KR0155732B1 - 디지탈 주파수복조기 - Google Patents

Abstract

주파수복조가 필요한 모든 기기에 적용되어 인가되는 주파수변조된 신호에 대하여 소정 위상만큼 위상편이하는 방식을 이용하여 룩업테이블에 미리 저장되어 있는 주파수복조데이타를 출력할 수 있도록 디지탈방식으로 신호처리하기 위한 디지탈 주파수복조기에 관한 것이다.

Description

디지탈 주파수복조기

제1도는 본 발명에 따른 디지탈 주파수복조기의 일실시예를 나타낸 블럭도이다.

제2a도 내지 제2f도는 제1도의 블럭도에 있어서 각부의 파형도이다.

제3도는 제1도의 연산기에서 출력되는 데이타의 형태를 나타낸 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 어드레스발생수단 11, 30 : 제1,2지연기

12 : 위상편이기 13 : 크기판별기

14 : 계산기 40 : 룩업테이블

50 : 연산기 60 : 미분기

70 : 감산기 80 : 곱셈기

90 : 저역필터

본 발명은 주파수복조기에 관한 것으로, 특히 위상편이 방식을 이용하여 디지탈적으로 주파수복조를 하기 위한 디지탈 주파수복조기에 관한 것이다.

일반적으로 주파수 복조기는 전송시 주파수변조된 신호를 원신호로 복원하기 위하여 복조하는 것으로, 종래에는 아날로그방식으로 구성되어 주파수복조가 이루어졌다. 그러나 주파수복조를 종래의 아날로그방식으로 처리하는 경우 아날로그회로의 특성으로 인하여 복조되는 신호의 S/N비가 저하되고, 시스템의 안정도가 저하될 뿐아니라 복조된 신호의 선형성(Linearity) 및 감도(Sensitivity)가 저하되는 문제가 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 아날로그방식으로 처리하므로 인하여 발생되는 문제점을 해결하기 위하여 인가되는 주파수변조된 신호에 대하여 소정 위상만큼 위상편이하는 방식을 이용하여 룩업테이블에 미리 저장되어 있는 주파수복조데이타를 출력할 수 있도록 디지탈방식으로 신호처리하기 위한 디지탈 주파수복조기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 룩업테이블에 저장되는 주파수복조데이타를 변화시켜 룩업테이블에 사용되는 룸의 크기를 감소시키기 위한 디지탈 주파수복조기를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 기록 혹은 전송하고자 주파수변조된 신호를 원래의 신호로 복원하기 위한 디지탈 주파수복조기에 있어서; 상기 주파수변조된 신호의 변화에 따라 위상이 변화된 값을 주파수 복조된 값으로 출력하기 위한 주파수복조데이타를 저장하고 있는 룩업테이블; 상기 주파수변조된 신호를 소정의 각도만큼 위상편이하고, 상기 위상편이에 의하여 출력된 신호와 상기 주파수변조된 신호의 절대치 크기를 비교하여 상기 룩업테이블로부터 독출될 정보에 대한 어드레스를 발생하기 위한 어드레스발생수단; 상기 위상편이에 의하여 출력된 신호와 상기 주파수변조된 신호의 부호를 판별하여 상한을 판별하기 위한 상한판별기; 상기 상한판별기의 상한판별신호에 따라서 상기 룩업테이블에서 출력된 위상값에 소정의 위상값을 연산하여 상기 룩업테이블에서 출력되는 위상값의 범위를 확장하기 위한 연산기; 상기연산기에서 출력되는 신호를 미분하기 위한 미분기; 상기 미분기에서 출력되는 신호에 대하여 상기 주파수복조기가 적용되는 시스템 규격 및 상기 룩업테이블의 크기에 의하여 결정되는 캐리어주파수를 결정하는 성분을 감산하여 상기 미분기에서 출력되는 신호 중 상기 캐리어주파수성분을 제거하기 위한 감산기; 및 상기 감산기에서 출력된 신호에 대하여 상기 캐리어주파수성분과 같은 조건으로 결정되는 주파수편이를 결정하는 성분을 반비례한 값을 곱하여 상기 감산기에서 출력되는 신호 중 상기 주파수편이를 결정하는 성분을 제거하기 위한 곱셈기를 포함함을 특징으로 한다.

