KR102067795B1

KR102067795B1 - Vdes 기반의 해안국 통신 시스템

Info

Publication number: KR102067795B1
Application number: KR1020190105581A
Authority: KR
Inventors: 김준태; 유진호; 손금준
Original assignee: 사단법인 한국선급
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2020-01-17

Abstract

본 발명은 VDES 기반의 해안국 통신 시스템에 관한 것으로서,
보다 구체적으로는, ITU-R 2092에 권고 되고 있는 VDE의 Spectrum Mask 규격에 대하여 최적화된 설계를 갖는, 해상 VHF 주파수 대역에서 ASM, VDE 메시지를 송수신하는 VDES(VHF Data Exchange System) 기반의 해안국 통신 시스템에 관한 것이다.

Description

VDES 기반의 해안국 통신 시스템{COMMUNICATION SYSTEM OF COAST STATION BASED VDES}

본 발명은 VDES 기반의 해안국 통신 시스템에 관한 것으로서,

보다 구체적으로는, ITU-R 2092에 권고 되고 있는 VDE의 Spectrum Mask 규격에 대하여 최적화된 설계를 갖는, 해상 VHF 주파수 대역에서 ASM, VDE 메시지를 송수신하는 VDES(VHF Data Exchange System) 기반의 해안국 통신 시스템에 관한 것이다.

VDES의 주파수 채널 할당은 ITU-R M.2092 권고안에서 [표 1]과 같이 권고된다.

위 [표 1]에서 보듯이 VDE shore to ship, ship to ship의 VDE1-B 채널은 25kHz bandwidth로 4개 채널이며, AIS, ASM 채널은 25kHz bandwidth로 각각 2개 채널로 구성되어 있다. 채널간 이격이 없이 주파수가 연속적으로 할당되어 시스템 운용 시 interference 문제를 해결하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있다.

VDE1-B 채널은 25kHz, 50kHz, 100kHz 대역으로 사용 될 수 있으며 각각의 모듈레이션 방식은 QPSK, 8PSK, 16QAM 이다. ITU-R M.2092에서는 VDES의 transmitter power각각의 대역폭에 따른 스펙트럼 마스크를 아래 [표 2]와 같이 권고하고 있으며, 현재 권고안에 따른 spectrum mask 에 대한 분석 보고서가 제안되고 있다.

한편, ITU-R M.2092에서 제시하고 있는 Frequency plan에서 VDE shore to ship 주파수 채널에 대한 Spectrum Mask 권고안을 분석하고 실제 VDE 해안 국 송신기를 설계함에 있어 송신 스펙트럼에 영향을 미치는 IMD 특성을 시뮬레이션을 통해 확인한다. 송신기 출력은 PAPR 특성을 고려하여 일정한 Back off 특성을 가지도록 설계하며, VDE 100khz 채널의 경우 16QAM 모듈레이션 특성을 가지므로 최대 7dB의 back off 를 가지도록 Final amp의 FET를 선정하였다.

이때, 송신기 출력에서 얻을 수 있는 IMD 특성은 최대 -40dBc정도이며, 이 경우 권고안 ITU-R M.2092에서 제시하고 있는 spectrum mask 규격을 만족시키지 못하기 때문에, 규격을 만족시키기 위해서는 송신기에 선형화기를 적용시키는 것이 바람직할 것으로 판단되었으며, 구체적으로는 아래와 같다.

ITU-R M.2092에서 권고한 Maximum adjacent power levels 을 만족하기 위해서는 transmitter에서 발생하는 inter modulation distortion(IMD) 특성을 분석할 필요가 있다. 본 발명에서 Inter modulation 특성을 분석하기 위해 일반적으로 사용되는 Two-tone 신호 입력에 대한 출력 신호 분석 방법을 사용한다.

VDE 채널은 위에서 언급한 바와 같이 25kHz, 50kHz, 100kHz 채널로 운용되는데 여기서는 100kHz 채널에 대한 Two-Tone 신호 분석을 통해 출력 IMD성분의 주파수 특성을 분석한다.

예를 들어 VDE1-B 채널에 대한 two-tone 입력 신호에 대한 출력 IMD 성분의 주파수 특성을 보면 입력된 신호의 좌,우로 채널 대역폭 만큼 이격 된 주파수에서 IMD 성분이 출력되는 것을 볼 수 있다.

위의 Two-tone signal 분석의 결과, Amplifier에 의한 IMD 출력 특성은 25kHz channel bandwidth를 가지는 신호에 대하여 [표 5]와 같은 특성을 가진다.

25kHz의 채널 대역폭을 갖는 신호의 출력 IMD 특성이 [표 5]와 같이 나타나고, [표 3]의 VDE 채널별 Maximum adjacent power levels과 [표 5]에서 얻은 출력 IMD 그래프를 overlap 시키면 출력 IMD 성분 중 일부는 -60dBc 이하여야 한다는 결론을 얻게 된다.

ITU-R M.2092에서 정의된 VDE 신호의 모듈레이션 방식과 Symbol Rate를 통해 모뎀에서 출력되는 신호의 Spectrum 파형을 시뮬레이션 하고 이 신호가 RF Transmitter 를 통과 하였을 때의 출력 스펙트럼 파형을 시뮬레이션 하여 ITU-R 2092에서 정의된 Spectrum Mask 규격을 만족하기 위한 RF Transmitter의 구조 및 성능규격을 이끌어 낼 수 있다.

먼저, VDE 신호의 모듈레이션 방식과 Symbol Rate를 요약해 보면 아래 [표 7]과 같다.

모뎀에서 출력되는 IF 주파수를 70MHz라고 하였을 때 각각의 스펙트럼을 simulation 하면 아래 [표 8]과 같다.

모뎀에서 출력되는 70MHz의 IF 신호는 아래 [표 9]와 같이 일반적인 RF Transmitter에 의해 Carrier 주파수로 up-conversion 되어 안테나로 인가된다.

앞에서 설명한 바와 같이, RF Transmitter의 비선형 소자들로 인해 IMD 성분을 비롯한 Spurious들이 발생하는데 Spectrum Mask 규격에 영향을 미치는 IMD 성분을 시뮬레이션을 통해 얻을 수 있다.

(a) Back off = 7dB

(b) Back off = 9dB

(c) Back off = 12dB

위 [표 9]의 (a), (b), (c) 는 VDE 25kHz channel 에 대해 각각의 송신 출력 증폭기 Back-off 를 7dB, 9dB, 12dB 로 구성하였을 때 출력 스펙트럼이다.

이에 따르면, 중심 주파수로부터 IMD 성분으로 인해 ±25 kHz < △fc < ±75 kHz 영역에서 -60dBc의 규격을 만족 시키지 못한다. VDE 50kHz, 100kHz 또한 이와 유사한 IMD 출력 특성을 보인다.

이 부분을 해결하기 위한 방법으로는, 첫째, 송신기 출력 단에 협 대역 Band Pass filter를 적용하는 방법과 둘째, 선형화 기술을 적용하여 구현하는 방안이 있다.

첫번째 경우는, VHF 대역에서 25kHz 대역폭의 필터로 스펙트럼 Mask를 만족하는 rejection 특성과 삽입 손실을 모두 만족하는 필터 구현이 불가능하다.

두 번째 경우는, analogue Pre-Distortion (APD)와 Digital Pre Distortion (DPD) 기법 등을 적용하여 구현 가능하며 선형화 기법을 적용하여 회로를 구현하는 일은 다소 회로의 복잡성과 구현 난이도가 높은 기술이나 통신 분야에서 많이 적용 구현되어 있는 기술로 구현 가능성이 높다.

