Ⅰ.서 론
경부고속철도의 경우 2004년 개통한 1단계구간인 서울~동대구 구간은 미국식 표준인 TRS-ASTRO(서울~ 광명 및 대전/대구 도심구간은 VHF임)로 운영하고 있고 2010년 개통한 2단계구간인 동대구~부산구간은 유럽 식 표준인 TRS-TETRA방식으로 구축되어 있다. 한편, 열차제어시스템도 고속철도구간은 궤도회로를 이용한 자동열차제어방식, 일반철도는 자동열차정지/자동열차방호방식으로 운영하고 있으며, 일부 도시철도 및 경전 철 구간은 음성통화를 위한 열차무선설비와는 별도로 무선통신을 기반으로 하는 열차제어 시스템인 RF-CBTC방식으로 운영되고 있다. 세계 각국에서는 무선이동통신기술을 이용한 안전하고 신뢰성 있는 통신 기반열차제어시스템(CBTC)을 연구하고 있으며, 여러 국가에서는 벌써 실용화 중이다. 무선 통신 기술이 급 속하게 발전하면서 무선 통신 방식의 CBTC가 주목을 받게 되었고, 그 첫 시범사업으로 NYCT가 수행한 Canarsie 라인이 현대적 RF-CBTC의 효시라고 할 수 있다. 현재 CBTC시스템은 신호제어기술 중에서 가장 앞 선 기술이고, 지상과 차상에 설치되어 상호간의 지속적인 통신을 통하여 열차운행속도의 증가, 운전시격을 단축, 실시간 원격감시 함으로써 수송용량의 증대를 가져오고 중앙제어시스템 간의 원활한 데이터 통신은 열차 운행효율을 높이고 안전성과 편의성까지 최적화 할 수 있다(Jung 2009; Jeon et al., 2009). CBTC의 통신 기술은 IEEE 802.11.x 표준을 사용하고 있으며 FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum) 또는 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)방식 중 하나를 사용하고 있으며, 주파수는 ISM밴드 대역중 하나인 2.4GHz를 사용 하게 된다(Nada and Frederic, 2001). 2.4GHz 주파수 대역의 특징인 비 허가 무선통신기기가 사용할 수 있는 개방형 대역으로, 무선 LAN을 포함한 수많은 산업, 과학, 의료용 무선통신장비가 혼용되어 사용되고 있어 열 악한 주파수 환경을 가지고 있기 때문에 다른 무선 통신기기들의 영향으로 인한 통신 지연, 통신 왜곡 및 정 보 손실 등이 발생할 수 있다. 또한 디지틀 이동통신 환경에서 사용 가능한 주파수 대역폭과 송신전력은 일 반적으로 제한되어 있으며, 이 두 요소는 신호품질 및 가입자 수용용량과 직결되는 사항이다. 따라서 서비스 품질을 개선하기 위해선 보다 효과적인 신호 전송기술이 요구된다. 이를 위해 크게 기저대역과 RF 측면 두 부분으로 나뉘어 연구가 활발히 진행되고 있다. 기저대역 측면에서는 신호 주파수 대역과 전송 신호의 전력 에 있어 보다 효율적인 변조 기법 및 코딩 기법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 소스코딩, 채널코딩, 신호변조 등은 확산대역통신 뿐만이 아닌 다른 모든 통신방법에서 전송신호의 품질향상을 위해 이미 오래 전부터 세계적으로 연구되어져 왔으며, 현재에도 여러 통신환경에 대한 코딩 및 변조 기법이 연구되고 있다.
