[논문]Signal Modulation Techniques and Performance Analysis for KPS Signal Design

Shin, Heon; Han, Kahee; Joo, Jung-Min; Won, Jong-Hoon

doi:10.11003/jpnt.2020.9.4.293

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In this paper, various modulation techniques, including the legacy Global Navigation Satellite System (GNSS) signal modulation techniques, are introduced and the spectral characteristics and correlation characteristics of signals with various modulation techniques are analyzed based on numerical sim...

In this paper, various modulation techniques, including the legacy Global Navigation Satellite System (GNSS) signal modulation techniques, are introduced and the spectral characteristics and correlation characteristics of signals with various modulation techniques are analyzed based on numerical simulation. With the development of various GNSS services, the limited frequency band has become increasingly saturated, and issues of interoperability and compatibility have emerged in the new GNSS design. Since the efficient allocation of frequency resources is closely related to spectrum design, modulation techniques are one of the important signal design parameters of new signal design. Signal modulation techniques are closely related to various figure of merits (FoMs) as well as spectrum characteristic, and in some cases there is a complicated trade-off between FoMs. Thus, the FoMs associated with modulation technology should be analyzed and the best signal candidates should be chosen carefully via the trade-off analysis for FoMs. In this paper, we define the modulation technique based on Phase Shift Keying (PSK), Binary Offset Carrier (BOC) and Continuous Phase Modulation (CPM) for the design of KPS signals, and the FoMs of signals in terms of spectrum and correlation function are evaluated. Signals with various modulation techniques are implemented through a numerical simulation, and the relevant FoMs are analyzed.

Keyword

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. A drawback of the HDD-based navigation system.
그림 Fig. 2. Typical GNSS signal generation diagram.
그림 Fig. 3 Spread spectrum continuous phase modulated signal generation diagram.
표 Table 1. General frequency pulse.
표 Table 2. Modulation settings for each scenario.
표 Table 3. Result of figure-of-merits for each scenario: numerical (analytical).
그림 Fig. 4. Power spectral density for each modulation: (a) Scenario A, (b) Scenario B, (c) Scenario C, (d) Scenario D, (e) Scenario E, (f) Scenario F, (g) Scenario G, (h) Scenario H, (i) Scenario I, (j) Scenario J, (k) Scenario K, (l) Scenario L.
그림 Fig. 5. Gabor bandwidth analysis for each scenario.
표 Table 4. Spectral separation coefficients result: numerical (analytical).
그림 Fig. 6. Spectral separation coefficients for each modulation: (a) mono modal, (b) bi modal (±1f_g), (c) bi modal (±2f_g), (d) bi modal (±4f_g).

AI 본문요약
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문제 정의

범지구 위성항법 시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System)은 위성으로부터 송신되는 신호를 사용하여 사용자의 위치를 계산하고 고도의 정확한 시간 시스템 서비스를 제공하는 것을 목적으로 한다. 최초의 GNSS는 1960년대 미국에서 개발한 Global Positioning System (GPS)이며, 초기에는 군사적 목적으로 사용되었으나 2000년 5월 Selective Availability가 해제되면서 민간에서도 GPS를 통해 비교적 정교한 Positioning, Velocity, Timing (PVT) 서비스를 이용할 수 있게 되었다.
따라서 본 논문에서는 한국형 위성항법 시스템 신호 설계를 위한 다양한 변조기법 및 이에 따른 FoM을 수치적으로 분석한다. 2장에서는 기존 GNSS 신호에 사용된 사각파펄스 기반의 PSK, BOC, MBOC 변조신호에 대한 수치적 표현식을 정의하고, 차세대 GNSS 신호에 사용될 수 있는 CPM 신호의 생성방법 및 수치적 표현식을 정의한다.
본 논문에서는 변조기법에 따른 GNSS 신호의 성능지수를 정성적으로 분석하였다. 사각 파 펄스 기반의 기존 GNSS 신호 변 조 및 타 통신 분야에서 사용되고 있는 연속 위상 변조 신호에 대한 수치적 모델을 소개하였다. 변조기법은 신호의 스펙트럼 특성 및 상관 특성을 결정하고, 이 특성은 시스템 성능에 영향을 미치기 때문에 스펙트럼 및 상관함수 관점에서 평가할 수 있는 다양한 성능지수에 대하여 정의하였다.

가설 설정

변조기법에 따른 신호들의 FoM을 정확히 분석하려면 변조기법 이외의 SDP에 대한 가정이 필요하다. 본 논문에서는 확산코드 및 항법 메시지의 특성을 GPS L1C/ A (Coarse/Acquisition)와 동일하게 가정한다. Table 2는 각 시나리오의 변조기법을 나타낸다.

