KR960015276B1 - 위성통신 지구국 시스템의 자동주파수 제어와 자동이득 조절장치 - Google Patents

위성통신 지구국 시스템의 자동주파수 제어와 자동이득 조절장치 Download PDF

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Abstract

내용없음.

Description

위성통신 지구국 시스템의 자동주파수 제어와 자동이득 조절장치
제 1 도는 본 발명이 적용되는 자동주파수 제어와 자동이득 조절장치의 구성도.
제 2 도는 본 발명에 따른 자동이득 조절장치의 구성도.
제 3 도는 본 발명에 따른 자동주파수 제어장치의 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 ; 자승 평균 검출 및 홀딩회로 11 ; 피크 검출 및 홀딩회로
12 ; 가산기 13, 17 ; 적분기
14 ; 위상 고정 루프회로 15 ; 스위치 전압발생 및 제어회로
16 ; 위상검출회로 18 ; 제어전압 제한 경보회로
19 ; 제어전압 범위 변환회로 20 ; 70MHz 전압제어발진기
본 발명은 위성통신 시스템과 같은 무선통신 시스템에서 주파수변환을 위해 사용되는 발진기의 주파수 불안정도 및 위성체의 이동때문에 발생되는 도플러 주파수 편이에 의한 주파수 오차와 전송 경로상에서 강우등의 감쇄에 의한 레벨의 변동을 보상하기 위한 무선통신장치에 이용되는 자동주파수 제어와 자동 이득 조절장치에 관한 것이다.
위성통신 시스템에서는 지구국과 위성중계기내에서 주파수 변환을 위하여 사용되는 발진기의 주파수 불안정도 때문에 주파수 오차가 발생되며, 이러한 오차는 인접하는 채널에 간섭을 줄 뿐만아니라 복조기의 주파수 획득 범위를 벗어나게 할 수 있다. 또한 본 발명이 적용되며, 하나의 중심국과 여러개의 단말국으로 구성되는 위성통신 시스템에서는 시스템의 경제성을 고려하여 각 단말국의 가격을 최소화하기 위하여 단말국에 저가의 발진기를 사용하고 이것을 중심국의 고안정 발전기에 동기시켜 송신주파수를 발생시키게 되므로 도플러 효과에 의한 주파수 오차가 무시할 수 없게 되어 그것을 보상하는 장치가 필요하다. 또한 위성통신과 같은 무선통신 시스템은 전송 경로상에서 강우등에 의한 레벨의 변동이 발생하므로 복조기의 입력 레벨을 일정하게 유지시키기 위한 자동이득 제어장치가 요구된다.
위성을 통한 전송과정에서 발생되는 주파수 오차를 보상하기 위하여 많은 주파수 제어방식들이 사용되고 있다. 이러한 종래의 방식은 주로 하나 또는 2개의 파일롯 주파수를 사용하는 방식이다. 그러한 방식중에서 2개의 파일롯을 사용하는 종래의 방식에서는 지구국의 송신부에서 파일롯 주파수를 발생시켜 다른 송신 반송파와 결합시켜 송신하고 이것을 수신 지구국에서 다시 수신하여 2개의 파일롯 주파수의 차로부터 도플러 주파수 편이량을 검출하고 2개 파일롯 주파수의 차와 하나의 파일롯 주파수로부터 전송 경로상에서 발생되는 주파수 오차를 검출하여 보상한다.
위와같이 2개의 파일롯을 이용하는 종래의 주파수 제어기술은 송신단에 별도의 파일롯 발생회로가 있어야 하고 그것을 전송하기 위한 전력과 주파수 대역이 필요하므로 송신단이 복잡해져 시스템의 경제성이 떨어지고, 제한된 대역폭과 전력으로 동작 운용되는 위성시스템의 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.
또한 강우 등의 감쇄에 의한 레벨 변동을 보상하기 위하여 기준이되는 파일롯 신호 레벨을 피크 검출하여 가변이득 증폭기의 부귀환 바이어스로 사용함으로써 이득을 조절하는 방식을 사용해 왔다.
이러한 피크 검출 방식은 신호대 잡음비가 낮은 시스템에서는 검출된 신호가 원하는 신호가 아니라 잡음의 피크 값이 되므로 가변이득 증폭기의 출력은 원하는 레벨보다 더 낮은 레벨로 조절되어 점점 더 신호대 잡음비가 낮아지게 되고 결국은 통신이 두절될 수 있는 단점을 가지고 있었다.