관련된 기술로서, 공개특허공보 제10-2019-0011500호에는 VHF 데이터 교환 시스템의 해양 네트워크 프로토콜 방법이 기재되어 있다.

상기 기술은, VHF 데이터 교환 시스템의 해양 네트워크 프로토콜 방법을 공개한다. 이 방법은 유니캐스트 서버 또는 외부 디바이스가 생성한 유니캐스트 데이터를 육상국이 수신하여 육상국으로부터의 유니캐스트 버전을 초기화시키는 해양 네트워크 프로토콜 방법에 있어서, (a) 상기 육상국이 선박국으로 게시판 신호 및 알림 네트워크 프로세서 메시지를 전송하는 단계; (b) 상기 선박국이 상기 게시판 신호 및 상기 알림 네트워크 프로세서 메시지를 인가받아 상기 육상국으로 응답 신호를 전송하는 단계; (c) 상기 육상국이 상기 응답 신호를 인가받아 상기 선박국으로 자원 할당 신호 및 복수개의 파일 전송 신호를 전송하는 단계; 및 (d) 상기 선박국이 상기 자원 할당 신호 및 상기 복수개의 파일 전송 신호를 인가받아 상기 육상국으로 확인 신호를 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 따르면, 해상 초단파 대역 디지털 데이터 통신을 위한 선박 네트워크에서 초단파 대역 데이터 링크의 채널 사용의 과부하를 방지하며, 선박국-육상국, 선박국-선박국 간의 다양한 해상 어플리케이션을 통한 비안전 디지털 데이터 교환을 효율적으로 제공하게 되는 것을 기재하고 있다.

그 외에도, 등록특허공보 제10-1937340호의 VHF 데이터 교환 시스템의 채널 사용 방법과, 공개특허공보 제10-2019-0068307호의 해상 통신을 위한 송수신 슬롯 관리 장치 및 방법과, 선박용 초단파 데이터 교환 시스템과, 등록특허공보 제10-1986286호의 해상용 초단파 데이터 교환 시스템에서의 기지국 제어 장치 및 방법이 기재되어 있다.

그러나 상술된 선행기술들의 경우, VDE 25kHz, 50kHz 및 100kHz channel에 대해 각각의 송신 출력 증폭기 Back-off를 7dB, 9dB, 12dB 로 구성하였을 때, 중심 주파수로부터 IMD 성분으로 인해 ±25 kHz < △fc < ±75 kHz 영역에서 -60dBc의 규격을 만족 시키지 못하는 문제점을 해결하기 위한 고려를 하지 않고 있다.

공개특허공보 제10-2019-0011500호(2019.02.07.) 등록특허공보 제10-1937340호(2019.01.10. 공고) 공개특허공보 제10-2019-0068307호(2019.06.18.) 등록특허공보 제10-1986286호(2019.06.07. 공고)

본 발명의 목적은, ITU-R 2092에 권고 되고 있는 VDE의 Spectrum Mask 규격에 대하여 최적화된 설계를 갖는, 해상 VHF 주파수 대역에서 ASM, VDE 메시지를 송수신하는 VDES(VHF Data Exchange System) 기반의 해안국 통신 시스템을 제공하는데 있다.

상술된 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에 따른 VDES 기반의 해안국 통신 시스템은,

VDE 채널에 대해 송신 출력 증폭기 Back-off를 7dB, 9dB 및 12dB로 구성하였을 때, 중심 주파수로부터 IMD 성분으로 인해 ITU-R 2092에 권고 되고 있는 Spectrum Mask 규격에 맞출 수 있도록 설계된 해상 VHF 주파수 대역에서 ASM, VDE 메시지를 송수신하는 VDES 기반의 해안국 통신 시스템에 있어서,

상기 해안국 통신 시스템은,

(a)해안국 송수신기와, (b)부수장비 및 (c)해안국 제어장치를 포함하여 구성되되,

(a-1) 상기 해안국 송수신기는,

제어모뎀반, 하향변환반, 증폭반 및 전원반을 포함하여 VDES 운용주파수 대역별로 나누어 동작하는 구조를 갖되,

하나의 대역은, ASM 송수신 대역으로 제어모뎀반(MDM)에서 생성된 ASM 송신 신호는 증폭반1(PAM1)에서 증폭되어 ASM 안테나 포트로 출력되고, 안테나로 유입된 ASM 수신신호는 증폭반1과 하향변환반(UDM)을 거쳐 제어모뎀반(MDM)으로 전달되며,

다른 하나의 대역은, VDE 수신대역으로 안테나 포트로 유입된 VDE 수신신호는 하향변환반(UDM)을 거쳐 제어모뎀반(MDM)에 전달되고,

또 다른 하나의 대역은, VDE TX 대역으로 제어모뎀반(MDM)에서 생성된 VDE 송신신호는 증폭판2(PAM2)에서 증폭되어 VDE 송신 안테나 포트로 출력되며,

(a-2) 상기 제어모뎀반은,

외부 연동 장비간 요구되는 인터페이스를 제공하는 기능을 수행하는 인터페이스부와,

Turbo 방식의 채널코딩; 비트 스크램블링; π/4 QPSK, 8PSK, 16QAM의 변조; 및 전송 신호 파형 성형;의 기능을 수행하는 모뎀 변복조부와,

모뎀 변복조부로부터 생성된 I/Q신호를 아날로그로 신호로 변환하는 기능을 수행하는 DAC 신호 변환부와,

아날로그로 들어오는 신호를 디지털 신호로 변환시켜주는 기능을 수행하는 ADC 신호 변환부와,

기준클럭용 TCXO(10MHz, 1ppm)를 내장하고 있으며 기준클럭을 분배하여 증폭반, 하향변환반 및 내부 기준클럭을 공급하는 기능을 수행하는 클럭 생성부를 포함하고,

(a-3) 상기 하향변환반은,

VHF 안테나를 통해 수신되는 ASM, VDE 신호를 IF 주파수 10.7MHz로 주파수 하향변환하여 제어모뎀반느오 인가하는 기능을 수행하되,

ASM채널수신부와,

VDE 25kHz, 50kHz 및 100kHz에 대한 하향 변환을 수행하는 VDE채널수신부와,

VHF 대역 ASM, VDE 신호를 10.7MHz의 IF 주파수로 하향변환하기 위한 Local Frequency를 생성하는 Local부를 포함하여 구성되고,

(a-4) 상기 증폭반은,

상기 제어모뎀반으로부터 70MHz 대역, -15dBm의 신호를 입력 받아 상향 변환 후 증폭기에 의해 160MHz 대역 50Watt의 신호를 출력하는 VDE 증폭반과,

상기 제어모뎀반으로부터 70MHz대역, -15dBm의 신호를 입력받아 상향 변환 후 160MHz 대역의 12.5Watt 신호를 출력하는 ASM 증폭반을 포함하며,

(a-5) 상기 전원반은,

상기 제어모뎀반으로부터 입력되는 70MHz 대역의 신호에서 발생하는 Spurious 및 Harmonic 성분을 포함하는 대역 외 신호를 제어하기 위해 사용되고, 중심주파수 70MHz 기준 300kHz의 대역통과 특성을 갖는 IF Saw Filter와,

