네트워크 구성 - 移動電話位置確認 시스템용 RF UNIT 의 設計 및 製作에 관한 硏究

그림3.1은 Geolocation Systems 이 배치되었을 때의 네트워크 구성도를 나타낸 것이다.

그림 3 . 1 위치확인 시스템 망.

F i g 3 . 1 G e o l o c a t i o n S y s t e m s N e t w o r k .

Geolocation Systems는 기지국의 모든 정보를 RNOC내에 있는 중앙허브 컴퓨터로부터 받는다. Geolocation Systems 는 원칙적으로 CDMA 셀룰러 네트워크와 무관하게 설치/운용될 수 있다. Geolocation Systems를 Stand -Alone으로 운용할 경우 기지국과 다른 장소에 설치될 수 있다. 그 러나 Embedded System으로 운용할 경우 기지국 안테나를 Directional Coupler를 이용하여 R F신호를 공유할 수 있다. 그림에서 보는 바와 같이 위치확인 시스템 운용은 RNOC의 중앙허브 컴퓨터로 시작되며, Geolocat- ion Systems 에서 획득한 시그니처를 허브컴퓨터에서 위치확인하여 데이터 망(인터넷망)을 이용하여 E-911 서비스는 물론 다른 부가서비스 서버로도 보내게 된다.

3 . 1 . 2 G e o l o c a t i o n S y s t e m s 시스템의 형상

Geolocation Systems 는 설계와 제작상에 상용화 개념을 적용시킨 첨단 구조로 되어 있다. Geolocation Systems 는 본체는 그림3.2에서 보는 바와 같이 Shelf와 팬으로 구성되어 있는데, Shelf는 19인치, 3U 크기의 표준사 이즈로 되어 있다. 각 보드는 보수와 유지가 간편하고 쉽게 교체될 수 있 게 모듈 형태로 되어 있으며 각 보드는 정해진 규격하에 각종 전자부품이 집적되어 있다.

그림 3 . 2 위치 추적장치의 형상.

F i g 3 . 2 C o n f i g u r a t i o n o f G e o l o c a t i o n S y s t e m .

3 . 1 . 3 G e o l o c a t i o n S y s t e m 구조

Geolocation System의 쉘프는 시그니처 패턴을 생성하는 역할을 하는 기능을 하며, 크게 전원공급장치, RF 부, 디지털부로 나뉜다.

그림3.3은 Geolocation System의 각 보드의 모습을 보여주고 있다.

그림 3 . 3 위치 추적장치의 쉘프 형상.

F i g 3 . 3 S h e l f C o n f i g u r a t i o n o f G e o l o c a t i o n S y s t e m .

전원공급장치는 외부에 마련되어 있는 AC-DC 전원공급장치로부터 24V 직류전원을 입력받아 각 보드에 적절한 전원(+15V, -15V,+5V)을 공급하 는 역할을 한다. 양측에 전원공급장치가 2개 장착되며, 우측에는 RF 부, 좌측에는 디지털부가 된다. R F부에는 C L O U 1개, DNCU 3, BSCU 1,

MSCB 1개가 있으며, CLOU 옆에 있는 MSCB는 디지털 보드이지만 그 역 할이 RF부와 매우 긴밀하기 때문에 RF부에 위치해 있다. 한편 디지털보드 로는 MCPB, LSPB, MSCB, RTFB보드등이 있다.

그림3.4는 Geolocation System내부의 인터페이스를 개략적으로 보여주고 있다.

그림 3 . 4 위치 추적장치의 블록도.

F i g 3 . 4 B l o c k D i a g r a m o f G e o l o c a t i o n S y s t e m .

3 . 1 . 4 R F U n i t s 의 구성

RF Units 은 DNCU(3EA), CLOU(1EA), BSCU(1EA)으로 구성 되어 있고, DNCU(Down Converter Unit) 는 6개의 안테나로 들어온 RF 신호를 각각 Base Band(I/Q) 신호로 Down-Conversion해서 디지털부에서 A/D 및 Despreading 할 수 있게 한다. CLOU(Common Local Oscillator Unit) 는 LO1,2,3 시그널을 각각의 DNCU Local 입력쪽으로 공급한다.

