[논문]GSM 무선통신 시스템을 위한 디지털 GMSK 변조기 설계 및 성능분석

김범진; 한재충; 홍승억

GSM 무선통신 시스템을 위한 디지털 GMSK 변조기 설계 및 성능분석
All Digital GMSK Modulator for the GSM Mobile System 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.25 no.4A, 2000년, pp.502 - 511

김범진 ((주)엠엠씨 테크놀로지) , 한재충 (명지대학교 전자정보통신공학부) , 홍승억 ((주)엠엠씨 테크놀로지)

초록
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GMSK 변조방식은 비선형 변조방식으로서 기존의 선형변조방식에 비해 주파수 응답이 우수하다. 따라서, 유럽 등지에서는 인접 채널간 간섭을 중일 수 있는 변조방식으로 많이 활용되어 왔으며 특히 ETSI에서는 범유럽 셀룰러 표준안인 GSM 시스템을 위한 변조방식으로 채택하고 있다. 기존의 아날로그 구현 방식은 정확한 구현의 어려움, 시간에 따른 주파수 응답의 변화, 이로 인한 대량생산 시 문제점 등 많은 문제점을 가지고 있으며 따라서 점차로 디지털 구현 방식을 선호하게 되었다. 하지만 기존의 디지털 변조기 설계 방식은 그 과정이 복잡하고 변조방식 및 사양의 변화에 따른 유연성이 부족하다는 문제점을 갖고 있으며 따라서 점차로 디지털 구현 방식을 선호하게 되었다. 하지만 기존의 디지털 변조기설계 방식은 그 과정이 복잡하고 변조 방식 및 사양의 변화에 따른 유연성이 부족하다는 문제점을 안고 있다. 본 논문에서는 간단하고 체계적인 디지털 변조기 설계 방식을 제안하고 이 방식으로 ETSI에서 권고한 GMSK 변조기를 설계하고 구현하는 과정에 대하여 설명한다. 여기에서 모의 실험을 통한 설계파라미터들의 결정 과정과 성능 분석 과정 및 結\ulcorner대한 결과에 관한 설명도 포함되어 있다. 그리고 이것을 직접 DSP 상에서 구현하였는데 그 결과 제안된 방식은 요구되는 계산량이 매우 작고 전력 소모 또한 매우 작아서 저전력, 고성능의 요구 사항을 쉽게 만족시킬 수 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) modulation technique belongs to the class of nonlinear modulation technique, and it is known to be bandwidth efficient. The GMSK modulation is chosen for the digital cellular phone standard by the European Telecommunications Standards Institute (ETSI). In this paper, an efficient method for implementing all digital GMSK modulator is introduced. The proposed modulator is shown to be simple to implement as well as satisfying the required spectral shape recommended by the ETSI.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는, Linz와 Feher가 고안한 GMSK 변조기 설계 방식보다 더욱 체계적이고 간단한 새로운 디지털 GMSK 변조기 설계 방식을 제안하였고 주로 人]용되는 성능척도의 하나인 변조 신호의 전력 스펙트럼을 분석하였다. 그리고 제안된 변조기설계 방식이 일반적인 CPM 변조 방식에도 적용될 수 있음을 보이고 설계 과정에서의 근사 과정으로 인한 설계 오차도 최소화 될 수 있음을 보인다.

가설 설정

1) 가장 최근의 차동부호기 출력 데이터 L개를 버퍼에 저장한다. 이것이 바로 ROM의 주소 역할을 하는 이진 벡터 乱이다.
따라서 본 연구에서 다루는 GMSK 신호방식은 이진 변조방식을 가정한다. GMSK 신호 방식에서 전송 신호는 다음과 같이 정의되며

제안 방법

3) 버퍼에 저장한 이진 벡터 丸이 집합 Di, D2, D3, Dt, 중 어디에 속하는지를 결정하고 이에 따라 ROM의 주소와 부호 함수를 계산해 낸다.
본 논문에서 제안된 알고리듬은 기본적으로 ROM과 D/A변환기 등을 이용하여 구현하는 것을 전제로 하는데 그 구조를 그림 1에 나타낸다. 그리고 위의 과정 3)의 이진 벡터 분류, 부호 함수 값 계산, ROM의 주소 계산, 그리고 과정 5)의 ROM 의 출력 배분 등의 연산은 매우 간단하여 DSP 또는 Hard-wired 로직 등으로 쉽게 구현할 수 있다.

대상 데이터

그리고 그냥 변조 신호를 FFT 하면 사각창을 씌운 효과가 나므로 신호의 전력 스펙트럼 값이 작은 고주파 영역에서는 이로 인한 잡음 마루가 상당히 큰 값으로 나타난다. 그래서 이 효과를 줄이기 위해서 삼각창, Hamming 창 Hanning 창 등을 사용하는 것이 더 좋다 본 논문의 시뮬레이션에서는 FFT 길이는 1024로 평균을 취하는 길이는 20으로 그리고 창으로는 Harmin응 창을 이용하였다.