70MHz의 IF 신호를 160MHz 대역의 VDE, ASM Carrier 주파수 대역으로 상향 변환하는 Mixer와,

Drive Amp의 입력레벨에 맞는 신호를 인가하기 위하여 상향 변환된 신호를 증폭시키는 Gain Amp와,

Main Amp의 입력레벨까지 신호를 증폭하는 역할을 수행하는 Drive Amp와,

상기 Drive Amp의 출력으로부터 신호를 입력받아 50Watt(VDE), 12.5Watt(ASM)의 출력신호로 증폭하는 Main Amp와,

송신과 수신 Pass를 Switch를 통해 선택하는 기능을 수행하는 Tx/Rx Switc를 포함하는 회로로 구성되며,

(b-1) 상기 부수장비는,

VHF 안테나, 전단처리부, GPS 안테나 및 케이블류를 포함하되,

(b-2) 상기 VHF안테나는,

VDES 해안국에 적용되어 통신장비간 Air Interface Link를 제공하는 장치로 송신 시 장비의 전기적 신호를 자유공간으로 전파하기 위한 전자기파 신호로 변환하고, 수신 시 자유공간의 전자기파 신호를 장비에서 처리 가능한 전기적 신호로 변환하고,

152 ~ 162 MHz에서 무지향성 방사 패턴을 갖도록 동작하기 위하여, 반파장 다이폴로 기본 소자로 구성되며,

(b-3) 상기 전단처리부는,

Full Duplexer 방식에서 VDE 송신과 ASM 송수신을 수행하고, VDE 수신단 전단에서 채널간 interference를 방지하기 위해 송수신부와 안테나 간에 설치되며, VDE 송신부 Cavity filter; ASM 송신/수신부 Cavity Filter; VDE 수신부 Cavity Filter; 및 ASM 수신과 VDE 수신을 구분하는 Duplexer;로 구성되고,

(c-1) 상기 해안국 제어장치는,

VDES 해안국 제어 S/W를 설치하여 운용하며, Ethernet을 통해 VDES 해안국 송수신기를 제어/모니터링하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 하향변환반의 ASM채널수신부는,

수신부를 과입력으로부터 보호하는 Limiter; 수신부에 입력되는 신호를 20dB coupling 하여 수신되는 신호의 세기를 Detector를 통해 모니터링 하기 위해 사용되는 Directional coupler; 수신된 신호를 초단 증폭하는 역할이며, 수신단 전체 잡음지수를 줄이기 위해 Noise Figure 가 VHF 대역에서 0.4dB 이하인 소자를 사용하는 LNA; ASM1 과 ASM2 채널에 대한 수신경로 분리를 위해 사용되며, 채널간 간섭을 방지하는 Power Divider; 수신부 입력단에 일정한 크기 이상의 신호가 입력되면, Parallel mode 또는 Serial Mode에 의해 신호를 30dB 감쇄시켜 ASM1, ASM2 채널의 수신이득을 조정하는 Digital Attenuator; VHF 대역 주파수를 10.7MHz 주파수 대역으로 하향 변환하기 위해 사용되는 mixer; 및 70MHz Saw Filter 및 10.7MHz Crystal Filter로서 대역 외의 신호를 제거하는 기능을 수행하는 X-tal Filter;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하향변환반의 Local부의 어느 하나의 Local 주파수는,

160MHz 대역 신호를 70MHz 대역으로 하향변환하기 위해 ASM1 채널은 91.95MHz, ASM2 채널은 92MHz, VDE 채널은 87.25MHz의 Local 주파수로 구성되고,

다른 하나의 Local 주파수는,

1차 하향 변환된 70MHz의 신호를 10.7MHz로 하향 변환하기 위해 59.3 MHz를 사용하여 채널로 인가되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 VDES 기반의 해안국 통신 시스템에 의하면, ITU-R 2092에 권고 되고 있는 VDE의 Spectrum Mask 규격에 대하여 최적화된 설계를 갖고, 해상 VHF 주파수 대역에서 ASM, VDE 메시지를 송수신할 수 있는 해안국 통신 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 VDES 기반의 해안국 통신 시스템의 구성을 블록도로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 VDES 기반의 해안국 통신 시스템의 송수신기의 일예에 따른 외적 구성을 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 VDES 기반의 해안국 통신 시스템의 송수신기의 외적 형상을 이루는 랙장치의 전, 후면 형상을 나타낸 것이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.

본 발명은 해상 VHF 주파수 대역에서 ASM, VDE 메시지를 송수신하는 VDES(VHF Data Exchange System) 기반의 해안국 통신 시스템에 관한 것이다.

이러한 해안국 통신 시스템은 하드웨어적으로 도 1 및 도 2와 같이 구성된다.

도 1은 본 발명에 따른 VDES 기반의 해안국 통신 시스템의 구성을 블록도로 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 VDES 기반의 해안국 통신 시스템의 송수신기의 일예에 따른 외적 구성을 나타낸 것이다.

이러한 VDES 기반의 해안국 통신 시스템은, ITU-R M.2092 ASM/VDE 메시지 송수신과 Broadcast, Unicast, Multicast, Geocast 메시지 전송의 기능인 데이터 송수신 기능과, Ethernet을 통해 원격에서 송수신기를 제어/모니터링 기능인 원격 제어 기능을 하며, 이를 위하여 도 1과 같이 VDES 해안국 송수신기와, 부수장비 및 VDES 해안국 제어장치를 포함하여 구성된다.

먼저, 송수신기에 대하여 첨부된 도면의 도 2를 통해 설명한다.

VDES 해안국 송수신기는, 19인치 표준 서브랙 타입으로 개발하여 기 운용되고 있는 AIS 해안국 송신소 등에 곧바로 설치하여 운용할 수 있다. VDES 해안국 송수신기는 2개의 VHF 안테나를 장착하여 Full-duplex VDE 서비스가 가능하며, 안테나 설치 시의 격리도 확보를 통해 VDE와 ASM을 제한적으로 동시 운용할 수 있다.

이러한 VDES 해안국 송수신기는, 도 2와 같이 VDES 운용주파수 대역별로 나누어 동작하는 구조로 설계되어 있다.

첫번째 대역은 ASM 송수신 대역으로 제어모뎀반(MDM)에서 생성된 ASM 송신 신호는 증폭반1(PAM1)에서 증폭되어 ASM 안테나 포트로 출력되고, 안테나로 유입된 ASM 수신신호는 증폭반1과 하향변환반(UDM)을 거쳐 제어모뎀반(MDM)으로 전달된다.

두번째 대역은 VDE 수신대역으로 안테나 포트로 유입된 VDE 수신신호는 하향변환반(UDM)을 거쳐 제어모뎀반(MDM)에 전달된다.

세번째 대역은 VDE TX 대역으로 제어모뎀반(MDM)에서 생성된 VDE 송신신호는 증폭판2(PAM2)에서 증폭되어 VDE 송신 안테나 포트로 출력된다. 제어모뎀반(MDM)은 VDE/ASM 신호 변복조 기능과 외부 인터페이스를 담당한다.

이는 아래 [표 10]의 상, 하측 각각을 참조하도록 한다.

VDES 해안국 송수신기의 외형을 이루는 랙장치의 전, 후면 형상을 첨부된 도면의 도 3 및 도 4에 기반하여 설명한다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 VDES 기반의 해안국 통신 시스템의 송수신기의 외적 형상을 이루는 랙장치의 전, 후면 형상을 나타낸 것이다.

첨부된 도면의 도 3 및 도 4에 따르면, VDES해안국 송수신기의 전면에는 장비 운용상태를 표시하는 표시창과 주전원스위치가 배치되어 있고, 후면에는 VDE, ASM, GPS 안테나 포트와 전원포트, 그리고 제어장치와 데이터 단말 연결을 위한 포트들이 배치되어 있다.

이와 같은 도 3 및 도 4에 표시된 S1은 상태 LED로서 장비의 운영 상태를 표시하고, S2는 파워로서 전원 스위치의 기능을 한다.

