KR20010002520A - 반송파 복조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 GPS 위성의 1.5GHz대 RF신호를 10.7MHz의 IF신호로 하향 변환하고 C/A(Coarse Acquisition) 코드를 제거하여 역확산된 신호에서 효율적으로 항법정보를 추출하기 위한 반송파 복조장치에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은, 중심주파수가 10.7MHz이고 대역폭이 2.048MHz로 확산된 신호와 C/A코드 발생기에서 1/2칩(비트)씩 지연된 위성의 고유코드와 최대 상관된 신호를 전력 분배하는 전력 분배기, 전력 분배기의 출력 신호와 전압제어 발진기에서 얻어지는 국부 발진 신호 및 90도 위성 천이된 국부 발진 신호를 선택적으로 혼합하여 I채널 신호 및 Q 채널 신호를 출력하는 제1 및 제2 혼합부, 제1 및 제2 혼합부의 출력 신호를 각각 저역 필터링하는 제1 및 제2 저역 필터부, 제1 및 제2 저역 필터부에서 출력된 신호를 각각 소정 레벨로 증폭하는 제1 및 제2 증폭부, 제1증폭부의 출력신호를 저역 필터링하여 복조된 데이터로 출력하는 제3저역필터부, 제1 및 제2 증폭부에서 각각 출력되는 I채널 신호 및 Q채널 신호를 혼합하는 제3혼합부, 제3혼합부의 출력신호를 루프 필터링하는 루프필터, 루프필터의 출력신호를 제어전압으로 입력받아 출력하는 국부발진 신호를 가변시키는 전압제어 발진기, 전압제어 발진기의 출력신호를 90도 위성 천이시켜 상기 제2혼합부에 인가하는 위상 천이기를 구비한다.

Description

반송파 복조장치{Carrier demodulation apparatus}

본 발명은 반송파 복조에 관한 것으로, 특히 GPS 위성의 1.5GHz대 RF신호를 10.7MHz의 IF신호로 하향 변환하고 C/A(Coarse Acquisition) 코드를 제거하여 역확산된 신호에서 효율적으로 항법정보를 추출하기 위한 반송파 복조장치에 관한 것이다.

일반적으로, GPS(Global Positioning System)는 미군이 발사한 인공위성과 지상의 제어국, 사용자의 이동국으로 구성되는 시스템이며, 이동국과 세개 이상의 위성과의 거리를 계측함으로써, 이동국의 평면상의 위치를 알 수 있다.

GPS로 위치를 측정하려면 4개의 GPS위성의 전파를 동시에 수신하여 각 위성에 할당된 코드패턴을 해독하는 처리를 하여야 한다. GPS위성으로부터 발신되고 있는 전파는 난수적인 암호의 형태를 하고 있어 수신할때는 난수표에 상당하는 코드정보를 참조하면서 신호내용을 해독한다. GPS위성으로부터 송신되어 오는 전파는 PRN코드(Pseudo Random Noise Code)로 PSK(Phase Shift Keying)변조에 의해 스펙트럼 확산(Spread Spectrum)된 신호이다. PRN 코드 패턴에는 C/A 코드와 P(Precision)코드의 2종류가 있다.

GPS에서 송신되는 신호는 1.5GHz대의 L1반송파와 1.2GHz대의 L2반송파를 사용한다. GPS위성으로부터 수신한 신호는 2차 하향 변환하고 그 신호중의 C/A코드를 역확산시킴으로써 해당 위성의 고유코드를 제거하여 원하는 정보를 얻을 수 있다.

한편, GPS위성으로 부터의 항법정보는 기본 신호에 실려 있으므로 반송파를 분리하여 항법정보를 복조하여야 한다. PSK변조된 형태인 이 신호를 복조하기 위하여 종래에는 자승 루프(Squaring Loop)와 코스타스 루프(COSTAS Loop)를 사용 하였다.

첨부한 도면 도1은 종래 반송파 복조를 위해 사용한 자승 루프의 구성도이다.

