KR100271427B1 - 리얼제로단측파대수신기에서자동이득조정장치및그방법 - Google Patents

리얼제로단측파대수신기에서자동이득조정장치및그방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리얼 제로 단측파대 수신기에서 자동이득조정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 음성 무선 통신을 위해 이용되는 리얼 제로 단측파대(real zero single side band;이하, RZ SSB라 함) 통신 시스템에서 히스테리시스 특성을 이용한 자동이득조정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
실제로 RZ SSB 시스템은 전력효율을 높이기 위해 신호보다 낮은 세기의 반송파를 갖는 신호를 전송한 후 수신기에서 검파하기 전에 반송파만을 선택적으로 증폭시켜 RZ SSB신호를 만들기 위한 선택적 증폭단을 이용하고 있다. 이때, 선택적 증폭단을 거치기 전단의 수신신호는 반송파가 신호보다 낮은 세기를 가지게 되므로 신호처리 과정에 있어 신호의 진폭과 위상은 선형특성을 가져야만 한다. 그러나, 선택적 증폭단을 거치기 전에 수신신호 레벨이 크게 되면 증폭단에서 진폭이 포화되는 비선형 특성을 갖게 되어 최대 수신레벨은 한계가 있다.
본 발명은 RZ SSB수신기의 최대 입력레벨을 높이고, 동작범위를 높이기 위해 검출된 입력레벨에 따른 제어신호로 증폭단의 이득을 조정할 수 있도록 되먹이는 구조를 갖고, 상기 되먹임 구조가 발진하지 않고 안정적으로 동작되도록 히스테리시스 특성을 이용한 자동이득 조정장치 및 그 방법을 제시된다.

Description

리얼 제로 단측파대 수신기에서 자동이득조정 장치 및 그 방법{Automatic gain control equipment and operating method in RZ SSB receiver}
본 발명은 리얼 제로 단측파대 수신기에서 자동이득조정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 음성 무선 통신을 위해 이용되는 리얼 제로 단측파대(real zero single side band;이하, RZ SSB라 함) 통신 시스템에서 히스테리시스 특성을 이용한 자동이득조정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, RZ SSB(Real Zero Single Side Band)의 기본원리는 이동통신을 위하여 SSB에 요구되는 주파수 오차 및 다중경로 페이딩의 영향을 배제하기 위하여 진폭 변조 방식의 동기 검파 대신에 주파수 검파를 이용하는 것이다. 주파수 검파는 수신되는 신호의 위상에서 정보를 추출하므로 주파수 오차 및 페이딩의 영향을 극복할 수 있다. 이러한 정보 추출이 가능한 방식의 하나가 풀-캐리어 에스에스비(Full-carrier SSB) 신호이다. 즉, Full-carrier SSB신호는 심플-리얼-제로(Simple-real-zero)만을 가지며, 따라서 부호 변환점 포인트(Zero-crossing-point) 즉, 신호의 위상에서 원래의 신호 파형의 추출이 가능해 진다.
RZ SSB 신호의 주파수 검파는 수신된 RZ SSB 신호의 위상 즉, 부호 변환점 포인트로부터 원래의 신호 파형을 복구할 수 있는 리얼 제로 인터폴레이션(Real zero interpolation)이라는 방식이 있으나 이것은 상당히 복잡하며 실제로는 간단한 기존의 장치를 이용하는 수신 방식도 가능하다. 이중 하나가 일반적인 주파수 검파기를 이용하여 신호파형을 복구하는 방식이다.
RZ SSB 수신 시스템에서 주파수 검파기의 목적은 수신된 RZ SSB 신호의 순간 주파수에 비례하는 순간 진폭을 갖는 신호를 출력시키는 데 있다. 여기에서는 주파수 검파기에 대한 해석을 한 후 RZ SSB 신호에 적합하도록 주파수 검파기의 위상천이회로의 Q값을 계산한다.
주파수 검파기는 RZ SSB 신호의 진폭을 제한하는 리미터, 수신된 RZ SSB 신호의 위상을 이 신호의 순간 주파수에 비례하는 양 만큼 천이시키는 위상천이회로, 그리고 원래의 RZ SSB 신호와 위상천이회로의 출력 신호의 위상차를 검파할 수 있는 프로덕트 디텍터(Product detector)로 구성된다. 위상천이회로에서 생기는 위상천이는 RZ SSB 신호의 순간 주파수에 비례함으로 프로덕트 디텍터의 출력 전압도 수신된 RZ SSB 신호의 순간 주파수에 비례하게 된다.
