KR100623415B1 - Ｇｐｓ수신기 - Google Patents

Abstract

GPS수신기에 대해 개시한다. 본 발명의 GPS수신기는, GPS안테나와 대역통과필터 사이에 형성되되, GPS안테나에 연결되어 선로에서 발생되는 손실을 보상하고, 능동안테나와 수동안테나의 선택적인 사용에 따른 손실을 보상하는 스위치부를 제1스위치부, 마이크로스트립 선로부 및 제1저항부의 한 그룹과, 제2스위치부, 제3저잡음증폭부 및 제2저항부의 한 그룹이 각각 병렬로 형성시켜 손실을 보상하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 200mW 전력 소모, 단일 GPS 방식일 때 위치 정확도가 30m이내 및 16채널의 GPS 수신기의 개발에 따른 저전력 GPS수신기를 통하여 휴대용 위치 정보시스템에 적용 및 생활 무전기 등에 적용할 수 있을 것이며, RF단과 베이스밴드단 PCB를 통합하여 발생되는 노이즈 문제점을 해결함에 따라 설계 및 PCB 레이아웃 능력을 크게 향상시킬 수 있으며, 상품화에 따른 매출에도 크게 기여할 수 있는 장점이 있다.

GPS, 저잡음증폭기, 다운컨버터, 스위칭회로

Description

ＧＰＳ수신기{Global Positing System Receiver}

도 1은 종래 기술에 따른 GPS수신기의 블록도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 GPS수신기의 블록도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 GPS수신기의 회로도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다운컨버터부를 나타낸 회로도.

도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 기저대역부를 나타낸 회로도.

도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 전원 및 인터페이스부를 나타낸 회로도.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 인쇄회로기판의 레이어를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명의 실시예에 의한 수신된 위성 및 시간에 따른 위치변화를 나타낸 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 안테나부 20 : 대역통과필터부

30 : 제2저잡음증폭부 40 : RF다운컨버터부

50 : 기저대역부 60 : 크리스탈부

110 : 마이크로스트립 선로부 111 : 제1스위치부

112 : 제1저항부 120 : 제3저잡음증폭부

121 : 제1스위치부 122 : 제2저항부

본 발명은 GPS수신기에 관한 것으로, 특히 안테나에서 수신된 신호가 대역통과 필터까지 전송 시 손실을 보상하고, 능동 및 수동안테나를 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)의 변경 없이 사용가능한 GPS수신기에 관한 것이다.

위성항법시스템(Global Positing System, GPS)은 1970년대 미국에서 군사적 목적으로 개발한 후, 1980년대 초반에 발생한 구소련에 의한 대한항공 격추 사건 이후 민간에게 1575.42MHz 신호가 개방되면서 그 응용분야가 확대되어지고 있다.

GPS 위성신호는 위성이 탑재되어 있는 원자시계로부터 얻어지는 안정한 주파수로 만들어지고 있다. 기준이 되는 주파수는 10.23MHz이고 표준 측위를 위한 154배인 1575.42MHz(L1 대역)이며, 고 정확도 측위 120배인 1227MHz(L2 대역)로 되어 있다. 이 L1대역 반송파와 L2대역 반송파는 의사 잡음 부호의 일종인 C/A코드와 P코드에 의해 위상 변조되는데, 이때 L2대역 주파수는 P코드와 C/A 코드로 사용되고, L1대역 주파수는 C/A코드를 사용한다. L2대역 반송파 P코드는 기밀취급으로 군 사용으로 사용되고, L1대역 반송파 C/A코드만 민간에 개방되어 사용되어진다.

GPS의 가장 큰 특징은 간단한 시스템으로 3차원 위치 및 시각 정보를 얻을 수 있다. 이러한 장점으로 인해 방위 산업 및 항공관제시스템, 해운관제시스템, 교통관제시스템, 차량 항법 장치, 차량 도난 및 구조 시스템, 응급구조 911, PDA, 휴대용 PC ,핸드폰 및 기타 레저 및 스포츠에의 이용 등 사회의 정보화 진행에 따라 언제 어디서 누구든지 자신 및 3자에 따른 정확한 위치, 속도 및 시간 정보를 얻을 수 있는 위치 및 시간 확인 시스템에 대한 필요성이 더욱 증대하고 있다.

이러한 유용성으로 인하여 국내 GPS 수요는 차량 항법 장치를 중심으로 급격히 증가하고 있으나, 국내에 사용하고 있는 제품은 수입에 의존하고 있는 형편이다.

