KR100907814B1 - 클럭시뮬레이션 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정밀도를 요하는 시각정보시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소프트웨어 클럭시뮬레이터를 이용하여 보다 정밀한 시각정보를 제공하는 시각 정보시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따른 클럭시뮬레이션 방법은 클럭의 운용에 관한 입력, 클럭의 거동에 관한 입력, 클럭의 제어에 관한 입력을 사용자로 부터 입력받는 단계와, 상기 입력된 데이터를 바탕으로 운용관련입력을 내부변수화하고, 거동관련입력을 다항식 계수화 및 h-매개변수화하고, 제어관련 입력인 제어명령에 대해 제어주파수를 산출하는 초기화단계와, 초기화된 데이터를 바탕으로 시간간격에 맞추어 다항식계수와 제어명령으로부터 결정적 추세를 계산하고, h-매개변수로부터 여러 잡음 성분을 생성하여 합산하는 단계와, 시뮬레이션 종료시간까지 합산 단계를 반복하여 기준시각에 대해 클럭 출력을 정렬하여 사용자에게 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

클럭시뮬레이터, 항법 위성, 통신, 주파수원, 결정적 추세, 추계적 잡음

Description

클럭시뮬레이션 방법{Clock Simulation Method}

도 1은 본 발명에 따른 클럭시뮬레이터의 구성과 이로부터 앙상블 시간을 출력하는 과정을 보여주는 흐름도.

도 2는 본 발명에 따른 결정적 추세와 추계적 잡음과 외부기준시각을 합산하여 클럭 시뮬레이터의 출력을 보여주는 흐름도.

도 3은 본 발명에 따른 클럭시뮬레이션 과정을 보여주는 흐름도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

11:클럭시뮬레이터,

12:N번째 클럭출력,

13:먹스단,

21:결정적 추세,

22:추계적 잡음,

23:외부기준시,

24:클럭 출력.

본 발명은 정밀도를 요하는 시각정보시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소프트웨어 클럭시뮬레이터를 이용하여 보다 정밀한 시각정보를 제공하는 시각 정보시스템에 관한 것이다.

정밀 시각정보 시스템은 항법 및 통신 분야의 중요부분 중 하나로서 정보 통신분야의 대표적인 상품 중의 하나인 휴대전화기의 경우 통신 사업자들의 약 12,000개가 넘는 이동 통신 기지국들이 1㎲이내의 정도로 시계를 일치시키고 이 시계의 동기를 위해서 GPS(Global Positioning System) 위성을 이용하고 있다.

GPS 이용 시각정보의 정밀도는 현재 수십 ns의 성능을 보유하고 있으나, 시스템 운용국가인 미국에서는 정확도 및 안정성을 보장하지는 않는 취약점을 갖고 있다. 따라서 미국의 필요에 따라서 유사시에는 시계의 성능을 임의로 변경시킬 수 있으므로 이용자 측면에서 신호의 신뢰성을 보장받을 수 없다.

향후 점차적으로 대용량의 데이터 교환을 위해 시각 동기 정확도가 증가될 전망이며, 이러한 경향에 비추어 볼 때 현재 보다 더 정밀한 사양을 가지면서 GPS 서비스가 불능상태가 될 경우 독립적인 시각동기 기능을 할 수 있는 시각 정보시스템이 요구되고 있다.

위성항법 분야의 경우 정밀시각 정보는 바로 항법해의 정확도와 직결되므로 항법위성내 원자시계 및 수신기 시계에 대한 설계와 분석은 계속적으로 되어 왔다. 하지만 국내 항법 분야의 경우 자체 항법위성을 가지고 있지 않으므로 위성 항법용 정밀시스템 설계의 경험이 거의 전무하며, 시스템 설계를 위한 툴도 개발되어 있지 않은 실정이다. 국외의 경우 유럽 연합의 갈릴레오프로젝트를 위한 시각 정보시스템의 개발을 담당하고 있는 독일에서 GSSF(Galileo Simulation Software Facility)과 NavSim 등을 개발하였는데, 제공되는 클럭의 모델링이 백색위상 잡음에만 국한이 되는 등 실제 클럭거동을 묘사하는 데 다소 제약이 있는 것이 사실이다.

