Physical layer receiver design for a new broadband cable standard DVB-C2 systems and its performances are considered in this paper.
Cable networks have been used for transmitting analog TV signals in the past. Over time it is necessary to carry the digital data via the cable network due to the advent of digital TVs and various digital contents. The digital video data encoded by MPEG-2 is transmitted over the cable network according to the digital cable transmission standard DVB-C. Recently, digital contents to be transmitted through the cable are increased, such as high definition (HD) TV, 3D TV, video on demand (VoD), internet data and so on. Because the spectrum is limited to support these services simultaneously, more efficient ways to use the limited spectrum are required. To meet the demands,
the new DVB-C2 utilizes powerful LDPC codes and up to 4096QAM and it uses OFDM modulation instead of single-carrier modulation which is used in the DVB-C. The performance of OFDM systems highly depends on the receiver algorithms, such as synchronization, phase tracking, and channel estimation. However, the performance results of previous work has evaluated by assuming ideal receiver conditions. Therefore, the suitable receiver algorithms for DVB-C2 are studied and a receiver which is suitable for the cable channel environment is proposed in this thesis.
The systems using OFDM are much more sensitive to time/frequency synchronization errors than single-carrier systems. Due to the high order QAM, very small synchronization errors can cause severe performance degradation. The time/frequency synchronization for OFDM system has been widely studying since OFDM has been developed. From the results of these researches, well-known ML estimation using cyclic prefix is applied to the proposed receiver. The time and fractional frequency synchronization are performed by using the estimation method. Integer frequency offset is estimated by using D-BPSK modulated pilots in preamble symbols.
The estimated frequency offset values can be applied to the offset recovery for data symbols near the preamble symbols. However, the more number of data symbols, the more possibility of recovery errors can be appeared due to the effect of the frequency offset linearly increases as increasing the number of data symbols. The recovering process for the residual frequency offset is called phase tracking. The phase tracking is performed by using approximated CPE and averaging with pilots in data symbols.
The effect of the channel on the transmitted signal must be estimated to recover the transmitted information.
Due to the use of high order QAM in DVB-C2 standard, the channel estimation errors are crucial factor for system performance.
The frequency response of cable channel is better than wireless channels. Especially, the channel impulse response of the cable channel remains unchanged, due to the characteristics of cable environment. Thus, the channel estimation error can be reduced by averaging the estimates from the preamble symbols. The channel estimation method for the worst case which only one preamble symbol exists in the frame has been proposed.
Transmit structure in software simulator are implemented as defined by the DVB-C2 standard. We also have evaluated the BER performance of the receiver algorithms on the cable channel. The simulation results show that the receiver has only within approximately 0.4 dB performance degradation as compared with ideal receiver.
본 논문에서는 차세대 디지털 비디오 방송(DVB-C2)을 위한 수신기 알고리즘의 구성과 이 알고리즘의 성능에 대한 내용을 다룬다. 과거에 케이블 네트워크는 단지 아날로그 TV 신호를 전송하는데 이용되어졌다. 하지만, 디지털 방송 표준 기술과 MPEG-2와 같은 비디오 압축 기술이 발달한 현재에는 케이블 네트워크를 통하여 다양한 디지털 컨텐츠의 전송이 가능해 졌다. 현재에도 많은 케이블 네트워크에서 아날로그 TV 신호를 계속 전송하고 있으며 전화, 인터넷, 디지털 TV 방송 서비스를 동시에 제공하고 있다. 최근에는 HDTV, 3D TV등의 등장으로 높은 전송효율을 갖는 물리계층 송수신 기법에 대한 요구가 늘어나고 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위하여 유럽형 표준 DVB-C2는 OFDM을 기반으로 하여 강력한 에러정정 기법과 최대 4096QAM까지의 높은 차수의 변조 기법을 사용하여 주파수 자원을 효율적으로 사용할 수 있게 하였다. 이와 같은 특징으로 인하여 전체 시스템 성능이 수신기의 시간 및 주파수 동기, 위상추적, 채널추정 등에 매우 큰 영향을 받는다. 하지만, 기존의 연구에서는 모두 이상적인 수신기를 가정하여 성능을 평가 하였다. 이에 따라, 본 연구에서는 DVB-C2에 적합한 수신 알고리즘을 연구하고, 케이블 채널 환경에 적합한 수신기를 제안한다.
OFDM을 이용하는 시스템에서는 수신단의 시간 및 주파수 동기가 전체 시스템의 성능에 미치는 영향이 단일 반송파를 사용하는 시스템보다 크다. 또한 매우 높은 차수의 변조기법을 사용하기 때문에 매우 작은 동기 오차도 성능을 크게 저하 시킬 수 있다. 이러한 OFDM을 이용하는 시스템의 동기에 대해서 수 많은 연구가 이루어져 왔으며, 이 중 널리 알려진 CP를 이용한 ML 추정기법을 DVB-C2 수신기에 적용하여 시간 동기와 소수배 주파수 동기를 수행하였다. 정수배 주파수 옵셋은 D-BPSK 변조된 프리엠블 심볼 내의 파일럿을 이용하여 정확하게 추정하였다.
주파수 동기과정을 통하여 정확하게 주파수 옵셋을 추정할 수 있지만 매우 작은 크기의 남은 옵셋의 영향이 심볼의 길이에 따라 증가하므로 그 오차가 증가하게 된다. 이를 복원해 주는 위상추적 과정은 남은 주파수 옵셋을 CPE로 근사화하여 데이터 심볼 내의 Pilot을 이용하여 수행하였다.
OFDM시스템에서 신호의 수신을 위해서는 채널 정보가 필요하다. 또한, 내부 반송파 간섭을 제거 하기 위해서도 채널 정보가 필요하며, 이를 위해 채널 추정 기법이 이용된다. 특히 높은 차수 변조의 이용하는 DVB-C2에서는 채널 추정 오류의 영향이 매우 크기 때문에 정확한 채널 추정이 필요하다. 케이블 채널은 주파수 영역에서 무선 채널에 비하여 비교적 좋은 응답을 가지고 있고, 특히 시간의 따른 채널의 변화가 거의 없다는 특징을 가지고 있다. 이러한 특징을 이용하여 복잡도가 낮은 최소 제곱 채널 추정과 선형 보간 방법을 통해 채널을 추정한다. 이 때에 다수의 프리엠블 심볼로 부터 얻은 채널 추정치들에 대하여 평균을 취함으로써 노이즈 감소 효과를 얻는다. 만약, 프레임 단 한 개의 프리엠블 심볼만이 존재하더라도 평균을 통한 노이즈 감소 효과를 얻을 수 있는 방법을 제안하였다.
DVB-C2의 전송 규격에 맞추어 시뮬레이터를 구성하고, 위에서 설명한 세 가지 주요 수신 알고리즘을 포함하는 제안된 수신기의 BER성능을 확인하였다. 결과를 통하여 이상적인 수신기를 가정한 성능에 매우 근접한 성능(0.4dB)을 얻음을 보였다.