현재 개발된 GPS 수신기 모듈은 최소 250mW 전력 소모를 요구하고 있다. 또한, 위치 정확도는 단일 GPS 방식일 때 30m이내의 위치 정확도 및 12채널을 사용하고 있으며 이에 대하여 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

종래의 GPS 수신기의 구성은 반송파를 수신하는 안테나부(1), 대역통과필터부(2), 저잡음증폭부(3), 다운컨버터부(4), 기저대역부(5)로 구성되었다.

GPS 위성에서 송신출력이 무지향성 안테나(1)를 통해서 L1대역 주파수 통과 대역을 갖는 대역통과필터부(2)를 거쳐 저잡음증폭부(3)에 전달된다.

저잡음증폭부(3) 성능이 시스템의 수신 감도를 결정하게 되는데, RF다운컨버터부(4)는 저잡음증폭기, 믹서, 저역통과필터, 자동이득제어(AGC : Automatic Gauge Control), AD컨버터 및 위상동기루프(PLL : Phased locked loop)등으로 구성 되어있다.

이때, GPS 위성에서 송신전력은 10W이며, GPS 안테나에서 수신전력은 -150dBw이다. 능동안테나는 주로 안테나와 GPS 수신기 케이블로 연결되어 사용되고, 수동안테나는 안테나와 GPS 수신기와 통합형으로 사용되므로 능동안테나 및 수동안테나 사용 시 GPS수신기의 형태적으로 차이가 있다.

초단의 저잡음증폭기가 시스템의 최저 수신감도를 결정하므로, 수동안테나 사용 시 대역통과 필터를 통과한 신호는 안테나에서 수신된 전력보다 3dB 이상 감쇄되어 저잡음증폭기에 전달되므로 GPS신호를 감지할 수 없는 미약한 신호가 되어 시스템의 성능을 저하시킨다.

또한 능동안테나 사용 시 안테나와 대역통과필터와 연결된 케이블 손실에 의해서 시스템의 성능이 저하되는 문제점이 도출되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 대역통과 필터 앞단에 두 단의 저잡음증폭기를 부설시키되, 안테나와 연결되어 선로에서 발생된 손실을 보상해주도록 첫 단에 저잡음증폭기를 형성시키고, 수동안테나 사용 시 손실을 보상해주도록 두 번째 단에 저잡음증폭기를 형성시킨 GPS수신기를 제공하는데 있으며,

한편, 본 발명의 또 다른 목적은 능동안테나와 수동안테나를 선택적으로 사용할 수 있도록 스위칭 회로를 첫 단의 저잡음증폭기와 대역통과 필터사이에 형성시킨 GPS수신기를 제공하는데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 GPS수신기는, RF신호를 수신하는 안테나부와, 상기 RF신호를 필터링하여 특정주파수 대역을 통과시키는 대역통과필터부와, 상기 대역통과필터에 의해 필터 된 RF신호에서 잡음을 억제시켜 증폭하는 제2저잡음증폭부와, 상기 제2저잡음증폭부에서 나온 RF신호를 중간주파수(IF : Intermediate Frequency)로 내리는 RF다운컨버터부와, 상기 중간주파수를 처리하기 위한 기저대역부로 이루어진 GPS수신기에 있어서,

상기 GPS안테나와 대역통과필터 사이에 형성되되, GPS안테나에 연결되어 선로에서 발생되는 손실을 보상하는 제1저잡음증폭부 및

상기 제1저잡음증폭부와 대역통과필터부 사이에 형성되어 능동안테나와 수동안테나의 선택적인 사용에 따른 손실을 보상하는 스위치부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 할 뿐만 아니라,

