어값을 산출하는 2차 AGC부; 및 상기 2차 AGC부의 출력을 디지털 이득 제어하거나 아날로그 이득 제어하도록 선택하는 스위치로 구성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the apparatus of the present invention, in the automatic gain adjustment device of a variable gain control amplifier (VGA) of a single carrier packet-based wireless receiver, the received packet from the digitally converted data of the variable gain control amplifier A primary AGC unit extracting the symbol timing and extracting symbol timing to calculate a primary automatic gain control value in a preamble section; A secondary AGC unit extracting a received packet from the digitally converted data of the variable gain control amplifier and extracting a symbol timing to calculate a secondary control value in a header section; And a switch for selecting digital gain control or analog gain control of the output of the secondary AGC unit.
상기 1차 AGC부는 상기 디지털로 변환된 수신 데이터에서 패킷을 검출하는 패킷 검출부와, 상기 검출된 패킷의 심볼 타이밍을 검출하는 심볼 타이밍 검출기와, 상기 심볼 타이밍 검출기의 출력에 따라 프리앰블의 평균전력을 산출하는 전력 산출부와, 상기 전력 산출부의 산출전력과 소정의 기준전력을 비교하여 차를 구하는 비교기와, 상기 비교기의 출력에 따라 이득제어 데이터를 산출하는 이득제어부와, 상기 이득제어부의 제어 데이터를 아날로그로 변환하여 상기 가변이득제어증폭기의 이득을 조정하는 디지털-아날로그 컨버터로 구성된다.The primary AGC unit calculates an average power of the preamble according to a packet detector for detecting a packet in the digitally received data, a symbol timing detector for detecting symbol timing of the detected packet, and an output of the symbol timing detector. A power comparator, a comparator for comparing the calculated power and a predetermined reference power to obtain a difference, a gain controller for calculating gain control data according to the output of the comparator, and control data of the gain controller. And a digital-to-analog converter that adjusts the gain of the variable gain control amplifier.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은, 싱글 캐리어 패킷 기반 무선 수신기의 가변이득제어증폭기의 자동 이득 조정방법에 있어서, 자동 이득 제어를 1차 이득제어와, 2차 정밀 이득제어로 나누는 단계; 프리앰블구간에서 대략적인 이득값을 추정하는 1차 이득제어단계; 및 헤더구간을 이용하여 정밀 이득값을 추정하는 2차 이득제어단계를 구비한 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, the method of the present invention, in the automatic gain adjustment method of the variable gain control amplifier of a single carrier packet-based wireless receiver, automatic gain control to the primary gain control, the second precision gain control Dividing step; A first gain control step of estimating an approximate gain value in the preamble section; And a second gain control step of estimating the precision gain value using the header section.
상기 1차 이득제어단계는 상기 디지털로 변환된 수신 데이터에서 패킷을 검출하는 단계; 상기 검출된 패킷의 심볼 타이밍을 검출하는 단계; 상기 검출된 심볼 타이밍에 따라 프리앰블구간의 평균전력을 산출하는 단계; 상기 산출된 전력과 소정의 기준전력을 비교하여 1차 이득제어데이터를 산출하는 단계; 및 상기 1차 이득제어데이터를 아날로그로 변환하여 상기 가변이득제어증폭기의 이득을 조정하는 단계로 구성되고, 상기 2차 이득제어단계는 상기 1차 이득값으로 제어된 신호를 수신하여 전력 누적기를 사용하여 일정기간 신호의 전력을 누적하는 단계; 누적된 신호를 스케일링하는 단계; 상기 스케일링된 값을 인버젼하여 2차 정밀 이득 제어값을 구하는 단계; 및 상기 구해진 2차 정밀 이득 제어값을 PLL로 전달하여 디지털 이득 제어하거나 1차 이득제어 루프내 비교기로 전달하여 아날로그 이득 제어하는 단계로 구성된다.The first gain control step includes detecting a packet in the digitally received data; Detecting symbol timing of the detected packet; Calculating an average power of a preamble section according to the detected symbol timing; Calculating primary gain control data by comparing the calculated power with a predetermined reference power; And converting the primary gain control data into an analog to