KR20030079027A - Ｆｍ 복조방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 FM 복조방법과 FM 복조장치에 관한 것이다.

본 발명의 FM 복조방법은, 입력된 FM IF 신호를 기저대역으로 변환하여 I,Q신호를 구하는 단계, 상기 I,Q신호를 미분하는 단계, 상기 미분된 I,Q신호를 서로 미분되지 않은 I,Q신호와 연산 처리하여 FM 복조신호를 구하는 단계, 상기 FM 복조신호를 저역통과 필터링하여 복조된 원 신호를 출력하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명의 FM 복조장치는, 입력된 FM IF신호를 대역변환하여 I,Q신호를 생성하는 I/Q 데이터 생성수단과, 상기 생성된 I,Q 데이터를 각각 미분하고 미분되지 않은 신호와 서로 연산 처리하여 FM 복조신호를 구한 후 이를 저역통과 필터링하여 FM 복조신호를 출력하는 디지털 신호처리수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

ＦＭ 복조방법 및 장치{FM DEMODULATION SYSTEM}

본 발명은 FM 복조방법과 FM 복조장치에 관한 것이다.

특히 본 발명은 IF(중간 주파수) 형태로 입력된 FM신호를 I,Q신호로 변환한 후 DSP(디지털 신호 처리기)에서 I,Q 신호로부터 구한 위상정보를 시간 영역에서 미분하여 입력신호의 주파수 정보를 구하는 방식으로 FM 신호를 복조함으로써, FM 복조를 위한 진폭 제한기나 검파기를 별도로 사용하지 않고 FM 신호를 DSP를 이용해서 실시간 복조할 수 있도록 한 FM 복조방법과 FM 복조장치에 관한 것이다.

도1은 일반적인 FM 복조회로의 구성을 보여준다. 도1에 나타낸 바와 같이 FM 복조회로는 수신된 FM신호의 진폭을 제한하는 진폭 제한기(1)와, 상기 진폭 제한기(1)에 의해서 진폭이 제한된 FM 신호를 검파하는 FM 검파기(2)와, 상기 검파된 신호를 저역통과 필터링하여 복조신호를 출력하는 저역필터(3)를 포함하여 이루어지고 있다. 상기 진폭 제한기(1)는 수신된 FM 신호의 진폭을 복조기의 처리 성능에 맞게 제한하는 진폭 제한회로(1a)와, 상기 진폭 제한회로(1a)의 출력에서 원하는 대역의 신호를 얻기 위한 대역필터(1b)를 포함하여 구성되며, 상기 FM 검파기(2)는 상기 진폭 제한된 신호를 입력으로 하여 수신 신호의 주파수에 대응하는 진폭으로 신호변환을 수행하는 주파수-진폭 변환회로(2a)와, 상기 주파수-진폭 변환된 신호의 포락선 검파를 수행하는 포락선 검파기(2b)를 포함하여 구성된다.

상기 도1에 나타낸 바와 같이 진폭 제한기(1)는 수신된 FM신호를 복조기의 처리 성능에 맞게 그 신호의 진폭을 제한하고, 진폭 제한된 신호는 FM 검파기(2)에 의해서 검파된 후 저역필터(3)를 통해서 원하는 대역의 신호를 얻게 되는 것이다.

도2는 일반적인 FM 복조회로의 동작을 설명하기 위한 신호 파형도를 보여준다. 상기 도1 및 도2를 참조하여 FM 복조 동작을 보다 더 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

진폭 제한회로(1a)는 수신된 FM신호를 입력받아 복조기의 처리 성능에 맞게 그 진폭을 제한한다. 도2의 (a)는 진폭 제한회로(1a)의 입/출력 특성을 보여준다. 입력된 FM파가 진폭 제한회로의 제한 특성에 의해서 소정의 진폭으로 제한된 상태로 출력됨을 보여주고 있다. 진폭 제한회로(1a)에서 진폭이 제한된 FM신호는 대역필터(1b)를 거쳐서 원하는 대역의 신호로 필터링된다. 도2의 (b)는 이와 같이 진폭 제한기(1)에서 진폭 제한 및 대역 필터링을 거친 후의 신호 파형을 보여주고 있다.

진폭 제한기(1)에서 그 진폭이 제한되고 대역 필터링된 도2의 (b)와 같은 파형의 신호는 FM 검파기(2)의 주파수-진폭 변환회로(2a)에 입력된다. 주파수-진폭 변환회로(2a)는 입력된 신호의 주파수에 대응하는 진폭 신호로 입력 FM신호를 변환하여 도3의 (c)에 나타낸 바와 같이 주파수-진폭 변환된 신호를 출력한다. 주파수-진폭 변환회로(2a)의 출력신호는 포락선 검파기(2b)를 거쳐서 도2의 (d)에 나타낸 바와 같이 복조된 FM신호를 얻게 되며, 이 신호는 저역필터(3)를 거쳐서 원하는 대역의 신호로 최종 복조된 신호로 출력된다.

