KR102628597B1 - Vdes-r 모드 기능을 탑재한 vdes 수신 장치 및 그 방법 - Google Patents

Vdes-r 모드 기능을 탑재한 vdes 수신 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 장치는 복수의 VDES 송출 장치 각각에서 송출된 신호를 수신하면 신호의 주파수를 IF 주파수로 주파수 하향 변환시키는 RF부, 상기 RF 부로부터 IF 신호를 수신하면 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후 일정한 범위의 신호 레벨로 조절한 후 신호의 상관관계 전력을 계산하는 방식으로 VDES 신호의 유무 및 신호 시작 시점을 검출한 후 미세 시간 오프셋을 보정하여 수신 지연 시간을 산출하고 VDES 신호를 복조하는 모뎀부 및 상기 복조된 VDES 신호를 통신 항법 수신 장치에 제공하는 제어부를 포함한다.

Description

VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 장치 및 그 방법{VDES RECEIVER HAVING VDES-R MODE FUNCTION AND METHOD PERFORMING THEREOF}
본 발명은 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 GPS 불능 시 안전한 선박 항법이 가능하도록 하며, 정밀한 통합 항법 목적을 달성하기 위한 새로운 해상 백업 시스템으로 활용할 수 있도록 하는 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
무선 장치간 거리 추정 및 위치 식별 용도의 시스템으로는 GPS와 GPS를 보완하기 위한 시스템들이 있으며, 대표적인 예로 선박자동식별장치(AIS, Automatic Identification System)가 있다.
여기서 GPS는 단방향 정보 전송 시스템인 반면 AIS는 양방향으로 메시지를 전송함으로 선박의 선명, 제원, 위치와 속력 등의 운항정보들을 VHF 대역 통신으로 선박 대 선박, 선박 대 육상간 자동으로 송수신 하는 시스템으로 폭넓게 활용되고 있다. 특히 이와 같은 정보들이 실시간으로 제공됨으로 선박의 충돌을 방지하기 위한 장치로 사용될 수 있다.
선박의 충돌 방지에 활용되기 위한 AIS는 선박의 위치를 식별을 위해 도 1과 같이 최소 3개의 BS(Base Station)가 존재하는 환경에서 BS가 송신한 Ranging 신호를 통해 획득한 거리 추정 결과와 각 BS의 위치 정보를 통해 선박의 위치를 식별할 수 있다. 여기서 거리 추정은 Ranging 신호가 선박에 도달하는 시간을 측정하여 TOA(Time-of-Arrival) 또는 TDOA(Time difference of Arrival) 방식으로 도출될 수 있다.
특히 AIS는 주위의 선박을 인식할 수 없는 안개 낀 환경 등에서도 타선의 존재와 진행 상황 판단이 가능하고, 넓은 범위의 관제, 조난 선박의 수색 및 구조 활동 등에도 활용될 수 있는 장점으로 활용의 폭이 넓다.
이와 같은 장점으로 AIS를 이용하는 선박은 증가하는데, 문제는 AIS를 활용한 위치 식별의 정확도는 낮은 편이며, 기지국과의 운행 정보 교환의 필요성이 높아짐에도 불구하고 충분한 데이터 전송용량을 확보하지 못함에 따라 해상 통신망의 과부하와 불안정성 문제가 대두되고 있다.
이를 해결하고자 VDES(VHF Data Exchange System)가 새로운 규격으로 부각되고 있다. VDES는 AIS와 다른 초단파(VHF) 주파수 대역을 통해 보다 잡음에 강한 ASM(Application Specific Message) 방식의 전송모드와 훨씬 더 큰 대역폭의 VDE(VHF Data Exchange) 방식의 전송 모드가 있다. 특히 AIS가 수행하던 선박의 위치 식별 기능 또한 VDES R-Mode로 명명된, VDES를 기반으로 하는 규격으로 준비되고 있다.
전파 도달시간 추정 방법에 대한 기술에 앞서 VDES R-Mode 시스템에 대하여 간략히 기술한다. VDES R-Mode 시스템은 전파 도달시간 추정을 위하여 Ranging sequence를 전송하는데, 이 Ranging 신호는 1초에 1번씩 전송된다. Ranging 신호는 도 2와 같은 프레임 구조로, 표 1과 같은 PN Code를 π/4 QPSK 변조하여 전송한다. [표 1]에서 C_I, C_Q는 각각 I채널 및 Q채널용으로 변조될 Code의 bit이다.
[표 1]
VDES R-Mode 시스템의 주요 파라미터는 다음과 같다.