이어서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

제1도는 본 발명에 따른 디지탈 주파수복조기에 대한 구성도로서, 일반적인 오디오 및/또는 비디오시스템 및 통신기기, 방송용기기 등 주파수복조를 필요로 하는 시스템에 적용이 가능하다.

제1도의 구성은, 주파수변조되어 전송되는 입력신호와 상기 입력신호를 소정 위상만큼 편이하여 크기를 판별하고 후술할 룩업테이블(40)의 어드레스를 발생하기 위한 어드레스발생수단(10)과, 주파수변조되어 전송되는 입력신호와 상기 입력신호를 소정 위상만큼 편이한 신호의 부호를 판별하여 상한을 판별하기 위한 상한판별기(20)와, 상한판별기(20)의 출력신호를 일정 기간동안 지연하기 위한 제2지연기(30)와, 어드레스발생수단(10)에서 출력되는 신호에 해당되는 데이타를 출력하는 룩업테이블(40)과, 제2지연기(30)에서 출력되는 신호에 따라서 룩업테이블(40)에서 출력되는 신호를 연산하기 위한 연산기(50)와, 연산기(50)에서 출력되는 신호를 미분하기 위한 미분기(60)와, 미분기(50)의 출력신호에 대하여 캐리어주파수를 결정하는 성분인 K2를 감산하기 위한 감산기(70)와, 감산기(70)에서 출력되는 신호에 주파수편이를 결정하는 성분의 반비례계수인 1/K1을 곱셈하기 위한 곱셈기(80)와, 곱셈기(80)에서 출력되는 신호를 저역필터링하기 위한 저역필터(90)로 이루어진다.

어드레스발생수단(10)은 입력되는 주파수변조된 신호를 소정의 위상차만큼 편이하기 위한 위상편이기(12)와, 위상편이기(12)에서 처리되는 시간만큼 상기 입력신호를 지연하기 위한 제1지연기(11)와, 위상편이기(12)와 제1지연기(11)에서 출력되는 신호를 각각 비교하여 크기를 판별하기 위한 크기판별기(13)와, 크기판별기(13)의 판별에 따라 제1지연기(11) 및 위상편이기(12)에서 출력되는 성분을 계산하기 위한 계산기(14)로 이루어진다.

제2a ∼ 2f도는 제1도의 각부분의 파형도로서, 제2a도는 주파수변조되어 인가되는 입력신호이고, 제2b도는 제1지연기(11) 및 위상편이기(12)에서 각각 출력되는 파형을 나타낸 것이고, 제2c도는 미분기(60)의 출력파형도이고, 제2d도는 감산기(70)의 출력파형도이고, 제2e도는 곱셈기(80)의 출력파형도이고, 제2f도는 저역필터(90)의 출력파형도이다.

제3도는 제1도의 연산기(50)에서 출력되는 데이타에 대하여 아크탄젠트(Arc-Tangent)와 아크코탄젠트(Arc-Cotangent)를 혼용하여 나타낸 것으로, 이를 위하여 상한판별기(20) 및 크기판별기(13)의 동작관계를 도시하였다. 그래프에서 괄호안에 있는 위상값은 2의 보수형태를 취한 경우에 해당하고, 이때 연산기(50)의 출력값은 0∼2π 대신 -π∼π를 사용하여 연산하면 된다.

그러면 제1도의 동작을 제2도 및 제3도를 참조하여 설명하기로 한다.

우선 아날로그 주파수변조를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

(1)식을 T를 주기로 하여 샘플링한 경우로 고쳐 쓰면,

로 나타내어 진다.