따라서, 상기 종래기술의 제반문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 별도의 파일롯 주파수를 사용하지 않고 정보를 전송하기 위하여 송신 지구국으로부터 연속적으로 송출되는 변조된 신호를 수신 지구국의 수신단에서 복조하여 복조된 데이타를 이용하여 반송파의 위상 오차를 검출하고 그 오차를 추적하는 전압제어 발진기에 하향기의 국부발진기가 동기되도록 함으로써 위성체의 국부 발진기나 수신 경로에서 발생된 주파수 오차를 보상하고 복조된 데이타로부터 클럭을 복원하여 클럭에 포함된 도플러 주파수 편이에 해당되는 위상 변화를 추적하는 전압제어 발진기에 주파수 상향기의 국부 발진기가 동기되도록 함으로써 도플러 주파수 편이에 의한 주파수 오차를 보상하며, 복조된 데이타를 자승 평균 검파하여 피크 잡음의 레벨을 제한한 바이어스로 가변이득 증폭기의 이득을 조절함으로써 신호대 잡음비가 매우 낮은 시스템에서의 성능이향상되는 장점을 가지는 자동주파수 제어와 자동이득 조절장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동이득 조절장치는, 기지국 수신단에 위치하여 복조된 데이타의 신호레벨을 검출하여 가변이득 증폭기의 이득을 조절하는 자동이득 조절장치에 있어서, 복조기로부터 입력되는 I(Inphase) 및 Q(Quadrature) 데이타의 신호 레벨을 검출하여 홀딩하는 자승평균검출 및 홀딩회로; 외부에서 제공되는 기준전압을 피크 검출하여 홀딩하는 피크 검출 및 홀딩회로; 상기 자승평균 검출 및 홀딩회로로부터 출력되는 신호레벨을 비반전 단자로 입력받고 상기 피크검출 및 홀딩회로로부터 출력되는 기준전압을 반전단자로 입력받아 신호레벨의 크기에 해당하는 출력전압{(I+Q)-(2×기준전압)}을 만드는 가산기; 및 상기 가산기에서 만들어진 전압을 적분하여 제어 전압을 발생시켜 상기 가변이득 증폭기의 이득을 제어하는 제어전압을 출력하는 적분기를 구비한다.
또한, 본 발명에 따른 자동주파수 제어장치는, 복조된 데이타를 이용하여 복조기에서 수신하는 반송주파수와 주파수 합성 발진기의 주파수간의 차인 주파수 오차를 검출하여 주파수 하향기의 국부 발진기에 공급함으로써 주파수 오차를 보상하는 자동주파수 제어장치에 있어서, 복조기 입력신호의 중심 주파수와 상기 주파수 합성 발진기와의 위상차를 상기 복조기로부터의 I 및 Q 데이타를 이용하여 검출하는 위상검출회로; 상기 위상검출회로의 위상차와 스위프 전압을 적분하여 제어전압을 발생시키는 적분기; 상기 적분기의 전압을 실제 사용하는 제어 전압의 범위로 변환하여 제어전압의 중심전압을 조정하는 제어전압 범위변환회로; 상기 제어전압 범위 변환회로로부터 제어 전압을 공급받아 해당되는 주파수를 발생시키는 전압 제어발진기; 상기 복조기로부터 입력되는 I 및 Q 데이타로부터 위상 고정상태를 검출하여 위상 고정이 안되었을 경우에 경보를 발생시키는 위상 고정 경보 회로; 상기 적분기로부터의 제어전압을 감시하여 정해진 전압범위를 벗어날 경우에 제한 경보를 발생하는 제어전압 제한경보회로; 및 위상 고정이 안되었을 경우에 위상 고정 경보회로로부터 경보신호를 입력받아 스위프 전압을 상기 적분기로 발생시키고 제어전압 제어경보회로의 제한경보에 따라 스위프 전압이 자동주파수 제어범위(+/-45kHz)에서 반복되도록 제어하는 스위프 전압발생 및 제어회로를 구비한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 사용되는 133.33kbps(kilo bit per sec) 데이타는 중심 지구국에서 고안정도의 시스템 기준주파수에 동기되어 발생되어 정해진 중간 주파수를 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 변조시키며, 변조된 신호는 주파수 상향기에서 14GHz 대역의 주파수로 변환되며 위상에서 12GHz 대역의 주파수로 변환되어 수신장치에 입력되며 주파수 하향기에서 다시 중간 주파수로 변환하게 되며, 이 신호에는 위상으로의 전송과정에서 발생되는 주파수 오차와 레벨의 변동을 포함하고 있다. 이하의 설명은 위성통신 시스템의 구조 및 전송경로에서 발생되는 주파수 오차와 레벨의 변동에 대하여서는 일반적으로 잘알려진 것이며 본 발명의 범위를 벗어나므로 본 발명의 본 발명의 장치와 관련된 부분에 대해서만 실시예를 통하여 설명한다.