BSCU(Bore Sight Converter Unit)는 MSCB(Mobil Station Control Boa- rd)위에 Daughter-Board형태로 장착이 되며 MSCB에서 출력된 4.95MHz 신호를 RF 시그널로 Up -Conversion해서 TTL(Tower Top LNA) 쪽에 입 력해서 Geolocation System전체를 보정(Correction) 한다.

그림3.5는 Geolocation System의 RF Units(DNCU,CLOU)의 내부 모습을 보여주고 있다.

그림 3 . 5 위치 추적장치의 R F U n i t s .

F i g 3 . 5 R F U n i t s o f G e o l o c a t i o n S y s t e m .

3 . 1 . 5 전원공급장치

전원공급장치는 외부로부터 +24V 직류전원을 공급받아 +15V, -15V, +5V 직류전원을 출력시켜 각 보드에 적절한 전원을 공급하는 역할을 한 다. 그리고 이중화를 위해 두개가 장착되어 있다. 그림3.6은 Geolocation System의 DCPU(DC-to-DC Power Supply Unit)이다.

그림 3 . 6 위치 추적장치의 D C P U .

F i g 3 . 6 D C P U o f G e o l o c a t i o n S y s t e m .

3 . 2 L i n k B u d g e t

3 . 2 . 1 목적

Geolocation Systems Link Budge을 만들어서 전체 System 및 각 Mo- dule의 Specification을 정의 할 수 있으며, Geolocation System설계 및 Site선정시 유용하게 이용한다.

3 . 2 . 2 A M P S ( N a r r o w B a n d ) S y s t e m

그림 3 . 7 A M P S 시스템의 L i n k B u d g e t . F i g 3 . 7 L i n k B u d g e t o f A M P S S y s t e m .

<정의>

Covariance Loss = 10log#antennas(6) = 8

Received Level

InBuilding InBuilding Loss 15 -95

Incar Incar Loss 6 -104

Street Body Loss 3 -110

Antenna Gain 3 -113

Cable 1 1 -110

LNA 24 -111

Cable 2 3 -87

Fade Margin 7 -90

Covariance 8 -97

# antennas 6

Signal SNR 6 -89

Noise Floor : -95

Cable 2 LNA Cable 1

Covariance Antenna

3 . 2 . 3 C D M A S Y S T E M

K : Boltzmann’s Constant (1.38×10^-23W/Hz/K or 228.6㏈W/Hz/K) T : The noise temperature of the reciver (290^。K Kelvin)

W : The bandwidth of the system

Received Level

Omni Directional Antenna(6 Arrey) Directional Antenna(3Path:α, β, γ)

Loss Loss

InBuilding 15 -130 InBuilding 15 -108

Incar 6 -139 Incar 6 -117

Street 3 -145 Street 3 -123

Required Antenna -126

Antenna Gain 12

Cable 3 1

LNA 35

Cable 4 3

Antenna Gain 3 -148 Fading 7

Cable 1 1 -145

Noise 2 10 Cell Noise 5

kTB -113

상온에서 N = 174dBm/Hz 이고, 이것을 1.23MHz 대역폭에 대해 환산하 면 다음과 같이 표현된다.

N = -174dBm/Hz ×1.23MHz = -174＋10log(1230000) = -113dBm/1.23MHz

즉, CDMA 방식에서는 1FA 대역폭 내 최소한 -113dBm의 열잡음이 존재 하게 된다.

2) Sensitivity_1 = Thermal Noise ＋ Cell Noise = -113 + 5 = -108dB 3) CNR = Gain＋Eb/No－10log(1230000) = 40＋7 －10log(1230000) =

-14dB

4) Gain =10logData Rate = 10log(9600) = 40dB

5) Required Signal = Sensitivity _1+ CNR = -108-14 = -122dB

6) Sensitivity_2 = Thermal Noise + Cell Noise +10log#sect = -113 + 5 + 5 = -103dB

7) Signal = Sensitivity_2 + SNR = -103 + 6 = -97dB

8) Despreader Gain(Processing Gain) = Chip Rate Before Despreading / Chip Rate After Despreading

= 1536 / 1 = 32dB

RadioCamera System은 1.25ms마다 1536Chip을 Correlation &

Accumulation하도록 설계되어 있으므로.