제안 방법

본 논문에서는 변조기법에 따른 GNSS 신호의 성능지수를 정성적으로 분석하였다. 사각 파 펄스 기반의 기존 GNSS 신호 변 조 및 타 통신 분야에서 사용되고 있는 연속 위상 변조 신호에 대한 수치적 모델을 소개하였다.
변조기법은 신호의 스펙트럼 특성 및 상관 특성을 결정하고, 이 특성은 시스템 성능에 영향을 미치기 때문에 스펙트럼 및 상관함수 관점에서 평가할 수 있는 다양한 성능지수에 대하여 정의하였다. 그 후 변조기법에 따른 시나리오를 설정하여 Matlab 시뮬레이션을 통해 GNSS 신호를 수치적으로 생성하였고, 앞서 정의한 신호성능 지수를 계산 및 분석하였다.

성능/효과

하지만 상관함수에서 sidelobe가 발생하지 않기 때문에 신호획득 및 신호추적 알고리즘의 복잡도를 줄일 수 있다. CPM 기반 monomodal 신호의 경우 신호의 전력이 중심 주파수에 집중됨과 동시에 OOBE가 현저하게 낮기 때문에 할당대역폭이 좁거나 인접 대역에 간섭을 최소로 해야 하는 경우 유리하다. 단, monomodal 신호는 기본적으로 고주파 성분에 전력이 없기 때문에 낮은 GB를 갖으며 이는 신호추적 성능 측면에서 단점으로 작용한다.
CPM 기반 monomodal 신호의 경우 신호의 전력이 중심 주파수에 집중됨과 동시에 OOBE가 현저하게 낮기 때문에 할당대역폭이 좁거나 인접 대역에 간섭을 최소로 해야 하는 경우 유리하다. 단, monomodal 신호는 기본적으로 고주파 성분에 전력이 없기 때문에 낮은 GB를 갖으며 이는 신호추적 성능 측면에서 단점으로 작용한다.
Bimodal 신호는 신호의 전력이 중심 주파수로부터 떨어져 있기 때문에 기존의 monomodal 신호와의 간섭을 줄일 수 있다. 하지만 상관함수에서 sidelobe가 발생하기 때문에 다소 복잡한 신호획득 및 신호추적 알고리즘이 필요하다.
결론적으로, 각 변조기법은 여러 신호 성능지수와 관련되며 서로 trade-off 관계에 있기 때문에 새로운 GNSS 신호 설계시 여러 후보 신호에 대해 성능지수를 분석하여 최적의 변조기법을 선택해야 한다. 추가적으로, 본 논문에서 분석한 변조기법에 따른 성능지수는 정성적으로 진행되었기 때문에, 향후 신호추적에러, 위치추정에러, 반송파-잡음비 감소 등의 직접적인 시스템 성능을 정량적으로 분석할 필요성이 있다.

후속연구

Bimodal 신호는 신호의 전력이 중심 주파수로부터 떨어져 있기 때문에 기존의 monomodal 신호와의 간섭을 줄일 수 있다. 하지만 상관함수에서 sidelobe가 발생하기 때문에 다소 복잡한 신호획득 및 신호추적 알고리즘이 필요하다. CPM 기반 bimodal 신호의 경우 마찬가지로 OOBE가 적기 때문에 인접 대역 간 간섭을 줄일 수 있는 이점이 있다.
결론적으로, 각 변조기법은 여러 신호 성능지수와 관련되며 서로 trade-off 관계에 있기 때문에 새로운 GNSS 신호 설계시 여러 후보 신호에 대해 성능지수를 분석하여 최적의 변조기법을 선택해야 한다. 추가적으로, 본 논문에서 분석한 변조기법에 따른 성능지수는 정성적으로 진행되었기 때문에, 향후 신호추적에러, 위치추정에러, 반송파-잡음비 감소 등의 직접적인 시스템 성능을 정량적으로 분석할 필요성이 있다. 이를 활용하여 KPS 신 호설계파라미터 확정에 활용 가능 할 것이라 판단한다.
추가적으로, 본 논문에서 분석한 변조기법에 따른 성능지수는 정성적으로 진행되었기 때문에, 향후 신호추적에러, 위치추정에러, 반송파-잡음비 감소 등의 직접적인 시스템 성능을 정량적으로 분석할 필요성이 있다. 이를 활용하여 KPS 신 호설계파라미터 확정에 활용 가능 할 것이라 판단한다.

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