실제로 고정밀도를 요구하는 항법 위성 시스템 타임의 경우 단일 클럭의 안정도로 그 성능 요구 조건을 만족시키지 못하므로 다수의 서로 다른 종류의 클럭을 앙상블을 구성하고 있는데, 앙상블 클럭의 경우 복잡성의 증가로 인해 시스템의 최적화가 어려운 단점을 갖는다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자 안출한 것으로써 정밀 시각 정보시스템의 설계시에 다양한 설계 변수의 변화로 인한 클럭 거동의 영향, 다수 클럭을 이용한 시각 시스템 설계시 알고리즘 변화에 따른 안정도 변화를 계산하는 것이 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제 2 목적은 원자시계에서 정밀주파수원까지 여러 종류의 클럭의 거동을 사용자로부터 입력받아 사용자 입력을 만족시키는 클럭 출력을 생성하는 데, 이 때 기존 방법보다 좀더 실제 거동에 가깝게 시뮬레이션하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

본 발명에 따른 클럭시뮬레이션 방법은 클럭의 운용에 관한 입력데이터, 클럭의 거동에 관한 입력데이터, 클럭의 제어에 관한 입력데이터를 사용자로부터 입력받는 단계와, 상기 입력된 데이터들을 바탕으로 운용관련입력을 내부변수화하고, 거동관련입력을 다항식 계수화 및 h-매개변수화하고, 제어관련 입력인 제어명령에 대해 제어주파수를 산출하는 초기화단계와, 상기 초기화된 데이터를 바탕으로 시간간격에 맞추어 다항식계수와 제어명령으로부터 결정적 추세를 계산하고, h-매개변수로부터 여러 잡음 성분을 생성하여 합산하는 단계와, 시뮬레이션 종료시간까지 합산단계를 반복하여 기준시각에 대해 클럭 출력을 정렬하여 상기 사용자에게 제공하는 단계를 포함하는 것은 특징으로 한다.

현재 널리 사용되는 위성 탑재용 클럭시뮬레이터(11)의 경우 위상 및 주파수 오프셋과 가우시안 위상 백색잡음을 모델링하는 반면 실제 클럭데이터의 출력 결과를 보면, 시계 종류에 따라 주파수 오프셋과 드리프트 그리고 위상 및 주파수 백색잡음, 플리커 잡음, 랜덤 워크 잡음 등의 성분이 같이 나타나는 것이 일반적이다. 따라서 보다 사실적인 클럭모사를 위해 열거된 모든 성분을 클럭의 종류에 따라 적절히 조절하여 출력함이 필요하다.

추가로 항법 위성내 탑재된 원자 시계의 시뮬레이션은 클럭 점프와 같은 클럭의 이상 동작이 항법 시스템 전체에 큰 영향을 미치므로 위성 탑재용 클럭의 설계에 사용할 경우에는 클럭의 이상 신호를 시뮬레이션할 수 있도록 하고, 또한 여러 대의 클럭 시뮬레이션을 수행할 경우 시각동기 명령을 수행할 필요가 존재하므 로 이와 같은 사용자 입력을 만족시키도록 처리할 수 있어야 한다.

본 발명은 항법 위성 등에 사용되는 세슘, 루비듐, 수소 메이저와 같은 원자시계에서 GPS수신기 등 통신 장비에 사용되는 TCXO(Temperature Compensation Crystal Oscillator), OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillaor)와 같이 정밀주파수원까지 여러 종류의 클럭의 거동을 묘사하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 사용자로부터 성능지표와 기타 클럭정보를 입력받아 사용자 입력을 만족시키는 클럭 출력을 생성하는 데, 이 때 기존 방법보다 실제 거동에 가깝게 클럭을 시뮬레이션하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 클럭시뮬레이터(11)의 구성과 이로부터 앙상블 시간(14)을 출력하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 클럭시뮬레이터(11)는 사용자의 입력을 받아 시스템 모델에 따라 다수의 클럭을 출력하게 된다.

이에 대해 더 상세히 설명하면, 도 1은 사용자의 입력을 받아 이에 대한 본 모델에 따라 다수의 클럭을 출력한 후 이를 먹스단(13)에서 선별하여 앙상블 시간(14)을 출력하는 것을 보여주는 개념도이다. 먼저 사용자 입력으로는 운용관련 입력, 거동 관련입력, 제어관련입력으로 구별할 수 있다. 여기서 운용관련 입력은 클럭의 종류와 시간간격, 시뮬레이션 시간에 대한 입력을 말한다. 이는 클럭의 종류에 따라 차이가 나므로 도 1에 도시된 클럭 1에서 클럭 N(12)까지 다른 값을 갖도록 설계하는 것이 가능하다.

