다중대역 GNSS 신호 동시 수신을 위한 직접 RF 표본화 수신기 설계 및 성능 Design and Performance of a Direct RF Sampling Receiver for Simultaneous Reception of Multiband GNSS Signals원문보기
이 논문에서는 GNSS(global navigation satellite system) 신호를 RF(radio frequency) 대역에서 표본화하여 디지털 영역에서 복조하는 직접 RF 표본화 수신기를 설계하고 그 성능을 살펴보고자 한다. 직접 RF 표본화 방식은 IF(intermediate frequency) 대역에서 AD(analog to digital) 변환을 하고 복조하는 기존의 IF 변환 방식과 다르게, 아날로그 믹서(mixer)를 전혀 사용하지 않고 안테나 출력인 통과대역 신호를 직접 AD 변환하여 이후의 수신기의 모든 과정을 디지털 영역에서 처리하는 기술이다. IF 변환 방식과 비교하면 하드웨어 구조가 덜 복잡하고 전송환경 변화에 따른 재구성이 가능하며 하나의 AD 변환기를 사용하여 여러 대역의 신호를 동시에 변환할 수 있다는 장점이 있다. 이와 같은 재구성 기능과 동시 수신 기능은 특정 대역의 신호가 적으로부터 전파방해를 받았을 때 후속시스템으로의 빠른 전환이 필요한 군용 시스템에서 매우 중요한 역할을 한다. 한편 여러 대역의 신호를 한 번에 AD 변환하려면 수신하고자 하는 신호의 반송파 주파수, 대역폭, 표본화 후의 중간주파수 그리고 보호 대역 등을 고려하여 표본화 주파수를 정하는 것이 중요하다. 이 논문에서는 GPS L1, GLONASS G1 및 G2 등의 GNSS 신호를 동시에 수신할 수 있는 표본화 주파수를 선택하고 이를 적용한 직접 RF 표본화 수신기를 설계한다. 또한 설계한 수신기를 상용 AD 변환기와 소프트웨어를 사용하여 구현한 후 실제 신호의 수신시험을 통해 수신 성능을 살펴본다.
이 논문에서는 GNSS(global navigation satellite system) 신호를 RF(radio frequency) 대역에서 표본화하여 디지털 영역에서 복조하는 직접 RF 표본화 수신기를 설계하고 그 성능을 살펴보고자 한다. 직접 RF 표본화 방식은 IF(intermediate frequency) 대역에서 AD(analog to digital) 변환을 하고 복조하는 기존의 IF 변환 방식과 다르게, 아날로그 믹서(mixer)를 전혀 사용하지 않고 안테나 출력인 통과대역 신호를 직접 AD 변환하여 이후의 수신기의 모든 과정을 디지털 영역에서 처리하는 기술이다. IF 변환 방식과 비교하면 하드웨어 구조가 덜 복잡하고 전송환경 변화에 따른 재구성이 가능하며 하나의 AD 변환기를 사용하여 여러 대역의 신호를 동시에 변환할 수 있다는 장점이 있다. 이와 같은 재구성 기능과 동시 수신 기능은 특정 대역의 신호가 적으로부터 전파방해를 받았을 때 후속시스템으로의 빠른 전환이 필요한 군용 시스템에서 매우 중요한 역할을 한다. 한편 여러 대역의 신호를 한 번에 AD 변환하려면 수신하고자 하는 신호의 반송파 주파수, 대역폭, 표본화 후의 중간주파수 그리고 보호 대역 등을 고려하여 표본화 주파수를 정하는 것이 중요하다. 이 논문에서는 GPS L1, GLONASS G1 및 G2 등의 GNSS 신호를 동시에 수신할 수 있는 표본화 주파수를 선택하고 이를 적용한 직접 RF 표본화 수신기를 설계한다. 또한 설계한 수신기를 상용 AD 변환기와 소프트웨어를 사용하여 구현한 후 실제 신호의 수신시험을 통해 수신 성능을 살펴본다.