지금까지 설명한 바와 같이, FM 신호는 송신부에서 송신하고자 하는 신호를 적분기를 통한 후에 이를 주파수 변조시킨 신호이므로 수신부에서는 이를 복조하기 위하여 직접 미분 과정을 통하게 하거나 또는 입력된 신호의 슬로우프(slope) 변화를 이용하여 입력 신호의 주파수 변화를 얻어내게 되면 미분 과정을 통한 결과와 같은 정보를 구할 수 있게 되므로, 이 결과를 이용해서 원 신호의 진폭 변화 정보를 얻게 된다. 도1 및 도2에서는 입력 신호의 진폭 변화를 구한 후 이를 포락선 검파를 통함으로써 입력신호의 주파수 성분을 얻게 되는 것이다.

그러나 종래의 FM 복조회로는 이를 수신기 회로에 적용할 경우 진폭제한, 대역필터, 주파수-진폭변환회로, 포락선 검파기, 저역필터 등이 필수적으로 요구되므로 이 구성 요소들을 위한 별도의 공간이 필요하게 되고, 복조회로 구성 후에 문제점이 발견되었을 경우에는 해당 회로망에 들어가는 소자들을 교체하거나 디버깅하기가 용이하지 못하여 수리 및 유지보수의 문제에 어려움이 따른다.

본 발명은 FM 복조를 위한 별도의 회로를 요구하지 않고, DSP를 이용해서 FM신호를 복조할 수 있도록 한 FM 복조방법 및 그 장치를 제공함을 목적으로 한다.

특히 본 발명은 IF 형태로 입력되는 변조된 FM신호를 I,Q신호로 변환한 후, 이로부터 DSP에서의 연산을 통해 FM 복조신호를 구함으로써, 별도의 회로를 요구하지 않으며, 전체적인 신호 가공 단계를 줄여서 보드 구현 후 디버깅이 용이할 뿐만 아니라 사용된 부품에 의한 오류 가능성을 줄여서 기기의 신뢰성을 보장할 수 있도록 한 FM 복조방법과 FM 복조장치를 제공함을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 FM신호를 기저대역의 신호로 변환하여 I,Q신호를 얻고, 이 I,Q 신호를 DSP에서 각각 미분 및 연산 처리하고 저역통과 필터링을 수행하여 FM 복조 출력을 구함으로써, 부가적인 회로 없이 실시간으로 FM복조신호를 구할 수 있도록 한 FM 복조방법과 FM 복조장치를 제공함을 목적으로 한다.

도1은 일반적인 FM 복조회로의 블럭도

도2는 FM 복조과정을 설명하기 위한 파형도

도3은 본 발명에 따른 FM 복조방법의 플로우차트

도4는 본 발명에 따른 FM 복조장치의 블럭도

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 FM 복조방법은, 입력된 FM IF 신호를 기저대역으로 변환하여 I,Q신호를 구하는 단계, 상기 I,Q신호를 미분하는 단계, 상기 미분된 I,Q신호를 서로 미분되지 않은 I,Q신호와 연산 처리하여 FM 복조신호를 구하는 단계, 상기 FM 복조신호를 저역통과 필터링하여 복조된 원 신호를 출력하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 FM 복조장치는, 입력된 FM IF신호를 대역변환하여 I,Q신호를 생성하는 I/Q 데이터 생성수단과, 상기 생성된 I,Q 데이터를 각각 미분하고 미분되지 않은 신호와 서로 연산 처리하여 FM 복조신호를 구한 후 이를 저역통과 필터링하여 FM 복조신호를 출력하는 디지털 신호처리수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도3은 상기한 본 발명의 FM 복조방법을 나타낸 플로우차트이며, 도4는 상기한 본 발명의 FM 복조장치의 실시예 블럭도이다.

도3 및 도4에 의하는 바와 같이 본 발명에 따른 FM 복조 원리는, IF 형태로 입력되는 변조된 FM 신호를 I,Q 신호 형태로 기저대역 변환(baseband conversion)한 후 이를 DSP에서의 연산을 통해, 상기 I,Q 신호로부터 얻어낸 입력 FM신호의 위상 정보를 시간 영역에서 미분하여 입력 신호의 주파수 정보를 얻어내고 이를 저역통과 필터링을 수행하여 최종적으로 복조된 신호를 구하는 것이다. 이 때 빠른 속도로 생성된 I,Q 데이터를 대용량의 버퍼(buffer)에 저장한 후 이를 읽어내서 처리하는 방식을 사용하지 않고, 다운 컨버젼(down conversion)시 데이터 생성 속도를 낮추고 생성된 그 시점의 데이터를 인터럽트(interrupt)를 통하여 빠른 DSP의 연산속도를 이용해서 DSP가 실시간 처리함으로써, 부가적인 회로를 요구하지 않고 DSP에 의한 실시간 FM복조를 가능하게 하였다.

