[논문]가변 데이터 전송 가능한 텔레메트리(Telemetry) 송신기

김장희; 홍승현; 박병관; 김복기; 김효종

doi:10.12673/jant.2020.24.1.53

가변 데이터 전송 가능한 텔레메트리(Telemetry) 송신기
The Telemetry Transmitter with Variable Data rate Transmission 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.24 no.1, 2020년, pp.53 - 60

김장희 (단암시스템즈) , 홍승현 (단암시스템즈) , 박병관 (단암시스템즈) , 김복기 (단암시스템즈) , 김효종 (단암시스템즈)

초록
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본 논문에서는 가변 데이터 전송 가능한 텔레메트리 송신기의 구조에 대해 연구하였다. 가변 데이터 전송을 위하여 가변 컷오프 특성을 가지는 VPMF (variable pre-modulation filter)와 가변입력 샘플레이트 변환기 (variable input sample rate converter)가 결합된 구조를 제안한다. VPMF는 일반적인 PMF (pre-modulation filter)와 동일하게 변조 전 신호의 고주파 성분을 억제하여 RF (radio frequency)신호의 대역을 제한하는 특성을 지니며, 추가적으로 입력 데이터율에 따라 가변 컷오프 특성을 갖는다. 가변입력 샘플레이트 변환기는 입력 데이터율 변경 시 추가적인 구조변경 없이 입력 데이터율과 무관하게 출력을 일정한 샘플링 속도로 변환하는 기능을 갖는다. 추가적으로 실시간 변화하는 데이터양에 대응하기 위해 VPMF와 가변입력 샘플레이트 변환기를 능동적으로 제어하는 소프트웨어 프로그램 기법을 제안한다. 제안 방법을 적용하여 시뮬레이션과 실제 제작을 통하여 입력 데이터율 390 kbps ~ 25 Mbps 범위에서 IRIG (inter-range instrumentation group) 표준의 99% 전력 대역폭, null-to-null 대역폭, 1st IMD (inter modulation distortion) 비교 결과 규격을 만족하는 데이터 전송이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, We have studied the structure of a Telemetry Transmitter capable of transmitting variable data rates. This paper proposed a structure combining variable pre-modulation filter with cutoff characteristic with variable input sample rate converter. Variable pre-modulation filter has the same characteristics as pre-modulation filter and is converted to a constant sampling rate without structural changes according to the variable input data rate. We propose a software program that actively controls variable pre-modulation filter and variable input sample rate converter to respond to real-time changing data.

주제어

표/그림 (16)

그림 그림 1. 텔레메트리 시스템 구성도 Fig. 1. Telemetry system configuration diagram.
그림 그림 2. 송신기 신호처리 구성도 Fig. 2. Block diagram of signal processing at transmitter.
그림 그림 3. PMF의 입출력 파형 Fig. 3. In/Out waveform of PMF.
그림 그림 4. PMF의 효과 Fig. 4. Effect of PMF.
그림 그림 5. FIR 구조 PMF Fig. 5. PMF of FIR structure.
표 표 1. VPMF의 설계 사양 Table 1. Specification of variable pre-modulation filter.
그림 그림 6. VPMF 계수 계산 Fig. 6. Calculating coefficient of VPMF.
그림 그림 7. 가변입력 샘플레이트 변환기 구성도 Fig. 7. Block diagram of variable input sample rate converter.
그림 그림 8. 대역제한 리샘플링 필터 계수 계산 Fig. 8. Calculating coefficient of band-limited re-sampling filter.
표 표 2. 설계된 필터 계수 Table 2. Coefficient of designed filter.
그림 그림 9. 시뮬레이션 구성도 Fig. 9. Simulation schematic diagram.
그림 그림 10. IRIG 표준 PCM/FM 파형과 시뮬레이션 파형 Fig. 10. Waveform PCM/FM in IRIG STD and simulation result.
표 표 3. 샘플레이트 변환 개요 Table 3. General outline of sample rate
그림 그림 11. 시험 구성도 Fig. 11. Measurement equipment setup.
표 표 4. 비교분석결과 Table 4. Result of comparative analysis.
그림 그림 12. 데이터율 변화에 따라 측정된 출력 스펙트럼 파형 Fig. 12. Measured output spectrum as data rate change.