In this paper, we design a direct radio frequency (RF) sampling receiver for multiband GNSS signals and demonstrate its performance. The direct RF sampling is a technique that does not use an analog mixer, but samples the passband signal directly, and all receiver processes are done in digital domai...
In this paper, we design a direct radio frequency (RF) sampling receiver for multiband GNSS signals and demonstrate its performance. The direct RF sampling is a technique that does not use an analog mixer, but samples the passband signal directly, and all receiver processes are done in digital domain, whereas the conventional intermediate frequency (IF) receiver samples the IF band signals. In contrast to the IF sampling receiver, the RF sampling receiver is less complex in hardware, reconfigurable, and simultaneously converts multiband signals to digital signals with an analog-to-digital (AD) converter. The reconfigurability and simultaneous reception are very important in military applications where rapid change to other system is needed when a system is jammed by an enemy. For simultaneous reception of multiband signals, the sampling frequency should be selected with caution by considering the carrier frequencies, bandwidths, desired intermediate frequencies, and guard bands. In this paper, we select a sampling frequency and design a direct RF sampling receiver to receive multiband global navigation satellite system (GNSS) signals such as GPS L1, GLONASS G1 and G2 signals. The receiver is implemented with a commercial AD converter and software. The receiver performance is demonstrated by receiving the real signals.
In this paper, we design a direct radio frequency (RF) sampling receiver for multiband GNSS signals and demonstrate its performance. The direct RF sampling is a technique that does not use an analog mixer, but samples the passband signal directly, and all receiver processes are done in digital domain, whereas the conventional intermediate frequency (IF) receiver samples the IF band signals. In contrast to the IF sampling receiver, the RF sampling receiver is less complex in hardware, reconfigurable, and simultaneously converts multiband signals to digital signals with an analog-to-digital (AD) converter. The reconfigurability and simultaneous reception are very important in military applications where rapid change to other system is needed when a system is jammed by an enemy. For simultaneous reception of multiband signals, the sampling frequency should be selected with caution by considering the carrier frequencies, bandwidths, desired intermediate frequencies, and guard bands. In this paper, we select a sampling frequency and design a direct RF sampling receiver to receive multiband global navigation satellite system (GNSS) signals such as GPS L1, GLONASS G1 and G2 signals. The receiver is implemented with a commercial AD converter and software. The receiver performance is demonstrated by receiving the real signals.
이 논문에서는 GPS L1 및 GLONASS G1, G2 신호를 동시에 수신할 수 있는 다중대역 직접 RF 표본화 수신기를 설계하고 상용의 AD 변환기와 소프트웨어로 구현하여 그 성능을 살펴보고자 한다. 기본적인 설계 방법은 [16]을 기반으로 하였지만 안테나의 주파수 특성 때문에 대역 통과 필터를 AD 변환기 뒤에 삽입하고, 표본화 주파수, 필터 특성 등의 세부 파라미터는 사용한 상용 AD 변환기의 특성에 따라 변경하였다.
제안 방법
기본적인 설계 방법은 [16]을 기반으로 하였지만 안테나의 주파수 특성 때문에 대역 통과 필터를 AD 변환기 뒤에 삽입하고, 표본화 주파수, 필터 특성 등의 세부 파라미터는 사용한 상용 AD 변환기의 특성에 따라 변경하였다. 기존의 연구들이 표본화 주파수를 가능한 낮춰서 설계하는 방식인 반면, 이 논문에서는 표본화 주파수를 크게 하여 중첩 잡음을 줄이고 다중대역을 개별 대역으로 나누어 동시에 수신할 수 있도록 한다. 2장에서는 직접 RF 표본화 기술과 표본화 주파수 결정 시 고려해야할 사항들에 대해 살펴보고, 3장에서는 다중대역 직접 RF 표본화 수신기의 구조와 신호처리과정에 대해 설명한다.