위상천이회로는 진폭 제한된 RZ SSB 신호가 점유하는 주파수 범위에서 일정한 진폭 응답과 선형적인 주파수 응답을 가져야 하며 캐리어 주파수에서 위상은 90도 이어야 한다. 위상천이회로의 위상응답은 [수학식 1]과 같다.
Figure pat00001
/2+K(w-wc)
여기서, K는 비례상수이며, wcsms캐리어 주파수이다. g(t)를 정보신호, m을 변조 지수라 할 때, RZ SSB 신호는 [수학식 2]와 같이 표현된다.
Figure pat00002
리미터(Limiter)를 거친 후에는 [수학식 3]과 같다.
SLim(t)=A0cos(wct-w(t))
위상천이 회로를 거친 후 출력은 [수학식 4]와 같다.
Vφ(t)=ρA0cos(wc(t)-w(t)+φ[wins(t)])
여기서, wins(t)는 진폭제한 된 RZ SSB 신호의 순간 주파수이며, [수학식 5]와 같다.
wins(t)=wc-dw(t)/d(t)
주파수 검파기의 출력은 [수학식 6]과 같으며, RZ SSB 신호의 순간 주파수에 비례하는 전압을 출력한다.
Figure pat00003
실제로 위상천이회로의 구현은 RLC 탱크회로( RLC tank circuit) 혹은 딜레이 라인(Delay line)을 사용하여 구현한다. 본 시스템에서는 RZ SSB 신호의 주파수 검파를 위해서 협대역 주파수 검파 IC와 RLC 탱크회로를 캐리어 주파수에 동조시켜 위상천이회로를 구현하였으며, 출력은 [수학식 7]과 같다.
Q=R/wcL=Rwc(C1+C)
주파수 wi에서 위상천이회로에 의해 발생하는 위상천이는 [수학식 8]과 같다.
Figure pat00004
/2-tan-1[Q(wi/wc-wc/wi)]
위상천이회로의 순시 주파수대 위상 변화의 선형성이 유지되기 위해서는 -50<φ(wi)<50가 유지되어야 한다. RZ SSB 신호의 수신시 위상천이회로의 입력주파수 대역을 구하면 다음과 같다. 먼저, 리미터를 거친 RZ SSB 신호는 [수학식 9]와 같다.
SLim(t)=A0cos(wct)cosw(t)+A0sin(wct)sinw(t)
변조지소 +6m 이 충분히 작을 때 w(t)의 크기도 충분히 작으므로 [수학식 10]과 같이 근사화 된다.
SLim(t)=A0cos(wct)+A0w(t)sin(wct)
w(t)는 [수학식 2]에서와 같이 최대 주파수가 3kHz 인 정보 신호 g(t)와 g(t)의 하모닉 성분들을 포함하는데 3차 까지의 하모닉 성분들을 고려하면 SLim(t)가 차지하는 주파수는 캐리어 주파수를 기준으로 좌우로 4.5kHz이다. IF 캐리어 주파수 455kHz에서 요구되는 Q는 [수학식 11]에 의해 Q=52 이다.
Q{(455×103+4.5×103/455×103)-(455×103/455×103+4.5×103)}=tan50
실제로 송신되는 신호는 전력효율을 높이기 위해 신호보다 낮은 세기의 반송파를 전송한 후 수신기에서 검파하기 전에 반송파만을 선택적으로 증폭시켜 RZ SSB신호를 만들기 위한 선택적 증폭단을 이용하고 있다. 이때 선택적 증폭단을 거치기 전단의 신호는 반송파가 신호보다 낮은 세기를 가지게 되므로 신호처리 과정에 있어 신호의 진폭과 위상은 선형특성을 가져야만 한다.