도시된 바와 같이, 입력 신호를 대역 필터(1)로 대역 필터링하고, 자승기(2)로 데이터를 포함한 신호를 자승하여 데이터에 의한 영향이 제거된 반송파의 두배되는 주파수를 획득한다. 그리고 대역필터(3)로 다시 대역 필터링하고, 이를 전압제어 발진기(6)에서 발생되는 발진 주파수를 혼합기(4)에서 혼합한다. 아울러 상기 혼합기(4)의 출력신호를 다시 대역 필터링하여 이를 상기 전압제어 발진기(6)에 제어전압으로 인가하여 발진 주파수를 조절한다. 상기 전압제어 발진기(6)의 출력신호는 분주기(7)에서 2분주되고, 이 분주된 신호와 상기 대역필터(1)를 통한 입력 신호를 혼합기(8)에서 혼합하여 데이터 성분을 복조한다. 이렇게 복조된 신호는 저역 필터(9)를 통해 출력된다.

그러나 상기와 같이 자승루프를 이용하여 반송파를 복조하는 종래의 경우에는, 자승기와 분주기의 회로 설계시 회로 지연과 전압제어 발진기의 정확도에 의해 PLL의 록(Lock)을 놓치는 경우가 발생하여 데이터 복조에 불안정한 요인을 초래 하였다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 자승루프를 이용한 반송파 복조시 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명의 목적은, GPS 위성의 1.5GHz대 RF신호를 10.7MHz의 IF신호로 하향 변환하고 C/A(Coarse Acquisition) 코드를 제거하여 역확산된 신호에서 효율적으로 항법정보를 추출하기 위한 반송파 복조장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

GPS 위성 수신기의 반송파 복조 장치에 있어서,

중심주파수가 10.7MHz이고 대역폭이 2.048MHz로 확산된 신호와 C/A코드 발생기에서 1/2칩(비트)씩 지연된 위성의 고유코드와 최대 상관된 신호를 전력 분배하는 전력 분배기와;

상기 전력 분배기의 출력 신호와 전압제어 발진기에서 얻어지는 국부 발진 신호 및 90도 위성 천이된 국부 발진 신호를 선택적으로 혼합하여 I채널 신호 및 Q 채널 신호를 출력하는 제1 및 제2 혼합부와;

상기 제1 및 제2 혼합부의 출력 신호를 각각 저역 필터링하는 제1 및 제2 저역 필터부와;

상기 제1 및 제2 저역 필터부에서 출력된 신호를 각각 소정 레벨로 증폭하는 제1 및 제2 증폭부와;

상기 제1증폭부의 출력신호를 저역 필터링하여 복조된 데이터로 출력하는 제3저역 필터부와;

상기 제1 및 제2 증폭부에서 각각 출력되는 I채널 신호 및 Q채널 신호를 혼합하는 제3혼합부와;

상기 제3혼합부의 출력신호를 루프 필터링하는 루프필터와;

상기 루프필터의 출력신호를 제어전압으로 입력받아 출력하는 국부발진 신호를 가변시키는 전압제어 발진기와;

상기 전압제어 발진기의 출력신호를 90도 위성 천이시켜 상기 제2혼합부에 인가하는 위상 천이기로 이루어짐을 특징으로 한다.

도1은 종래 반송파 복조를 위한 자승 루프 구성도,

도2는 본 발명에서 적용되는 GPS신호 수신장치 블록도,

도3은 본 발명에 의한 반송파 복조장치 블록도,

도4는 도3의 혼합부의 일실시예를 보인 회로도,

도5는 도3의 저역 필터부의 일실시예를 보인 회로도,

도6은 도3의 증폭부의 일실시예를 보인 회로도,

도7은 도3의 각부 입출력 스펙트럼으로써,

도7a는 코스타스 루프(LOOP)의 입력 신호와 위성항법 정보 스펙트럼,

도7b는 I-Channel 혼합부 출력과 저역필터부의 출력 스펙트럼,

도7c는 I-Channel과 Q-Channel의 출력 스펙트럼,

도7d는 위성 송신기의 출력과 COSTAS LOOP 출력의 스펙트럼.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : 전력 분배기

