위성 트랜스폰더는 위성내부에 탑재되는 탑재체이며, 위성의 관제 및 제어를 위해 지상국과의 무선통신을 수행한다. 디지털 트랜스폰더는 기존의 아날로그 트랜스폰더에 비해 재제작이 쉬우며 정확한 성능 예측이 가능하다. 또한 변복조 방식, Data Rate, Loop Bandwidth, Modulation Index 등의 기능이 위성궤도 상에서 변경 가능하며, 많은 아날로그 부품을 디지털로 구현하여 무게 및 부피를 줄일 수 있다. 디지털 트랜스폰더의 핵심기술은 반송파 복원부이며, 반송파 복원부의 성능에 의해 Dynamic Range, 주파수 추적 범위, 주파수 추적 Rate 및 Coherent 등의 성능이 결정된다. 따라서 본 논문에서는 위성용 디지털 트랜스폰더에 적합한 반송파 복원부의 구조를 제안하고 이를 시험 및 검증하였다.
본 논문에서는 다층형 결합 선로를 이용한 6-단자 위상 상관기와 동일한 구조를 갖는 반송파 복원기 그리고 위상 변위기를 갖는 일원화된 6-단자 직접변환 수신 전처리부를 설계 제작한다. 전력 분배기와 하이브리드 결합기로 구성되는 6-단자 소자는 다층형 결합 선로 구조로 이루어지며, 수신부 위상 상관기와 반송파 복원기 그리고 위상 변위기의 기본 구조 요소로 작용한다. 다층형 결합 선로 구조로 구성되는 일원화된 수신 전처리부는 구성이 간단하고 집적화가 용이하다. 설계 제작된 다층형 결합 구조 6-단자 수신 전처리부는 일정한 반송파 신호를 재생하고, PSK 전송 신호를 복원한다.
지상국과 위성트랜스폰더 사이의 통신의 초기 단계에서 궤도 운행 중인 위성과 지상국과의 도플러 효과에 의한 주파수 편이와 신호의 상태의 파악을 위해 지상국에서는 변조되지 않은 상향링크 반송파(up-link carrier) 신호의 주파수를 일정한 범위와 속도로 sweeping하며 송신한다. 위성트랜스폰더는 수신된 상향링크 반송파를 획득(acquisition) 및 추적(tracking)하며, 그 상태를 지상국에 송신하여 지상국과의 통신을 초기화 하게 된다. 이러한 과정의 제어를 위해서 위성 수신부는 수신된 반송파 신호에 대한 다양한 분석이 필요하다. 본 논문에서는 위성트랜스폰더의 반송파 복원 루프 상태와 상향링크 신호 상태를 확인하고, 수신부 동작의 제어를 위해 사용할 수 있는 SNR 추정 알고리즘을 제안하고, 이에 따른 수신부 동작 제어 방안을 제시하였다. 제안된 알고리즘은 수신된 상향링크 반송파를 기저대역 극좌표계로 변환하여 각성분만의 통계로부터 SNR을 추정하고, 수신부 제어에 필요한 상태 변수를 파악하므로, AGC(Auto Gain Controller) 정보를 이용하여 신호의 상태를 파악하는 기존의 아날로그 방식에 비해 매우 간단히 구현될 수 있다. 제안된 SNR 추정 및 제어 상태 추출 결과는 모의실험을 통해 그 유효성을 입증하였다.
burst-mode TDMA 시스템에 사용되는 모뎀에서는, 데이터 전송효율을 증가시키면서 동시에 만족할만한 BER 성능을 얻기 위해서, 반송파 포착(acquisition)성능 및 추적(tracking)성능이 우수하여야 한다. 본 논문에서는 이를 위한 새로운 결정지향 반송파 복원(decision-directed carrier recovery) 알고리즘을 제안하였다. 제안한 방식은 PLL(Phase Locked Loop)을 사용하지 않기 때문에 빠른 반송파 포착이 가능하며, 가우시안 잡음이 부과된 입력신호를 수신단 전단에서 억압하는 사전 필터링(pre-filtering) 방식을 적용함으로 반송파 추적성능이 우수하다. 시뮬레이션을 통하여 제안한 방식의 BER 성능 및 포착 성능을 고찰해본 결과, 수신부에서 비교적 정확한 국부 발진기(local oscillator)를 채용하는 경우에는 기존의 방식에 비해 특히 BER 성능이 우수하였다. 이는 기존의 방식과는 달리 제안한 방식에서는 low SNR 환경에서도 cycle slip이 거의 발생하지 않는 장점이 있기 때문이다.