그리고 J1은 디버그 포트이고, J2는 외부 GPS 단말연결 포트이고, J3는 RS-232/422 장치 연결 포트이며, J4는 AC전원 연결을 위한 포트이고, J5는 제어장치 연결을 위한 포트이며, J6는 데이터 단말 연결을 위한 리모트 포트이고, J7은 VDE 송신용 안테나를 연결하는 포트이며, J8은 ASM 송수신용 안테나를 연결하는 포트이고, J9은 VDE 수신용 안테나를 연결하는 포트이며, J10은 GPS 단말을 연결하는 포트이다.

도 2를 참조한 송수신기는, 제어모뎀반, 하향변환반, 증폭반 및 전원반을 포함하는데, 구체적으로 제어모뎀반(MDM)은 VDE/ASM 신호 변복조 기능과 외부 인터페이스를 담당한다. 송신단은 제어모듈(SOM)로부터 전달된 데이터를 전송하기 위해 변조, 채널코딩, 펄스성형을 위한 필터링 등의 신호 처리 후 DAC를 거쳐 Analog 70MHz IF 신호를 증폭반(PAM)으로 전달한다. 수신단의 경우 하향변환반(UDM)에서 수신된 IF 신호를 ADC를 거쳐 디지털 신호로 변환하여 심볼 추출, 복조, 복호하는 기능을 수행한다.

이 밖에 증폭반(PAM)과 하향변환반의 제어 및 상태정보를 모니터링 하며 내/외부 GPS수신기 및 제어장치와 연동된다.

즉, 제어모뎀반은 운용통제소와 제어장치의 연동 기능과, 기지국 제어장치 연동에 더불어, 내/외부 GPS 안테나 및 수신기 연동 기능, IF 신호 상향(IF 70MHz, 2채널(VDE/ASM)) 및 하향(IF 10.7HHz, 3채널 (VDE/ASM1/ASM2) 변환 기능, 증폭반 및 하향변환반 제어 기능, 그 밖에 랙장치에 구성된 포트들과의 연동 등의 구성을 수행한다.

이러한 제어모뎀반은 10.7Mhz의 IF Input Frequency 규격과, 80dB 미만의 IF Input Dynamic Range 규격, 70MHz의 IF Output Frequency 규격, -15dBm ±2dBm의 IF Output Power의 규격, -60dBc를 초과하는 Spurious 규격, 10MHz, 1ppm의 Reference Clock Frequency 규격, 그리고 30Watt 이상의 소모전력을 갖도록 설계된다.

이러한 제어모뎀반은 크게 인터페이스부, 모뎀 변복조부, DAC 신호 변환부, ADC 신호 변환부 및 클럭 생성부로 구성된다.

먼저, 인터페이스부는 외부 연동 장비간 요구되는 인터페이스를 제공하는 기능을 수행한다.

외부 연동은 제어모뎀반에 실장된 제어보드(SOM)를 통해 연동이 이루어진다. 운용통제소 및 제어장치간 연동은 Gigabit Ethernet으로 이루어 지며 상호 연동되는 상용 제어보드(SOM)는 MAC간 RGMII 방식을 사용한다.

해당 요구사항을 충족하는 Micrel 사의 PHY 칩을 사용하여 구성하였다.

GPS 단말 및 기지국 제어장치간 연동은 RS-232 통신으로 이루어 지며 SOM간 연동 가능하도록 2채널 트랜시버를 사용하여 구성하였다. 제어보드(SOM)은 동일한 UART 포트를 사용하여 내/외부 GPS 연동 모드에 따라 선택적으로 사용가능 하도록 구성한다.

모뎀 변복조부(ASM 및 VDE 송신기)는, Turbo 방식의 채널코딩, 비트 스크램블링, π/4 QPSK 및 8PSK 및 16QAM의 변조, 전송 신호 파형 성형 기능을 제공한다.

ASM 및 VDE 수신기는 수신된 π/4 QPSK 및 8PSK 및 16QAM 신호에 대한 심볼 추출, 복조/복호하는 기능을 수행한다. 이를 위하여 수신기는 동기화 기능 수행을 위한 신호검출(signal detection), 타이밍 동기(TR; Timing Recovery) 및 주파수 동기(CR; Carrier Recovery) 블록을 포함하며, 동기된 PSK 심볼로부터 심볼 De-mapper, De-scrambler, Turbo 복호기, De-interleaving 기능을 포함하여 설계된다.

DAC 신호 변환부는, 모뎀 변복조부로부터 생성된 I/Q신호를 아날로그로 신호로 변환하는 기능을 수행한다. TI 사 DAC5688 칩을 사용하여 구성하였으며 최대 800Msps를 지원한다. Dual 16bit, 2x-8x Interpolation 을 지원하며 4x Interpolation모드 및 내부 Mixer를 사용하여 70MHz IF로 변환 하는 기능을 수행한다.

ADC 신호 변환부는, 아날로그로 들어오는 신호를 디지털 신호로 변환시켜주는 역할을 수행한다.

이러한 ADC 신호 변환부는 TI ADS6144 칩을 사용하여 구성하였으며 최대 105Msps를 지원한다. 14bit Resolution, SNR( >70dBFS), SFDR(>90dBc) 를 지원한다. 디지털 신호는 LVDS 및 CMOS를 지원하며 CMOS 방식을 사용하여 구성한다.

클럭 생성부는, 기준클럭용 TCXO(10MHz, 1ppm)를 내장하고 있으며 디바이더를 통하여 기준클럭을 분배하여 증폭반, 하향변환반 및 내부 기준클럭을 공급하는 기능을 수행한다. 내부 기준클럭은 PLL IC에 공급되며 동기된 샘플링 클럭을 생성한다. PLL IC 2개를 사용하여 송신용과 수신용을 구분하여 송/수신간 간섭을 최소화 하도록 구성한다.

상기 하향변환반은, VHF 안테나를 통해 수신되는 ASM, VDE 신호를 IF 주파수 10.7MHz로 주파수 하향변환하여 모뎀반으로 인가한다.

이러한 하향변환반은, ASM1, ASM2 채널수신부, VDE채널수신부, 그리고 Local부로 구성된다. 이때, ASM1, ASM2 채널부분과, VDE 채널부분, 그리고 Local 부분으로 구성된다.

상기 하향변환반의 규격으로는 다음의 [표 11]과 같은 규격을 갖는다.

항 목	수신부 주요 규격
항 목	ASM1.2	VDE
Input Frequency	161.95 MHz 162.0 MHz	157.200Mhz 157.225MHz 157.250MHz 157.275MHz
Output Frequency	10.7Mhz	10.7MHz
이득	40dB	40dB
Atten. Range	> 30dB	> 30dB
NF	< 4dB	< 4dB
Spurious	< -60dBc	< -60dBc
MDS	<-107dBm	< -102dBm @25kHz < -99dBm @50kHz < -96dBm @100kHz
소모전력	<17Watt	17Watt

상기 ASM 채널수신부는, 하향변환반에서 ASM1, ASM2 채널에 대한 수신기능을 수행한다. 이러한 ASM 채널수신부를 블록도로 표현하면 다음의 [표 12]와 같다.

이러한 ASM채널수신부는, Limiter, Directional coupler, LNA, Power Divider, Digital Attenuator, 1st mixer, BPF, 2nd mixer, X-tal Filter, Detector 등으로 구성된다.

이때, Limiter는 수신부를 과입력으로부터 보호하는 역할을 한다. 송신부 또는 외부 신호로 부터 입력될 수 있는 과입력 신호를 입력제한하여 약 10dbm의 Flat leakage Level 특성을 가진다.