상기 스위치부는 제1스위치부, 마이크로스트립 선로부 및 제1저항부의 한 그룹과, 제2스위치부, 제3저잡음증폭부 및 제2저항부의 한 그룹이 각각 병렬로 형성되어 수동안테나 사용 시 제2스위치부가 단락되고, 제1스위치부가 개방 및 제1저항부의 기능을 제재시켜 상기 제1저잡음증폭부에서 출력된 신호를 제3저잡음증폭부에 전달시킴에 따라 상기 제3저잡음증폭부에서 출력된 신호는 대역통과필터부를 통과한 후 소실을 보상하며, 능동안테나 사용 시 제1스위치부가 단락되고, 제2스위치부가 개방 및 제2저항부의 기능을 제재시켜 제1저잡음증폭부에서 출력된 신호는 마이크로스트립 선로를 통하여 대역통과필터에 입력되는 것이 바람직 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 GPS수신기의 블록도로서, RF신호를 수신하는 안테나부(10)와, 상기 안테나부(10)를 통하여 전송되는 RF신호를 필터링하여 특정주파수 대역을 통과시키는 대역통과필터부(20)와, 상기 안테나부(10)와 대역통과필터부(20)사이에 형성되되, GPS안테나에 연결되어 선로에서 발생되는 손실을 보상하는 제1저잡음증폭부(100), 상기 제1저잡음증폭부(100)와 대역통과필터부(20) 사이에 형성되어 능동안테나와 수동안테나의 선택적인 사용에 따른 손실을 보상하는 스위치부로 구성한다.

한편, 상기 대역통과필터부(20)에 의해 필터 된 RF신호에서 잡음을 억제시켜 증폭하는 제2저잡음증폭부(30)와, 상기 제2저잡음증폭부(30)에서 나온 RF신호를 중간주파수(IF : Intermediate Frequency)로 내리는 RF다운컨버터부(40)와, 상기 중간주파수를 처리하기 위한 기저대역부(50)로 구성되며, 상기 RF다운컨버터부(40) 및 기저대역부(50)와 연계하여 특정 주파수의 신호만 추출하기 위한 크리스탈부(60)를 더 구성하고 있다.

이때, 상기 제1저잡음증폭부(100)와 대역통과필터부(20) 사이에 형성된 스위치부는 능동안테나와 수동안테나 사용 시 경로를 선택할 수 있도록 구성되어지게 되는데, 먼저, 제1스위치부(111), 마이크로스트립 선로부(110) 및 제1저항부(112)의 한 그룹과, 제2스위치부(121), 제3저잡음증폭부(120) 및 제2저항부(122)의 한 그룹이 각각 병렬로 형성됨으로서,

수동안테나 사용 시 제2스위치부(121)가 단락되고, 제1스위치부(111)가 개방 및 제1저항부(112)의 기능을 제재시켜 상기 제1저잡음증폭부(100)에서 출력된 신호를 제3저잡음증폭부(120)에 전달시킴에 따라 상기 제3저잡음증폭부(120)에서 출력된 신호는 대역통과필터부(20)를 통과한 후 소실을 보상하며,

능동안테나 사용 시 제1스위치부(111)가 단락되고, 제2스위치부(121)가 개방 및 제2저항부(122)의 기능을 제재시켜 제1저잡음증폭부(100)에서 출력된 신호는 마이크로스트립 선로부(110)를 통하여 대역통과필터(20)에 입력된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 GPS수신기의 회로도로서, 현재 상용화된 GPS 수신기의 설계서는 소모전력이 250mW, 단일 GPS 방식일 때에는 위치 정확도가 30m 및 12채널이 일반적으로 적용되고 있어 본 발명의 실시예에서는 다음과 같은 설계사양을 구성하고 있다.

본 실시예에서는 소모전력이 200mW, 3.3VDC 그리고, 단일 GPS 방식일 때에는 위치정확도를 30m 및 16채널인 수신기를 구성하고 있어, 차량용 및 휴대용 단말기에 사용이 가능하도록 -40도에서 85도인 환경조건에서 동작되고 수신기의 크기를 최소화시켰다.

회로도에서 보는바와 같이 GPS위성에서의 송신 출력은 약 10W이며, 수신전력은 -150dBW 정도이며, 안테나는 무지향성의 안테나를 사용하였으며, 제2저잡음증폭부와 제3저잡음증폭부는 1.4dB 잡음 특성을 갖는 LNA HA22033을 사용하였다. 물론 상기 제3저잡음증폭부는 능동안테나를 사용할 시에는 스위치부에 의해 기 기능을 상실 하도록 구성된 것을 상기 도2에서 충분히 설명하였다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다운컨버터를 나타낸 회로도로서, 저잡음증폭기, 믹서, 저역필터, 자동이득제어(AGC), AD컨버터 및 PLL등으로 구성되어 있으며, 1,024MHz IF 신호와 18.414MHz 클럭 주파수를 기저대역부에 공급하도록 구성되어 있다.