Link ID 37 : π/4 QPSK
Channel Bandwidth : 100KHz
Signal Bandwidth : 99.8 KHz
Symbol Rate : 76.8 Ksps
Data Symbol 개수 : 1877 (Ranging Sequence용 Symbol개수)
slot전체 duration : 약 26.67ms (Guard 64심볼 포함, 총 2048심볼)
Traning sequence 27심볼은 VDES 규격에서 Syncword라 불리며, Double Barker Code로 [1, Barker13, inverted Barker13]순서로 구성되며, 도3의 b1과 b0를 [1 1111100110101 0000011001010]로 동일하게 정의한다. Link ID는 VDES R-Mode용으로 37번을 사용하며, [01 01 01 11 00 00 01 00 10 01 01 11 00 10 10 01]을 π/4-QPSK변조하는 것으로 정의한다.
Ranging Sequence는 VDES R-Mode 권고안에서 Gold Code sequence와 Alternating sequence의 조합으로 정의하고 있는데, 본 발명에서는 기술의 편의상 Gold Code sequence만을 사용하는 것으로 기술한다. 권고안에서 제시하고 있는 Gold Code sequence는 표1처럼 I,Q 각각 1877심볼용 bit로 정의되며 π/4-QPSK변조한다.
전파 도달시간 추정은 일반적으로 신호 검출기를 통해 추정할 수 있다.
신호 검출기는 수신신호로부터 특정 패턴과의 상호 상관 연산을 수행, 높은 상관전력을 갖는 순간의 전파 수신 시점을 포착하여 기준시간 대비 시간 차이를 도출함으로 전파 도달시간을 추정하게 된다. 전파 도달시간 추정을 위해 본 발명에서의 송신기는 상기 기술한 VDES R-Mode의 Ranging신호를 송신하는 것으로 가정하고, 수신기는 [수학식 0]로 표현되는 신호를 수신하게 된다.
[수학식 0]에서 r(t)는 아날로그 상태의 수신 신호, h는 M탭으로 표현될 수 있는 Impulse Response의 채널 모델을 뜻하며, fc는 반송파 주파수, fo는 주파수 옵셋, Δtp는 시간 지연, fs는 샘플링 주파수이며, 샘플링 주기 Ts=1/fs이다.
[수학식 0]
한국등록특허 제10-2067795호는 VDES 기반의 해안국 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 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 내용이 개시되어 있다.
한국등록특허 제10-2051382호는 선박국을 중계기로 하여 장거리 통신이 가능한 VDES 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 해안국과 선박국의 VDES 통신시 거리가 멀게 위치한 목적지로 통신하려는 경우, VDES 슬롯 할당을 통해 인근의 해안국이 중계 역할을 하도록 함으로써, 종래의 먼 거리의 통신을 위하여 높은 출력을 하게 됨에 따라 신호간 간섭을 초래하던 문제점을 극복하고, 낮은 전력과 근거리를 위한 출력과 동일한 출력으로 커버리지가 가능하게 됨에 따라 하드웨어의 소형화 목적을 달성할 수 있는, 선박국을 중계기로 하여 장거리 통신이 가능한 VDES 통신 시스템에 관한 내용이 개시되어 있다.
한국등록특허 제10-2570362호는 지상파 통합 항법 시스템의 RTCM 생성장치에 관한 것으로, R-Mode RTCM(Radio Technical Commission for Maritime Services)메시지와 DGNSS RTCM 메시지를 실시간으로 취합하여 사용자 송신기로 전송할 수 있다는 내용이 개시되어 있다.
한국등록특허 제10-2182390호는 다중 경로 페이딩 환경에 적합한 SC-FDE 웨이브폼이 적용된 VDES 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 지상파 VDES 시스템에 대하여 연안 지형 및 해수면 반사파로 인해 발생하는 성능 열화 가능성을 완화시키기 위한 이퀄라이저(Equalizer)의 구현시 복잡하지 않은 구조를 가지면서, 종래 요구하던 VDES규격 G1139 ed.2를 충족할 수 있는 단순한 구조의 이퀄라이저와 웨이브폼을 제공할 수 있다는 내용이 개시되어 있다.