상기한 본 발명의 FM 복조 원리에 대해서 보다 더 상세하게 살펴본다.

입력신호의 위상값은 I,Q신호로부터 θ= tan^-1(Q/I)(θ는 위상값) 로 구할 수 있다. 입력 신호의 순간 주파수 성분은 시간에 따른 위상 성분의 미분값에 의해서 얻을 수 있으므로 θ= tan^-1(Q/I)에서 위상값(θ)을 시간에 따라 미분하게 되면 다음과 같이 정리된다.

ω= dθ/dt = [1/((1+(Q/I)²)]·[(IQ'-QI')/I²] = [(IQ'-I'Q)]/[I²+Q²].

그런데 만약 입력신호가 검파 전에 제한된 신호라면 상기 [I²+Q²]=1이 될 것이므로, ω= dθ/dt = (IQ'-I'Q)로 정리될 것이고, 이는 곧 입력된 신호로부터 구한 I,Q 값을 미분한 값I',Q'과 서로 곱한 후 감산한 것과 같은 의미가 된다.

그러므로, I,Q 데이터를 구하고 이들을 미분되지 않은 값과 서로 곱한 다음 감산하면 FM 출력을 얻을 수 있게 되고 이를 저역통과 필터링을 수행함으로써 원래의 신호를 복조해 낼 수 있게 된다. 이와 같이 DSP에 의한 FM 복조 과정을 거치게 되면 기존 회로에서 미분된 FM 신호의 포락선 검파(envelope detection)을 위해 사용된 검파기 없이, 미분기의 경우 FIR 필터를 사용하여 FIR 필터링 과정 중에 포락선 지연(envelope delay)를 통하여 포락선 검출과 동일한 결과를 얻을 수 있을 것이다.

다음에는, 도3 및 도4를 참조하여 본 발명의 FM 복조방법과 그 장치를 더욱 상세하게 살펴본다.

도3은 본 발명에 따른 FM 복조방법을 보여주고 있으며, 입력된 I,Q 데이터를 미분하는 단계(S1), 미분된 I,Q 데이터 I',Q'와 미분되지 않은 I,Q 데이터를 곱하는 단계(S2), 상기 곱셈 연산된 각각의 데이터 I·Q', Q·I'를 감산하는 단계(S3)와, 상기 단계(S3)에서 출력된 FM 출력신호(I·Q' - Q·I' )를 FIR 필터 즉, 저역통과 필터링을 수행하여 최종적으로 복조된 신호를 구하는 단계(S4)로 이루어지고 있다.

한편, 도4는 본 발명에 따른 FM 복조장치를 보여주고 있으며, I,Q 신호를 구하기 위한 I/Q 데이터 생성부(10)가 입력 FM IF신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환기(11) 및 디지털 신호로 변환된 FM 신호를 기저대역으로 변환하여 I,Q 데이터를 출력하는 기저대역 변환부(12)를 포함하고 있으며, 상기 기저대역 변환부(12)에 의한 다운 컨버젼에 따라서 기저대역의 신호로 변환된 I,Q 데이터(13)를 입력으로 FM 복조 연산을 수행하는 DSP(14)를 포함하여 구성되고 있다.

상기 도4에서, 상기 DSP(14)는 입력된 I데이터를 미분하는 I데이터 미분기(14a)와, 입력된 Q데이터를 미분하는 Q데이터 미분기(14b)와, 상기 I데이터 미분기(14a)에 의해서 미분된 데이터 I'와 상기 미분되지 않은 Q데이터를 곱셈하는 I'/Q 곱셈기(14c)와, 상기 Q데이터 미분기(14b)에 의해서 미분된 데이터 Q'와 미분되지 않은 I데이터를 곱셈하는 I/Q' 곱셈기(14d)와, 상기 I/Q' 곰셈기(14d)의 출력 I·Q'와 I'/Q 곰셈기(14c)의 출력 I'·Q를 감산하여 I·Q'-I'·Q를 구하는 감산기(14e)와, 상기 감산기(14e)의 FM출력을 저역통과 필터링하여 복조 신호를 출력하는 FIR 필터(14f)를 포함하여 구성되고 있다.