도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 기저대역부를 나타낸 회로도로서, GPStls호를 처리하기 위한 중앙처리부(CPU), 2M-bit 마스트 롬(MASK ROM), 메모리(RAM), 타이머(timer) 등으로 구성되고, 공급전압은 3.3VDC로 하였다. 뿐만 아니라, 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 전원 및 인터페이스부를 나타낸 회로도로서, RS232통신을 사용하여 설계하였다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 인쇄회로기판의 레이어를 나타낸 도면으로서, 본 실시예에서의 PCB재질은 Glass epoxy-green FR-4 1 oz. 동박이고 제작된 PCB의 전체 두께는 1.6mm ± 0.5%인 4개층으로 구성하였으며, PCB의 도금은 8㎛ 석 도금으로 처리하였다. 도면에서 보는 바와 같이 최상층은 RF수신단으로 구성하였고, 최하층은 기저대역부로 구성하였다.

도 7은 본 발명의 실시예에 의한 수신된 위성 및 시간에 따른 위치변화를 나타낸 도면으로서, GPS수신기에 대한 시험은 두 가지 방법으로 시험을 하였다. 첫번째 방법은 수신된 신호 위성 수와 거리 오차를 실험하였고, 두 번째 방법은 음영 지역을 벗어 날 때 위성 신호를 수신하는 시간을 측정 하였다.

도면에서 보는바와 같이 수신된 GPS 신호에 의해서 시간 변화에 따른 위치 변화 및 GPS 신호를 수신하는 위성 수를 보여 주고 있다.

또한, 위치 오차가 30m 이내의 성능 및 GPS 위성의 송신 신호가 7개 위성으로부터 신호가 수신됨을 알 수 있다. GPS 수신기에서 평면 위치 및 고도를 알기 위해서는 최소 4개의 위성이 필요하다. 개발된 GPS 수신기 모듈이 정상적인 동작을 수행하고 있음을 알 수 있다.

음영 지역을 벗어 날 때 위성 신호를 수신하는 시간은 10초 이내로 측정을 하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 GPS수신기는, 200mW 전력 소모, 단일 GPS 방식일 때 위치 정확도가 30m이내 및 16채널의 GPS 수신기의 개발에 따른 저전력 GPS수신기를 통하여 휴대용 위치 정보시스템에 적용 및 생활 무전기 등에 적용할 수 있을 것이며, RF단과 베이스밴드단 PCB를 통합하여 발생되는 노이즈 문제점을 해결함에 따라 설계 및 PCB 레이아웃 능력을 크게 향상시킬 수 있으며, 상품화에 따른 매출에도 크게 기여할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.

Claims (2)

1. RF신호를 수신하는 안테나부와, 상기 RF신호를 필터링하여 특정주파수 대역을 통과시키는 대역통과필터부와, 상기 대역통과필터에 의해 필터 된 RF신호에서 잡음을 억제시켜 증폭하는 제2저잡음증폭부와, 상기 제2저잡음증폭부에서 나온 RF신호를 중간주파수(IF : Intermediate Frequency)로 내리는 RF다운컨버터부와, 상기 중간주파수를 처리하기 위한 기저대역부로 이루어진 GPS수신기에 있어서,

   상기 GPS안테나와 대역통과필터 사이에 형성되되, GPS안테나에 연결되어 선로에서 발생되는 손실을 보상하는 제1저잡음증폭부; 및

   상기 제1저잡음증폭부와 대역통과필터부 사이에 형성되어 능동안테나와 수동안테나의 선택적인 사용에 따른 손실을 보상하는 스위치부; 를 포함하고,

   상기 스위치부는

   제1스위치부, 마이크로스트립 선로부 및 제1저항부의 한 그룹과, 제2스위치부, 제3저잡음증폭부 및 제2저항부의 한 그룹이 각각 병렬로 형성되어

   수동안테나 사용 시 제2스위치부가 단락되고, 제1스위치부가 개방 및 제1저항부의 기능을 제재시켜 상기 제1저잡음증폭부에서 출력된 신호를 상기 제3저잡음증폭부에 전달시킴에 따라 상기 제3저잡음증폭부에서 출력된 신호는 대역통과필터부를 통과한 후 손실을 보상하며,

   능동안테나 사용 시 제1스위치부가 단락되고, 제2스위치부가 개방 및 제2저항부의 기능을 제재시켜 제1저잡음증폭부에서 출력된 신호는 마이크로스트립 선로를 통하여 대역통과필터에 입력되는 것을 특징으로 하는 GPS수신기.
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