상술한 식들에서 (1)식의 A는 진폭이고,는 반송주파수이고,는 편차(Deviation) 각속도이며, θ는 초기 위상이고, x(t)는 변조신호 또는 정보신호이다. 그리고 (2)식에서 θ=0이고, K2는 f_cT로 캐리어주파수를 결정하는 요소이고, K1은 D_fT로 주파수 편차를 결정하는 요소(Factor)이다.

주파수변조된 신호를 원신호로 복원하기 위한 주파수복조는 다음과 같이 이루어진다.

우선 (2)식은

로 나타낼 수 있다.

(3)식에서 Φ는 상기 (2)식의 [] 내의 식과 같다.

상기 (3)식에서 Φ를 구하는 과정은 다음과 같다.

따라서 (4)식, (5)식 및 (6)식에서 보인 것처럼 주파수변조된 신호를 원래의 신호로 복원하기 위하여, 입력되는 신호가 제2a도와 같은 sin파(이하 사인파라 함) 형태로 인가되는 경우, 우선 위상편이기(12)는 입력되는 신호를 -π/2지연하여 cos파(이하 코사인파라 함)를 출력하게 된다. 위상편이기(12)는 일반적인 힐버트 변환(Hilbert Transform)과 같이 크기는 그대로 출력하고 위상만 지연시키는 구조로 이루어진다. 제1지연기(11)는 위상편이기(12)에서 처리되는 시간만큼 인가되는 사인파를 지연시킨뒤 위상편이기(12)에서 90도 위상이 편이된 코사인파가 출력됨과 동시에 사인파를 출력한다. 이들의 출력은 제2b도에 나타낸 바와 같다.

제1지연기(11) 및 위상편이기(12)에서 출력된 신호는 상한판별기(20) 및 크기판별기(13)로 각각 출력된다.

크기판별기(13)는 제1지연기(11)에서 출력된 사인파와 위상편이기(12)에서 출력된 코사인파의 값의 절대값의 크기를 비교하여, 코사인파의 절대값이 사인파의 절대값보다 크거나 같으면 후술한 제산기(14)의 제산이 탄젠트(tangent)방식으로 이루어지도록 하고, 사인파의 절대값이 코사인파의 절대값보다 크면 코탄젠트(co-tangent)방식으로 이루어지도록 한다.

제산기(14)는 크기판별기(13)에서 설명한 바와 같이 코사인파의 절대값이 사인파의 절대값보다 크거나 같으면 다음과 같이 제산을 하여 그 결과값을 후술할 룩업테이블(40)의 어드레스(Addr)로 출력한다.

그러나 상술한 바와 같이 사인파의 절대값이 코사인파의 절대값보다 크면 다음과 같이 제산을 하여 그 결과값을 후술할 룩업테이블(40)의 어드레스(Addr)로 출력한다.

상한 판별기(20)는 제1지연기(11)에서 출력된 신호와 위상편이기(12)에서 출력된 사인파와 코사인파의 부호를 검출하고, 제3도에 도시된 바와 같이 그 부호에 따라 현재 복조될 신호의 상한을 판별한다.

즉, 사인파와 코사인파가 모두 (+)로 판별되면 1상한(0∼π/2)으로 판별하고, 사인파는 (+)이고 코사인파가 (-)로 판별되면 2상한(π/2∼π)으로 판별하고, 사인파와 코사인파가 모두 (-)로 판별되면 3상한(π∼3π/2)으로 판별하고, 사인파는 (-)이고 코사인파는 (+)인 경우에는 4상한(3π/2∼2π)으로 판별한다. 판별결과 데이타는 2진수의 형태로 출력될 수 있다. 이와 같은 상한 판별은 후술할 룩업테이블(40)에는 0∼π/2까지의 탄젠트성분이 나타내는 위상값 중 0∼π/4까지의 탄젠트성분이나타내는 위상값에 해당하는 데이타를 저장해 두므로 이를 0∼2π까지 확장시켜 정확한 값을 검출하기 위하여 상한을 판별하는 것이다.