만약 반송파가 신호의 세기보다 작은 신호가 선택적 증폭단을 거치기 전에 비선형 특성을 갖는 신호처리를 가질 경우 부호 변환점 포인트(zero crossing point)가 왜곡되어 원래의 신호를 복원할 수 없게 된다. 일반적으로 수신기에서 비선형 특성은 높은 레벨의 신호가 수신되어 증폭기가 포화되거나 혼합기가 포화되는 경우에 많이 나타나게 된다. 그러나, 선택적 증폭단을 거쳐 반송파가 신호보다 높아진 RZ SSB 신호는 진폭이 포화되는 비선형 특성을 갖는 신호처리를 하더라도 검파과정이 신호의 진폭이 아닌 위상에서 하기 때문에 신호를 복원하는데 별문제가 없다.
수신기의 동작범위(dynamic range)는 왜곡 없이 신호를 복원해 낼 수 있는 최소 수신 신호레벨과 최대 수신 신호레벨과의 차이로 정의하는데 전송효율을 높이기 위해 반송파 성분이 정보신호성분 보다 작게되어 송신된 신호를 수신하는 RZ SSB 수신기는 그렇지 않고 반송파 성분이 정보신호성분 보다 큰 RZ SSB신호를 수신하는 RZ SSB 수신기 보다 최대 수신레벨이 낮게 된다.
히스테리시스 특성은 도 1과 같이 어느 기준레벨에 의해 변했던 결과가 다시 기준 입력 레벨로 변화하더라도 기존의 상태로 변하지 않고 다른 기준레벨에 의해 기존의 상태로 변화되는 특성이다.
본 발명에서는 RZ SSB수신기의 최대 입력레벨을 높여 동작 범위(dynamic range)를 높이기 위해 입력레벨을 검출하여 입력레벨에 따른 제어신호로 증폭단의 이득을 조정할 수 있도록 되먹이는 구조 갖고 이 되먹임 구조가 발진하지 않고 안정적으로 동작되도록 하는 히스테리시스 특성을 이용한 자동이득 조정장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리얼 제로 단측파대 수신기에서 자동이득조정 장치는 복조가 가능한 수신레벨을 얻기 위해 안테나로부터 수신된 저잡음을 증폭하기 위한 저잡음 증폭단과, 수신을 원하는 채널에 있는 신호만을 선택하고 원하지 않는 채널의 신호를 제한하는 대역통과 필터와, 수신된 신호를 일정한 임의의 주파수로 변환시키기 위한 국부발진신호를 발생하기 위한 LO(엘오)와, 캐리어만을 선택하는 반송파 대역 통과 필터단과 상기 필터단을 거쳐 나온 신호를 증폭하는 증폭단과 캐리어를 제외한 정보신호만을 선택하는 신호대역 통과 필터단으로 구성된 선택적 증폭단과, RZ SSB 신호의 위상으로부터 정보 신호를 복원하기 위한 위상검파단과, 자동이득 조정을 위해 수신된 신호의 레벨을 검출하기 위한 수신신호 검출단과, 상기 입력레벨에 따른 검출단의 출력신호로부터 저잡음 증폭단의 이득을 조정하기 위한 히스테리시스 특성을 갖는 제어 신호를 출력하는 제어단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리얼 제로 단측파대 수신기에서 자동이득 조정 방법은 리얼 제로 단측파대 수신기 신호 검파전에 신호레벨을 검출하는 단계와, 제어신호가 이득을 조정하는 경우를 제어신호가 켜졌다고 정의하고, 제어신호가 이득조정을 하지 않고 원래 설계된 이득을 갖게 되면 꺼졌다고 정의하는 단계와, 수신 신호가 일정레벨 이상이 되면 제어신호가 켜지지만 다시 입력레벨이 상기 일정 레벨 이하가 되더라도 제어신호가 꺼지지 않고 임의로 설정한 일정레벨 이하가 되어 제어신호가 꺼지는 히스테리시스 특성을 갖는 제어신호를 발생하는 단계와, 상기 제어신호를 되먹여 증폭단의 이득을 조정하는 조정단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 입력 레벨 변화에 따른 제어신호의 변화를 나타내는 히스테리시스 특성도.
도 2는 히스테리시스 특성을 이용한 자동이득조정장치를 갖는 RZ SSB 수신단 구성도.
도 3은 입력신호 레벨에 따른 제어신호의 변화를 나타내는 흐름도.