RF 측면에서 보면 주파수대역의 효율을 고려할 경우 선형 전력 증폭기를 사용해야 하는데 이 경우 이동 무선 단말기에 있어서 중요한 요구 사항인 낮은 전력소비, 단말기의 소형화 등을 만족시키기에는 부적합하 다. 저 전력 소비 전력 증폭을 위해서 중요한 요소는 증폭기의 효율인데 선형 증폭기를 사용할 경우 이 효율 이 떨어지기 때문이다. 이와 같은 요구를 만족시키기 위해서는 전력 증폭기의 효율을 높여주어야 하는데 전 력 증폭기의 효율을 높이게 되면 신호의 왜곡이 발생하게 된다. 즉 증폭기의 특성이 비선형성을 가지게 된다 (Joseph, 1995). 이러한 왜곡을 보상해 주기 위한 연구가 많이 진행 되었으며 지금도 많은 연구가 진행되고 있다. 가장 널리 연구되고 있는 방법은 Cartesian궤환 방법과 Pre-distortion 방법이다(Akaiwa and Nagata, 1987), (Saleh, 1981). 앞의 기술은 비용과 크기,성능 등을 고려할 경우 이점이 없고 뒤의 기술은 비용면에서는 장점 이 있지만 더 많은 DSP 처리과정과 온도, 전원의 변화 등에 대한 보상이 힘들다는 것이다(Joseph, 1995). 그 래서 RF대역에서 효율을 높이기 위해 C급과 같은 비선형 증폭기를 사용하게 된다. 한편 일반적인 PSK 변조 신호를 대역 제한할 경우 진폭의 변화를 가져오게 되는데 이러한 신호가 비선형 증폭기에 인가되면 AM-AM,AM-PM의 특성으로 인해 스펙트럼이 확산 혹은 측면 스펙트럼의 재생과 같은 현상으로 인한 인접 채널에 영향을 미치게 된다(Morais and Kamilo, 1980).
이러한 문제를 극복하기 위한 여러 가지 변조 방법들 중의 하나로서 일정 진폭을 갖는 BPSK 변조방법들 이 많이 제안되었다. 이러한 연구들에 있어서의 문제점으로는 일정진폭을 갖기 위해 첨가된 신호가 직류성 분을 가지게 되므로 출력 스펙트럼 상에 선 스펙트럼으로 나타나게 된다. 이러한 선 스펙트럼은 다른 시스템 에 간섭으로 작용할 뿐만 아니라 원 신호와 첨가된 신호간의 간섭으로 인해 복조과정이 어려워 진다. 본 논 문에서는 이러한 문제를 극복하기 위해 데이터 통신을 위한 대역인 (902MHz - 928MHz , 2.4GHz - 2.4835 GHz) ISM (Industrial, Scientific, Medical) 대역 중에서 908MHz 에서의CPSK(Continuous Phase Shift Keying)변조 직접시퀀스 확산스펙트럼 송신기의 설계 및 구현을 하였다.
Ⅱ.송신시스템의 설계
1.증폭기
1)증폭기의 왜곡
증폭기에서 왜곡은 전달 특성이 비선형일 때 신호를 크게 할 경우에 나타난다. 이러한 왜곡을 해석하기 위한 입력전압(Vi)과 출력 전압(Vo)의 관계식은 이득상수(Kn)를 고려하여 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
실제 비 선형성에 의한 왜곡은 네 번째 항에 의한 특성으로 인해 나타나게 되는데 이 항에 의한 출력을 보면 식 (2)와 같다.
식(2)의 두 번째 항을 3차 상호변조 왜곡이라 하는데 이항에 의한 입력신호에 따른 출력 주파수를 살펴보 면 식(3)과 같이 두개의 항으로 나타난다.
만약 두 입력 신호의 주파수가 서로 근접해 있을 경우 식 (3)에서 알 수 있듯이 두 신호의 합 신호는 3차 하모니 왜곡과 비슷하여 여파기를 이용하면 쉽게 제거 할 수 있는 반면에 차의 신호항은 두 입력신호의 아 주 가까운 곳에 존재하기 때문에 여파기를 통해 분리해 내기가 어렵다. 또 다른 3차 하모니 왜곡을 고려하였 을 경우도 마찬가지로 식(4)과 같이 나타낼 수 있다.