한편 필터의 구현의 난이도는 대역폭이 넓을수록 (즉 (중심 주파수)/(대역폭)으로 정의되는 필터의 Q인자가 작을수록) 용이하다. 따라서 이 논문에서는 간축 후에 반복 스펙트럼이 겹치지 않는 한도 내에서 반복 스펙트럼 중 가장 낮은 대역에 위치하는 390.66MHz를 중심으로 대역폭이 10MHz인 필터를 사용한다. 마찬가지로 대역폭이 8.
설계 및 구현한 직접 RF 표본화 수신기는 실제의 GNSS 신호를 수신하고 복조해봄으로써 그 성능을 살펴보았다. GNSS 신호는 2015년 11월 10일 오후 5시 20분경에 충북대 전자공학부 건물의 옥상에 설치된 안테나로부터 취득하였으며, 신호의 길이는 약 273ms이다.
이 논문에서는 직접 RF 표본화 기술을 이용하여 여러 대역의 GNSS 신호를 동시에 수신할 수 있는 다중대역 직접 RF 표본화 수신기를 설계 및구현하고, GPS L1, GLONASS G1, G2 신호의 수신시험을 통해 수신기의 성능을 살펴보았다. 수신시험 결과 L1, G1, G2 신호에 대해 각각 6개, 5개, 6개의 위성신호를 성공적으로 취득하였다.
대상 데이터
설계 및 구현한 직접 RF 표본화 수신기는 실제의 GNSS 신호를 수신하고 복조해봄으로써 그 성능을 살펴보았다. GNSS 신호는 2015년 11월 10일 오후 5시 20분경에 충북대 전자공학부 건물의 옥상에 설치된 안테나로부터 취득하였으며, 신호의 길이는 약 273ms이다.
구현한 수신기의 최종 출력인 상관함수에서 뚜렷한 피크가 검출되어 수신이 가능한 L1 및 G1, G2 위성신호는 각각 6, 5, 6개이다. 검출된 GPS 위성의 PRN(pseudo random noise) 번호는 1, 3, 4, 11, 28, 32이고, PRN 1번 위성의 최대상관값이 가장 크다.
여러 대역의 GNSS 신호를 동시에 수신하기 위한 직접 RF 표본화 수신기의 구조는 그림 1과 같다. 수신기는 아날로그 신호 처리부와 AD 변환기, RF 신호 처리부, IF 신호처리부 및 항법 데이터 추출부로 구성된다. 273ms 길이의 수신 신호를 AD 변환하여 데이터 수집 보드에 저장한 후 PC에서 그 데이터를 읽어 들여 수신기의 나머지 기능을 PC에서 소프트웨어로 처리한다.
이 장에서는 이를 바탕으로 여러 종류의 GNSS 신호를 동시에 수신하기 위한 다중대역 직접 RF 표본화 수신기를 설계하고자 한다. 수신하고자 하는 GNSS 신호는 GPS L1, GLONASS G1, G2 신호이다.
신호의 AD 변환을 위해서는 TI사의 AD 변환기 개발 보드인 ADC12J4000EVM 및 데이터 수집 보드인 TSW14J56을 사용하였다. AD 변환 칩은 3GHz까지의 입력을 허용하며 최대 표본화 주파수는 4GHz이다.
안테나는 Novatel사의 광대역 GNSS 안테나인 GPS-701-GGL를 사용하였다. 이 안테나는 L1과 G1을 합한 대역을 중심으로 약 80MHz의 대역폭과, G2 대역을 중심으로 약 40MHz의 대역폭에 대한 대역통과 특성이 있으며, LNA를 내장하고 있다.
이 논문에서 수신하고자 하는 GPS L1 대역의 C/A 신호는 대역폭이 2.046MHz이다. 한편 필터의 구현의 난이도는 대역폭이 넓을수록 (즉 (중심 주파수)/(대역폭)으로 정의되는 필터의 Q인자가 작을수록) 용이하다.