Limiter 특성

Directional Coupler는 수신부에 입력되는 신호를 20dB coupling 하여 수신되는 신호의 세기를 Detector를 통해 모니터링 하기 위해 사용된다.

Directional Coupler 특성

LNA는 수신된 신호를 초단 증폭하는 역할이며, 수신단 전체 잡음지수를 줄이기 위해 Noise Figure 가 VHF 대역에서 0.4dB 이하인 소자를 사용한다.

LNA 이득 및 잡음지수

Power Divider는 ASM1 과 ASM2 채널에 대한 수신경로 분리를 위해 사용되며, 포트간 Isolation 특성이 우수한 소자를 사용하여 채널 간섭을 방지한다.

Power Divider 삽입손실 및 Isolation

Digital Attenuator는 ASM1, ASM2 채널의 수신이득을 조정한다. 수신부 입력단에 일정한 크기 이상의 신호가 입력되면, Parallel mode 또는 Serial Mode에 의해 신호를 30dB 감쇄시킨다.

여기서, Parallel 모드는 Directional Coupler에서 Coupling 된 신호를 Detector에 의해 전압신호로 변환하고 이를 비교기를 통해서 일정한 전압이상 일 경우 High 신호를 발생하여 Digital Attenuator의 6개 입력 비트를 High로 입력하여 31.5dB의 Attenuation 값을 조정한다. 그리고 Serial Mode는 비교기를 통해 High 신호가 Modem에 인가되면, SPI 통신을 통해 Clock, Data, Latch 신호가 모뎀으로부터 인가 되어 Attenuation 값을 제어한다.

Mixer는 VHF 대역 주파수를 10.7MHz 주파수 대역으로 하향 변환하기 위해 사용된다. 1st Mixer는 160MHz 대역의 신호를 70MHz 대역 신호로 하향 변환 시키고, 2nd Mixer는 70MHz 대역의 신호를 10.7MHz대의 IF 주파수로 햐향 변환한다.

1st Mixer, 2nd Mixer 특성

X-tal Filter는 70MHz Saw Filter 및 10.7MHz Crystal Filter로서, 이는 대역외 신호를 제거하는 기능을 수행한다. 70MHz Saw Filter는 중심주파수 70MHz 기준 300kHz의 통과대역 특성을 가지며, 10.7MHz 대역 Crystal Filter는 25kHz, 50kHz, 100kHz의 통과 대역 특성을 가진다.

VDE채널수신부는, VDE 25kHz, 50kHz, 100kHz에 대한 하향 변환을 수행한다.

기본적인 구성은 ASM 채널과 동일하지만, ASM 채널이 Power Divier에 의해 ASM1, ASM2 채널로 구분되는 반면, VDE 채널은 1개의 path로 구성되어 Power Divider가 사용되지 않는다.

ASM채널수신부와 또 다른 점은 25kHz, 50kHz, 100kHz 대역폭을 선택하여 사용할 수 있도록 SP3T Switch를 사용하여 각각의 채널 대역폭에 맞는 Crystal filter를 선택한다.

이러한 VDE 채널 수신부의 블록도는 [표 18]과 같다.

Local부는, VHF 대역 ASM, VDE 신호를 10.7MHz의 IF 주파수로 하향변환하기 위한 Local Frequency를 생성한다.

첫번째 Local 주파수는, 160MHz 대역 신호를 70MHz 대역으로 하향변환하기 위해 ASM1 채널은 91.95MHz, ASM2 채널은 92MHz, VDE 채널은 87.25MHz의 Local 주파수로 구성되며 VCO가 내장된 PLL 소자가 사용된다. PLL에 내장된 VCO는 L밴드 대역의 VCO로 PLL소자 내의 Frequency Divider에 의해 VHF 대역의 Local 주파수를 생성한다.

두번째 Local 주파수는, 1차 하향 변환된 70MHz의 신호를 10.7MHz로 하향 변환하기 위해 59.3 MHz를 사용하며 PLL 출력으로부터 Power Divide 하여 각각의 채널에 인가된다. PLL의 Reference 신호는 10MHz를 사용하며 Modem으로부터 신호를 입력받아 사용한다.

이러한 Local부의 블록다이어 그램은 [표 19]와 같다.

도 2의 증폭반은, VDE 송신용 증폭판, ASM 송신용 증폭반 각 1set로 구성된다. 증폭반은 모뎀으로부터 70MHz의 IF 신호를 입력받아 160MHz 대역의 Carrier 주파수로 상향 변환하고 이를 증폭한 후 안테나에 인가한다.

이러한 VDE 증폭반은 모뎀으로부터 70MHz 대역, -15dBm의 신호를 입력 받아 상향 변환 후 증폭기에 의해 160MHz 대역 50Watt의 신호를 출력한다. ASM 증폭반은 VDE와 마찬가지로 모뎀으로부터 70MHz대역, -15dBm의 신호를 입력받아 상향 변환 후 160MHz 대역의 12.5Watt 신호를 출력한다.

이러한 증폭반의 규격은 [표 20]과 같다.

항 목	증폭반 주요 규격
	ASM1.2	VDE
Input Frequency	70MHz MHz
Input Level	-15dBm	-15dBm
Output Frequency	161.95MHz 162.00MHz	161.800MHz 161.825MHz 161.850MHz 161.875MHz
출력전력	12.5Watt max.	50Watt max.
이득	57dB	62dB
IMD	<-30dBc
Spurious	<-60dBc
VSWR	<2:1
Amp On/Off Time	<2us
Output P1db	> 54dBm
소모전력	400Watt 이하
Monitor	송신출력, VSWR, Temp.

이러한 증폭반은 [표 21]의 증폭반 블록도에서와 같이, IF Saw Filter, Mixer, Gain Amp, Drive Amp, Main Amp, Tx/Rx Switch, Local부 등으로 구성된다.

IF Saw Filter는, 모뎀으로부터 입력되는 70MHz 대역의 신호에서 DA로 인해 발생하는 Spurious 및 Harmonic 성분 등 대역 외 신호를 제거하기 위해 사용되며 중심주파수 70MHz 기준 300kHz의 대역통과 특성을 가진다([표 22] 참조).

Mixer단은, 70MHz의 IF 신호를 160MHz 대역의 VDE, ASM Carrier 주파수 대역으로 상향 변환 한다. 믹서에 입력되는 Local 주파수 대역은 92MHz 대역이며, Conversion Loss 6dB 이하의 소자로, 포트간 Isolation 특성이 우수한 소자를 사용하여 신호간섭을 최소화한다. 이러한 Mixer단의 특성은 [표 23]과 같다.

Gain Amp단은, Drive Amp의 입력레벨에 맞는 신호를 인가하기 위하여 상향 변환된 신호를 증폭시킨다. Gain Amp 단 사이에는 Lumped 소자를 사용한 Band Pass Filter를 사용하여 대역외 신호를 차단시키고, Digital Attenuator를 추가하여 증폭반의 이득을 조정하여 ASM의 경우 12.5Watt, VDE의 경우 50Watt 출력이 될 수 있도록 하였다. Thermal pad는 온도에 따른 Amp의 이득변화에 대비하여 최종 출력단에서 일정한 출력을 가지는 기능을 수행한다.

Drive Amp단은, Main Amp의 입력레벨까지 신호를 증폭하는 역할을 수행한다. 선정된 소자는 MOSFET 구조의 10Watt급 TR 이며, Coaxial Cable 및 High Power Capacitor, High Power Inductor 등을 이용하여 입출력 Matching 회로를 구현한다. 입출력 임피던스 매칭에 유리한 Balanced 구조로 설계하였다.