한국등록특허 제10-2067795호 한국등록특허 제10-2051382호 한국등록특허 제10-2570362호 한국등록특허 제10-2182390호
본 발명은 GPS 불능 시 안전한 선박 항법이 가능하도록 하며, 정밀한 통합 항법 목적을 달성하기 위한 새로운 해상 백업 시스템으로 활용할 수 있도록 하는 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 현재 활발히 연구 개발 중인 국제 해상무선통신표준 기술(ITU-R M.2092) VDES 송출/수신장치에 VDES R-모드 기술을 적용한 VDES 수신장치의 발명으로 효율성 제고할 수 있도록 하는 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 장치는 복수의 VDES 송출 장치 각각에서 송출된 신호를 수신하면 신호의 주파수를 IF 주파수로 주파수 하향 변환시키는 RF부, 상기 RF 부로부터 IF 신호를 수신하면 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후 일정한 범위의 신호 레벨로 조절한 후 신호의 상관관계 전력을 계산하는 방식으로 VDES 신호의 유무 및 신호 시작 시점을 검출한 후 미세 시간 오프셋을 보정하여 수신 지연 시간을 산출하고 VDES 신호를 복조하는 모뎀부 및 상기 복조된 VDES 신호를 통신 항법 수신 장치에 제공하는 제어부를 포함한다.
또한 이러한 목적을 달성하기 위한 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 장치에서 실행되는 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 방법은 복수의 VDES 송출 장치 각각에서 송출된 신호를 수신하면 신호의 주파수를 IF 주파수로 주파수 하향 변환시키는 단계, 상기 IF 주파수로 하향 변환된 신호를 수신하면 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후 일정한 범위의 신호 레벨로 조절하는 단계, 상기 신호의 상관관계 전력을 계산하는 방식으로 VDES 신호의 유무 및 신호 시작 시점을 검출한 후 미세 시간 오프셋을 보정하여 수신 지연 시간을 산출하고 VDES 신호를 복조하는 단계 및 상기 검출한 수신 지연 시간(dTOA) 정보를 통합항법수신 장치에 제공하는 단계를 포함한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, GPS 불능 시 안전한 선박 항법이 가능하도록 하며, 정밀한 통합 항법 목적을 달성하기 위한 새로운 해상 백업 시스템으로 활용할 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의하면, 현재 활발히 연구 개발 중인 국제 해상무선통신표준 기술(ITU-R M.2092) VDES 송출/수신장치에 VDES R-모드 기술을 적용한 VDES 수신장치의 발명으로 효율성 제고할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 위치 식별 시스템이 활용되는 환경 (최소 3개의 BS와 1개의 단말(선박))을 나타낸 도면이다.
도 2는 VDES 전송 슬롯을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 VDES 수신 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모뎀부의 내부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
본 명세서에서 사용된 용어 중 VDES-R 모드(VHF Data Exchange System Ranging Mode)는 VDES 신호를 이용한 레인징(거리 측정) 기능을 제공하는 방식이다. 여기서, Ranging의 원리는 전파속도가 빛의 속도와 같다는 사실을 활용해 각각 3곳의 송출장치들이 송신한 송출 시간과 수신된 시간의 차이를 측정하여 송신국과 수신국의 거리를 구하고 이러한 3개의 정보를 이용한 연산을 통해 측위하는 것이다. 여기서, VDES R-MODE는 VDES 신호를 활용해 레인징(측위)하는 방식을 말한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, VDES-R 모드 기능을 탑재한 선박용 초단파 데이터 교환 시스템은 VDES 수신 장치(100) 및 복수의 VDES 송출 장치(200_1~200_3)를 포함한다.
VDES 수신 장치(100)는 복수의 VDES 송출 장치(200_1~200_3) 각각에서 송출 된 VDES 신호를 수신하여, 수신한 각 신호에 대해 검출부에서 수신 VDES 신호와 고정 패턴인 VDES Syncword 사이의 상관관계 값을 계산하여 VDES 신호의 대략적인 수신 시점을 측정한다.
이를 위해, VDES 수신 장치(100)는 복수의 VDES 송출 장치(200_1~200_3) 각 각에서 제1~3의 VDES 신호를 수신하면, 미리 삽입된 VDES Syncword 패턴을 고정 시켜 놓은 후 각각의 VDES 신호를 시간 축으로 일정 샘플만큼 이동시켜 수신된 VDES 신호와 VDES Syncword를 곱해 나가는 방식으로 두 신호 사이의 유사성을 산출한다. VDES 수신 장치(100)는 제1~3의 VDES 신호에 대해 동일한 과정을 3번 반복한다.
이때, VDES 신호와 및 VDES Syncword 신호가 유사할수록 VDES 신호 및 VDES Syncword 신호를 곱한 상관 관계 값이 커지게 된다. 따라서, 이를 합산한 상관관계 전력 값이 최대일 때, 두 신호를 동일하다고 판단하고 그 시점에 VDES 신호가 수신되었다고 판단하여 대략적인 수신 시간을 산출한다.