102, 106, 109 : 제1 및 제2 혼합부

103, 107, 105 : 제1, 제2, 제3 저역 필터부

104, 108 : 제1 및 제2 증폭부

110 : 루프 필터 111 : 전압제어 발진기

112 : 위상 천이기

이하, 상기와 같은 기술적 사상에 따른 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도면 도2는 본 발명에 적용되는 GPS 수신 장치 블록도이다.

도시된 바와 같이, 전력 분배부(10)는 GPS 위성으로부터 수신되어 낮은 주파수로 변환된 중간 주파수 신호(IF)를 입력받아 3등분으로 전력분배하여 출력한다.

위성코드 발생기(90)는 전압제어 발진기(82)로부터 소정 주파수의 클럭신호를 입력받아 소정비트(예를 들면, 1/2비트)의 지연 코드(LATE), 진상코드(EARLY) 및 정상 위성코드(MEDIUM)를 발생시킨다.

상관부(20)는 제1상관기(21), 제2상관기(22) 및 제3상관기(23)로 구성되며, 제1상관기(21)는 상기 전력 분배부(10)에서 출력되는 3등분 전력분배된 중간주파 신호와 상기 위성코드 발생기(90)에서 발생된 정상코드(MIDIUM)와 상관을 취하여 출력하고, 제2상관기(22)는 상기 전력 분배부(10)에서 출력되는 3등분 전력분배된 중간주파 신호와 상기 위성코드 발생기(90)에서 발생된 진상코드(EALRY)와 상관을 취하여 출력하고, 제3상관기(23)는 상기 전력 분배부(10)에서 출력되는 3등분 전력분배된 중간주파 신호와 상기 위성코드 발생기(90)에서 발생된 지연코드(LATE)와 상관을 취하여 출력한다.

아울러 혼합부(30)는 제1혼합기(31), 제2혼합기(32) 및 제3혼합기(33)로 구성되며, 각 혼합기(31,32,33)는 대응되는 각 상관기(21, 22, 23)에서 출력되는 신호와 전압제어 발진기(81)에서 발생된 국부 발진 신호와 혼합한다.

대역 필터부(40)는 제1대역필터(41), 제2대역필터(42) 및 제3대역필터(43)로 구성되며, 각 대역필터(41,42,43)는 대응되는 각 혼합기(31,32,33)에서 출력되는 신호를 설정 대역으로 필터링하여 출력한다.

또한, 포락선 검파부(50)는 제1포락선 검파기(51), 제2포락선 검파기(52) 및 제3포락선 검파기(53)로 구성되며, 각 포락선 검파기(51, 52, 53)는 대응되는 대역필터(41,42,43)에서 출력되는 신호에서 포락선을 검파하여 출력한다.

감산기(60)는 제2포락선 검파기(52)와 제3포락선 검파기(53)에서 출력되는 신호의 차를 출력한다.

또한, 루프 필터(70)는 상기 감산기(60)에서 출력되는 신호를 입력받아 루프 필터링한 후 그 결과치를 상기 전압제어 발진기(82)에 인가한다.

상기 전압제어 발진기(82)는 상기 루프 필터(70)에서 출력되는 전압에 비례하여 발진 주파수를 변환시킨다.

이러한 GPS 수신 장치에 있어서, 본 발명에 의한 반송파 복조부(100)는 상기 GPS 수신장치에서 위성코드가 동기되면 상기 제1상관기(21)의 출력신호인 반송파와 50bps의 데이터가 변조된 BPSK신호에서 반송파를 제거하여 희망하는 항법정보를 추출한다.

첨부한 도면 도3은 본 발명에 의한 반송파 복조장치 구성도이다.