결과적으로 3차 상호변조 왜곡의 특성으로 인해 두 입력신호와 아주 근접해서 왜곡신호가 존재하게 된다. <Fig. 1>에 입력신호에 따른 출력의 변화를 나타내었다. 그림에서 보듯이 출력신호가 어느 점에서 입력신호 의 증가에 따라 선형적으로 변하지 않는 점이 나타나게 되는데 이 점을 이득 압점(Gain Compression)이라 한 다. 식(2)과 <Fig. 1>의 결과에서 보면 알 수 있듯이 3차 상호 변조 왜곡은 입력신호의 세제곱에 비례함을 알 수 있다. 또한 증폭기 해석에 있어서 중요한 요소인 3차 상호 변조 왜곡 차단점(3rd Order Intercept Point)을 볼 수 있는데 이는 그림에서도 알 수 있듯이 원하는 신호와 3차 상호변조 왜곡신호와의 교차점을 말한다.
여기서 우리는 식 (5)와 같은 관계를 알 수 있다.
여기서 Pimd, Ps, IP3 는 3차 상호변조, 간섭신호전력, 그리고 3차 상호변조 왜곡 차단점이다. 결과적으 로 이러한 왜곡을 최소화하기 위해서는 식 (2)을 보면 알 수 있듯이 전체 시스템에 있어서 이득을 고루 분포 시키거나 증폭기의 설계에 있어서 선형 이득 (K1)에 비해 비선형 이득 (K3)을 아주 작도록 설정하게 되면 이러한 3차 상호변조왜곡 신호의 크기를 작게 할 수 있을 것이다.
2)전력증폭기
전력 증폭기는 송신단의 마지막 증폭기이기 때문에 송수신기 사이의 전송 손실을 충분히 극복할 수 있도 록 충분한 전력을 발생시켜야 한다. 이러한 증폭기의 설계 시 고려되어야 할 점은 직류 입력 전력을 얼마나 효율적으로 RF 출력 전력으로 바꾸느냐 즉 효율이 어떻게 되느냐와 변조 방법에 따라 다르겠지만 전달특성 의 선형성이다. 무선 환경에서 보다 나은 효율을 위해서 사용하기도 하는 증폭기로서 트랜지스터의 Q 동작 점을 거의 포화상태에서 동작하도록 한다. 따라서 C급 전력증폭기의 경우 부하의 교류전류 중 고조파성분은 제거된다고 하면 전력효율은 θ의 함수이다. 증폭기에서의 소비전력은 식(6)과 같이 쓸 수 있다.
θ가 증가할수록 소비전력이 증가함을 알 수 있다. 이와 같이 C급 증폭기는 A,B급에 비해 전력효율이 좋 은 반면에 출력신호에 왜곡이 발생하게 된다. 이러한 특성으로 인해 이 증폭기는 보통 신호의 진폭이 일정한 변조신호에 사용된다.
2.주파수 합성기
위상고정루프를 이용한 주파수 합성기의 설계에 대해서 살펴본다. 분주기, 위상 비교기 등의 기능을 하나 의 IC로 집적화하여 구현 하고자 하는 노력이 계속되어 왔으며 이를 위해서 저 전력 소비의 CMOS기술을 이 용하였다. 그러나, 수백MHz의 고주파신호를 발생시키기 위해서는 CMOS의 속도가 이를 따라가지 못하므로 고주파 출력 신호를 사전계수기를 이용하여 낮은 주파수로 낮추게 된다. 이러한 사전 계수기는 ECL이나 Schottky TTL과 같은 기술에 의해 구현된다(Saul and Taylor, 1990; Lindsey et al., 1981). 이와 같은 구조에서는 입력주파수의 특정 배수 주파수만을 만들게 된다. 이러한 단점을 극복하기 위한 구조가 <Fig. 2> 와 같이 이 중 모듈 사전계수기를 사용하여 분할 비율이 외부의 제어 신호에 의해 전환될 수 있도록 하여 f1 의 간격을 갖는 주파수를 발생시킬 수 있도록 하는 구조이다.