검출부(34)에서 상관계산을 위한 수신 신호는 샘플 단위로 처리되는데 1 샘플의 오차라도 발생할 경우, 1 샘플 시간은 VDES 신호의 경우 3.3113μs가 된다. 이는 곧 993m에 이르는 거리 오차를 발생시키므로 미세 시간 지연 보정을 위한 단계가 필요하다.
이를 위해, 모뎀부(22) 타임 오프셋 판단부(35)는 수신된 Ranging Sequence를 통해 지연 도착 시간 오프셋을 산출한다.
먼저, 모뎀부(22) 타임 오프셋 판단부(35)는 수신한 VDES Ranging Sequence를 주파수 영역에서의 계산을 위한 FFT를 수행하고, 원래 알고 있는 Ranging Sequence 대비 수신된 Ranging Sequence의 주파수 영역에서의 위상 차이 값을 통해 시간 영역에서의 미세 시간 오차를 산출한다.
일 실시예에서, VDES 수신 장치(100)는 FFT를 수행하여 R(k)을 획득하고, 그 결과와 이상적인 주파수 영역 Reference신호 T(k)와의 상관 연산을 수행하여 Cxx(k)를 획득한다. Cxx(k) 연산은 [수학식 1]과 같다. 여기서 편의상 N-point FFT에 대한 출력 index를 -N/2 to (N/2)-1로 정의한다. 본 예시에서는 심볼율의 4배 오버샘플링된 신호에 대하여 신호 처리를 수행함에 따라 식(5)에서 FFT point N=8192, 오버샘플링 배수 V=4를 사용한다.
[수학식 1]
Cxx(k) = R(k) ⓧ conj(T(k)), k={-N/(2*V) to (N/(2*V))-1)}
그리고 [수학식 2]를 통해 상관 연산 출력 Cxx(k)로부터 위상 차이 D(k)를 구하고, [수학식 3]를 통해 평균을 낸다. [수학식 4]를 통해 위상 θ를 구한 후, [수학식 5]와 같은 스케일링 값을 통해 [수학식 6]에서 위상-to-샘플 변환함으로 몇 샘플 지연이 발생했는지 ΔP를 도출하게 된다.
그 후, 지연 샘플 개수를 시간 Δt로 변환 시 [수학식 7]을 적용할 수 있다. 예를 들어, VDES 수신 장치(100)는 [수학식 7]을 적용하여 도 3의 Δ1 내지 Δ3을 도출할 수 있다.
[수학식 2]
D(k) = Cxx(k) ⓧ conj(Cxx(k-L)), k=0 to ((N/(2*V))-1)
D(k): 위상 차이,
Cxx(k): 상관 연산 출력,
[수학식 3]
S = 1/(N/(2*V)) * ∑D(k), k=0 to ((N/(2*V))-1)
[수학식 4]
θ = atan(S)
θ: 위상,
[수학식 5]
U = (1/(2*π)*N/L) * (fIF/(V*fsym))
U: 스케일링 값,
fIF: 송신기 또는 수신기의 IF, RF 및 아날로그 신호처리에 따른 연산 지연을 보상 해 송신 출력 또는 수신 시점을 기준시간에 정렬시키기 위하여 사용
fsym: 심볼율
V*fsym: 샘플링 주파수
[수학식 6]
ΔP = θ * U
ΔP: 샘플 지연
θ: 위상,
[수학식 7]
Δt = ΔP * 1/(fIF)
그 후, VDES 수신 장치는 VDES Ranging Sequence를 수신한 후 주파수 영역에서의 계산을 위한 FFT를 수행하고, 원래 알고 있는 Ranging Sequence 대비 수신된 Ranging Sequence의 주파수 영역에서의 위상 차이 값을 통해 시간 영역에서의 미세 시간 오차를 산출한 후 검출기에서 추적한 대략적인 수신 시간에 더하여 수신 시간을 보정함으로써 최종 지연 시간(dTOA)을 계산한다.
복수의 VDES 송출 장치(200_1~200_3)는 VDES 신호를 VDES 수신 장치(100)에 송출하는 장치이다. 복수의 VDES 송출 장치(200_1~200_3)는 VDES 신호를 송출할 때 VDES 신호의 맨 앞에 미리 고정된 패턴을 삽입하여 VDES 수신 장치(100)에 송출한다.
이때, 복수의 VDES 송출 장치(200_1~200_3)는 적어도 3개가 필요하다. 3곳의 지연된 시간 정보가 있어야 측위가 가능하다.