거동관련 입력은 위상 오프셋, 주파수 오프셋, 주파수 드리프트, 잡음 스펙트럼 밀도를 말한다. 여기서 잡음 스펙트럼 밀도는 클럭의 단기 및 장기 안정도 수 준 및 안정도 패턴을 표시한다.

또한 제어관련 입력은 클럭의 이상 신호 시뮬레이션이나 시각 동기명령과 같은 제어 명령을 말하는 것으로 제어주파수를 산출하는 형태로 나타난다. 이러한 클럭의 운용 관련입력데이터, 거동 관련입력데이터, 제어관련 입력데이터를 받게 되면, 이에 따라 시스템 내부에서 적절한 내부 변수로 변화시키고, 다항식 계수화, h-매개변수화, 제어 주파수 산출하는 단계를 거친 후 결정적 추세(21)과 잡음 성분을 생성하여 합산하게 된다. 이로부터 각각의 클럭에 대한 클럭 출력이 만들어지면 먹스단(13)에서 데이터를 선별하는 작업을 수행하여 앙상블시간(14)을 출력하게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 시각의 출력과정을 보여주는 개념도이다. 도 2에서 알수 있는 바와 같이 결정적 추세(21)은 초기 위상 오프셋과 주파수 오프셋, 주파수 드리프트로 구성되어 있다.

동일 주파수의 반송파를 송신하는 무선국을 많이 설치할 필요가 있을 경우 수신측의 장애를 방지하기 위해 반송파의 주파수를 약간 변경하여 송신할 수 있다. 이 때 실제 사용주파수와 약간 변경하여 사용하는 공칭 주파수간의 차이, 예를 들어 A가 공칭주파수이고, A보다 인위적으로 낮거나 높게 한 주파수를 B라 하면, 이 B의 주파수를 A의 주파수 오프셋이라고 한다. 이러한 주파수 오프셋기술은 텔레비젼 방송이나 표준 주파수 송출시 널리 활용되고 있다. 국제기구에서는 주파수 자원 활용측면에서 활용을 권고하고 있다.

또한 추계적 잡음(22)은 랜덤 잡음이라고 하는 데, 결정적 추세(21)이 완전히 구체화된 시간의 함수로 표현되는 신호를 말한다면 추계적 잡음(22)의 경우에는 미리 정확히 예측할 수 없는 신호로 통계적 성질의 관점에서의 신호를 말한다. 이러한 추계적 잡음(22)의 경우에는 클럭의 종류에 따라 다른 특성을 보이고 또한 백색 위상 잡음, 백색 주파수 잡음, 플리커 잡음 등이냐에 따라 다른 h-매개변수값을 갖도록 설계되어야 한다.

여기에 한국 표준시나 기준시각과 같은 기준시(23)를 합산하여 클럭시뮬레이터(11)의 출력을 구성하게 된다. 이러한 클럭시뮬레이터의 출력(24)은 결정적 추세(21)과 클럭 점프 등의 이상거동을 포함하기 위해서 등간격으로 결과 샘플링을 가정하여야 하므로 [수학식1]과 같이 표현하는 것이 가능하다.

여기서,

T_ref:기준시각,

T₀:초기위상오프셋,

f_i:i번째 주파수,

Δt:시간 간격.

여기서 f_i 는 결정적 추세(21)과 추계적 잡음(22)에 의한 성분, 그리고 클럭 이상 거동을 묘사하기 위한 제어 입력성분으로 나뉘는 데 이를 수식으로 표현하면, [수학식 2]와 같이 된다.

여기서,

f_{steer _i}:주파수제어입력,

f₀ :초기주파수오프셋,

dj :j번째 주파수 드리프트.

p_i :i번째 잡음 프로세스.

잡음 성분은 랜덤프로세스로 모델링되는데 주파수 영역에서 각각의 전력 스펙트럼밀도를 h-매개변수(h₂, h_{1 ,} h₀, h_-1, h_-2)를 이용하여 표시하면 [수학식3]과 같다.

[수학식 3]에서 우변의 항은 차례대로 백색위상 잡음, 플리커 위상잡음, 백색주파수 잡음, 플리커 주파수 잡음, 랜덤 워크 잡음을 나타낸다.