adjust the gain of the variable gain control amplifier, wherein the secondary gain control step uses a power accumulator to receive the signal controlled by the primary gain value. Accumulating power of a signal for a predetermined period of time; Scaling the accumulated signal; Inversioning the scaled value to obtain a second order precision gain control value; And transferring the obtained second precision gain control value to a PLL to digital gain control or to a comparator in a primary gain control loop to control analog gain.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 패킷구간이 짧은 Single-Carrier 무선통신 시스템에서 자동 이득 제어를 프리앰블 구간에서만 수행할 때 나타나는 성능저하를 헤더 데이터 구간에서 2차 정밀 자동 이득 제어를 수행함으로써 성능저하를 방지한다. 즉, 본 발명에 따르면 1차 신호크기 추정으로 이득을 제어한 뒤에 헤더 데이터 구간에서 2차 정밀 신호 크기 추정을 수행함으로써 프리앰블에서만 이득 제어를 수행하던 기존의 방식에 비해 제어 성능이 뛰어난 장점이 있다.As described above, the present invention reduces the performance degradation by performing the second order automatic automatic gain control in the header data section in the performance degradation that occurs when the automatic gain control is performed only in the preamble section in a single-carrier wireless communication system having a short packet interval. prevent. That is, according to the present invention, since the second precision signal size estimation is performed in the header data section after controlling the gain by the primary signal size estimation, the control performance is superior to the conventional method of performing the gain control only in the preamble.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에서 제공하는 1차 및 2차 자동 이득 제어기 구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 2차 자동 이득 제어기와 PLL과의 관계를 나타낸 도면이다.2 is a view showing the structure of the primary and secondary automatic gain controller provided in the present invention, Figure 3 is a view showing the relationship between the secondary automatic gain controller and the PLL according to the present invention.
본 발명에 따른 자동 이득 제어기는 도 2에 도시된 바와 같이, 가변이득제어증폭기(VGA:Variable Gain-controlled Amplifier;210)와 가변이득제어증폭기(VGA: 210)에서 증폭된 수신신호를 아날로그-디지털로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터(212)를 포함하는 수신기에서 상기 디지털로 변환된 데이터에서 수신 패킷을 추출하고 심볼 타이밍을 추출하여 프리앰블 구간에서 1차 자동이득제어값을 산출하 여 거칠게 자동 이득 제어하는 1차 AGC부(220)와, 가변이득제어증폭기(210)의 디지털로 변환된 데이터에서 수신 패킷을 추출하고 심볼 타이밍을 추출하여 헤더구간에서 2차 제어값을 산출하는 2차 AGC부(230)와, 2차 AGC부(230)의 출력을 1차 AGC측으로 전달하여 아날로그 이득 제어하거나 PLL(240)로 연결하여 디지털 이득 제어하도록 선택하는 스위치(232)로 구성된다.As shown in FIG. 2, the automatic gain controller according to the present invention analog-to-digitalizes a received signal amplified by a variable gain-controlled amplifier (VGA) 210 and a variable gain control amplifier (VGA) 210. In the receiver including the analog-to-
또한 1차 AGC부(220)는 가변이득제어증폭기(210)에서 증폭된 수신신호가 디지털로 변환된 수신 데이터에서 패킷을 검출하는 패킷 검출부(222)와, 검출된 패킷의 심볼 타이밍을 검출하는 심볼 타이밍 검출기(223)와, 심볼 타이밍 검출기(223)의 출력에 따라 프리앰블의 평균전력을 산출하는 전력 산출부(224)와, 전력 산출부(224)의 산출전력과 소정의 기준전력(Pref)을 비교하여 차를 구하는 비교기(225)와, 비교기(225)의 출력에 따라 이득제어 데이터를 산출하는 이득제어부(226)와, 이득제어부(226)의 제어 데이터를 아날로그로 변환하여 가변이득제어증폭기(210)의 이득을 조정하는 디지털-아날로그 컨버터(227)로 구성된다.In addition, the