도 4는 기준신호레벨의 위치와 자동이득조정장치를 이용하였을 때 갖는 RZ SSB 수신단의 동작 범위 변화를 나타내는 개념도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 히스테리 특성을 이용한 자동이득조정장치를 갖는 RZ SSB 수신단의 구성도이다.
수신되는 신호는 채널을 통과하여 송신된 신호보다 신호의 세기가 매우 작다. 또한, 시스템의 잡음지수는 안테나 다음 단 즉, 수신장치의 초단에 잡음지수에 의해 주로 결정된다. 따라서, 저잡음 증폭단은 복조가 가능한 수신레벨을 얻기 위해 안테나로부터 수신된 저잡음을 증폭한다.
대역통과 필터는 수신을 원하는 채널에 있는 신호만을 선택하고 원하지 않는 채널의 신호를 제한한다.
LO(엘오)는 수신된 신호를 일정한 임의의 주파수로 변환시키기 위한 국부발진신호를 발생한다.
RZ SSB 신호는 풀-캐리어-SSB(full-carrier-SSB) 신호만을 주파수 검파 방식으로 검파하는 것이 가능한데 송신기의 전력 효율을 높이기 위해 송신기에서는 캐리어를 억압하여 송신하게 된다. 따라서, 원활한 검파를 위해서는 수신된 신호에서 캐리어(반송파) 만을 선택하여 증폭시켜 풀-캐리어-SSB 신호로 변환시켜야만 한다.
이를 위해 선택적 증폭단은 캐리어만을 선택하는 반송파 대역 통과 필터단과 이 필터단을 거쳐 나온 신호를 증폭하는 증폭단과 캐리어를 제외한 정보신호만을 선택하는 신호대역 통과 필터단으로 구성된다.
위상검파(주파수 검파)단은 기존의 주파수 검파와 동일하게 변조된 신호의 위상으로부터 정보신호를 복원하게 된다. 즉, RZ SSB 신호의 위상으로부터 정보 신호를 복원하게 된다.
수신신호 검출단은 자동이득 조정을 위해 수신된 신호의 레벨을 검출하게 되며, 제어단은 도 3의 순서도와 같이 동작하게 된다.
즉, RZ SSB 수신단에서 히스테리시스 특성을 갖는 자동이득조정 장치를 구현하기 위해 복조 되기 전의 RZ SSB 신호의 레벨을 검출하는 검출단과 검출된 신호로부터 히스테리시스 특성을 갖는 제어신호를 발생시키는 제어단과 제어신호를 받아 이득 조정이 가능한 증폭단으로 구성된다. 만약, 입력신호의 변화에 따라 즉시 증폭단의 변화가 일어나는 경우 이득조정이 입력신호의 변화로 보이게 되므로 계속해서 제어신호는 켜졌다 꺼졌다하는 발진상태가 된다. 또한, 이득조정이 입력신호의 변화에 따라 천천히 변한다면 실제 입력되는 신호 레벨이 빠르게 변하는 경우 제어신호를 제때 보내주지 못하게 되어 증폭단이 포화될 수도 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 도 1과 같이 입력 신호가 기준 레벨(B) 이상이 되면, 즉시 증폭단의 증폭도를 줄여 증폭단의 포화를 막고 이 과정에서 줄어든 입력 신호 레벨이 제어 신호의 변화를 주지 않도록 다른 기준레벨(A)을 두었다. 그리고, 입력신호가 기준레벨(A) 이하가 되면 즉시 증폭단의 증폭도를 원위치 시키는 동작을 하게 된다.
도 3은 입력 신호 레벨에 따른 제어 신호의 변화를 나타내는 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 제어단을 두어 히스테리시스 특성을 갖는 제어신호를 발생시킨다. 검출되는 기준 입력 레벨이 A와 B라고 할 때 기준 입력 레벨 B는 RZ SSB 수신기의 최대 입력레벨 보다 조금 작게 설정하고, 기준 입력 레벨 A는 B보다 작은 레벨로 두 레벨 A와 B의 차이가 증폭단의 이득 변화량보다 크게 설정한다.