제 1 도는 본 발명이 적용되는 자동주파수 제어와 자동이득 조절장치의 구성도로서, 도면에서 "1"은 주파수 하향기, "2"는 가변이득 제어기, "3"은 복조기, "4"는 주파수 합성 발진기, "5"는 자동이득 조절장치, "6"은 자동주파수 제어장치, "7"은 클럭 복원기, "8"은 위상 고정 루프 발진기, "9"는 주파수 상향기를 각각 나타낸다.
주파수 하향기(1)는 위성으로부터 수신한 12GHz 대역의 주파수를 70MHz 대역의 중간 주파수로 변환하는 주파수 하향기이며 수신된 신호에 포함된 주파수 오차를 자동주파수 제어장치(6)로부터 받은 70MHz에 국부 발진기를 동기시킴으로써 주파수 오차가 보상된 출력 주파수를 발생시킨다. 따라서 주파수 하향기(1)는 외부로부터 70MHz를 공급받을 수 있어야 하며 국부 발진기는 최소한 수신된 신호에 포함된 오차만큼의 변경 범위를 가져야 한다.
가변이득 증폭기(2)는 레벨 변동을 포함하는 신호를 수신하여 자동이득 조절장치(5)로부터 받은 제어전압에 따라 출력을 일정하게 유지시켜 주는 증폭기이다. 복조기(3)는 전송 경로상의 주파수 오차를 포함하는 133.33kbps의 데이타에 변조된 연속적인 수신신호와 주파수 합성발진기(4)에 의해서 133.33kbps의 I(Inphase) 성분과 Q(Quadrature) 성분의 데이타를 복원한다.
자동이득 조절장치(5)는 복조된 데이타의 신호레벨을 검출하여 가변이득 증폭기의 이득을 조절하는 장치로 후술되는 제 2 도에서 상세히 설명된다. 자동주파수 제어장치(6)는 복조된 데이타를 이용하여 복조기(3)에서 수신하는 반송파와 주파수 합성 발진기에서 출력되는 주파수와의 차인 주파수 오차를 검출하는 주파수 하향기의 국부 발진기에 공급함으로써 주파수 오차를 보상하는 장치이며 후술되는 제 3 도에서 상세히 설명된다.
또한 클럭 복원기(7)는 복조된 I 데이타로부터 133.33kHz의 클럭을 복원하는 부분이며 이 클럭에는 133.33kHz에 해당하는 도플러 주파수 편이 포함하고 있다. 위상 고정 루프발진기(8)는 입력되는 클럭 주파수에 동기되는 10MHz의 발진기로써 133.33kHz의 75배되는 도플러 주파수 편이를 포함하고 있다. 주파수 상향기(9)는 본 발명에 이용하는 연속적으로 송출되는 133.33kbps 데이타에 BPSK 변조된 중간 주파수 신호를 14HGz 대역의 주파수로 변환하는 부분이며 국부 발진기는 우상 고정 루프 발진기(8)로부터 받은 10MHz에 동기되므로 도플러 주파수 오차가 약 1400배 체배되며 도플러 펀이비가 3.6×10E(-8)이라면 도플러 주파수 핀이는 약 500Hz가 되며 이 주파수에 의해서 송신 신호의 중심주파수를 500Hz 이동시켜 위성으로 전송시킨다.
이러한 결과로 위성 중계의 입력에서 본 주파수 스팩트럼은 중심국에서 송신한 주파수의 각 지구국에서 송신한 주파수간의 간격이 일정하게 유지되므로 채널간의 간섭 현상이 없어지게 된다.