상기의 복수의 VDES 송출 장치(200_1~200_3)에서 송출된 VDES Ranging Sequence는 VDES 수신 장치(100)에 제공되며, VDES 수신 장치(100)가 VDES 송출 장치(200_1~200_3)에서 송출된 VDES 신호를 수신한 후, Syncword를 검출하여 대략적인 수신 시간을 계산한다. 이후, Ranging Sequence를 활용하여 타임 오프셋 판단부(35)에서 미세 시간 오차를 계산하고 수신 시간을 보정하여 최종 수신 지연 시간을 산출한다. 이를 통합 항법 수신 장치로 제공함으로써 지상파 통합 항법 기능을 수행할 수 있도록 한다.
VDES R-Mode 시스템에서 복수의 VDES 송출 장치(200_1~200_3)는 Ranging신호를 161.8375MHz로 송신하는데, VDES 수신 장치(100)는 RF 부(23)를 통해 VDES R-Mode RF 수신 기능, VHF 신호를 IF신호로 하향변환하며, 모뎀부(22)를 통해 VDES 신호 및 Ranging Sequence/Navigation data 복조 및 Ranging 신호 도착 지연시간(delayed TOA(Time of Arrival)을 산출한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 VDES 수신 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4를 참조하면, VDES 수신 장치(100)는 제어부(21), 모뎀부(22), RF 부(23) 및 전원부(24)를 포함한다.
RF 부(23)는 복수의 VDES 송출 장치(200_1~200_3) 각각에서 송출된 신호를 수신하면, 신호의 주파수를 IF 주파수로 주파수 하향 변환시킨 후 IF 신호를 모뎀부(22)에 제공한다.
모뎀부(22)는 RF 부(23)로부터 IF 신호를 수신하면 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후 일정한 범위의 신호 레벨로 조절한 후 신호의 상관관계 전력을 계산하는 방식으로 VDES 신호의 유무 및 신호 시작 시점을 검출한다.
먼저, 모뎀부(22)는 복수의 VDES 송출 장치(200_1~200_3) 각각에서 송출된 VDES 신호를 수신하여 검출부에서 수신된 VDES 신호와 고정 패턴인 VDES Syncword 사이의 상관관계 값을 계산하여 VDES 신호의 대략적인 수신 시점을 측정한다.
이를 위해, 모뎀부(22)의 검출부(34)의 미리 지정된 Syncword 패턴을 고정시킨 후 복수의 VDES 송출 장치(200_1~200_3)에서 수신한 각 신호에 대해 순차적으로 하나씩 시간 축으로 일정 샘플만큼 이동시켜 곱해 나가는 방식으로 제1~3 VDES 신호와 Sycword 신호와의 유사성을 각각 계산한다.
이때, VDES 신호와 및 VDES Syncword 신호가 유사할수록 VDES 신호 및 VDES Syncword 신호를 곱한 상관 관계 값이 커지게 된다. 따라서, 이를 합산한 상관관계 전력 값이 최대일 때, 두 신호를 동일하다고 판단하고 그 시점에 VDES 신호가 수신되었다고 판단한다.
이 과정에서, 검출부(34)에서 상관 계산을 위한 수신 신호는 샘플 단위로 처리되는데 1 샘플의 오차라도 발생할 경우, 1 샘플 시간은 VDES 신호의 경우 3.3113μs가 된다. 이는 곧 993m에 이르는 거리 오차를 발생시키므로 미세 시간 지연 보정을 위한 단계가 필요하다.
이를 위해, 모뎀부(22) 타임 오프셋 판단부(35)는 수신된 Ranging Sequence를 통해 지연 도착 시간 오프셋을 산출한다
먼저, 모뎀부(22)의 타임 오프셋 판단부(35)는 수신한 VDES Ranging Sequence를 주파수 영역에서의 계산을 위한 FFT를 수행하고, 원래 알고 있는 Ranging Sequence 대비 수신된 Ranging Sequence의 주파수 영역에서의 위상 차이 값을 통해 시간 영역에서의 미세 시간 오차를 산출한 후 검출부(34)에서 산출한 수신 시간에 더해 수신 시간을 보정해줌으로써 최종적으로 지연된 수신 시간을 계산해내게 된다.
일 실시예에서, 모뎀부(22)는 FFT를 수행하여 R(k)을 획득하고, 그 결과와 이상적인 주파수 영역 Reference신호 T(k)와의 상관 연산을 수행하여 Cxx(k)를 획득한다. Cxx(k) 연산은 [수학식 1]과 같다. 여기서 편의상 N-point FFT에 대한 출력 index를 -N/2 to (N/2)-1로 정의한다. 본 예시에서는 심볼율의 4배 오버샘플링된 신호에 대하여 신호 처리를 수행함에 따라 식(5)에서 FFT point N=8192, 오버샘플링 배수 V=4를 사용한다.