이론/모형
그 다음 각 위성의 확산부호와 상관을 취하여 확산부호 길이 즉 비트주기(20ms)만큼 적분한 후 출력한다. 확산부호의 동기화는 클록을 앞뒤로 이동시켜 상관값이 최대가 되도록 맞추는 부호 추적 루프 알고리듬[7]을 이용한다. 심볼 동기는 1/2 심볼간격의 E(early), P(prompt), L(late) 표본을 이용하는 Early-Late 알고리듬[7]을 적용하여 E 및 L 신호에 대한 상관값이 동일하도록 클록의 위상(즉 지연시간)을 조절한다.
성능/효과
구현한 수신기의 최종 출력인 상관함수에서 뚜렷한 피크가 검출되어 수신이 가능한 L1 및 G1, G2 위성신호는 각각 6, 5, 6개이다. 검출된 GPS 위성의 PRN(pseudo random noise) 번호는 1, 3, 4, 11, 28, 32이고, PRN 1번 위성의 최대상관값이 가장 크다. G1 신호는 -3, 1, 3, 5, 6번 채널의 위성이 검출되었으며, 6번 채널의 최대상관값이 가장 크다.
다른 방법은 표본화 주파수를 크게 하여 스펙트럼이 반복되는 간격을 넓힘으로써 잡음의 스펙트럼이 신호의 스펙트럼과 겹치지 않도록 하는 것이다. 결과적으로 표본화 주파수를 증가시키면 대역 통과 필터의 대역폭이 어느 정도 넓어도 상관없으며, 또한 천이영역에서의 필터 특성이 예리하지 않아도 중첩 잡음의 크기를 감소시킬 수 있다. 일반적으로 AD 변환기 이전의 대역통과 특성은 안테나에 의해 결정되며, 특별히 안테나와 AD 변환기 사이에 대역통과 필터를 삽입할 수도 있다.
이 논문에서는 직접 RF 표본화 기술을 이용하여 여러 대역의 GNSS 신호를 동시에 수신할 수 있는 다중대역 직접 RF 표본화 수신기를 설계 및구현하고, GPS L1, GLONASS G1, G2 신호의 수신시험을 통해 수신기의 성능을 살펴보았다. 수신시험 결과 L1, G1, G2 신호에 대해 각각 6개, 5개, 6개의 위성신호를 성공적으로 취득하였다.
이 논문에서는 AD 변환기 데이터 수집 장치의 메모리 한계로 273ms 동안의 신호만 수신할 수 있었다. 향후에는 항법 데이터까지 추출할 수 있도록 신호의 수신 구간을 늘리고, 또 Galileo, Beidou 등의 다른 GNSS 신호를 수신할 수 있는 수신기술 등에 대해 연구하고자 한다.
직접 RF 표본화 GNSS 수신기는 수신 안테나를 제외한 대부분의 신호처리를 소프트웨어로 구현함으로써 다중 대역 신호의 동시 수신, 재밍 또는 간섭에 의한 특정 신호의 수신불능 상태에서 타 항법 신호로의 전환 수신 또는 미리 약속된 새로운 전송방식으로의 송수신 전환 등이 매우 용이하다. 따라서 끊김없는 항법 정보를 필요로 하는 군용 또는 민수용 시스템에 적용할 수 있다.
후속연구
직접 RF 표본화 GNSS 수신기는 수신 안테나를 제외한 대부분의 신호처리를 소프트웨어로 구현함으로써 다중 대역 신호의 동시 수신, 재밍 또는 간섭에 의한 특정 신호의 수신불능 상태에서 타 항법 신호로의 전환 수신 또는 미리 약속된 새로운 전송방식으로의 송수신 전환 등이 매우 용이하다. 따라서 끊김없는 항법 정보를 필요로 하는 군용 또는 민수용 시스템에 적용할 수 있다.
이 논문에서는 AD 변환기 데이터 수집 장치의 메모리 한계로 273ms 동안의 신호만 수신할 수 있었다. 향후에는 항법 데이터까지 추출할 수 있도록 신호의 수신 구간을 늘리고, 또 Galileo, Beidou 등의 다른 GNSS 신호를 수신할 수 있는 수신기술 등에 대해 연구하고자 한다.
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