도시된 바와 같이, 중심주파수가 10.7MHz이고 대역폭이 2.048MHz로 확산된 신호와 위성코드 발생기(90)에서 1/2칩(비트)씩 지연된 위성의 고유코드와 최대 상관된 신호를 전력 분배하는 전력 분배기(101)와; 상기 전력 분배기(101)의 출력 신호와 전압제어 발진기(111)에서 얻어지는 국부 발진 신호를 혼합하여 I채널 신호를 출력하는 제1혼합부(102)와; 상기 제1혼합부(102)의 출력 신호를 저역 필터링하는 제1저역 필터부(103)와; 상기 제1저역 필터부(103)에서 출력된 신호를 소정 레벨로 증폭하는 제1증폭부(104)와; 상기 제1증폭부(104)의 출력신호를 저역 필터링하여 복조된 데이터로 출력하는 제3저역필터부(105)와; 상기 전력 분배기(101)의 출력 신호와 상기 전압제어 발진기(111)에서 출력되는 국부 발진 신호의 90도 위상 천이된 신호를 혼합하여 Q채널 신호를 출력하는 제2혼합부(106)와; 상기 제2혼합부(106)의 출력 신호를 저역 필터링하는 제2저역 필터부(107)와; 상기 제2저역 필터부(107)에서 출력된 신호를 소정 레벨로 증폭하는 제2증폭부(108)와; 상기 제1 및 제2 증폭부(104)(108)에서 각각 출력되는 I채널 신호 및 Q채널 신호를 혼합하는 제3혼합부(109)와; 상기 제3혼합부(109)의 출력신호를 루프 필터링하는 루프필터(110)와; 상기 루프필터(110)의 출력신호를 제어전압으로 입력받아 출력하는 국부발진 신호를 가변시키는 전압제어 발진기(111)와; 상기 전압제어 발진기(111)의 출력신호를 90도 위성 천이시켜 상기 제2혼합부(106)에 인가하는 위상 천이기(112)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 반송파 복조장치는, 전압제어 발진기(111)에서 발생된 신호와 90도 위상 천이기(112)에 의해 원신호와 90도 위상 천이된 두 신호는 입력 IF신호와 각각 곱해져서 I채널 및 Q채널로 분리되며, 승산 및 저역필터를 거치면서 고조파 성분이 제거된다.

이렇게 출력된 두 신호는 입력 반송파의 도플러 편이량에 따라 바뀌게 되는데, I채널이 데이터와 동일한 형태를 보일때 10.7MHz의 IF신호가 증가하면 전압제어 발진기에 인가되는 오프셋 전압(제어 전압)을 증가시켜야 하므로 Q'채널의 파형은 I'채널의 파형과 반전된 형태를 보이고, 역으로 IF 신호가 감소하면 오프셋 전압을 감소시켜야 하므로 Q'채널의 파형은 I'채널과 동상이 된다.

이와 같은 동작에 의해, 재 승산된 신호는 전압제어 발진기를 제어하기 위한 충분한 신호를 만들기 위하여 증폭시키고, 전압제어 발진기를 제어하기 위하여 위상오차를 보정하는 방향으로 동작이 이루어져야 하므로 원 데이터와 90도 위상 천이된 반전 데이터 신호와 승산을 취함으로써 데이터 성분은 항상 '1"의 값이므로 영향을 주지 않는다.

승산기의 출력으로 나오는 신호전압은 루프필터를 통과하면서 고조파 성분이 제거된 안정된 직류전압 성분으로 전압제어 발진기를 제어하게 되므로 정확히 반송파를 동기시켜 데이터를 추출하게 된다.

이하에서는 도3의 각 블록을 좀 더 구체적으로 살펴본다.

먼저, 도3에서 전력 분배기(101)는 입력되는 IF신호를 두 채널에 동일한 신호원으로 공급하기 위하여 PSC-2-1(Mini-Circuit, 2Way-0도)를 사용하여 입력되는 IF신호를 동일한 두 신호로 분배한다.