백색잡음은 열잡음이라고 하는 데, 열 잡음의 주된 특징은 전력 스펙트럼 밀 도가 거의 모든 주파수 대역(D.C.~10¹² Hz)에 걸쳐 동일하다는 것이다. 즉 열 잡음을 발생시키는 잡음원은 단위 대역폭당 동일한 잡음 전력을 발생시키는 것이다. 따라서 잡음 전력스펙트럼밀도를 간단한 상수로 표시할 수 있다. 이 때 백색 잡음이 주파수 범위는 양수(+)의 주파수 대역과 음수(-)의 주파수 대역에 모두 분포한다. 이 잡음이 백색잡음이라고 이름지어진 것은 가시 주파수 대역에서의 흰 빛은 모든 주파수 성분을 고르게 포함한다는 사실로부터 온 것이다. 백색잡음의 자기 상관함수는 잡음 전력 스펙트럼 밀도의 푸리에 역변환으로 구할 수 있다.

또한 이러한 백색 잡음의 자기상관 함수는 t=0에서 가중치 상수N₀ /2를 갖는 임펄스 함수이다. 여기서 이러한 자기 상관함수 R_x(τ)의 그림을 보면 τ가 0이 아닌 곳에서는 값을 갖지 않으며, 이는 백색잡음은 두 잡음 샘플을 아무리 가까운 위치에서 취한다 하더라도 서로 상관되어 있지 않다는 것을 의미한다. 또한 백색잡음의 평균전력은 대역폭이 무한대이므로 무한대의 값을 갖는다.

플리커 잡음은 전기적인 잡음의 일종이다. 여기서 1/f잡음이라고 불리우는 데 이는 거의 모든 전기 장비에서 발생한다. 플리커 잡음은 능동소자의 내부에서 발생하는 잡음을 주파수 축으로 죽 표시했을 대 저주파 쪽에서 갑자기 크게 증가하는 현상으로 보인다.

이것의 원인은 전자이동도와 관련된 것으로 추측되나 명백한 원인은 밝혀지지 않은 것으로 알려져 있다. 주로 100MHz이하로 내려오면 이러한 소자의 내부 잡음이 증가한다. 일반적인 경우 고주파 회로를 구성하는 경우에는 이런 저주파에서 튀는 잡음이 별 영향이 없겠지만 발진기의 경우에는 중요한 문제가 된다.

발진기는 스펙트럼 상에서 원하는 한 주파수에서 피크처럼 샤프하게 파형이 떠야 좋겠지만, 실제로는 샤프하지 않고 그냥 좀 뾰족한 모양, 즉 발진주파수에서 옆으로 나아가면서 경사도가 급격히 줄어드는 형태로 나타난다. 이것이 얼마나 급격히 줄어듦으로써 발진기가 원하는 주파수에서만 발진되는 지 여부를 체크하는 지표가 바로 위상잡음이다.

위와 같은 전력스펙트럼 밀도들의 타임시리즈를 구할 수 있다. 이 때 시뮬레이션 대상 클럭의 종류에 따라 유효한 잡음 성분이 달라지므로 적절하게 잡음 성분을 조합하는 것이 필요하다.

한편 클럭시뮬레이터 출력(24)을 외부 기준시(23)와 비교하여 출력신호를 정렬하는 것이 필요하다. 즉 이때 사용자 입력에 선택한 사항을 바탕으로 GNSS(Global Navigation Satellite System) 등에서 유지되는 시스템 타임이나 세계 협정시, 한국표준시 등을 기준시로 삼아 클럭 출력을 정렬하는 것이 가능하다.

도 3은 본 발명에 따른 클럭 출력과정을 나타내는 흐름도이다. 먼저 사용자로부터 클럭의 운용관련 입력, 거동관련 입력, 제어관련 입력을 받아야 한다(S10). 클럭의 운용관련 입력은 클럭의 종류와 시뮬레이션 기간, 시간 간격 등이 이에 해당한다. 또한 거동 관련 입력은 클럭 위상 및 주파수 오프셋과 드리프트, 잡음 스펙트럼 밀도를 포함하는 입력으로 잡음 스펙트럼 밀도는 클럭시스템의 단기 및 장기 안정도 수준 및 안정도 패턴을 나타낸다. 또한 제어관련 입력은 클럭이상 동작모사 또는 동기 명령 등이 이에 해당한다.

