KR100625419B1 - 망 동기를 위한 기준 클럭 송/수신 장치 - Google Patents

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야
본 발명은 통신 시스템에서 망 동기를 위해 필요한 기준 클럭을 정지궤도위성을 이용해 제공하는 기준 클럭 송/수신 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 위성의 동보적인 성격을 이용하여 시각/주파수 동기를 간단히 이루고자 하는, 망 동기를 위한 기준 클럭 송/수신 장치에 관한 것임.
2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제
본 발명은 광역 지구 측위 방식(GPS) 위성이 아닌 정지궤도위성을 이용하는 간단한 장치를 통하여 망 동기를 위한 기준 클럭을 제공하기 위한, 기준 클럭 송/수신 장치를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결 방법의 요지
본 발명은 망 동기를 위한 기준 클럭 송신 장치에 있어서, 정밀 클럭을 발생하기 위한 정밀 클럭 발생 수단; 상기 정밀 클럭 발생 수단으로부터의 정밀 클럭에 동기된 제 1 및 제 2 PN(Pseudo Noise) 확산 신호를 발생하기 위한 확산 신호 발생 수단; 상기 정밀 클럭 발생 수단으로부터의 정밀 클럭에 따라, 타이밍 동기에 요구되는 각종 정보들을 정해진 데이터 포맷 형태의 신호로 발생하기 위한 데이터 발생 수단; 상기 데이터 발생 수단으로부터의 데이터 신호에 상기 확산 신호 발생 수단으로부터의 제 2 PN 확산 신호를 곱하여 확산시키기 위한 확산 수단; 및 상기 확산 신호 발생 수단으로부터의 제 1 PN 확산 신호와 상기 확산 수단으로부터 확산된 데이터 신호를 입력받아 변조시킨 후 정지궤도위성으로 송신하기 위한 변조 수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 망 동기 시스템 등에 이용됨.
기준 클럭, 동기, 4위상 편이변조(QPSK), 파일럿 신호, 의사 잡음(PN) 코드

Description

망 동기를 위한 기준 클럭 송/수신 장치{The Reference Clock Supply Apparatus For Synchronizing The Telecommunication Networks}
도 1 은 본 발명에 따른 망 동기를 위한 기준 클럭 송신 시스템의 일실시예 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 망 동기를 위한 기준 클럭 수신 시스템의 일실시예 구성도.
본 발명은 통신 시스템에서 망 동기를 위해 필요한 기준 클럭을 정지궤도위성을 이용해 제공하는 기준 클럭 송/수신 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 위성의 동보적인 성격을 이용하여 시각/주파수 동기를 간단히 이루고자 하는, 망 동기를 위한 기준 클럭 송/수신 장치에 관한 것이다.
종래의 기술은 기준 클럭의 발생을 미국의 군사위성인 광역 지구 측위 방식(GPS)(이하, 간단히 "GPS"라함) 시스템에 의존하고 있으며, 기본적으로 절대적인 시각/주파수 동기가 된 GPS 위성들이 시각 동기된 신호를 지상에 전송하며, 지상 기지국에서 이 신호를 이용하여 시각/주파수 동기를 맞추어 주는 구조를 가지고 있다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 GPS 시스템은 데이터를 대역 확산시켜 캐리어에 변조시키는 방식(DSSS/BPSK)을 사용하고 있으나, 동기 과정에서 데이터 변조가 된 신호로부터 기준 클럭을 얻어내야 하므로 복잡한 구조의 수신기(예: MCTL)가 요구된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 광역 지구 측위 방식(GPS) 위성이 아닌 정지궤도위성을 이용하는 간단한 장치를 통하여 망 동기를 위한 기준 클럭을 제공하기 위한, 기준 클럭 송/수신 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 