KR20020080619A - Receiving device and method for time/frequency synchronizing system using satellites - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 위성을 이용한 시각/주파수 동기시스템의 수신 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 유무선 통신망의 동기(synchronization)를 위해 필요한 시각 및 주파수를 위성으로부터 수신하여 시스템에 필요한 시각/주파수 정보를 복조하는 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for receiving a time / frequency synchronization system using a satellite, and more particularly, to demodulate time / frequency information necessary for a system by receiving time and frequency necessary for synchronization of a wired / wireless communication network from a satellite. will be.
종래의 기술은 미국의 저궤도(low orbit) 군사위성인 광역지구측위시스템(GPS : Global Positioning System)에 의존하고 있는데, 이는 기본적으로 절대적인 시각 및 주파수 동기가 된 GPS 위성들이 시각동기된 신호를 지상에 전송하면 지상기지국에서는 이 신호를 이용하여 시각 및 주파수 동기를 맞추어 주는 방식이다.Conventional technology relies on the Global Positioning System (GPS), a low orbit military satellite in the United States, which basically transmits time-synchronized signals to the ground by GPS satellites with absolute time and frequency synchronization. The ground base station then uses this signal to synchronize time and frequency.
따라서, 현재의 기술분야에서는 시각/주파수 동기를 위해, 정지 위성(stationary satellite)으로부터 반송파 하향변환된 신호인 70MHz 중간주파수(IF : Intermediate Frequency)대의 수신신호를 입력받아 기저대역으로 변환하여 송신신호와 시각동기를 맞춘 후, 기저대역 데이터를 추출하여 시스템에 필요한 시각/주파수 정보를 제공할 수 있는 방안이 요구된다.Therefore, in the present technical field, a received signal of a 70 MHz intermediate frequency (IF), which is a carrier downconverted signal from a stationary satellite, is converted to a baseband for time / frequency synchronization and transmitted to a baseband. After synchronizing time, there is a need for a method for extracting baseband data and providing time / frequency information required for a system.
본 발명은, 상기한 바와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 위성으로부터 수신되는 시각 및 주파수 정보를 추출하여 각 통신시스템에 시각 및 주파수 정보를 제공하기 위한 시각/주파수 동기시스템의 수신 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to meet the above-described requirements, and a device for receiving a time / frequency synchronization system for extracting time and frequency information received from a satellite and providing time and frequency information to each communication system, and its The purpose is to provide a method.
도 1 은 본 발명에 따른 시각/주파수 동기시스템의 수신장치의 일실시예 구성도.1 is a block diagram of an embodiment of a receiving apparatus of a time / frequency synchronization system according to the present invention;
도 2 는 본 발명에 따른 시각/주파수 동기시스템의 수신장치에서 기저대역 복조기의 일실시예 상세 구성도.2 is a detailed block diagram of an embodiment of a baseband demodulator in a receiving apparatus of a time / frequency synchronization system according to the present invention.
도 3 은 상기 도 2의 기저대역 복조기에 대한 데이터 형태 변환 과정을 나타낸 일실시예 설명도.3 is a diagram illustrating an embodiment of a data type conversion process for the baseband demodulator of FIG.
도 4 는 상기 도 2의 기저대역 복조기에 대한 초기 탐색자의 일실시예 상태 천이도.4 is an embodiment state transition diagram of an initial searcher for the baseband demodulator of FIG.
도 5 는 상기 도 2의 기저대역 복조기에 대한 초기 탐색자의 일실시예 상세 구성도.5 is a detailed block diagram of an embodiment of an initial searcher for the baseband demodulator of FIG.
도 6 은 상기 도 2의 기저대역 복조기에 대한 동기 추적 모듈의 일실시예 상태 천이도.6 is an exemplary state transition diagram of a sync tracking module for the baseband demodulator of FIG.
도 7 은 상기 도 2의 기저대역 복조기에 대한 동기 추적 모듈의 일실시예 DLL 구조도.FIG. 7 is an embodiment DLL structure diagram of a synchronization tracking module for the baseband demodulator of FIG. 2. FIG.