3.CPSK 변조기
위상상태도가 90 ° 에서 180 ° 로 변할 때 일정한 진폭을 가지고 변한다면 변조 전 여파를 가진 OQPSK 변 조 시스템처럼 부드러운 위상변화를 만들어 낼 수 있다. 이것은 원하는 결과를 얻기 위해서 위상이 90° 위 상천이된 성분이 필요하다는 것을 암시해 준다. 이 성분은 단지 데이터가 전위되는 동안 필요하게 되는데 그 것의 이상적인 진폭은 식 (7)과 같다.
여기서 X(t)는 동상 채널의 멀티플라이어에 입력되는 여파된 데이터이고, Y(t)는 일정 진폭 생성을 위한 보조신호이고, A는 |X(t)|의 첨두 진폭이다. X(t)가 첨두값을 가질 때 즉, X(t) = ±A 일때 Y(t)=0이 되는데, 이 것은 위상상태가 각각 0 ° ,180 ° 일 경우는 90 ° 의 위상상태를 갖는 성분은 필요 없음을 알 수 있다. 위상 천 이가 일어나는 과정에서는 X(t)가 0으로 변하는 과정에서 위상벡터의 천이과정이 90 ° 위상으로 변화가 일어 나도록 Y(t)=±A 값을 갖는다. 이러한 기능을 위한 CPSK 변조기의 블럭도는 <Fig. 3> 같다. 변조기 출력 은 식 (8)과 같다.
식 (8)과 식 (9)에서 보면 알 수 있듯이 신호의 포락선이 일정하기 위해서는 식 (10)의 값이 일정해지도록 하여야 한다. 이를 위하여 데이타 신호를 sinusoidal하게 파형 정형을 하여주고 이 신호를 이용하여 보조신호 인 Y(t)신호를 만들면 즉 식 (12)과 같이 신호를 발생시켜 주면 된다.
4.CPSK 변조 송신시스템 설계
지금까지 살펴본 설계파라미터를 통해 설계된 송신기의 구조는 <Fig. 4>와 같다. 송신 RF 신호를 발생시 키기 위해 2중 변환 구조로 설계하였다. 1차 국부발진 신호는 48MHz 이며 2차 국부발진 신호는 860MHz이 다. 국부 발진 신호는 안정적인 신호 발생을 위해 2.2 절에서 설명한 주파수 합성기의 구조를 가지는 PLL1과 PLL2에 의해 설계되었다. 또한 일정진폭 신호 즉 연속 위상변화신호를 생성하기 위한 펄스 정형 회로의 구 조는 <Fig. 5>와 같다.
Ⅲ.시스템의 성능분석 및 실험 측정결과
1.발진기의 출력 특성
위상고정루프를 이용한 주파수 합성기에 의해 설계된 송신 국부 발진 신호의 측정결과는 <Fig. 6>과 같다.
결과를 보면 알 수 있듯이 1차,2차 국부 발진 신호의 위상잡음특성은 200 kHz 의 주파수 편이에서 약 60dBc/Hz로서 특성이 상당히 우수함을 알 수 있다. 또한 2차 국부 발진 신호에 있어서 중요한 파라미터인 기준 주파수 억압을 측정하기 위한 스펙트럼은 <Fig. 7>과 같다. 그림에서 보면 알 수 있듯이 기준주파수 억 압이 50dB이하가 됨을 알 수 있다.
2.CPSK 변조기의 특성
1)시뮬레이션 결과
기존의 BPSK신호와 본 논문에서 제안한 CPSK 신호의 eye diagram과 scatter diagram 은 각각 <Fig. 8-11> 에 나타내었다. 결과를 보면 알 수 있듯이 BPSK의 경우 비선형 증폭기를 통과한 후의 경우에 scatter diagram 의 경우 상당히 흩어져 있음을 볼 수 있다. 반면 본 논문에서 제안한 CPSK의 경우는 비선형 증폭기를 통과 하기 전과 후의 특성에 별다른 차이가 발생하지 않음을 알 수 있다.<Fig. 9><Fig. 10>
2)변조기의 특성측정
본 논문에서 제안한 변조 방법인 CPSK 변조된 신호에 대한 시간영역에서의 중간주파수 신호 파형을 <Fig. 12>에 나타내었다. 측정된 파형을 보면 알 수 있듯이 데이터의 부호가 변하는 점에서의 진폭의 변화가 없이 거의 일정함을 알 수 있다. 즉 위상의 변화가 자연스럽게 이루어짐을 알 수 있다.