시스템 운용에서 수신시에는 수신단의 Noise Floor를 낮추기 위하여 Drive Amp를 Off 시켜야 하며 Gate Bias On/Off를 통해 이를 구현한다.

Main Amp단은, Drive Amp의 출력으로부터 신호를 입력받아 50Watt(VDE), 12.5Watt(ASM)의 출력신호로 증폭한다. VDE 100kHz 16QAM 신호의 PAPR 특성을 고려하여 400Watt 급의 LDMOS FET 소자를 사용하였으며, Drive Amp와 마찬가지로 Gate on/off 를 통해 증폭기를 on/off 시킨다.

입출력 임피던스 매칭은 Coaxial Cable 및 Lumped 소자, 그리고 신호선의 임피던스를 통해 구현하였으며 Balanced 구조로 설계하였다.

Tx/Rx Switch단은, 송신과 수신 Pass를 Switch를 통해 선택하는 기능을 수행한다. Main Amp 출력 및 PAPR 특성을 고려하여 480Watt 급 Switch를 사용하였으며 주요 회로 구성은 아래 그림과 같다. 송신시 수신단으로 누설되는 전력을 최소화 하기 위해 Switch의 Isolation 특성이 우수한 소자를 선정하여 Port 간 격리도가 40dB 이상이며, 스위치의 삽입손실은 0.3dB 이하이다([표 24] 참조).

도 2의 전원반은, [표 25]의 규격을 갖는다.

구분	주요규격
입력	AC 220V (85~264Vac)
출력	28Vdc 35A 12Vdc 8A 5Vdc 8A
효율	90% 이상
리플	출력 전압의 5%이하
안정도	출력전압의 0.1% 이하
운용온도	-40 ~ 70℃
크기	39.8x127x254 mm

또한, 상술된 VDES 해안국 통신 시스템의 부수장비는, VHF 안테나, 전단처리부, GPS 안테나 및 케이블류를 포함한다.

먼저, VHF안테나는 VDES 해안국에 적용되어 통신장비간 Air Interface Link를 제공하는 장치로 송신 시 장비의 전기적 신호를 자유공간으로 전파하기 위한 전자기파 신호로 변환하고, 수신 시 자유공간의 전자기파 신호를 장비에서 처리 가능한 전기적 신호로 변환하는 장치이다.

이러한 VHF안테나는 방사부, 정합부, 베이스로 구성되고, 베이를 포함한 길이가 5.5m 이하를 갖도록 한다. 이러한 VHF 안테나는 156 ~ 162MHz 대역의 전자파 신호를 송, 수신하고, 50Ω, 3.5:1 이하의 전달특성을 갖는다. 또한, VHF 안테나는 수직 선형편파의 안테나로 최대값이 + 6dBi 이상인 이득을 갖는다.

또한, VHF안테나는 커넥터, 마운드 및 안테나 방사소자를 포함하여 구성되는데, 특히 방사소자는 152 ~ 162 MHz에서 무지향성 방사 패턴을 갖도록 동작하기 위하여, 반파장 다이폴로 기본 소자를 구성하였으며 소자의 간격을 적절히 조정하여 임피던스 정합이 이루어지도록 설계된다. 또한, 다이폴 소자가 동위상이 되는 간격을 유지하여 4단 배열을 하여 고이득의 무지향 특성으로 동작하도록 하였다.

이러한 VHF안테나를 이용한 전자파 해석 결과로 각 주파수 대역별 원거리 전계 패턴 중 수직 방향의 패턴을 나타내었다.

<158 MHz>

<160 MHz>

<162 MHz>

이러한 VHF안테나의 정합 특성은 [표 27]과 같다.

전단처리부는, [표 28]과 같이 Full Duplexer 방식에서 VDE 송신 ASM 송수신, VDE 수신단 전단에서 채널간 interference를 방지하기 위해 송수신부와 안테나 간에 설치된다.

전단처리반의 구성은 VDE 송신부 Cavity filter, ASM 송신/수신부 Cavity Filter, VDE 수신부 Cavity Filter, 그리고 ASM 수신과 VDE 수신을 구분하는 Duplexer로 구성된다.

먼저, VDE 송신부 Cavity filter는 [표 29]과 같은 규격을 갖는다.

Parameter		Specification	비고
Center Frequency		161.8375
Bandwidth		0.1MHz
Insertion Loss		4.0dB Max.	상온
Ripple		2.0dB Max.
Return Loss		TBD
Attenuation	161.9375MHz	30dB Min.
Attenuation	157.2875MHz	70dB Min.
Power Handling		46dBm

다음으로, ASM 송신/수신부 Cavity Filter는 [표 30]와 같은 규격을 갖는다.

Parameter		Specification	비고
Center Frequency (fc)		161.9875
Bandwidth		1MHz
Insertion Loss	@fc±1/2 BW	2.0dB Max.	상온
Ripple	@fc±1/2 BW	0.5dB Max.
Return Loss		TBD
Attenuation1	@fc±BW	TBD
Attenuation2	@fc±2BW	TBD
Power Handling		46dBm

그리고 VDE 수신부 Cavity Filter는 [표 31]과 같은 규격을 갖는다.

마지막으로, Duplexer는 [표 32]와 같은 규격을 갖는다.

Parameter	Specification	비고
Freq. Spacing	4.65MHz
Tx	161.9375
Rx	157.2875
Bandwidth	각 최소 0.1MHzTx (161.9375~162.0375) Rx (157.1875~157.2875)
Insertion Loss	2.0dB Max.
Ripple	0.5dB Max.
Return Loss	18dB Min.
Isolation (4.65MHz offset) Tx suppression @ Rx freq. Rx Isolation @ Tx freq.	110dB Min.
Power Handling	46dBm

도 2의 부수장비에 구성되는 GPS 안테나는 [표 33]의 규격을 갖는다.

구분	주요규격
주파수	1757.42MHZ
이득	> 30dB
잡음지	< 2.0
대역폭	2 MHz
VSWR	< 1.5
전원	5V
커넥터	SMA
운용온도	-40 ~ +100 ℃

마지막으로, VDES 해안국 통신 시스템을 이루는 VDES 해안국 제어장치는 단말기(노트북, 데스크탑 등의 PC)에 VDES 해안국 제어 S/W를 설치하여 운용하며, Ethernet을 통해 VDES 해안국 송수신기를 제어/모니터링하는 기능을 수행한다.

참고로, VDES 해안국 제어장치로 사용되는 노트PC는 아래의 [표 34]의 사양을 만족해야 한다.

구분	주요규격
CPU	Intel 코어i5-7200 2.5GHz 이상
RAM	> 8GB
저장장치	> 256 GB
운용체제	Windows 7
I/O	Ethernet, USB 등

한편, 상술된 제어모뎀반의 모뎀 변복조부는, π/4 QPSK 및 8PSK 및 16QAM 신호에 대한 심볼 추출, 복조/복호하는 기능을 수행한다고 서술한 바 있다.

이러한 변복조에 대해서 일반적으로 VDES는 는 IALA G1139 지침에 따라 PI/4-QPSK, 8PSK 및 16-QAM변조를 사용하는데, 이와 같은 변조 방식은 주파수 옵셋에 민감하기 때문에 주파수 옵셋 추정 및 보상을 위한 CR(Carrier Recovery) 알고리즘을 적용한 Coherent 수신기로 설계되어야 함을 권고하고 있다.