도 8 은 상기 도 2의 기저대역 복조기에 대한 데이터 복조 모듈의 일실시예 상세 구성도.8 is a detailed block diagram of an embodiment of a data demodulation module for the baseband demodulator of FIG.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
11 : 기저대역 변환부12 : 기저대역 복조기11 baseband converter 12 baseband demodulator
13 : 디지털 신호처리14,16,17 : 국부발진기13: digital signal processing 14, 16, 17: local oscillator
15 : PLL15: PLL
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 위성을 이용한 시각/주파수 동기시스템의 수신 장치에 있어서, 외부로부터 입력되는 중간주파수(IF) 대역의 수신신호를 저잡음 증폭 및 여파한 후, 위상동기루프(PLL)를 통해 전달되는 기준클럭에 따라 기저대역 신호로 하향변환시키고, 하향변환된 기저대역 신호를 국부발진주파수에 따라 아날로그/디지털(A/D) 변환하기 위한 기저대역 변환수단; 디지털 신호처리수단의 제어하에, 상기 기저대역 변환수단으로부터 전달된 기저대역 디지털 신호를, 시각 동기를 위해 상기 국부발진주파수에 따라 초기 탐색자(searcher) 및 동기 추적(tracking), 데이터 복조를 수행하는 기저대역 복조수단; 및 전원이 인가되거나 수신기가 리셋되면 부팅 후 자동으로 탐색(searching)모드로 전환되도록 상기 기저대역 복조수단을 제어하는 상기 디지털 신호처리수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a phase synchronization loop (PLL) after low noise amplification and filtering of a received signal of an intermediate frequency (IF) band input from the outside in a receiving apparatus of a time / frequency synchronization system using satellites. Baseband converting means for downconverting the baseband signal according to a reference clock transmitted through the C-substrate and converting the downconverted baseband signal according to a local oscillation frequency; Under the control of the digital signal processing means, a baseband digital signal transmitted from the baseband converting means, based on the local oscillation frequency for time synchronization, an initial searcher, synchronization tracking, and a basis for performing data demodulation Band demodulation means; And the digital signal processing means for controlling the baseband demodulation means to automatically switch to a search mode after booting when the power is applied or the receiver is reset.
또한, 본 발명은, 위성을 이용한 시각/주파수 동기시스템의 수신 방법에 있어서, 기저대역 변환부가 외부로부터 입력되는 중간주파수(IF) 대역의 수신신호를 저잡음 증폭 및 여파한 후, 위상동기루프(PLL)를 통해 전달되는 기준클럭에 따라 기저대역 신호로 하향변환시키는 제 1 단계; 상기 하향변환된 기저대역 신호를 국부발진 주파수에 따라 아날로그/디지털(A/D) 변환시키는 제 2 단계; 및 기저대역 복조부에서 디지털 변환된 기저대역 신호를, 시각 동기를 위해 국부발진 주파수에 따라 초기 동기 및 동기 추적, 데이터 복조를 수행하는 제 3 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a phase synchronization loop (PLL) after low noise amplification and filtering of a received signal of an intermediate frequency (IF) band inputted from the outside in a reception method of a time / frequency synchronization system using satellites. A first step of downconverting to a baseband signal in accordance with a reference clock delivered through; A second step of analog-to-digital (A / D) converting the downconverted baseband signal according to a local oscillation frequency; And a third step of performing initial synchronization, synchronization tracking, and data demodulation on the baseband signal digitally converted by the baseband demodulator according to the local oscillation frequency for time synchronization.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.The above objects, features and advantages will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 은 본 발명에 따른 시각/주파수 동기시스템의 수신장치의 일실시예 구성도이다.1 is a configuration diagram of an embodiment of a receiving apparatus of a time / frequency synchronization system according to the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 시각/주파수 동기시스템의 수신장치는, 외부로부터 입력되는 중간주파수(IF) 대역의 수신신호를 저잡음 증폭 및 여파한 후, 위상 동기 루프(PLL : Phase Locked Loop)를 통해 전달되는 기준클럭에따라 기저대역 신호로 하향변환시키고, 하향변환된 기저대역 신호를 국부발진기(16.352MHz)(16)의 국부발진주파수에 따라 아날로그/디지털(A/D : Analog/Digital) 변환하기 위한 기저대역 변환부(11)와, 디지털 신호처리부(13)의 제어하에, 기저대역 변환부(11)로부터 전달된 기저대역 디지털 신호를, 시각 동기를 위해 국부발진기(16)의 국부발진주파수에 따라 초기 동기 및 동기 추적, 데이터 복조를 수행하는 기저대역 복조기(12)와, 전원이 인가되거나 수신기가 리셋되면 부팅 후 자동으로 탐색모드로 전환되도록 기저대역 복조기(12)를 제어하는 디지털 신호처리부(13)를 구비한다.As shown in FIG. 1, the receiving apparatus of the time / frequency synchronization system according to the present invention, after low noise amplification and filtering of a received signal of an intermediate frequency (IF) band input from the outside, performs a phase locked loop (PLL: Phase). Downconverts the baseband signal according to the reference clock transmitted through the locked loop, and converts the downconverted baseband signal according to the local oscillation frequency of the local oscillator (16.352MHz) (16). The baseband conversion unit 11 for digital conversion and the baseband digital signal transmitted from the baseband conversion unit 11 under the control of the digital signal processing unit 13 for local time synchronization. The baseband demodulator 12 performs initial synchronization, synchronization tracking, and data demodulation according to the local oscillation frequency of the baseband demodulator 12, and the baseband demodulator 12 switches to the search mode automatically after booting when power is applied or the receiver is reset. And a digital signal processing unit 13 that control.