주파수 영역에서의 측정된 변조된 신호에 대한 파형을 <Fig. 13>에 나타내었다. 결과를 보면 알 수 있듯이 전력증폭기를 통과하기 전과 후의 출력스펙트럼에 있어서 비선형 증폭기를 통과한 후에도 신호의 측면 스펙 트럼의 재생율이 상당히 작음을 알 수 있다.
Ⅳ.결 론
CBTC의 통신기술은 IEEE 802.11.x 표준을 사용하고 있으며 FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum) 또 는 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)방식 중 하나를 사용하고 있으며, 주파수는 ISM밴드 대역중 하나인 2.4GHz를 사용하게 된다. 2.4GHz 주파수 대역의 특징인 비 허가 무선통신기기가 사용 할 수 있는 개방형 대 역으로, 무선 LAN을 포함한 수많은 산업, 과학, 의료용 무선통신장비가 혼용되어 사용되고 있어 열악한 주 파수 환경을 가지고 있기 때문에 CBTC 철도 무선시스템으로서는 통신 지연, 통신 왜곡 및 정보 손실 등이 발생 할 수 있다. 또한 디지틀 이동통신 환경에서 사용 가능한 주파수 대역폭과 송신전력은 일반적으로 제한 되어 있으며, 이 두 요소는 신호품질 및 가입자 수용용량과 직결되는 사항이다. 따라서 서비스 품질을 개선 하기 위해선 보다 효과적인 신호 전송기술이 요구된다. 또한 송신기의 전력 효율을 고려하여 C급 전력증폭 기를 사용함에 있어서 기존의 대역 제한된 변조의 경우 증폭기의 비선형성으로 인해 출력 스펙트럼의 측대 파가 증폭기를 통과하기 전 보다 증가되는 현상이 발생하는데 이를 줄여주기 위해 첨가되는 신호로 인해 직 류성분을 가지게 되어 출력 스펙트럼 상에 선스펙트럼이 발생하게 되어 본 논문에서는 이러한 문제를 극복 하기 위해 ISM 대역중 908MHz 일정진폭을 갖는 직접 시퀀스 확산스펙트럼 송신기를 구현하였다. 이를 위해 송신시스템의 구성 요소 중 증폭기의 다양한 특성에 대해 이론적인 고찰을 하였으며 안정적인 주파수 발생 을 위한 주파수 합성기에 대한 이론적인 분석을 하였으며 본 논문에서 제안한 CPSK 변조기의 구성요소에 대해 언급하였다. 이와 같은 시스템의 성능 분석을 위해 변조기법의 성능 분석을 위한 주요파라미터인 아이 다이아그램과 scatter diagram을 통해 성능분석을 하였다. 또한 국부발진 신호의 위상잡음성능의 측정을 통해 위상잡음특성은 200 kHz 의 주파수 편이에서 약 60dBc/Hz로서 특성이 상당히 우수함을 알 수 있었다. 또 한 2차 국부발진 신호에 있어서 중요한 파라미터인 기준 주파수 억압이 50dB이하가 됨을 알 수 있었다. 마 지막으로 본 논문에서 제안한 변조방법에서 일정진폭을 갖도록 하기 위한 보조신호는 양과 음의 발생확률을 균일하게 함으로써 출력스펙트럼에서의 선 스펙트럼성분에 의한 간섭을 제거하였으며 비선형 증폭기를 통 과한 후의 스펙트럼의 측대파의 재생율이 현저히 줄어들었음을 볼 수 있었다. 본 논문에서 제안한 구조는 908MHz ISM 대역으로 설계되었지만 2.4GHz 대역으로의 변환은 주파수 변환기법등을 통해 확장될 수 있을 것으로 판단된다.