이렇게 분배된 두 신호는 제1 및 제2 혼합부(102)(106)에 각각 입력되며, 상기 제1혼합부(102)는 도4와 같은 회로 구성에 의해 상기 분배된 IF신호와 상기 전압제어 발진기(111)에서 출력되는 신호를 혼합하게 된다.

여기서, 입력신호를 s(t)라 가정하면, 입력 신호 s(t)는 하기 [수학식1]과 같다.

상기에서 P는 Power, D(t)는 데이터를 각각 타나낸다.

상기 전압제어 발진기(111)의 출력은 입력 신호에 위상 동기된 신호{cos(t+)}와 90도 위상 천이된 신호{sin(t+)}로 나타낼 수 있다. 그러므로 입력 신호와 전압제어 발진기(111)의 원 신호가 승산을 이룰때, 상기 제1혼합부(102)의 출력 신호 I는 하기 [수학식2]로 나타낼 수 있다.

여기서+= θ₁,-= θ이다.

아울러 상기 전압제어 발진기(111)의 출력신호를 90도 위상 천이시킨 위상 천이기(112)의 출력신호와 상기 분배된 IF신호를 혼합하여 출력하는 제2혼합부(106)의 출력신호 Q는 [하기식3]과 같다.

여기서+= θ₁,-= θ이다.

다음으로, 제1 및 제2 저역 필터부(103)(107)는 도5와 같은 회로 구성에 의해 각각 입력되는 I,Q채널 신호를 각각 저역 필터링하여 고조파 성분을 제거하게 된다.

여기서 제1 저역 필터부(103)의 출력 신호인 Q'는 하기 [수학식4]와 같다.

아울러 제2 저역 필터부(107)의 출력 신호인 Q'는 하기 [수학식5]와 같다.

즉, 전압제어 발진기(111)의 기준 반송파가 입력신호의 반송파에 충실히 접근하게 되면, 주파수와 위상이 일치되어 "θ=0"이 되어 상기 [수학식4]의로서 기본 대역인 데이터 성분이 복조되며, 상기 [수학식5]에서는 D(t)에 의해 극성이 바뀌는 위상오차에 대한 신호가 타나난다.

한편, 상기 저역 필터는 저항과 콘덴서만으로 구성된 간단한 1차 필터가 있지만, 급격한 감쇄특성을 얻기 위하여 도5와 같은 능동2차 필터를 사용하였다. 단순한 2차 필터이면 RC의 회로를 2단 중복하면 가능하지만, 그것으로는 급격한 감쇄특성을 얻을 수 없다. 그래서 여기서는 증폭기(103a)를 사용한 투-폴로 섹션(Two-pole Section)필터를 사용한다. 상기 투-폴로 섹션은 복소결합 극성의 쌍을 이룬다. 이 회로의 차단 주파수는 3dB에서 2KHz이다.

다음으로 제1 및 제2 증폭부(104)(108)는 각각 도6과 같은 증폭기를 사용하여 입력 신호를 각각 소정 레벨로 증폭한다.

상기 I,Q채널의 저역 필터부를 통과한 신호는 전압제어 발진기(112)를 제어하기 위한 위상 오차 신호의 극성은 전압제어 발진기(112)의 출력 신호가 위상오차를 보정하는 쪽으로 동작이 이루어져야 하므로, 이 회로는 두 채널의 신호를 최적의 상태로 가변하게 된다.

이렇게 증폭된 두 채널의 신호는 제3혼합부(109)에서 혼합되고, 그 결과치는 루프 필터(110)에 입력된다.

상기 루프필터(110)는 입력되는 두 채널의 신호, 즉 I'와 Q'신호를 적산하여 D(t)성분이 배제되는 2차 승산기의 출력을 얻어 상기 전압제어 발진기(1110에 전달하게 되는데, 여기서 루프 필터(110)의 출력은 하기 [수학식6]과 같다.