여기서, 기저대역 변환부(11)는 외부로부터 입력되는 중간주파수(IF) 신호를 필터링하기 위한 IF 필터링부(111)와, IF 필터링부(111)를 통해 전달되는 IF 신호를 증폭하기 위한 IF 증폭기(112)와, 위상 동기 루프(PLL)를 통해 전달되는 140MHz의 기준클럭에 따라, 70MHz 대역의 IF 신호를 기저대역의 동상(I) 및 직교(Q) 신호로 변환시키기 위한 직교 복조기(quadrature demodulator)(113)와, 직교 복조기(14)를 통해 기저대역으로 변환된 동상(I) 및 직교(Q) 신호를 각각 저역 통과 필터링하기 위한 저역 통과 필터링부(114, 115)와, 저역 통과 필터링부(114, 115)를 통해 필터링된 동상(I) 및 직교(Q) 신호를 아날로그/디지털(A/D) 변환하기 위한 아날로그/디지털(A/D) 변환기(116)를 포함한다.Here, the baseband converter 11 may include an IF filter 111 for filtering an intermediate frequency (IF) signal input from the outside and an IF amplifier for amplifying an IF signal transmitted through the IF filter 111. And a quadrature demodulator for converting the 70 MHz band IF signal into baseband in phase (I) and quadrature (Q) signals according to a reference clock of 140 MHz delivered through a phase locked loop (PLL). Low pass filtering unit 114 and 115 for low pass filtering the in-phase (I) and quadrature (Q) signals converted to baseband through the orthogonal demodulator 14, respectively, and a low pass filtering unit. An analog / digital (A / D) converter 116 for analog-to-digital (A / D) conversion of the in-phase (I) and quadrature (Q) signals filtered through 114, 115.
여기서, IF 증폭기(112)는 저잡음 증폭기와 자동이득제어(AGC : Automatic Gain Control)를 위한 자동이득제어 증폭기로 구성된다.Here, the IF amplifier 112 is composed of a low noise amplifier and an automatic gain control amplifier for automatic gain control (AGC).
상기한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명의 시각/주파수 동기시스템의 수신장치의 동작을 상세하게 설명하면 다음과 같다.The operation of the receiver of the time / frequency synchronization system of the present invention having the structure as described above will be described in detail as follows.
본 발명에 따른 시각/주파수 동기시스템은, 70MHz 대역의 IF 신호를 입력받아 시각 동기를 획득하고, 데이터 신호를 복조하며, 1pps(pulse per second) 및 1MHz 클럭 신호를 발생시킨다.The time / frequency synchronization system according to the present invention receives an IF signal in a 70 MHz band, obtains time synchronization, demodulates a data signal, and generates 1 pps (pulse per second) and 1 MHz clock signals.
즉, 이에 대해 더욱 자세히 살펴보면, IF 신호는 70MHz 대역의 IF 필터링부(111)를 통과하여 IF 증폭기(112)를 거쳐 증폭된 후, 직교복조기(113)로 전달된다.That is, in more detail, the IF signal is amplified through the IF amplifier 112 through the IF filtering unit 111 in the 70 MHz band, and then transmitted to the quadrature demodulator 113.
한편, PLL(15)을 통해 140MHz의 기준클럭을 입력받는 직교복조기(113)는 70MHz 대역의 IF 신호를 각각 기저대역의 I 및 Q 신호로 변환시킨다. 이때, PLL(15)의 입력으로 제공되는 국부 발진기(14)는 전압가변으로 출력 클럭 주파수를 제어할 수 있으며, 입력되는 가변 전압은 자동주파수제어(AFC: automatic frequency control) 알고리즘에 의해 조정된다.On the other hand, the quadrature demodulator 113, which receives the reference clock of 140 MHz through the PLL 15, converts the IF signal of the 70 MHz band into the baseband I and Q signals, respectively. At this time, the local oscillator 14 provided as an input of the PLL 15 may control the output clock frequency by voltage variation, and the input variable voltage is adjusted by an automatic frequency control (AFC) algorithm.
이어서, 기저대역으로 변환된 I 및 Q 신호는 아날로그/디지털(A/D) 변환기(116)를 통해 디지털 샘플로 변환되어 기저대역 복조기(12)로 입력된다. A/D 변환시에 사용되는 클럭은 의사잡음(PN : Pseudo Noise) 부호의 칩 변화율의 32배인 16.352MHz이며, FPGA(Field Programmable Gate Array) 내부에 구현된 기저대역 복조기(12)의 주 클럭으로 사용된다. FPGA 내부에는 기저대역 복조를 위한 기저대역 복조기(12)가 구현되어 있으며, 송신단에서 보낸 신호와 시각 동기를 이루기 위한 초기 탐색자(searcher) 및 동기 추적(tracking) 모듈, 데이터 복조 모듈 등이 구현되어 있다.Subsequently, the baseband converted I and Q signals are converted into digital samples through an analog / digital (A / D) converter 116 and input to the baseband demodulator 12. The clock used for A / D conversion is 16.352MHz, which is 32 times the chip change rate of PN (Pseudo Noise) code, and is used as the main clock of the baseband demodulator 12 implemented inside the field programmable gate array (FPGA). do. The baseband demodulator 12 for baseband demodulation is implemented in the FPGA, and an initial searcher, a synchronization tracking module, and a data demodulation module are implemented to achieve time synchronization with a signal sent from a transmitter. .