그리고 [수학식 2]를 통해 상관 연산 출력 Cxx(k)로부터 위상 차이 D(k)를 구하고, [수학식 3]를 통해 평균을 낸다. [수학식 4]를 통해 위상 θ를 구한 후, [수학식 5]와 같은 스케일링 값을 통해 [수학식 6]에서 위상-to-샘플 변환함으로 몇 샘플 지연이 발생했는지 ΔP를 도출하게 된다.
그 후, 지연 샘플 개수를 시간 Δt로 변환 시 [수학식 7]을 적용할 수 있다. 예를 들어, VDES 수신 장치(100)는 [수학식 7]을 적용하여 도 3의 Δ1 내지 Δ3(11~13)을 도출할 수 있다.
모뎀부(22)는 원래 알고 있는 Ranging Sequence 대비 수신된 Ranging Sequence의 주파수 영역에서의 위상 차이 값을 통해 시간 영역에서의 미세 시간 오차를 산출한 후 검출부에서 산출한 수신 시간에 더해 수신 시간을 보정해줌으로써 최종적으로 지연된 수신 시간을 계산해내게 된다.
모뎀부(22)는 VEDS 신호를 복조한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모뎀부의 내부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 모뎀부(22)는 아날로그/디지털 변환기(31), 자동 이득 조절기(32), 정합 필터부(33), 검출부(34), 타임 오프셋 판단부(35), 주파수 오프셋 보상기(36) 및 VDES 신호 복조기(37)를 포함한다.
아날로그/디지털 변환기(31)는 RF 부(23)로부터 IF 신호를 수신하면, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 자동 이득 조절기(32)에 제공한다.
자동 이득 조절기(32)는 아날로그/디지털 변환기(31)로부터 디지털 신호를 수신하면, 디지털 신호의 신호 크기를 일정한 범위로 조절하여 정합 필터부(33)로 제공한다.
정합 필터부(33)는 자동 이득 조절기(32)에 의해 일정한 범위로 조절된 신호에 대해서 신호 대 잡음비를 최대화하기 위하여 필터링을 실행한 후 검출부(34)에 제공한다.
검출부(34)는 수신된 신호의 상관관계 전력을 계산하는 방식으로 VDES 신호의 유뮤 및 신호 시작 시점을 검출하여 타임 오프셋 판단부(35) 및 주파수 오프셋 보상기(36)에 제공한다.
검출부(34)는 복수의 VDES 송출 장치(200_1~200_3) 각각에서 송출된 VDES 신호를 수신하여 순차적으로 VDES Syncword와의 상관관계 값을 계산하여 VDES Ranging Sequence를 수신하고 대략적인 신호 수신 시점을 측정한다.
제1~3의 VDES 신호를 수신하면, 미리 삽입된 VDES Syncword 패턴을 고정 시켜 놓은 후 각각의 VDES 신호를 시간 축으로 일정 샘플만큼 이동시켜 수신된 VDES 신호와 VDES Syncword를 곱해 나가는 방식으로 두 신호 사이의 유사성을 산출한다.
VDES 수신 장치(100)는 제1~3의 VDES 신호에 대해 동일한 과정을 3번 반복한다.
이때, VDES 신호와 및 VDES Syncword 신호가 유사할수록 VDES 신호 및 VDES Syncword 신호를 곱한 상관 관계 값이 커지게 된다. 따라서, 이를 합산한 상관관계 전력 값이 최대일 때, 두 신호를 동일하다고 판단하고 그 시점에 VDES 신호가 수신되었다고 판단하여 대략적인 수신 시간을 산출한다.
만일, VDES 송출 장치(200_1~200_3) 및 VDES 수신 장치(100) 사이의 시각 설정 및 클록이 정확히 일치하고, VDES 송출 장치(200_1~200_3)에서 일정 주기로 송신하는 Ranging Sequence가 VDES 수신 장치(100)로 지연없이 도착하는 경우, VDES 수신 장치(100)에서 FFT를 수행한 주파수 영역의 수신 신호와 VDES 송출 장치(200_1~200_3)가 원래 알고있는 Ranging Sequence와의 상관연산은 위상차이가 0이 되므로 지연 오프셋이 없는 것으로 계산된다.