룩업테이블(40)은 제산기(40)에서 출력되는 어드레스신호에 해당되는 신호를 독출하여 출력한다. 룩업테이블(40)은 일반적인 롬으로 이루어질 수 있고 제3도에 도시된 아크탄젠트와 아크코탄젠트를 혼용한 출력데이타 중 0∼/4π범위까지의 위상값만을 저장하고 있다. 룩업테이블(40)에 저장되는 주파수복조데이타에 따라서 후술할 연산기(50)의 연산관계가 달라지게 되고, 룩업테이블(40)에 사용되는 롬의 크기가 달라지게 된다. 만약에 룩업테이블(40)에 저장되는 주파수복조데이타가 0∼π/2범위까지의 위상값인 경우에는 롬의 크기가 8비트가 되고, 룩업테이블(40)에 저장되는 주파수복조데이타가 0∼π/4범위까지의 위상값인 경우에는 롬의 크기가 7비트가 된다.

크기판별기(13)로부터 ｜X｜≤｜Y｜이면, 제산기(14)는 X/Y로 제산하여 그 결과값을 룩업테이블(40)의 어드레스신호로 입력하고, 룩업테이블(40)로부터 tan^-1(X/Y)에 대한 위상값을 독출하여 연산기(50)로 출력한다.

이와는 반대로, 크기판별기(13)로부터 ｜X｜〉｜Y｜이면, 제산기(14)는 Y/X로 제산하여 그 결과값을 룩업테이블(40)의 어드레스신호로 입력하고, 룩업테이블(40)로부터 cot^-1(Y/X)에 대한 위상값을 독출하여 연산기(50)로 출력한다.

제2지연기(30)는 제산기(14)에서 출력되는 어드레스에 의하여 룩업테이블(40)에서 데이타가 독출되는 시간만큼 상한판별기(20)에서 출력되는 상한판별신호를 지연시킨다.

연산기(50)는 제2지연기(30)에서 출력된 상한판별신호에 따라서 룩업테이블(40)에서 출력된 신호를 제3도에 도시된 바와 같이 연산하여 출력한다. 이는 상술한 상한판별기(20)에서 기술한 바와 같이 룩업테이블(40)에서 출력되는 데이타는 0∼π/4범위까지이므로 제3도에 도시된 바와 같이 이를 0∼2π까지 확장시키기 위한 것이다.

즉, 룩업테이블(40)로부터 출력되는 위상값이 tna^-1(X/Y)일때 상한판별기(20)로부터 X0이고 Y0이라고 판별되면, 그 위상값이 1상한 중 0∼π/4 사이에 존재하는 것으로 판단하여 연산기(50)는 {0+tan^-1(X/Y)}을 연산하여 출력하고, X0이고 Y0이면, 그 위상값이 2상한 중 3π/4∼π 사이에 존재하는 것으로 판단하여 연산기(50)는 {π-tan^-1(X/Y)}을 연산하여 출력하고, X0이고 Y0이면, 그 위상값이 3상한 중 π∼5π/4 사이에 존재하는 것으로 판단하여 연산기(50)는 {π+tan^-1(X/Y)}을 연산하여 출력하고, X0이고 Y0이면, 그 위상값이 4상한 중 7π/4∼2π 사이에 존재하는 것으로 판단하여 연산기(50)는 {2π-tan^-1(X/Y)}을 연산하여 출력한다.

이와는 반대로, 룩업테이블(40)로부터 출력되는 위상값이 cot^-1(Y/X)일때, 상한판별기(20)로부터 X0이고 Y0이라고 판별되면, 그 위상값이 1상한 중 π/4∼π/2 사이에 존재하는 것으로 판단하여 연산기(50)는 {π/2-cot^-1(Y/X)}을 연산하여 출력하고, X0이고 Y0이면, 그 위상값이 2상한 중 π/2∼3π/4 사이에 존재하는 것으로 판단하여 연산기(50)는 {π/2+cot^-1(Y/X)}을 연산하여 출력하고, X0이고 Y0이면, 그 위상값이 3상한 중 5π/4∼3π/2 사이에 존재하는 것으로 판단하여 연산기(50)는 {3π/2-cot^-1(Y/X)}을 연산하여 출력하고, X0이고 Y0이면, 그 위상값이 4상한 중 3π/2∼7π/2 사이에 존재하는 것으로 판단하여 연산기(50)는 {3π/2+cot^-1(Y/X)}을 연산하여 출력한다.