망 동기를 위한 기준 클럭 송신 장치에 있어서, 정밀 클럭을 발생하기 위한 정밀 클럭 발생 수단; 상기 정밀 클럭 발생 수단으로부터의 정밀 클럭에 동기된 제 1 및 제 2 PN(Pseudo Noise) 확산 신호를 발생하기 위한 확산 신호 발생 수단; 상기 정밀 클럭 발생 수단으로부터의 정밀 클럭에 따라, 타이밍 동기에 요구되는 각종 정보들을 정해진 데이터 포맷 형태의 신호로 발생하기 위한 데이터 발생 수단; 상기 데이터 발생 수단으로부터의 데이터 신호에 상기 확산 신호 발생 수단으로부터의 제 2 PN 확산 신호를 곱하여 확산시키기 위한 확산 수단; 및 상기 확산 신호 발생 수단으로부터의 제 1 PN 확산 신호와 상기 확산 수단으로부터 확산된 데이터 신호를 입력받아 변조시킨 후 정지궤도위성으로 송신하기 위한 변조 수단을 포함한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 장치는, 망 동기를 위한 기준 클럭 수신 장치에 있어서, 정지궤도위성으로부터 수신한 신호를 중간주파수 대역으로 변환 후 디지털 샘플링 시퀀스(sampling sequence)로 변환시키기 위한 수신 수단; 디지털 샘플링 시퀀스로 변환된 데이터 신호 및 파일럿 신호 중 상기 데이터 신호에 대하여는 국부 발진기에서 발생된 신호 중 위상 변환된 신호와 혼합시키고, 상기 파일럿 신호에 대하여는 상기 국부 발진기에서 발생된 신호와 혼합시켜 복조하기 위한 복조 수단; 상기 복조 수단을 통과한 상기 데이터 신호 및 상기 파일럿 신호에 대하여 역확산 과정을 수행하여 기준 클럭을 복구해 내기 위한 기준 클럭 복구 수단; 및 상기 기준 클럭 복구 수단을 통하여 복구된 기준 클럭을 이용하여 데이터 신호를 복구해 내기 위한 데이터 복구 수단을 포함한다.
본 발명은 기본적으로 세슘 원자시계를 이용하여 정밀하게 동기된 기준 클럭으로 발생한 파일럿 신호와 데이터 신호를 DSSS/QPSK 방식으로 변조하여 정지궤도위성을 이용해 전국에 분배하며, 각 지상 수신국에서는 이 파일럿 신호로부터 기준 클럭 및 타이밍 동기를 얻어내며 데이터 신호로부터의 궤도 데이터와 시각 정보를 활용해 정밀 타이밍 동기를 얻어내기 위한 장치를 제공하고자 한다.
즉, 본 발명에서는 기존의 GPS 방식 등이 가지고 있는 클럭 동기의 문제점을 해결하기 위해 데이터가 변조되지 않은 파일럿 신호를 데이터와 동시에 전송해주는 구조를 가지고 있다. 또한, 수신부의 개발 용이성을 위해 기존의 검증된 QPSK 방식의 송/수신기를 적용할 수 있는 장점을 가지고 있다.
이하, 도 1 및 도 2 를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 망 동기를 위한 기준 클럭 송신 시스템의 일실시예 구성도이다.
먼저, 데이터 발생 장치(101)는 세슘 원자시계(102)로부터 정밀 클럭을 전달받아 정확한 타이밍 동기에 요구되는 시각 정보, 궤도 정보, 보정 데이터 등을 정해진 데이터 포맷 형태인 d(t)로 발생시킨다.
이 정보들은 세슘 원자시계(102)에서 나온 정밀 클럭에 정확히 동기되어 발생한 PN(Pseudo Noise)(이하, 간단히 "PN"이라 함) 코드 발생기(103)의 PN 확산 신호 c2(t)와 곱해져서 확산된 후에 4위상 편이변조(QPSK)(이하, 간단히 "QPSK"라함)기(104)의 데이터 입력(Q)으로 전달된다.
그와 동시에 PN 코드 발생기(103)는 이와 별도로 새로운 하나의 PN 확산 신호 c1(t)를 발생시켜 이 신호를 QPSK 변조기(104)의 파일럿 입력(I)으로 전달하게 된다.
이후에 QPSK 변조기(104)에서는 일반적인 방식에 따라서 I 입력 신호와 Q 입력 신호를 각각 위상이 90°차이가 나는 반송파에 곱해서 변조하여 무선 주파수(RF) 변환기(105)를 거쳐서 송신 안테나(106)를 통해 정지궤도위성(도면에 도시되지 않음)으로 송신되도록 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 망 동기를 위한 기준 클럭 수신 시스템의 일실시예 구성도이다.