또한, FPGA는 기저대역 복조를 위한 하드웨어적 구조를 포함하고 있으며, 알고리즘 제어는 디지털 신호처리부(DSP : Digital Signal Processing)(13)에 의해 이루어진다. 디지털 신호처리부(13)는 전원이 인가되거나 수신기가 리셋되면 기저대역 복조기(12)의 상태가 자동으로 탐색 모드로 전환되도록 한다. 이에, 탐색 모드로 전환된 기저대역 복조기는(12)는 FPGA 내부의 초기 탐색자를 구동시킨 후, PN 부호의 한 주기 동안의 탐색결과를 보고 동기추적 및 데이터 복조를 수행하는 동기추적모드로 전환시킨다. 이어서, 동기추적 모드가 되면 FPGA 내부의 동기 추적 모듈 및 데이터 복조 모듈을 구동시키고, FPGA로부터 넘어오는 PN 주기 단위로 복조된 데이터를 비트 단위로 복조한 후, 1초 경계를 결정하는 과정을 수행한다.In addition, the FPGA includes a hardware structure for baseband demodulation, and algorithm control is performed by a digital signal processing unit (DSP). The digital signal processor 13 automatically switches the state of the baseband demodulator 12 to the search mode when power is applied or the receiver is reset. Accordingly, the baseband demodulator 12, which has been switched to the search mode, drives the initial searcher inside the FPGA, and then switches to the synchronous tracking mode where the search result for one period of the PN code is read and the synchronization tracking and data demodulation are performed. . Subsequently, in the synchronization tracking mode, the synchronization tracking module and the data demodulation module inside the FPGA are driven, and the demodulated data in the PN period unit from the FPGA is demodulated in bit units, and then a 1 second boundary is determined. .
도 2 는 본 발명에 따른 시각/주파수 동기시스템의 수신장치에서 기저대역 복조기의 일실시예 구조도이다.2 is a structural diagram of an embodiment of a baseband demodulator in a receiving apparatus of a time / frequency synchronization system according to the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 기저대역 복조기(12)로 입력되는 신호는 주 시스템 클럭인 16.352MHz 클럭, 하드웨어 리셋(reset), 기저대역 디지털 입력신호 등이 있으며, 출력되는 신호는 1pps 및 1MHz 등의 클럭 신호와 PN 주기 단위로 복조된 데이터 비트열 등이 있다. 또한, 기저대역 복조기(12)는 디지털 신호처리부(13)와의 인터페이스를 위하여, DSP 어드레스 버스 및 데이터 버스와 연결되어 있다.As shown in FIG. 2, the signal input to the baseband demodulator 12 includes a main system clock, a 16.352 MHz clock, a hardware reset, a baseband digital input signal, and the like. The output signals include 1pps and 1MHz. A clock signal and a data bit string demodulated in units of PN periods. In addition, the baseband demodulator 12 is connected to a DSP address bus and a data bus for interfacing with the digital signal processor 13.
그러나, 상기한 바와 같은 기저대역 복조기의 구성 및 그 동작과정은 당해 분야에서 이미 주지된 기술에 지나지 아니하므로 여기에서는 그에 관한 자세한 설명한 생략하기로 한다. 다만, 기저대역 변환부(11)로부터 전달된 신호와 시각 동기를 이루기 위한 초기 탐색자, 동기 추적 모듈 및 데이터 복조 모듈을 구현하는 방법에 대해 자세히 설명하고자 한다.However, since the configuration and operation of the baseband demodulator as described above are only known techniques in the art, detailed description thereof will be omitted herein. However, a method of implementing an initial searcher, a synchronization tracking module, and a data demodulation module for time synchronization with a signal transmitted from the baseband converter 11 will be described in detail.
도 3 은 상기 도 2의 기저대역 복조기에 대한 데이터 형태 변환 과정에 대한 일실시예 설명도이다.3 is a diagram illustrating an embodiment of a data type conversion process for the baseband demodulator of FIG. 2.