도3 및 도4를 참조한다. FM IF신호(21.4MHz)는 I/Q 데이터 생성부(10)에 입력된다. I/Q 데이터 생성부(10)의 A/D변환기(11)는 입력된 IF 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다(1.4MHz). 이렇게 디지털 데이터로 변환된 FM IF 신호는 기저대역 변환부(12)에 입력된다. 기저대역 변환부(12)는 입력된 데이터를 데시메이션(decimation)을 통해 다운 컨버젼(down conversion)하여 500kHz의 I,Q데이터를 출력한다. 상기와 같이 데시메이션을 통한 다운 컨버젼의 결과인 I,Q 데이터(13)는 DSP(14)에 입력된다. DSP(14)는 입력된 I,Q 데이터에 대해서 앞서 설명한바와 같이 FM 복조 연산을 다음과 같이 수행하게 된다.

I데이터 미분기(14a)와 Q데이터 미분기(14b)는 각각 I데이터와 Q데이터를 미분하여 미분된 I'데이터, Q'데이터를 출력한다. I'/Q 곱셈기(14c)는 I데이터 미분기(14a)에 의해서 미분된 I'데이터와 미분되지 않은 Q데이터를 곱셈하여 I'·Q 데이터를 출력하고, I/Q' 곱셈기(14d)는 Q데이터 미분기(14b)에 의해서 미분된 Q'데이터와 미분되지 않은 I데이터를 곱셈하여 I·Q'데이터를 출력한다.

감산기(14e)는 상기 곰셈기(14c,14d)의 출력을 감산하여 I·Q'-I'·Q 데이터를 출력함으로써 복조된 FM 출력을 구하게 되고, 이 것은 후단의 저역통과필터(14f)를 통해서 높은 주파수 성분을 없앤 후 최종적으로 복조된 신호로 출력된다.

상기 과정을 거친 신호는 결국 도2의 (d)와 같은 형태의 주파수 성분과 같게 된다.

본 발명의 FM복조회로는 수신기상에서 요구되는 음성신호 복조기에 적용될 수 있다. 특히 FM신호에 대한 복조시에 수신기에서 사용되는 DSP를 이용해서 FM복조를 수행하기 때문에 별도의 회로를 요구하지 않게 된다. 또한 신호 처리시 생성된 I,Q 데이터를 DSP로 계산하기 위해서 데이터 생성 속도를 낮추어 직접 DSP로 전송함으로써 실시간 FM 복조 처리가 가능하게 되며, 구조적으로 볼 때 전체적으로 신호 가공단계가 줄어드는 장점을 가지며, 보드 구현시 디버깅이 용이하고 사용된 부품에 대한 오류의 가능성을 배제하여 기기의 신뢰도 향상을 보장한다.

Claims (5)

1. 입력된 FM IF 신호를 기저대역으로 변환하여 I,Q신호를 구하는 단계, 상기 I,Q신호를 미분하는 단계, 상기 미분된 I,Q신호를 서로 미분되지 않은 I,Q신호와 연산 처리하여 FM 복조신호를 구하는 단계, 상기 FM 복조신호를 저역통과 필터링하여 복조된 원 신호를 출력하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 FM 복조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 FM 복조신호를 구하는 단계는, 미분되지 않은 I,Q 데이터와, 미분된 I',Q' 데이터에 대하여, ω= I·Q' - I'·Q 의 연산 과정을 수행하여 복조신호를 구하는 것을 특징으로 하는 FM 복조방법.
3. 입력된 FM IF신호를 대역변환하여 I,Q신호를 생성하는 I/Q 데이터 생성수단과, 상기 생성된 I,Q 데이터를 각각 미분하고 미분되지 않은 신호와 서로 연산 처리하여 FM 복조신호를 구한 후 이를 저역통과 필터링하여 FM 복조신호를 출력하는 디지털 신호처리수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 FM 복조장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 I/Q 데이터 생성수단은, 입력된 FM IF신호를 디지털 데이터로 변환하는 A/D변환기와, 상기 변환된 디지털 데이터를 데시메이션(decimation)을 통해 다운 컨버젼하는 기저대역 변환부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 FM 복조장치.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 디지털 신호처리수단은, 입력된 I데이터를 미분하는 I데이터 미분기와, 입력된 Q데이터를 미분하는 Q데이터 미분기와, 상기 I데이터 미분기에 의해서 미분된 데이터 I'와 상기 미분되지 않은 Q데이터를 곱셈하는 I'/Q 곱셈기와, 상기 Q데이터 미분기에 의해서 미분된 데이터 Q'와 미분되지 않은 I데이터를 곱셈하는 I/Q' 곱셈기와, 상기 I/Q' 곰셈기의 출력 I·Q'와 I'/Q 곰셈기의 출력 I'·Q을 감산하여 I·Q'-I'·Q를 구하는 감산기와, 상기 감산기의 FM출력을 저역통과 필터링하여 복조 신호를 출력하는 FIR 필터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 FM 복조장치.