도 2를 참조하면, VGA(Variable Gain-controlled Amplifier:210)는 수신된 아날로그신호를 적정한 레벨로 증폭하여 A/D 컨버터(212)로 전달하고, A/D 컨버터(212)의 디지털 출력은 본 발명에 따른 자동이득제어를 위해 패킷 검출부(222)로 입력된다. 심볼 타이밍 검출기(Symbol Timing Detector;223)는 수신된 패킷의 심볼의 시작 위치를 검출한 뒤, 검출된 위치의 심볼을 전력 산출부(Calc Power;224)로 전달한다. 비교기(225)는 전력 산출부(224)의 산출된 전력과 기준 전력(Pref)을 비교한 뒤, 이득제어부(Gain Contrl;226)에서 이득값을 정한 뒤 D/A 컨버터(227)를 통해 VGA(210)의 이득을 제어한다. 이에 따라 VGA(210)는 수신신호의 크기를 A/D 컨버터(212)의 최적 입력 신호 영역 내에서 동작하도록 한다.Referring to FIG. 2, a variable gain-controlled amplifier (VGA) 210 amplifies a received analog signal to an appropriate level and transfers it to the A /
2차 AGC부(230)는 도 3에 도시된 바와 같이, PLL(Phase-Locked Loop;240)과 연동되어 동작한다. 통상, 도 1과 같은 패킷 구조에서 헤더 데이터 구간 동안 수신 신호의 크기가 일정해야 한다. 그러나 전송 중에 발생하는 다중경로, 반사, 분산 등의 현상에 의해 왜곡되므로 수신 신호의 크기는 일정할 수 없다. 따라서, 일정 구간동안의 신호 크기를 측정하여 이에 대한 평균을 구한 뒤, 이를 패이로드 데이터 구간에서 신호보상용으로 사용한다. 정밀 이득값은 PLL(240)에서 스위치(232)의 연결에 따라 PLL(240)로 입력되어 디지털 이득 제어로 사용될 수도 있으며, 1차 이득제어 루프 내 비교기(225)의 입력으로 사용하여 아날로그 이득 제어용으로 사용될 수 있다.As shown in FIG. 3, the
도 4는 본 발명에 따른 2차 이득 제어 방법을 도시한 순서도이다. 4 is a flowchart illustrating a secondary gain control method according to the present invention.
본 발명에 따른 자동 이득 제어 방법은 자동 이득 제어를 1차 이득 제어와 2차 정밀 이득제어 단계로 나누어 1차 이득 제어 단계에서 VGA를 사용하여 대략적인 이득값을 추정한 뒤, 2차 이득 제어단계에서 헤더 데이터 구간을 사용하여 정밀 이득값을 추정한다. 2차 이득값을 구하는 방법은 1차 이득제어값으로 제어가 된 신호를 수신하여 전력 누적기를 사용하여 신호의 전력을 계산하여 누적한 뒤, 스케일링을 한 값을 인버젼을 통해 2차 정밀 이득 제어값을 구하는 것이다.In the automatic gain control method according to the present invention, after dividing the automatic gain control into a first gain control and a second precision gain control step to estimate an approximate gain value using VGA in the first gain control step, the second gain control step is performed. We estimate the precision gain using the header data interval in. The method of obtaining the second gain value is to receive a signal controlled by the first gain control value, calculate and accumulate the signal power using a power accumulator, and control the second precision gain through inversion of the scaled value. To get a value.
도 4를 참조하면, 단계 S1과 S2에서는 H구간동안 입력신호의 전력(Power)값을 누적한다. 단계 S3에서는 누적된 값을 스케일링한 후, 단계 S4에서 인버젼하여 이득 제어값을 구한다. 인버젼 방법은 LUT(Look-Up Table)방식 등 보편적인 방식을 사용할 수 있다.Referring to FIG. 4, in steps S1 and S2, the power value of the input signal is accumulated during the H section. In step S3, the accumulated value is scaled, and then in step S4, the gain control value is obtained. The inversion method may use a general method such as a look-up table (LUT) method.
도 1은 패킷 전송 방식에서 사용하는 패킷의 구조를 나타낸 도면,1 is a diagram showing the structure of a packet used in a packet transmission method;
도 2는 본 발명에서 제공하는 1차 및 2차 자동 이득 제어기 구조를 나타낸 도면,2 is a view showing the primary and secondary automatic gain controller structure provided by the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 2차 자동 이득 제어기와 PLL과의 관계를 나타낸 도면,3 is a view showing a relationship between a PLL and a secondary automatic gain controller according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 2차 이득 제어 방법을 도시한 순서도.Figure 4 is a flow chart illustrating a secondary gain control method according to the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
210: 가변이득제어증폭기 212: 아날로그-디지털 컨버터210: variable gain control amplifier 212: analog-to-digital converter
220: 1차 AGC부 222: 패킷 검출부220: primary AGC unit 222: packet detection unit
223: 심볼 타이밍 검출기 224: 전력 산출부223: symbol timing detector 224: power calculator
225: 비교기 226: 이득제어부225: comparator 226: gain control unit
227: 디지털-아날로그 컨버터 230: 2차 AGC부227: digital-to-analog converter 230: secondary AGC section
240: PLL240: PLL
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