이에 반하여, VDES 송출 장치(200_1~200_3)에서 일정 주기로 송신하는 Ranging Sequence가 VDES 수신 장치(100)로 도착하는데 지연이 발생하는 경우 이에 비례하여 주파수 영역에서의 상관연산의 위상차이가 증가하며, 계산된 위상차이를 통해 시간 지연을 계산할 수 있다.
이를 위해, 타임 오프셋 판단부(35)는 수신된 Ranging Sequence를 통해 지연 도착 시간 오프셋을 산출한다.
먼저, 타임 오프셋 판단부(35)는 VDES Ranging Sequence를 수신한 후 주파수 영역에서의 계산을 위한 FFT를 수행하고, 원래 알고 있는 Ranging Sequence 대비 수신된 Ranging Sequence의 주파수 영역에서의 위상 차이 값을 통해 시간 영역에서의 미세 시간 오차를 산출한다.
일 실시예에서, 타임 오프셋 판단부(35)는 FFT를 수행하여 R(k)을 획득하고, 그 결과와 이상적인 주파수 영역 Reference신호 T(k)와의 상관 연산을 수행하여 Cxx(k)를 획득한다. Cxx(k) 연산은 [수학식 1]과 같다. 여기서 편의상 N-point FFT에 대한 출력 index를 -N/2 to (N/2)-1로 정의한다. 본 예시에서는 심볼율의 4배 오버샘플링된 신호에 대하여 신호 처리를 수행함에 따라 식(5)에서 FFT point N=8192, 오버샘플링 배수 V=4를 사용한다.
그리고 [수학식 2]를 통해 상관 연산 출력 Cxx(k)로부터 위상 차이 D(k)를 구하고, [수학식 3]를 통해 평균을 낸다. [수학식 4]를 통해 위상 θ를 구한 후, [수학식 5]와 같은 스케일링 값을 통해 [수학식 6]에서 위상-to-샘플 변환함으로 몇 샘플 지연이 발생했는지 ΔP를 도출하게 된다.
그 후, 지연 샘플 개수를 시간 Δt로 변환 시 [수학식 7]을 적용할 수 있다. 예를 들어, VDES 수신 장치(100)는 [수학식 7]을 적용하여 도 3의 Δ1 내지 Δ3(11~13)을 도출할 수 있다.
주파수 오프셋 보상기(36)는 원래 알고 있는 Ranging Sequence 대비 수신된 Ranging Sequence의 주파수 영역에서의 위상 차이 값을 통해 시간 영역에서의 미세 시간 오차를 산출한 후 검출기에서 추적한 대략적인 수신 시간에 더하여 수신시간을 보정함으로써 최종 지연 시간(dTOA)을 계산한다.
VDES 신호 복조기(37)는 VEDS 신호를 복조한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6을 참조하면, VDES 수신 장치(100)는 복수의 VDES 송출 장치 (200_1~200_3) 각각에서 송출된 VDES 신호를 수신하여 검출부(34)에서 VDES Syncword를 이용한 상관관계 값 계산을 통해 수신 시점을 측정하여 VDES Ranging Sequence(43)을 수신한 후, 타임 오프셋 판단부(35)에서 수신한 VDES Ranging 신호와 미리 알고있는 VDES Ranging Sequence(43)사이의 상관관계 값을 계산하여 미세 시간 오차를 계산하여 수신 시점을 보정한다.
이를 위해, VDES 수신 장치(100)는 복수의 VDES 송출 장치(200_1~200_3) 각 각에서 제1~3의 VDES 신호를 수신하면, 미리 삽입된 VDES Syncword 패턴을 고정 시켜 놓은 후 각각의 VDES 신호를 시간 축으로 일정 샘플만큼 이동시켜 수신된 VDES 신호와 VDES Syncword를 곱해 나가는 방식으로 두 신호 사이의 유사성을 산출한다. VDES 수신 장치(100)는 제1~3의 VDES 신호에 대해 동일한 과정을 3번 반복한다.
이때, VDES 신호와 및 VDES Syncword 신호가 유사할수록 VDES 신호 및 VDES Syncword 신호를 곱한 상관 관계 값이 커지게 된다. 따라서, 이를 합산한 상관관계 전력 값이 최대일 때, 두 신호를 동일하다고 판단하고 그 시점에 VDES 신호가 수신되었다고 판단하여 대략적인 수신 시간을 산출한다.
만일, VDES 송출 장치(200_1~200_3) 및 VDES 수신 장치(100) 사이의 시각 설정 및 클록이 정확히 일치하고, VDES 송출 장치(200_1~200_3)에서 일정 주기로 송신하는 Ranging Sequence가 VDES 수신 장치(100)로 지연없이 도착하는 경우, VDES 수신 장치(100)에서 FFT를 수행한 주파수 영역의 수신 신호와 VDES 송출 장치(200_1~200_3)가 원래 알고있는 Ranging Sequence와의 상관연산은 위상차이가 0이 되므로 지연 오프셋이 없는 것으로 계산된다.