입력 신호 레벨이 기준 입력신호 A보다 크면 기준 입력신호 B보다 큰지 비교하여 크면 제어신호를 켜서 증폭단의 이득을 줄여 포화를 막는다. 이때, 최대로 포화를 막을 수 있는 신호레벨은 자동이득조정장치를 사용하지 않았을 때의 최대신호레벨에서 증폭단의 이득조정 범위를 더한 만큼의 레벨이 된다. 또한, 입력 신호레벨이 줄어 B보다 작게되어도 제어신호는 켜진 상태를 유지하여 증폭단의 이득을 줄이는 상태가 된다. 그후 기준신호레벨 A보다 작아지면 제어신호는 꺼져 원래 증폭단의 이득을 갖게된다.
이때, 제어신호가 켜진 상태로 시스템의 동작 범위를 살펴보면 증폭도를 줄이게 되므로 제어신호가 꺼졌을 경우와 동작범위는 같지만 최소, 최대 입력의 레벨이 증폭단의 이득만큼 증가하게 된다. 따라서, 높은 레벨의 신호가 들어오면 최대입력레벨이 증가된 상태인 제어신호가 켜진 상태로 두고 낮은 레벨의 신호가 들어오면 최소 입력이 낮은 상태인 제어신호가 꺼진 상태로 둔다. 이 두 가지 상태를 입력신호레벨의 변화에 따라 천이 시키게 되는데 천이 변화특성이 히스테리시스 특성을 갖도록 하여 천이과정에서 발진하지 않도록 하였다.
이와 같이, 히스테리시스 특성을 이용한 자동이득조정장치를 RZ SSB 수신단에 적용하면 도 4에 도시된 바와 같이 수신단을 제어신호가 켜졌을 경우의 동작범위(Dynamic range)와 꺼졌을 경우 동작범위를 수신신호레벨의 변화에 따라 변화시켜 수신기가 얻을 수 있는 동작범위를 증폭단의 이득 변화량만큼 더 넓일 수 있다.
상술한 바와 같이 히스테리시스 특성을 이용한 자동이득조정 장치를 갖는 RZ SSB 수신기는 되먹임 회로 구조가 발진하지 않고 증폭단의 이득 변화량만큼 동작범위를 증가시키는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 복조가 가능한 수신레벨을 얻기 위해 안테나로부터 수신된 저잡음을 증폭하기 위한 저잡음 증폭단과,
    수신을 원하는 채널에 있는 신호만을 선택하고 원하지 않는 채널의 신호를 제한하는 대역통과 필터와,
    수신된 신호를 일정한 임의의 주파수로 변환시키기 위한 국부발진신호를 발생하기 위한 LO(엘오)와,
    캐리어만을 선택하는 반송파 대역 통과 필터단과 상기 필터단을 거쳐 나온 신호를 증폭하는 증폭단과 캐리어를 제외한 정보신호만을 선택하는 신호대역 통과 필터단으로 구성된 선택적 증폭단과,
    RZ SSB 신호의 위상으로부터 정보 신호를 복원하기 위한 위상검파단과,
    자동이득 조정을 위해 수신된 신호의 레벨을 검출하기 위한 수신신호 검출단과,
    상기 입력레벨에 따른 검출단의 출력신호로부터 저잡음 증폭단의 이득을 조정하기 위한 히스테리시스 특성을 갖는 제어 신호를 출력하는 제어단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리얼 제로 단측파대 수신기에서 자동이득 조정 장치.
  2. 리얼 제로 단측파대 수신기 신호 검파전에 신호레벨을 검출하는 단계와,
    제어신호가 이득을 조정하는 경우를 제어신호가 켜졌다고 정의하고, 제어신호가 이득조정을 하지 않고 원래 설계된 이득을 갖게 되면 꺼졌다고 정의하는 단계와,
    수신 신호가 일정레벨 이상이 되면 제어신호가 켜지지만 다시 입력레벨이 상기 일정 레벨 이하가 되더라도 제어신호가 꺼지지 않고 임의로 설정한 일정레벨 이하가 되어 제어신호가 꺼지는 히스테리시스 특성을 갖는 제어신호를 발생하는 단계와,
    상기 제어신호를 되먹여 증폭단의 이득을 조정하는 조정단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리얼 제로 단측파대 수신기에서 자동이득 조정 방법.
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