도 3에 도시된 바와 같이, 기저대역으로 변환된 아날로그 신호는 디지털 신호로 변환되며, 이때의 아날로그/디지털(A/D) 변환 클럭은 칩 변화율의 32배인 16.352Msps(Mega samples per sec)이다. 이때, A/D 변환된 디지털 샘플의 간격은 61.1546nsec이다. 16.352Msps의 변화율로 입력되는 디지털 샘플은 6비트 데이터로 이중 상위 5비트만 내부 상관연산(correlation)에 사용된다. 이때, 입력되는 디지털 신호는 A/D 변환기의 출력 형태인 옵셋 2진(offset binary) 형태로 내부에서 사용될 2의 보수(2's complement) 형태로 변환시킨 후, DC(Direct Current) 옵셋(offset)을 없애기 위해 2x+1 (x : 입력 샘플)의 형태로 변환시켜 6비트의 2의 보수(2's complement) 신호를 내부 연산에 사용한다.As shown in FIG. 3, the baseband-converted analog signal is converted into a digital signal, and the analog-to-digital (A / D) conversion clock is 16.352 Msps (Mega samples per sec), which is 32 times the chip change rate. At this time, the A / D converted digital sample interval is 61.1546 nsec. Digital samples input at a change rate of 16.352 Msps are 6-bit data, of which only the upper 5 bits are used for internal correlation. At this time, the input digital signal is converted into a 2's complement type to be used internally in an offset binary form, which is an output form of the A / D converter, and then a DC (Direct Current) offset is converted. To eliminate it, convert it into the form of 2x + 1 (x: input sample) and use a 6-bit 2's complement signal for internal computation.
A/D 변환되어 입력되는 디지털 샘플은 데시메이터(decimator)를 통과하며 칩 변화율인 0.511Msps로 데시메이션(decimation)되어 탐색자 모듈 및 동기추적 데이터 복조 모듈로 입력된다. 데시메이터는 동기추적 모듈에서 피드백(feedback)되는 샘플링 타임(sampling time)에 따라 온-타임(on-time)과 레이트-타임(late-time) 샘플을 추출하게 된다. 동기추적 모듈에서 피드백되는 샘플링 타임에 맞춰 온-타임 샘플이 추출되고, 샘플링 타임 보다 16샘플(1/2 PN 칩) 후에 레이트-타임 샘플이 추출된다.The A / D converted digital sample is passed through a decimator, decimated at a chip change rate of 0.511 Msps, and input to a searcher module and a synchronization tracking data demodulation module. The decimator extracts on-time and late-time samples according to the sampling time fed back from the synchronization tracking module. The on-time samples are extracted according to the sampling time fed back from the synchronization tracking module, and the rate-time samples are extracted after 16 samples (1/2 PN chips) after the sampling time.
도 4 는 상기 도 2의 기저대역 복조기에 대한 초기 탐색자의 일실시예 상태천이도이다.4 is an exemplary state transition diagram of an initial searcher for the baseband demodulator of FIG.
도 4에 도시된 바와 같이, 탐색자 모듈에 사용되는 PN 부호 발생기는 "PN seed"와 PN 클럭, PN 부호의 시작 시점을 나타내는 "start epoch" 등을 입력받아 PN 클럭과 동기된 온-타임 PN 부호(pn1_on)와 1/2칩 늦은 레이트-타임 PN 부호(pn1_late)를 발생시킨다. 탐색자 모듈 내의 PN 부호 발생기는 주어진 "PN seed"로부터 PN 부호를 발생시킨 후, 한 주기의 PN 부호 발생이 끝나면 오프셋을 1칩 만큼 지연시킨 후, 또 한 주기의 PN 부호를 발생시키는 동작을 모든 가능한 PN 오프셋에 대하여 수행한다. 발생되는 PN 부호의 시작 오프셋에 대한 정보(pn_offset(8:0))는 PN 부호의 한 주기 시작을 알리는 "pn1_on_start"와 "pn1_late_start" 신호와 함께 상관기로 전달된다. 전체 탐색자 모듈의 동작 상태 천이는 PN 부호 발생기의 상태 천이와 동일하다. PN 부호 발생기는 디지털 신호처리부(13)로부터 시작 명령이 있기 전까지 초기 상태(initial state)를 유지한다. 디지털 신호처리부(13)로부터 시작 명령("start epoch = '0')이 발생하면 PN 부호 발생을 시작하고, 1주기 동안의 PN 부호 발생이 끝나면 오프셋을 1씩 증가시키면서 계속 PN 부호를 발생시킨다.As shown in FIG. 4, the PN code generator used in the searcher module receives an “PN seed”, a PN clock, a “start epoch” indicating a start time of the PN code, and the like. (pn1_on) and a half-chip late rate-time PN code (pn1_late). The PN code generator in the searcher module generates a PN code from a given "PN seed", delays the offset by one chip after the generation of one period of PN code, and then generates another period of PN code. Perform on PN offset. Information on the start offset of the generated PN code (pn_offset (8: 0)) is transmitted to the correlator together with the signals "pn1_on_start" and "pn1_late_start" indicating the start of one cycle of the PN code. The operational state transition of the entire searcher module is the same as the state transition of the PN code generator. The PN code generator maintains an initial state until a start command is received from the digital signal processor 13. When the start command ("start epoch =" 0 ") is generated from the digital signal processor 13, the PN code is generated. When the PN code is generated for one period, the PN code is continuously generated while increasing the offset by one.
