[논문]데이터링크 통신을 위한 PLL 주파수합성기 설계

권상철; 강경식

doi:10.12812/ksms.2015.17.3.377

데이터링크 통신을 위한 PLL 주파수합성기 설계
Design of PLL Frequency Synthrsizer for Data Link Communication 원문보기

대한안전경영과학회지 = Journal of the Korea safety management & science, v.17 no.3, 2015년, pp.377 - 381

권상철 (에이스안테나 방산 연구소) , 강경식 (명지대학교 산업경영공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

For the first time, PLL frequency synthesizer using DDS was adapted for the data link communication system which should fast transmit and receive each other with the correct information and fast Hopping System. It is inevitable to lost the synchronization by slow lock time about PLL and no cut off the noise. This paper propose the design of PLL frequency synthesizer which can make 800MHz frequency range. The PLL frequency synthesizer has three high qualities those are frequency accuracy, fast lock time and outstanding phase noise.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

PLL 주파수합성기의 설계 규격은 DDS를 이용한 주파수발생기의 설계 규격에서 주파수 체배에 따라 저하되는 특성을 고려하여 정하였다. 본 논문에서 사용되는 PLL IC는 National Semiconductor사의 LM2326을 사용하였다.
이와 같은 특성의 DDS를 PLL모듈의 기준 주파수로 사용하여 최종 주파수인 800MHz를 얻었다. 본 논문에서는 성능에는 관심을 두지 않고 최종 출력 주파수를 얻고자 하였다. 하지만 보다 좋은 성능을 얻고자 한다면 DDS에서는 최우선적으로 앨리어싱 억압필터의 설계가 중요하다고 하겠다.
다시말해서 주파수 도약시스템 (Frequency Hopping System)에서 정확하고 빠른 도약을 위한 PLL 주파수합성기 개발은 필수적이다. 이에 본 논문에서는 DDS를 이용해 데이터링크에 필요한 800MHz의 출력 주파수를 내는 PLL 주파수합성기를 설계 제안 하였다. 설계된 PLL 주파수합성기는 전술 데이터링크 시스템 주파수인 VHF 대역에서 정확한 발진 주파수를 가지고 빠른 Lock time과 우수한 Phase Noise 특성을 가진다.

제안 방법

설계하고자 하는 DDS의 출력 주파수는 7MHz이므로 Nyquist 주파수인 14MHz 이상의 기준 클럭 주파수를 사용하여야 한다. 본 논문에서는 25MHz의 상용화된 TCXO를 기준 클럭으로 사용하여 7MHz의 DDS 출력을 얻은 뒤, 설계된 엘리어싱 억압 필터를 이용하여 최종 DDS 출력 정현파를 얻을 수 있도록 하였다. 설계된 DDS 모듈의 회로는 그림 2.
설계된 PLL회로의 특성을 미리 알아보기 위해 National Semiconductor사에서 제공하는 시뮬레이션을 이용하여 특성을 알아보았다. 아래에 보이는 그림 2, 3, 4가 각각 Lock time analysis, Phase noise, Bode plot를 나타내는 그림이다.
프린터 포트를 통해서 각각의 데이터 핀에 데이터를 입력하여 800MHz의 출력주파수를 얻고자 하였다. PLL의 R counter는 35였고 N counter는 4000이었다.
현대 전자전의 중요한 역할을 하는 전술 데이터링크 시스템에 필요한 빠른 lock time, 고해상도를 갖는 PLL 주파수합성기를 DDS를 이용하여 설계 및 제작하였다. DDS는 높은 주파수 해상도, 빠른 lock time, 낮은 위상잡음 등의 장점이 있지만, 출력 주파수가 낮은 단점이 있다.

대상 데이터

PLL 주파수합성기의 설계 규격은 DDS를 이용한 주파수발생기의 설계 규격에서 주파수 체배에 따라 저하되는 특성을 고려하여 정하였다. 본 논문에서 사용되는 PLL IC는 National Semiconductor사의 LM2326을 사용하였다. 설계된 PLL 주파수합성기의 규격은 표 2.
위의 그림에서와 같이 상하향변환 모듈 구조는 3 Times 슈퍼 헤테로다인 구조로써 3번의 믹서를 거쳐 운용 주파수를 Up/Down 해주는 구조이다. 적용된 PLL 주파수합성기는 1st Fixed Local 주파수 812MHz를 발생시키는 사용 되었으며 빠른 도약 시스템에 필요한 빠른 Lock Time, 우수한 Phase Noise 특성을 가진 PLL로 구성되어 있다.
제작한 DDS의 출력 주파수를 Reference 주파수로 받아서 측정하였다. 측정 결과는 아래의 그림과 같이 최종적으로 DDS/PLL Hybrid 출력 주파수를 얻었다.