본 발명에 따른 주파수 제어에 이용되는 신호인 중심국의 신호는 복조기(3)에 입력되며, 이 신호는 다른 주파수가 가지는 오차 뿐만아니라 도플러 주파수 편이의 500Hz가 더해져서 들어오므로 이 500Hz도 다른 주파수 오차처럼 자동주파수 제어장치(6)에 의해서 보상된다.
그러므로 각 단말국에서 송신하는 도플러 주파수 편이에 의해서 중심주파수가 500Hz만큼 이동된 신호는 주파수 하향기(1)를 통과한 후 정확한 중심으로 이동하게 되어 각 단말국 신호를 복조하는 복조기(3)의 입력 신호는 정확한 위치에 존재하게 되어 +/-1kHz 이내의 매우 좁은 범위의 획득 범위를 갖는 복조기가 복조할 수 있게 된다.
제 2 도는 본 발명에 따른 자동이득 조절장치(제 1 도의 5)의 세부 구성도로서, 도면에서 "10"은 자승 평균 검출 및 홀딩회로, "11"은 피크 검출 및 홀딩회로, "12"는 가산기, "13"은 적분기를 각각 나타낸다.
자승평균 검출 및 홀딩회로(10)는 입력되는 I 및 Q 데이타의 레벨을 검출 및 홀딩하고, 피크검출 및 홀딩회로(11)는 기준전압을 피크검출 및 홀딩한다. 연산 증폭기로 구성되는 가산기(12)는 비반전 단자와 반전단자에 신호레벨 및 기준전압을 공급받아 (I+Q)-(2×기준전압)에 해당하는 출력을 발생하므로 신호레벨의 크기에 해당하는 출력전압을 만든다. 적분기(13)는 가산기(12)에서 만들어진 전압을 적분하여 제어 전압을 발생시켜 가이득 증폭기(2)의 이득을 제어하는데 사용한다.
제 3 도는 본 발명에 따른 자동주파수 제어장치(제 1 도의 6)의 세부구성도로서, 도면에서 "l4"는 위상 고정 루프회로, "15"는 스위프 전압발생 및 제어회로, "16''은 위상검출회로, "17"은 적분기, "18"은 제어전압 제한 경보회로, "l9"는 제어전압 범위 변환회로, "20''은 70MHz 전압제어발진기를 각각 나타낸다.
위상검출회로(16)는 I 및 Q 데이타로부터 제 1 도의 복조기(3)의 입력신호의 중심 주파수와 제 1 도의 주파수 합성 발진기(4)와의 위상차를 검출하는 코스타스 루프회로이다. 적분기(17)는 상기 위상검출회로(16)의 위상차와 스위프 전압발생 및 제어회로(15)의 스위프 전압을 적분하여 제어전압을 발생시킨다. 위상고정 경보회로(14)는 I 및 Q 데이타로부터 위상고정상태를 검출하여 위상 고정이 안되었을 경우에 경보를 발생시킨다. 스위프 전압발생 및 제어회로(15)는 위상고정이 안되었을 경우에 위상고정 경보회로(14)로부터 경보신호를 입력받아 적분기(17)로 스위프 전압을 발생시키고 제어전압 제한경보회로(18)에 의해서 자동주파수 제어범위인 +/-45kHz 범위에서 스위프제어 범위인 +/-45kHz 범위에서 스위프전압을 반복하도록 제어되며 위상고정이 되면 위상고정 경보회로(14)의 경보가 없어지므로 스위프전압은 중지된다. 제어전압제한경보회로(18)는 제어전압을 감시하여 정해진 전압범위를 벗어날 경우에 제한경보를 발생하여 반복되는 스위프전압을 발생하도록 한다. 제어전압 범위 변환회로(19)는 적분기(17)의 전압을 실제 사용하는 70MHz 전압제어 발진기(20)의 제어전압의 범위로 전환하여 후단의 전압제어 발진기로 출력되는 제어전압의 중심전압을 조정한다. 70MHz 전압제어 발진기(20)는 제어전압 범위 변환회로(19)로부터 제어 전압을 공급받아 해당되는 주파수를 발생시킨다. 이 주파수는 제 1 도에서 설명된 주파수 하향기(1)에 공급된다.