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

PMF의 목적은 FM 변조 전 PCM 데이터의 상승 및 하강 엣지에 존재하는 고주파 성분을 억제함으로써 FM 변조 후 RF 신호의 Side-lobe를 줄이는 대역 제한을 유도하는 것에 있다. RF 신호의 대역을 제한함으로써 인접 채널과의 주파수 간섭을 줄여 주파수 효율을 높일 수 있다.
본 논문에서는 텔레메트리 송신기의 유연한 시스템 적용을 위하여 가변 데이터율 전송이 가능한 구조에 대하여 제안하였다. 가변 데이터율 전송을 위해 가변 컷오프 특성을 갖는 VPMF와 정해지지 않은 샘플레이트를 갖는 입력에도 능동적 으로 제어하는 소프트웨어를 통해 설정된 고정 샘플레이트로 변환하여 샘플을 출력하는 가변입력 샘플레이트 변환기를 제안하였다.
텔레메트리 시스템의 운용 목적 및 환경의 변화에 따른 데이터 양의 변화에 대응하기 위해 가변 데이터율 전송이 가능한 구조가 요구된다. 이에 본 논문에서는 VPMF와 가변입력 샘플레 이트 변환기를 함께 사용하여 추가 구조변경 없이 가변 데이 터율 전송이 가능한 효율적인 시스템 구현 기법을 제안한다.
이에 본 논문에서는 운용 목적 및 환경의 변화에 따라 발생 되는 원격 측정 데이터 양의 변화 요구 조건에 부합되는 가변 컷오프 특성을 갖는 VPMF와 하드웨어 구조 변경 없이 가변되는 입력 샘플링 속도를 고정으로 변환하여 출력하는 가변입력 샘플레이트 변환기를 제안한다. 추가적으로 실시간 변화하는 원격 측정 데이터양에 대응하기 위해 VPMF와 가변입력 샘플 레이트 변환기를 능동적으로 제어하는 소프트웨어 프로그램 기법을 제안한다.
텔레메트리 시스템은 직접 모니터링 할 수 없는 환경에서 원격 측정 데이터를 무선으로 받아 볼 수 있도록 정확한 정보를 전송하는데 목적이 있다. 원격 측정 데이터는 그림 1에서 보는 바와 같이 전기, 기계, 열과 같은 저용량의 성능 데이터부터 음향 및 영상과 같은 고용량의 운용 환경 데이터까지 다양한 형태가 될 수 있다.

제안 방법

본 논문에서는 텔레메트리 송신기의 유연한 시스템 적용을 위하여 가변 데이터율 전송이 가능한 구조에 대하여 제안하였다. 가변 데이터율 전송을 위해 가변 컷오프 특성을 갖는 VPMF와 정해지지 않은 샘플레이트를 갖는 입력에도 능동적 으로 제어하는 소프트웨어를 통해 설정된 고정 샘플레이트로 변환하여 샘플을 출력하는 가변입력 샘플레이트 변환기를 제안하였다.
따라서 본 논문에서는 –3 dB 대역 폭이 데이터율 0.7배 이상인 VPMF를 설계하여 사용한다[2].
본 논문에서 제안한 가변 데이터율의 전송이 가능한 텔레메 트리 송신기에 대한 검증을 위해 변조보드를 제작한다. 변조보 드의 하드웨어는 전원부, 변조부, 인터페이스부로 구성된다.
본 논문에서는 앞절에서 설계된 VPMF와 정해지지 않은 샘플레이트를 갖는 입력에도 능동적으로 제어하는 소프트웨 어를 통해 설정된 고정 샘플레이트로 변환하여 샘플을 출력 하는 가변입력 샘플레이트 변환기를 함께 사용한 송신기 구조를 사용하여 추가적인 하드웨어 구조 변경 없이 가변 데이 터율 전송이 가능하게 한다.
식 (2)에서 M은 필터 길이를 나타낸다. 이상적인 필터의 무한 임펄스 응답에 Blackman 창 함수를 곱하고 유한 임펄스 응답으로 근사화하여 필터 계수를 도출한다. 필터 탭 길이는 64로 정한다.
레벨변환기(level converter), VPMF, 가변입력 샘플레이트 변환기, FM 변조기(fm modulator)로 구성된다. 입력된 텔레메 트리 PCM 데이터는 레벨변환기를 통해 NRZ-L (non-return-to-zero level)데이터로 변환되고, 변한된 NRZ-L 데이터는 가변 데이터율 전송이 가능하기 위해서 능동적으로 제어하는 소프트웨어를 통해 가변된 데이터율 값을 입력받고 입력된 값을 기준으로 NCO (numerical complex oscillator)를 통해 만들어진 가변된 데이터율과 동기된 클럭으로 동작되는 VPMF 에 데이터율의 8배로 오버샘플링되어 입력된다. 입력된 데이터는 VPMF에 의해 데이터율의 0.
제안 방법에 대한 설계 검증을 위해 시뮬레이션을 수행하였고, 가변 데이터율의 전송이 가능한 텔레메트리 송신기 검증을 위해 변조보드를 제작 및 측정을 하였다.
그림 6은 MATLAB R2017b FDA 툴을 이용하여 입력 데이 터율 10 Mbps 기준의 필터 주파수 응답특성 화면이다. 주파수 응답특성 그래프는 10 MHz의 0.7배인 7 MHz의 컷오프 특성을 가지며, 위상특성 그래프는 주파수에 선형적으로 비례하는 선형위상특성을 나타내어 PMF 권고사항 및 설계 사양을 만족 하도록 설계한다. 표 2는 이를 통해 도출된 필터 계수를 나열한 표이다.
이에 본 논문에서는 운용 목적 및 환경의 변화에 따라 발생 되는 원격 측정 데이터 양의 변화 요구 조건에 부합되는 가변 컷오프 특성을 갖는 VPMF와 하드웨어 구조 변경 없이 가변되는 입력 샘플링 속도를 고정으로 변환하여 출력하는 가변입력 샘플레이트 변환기를 제안한다. 추가적으로 실시간 변화하는 원격 측정 데이터양에 대응하기 위해 VPMF와 가변입력 샘플 레이트 변환기를 능동적으로 제어하는 소프트웨어 프로그램 기법을 제안한다.