IALA G1139 지침의 운용 목표로 주파수 옵셋 최대 500 Hz 를 정의하고 있고, CR 기능 수행을 위한 Training 심볼로 Syncword 27심볼을 정의하고 있는데, 주파수 옵셋 500Hz는 심볼율 대비 5.21% (ASM)에 해당하는 큰 값으로, syncword 27심볼을 사용해 CR 기능을 수행하기가 쉽지 않다.

일반적으로 이와 같은 상황에서 CR은 넓은 주파수 옵셋을 처리할 수 있는 Coarse CR과 좁은 범위의 잔류 주파수 옵셋을 추적하기 위한 CR Tracking 으로 분리하여 구성한다([표 35] 참조).

[표 36]은 표는 BER=1.0e-6달성을 위한 요구 SNR을 분석한 것으로, IALA G1139 지침에 따르며 일반적인 주파수 복원 알고리즘(CR)을 적용한 수신기에 대하여 주파수 옵셋 500Hz 하에서의 성능을 분석한 것이다.

	Ideal sync.	CR적용 결과	CR 적용에 따른 성능 열화 (요구 SNR 차이) [dB]
LCID (MCS)	요구 SNR [dB] @ BER=1.0e-6	요구 SNR [dB] @ BER=1.0e-6	CR 적용에 따른 성능 열화 (요구 SNR 차이) [dB]
05 (π/4-QPSK 3/4)	6.2	10.2	4.0
06 (π/4-QPSK 3/4)	5.6	10.4	4.8
07 (π/4-QPSK 3/4)	5.5	10.2	4.7
08 (π/4-QPSK 1/2)	3.5	10.3	6.8
09 (π/4-QPSK 1/2)	3.7	10.6	6.9
10 (π/4-QPSK 1/2)	2.3	10.8	8.5
11 (π/4-QPSK 3/4)	3.0	11.1	8.1
14 (π/4-QPSK 3/4)	2.3	10.8	8.5
17 (π/4-QPSK 3/4)	1.9	9.8	8.9
12 (8PSK 3/4)	9.9	16	6.1
15 (8PSK 3/4)	9.4	16	6.6
18 (8PSK 3/4)	9.4	16	6.6
13 (16-QAM 3/4)	11.8	15.3	3.5
16 (16-QAM 3/4)	11.5	16.2	4.7
19 (16-QAM 3/4)	11.5	16.1	4.6

[표 36]에 따른 성능 분석(실험)은 통상의 방법으로 수행하였다. 이러한 실험 결과, BER=1.0e-6 기준 요구 SNR은 일반적인 주파수 복원 알고리즘을 사용하는 경우 coherent ideal sync. 대비 3.5 ~ 8.9dB 정도 열화되는 것으로 확인되어 일반적인 주파수 복원 알고리즘으로 수신기 구현이 어려운 상황인 것으로 판단된다.

일반적인 주파수 복원 알고리즘은 Training 심볼 개수가 중요하다.

하지만, IALA G1139 지침에서 정의한 Training 심볼은 27개로 길이가 짧아 이를 활용해 주파수 옵셋500 Hz를 처리하기 쉽지 않은 것으로 판단된다.

따라서, 본 출원인은 일반적인 주파수 복원 알고리즘을 적용 시 주파수 옵셋 500Hz처리가 가능한 Training 심볼 개수 확인을 위한 BER 성능을 분석하였고, 아래의 결과와 같이 일반적인 CR을 이용하는 경우, SNR 5dB를 만족할 수 있는 Training심볼의 개수는 170개 정도로 확인되었다.

아래 [표 38]은 [표 37]로부터 Training 심볼 개수별 BER=1.0e-6 달성에 요구되는 SNR을 정리한 표이다.

Training 심볼 개수	요구 SNR [dB] @ BER = 1.0e-6	Data Rate (Uncoded) [kbps]	비고
Training 심볼 개수	π/4-QPSK TC 1/2	Data Rate (Uncoded) [kbps]	비고
27	10.3	14.775	<- G1139 규격
50	8.2	13.050
75	7.4	11.175
100	6.8	9.300
120	6.5	7.800
140	5.8	6.300
160	5.5	4.800
170	5.0	4.050

[표 38]에 따른 결과 중, ideal sync. 하에서 BER=1.0e-6 달성을 위한 요구 SNR은 3.5dB이며, 일반적인 구현마진 1.5dB를 포함시키면 요구 SNR은 5dB가 된다.

실험 결과로부터 목표 SNR 5dB를 만족할 수 있는 Training심볼의 개수는 170개 정도로 확인되었다.

이 경우, Payload Data Rate는 4kbps가 되는데, 이는 Training 심볼 27개 사용 시 가능했던 Payload Data Rate 약 14kbps 보다 현저하게 낮은 Data Rate로 시스템을 동작하게 하는 문제점이 있다.

즉, Training 심볼 27개를 사용하는 방법을 찾아야 하는데, 이를 위하여 본 출원인은 IALA G1139 지침에 지정된 변조 방식과는 다르지만, Data Rate를 유지하면서 주파수 옵셋을 효과적으로 처리하는 방법으로 고려한 차동변조(Differential Modulation) 방식에 대한 성능을 분석하였다.

[표 39]는, 주파수 옵셋 500 Hz 하에서 Training 심볼 27개를 적용한 차동변조 방식에 대한 LCID별 BER=1.0e-6 달성에 요구되는 SNR을 나타낸다.

	Ideal sync.	차동변조 적용 결과	차동변조에 따른 성능 열화 (요구 SNR 차이) [dB]
LCID (MCS)	요구 SNR [dB] @ BER=1.0e-6	요구 SNR [dB] @ BER=1.0e-6	차동변조에 따른 성능 열화 (요구 SNR 차이) [dB]
05 (π/4-QPSK 3/4)	6.2	9.3	2.9
06 (π/4-QPSK 3/4)	5.6	8.8	3.2
07 (π/4-QPSK 3/4)	5.5	8.8	3.3
08 (π/4-QPSK 1/2)	3.5	6.6	3.1
09 (π/4-QPSK 1/2)	3.7	6.7	3.0
10 (π/4-QPSK 1/2)	2.3	5.8	3.5
11 (π/4-QPSK 3/4)	3.0	6.4	3.4
14 (π/4-QPSK 3/4)	2.3	5.5	3.2
17 (π/4-QPSK 3/4)	1.9	5.1	3.2
12 (8PSK 3/4)	9.9	13.2	3.3
15 (8PSK 3/4)	9.4	12.7	3.3
18 (8PSK 3/4)	9.4	12.6	3.2
13 (16-QAM 3/4)	11.8	16.2	4.4
16 (16-QAM 3/4)	11.5	16.2	4.7
19 (16-QAM 3/4)	11.5	15.8	5.3

[표 39]와 같이, 차동변조 방식을 적용하는 경우 요구 SNR은 coherent ideal sync. 방식의 성능 대비 2.9 ~ 5.3dB 정도 성능이 열화되었지만, 이는 CR의 경우에도 마찬가지로 열화가 확인된 것이고,

반면, QPSK 및 8PSK의 경우 동일한 수신 조건 하에서 IALA G1139 지침에서 정의한 수신기에 일반적인 CR을 적용하는 것보다 나은 성능을 기대할 수 있음을 확인하였다.

상기에서 첨부된 도면을 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명의 첨부된 도면의 구성에 한정되는 것이 아님은 자명하다.