미분기(60)는 주파수변조시 적분되었던 것을 환원시키기 위하여 연산기(50)에서 출력되는 신호를 미분하여 제2c도와 같이 출력한다. 여기서 a는 주파수변조범위의 최고값(에를 들어 화이트 100%레벨)인 경우이고, e는 최적값(예를 들어 싱크팁(Sync Tip))인 경우이고, c는 a와 e의 중간값인 경우로 제2a도에 나타낸 주기(T1, T2, T3)을 통해서도 알수 있다.

감산기(70)는 미분기(50)에서 출력된 신호에 대하여 캐리어주파수 K2를 감산하여 미분기(50)에서 출력된 신호중 캐리어주파수 K2를 제거하여 제2d도와 같이 출력한다. 캐리어주파수 K2는 후술할 주파수편이 결정 성분인 K1과 같이 적용되는 시스템의 사양이나 룩업테이블(40)의 크기에 따라 결정되는 것으로, 주파수변조시 사용한 값과 동일하며 다음과 같이 산출할 수 있다.

예를 들어 본 발명에 의한 주파수복조기가 캠코더의 VTR부분에 적용된 경우, 캐리어주파수가 싱크팁(sync tip)에서 화이트 레벨(white level)이 100%인 4.2MHz ∼5.4MHz 사이에 해당하고, 시스템의 샘플링 클럭이 27MHz, 룩업테이블의 어드레스 데이타가 8비트, 룩업테이블의 출력 데이타가 10비트라고 하면, 최대 편차는 (5.4/27)×1024 = 204.8이 되고, 최소 편차는 (4.2/27)×1024 = 159.29가 된다.

따라서 (6)식에서

와 같은 등식이 성립된다. 이 등식에 의하여변수인 K1, K2를 구할 수 있다.

K2성분이 제거된 신호가 감산기(70)에서 출력되면 곱셈기(80)는 주파수편이를 결정하는 성분인 K1에 대한 반비례치인 1/K1을 인가되는 신호에 승산하여 K1성분을 제거하여 제2e도와 같이 출력시킨다.