모든 가능한 오프셋에 대한 PN 부호 발생이 끝나면, PN 부호 발생기는 다시 초기 상태로 돌아가 디지털 신호처리부(13)로부터의 시작 명령을 기다린다.When the PN code generator for all possible offsets is finished, the PN code generator returns to the initial state and waits for a start command from the digital signal processor 13.
도 5 는 상기 도 2의 기저대역 복조기에 대한 초기 탐색자의 일실시예 구조도이다.5 is a structural diagram of an embodiment of an initial searcher for the baseband demodulator of FIG.
도 5에 도시된 바와 같이, 탐색자 모듈 내의 상관기는 온-타임 상관기와 레이트-타임 상관기가 있으며, 각각의 PN 위상이 1/2칩 만큼 차이가 난다는 것을 제외하면 내부 동작은 동일하다. 전체적인 구조는 1/2칩 만큼의 차이를 갖는 두개의 상관기로 모든 가능한 PN 오프셋(511 오프셋)에 대한 상관연산을 순차적으로 모두 수행하는 직렬 탐색자 구조이다. 온-타임 상관기는 탐색자 모듈의 입력신호인 온-타임 I 및 Q 신호(i_on(5:0), q_on(5:0))와 온-타임 PN 부호(pn1_on) 사이의 상관연산을 수행하여 한 주기 동안의 상관 에너지를 계산하여 상관연산이 완료되었음을 알리는 신호(output_done)와 함께 상관 에너지(corr_eng(15:0))와 상관연산이 수행된 PN 부호의 오프셋 정보(pn_offset(9:0)를 정렬부(sorter)로 전달한다. 출력되는 PN 부호의 오프셋 정보는 입력된 PN 오프셋 정보 9 비트를 MSB(Most Significant Bit)로 하고 LSB(Least Significant Bit) 1 비트는 온(on)(0), 레이트(late)(1) 정보를 나타내도록 한다. 상관 에너지는 PN 부호 한 주기 동안의 상관 연산 결과를 I 신호에 대한 제곱과 Q 신호에 대한 제곱의 합의 형태로 계산하며, FPGA 내부에서는 디지털 논리회로의 구현이 용이하도록 구현해보면 다음의 [수학식 1]과 같다.As shown in Fig. 5, the correlator in the searcher module has an on-time correlator and a rate-time correlator, and the internal operation is the same except that each PN phase differs by 1/2 chip. The overall structure is a serial searcher structure that sequentially performs all correlations for all possible PN offsets (511 offsets) with two correlators with a difference of half a chip. The on-time correlator performs a correlation between the on-time I and Q signals i_on (5: 0) and q_on (5: 0), which are input signals of the searcher module, and the on-time PN code (pn1_on). The correlation energy for the period is calculated to align the correlation energy (corr_eng (15: 0)) with the correlation energy corr_eng (15: 0) and the offset information (pn_offset (9: 0)) of the PN code on which the correlation is performed. The offset information of the output PN code is 9 bits of the input PN offset information as the Most Significant Bit (MSB), and one bit of the Least Significant Bit (LSB) is on (0) and the rate is transmitted. Correlation energy calculates the result of correlation operation for one period of PN code in the form of sum of square of I signal and square of Q signal. If you implement to facilitate the implementation as shown in [Equation 1].
레이트-타임(late-time) 상관기는 탐색자 모듈의 입력신호인 레이트 I 및 Q 신호(i_late(5:0), q_late(5:0))와 레이트-타임(late-time) PN 부호 사이의 상관 연산을 수행하여 한 주기 동안의 상관 에너지를 계산하여 상관 연산이 완료되었음을 알리는 신호(output_done)와 함께 상관 에너지(corr_eng(15:0))와 상관 연산이 수행된 PN 부호의 오프셋 정보(pn_offset(9:0))를 정렬부(sorter)로 전달한다. 내부에서 수행되는 동작은 온-타임 상관기와 동일하다.The late-time correlator correlates between the rate I and Q signals i_late (5: 0), q_late (5: 0), which are input signals of the searcher module, and the rate-time PN code. Computation of the correlation energy for one period by performing the operation, along with the signal output_done indicating the completion of the correlation operation (corr_eng (15: 0)) and the offset information (pn_offset (9) of the PN code on which the correlation operation was performed Pass: 0)) to the sorter. The operations performed internally are the same as on-time correlators.
도 6 은 상기 도 2의 기저대역 복조기에 대한 동기 추적 모듈의 일실시예 상태 천이도이다.6 is a state transition diagram of an embodiment of a synchronization tracking module for the baseband demodulator of FIG.