먼저, 상기 기준 클럭 송신 시스템에서 정지궤도위성(도면에 도시되지 않음)을 통하여 송신한 신호를 수신 안테나(210)에서 수신하면, 이 수신 신호를 무선 주파수(RF) 회로(220)에서 적절한 중간주파수 대역으로 변환한 후에, 아날로그/디지털 변환기(A/D Converter)(230)에서 샘플링 클럭(sampling clock) 주기로 디지털 샘플링 시퀀스(sampling sequence)로 변환시킨다.
이 샘플링 시퀀스들은 믹서(Mixer) 단(241, 242)의 입력으로 전달된다. 국부 발진기(250)에서 발생된 신호는 결정 로직(Decision Logic) 회로(211)에서 적절한 피드백 과정을 거친 신호에 따라 위상 동기 회로(PLL)(260)에서 위상 동기를 맞춘 후에 제 1 믹서(Mixer) 단(241)에는 파일럿 채널(In phase)(이하, 간단히 "I channel"이라 함)로, 제 2 믹서(Mixer) 단(242)에는 -90°위상 변환기(270)를 통해 데이터 채널(Quadra phase)(이하, 간단히 "Q channel"이라 함)로 캐리어 신호로서 인가되어 수신 신호에 대한 복조 과정이 이루어진다.
각각의 베이스밴드로 변환된 I 채널(channel)과 Q 채널(channel) 신호들은 각각 모듈로 2 애더(Modulo 2 Adder)(281, 282)에서, PN 코드 발생기(290)에서 국부적으로 발생된 PN 코드와 곱해져서 디스프레딩(despreading) 과정을 통해 기준 클럭을 복구해낸다.
이 디스프레딩(despreading) 과정이 수행된 I/Q 샘플링 시퀀스(I/Q sampled sequence)들은 통합 & 덤프(Integrate & Dump) 회로(291, 292)를 통해 PN 코드 주기만큼의 정보값들이 더해져서 결정 로직(Decison Logic) 회로(211)에 인가되게 된다. 결정 로직(Decision Logic) 회로(211)에서는 이 정보들을 가지고 다음의 두 가지 식으로부터 위상 동기 회로(PLL)(260)와 PN 코드 발생기(290)에 각각의 피드백 값을 적용해준다. 이용되는 첫 번째 식은 아래의 [수학식 1]과 같다.
maximize (I2 + Q2)
이 조건을 만족시키는 방향으로 수신된 신호의 PN 오프셋(offset) 값을 추정할 수 있고, 이 정보를 이용해 PN 코드 발생기(290)의 PN 오프셋(offset) 값을 튜닝(tuning)한다. 다른 하나의 결정(Decision) 값은 아래의 [수학식 2]와 같다.
maximize (I2 - Q2)
즉, I 채널(channel) 전력(power) 값이 최대가 되고 Q 채널(channel) 값이 최소가 될 때 캐리어 주파수 신호의 위상이 수신 신호와 동위상이 되므로, 이 조건을 만족하는 위상값을 추적하여 위상 동기 회로(PLL)(260)에 인가해 준다.
파일럿(Pilot) 채널에 대한 트랙킹(tracking) 과정을 통해 캐리어 락(carrier lock)과 PN 코드 위상 락(phase lock)이 얻어지면 데이터 복구 과정이 진행된다.
데이터 복구 과정을 살펴보면 데이터는 Q 채널(channel)에 인가되어 있기 때문에 Q 채널(channel) 신호가 모듈로 2 애더(Modulo 2 Adder)(293)에서 데이터 채널(data channel)용 PN 코드인 c2(t)를 통해 디스프레딩(despreading) 과정이 수행되고 PN 코드 주기에 해당하는 만큼의 통합 & 덤프(Integrate & Dump) 회로(294)를 통해 나온 값을 통해 논리적으로 '0'인지 또는 '1'인지를 비트 검출기(295)에서 판정하고 이 판정된 디지털 데이터들이 데이터 프로세서(Data processor) 측으로 전달된다.