따라서, 상기와 같은 구성되어 동작하는 본 발명은, 종래의 2개의 파일롯 주파수를 사용하여 방식에서 손실되는 약 120kHz의 주파수 대역폭과 약 2W의 전력을 절감하는 효과가 있으며, 하나의 중심국과 여러개의 단말국으로 이루어지는 시스템이 하나의 중심국에 동기될때 발생되는 최소 수십 내지 최대 수백 Hz의 도플러 주파수 편이를 보상할 수 있으며, 위성체 국부 발진기 및 수신단의 주파수 오차를 최대 +/-45kHz까지 보상할 수 있다. 또한 복조된 데이타를 자승 평균 검출하여 매우 낮은 신호대 잡음비인 환경하에서도 자동이득조절이 가능하다. 따라서 본 발명은 위성 통신시스템 뿐만아니라 디지틀 전송방식의 이동통신시스템 및 디스틀 방송시스템에도 활용할 수 있고, 앞으로 활발해질 전망인 이동위성 통신시스템에서 더욱더 문젝 커질 것으로 판단되는 도플러 주파수 편이를 보상하기 위하여 사용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 기지국 수신단에 위치하여 복조된 데이타의 신호레벨을 검출하여 가변이득 증폭기(2)의 이득을 조절하는 자동이득 조절장치에 있어서, 복조기(3)로부터 입력되는 I(Inphase) 및 Q(Quadrature) 데이타의 신호레벨을 검출하여 홀딩하는 자승평균 검출 및 홀딩회로(10); 외부에서 제공되는 기준 전압을 피크 검출하여 홀딩하는 피크검출 및 홀딩회로(11); 상기 자승평균검출 및 홀딩회로(10)로부터 출력되는 신호레벨을 비반전단자로 입력받고 상기 피크검출 및 홀딩회로(11)로부터 출력되는 기준전압을 반전단자로 입력받아 신호레벨의 크기에 해당하는 출력전압{(1+q)-(2×기준전압)}을 만드는 가산기(12); 및 상기 가산기(12)에서 만들어진 전압을 적분하여 제어전압을 발생시켜 상기 가변이득 증폭기(2)의 이득을 제어하는 제어전압을 출력하는 적분기(13)를 구비하여 이루어진 자동이득 조절장치.
  2. 복조된 데이타를 이용하여 복조기(3)에서 수신하는 반송주파수와 주파수 합성 발진기(4)의 주파수간의 차인 주파수 오차를 검출하여 주파수 하향기(1)의 국부 발진기에 공급함으로써 주파수 오차를 보상하는 자동주파수 제어장치에 있어서, 복조기 입력신호의 중심 주파수와 상기 주파수 합성 발진기(4)와의 위상차를 상기 복조기(3)로부터의 I 및 Q 데이타를 이용하여 검출하는 위상검출회로(16); 상기 위상검출회로(16)의 위상차와 스위프 전압을 적분하여 제어전압을 발생시키는 적분기(17); 상기 적분기(17)의 전압을 실제 사용하는 제어 전압의 범위로 변환하여 제어 전압의 중심 전압을 조정하는 제어전압 범위 변환회로(19); 상기 제어전압 범위 변환회로(19)로부터 제어전압을 공급받아 해당되는 주파수를 발생시키는 전압제어 발진기(20); 상기 복조기(3)로부터 입력되는 I 및 Q 데이타로부터 위상고정상태를 검출하여 위상고정이 안되었을 경우에 경보를 발생시키는 위상고정 경보회로(14); 상기 적분기(17)로부터의 제어전압을 감시하여 정해진 전압범위를 벗어날 경우에 제한경보를 발생하는 제어전압 제한경보회로(18); 및 위상고정이 안되었을 경우에 위상고정 경보회로(14)로부터 경보신호를 입력받아 스위프전압을 상기 적분기(17)로 발생시키고 제어전압 제한경보회로(18)의 제한 경보에 따라 스위프전압이 자동주파수 제어범위(+/-45kHz)에서 반복되도록 제어하는 스위프전압발생 및 제어회로(15)를 구비하여 이루어진 자동주파수 제어장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 위상검출회로(16)는, 코스타르 루프회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동 주파수 제어장치.
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