데이터처리

가변입력 샘플레이트 변환기에서 변환된 신호는 FM 변조기로 입력되어 FM 변조된다. 시뮬레이션 검증을 위하여 그림 10과 같이 랜덤데이터 입력에 대한 출력신호의 스펙트럼 파형을 IRIG 표준과 비교 분석한다. 1 Mbps 입력 데이터율에 대한 시뮬레이션 결과 99% 전력 대역폭은 1.
인터페 이스부에서는 최대 25Mbps까지 외부 장치와의 통신을 위해 RS-422 IC를 사용한다. 펌웨어는 Intel 사의 Quartus II 툴을 이용하여 로직으로 구현하고, 구현된 로직은 Intel 사의 MAX 10 시리즈 FPGA에 실장하여 성능 검증을 수행한다.

이론/모형

마지막으로 도출된 전달 함수를 실제 구현하기 위해 필터탭 길이와 필터 계수를 창 함수 설계 기법으로 도출한다. 본 논문에서는 가능한 좁은 Main-lobe 폭과 작은 Side-lobe 감쇠를 갖도록 저지특성이 좋고, Main-lobe 대역폭 특성이 우수한 식 (2)의 Blackman 창 함수를 이용한다 [5].
본 논문에서 제안한 데이터율의 가변 전송 구조에 대한 검증을 위하여 Mathwork 사에서 제공하는 Matlab R2017b를 이용하여 시뮬레이션을 수행한다.
마지막으로 도출된 전달 함수를 실제 구현하기 위해 필터탭 길이와 필터 계수를 창 함수 설계 기법으로 도출한다. 본 논문에서는 가능한 좁은 Main-lobe 폭과 작은 Side-lobe 감쇠를 갖도록 저지특성이 좋고, Main-lobe 대역폭 특성이 우수한 식 (2)의 Blackman 창 함수를 이용한다 [5]. 식 (2)에서 M은 필터 길이를 나타낸다.
일단 필터 사양이 결정되면, 다양한 개념과 수학을 사용하여 사양에 근사화된 필터 표현을 얻는다. 본 논문에서는 근사화 방법으로 식 (1)과 그림 5와 같이 선형 위상 FIR(finite impulse response) 구조를 이용하여 PMF의 전달함수(필터표현)을 도출한다. 식 (1)에서 z는 원점, M은 필터 길이를 나타낸다.