즉, 제3혼합부(109)의 출력은 상기 루프 필터(110)를 거치면서 고조파 성분이 제거된 직류 성분으로 상기 전압제어 발진기(111)를 제어하게 되는데, 상기 전압제어 발진기(111)의 특성상 +2.5V의 전압일 때 중심주파수(10.7MHz)가 발생하므로 루프 필터(110) 다음단에 가산기를 추가한다. 상기 루프 필터(110)의 차단주파수를 크게하면, 반송파 복조는 빠르게 이루어지지만 루프의 록(Lock)을 잃어버리기 쉽고, 반대의 경우는 로킹이 어렵다. 그러므로 본 발명에서는 차단주파수를 3dB에서 50Hz, 150Hz에서 40dB 최소값을 갖는 능동필터를 설계하였다. 이와 같은 PLL특성 때문에 반송파가 1KHz정도 벗어날 경우에는 로킹을 유지하는 도플러 보정 효과를 가져온다.

첨부한 도면 도7은 도3의 각부 입/출력 스펙트럼으로서, 도7a는 COSTAS LOOP의 입력 신호와 위성항법 정보 스펙트럼이고, 도7b는 I-Channel 혼합부 출력과 저역필터부의 출력 스펙트럼이며, 도7c는 I-Channel과 Q-Channel의 출력 스펙트럼이고, 도7d는 위성 송신기의 출력과 COSTAS LOOP 출력의 스펙트럼이다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 낮은 입력 신호 레벨에서도 반송파 복조가 가능한 효과가 있으며, 회로 특성에 의해 1KHz의 도플러 천이를 자동으로 보상해줄 수 있는 이점이 있다.

또한, 로킹을 유지하는 특성도 우수한 이점이 있다.

Claims (4)

1. GPS 위성 수신기의 반송파 복조 장치에 있어서,

   중심주파수가 10.7MHz이고 대역폭이 2.048MHz로 확산된 신호와 C/A코드 발생기에서 1/2칩(비트)씩 지연된 위성의 고유코드와 최대 상관된 신호를 전력 분배하는 전력 분배기와;

   상기 전력 분배기의 출력 신호와 전압제어 발진기에서 얻어지는 국부 발진 신호 및 90도 위성 천이된 국부 발진 신호를 선택적으로 혼합하여 I채널 신호 및 Q 채널 신호를 출력하는 제1 및 제2 혼합부와;

   상기 제1 및 제2 혼합부의 출력 신호를 각각 저역 필터링하는 제1 및 제2 저역 필터부와;

   상기 제1 및 제2 저역 필터부에서 출력된 신호를 각각 소정 레벨로 증폭하는 제1 및 제2 증폭부와;

   상기 제1증폭부의 출력신호를 저역 필터링하여 복조된 데이터로 출력하는 제3저역 필터부와;

   상기 제1 및 제2 증폭부에서 각각 출력되는 I채널 신호 및 Q채널 신호를 혼합하는 제3혼합부와;

   상기 제3혼합부의 출력신호를 루프 필터링하는 루프필터와;

   상기 루프필터의 출력신호를 제어전압으로 입력받아 출력하는 국부발진 신호를 가변시키는 전압제어 발진기와;

   상기 전압제어 발진기의 출력신호를 90도 위성 천이시켜 상기 제2혼합부에 인가하는 위상 천이기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반송파 복조장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 저역 필터부는, 0.5dB 리플을 갖으며 차단 주파수가 3dB에서 2KHz인 Chevishev 2차 능동 필터로 각각 구성된 것을 특징으로 하는 반송파 복조장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 증폭부는, 상기 제1저역필터부 및 제2 저역필터부에서 각각 출력되는 신호를 비반전단자(-)로 입력받고, 가변저항(VR) 및 저항(R)으로 분압한 출력신호를 반전단자(-)로 입력받아 그 두신호의 차를 증폭하여 출력하는 연산 증폭기로 구성된 것을 특징으로 하는 반송파 복조장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 루프 필터는, 차단주파수가 3dB에서 50Hz, 150Hz에서 40dB을 갖는 능동 필터인 것을 특징으로 하는 반송파 복조장치.