성능/효과

PLL의 R counter는 35였고 N counter는 4000이었다. 잡음은 측정하지 않았으나 5V의 직류공급원을 통해서 7MHz의 기준주파수를 받아 800MH의 출력주파수를 얻은 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

하지만 보다 좋은 성능을 얻고자 한다면 DDS에서는 최우선적으로 앨리어싱 억압필터의 설계가 중요하다고 하겠다. 또한 DDS 회로와 PLL 회로의 격리도를 높임으로써 스퓨리어스 특성을 개선시킬 수 있을 것이다. PLL에서는 정확한 스펙에서의 루프필터 설계가 최우선적으로 진행되어야 하며 성능 좋은 Reference 주파수를 사용하여야 한다.
VCO의 성능을 개선하기 위해서는 출력단에 Lowpass 필터를 달아줌으로서 하모닉 성분을 제거할 수 있을 것이다. 성능보다는 최종 출력을 얻고자 하였기에 잡음 개선 방법은 크게 고려하지 않았지만 후에 다시 제작을 한다면 이러한 점들을 고려하여 최적화된 PLL 주파수합성기를 설계, 제작할 수 있을 것이라 생각된다.
이에 따라 전자전에 사용되어지는 전술 데이터링크 시스템의 주파수 도약 성능 또한 계속해서 발전하고 있다. 이러한 도약 속도를 만족하면서 높은 해상도를 가진 PLL 주파수합성기를 계속해서 연구 하고 발전 시키면 그 어떠한 정보 공격이 와도 방어할 수 있는 훌륭한 무기를 만들 수 있다고 생각된다.
전투에 소규모 플렛폼이 참여하고 소규모 전투에서 음성통신을 통한 상황 공유만 가능하면 전투가 가능했었던 과거의 전투 방식에서 현대전의 전투방식은 전투기, 함정, 대공 미사일 수량이 급격히 증가함으로써 동시 다발적인 전투 수행은 물론 공유할 상황 정보 증가로 음성통신만으로는 해결이 불가능하다. 이에 따른 전술 데이터링크 활용이 필수적이며 앞으로의 미래전은 NWC(Network Centric Warfare)중심의 전투방식으로 발전 될 것이다. NWC 운용 개념은 네트위크로 연결된 군대의 효과적 정보 공유를 가능 하게 하고, 공유된 정보는 상황 인식의 질을 개선작업을 거치며, 공유된 상황인식은 명령 전파속도롤 최대화 하여 임무 수행 효과가 극적 향상을 시킬 수 있게 하는 전투 운용 방식이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현대전의 전투방식은 어떠한가?	전투에 소규모 플렛폼이 참여하고 소규모 전투에서 음성통신을 통한 상황 공유만 가능하면 전투가 가능했었던 과거의 전투 방식에서 현대전의 전투방식은 전투기, 함정, 대공 미사일 수량이 급격히 증가함으로써 동시 다발적인 전투 수행은 물론 공유할 상황 정보 증가로 음성통신만으로는 해결이 불가능하다. 이에 따른 전술 데이터링크 활용이 필수적이며 앞으로의 미래전은 NWC(Network Centric Warfare)중심의 전투방식으로 발전 될 것이다.
	미래전은 어떤 전투방식으로 예상되는가?	전투에 소규모 플렛폼이 참여하고 소규모 전투에서 음성통신을 통한 상황 공유만 가능하면 전투가 가능했었던 과거의 전투 방식에서 현대전의 전투방식은 전투기, 함정, 대공 미사일 수량이 급격히 증가함으로써 동시 다발적인 전투 수행은 물론 공유할 상황 정보 증가로 음성통신만으로는 해결이 불가능하다. 이에 따른 전술 데이터링크 활용이 필수적이며 앞으로의 미래전은 NWC(Network Centric Warfare)중심의 전투방식으로 발전 될 것이다. NWC 운용 개념은 네트위크로 연결된 군대의 효과적 정보 공유를 가능 하게 하고, 공유된 정보는 상황 인식의 질을 개선작업을 거치며, 공유된 상황인식은 명령 전파속도롤 최대화 하여 임무 수행 효과가 극적 향상을 시킬 수 있게 하는 전투 운용 방식이다.
	전술 데이터링크 시스템의 필수적인 요소는?	이러한 NWC중심의 전술 체계에 중요한 부분을 담당하는 시스템이 전술 데이터링크 시스템이다. 다시말해서 주파수 도약시스템 (Frequency Hopping System)에서 정확하고 빠른 도약을 위한 PLL 주파수합성기 개발은 필수적이다. 이에 본 논문에서는 DDS를 이용해 데이터링크에 필요한 800MHz의 출력 주파수를 내는 PLL 주파수합성기를 설계 제안 하였다.

참고문헌 (7)

Yun-Soo Ko(1999), "Design and Fabrication of PLL module for WLL" Department of Radio Science & Engineering, Graduate School Chungnam National University.
Joon-Gyu Ryu(2001), "Design and Fabrication of Fractional-N PLL module for IMT-2000", Department of Radio Science & Engineering, Graduate School Chungnam National University.
Choong-Ho Zee(2005), "Design and Fabrication of DDS/PLL Hybrid Wideband Frequency Synthesizer", Department of Radio Science & Engineering, Graduate School Chungnam National University.
Ki-Jeong Lee(2003), "Design and Fabrication of DDS-driven PLL", Department of Radio Science & Engineering, Graduate School Chungnam National University.
Kyung-Soo Ha(2004), "Design and Fabrication of DDS/PLL Hybrid Frequency Synthesizer", Department of Radio Science & Engineering, Graduate School Chungnam National University.
Yong Kim(1999), "The Design and Fabrication of Voltage-Controlled Oscillator in C-Band", Department of Radio Science & Engineering, Graduate School Chungnam National University.
Soo-Seul Hwang(2000), "Design and Fabrication of Dual-Mode PLL module using Switchable VCO", Department of Radio Science & Engineering, Graduate School Chungnam National University.

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