성능/효과

시뮬레이션 검증을 위하여 그림 10과 같이 랜덤데이터 입력에 대한 출력신호의 스펙트럼 파형을 IRIG 표준과 비교 분석한다. 1 Mbps 입력 데이터율에 대한 시뮬레이션 결과 99% 전력 대역폭은 1.162 MHz, null-to-null 대역폭 1.31 MHz, 1st IMD 18 dBc로 IRIG 표준 사양을 만족한다.
또한 표 4의 결과 값은 입력 데이터율 390 kbps ~ 25 Mbps 범위에서 본 논문에서 제안하는 구조로 제작된 변조 보드가 IRIG 규격을 만족함을 보여준다.
시뮬레이션 및 측정 결과는 입력 데이터율 390 kbps ~ 25Mbps 범위에서 본 논문에서 제안하는 구조로 제작된 변조 보 드가 IRIG 규격을 만족하였다. 즉, 제안한 VPMF와 가변입력 샘플레이트 변환기를 사용함으로써 가변 데이터율 전송이 가능함을 확인하였다.
시뮬레이션 및 측정 결과는 입력 데이터율 390 kbps ~ 25Mbps 범위에서 본 논문에서 제안하는 구조로 제작된 변조 보 드가 IRIG 규격을 만족하였다. 즉, 제안한 VPMF와 가변입력 샘플레이트 변환기를 사용함으로써 가변 데이터율 전송이 가능함을 확인하였다.

후속연구

본 논문에서 제안한 방법은 다양한 환경이나 여러 요구 규격의 텔레메트리 시스템에 적용할 수 있으며, 향후 데이터의 품질을 위해 단위 비트당 할당된 데이터율을 변경하여 전송하는 경우 적용 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	텔레메트리 시스템의 목적은?	텔레메트리 시스템은 직접 모니터링 할 수 없는 환경에서 원격 측정 데이터를 무선으로 받아 볼 수 있도록 정확한 정보를 전송하는데 목적이 있다. 원격 측정 데이터는 그림 1에서 보는 바와 같이 전기, 기계, 열과 같은 저용량의 성능 데이터부터 음향 및 영상과 같은 고용량의 운용 환경 데이터까지 다양한 형태가 될 수 있다.
	본 논문에서 제안한 VPMF와 가변입력 샘플레 이트 변환기를 이용한 송신기의 구성은?	이에 본 논문에서는 VPMF와 가변입력 샘플레 이트 변환기를 함께 사용하여 추가 구조변경 없이 가변 데이 터율 전송이 가능한 효율적인 시스템 구현 기법을 제안한다. 레벨변환기(level converter), VPMF, 가변입력 샘플레이트 변환기, FM 변조기(fm modulator)로 구성된다. 입력된 텔레메 트리 PCM 데이터는 레벨변환기를 통해 NRZ-L (non-return-to-zero level)데이터로 변환되고, 변한된 NRZ-L 데이터는 가변 데이터율 전송이 가능하기 위해서 능동적으로 제어하는 소프트웨어를 통해 가변된 데이터율 값을 입력받고 입력된 값을 기준으로 NCO (numerical complex oscillator)를 통해 만들어진 가변된 데이터율과 동기된 클럭으로 동작되는 VPMF 에 데이터율의 8배로 오버샘플링되어 입력된다.
	원격 측정 데이터의 형태는?	텔레메트리 시스템은 직접 모니터링 할 수 없는 환경에서 원격 측정 데이터를 무선으로 받아 볼 수 있도록 정확한 정보를 전송하는데 목적이 있다. 원격 측정 데이터는 그림 1에서 보는 바와 같이 전기, 기계, 열과 같은 저용량의 성능 데이터부터 음향 및 영상과 같은 고용량의 운용 환경 데이터까지 다양한 형태가 될 수 있다. 개발자는 측정 데이터를 이용하여 제품의 성능을 개선하거나 운용 환경 데이터를 이용하여 효율적인 시스템 운용을 할 수 있으므로 신호 전송 시 품질이 유지되도록 하는 것이 중요하다 [1].

참고문헌 (6)

Telemetry Applications Handbook, Secretariat Range Commanders Council(RCC), U.S. Army White Sands Missile Range, doc. 119-06, ch 1. pp. 3-7, May. 2006.
Telemetry Group, Telemetry standards, Secretariat Range Commanders Council, U.S. Army White Sands Missile Range, IRIG std. 106-17, ch.2, pp. A-27-28, Jul. 2017.
S. R. Lee, Pre-modulation filter of variable cut-off frequency characteristics in PCM/FM modulation system, Master of Engineering., Chungnam National University, Chungnam, Feb. 2010
Telemetry Applications Handbook, Secretariat Range Commanders Council(RCC), U.S. Army White Sands Missile Range, doc. 119-06, ch 2. pp.13, May. 2006
V. K. Ingle and J. G. Proakis, Essentials of Digital Signal Processing using MATLAB, 3rd ed. Boston, MA: Cengage Learning, pp. 344-352, 2014.
J. Choi, T. Yi, J. Kwon, J. Ahn, and B. Kim, "Arbitrary sample rate conversion architecture for high output sample rate," The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, Vol. 44 No. 7 pp. 1248-1256, 2019.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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