도 6에 도시된 바와 같이, 동기 추적 모듈은 동기추적을 위한 PN 부호 발생기, DLL(Delay-Locked Loop), 데이터 복조 모듈 등으로 구성된다.As shown in FIG. 6, the synchronization tracking module includes a PN code generator, a delay-locked loop (DLL), a data demodulation module, and the like for synchronization tracking.
동기추적 모듈은 디지털 신호처리부(13)로부터의 시작 명령(start_epoch = '0')이 있기 전까지는 유휴(idle) 상태에 있으며, 디지털 신호처리부(13)로부터 시작 명령이 설정되면 초기 상태(initial state)로 천이한다. 초기 상태에서는 디지털 신호처리부(13)로부터 주어지는 PN 부호의 "seed", PN 부호의 초기 시작 오프셋 등을 설정하고, PN 부호의 시작점을 "pn_offset" 값까지 이동시킨 후, PN 부호의 발생을 시작한다. PN 부호의 시작점이 설정된 "pn_offset" 값까지 이동되면 트래픽 상태(traffic state)로 천이되며, 트래픽 상태에서는 동기추적 및 데이터 복조 과정이 수행된다. 트래픽 상태에서 기저대역 복조기(12)는 디지털 신호처리부(13)로부터 별도의 명령이 없는 경우 DLL의 출력에 따라 동기 추적을 계속적으로 수행하며, 데이터 복조에 대한 기능을 수행한다. 기저대역 복조기(12) 내부의 DLL이 옳은 오프셋 값을 추적하고 있는지의 여부(in-lock)는 디지털 신호처리부(13)에서 판정할 수 있으며, 로스트-락(lost-lock)이라고 판정될 경우 오프셋을 재할당하거나 처음의 유휴(idle) 상태로 천이한 후, 초기 탐색(searching) 과정부터 수행하는 알고리즘을 디지털 신호처리부(13)에서 구현할 수 있다.The synchronization tracking module is in an idle state until the start command (start_epoch = '0') from the digital signal processor 13 is in an idle state. When the start command is set from the digital signal processor 13, the initial state is initialized. Transition to). In the initial state, the " seed " of the PN code, the initial start offset of the PN code, etc. are given from the digital signal processing unit 13, the start point of the PN code is moved to the value " pn_offset " . When the start point of the PN code is moved to the set "pn_offset" value, the transition to the traffic state (traffic state), the synchronization tracking and data demodulation process is performed in the traffic state. In the traffic state, the baseband demodulator 12 continuously performs synchronization tracking according to the output of the DLL when there is no separate command from the digital signal processor 13, and performs a function for data demodulation. Whether or not the DLL inside the baseband demodulator 12 tracks the correct offset value (in-lock) can be determined by the digital signal processor 13, and if it is determined that it is lost-lock, the offset After reassigning or transitioning to an idle state for the first time, the digital signal processing unit 13 may implement an algorithm that starts from an initial searching process.
도 7 은 상기 도 2의 기저대역 복조기에 대한 동기 추적 모듈의 일실시예 DLL(Delay-Locked Loop) 구조도이다.FIG. 7 is a diagram illustrating a delay-locked loop (DLL) structure of a synchronization tracking module for the baseband demodulator of FIG. 2.
도 7에 도시된 바와 같이, 동기 추적 모듈은 데이터 입력 모듈로부터 입력되는 레이트 타임(late-time) I 신호에 대해 1칩을 지연시켜 어얼리(early) 신호와 레이트(late) 신호에 대한 상관값을 계산(accumulator)하여 두 값의 차로부터 오류 신호(error signal)를 계산하도록 한다. 루프 필터(loop filter)는 1차 필터와 2차 필터로 구현하였으며, 디지털 신호처리부(13)에서 선택하여 구동시킬 수 있도록 되어 있다. 루프 필터의 누적횟수와 이득값도 디지털 신호처리부(13)에서 제어하도록 하였다. 루프 필터를 통과한 값은 양자화기(quantizer)로 입력되는데, 양자화기는 오류 신호에 대해 PN 클럭을 변동시키는 양을 정하는 역할을 한다. 양자화기의 출력에 따라 NCO(Numerically Controlled Oscillator)에서 PN 클럭을 "advancing" 또는 "retarding"시킨다. 그리고, NCO에 의해 PN 클럭이 변동됨에 따라, 데이터 입력 모듈의 샘플링 타임도 변동된다. 상관 누적횟수(num_acc1)는 "0x1FF(= 511)"로 설정하였으며, 511칩 동안 상관 누적이 진행되면 "output_done" 신호와 함께 레이트(late) 상관 누적값과 어얼리(early) 상관 누적값의 차이(corr_eng)를 루프 필터(loop fiters)로 출력한다.As shown in FIG. 7, the synchronization tracking module delays one chip with respect to the late-time I signal input from the data input module, thereby correlating the early signal with the late signal. Compute an error signal from the difference between the two values. The loop filter is implemented as a primary filter and a secondary filter, and can be selected and driven by the digital signal processor 13. The cumulative number of times and the gain value of the loop filter are also controlled by the digital signal processor 13. The value passed through the loop filter is input to the quantizer, which determines the amount of variation in the PN clock for the error signal. Depending on the output of the quantizer, the NCO (Numerically Controlled Oscillator) "advances" or "retards" the PN clock. As the PN clock is changed by the NCO, the sampling time of the data input module is also changed. The correlation cumulative number (num_acc1) was set to "0x1FF (= 511)". When correlation accumulation proceeds for 511 chips, the difference between the late correlation cumulative value and the early correlation cumulative value together with the "output_done" signal is obtained. Output (corr_eng) to loop fiters.