수신 시스템에서의 신호 처리 과정을 수학식을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
무선 주파수(RF) 회로(220)를 거쳐 적당한 IF 주파수대로 떨어진 신호는 아래의 [수학식 3]과 같이 표시될 수 있다.
여기서, 적절한 오버샘플링(oversampling)을 하여 아날로그/디지털 변환기(ADC)(230)에서 나오는 출력 신호는 다음과 같이 표본화 이산 시퀀스(sampled discrete sequence)의 형태가 된다.
Figure 112006049589847-pat00002
여기서, Ts 는 표본화 피리어드(sampling period)이다. 나이키스트 샘플링 이론(Nyquist sampling theorem)을 만족시킬 정도로 샘플링을 수행하면 연속된 파(continuous wave)의 특성을 모두 가진 이산 시퀀스(discrete sequence)가 되므로 간단히 연속(continuous)한 수식으로 설명한다. 국부 발진기(Local Oscillator)(250)와 위상 동기 회로(PLL)(260)를 거쳐서 나오는 신호는 다음과 같은 형태를 가지고 있다.
Figure 112006049589847-pat00003
이 신호가 동위상(In phase) 형태로 믹서(mixer)(241)에 인가되고, 직교위상(Quadrature) 형태로 믹서(mixer)(242)에 인가되면 각 믹서(mixer)의 출력은 다음과 같다.
PN 코드 발생기(PN code generator)(290)에서는 자기의 임의적인 위상(phase)을 가지는 코드 워드(code word)를 지속적으로 발생시키는데, 일단 파일럿 채널(pilot channel)을 복구해내는 위쪽의 두 개의 I, Q 루프(loop)만을 고려할 경우 단일 비트(signed bit)에 대해서는 모듈로 2 애더(modulo-2 Adder)를 통과시키고 진폭(amplitude)에 대해서는 곱셈(multiplication)을 수행하는데 그 수행한 출력값은 상기 [수학식 6]과 같다.
파일럿(pilot) PN과 데이터(data) 확산 PN인 두 개의 신호 c1(t)와 c2(t)의 상호 상관(crosscorrelation)이 거의 없다면 두 번째 텀(term)들은 각각 무시할 수 있다. 따라서 I, Q 채널(channel)에서 각각 첫 번째 텀(term)만을 고려하면 아래의 [수학식 7]과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112006049589847-pat00005
적절한 데시메이션(decimation)을 거쳐서 고주파 성분의 영향을 없애면 각각의 신호는 아래의 [수학식 8]과 같은 식으로 간략히 표현된다.
Figure 112006049589847-pat00006
상기 [수학식 8]과 같은 샘플링 데이터(sampling data)들이 통합 & 덤프(Integrate & Dump) 회로(291, 292, 294)에서 코드 주기에 해당하는 시간 동안 적분을 수행하면(물론 discrete한 영역에서는 summation이 됨) 아래의 [수학식 9]와 같은 수식에 의해 표시된다.
Figure 112006049589847-pat00007
여기서, 결정 로직(decision logic) 회로(211)에서는 이 값들을 이용해 모르는 변수인 코드 위상(code phase)
Figure 112006049589847-pat00008
와 캐리어 위상(carrier phase)인
Figure 112006049589847-pat00009
를 추정해낸다.
여기서 코드 위상(code phase)
Figure 112006049589847-pat00010
에 대해서는 아래의 [수학식 10]을 이용한다.
Figure 112006049589847-pat00011
이 식을 이용하면 캐리어 위상(carrier phase)에 의한 영향을 완전히 없앨 수 있다. 즉, I2+Q2 이 완전히 캐리어(carrier)의 영향이 사라진 아래의 [수학식 11]과 같은 식으로 표현된다.
Figure 112006049589847-pat00012
따라서 I2+Q2이 최대가 될 때는
Figure 112006049589847-pat00013
일 때이다. PN 코드의 특성 중 자동 상관 관계(autocorrelation) 특성에 의해 결정된다.