이에 반하여, VDES 송출 장치(200_1~200_3)에서 일정 주기로 송신하는 Ranging Sequence가 VDES 수신 장치(100)로 도착하는데 지연이 발생하는 경우 이에 비례하여 주파수 영역에서의 상관연산의 위상차이가 증가하며, 계산된 위상차이를 통해 시간 지연을 계산할 수 있다.
이를 위해, VDES 수신 장치(100)는 수신된 Ranging Sequence를 통해 지연 도착 시간 오프셋을 산출한다.
먼저, 타임 오프셋 판단부(35)는 VDES Ranging Sequence를 수신한 후 주파수 영역에서의 계산을 위한 FFT를 수행하고, 원래 알고 있는 Ranging Sequence 대비 수신된 Ranging Sequence의 주파수 영역에서의 위상 차이 값을 통해 시간 영역에서의 미세 시간 오차를 산출한다.
그 후, VDES 수신 장치(100)는 산출된 미세 시간 오차를 검출기에서 추적한 대략적인 수신 시간에 더하여 수신시간을 보정함으로써 최종 지연 시간(dTOA)을 계산한다.
한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: VDES 수신 장치,
200_1~200_3: 복수의 VDES 송출 장치,
21: 제어부,
22: 모뎀부,
23: RF 부,
24: 전원부
31: 아날로그/디지털 변환기,
32: 자동 이득 조절기,
33: 정합 필터부,
34: 검출부,
35: 타임 오프셋 판단부,
36: 주파수 오프셋 보상기,
37: VDES 신호 복조기,

Claims (2)

  1. 복수의 VDES 송출 장치 각각에서 송출된 신호를 수신하면 신호의 주파수를 IF 주파수로 주파수 하향 변환시켜 제공하는 RF부;
    미리 지정된 VDES Syncword 신호를 고정시킨 후 복수의 VDES 송출 장치에서 수신한 각 신호에 대해 순차적으로 하나씩 시간 축으로 일정 샘플만큼 이동시켜 곱하여 복수의 VDES 신호 및 VDES Sycword 신호 사이의 상관 관계 값을 각각 산출하고 상기 각각의 상관 관계 값을 이용하여 상기 VDES 신호의 임시 수신 시간을 산출하고, 미세 시간 오차를 이용하여 상기 VDES 신호의 임시 수신 시간을 보정하여 최종 지연 시간을 산출한 후 상기 최종 지연 시간을 통합 항법 수신 장치에 제공하여 지상파 통합 항법 기능을 수행하도록 하는 모뎀부를 포함하고,
    상기 모뎀부는
    미리 결정된 Ranging Sequence 대비 수신된 Ranging Sequence의 주파수 영역에서의 위상 차이 값을 통해 시간 영역에서의 상기 미세 시간 오차를 산출하는 것을 특징으로 하는 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 장치.
  2. VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 장치에서 실행되는 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 방법에 있어서,
    복수의 VDES 송출 장치 각각에서 송출된 신호를 수신하면 신호의 주파수를 IF 주파수로 주파수 하향 변환시키는 단계;
    상기 IF 주파수로 하향 변환된 신호를 수신하면 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후 일정한 범위의 신호 레벨로 조절하는 단계;
    미리 지정된 VDES Syncword 신호를 고정시킨 후 복수의 VDES 송출 장치에서 수신한 각 신호에 대해 순차적으로 하나씩 시간 축으로 일정 샘플만큼 이동시켜 곱하여 복수의 VDES 신호 및 VDES Sycword 신호 사이의 상관 관계 값을 각각 산출하는 단계;
    상기 각각의 상관 관계 값을 이용하여 상기 VDES 신호의 임시 수신 시간을 산출하는 단계;
    미세 시간 오차를 이용하여 상기 VDES 신호의 임시 수신 시간을 보정하여 최종 지연 시간을 산출한 후 상기 최종 지연 시간을 통합 항법 수신 장치에 제공하여 지상파 통합 항법 기능을 수행하도록 하는 단계를 포함하고,
    미리 결정된 Ranging Sequence 대비 수신된 Ranging Sequence의 주파수 영역에서의 위상 차이 값을 통해 시간 영역에서의 상기 미세 시간 오차를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 VDES-R 모드 기능을 탑재한 VDES 수신 방법.
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