이처럼 사용자로부터 입력을 받으면, 입력된 데이터를 바탕으로 운용관련 입력을 프로그램 내의 적절한 내부 변수로 변화하고 거동관련 입력을 클럭 모델링상의 다항식 계수화 및 h-매개변수화하며 제어 관련 명령이 있을 경우 적절한 제어주파수를 산출하게 된다(S20).

이렇게 산출된 다항식 계수와 제어 입력으로부터 결정적 추세(21)을 계산하고, h-매개변수로부터 백색 잡음 및 플리커 잡음을 생성한 후 이를 수치적으로 미적분하여 필요한 여러 잡음 성분을 생성하여 합산한다(S30).

앞에서 사용자로부터 입력된 시뮬레이션 기간으로부터 시뮬레이션 기간이 종료될 때까지 클럭 출력을 정렬한다. 그 후 총 기간 동안의 클럭 거동을 타이밍 테이블 형태로 완성하고 알렌 분산 등의 클럭출력에 대한 통계치를 계산한다. 이러한 계산결과를 사용자에게 제공하는 단계를 거쳐 클럭 시뮬레이션을 제공한다(S40).

최종적으로 사용자 입력 성능 지표로부터 계산된 클럭의 결정적 거동과 백색잡음 및 플리커 잡음으로부터 유도된 다양한 추계적 잡음(22), 그리고 외부 기준시(23)를 합하게 된다. 이러면 원자시계, TCXO 등의 사용자가 입력한 성능지표에 맞는 클럭 출력을 생성할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 정밀시각 정보시스템은 위성항법에 쓰이는 고정밀도의 원자시계나 수신기 내부의 TCXO 등을 실제 클럭과 유사하게 모델링하는 것이 가능하다.

또한 동기식 통신 분야 등에 필수적으로 요구되는 정밀시각 정보시스템을 구성할 때 본 발명을 이용하여 다양한 시스템 설계옵션에 대한 성능 예측 및 평가를 수행할 수 있다. 이렇게 되면 실제 구현시에 들어가는 비용 및 시간을 절감할 수 있는 효과가 있다.

추가적으로 단일 클럭 뿐만아니라, 고정밀 시스템 타임 생성시에 사용되는 앙상블 클럭을 구현할 경우에 적용이 가능하다. 즉 다수의 클럭에 대한 각각의 성능 변수 변화에 대한 전체 앙상블 클럭의 성능에 대한 영향, 각 구성 클럭의 앙상블 알고리즘 테스트 등에도 적용될 수 있다.

Claims (8)

1. 클럭의 운용에 관한 입력데이터, 상기 클럭의 거동에 관한 입력데이터, 상기 클럭의 제어에 관한 입력데이터를 사용자로부터 입력받는 단계(S10)와;

   상기 단계(S10)에서 입력된 데이터에 기초하여 운용 관련 입력을 내부변수화하고, 거동 관련입력을 다항식 계수화 및 h-매개변수화하고, 제어 관련 입력인 제어 명령에 대해 제어주파수를 산출하는 초기화 단계(S20)와;

   상기 초기화된 데이터를 바탕으로 시간 간격에 맞추어 다항식 계수와 제어명령으로부터 결정적 추세(21)을 계산하고, h-매개변수로부터 복수의 잡음 성분을 생성하여 합산하는 단계(S30)와;

   시뮬레이션 종료시간까지 상기 합산단계(S30)를 반복수행함으로써 기준시각(23)에 대해 클럭 출력을 정렬한 뒤 출력하는 단계(S40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 클럭시뮬레이션 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 클럭의 운용에 관한 입력데이터는 클럭의 종류와 시간 간격, 시뮬레이션 기간에 대한 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 클럭시뮬레이션 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 클럭의 거동에 관한 입력데이터는 위상과 주파수 오프셋, 주파수 드리 프트, 잡음 스펙트럼 밀도를 포함하는 것을 특징으로 하는 클럭시뮬레이션 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 클럭의 제어에 관한 입력데이터는 상기 클럭의 이상 신호 시뮬레이션과 시각 동기 명령을 포함하는 것을 특징으로 하는 클럭시뮬레이션 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 잡음성분은 백색위상 잡음, 플리커 위상잡음, 백색주파수 잡음, 플리커 주파수 잡음, 랜덤워크 잡음으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 클럭시뮬레이션 방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 잡음성분의 잡음 스펙트럼 밀도는 [수학식 3]으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 클럭시뮬레이션 방법.

   [수학식 3]

   
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8. 삭제

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