이제 데이터 복구를 위해서는 캐리어 위상(carrier phase)의 복구를 수행한다. 캐리어 위상(carrier phase) 복구를 위해서는 아래의 [수학식 12]와 같은 논리 조건을 살펴보면 된다.
Figure 112006049589847-pat00014
이 경우에 최대가 될 조건은 당연히
Figure 112006049589847-pat00015
일 때이다. 이 조건을 통해 캐리어 락(carrier lock)이 걸리면 데이터 복구는 간단히 세 번째 루프(loop)를 통해 이루어진다. 간단히 수식적으로 정리하면 변수 중
Figure 112006049589847-pat00016
의 정보를 이미 파일럿을 통해 확보하였으므로 쉽게 복구된다.
Figure 112006049589847-pat00017
PN 코드 주기동안 데이터(data) 정보의 변화가 없으므로 D의 값을 구해낼 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은 정지궤도위성 하나만을 이용해 대략 우리나라 지형에서 약 전국적으로 100 ns 이내의 시각 동기 오차를 가지는 망 동기 시스템 구현에 이용될 뿐만 아니라, 기존 QPSK 복조기를 충분히 활용할 수 있는 부가적인 장점을 가지고 있으며, 파일럿 채널(I 채널)과 데이터 채널(Q 채널)이 서로 PN 코드와 캐리어 측면에서 직교성을 가지므로 서로 영향을 미치지 않는 우수한 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 망 동기를 위한 기준 클럭 송신 장치에 있어서,
    정밀 클럭을 발생하기 위한 정밀 클럭 발생 수단;
    상기 정밀 클럭 발생 수단으로부터의 정밀 클럭에 동기된 제 1 및 제 2 PN(Pseudo Noise) 확산 신호를 발생하기 위한 확산 신호 발생 수단;
    상기 정밀 클럭 발생 수단으로부터의 정밀 클럭에 따라, 타이밍 동기에 요구되는 각종 정보들을 정해진 데이터 포맷 형태의 신호로 발생하기 위한 데이터 발생 수단;
    상기 데이터 발생 수단으로부터의 데이터 신호에 상기 확산 신호 발생 수단으로부터의 제 2 PN 확산 신호를 곱하여 확산시키기 위한 확산 수단; 및
    상기 확산 신호 발생 수단으로부터의 제 1 PN 확산 신호와 상기 확산 수단으로부터 확산된 데이터 신호를 입력받아 변조시킨 후 정지궤도위성으로 송신하기 위한 변조 수단
    을 포함하는 기준 클럭 송신 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산 신호 발생 수단은,
    상기 제 1 PN 확산 신호를 상기 변조 수단의 파일럿 입력(I)으로 전달하는 것을 특징으로 하는 기준 클럭 송신 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 데이터 발생 수단의 상기 각종 정보들은, 시각 정보, 궤도 정보, 보정 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 클럭 송신 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 변조 수단은,
    4위상 편이변조(QPSK) 변조기인 것을 특징으로 하는 클럭 송신 장치.
  5. 삭제
  6. 망 동기를 위한 기준 클럭 수신 장치에 있어서,
    정지궤도위성으로부터 수신한 신호를 중간주파수 대역으로 변환 후 디지털 샘플링 시퀀스(sampling sequence)로 변환시키기 위한 수신 수단;
    디지털 샘플링 시퀀스로 변환된 데이터 신호 및 파일럿 신호 중 상기 데이터 신호에 대하여는 국부 발진기에서 발생된 신호 중 위상 변환된 신호와 혼합시키고, 상기 파일럿 신호에 대하여는 상기 국부 발진기에서 발생된 신호와 혼합시켜 복조하기 위한 복조 수단;
    상기 복조 수단을 통과한 상기 데이터 신호 및 상기 파일럿 신호에 대하여 역확산 과정을 수행하여 기준 클럭을 복구해 내기 위한 기준 클럭 복구 수단; 및
    상기 기준 클럭 복구 수단을 통하여 복구된 기준 클럭을 이용하여 데이터 신호를 복구해 내기 위한 데이터 복구 수단
    을 포함하는 기준 클럭 수신 장치.
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