저역필터(90)는 제2e도와 같이 원래의 신호로 복원된 신호에 섞여 고주파성분을 제거하기 위하여 저역필터링하여 제2f도와 같이 주파수복조된 신호를 출력한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 주파수복조시 룩업테이블에 미리 주파수복조될 데이타를 저장하고 위상편이방식에 의하여 룩업테이블의 독출어드레스를 발생시키도록 디지탈 신호처리함으로써, 종전의 아날로그신호처리시보다 처리성능을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 룩업테이블에 저장하는 주파수복조데이타를 최소화함으로써 룩업테이블에 사용되는 롬의 크기를 감소시키는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 기록 혹은 전송하고자 주파수변조된 신호를 원래의 신호로 복원하기 위한 디지탈 주파수복조기에 있어서; 상기 주파수변조된 신호의 변화에 따라 위상이 변화된 값을 주파수 복조된 값으로 출력하기 위한 주파수복조데이타를 저장하고 있는 룩업테이블; 상기 주파수변조된 신호를 소정의 각도만큼 위상편이하고, 상기 위상편이에 의하여 출력된 신호와 상기 주파수변조된 신호의 절대치 크기를 비교하여 상기 룩업테이블로부터 독출될 정보에 대한 어드레스를 발생하기 위한 어드레스발생수단; 상기 위상편이에 의하여 출력된 신호와 상기 주파수변조된 신호의 부호를 판별하여 상한을 판별하기 위한 상한판별기; 상기 상한판별기의 상한판별신호에 따라서 상기 룩업테이블에서 출력된 위상값에 소정의 위상값을 연산하여 상기 룩업테이블에서 출력되는 위상값의 범위를 확장하기 위한 연산기; 상기 연산기에서 출력되는 신호를 미분하기 위한 미분기; 상기 미분기에서 출력되는 신호에 대하여 상기 주파수복조기가 적용되는 시스템 규격 및 상기 룩업테이블의 크기에 의하여 결정되는 캐리어주파수를 결정하는 성분을 감산하여 상기 미분기에서 출력되는 신호 중 상기 캐리어주파수성분을 제거하기 위한 감산기; 및 상기 감산기에서 출력된 신호에 대하여 상기 캐리어주파수성분과 같은 조건으로 결정되는 주파수편이를 결정하는 성분을 반비례한 값을 곱하여 상기 감산기에서 출력되는 신호 중 상기 주파수편이를 결정하는 성분을 제거하기 위한 곱셈기를 포함함을 특징으로 하는 디지탈 주파수복조기.
2. 제1항에 있어서, 상기 룩업테이블에 저장되는 주파수복조데이타는 π/4구간만큼의 탄젠트성분 또는 코탄젠트성분이 나타내는 위상값임을 특징으로 하는 디지탈 주파수복조기.
3. 제2항에 있어서, 상기 어드레스발생수단은 상기 주파수변조된 신호가 입력되면 위상만을 -90도 편이하여 출력하기 위한 위상편이기; 상기 주파수변조된 신호가 입력되면 상기 위상편이 기간동안 지연시키기 위한 지연기; 상기 위상편이기에서 출력되는 신호와 상기 지연기에서 출력되는 신호의 크기를 판별하기 위한 크기판별기; 및 상기 크기판별기의 판별결과에 따라 제어되어 상기 지연기에서 출력되는 신호와 상기 위상편이기에서 출력되는 신호를 제산하기 위한 제산기로 이루어짐을 특징으로 하는 디지탈 주파수복조기.
4. 제3항에 있어서, 상기 크기판별기는 상기 지연기에서 출력되는 신호의 절대값이 상기 위상편이기에서 출력되는 신호의 절대값보다 크면 상기 제산기가 상기 지연기의 출력신호를 상기 위상편이기의 출력신호로 제산하도록 제어하고, 상기 지연기에서 출력되는 신호의 절대값이 상기 위상편이기에서 출력되는 신호의 절대값보다 작거나 같으면 상기 제산기가 상기 위상편이기의 출력신호를 상기 지연기의 출력신호로 제산하도록 제어함을 특징으로 하는 디지탈 주파수복조기.
5. 제4항에 있어서, 상기 룩업테이블은 상기 지연기의 출력신호를 상기 위상편이기의 출력신호로 제산한 신호가 어드레스로 입력되면 상기 어드레스에 대하여 아크탄젠트를 수행한 값을 상기 연산기로 출력하고, 상기 위상편이기의 출력신호를 상기 지연기의 출력신호로 제산한 신호가 어드레스로 입력되면 상기 어드레스에 대하여 아크코탄젠트를 수행한 값을 상기 연산기로 출력함을 특징으로 하는 디지탈 주파수복조기.
6. 제1항에 있어서, 상기 상한판별기는 상기 주파수변조된 신호와 상기 위상편이에 의하여 출력된 신호가 모두 (+)로 판별되면 1상한으로 판별하고, 상기 주파수변조된 신호는 (+)이고 상기 위상편이에 의하여 출력된 신호가 (-)로 판별되면 2상한으로 판별하고, 상기 주파수변조된 신호와 상기 위상편이에 의하여 출력된 신호가 모두 (-)로 판별되면 3상한으로 판별하고, 상기 주파수변조된 신호는 (-)이고 상기 위상편이에 의하여 출력된 신호가 (+)인 경우에는 4상한으로 판별함을 특징으로 하는 디지탈 주파수복조기.