Claims

VDE 채널에 대해 송신 출력 증폭기 Back-off를 7dB, 9dB 및 12dB로 구성하였을 때, 중심 주파수로부터 IMD 성분으로 인해 ITU-R 2092에 권고 되고 있는 Spectrum Mask 규격에 맞출 수 있도록 설계된 해상 VHF 주파수 대역에서 ASM, VDE 메시지를 송수신하는 VDES 기반의 해안국 통신 시스템에 있어서,
상기 해안국 통신 시스템은,
(a)해안국 송수신기와, (b)부수장비 및 (c)해안국 제어장치를 포함하여 구성되되,
(a-1) 상기 해안국 송수신기는,
제어모뎀반, 하향변환반, 증폭반 및 전원반을 포함하여 VDES 운용주파수 대역별로 나누어 동작하는 구조를 갖되,
하나의 대역은, ASM 송수신 대역으로 제어모뎀반(MDM)에서 생성된 ASM 송신 신호는 증폭반1(PAM1)에서 증폭되어 ASM 안테나 포트로 출력되고, 안테나로 유입된 ASM 수신신호는 증폭반1과 하향변환반(UDM)을 거쳐 제어모뎀반(MDM)으로 전달되며,
다른 하나의 대역은, VDE 수신대역으로 안테나 포트로 유입된 VDE 수신신호는 하향변환반(UDM)을 거쳐 제어모뎀반(MDM)에 전달되고,
또 다른 하나의 대역은, VDE TX 대역으로 제어모뎀반(MDM)에서 생성된 VDE 송신신호는 증폭판2(PAM2)에서 증폭되어 VDE 송신 안테나 포트로 출력되며,
(a-2) 상기 제어모뎀반은,
외부 연동 장비간 요구되는 인터페이스를 제공하는 기능을 수행하는 인터페이스부와,
Turbo 방식의 채널코딩; 비트 스크램블링; π/4 QPSK, 8PSK, 16QAM의 변조; 및 전송 신호 파형 성형;의 기능을 수행하는 모뎀 변복조부와,
모뎀 변복조부로부터 생성된 I/Q신호를 아날로그로 신호로 변환하는 기능을 수행하는 DAC 신호 변환부와,
아날로그로 들어오는 신호를 디지털 신호로 변환시켜주는 기능을 수행하는 ADC 신호 변환부와,
기준클럭용 TCXO(10MHz, 1ppm)를 내장하고 있으며 기준클럭을 분배하여 증폭반, 하향변환반 및 내부 기준클럭을 공급하는 기능을 수행하는 클럭 생성부를 포함하고,
(a-3) 상기 하향변환반은,
VHF 안테나를 통해 수신되는 ASM, VDE 신호를 IF 주파수 10.7MHz로 주파수 하향변환하여 제어모뎀반으로 인가하는 기능을 수행하되,
ASM채널수신부와,
VDE 25kHz, 50kHz 및 100kHz에 대한 하향 변환을 수행하는 VDE채널수신부와,
VHF 대역 ASM, VDE 신호를 10.7MHz의 IF 주파수로 하향변환하기 위한 Local Frequency를 생성하는 Local부를 포함하여 구성되고,
(a-4) 상기 증폭반은,
상기 제어모뎀반으로부터 70MHz 대역, -15dBm의 신호를 입력 받아 상향 변환 후 증폭기에 의해 160MHz 대역 50Watt의 신호를 출력하는 VDE 증폭반과,
상기 제어모뎀반으로부터 70MHz대역, -15dBm의 신호를 입력받아 상향 변환 후 160MHz 대역의 12.5Watt 신호를 출력하는 ASM 증폭반을 포함하며,
(a-5) 상기 전원반은,
상기 제어모뎀반으로부터 입력되는 70MHz 대역의 신호에서 발생하는 Spurious 및 Harmonic 성분을 포함하는 대역 외 신호를 제어하기 위해 사용되고, 중심주파수 70MHz 기준 300kHz의 대역통과 특성을 갖는 IF Saw Filter와,
70MHz의 IF 신호를 160MHz 대역의 VDE, ASM Carrier 주파수 대역으로 상향 변환하는 Mixer와,
Drive Amp의 입력레벨에 맞는 신호를 인가하기 위하여 상향 변환된 신호를 증폭시키는 Gain Amp와,
Main Amp의 입력레벨까지 신호를 증폭하는 역할을 수행하는 Drive Amp와,
상기 Drive Amp의 출력으로부터 신호를 입력받아 50Watt(VDE), 12.5Watt(ASM)의 출력신호로 증폭하는 Main Amp와,
송신과 수신 Pass를 Switch를 통해 선택하는 기능을 수행하는 Tx/Rx Switc를 포함하는 회로로 구성되며,
(b-1) 상기 부수장비는,
VHF 안테나, 전단처리부, GPS 안테나 및 케이블류를 포함하되,
(b-2) 상기 VHF안테나는,
VDES 해안국에 적용되어 통신장비간 Air Interface Link를 제공하는 장치로 송신 시 장비의 전기적 신호를 자유공간으로 전파하기 위한 전자기파 신호로 변환하고, 수신 시 자유공간의 전자기파 신호를 장비에서 처리 가능한 전기적 신호로 변환하고,
152 ~ 162 MHz에서 무지향성 방사 패턴을 갖도록 동작하기 위하여, 반파장 다이폴로 기본 소자로 구성되며,
(b-3) 상기 전단처리부는,
Full Duplexer 방식에서 VDE 송신과 ASM 송수신을 수행하고, VDE 수신단 전단에서 채널간 interference를 방지하기 위해 송수신부와 안테나 간에 설치되며, VDE 송신부 Cavity filter; ASM 송신/수신부 Cavity Filter; VDE 수신부 Cavity Filter; 및 ASM 수신과 VDE 수신을 구분하는 Duplexer;로 구성되고,
(c-1) 상기 해안국 제어장치는,
VDES 해안국 제어 S/W를 설치하여 운용하며, Ethernet을 통해 VDES 해안국 송수신기를 제어/모니터링하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는, VDES 기반의 해안국 통신 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 하향변환반의 ASM채널수신부는,
수신부를 과입력으로부터 보호하는 Limiter;
수신부에 입력되는 신호를 20dB coupling 하여 수신되는 신호의 세기를 Detector를 통해 모니터링 하기 위해 사용되는 Directional coupler;
수신된 신호를 초단 증폭하는 역할이며, 수신단 전체 잡음지수를 줄이기 위해 Noise Figure 가 VHF 대역에서 0.4dB 이하인 소자를 사용하는 LNA; ASM1 과 ASM2 채널에 대한 수신경로 분리를 위해 사용되며, 채널간 간섭을 방지하는 Power Divider;
수신부 입력단에 일정한 크기 이상의 신호가 입력되면, Parallel mode 또는 Serial Mode에 의해 신호를 30dB 감쇄시켜 ASM1, ASM2 채널의 수신이득을 조정하는 Digital Attenuator;
VHF 대역 주파수를 10.7MHz 주파수 대역으로 하향 변환하기 위해 사용되는 mixer; 및
70MHz Saw Filter 및 10.7MHz Crystal Filter로서 대역 외의 신호를 제거하는 기능을 수행하는 X-tal Filter;을 포함하는 것을 특징으로 하는, VDES 기반의 해안국 통신 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 하향변환반의 Local부의 어느 하나의 Local 주파수는,
160MHz 대역 신호를 70MHz 대역으로 하향변환하기 위해 ASM1 채널은 91.95MHz, ASM2 채널은 92MHz, VDE 채널은 87.25MHz의 Local 주파수로 구성되고,
다른 하나의 Local 주파수는,
1차 하향 변환된 70MHz의 신호를 10.7MHz로 하향 변환하기 위해 59.3 MHz를 사용하여 채널로 인가되는 것을 특징으로 하는, VDES 기반의 해안국 통신 시스템.