In this paper, we estimate the performance requirements of general-purpose DSP for Carrier Recovery of OFDM DVB-T receiver. Firstly, we transported the designed fixed-point OFDM DVB-T model to a floating-point software model written in C. Then, we measured the number of instruction cycles required for operation of Carrier Recovery in time. We use SignalMaster$\^$TM/ DSP platform of LYRtech Inc. as a environment of estimation, and Simulink$\^$TM/ as a graphical interface, Code Composer StudioTM of TI as profiler and compiler, and SPW$\^$TM/ for presenting functional reliability and comparing the performance distortion with fixed-point model. As a result, we show the required number of DSPs in our DSP-based system, and introduce the need of Multi-DSP-based system.
DTV수신기에서 송신신호를 완벽하게 복원하기 위해서는 채널의 영향으로 인해 파일롯의 위치가 바뀌고 위상이 틀어지는 것을 보상해주는 반송파 주파수 동기와 샘플링 클락 주파수와의 위상오차로 인해 발생하는 샘플링 타이밍 오차를 보상하는 심볼 타이밍 동기가 모두 획득되어야 한다. 심볼 타이밍 동기부는 일반적으로 다중레벨을 가지는 신호에 사용되는 가드너(Gardner)방법을 사용한다. 가드너 방법은 매 심볼마다 타이밍 에러성분을 추출하므로 다중경로 채널에서 타이밍동기를 추적하면서 유지하는데 유리한 방식이다. 본 논문에서는 가드너 방법에서 에러를 검출하기 위해 사용되는 가드너 타이밍 에러 검출기(Timing Error Detector)가 수신파워레벨이 기준 파워레벨에서 크게 벗어날 경우 동기를 획득할 수 없는 문제점을 해결하기 위해 1단계로 가드너 타이밍 에러 검출기 블록 앞에 수신파워레벨을 계산하여 보정하는 블록을 추가하여 수신파워레벨을 보정한다. 2단계로 반송파 주파수동기와 심볼타이밍동기에 사용되는 PLL(Phase Locked Loop)회로의 빠른 동기 획득과 동기 획득 후 지터량을 줄이기 위하여 루프필터의 출력 값의 평균을 이용하여 옵셋량을 추정하여 추정된 옵셋의 변화율에 따라 단계적 대역폭을 가지는 적응적인 루프필터를 반송파 주파수 동기 회로와 심볼 타이밍동기 회로에 적용함으로써 최적의 동기성능을 얻는다.
본 논문에서는 25 kHz의 반송파와 5 kHz의 심볼율을 갖는 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) 통신시스템에서 수신된 신호를 100 kHz로 샘플링하여 전송데이터를 복원하는 수중통신용 수신기의 구조에 대하여 논한다. 또한, 천해역에서 제작한 센서를 이용하여 취득한 데이터를 2:1의 비율로 간축한 후 설계한 수신기의 입력으로 하여, 결합채널등화기 출력신호의 BER (Bit Error Rate) 을 최소화하는 결합채널등화기의 FF (Feed-Forward) 및 FB (Feed-Back) 필터 탭 수 및 RLS (Recursive Least-Square) 알고리듬의 망각인자 등의 설계 파라미터를 도출하였다. 취득 신호의 전송거리는 각각 1.4 km, 2.9 km, 4.7 km이다. 분석결과 BER을 최소화하기 위한 결합채널등화기의 FF 와 FB 탭 수는 전송거리에 따라 상이하나 망각인자는 0.997에서 최적 또는 최적에 가까운 성능을 보이는 것을 확인하였다. 그러므로, 수중음향통신 수신기 설계시 망각인자, ${\lambda}$,는 0.997로 고정하고, 전송거리에 따라 최적의 성능을 갖는 결합채널등화기의 FF 필터 탭 수와 FB 필터 탭수를 가변적으로 변경할 수 있는 구조를 갖는 수신기를 설계하는 것이 바람직하다는 결론을 얻을 수 있었다. 또한, 수신기 성능 분석을 통하여 본 논문에서 고려하는 시스템에서는 16탭 길이를 갖는 간단한 형태의 필터를 161탭 길이를 갖는 정합필터 대신에 수신기의 저역통과필터로 사용하더라도 성능의 열화가 적음을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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