도 8 은 상기 도 2의 기저대역 복조기에 대한 데이터 복조 모듈의 일실시예 구조도이다.8 is a structural diagram of an embodiment of a data demodulation module for the baseband demodulator of FIG.
도 8에 도시된 바와 같이, 기저대역 복조기가 동기추적 모드로 동작될 때,DLL 모듈이 시각 기준을 조정하는 동안 데이터 복조 모듈은 Q 채널에 실린 데이터를 복조한다. 데이터 복조모듈은 데이터 복조시 파일럿 신호로부터 추출한 위상 정보를 이용하여 데이터 신호에 포함된 위상 오차에 대한 보정을 수행하도록 설계하였다.As shown in Fig. 8, when the baseband demodulator is operated in the synchronous tracking mode, the data demodulation module demodulates the data carried in the Q channel while the DLL module adjusts the time reference. The data demodulation module is designed to perform correction for the phase error included in the data signal by using the phase information extracted from the pilot signal during data demodulation.
위상보정을 위한 파일롯(Pilot) 및 데이터 신호성분에 대한 상관값은 다음의 [수학식 2]와 같다.The correlation values for the pilot and data signal components for phase correction are shown in Equation 2 below.
위상 성분을 보상한 데이터의 복조는 다음의 [수학식 3]과 같다.Demodulation of the data compensating for the phase component is shown in Equation 3 below.
데이터 복조 모듈에서는 PN 주기 단위로 데이터에 대한 경성 결정(hard decision)을 수행하여 디지털 신호처리부(13)로 넘겨주고, 디지털 신호처리부(13)에서는 PN 주기 단위의 비트열로부터 비트 경계를 결정한다. 디지털신호처리부(13)에서는 PN 주기 단위의 비트 천이를 비교하여 30개의 PN 주기 데이터 비트 단위를 버퍼에 두고 10개 단위씩 비교하여 10개 단위의 비트열 단위내의 비트 천이가 일정 임계치 이하일 때 비트 경계라고 결정한다.The data demodulation module performs a hard decision on the data in units of PN periods and hands it over to the digital signal processor 13, and the digital signal processor 13 determines a bit boundary from a bit string of units in the PN periods. The digital signal processor 13 compares the bit transitions in PN period units and sets 30 PN period data bit units in a buffer and compares them in units of 10 to determine the bit boundary when the bit transitions in the unit of 10 bit streams are less than or equal to a predetermined threshold Decide.
이후, 비트 경계가 결정되면 디지털 신호처리부(13)에서는 10개 단위의 PN 주기 데이터로부터 다수결정(majority vote) 방식으로 데이터 비트를 결정하여 100 bps 단위의 송신단의 데이터 비트열을 추출한다. 이렇게 추출된 프레임 데이터를 이용하여 디지털 신호처리부(13)에서 타임 마크(time mark)(time encoder tail)를 추출하여 1초에 대한 경계를 결정하며, 이 경계값을 기저대역 복조기(12)에 셋팅하면 기저대역 복조기(12)에서는 이 경계값을 기준으로 PN 주기를 카운트하여 1pps 신호를 발생시킨다.Then, when the bit boundary is determined, the digital signal processor 13 extracts the data bit string of the transmitting end in units of 100 bps by determining data bits from the PN period data of 10 units in a majority vote manner. Using the extracted frame data, the digital signal processor 13 extracts a time mark (time encoder tail) to determine a boundary for one second, and sets the boundary value to the baseband demodulator 12. The baseband demodulator 12 then generates a 1pps signal by counting the PN period based on this threshold.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.
상기한 바와 같은 본 발명은, 위성을 이용한 시각/주파수 동기시스템에서 위성으로부터 수신되는 시각/주파수 정보를 수신하여 복조함으로써, 시각동기시스템의 핵심 컴포넌트 시스템을 구현할 수 있고, 계속적인 시스템의 성능을 테스트할 수 있는 도구로도 활용할 수 있는 효과가 있다.In the present invention as described above, by receiving and demodulating time / frequency information received from a satellite in a time / frequency synchronization system using a satellite, the core component system of the time synchronization system can be implemented, and the performance of the system is continuously tested. It can also be used as a tool to do it.
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