이론/모형

기존의 GMSK 변조기 구현 방식은 크게 아날로그 방식과 디지털 방식, 그리고 아날로그 디지털 혼용 방식으로 나눌 수 있는데, 아날로그 방식은 아날로그 필터와 FM 변조기가 직렬로 연결된 구조이고 闵, 아날로그 디지털 혼용 방식은 아날로그 방식에서 아날로그 필터 부분을 디지털 필터 또는 Lookup 테이블로 교체한 방식'I 과 Feher 의 교차상관기 (Cross correlator) 구조를 이용한 방식(3)何 등이 있으며, 디지털 방식은 파형선택로직, 부호결정로직, 그리고 ROM을 채용한 방식叫71과 pam 신호 근 사 방 식81 등이 있다. 여기에서 본 논문에서 제안된 방식과 가장 유사한 구조를 지닌 것은 Feher와 Linz 가 제안한 디지털 구현 방식이다.

성능/효과

하지만 Feher나 Linz가 제안한 디지털 변조기는 그 설계 과정에서 체계성이 부족하고 비교적 복잡하기 때문에 변조기의 사양5】 바뀌거나 특히 더 엄격해지면 설계의 복잡도가 급격히 증가한다. 그러므로 본 연구를 통해 좀 더 체계적이고 설계 과정이 간단한 디지털 변조기 설계 방법을 제시함으로써 기존의 디지털 변조기 설계 과정이 지닌 단점을 극복할 수 있게 되었다.
1 MIPS의 계산량이 요구됨을 알 수 있었다. 그러므로 본 연구에서 제안된 설계방식은 비교적 작은 메모리와 낮은 계산량을 요구하고 이에 따른 자연스런 결과로서 소모 전력 또한 매우 작기 때문에 최근 무선통신 단말기 설계에 있어서 가장 큰 관심사의 하나인 저전력, 고성능의 요구 조건을 충분히 만족시킬 수 있음을 알 수 있었다.
그리고 이것을 직접 DSP 상에서 구현하였는데 그 결과 640 비트의 ROM, 2.1 MIPS의 계산량이 요구됨을 알 수 있었다. 그러므로 본 연구에서 제안된 설계방식은 비교적 작은 메모리와 낮은 계산량을 요구하고 이에 따른 자연스런 결과로서 소모 전력 또한 매우 작기 때문에 최근 무선통신 단말기 설계에 있어서 가장 큰 관심사의 하나인 저전력, 고성능의 요구 조건을 충분히 만족시킬 수 있음을 알 수 있었다.
스펙트럼을 분석하였다. 그리고 제안된 변조기설계 방식이 일반적인 CPM 변조 방식에도 적용될 수 있음을 보이고 설계 과정에서의 근사 과정으로 인한 설계 오차도 최소화 될 수 있음을 보인다. 또한 제안된 방식을 이용하여 구체적인 GMSK 변조기 설계 및 구현 방법을 설명하고 실제로 DSP 상에서 구현한 결과에 대해서도 언급한다.
그리고 3가 10 이상이면 ETSI에서 권고한 스펙트럼 마스크를 만족함을 알 수 있다. 실제로 ETSI 에서 권고하는 사양의 변조기를 TI의 부동 소수점 DSP 인 TMS320C₅₄X 상에서 구현하였는데 그 사양은 N=8M=10으로 하였고그- 결과 요구되는 메모리의 크기는 2x8x22x10 = 640 비5, 연산량은 약 2.1 MIPS 정도가 됨을 알 수 있었다.
이러한 단점을 보완하기 위해 완전한 디지털 방식은 한 심볼 주기 동안에 출력 가능한 서로 다른 모든 파형을 ROM에 저장해 두고 이 파형을 선택하는 로직과 파형의 부호를 결정하는 로직을 채용하여 곧바로 ROM으로부터 변조 신호를 출력함으로써 기존의 ROM 방식에 비해 하드웨어의 복잡도를 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.
제안된 설계 방식을 이용하여 ETSI에서 권고한 GMSK 변조기를 설계하였는데 다양한 파라미터 값을 이용하여 모의 실험을 수행하였고 그 결과 비트당 8 개의 표본을 취하고 표본 당 10 비트를 이용한 양자화가 가장 적절함을 알 수 있었다. 그리고 이것을 직접 DSP 상에서 구현하였는데 그 결과 640 비트의 ROM, 2.
하지만 제안된 알고리듬은 근사없이 정확히 계산된 열벡터 G, 의 성분들 £개의 선형 결합에 의해 식 (17)에 표현된 C, 와 S, 를 계산할 때에만 근사를 하므로 근사에 의한 위상 오차를 쉽게 정확히 예측할 수 있으며 그 오차 또한 비교적 작다고 할 수 있다. 제안된 알고리듬은 변조 인덱스가 1/2이고 전송함수가 대칭인 모든 CPM 변조 방식에 적용 가능 하고 변조 방식에 따라 단지 열벡터 G, 만 다르게 계산될 뿐이다.

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