9) Noise Floor = Narrow Band System Noise Floor (AMPS System) + 10log CDMA BW/Narrow Band BW

= -95 + 10log1.23/0.03 = -79dBm 10) Covariance Gain = 10log#antenna = 10log6 = 8dB

11) Threshold bef Cov (Covariance Matrix만들기 전의 Threshold level)

= Noise Floor － Covariance Gain = -79 －8 = -87dB

3 . 3 B l o c k D i a g r a m

본 장에서는, Geolocation System설계시 갖추어야 할 전기적Spec에 의 한 기술적 요구 사항 및 그에 따른 Block Diagram 과 Link Budget을 기 술하였다.

3 . 3 . 1 D N C U 의 구성

TTL로 부터 RF신호를 받아 하향 변환하여 I/Q 신호로 변환하여 LSPB Board로 공급해 주며, Geolocation System의 Power Control을 위해 AGC(Automatic Gain Control)기능을 가지고 있다. 또 한 안테나로 입력되 는 신호의 세기에 관계 없이 위상 변화를 최소화 하고, 각 Path간 Isolation을 극소화 하기 위해 EMI Shield가 되어있다.

Q RF IN

824~849MHz

From CLOU LO1

From CLOU LO2

From CLOU LO3

AGC

TO AGC

그림 3 . 9 D N C U 의 블록도.

F i g 3 . 9 B l o c k D i a g r a m o f D N C U .

Geolocation System용 DNCU의 가장 큰 특징은 입력 신호의 세기(-40~-100dBm)에 관계 없이 위상 변화가 5도 이내가 되도록 전체 이득, 가변

감쇠기 그리고 AGC회로를 정합시켰으며, 출력신호(I/Q Signal) 의 크기 및

S

i à The maximum input power to the first stage (dBm)

G

1 à The gain of the input amplifier (dB)

S

o à The output signal power from the first stage (dBm)

' 1

S

o à The –1dB compression point of the first stage

G

2 à The gain of the second amplifier (dB)

α

1 à The maximum attenuation of the first attenuator (dB)

n

à The

n

th stage

AGC기능을 위하여 신호를 Coupling해서 Detection하고, OP-AMP를 이용 한 Low -Pass Filter 및 DC Differential Amplifier를 통해 D C신호를 발 생하여 가변 감쇄기 Pin Diode의 Bias 를 조절하여 Dynamic Range(60dB) 내에서 Power Control을 한다.

IMD특성과 Spurious 특성을 좋게 하려고 Double -Doubly-Balanced type Mixer를 사용하고 Local Power가 17dBm이므로 LO -RF / LO -IF Isolation 특성을 개선하려고 RF, IF, LO 부분에 여파기, IMAGE DIPLEX- ER, RF-Short, IF-Short를 사용하였다.

표 3 . 1 D N C U 의 L i n k B u d g e t . T a b l e 3 . 1 L i n k B u d g e t o f D N C U .

S t a g e D a t a U n i t B P F A M P P A D A M P B P F P A D M I X E R I M A G E L P F A M P A M P

& R e s u l t s & V a l u e D I P L E X E R

GAIN d B -2 13 -8 12 -2 -3 -8 -2 -1 13 13

N o i s e F i g u r e d B 2.2 2.7 3.5 6

I n p u t _ P o w e r ( d B m ) - 4

O u t p d B m -6 7 -1 11 9 6 -2 -4 -5 8 21 u w o P _ t e r

N o i s e F l o o r ( d B m ) - 1 2 9

N F ( T o t a l , d B ) d B 8.9 6.9 18.1 10.1 21.3 5.3 13.8

P 1 d B d B m 17 21 10 17 20

I P 3 ( O u t ) d B m 29 41 24 30 38

V c c V 3 4.5 5 5

I c c mA 84 150 60 100

L O d B m 17

S A W A M P P I N A T T A M P S A W A M P P I N A T T A M P P I N A T T A M P M I X E R L P F A M P A M P P A D T o t a l

-22.5 24 -2.5 24 -22.5 24 -2.5 24 -2.5 13 -6 -1 19 13 -20

3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.7 3.5

-18

26.0 3.5 8.3 5.8 26.0 3.5 6.0 3.5 7.0 4.5 10.8 3.8 8.6 20.0

9 9 9 9 17 17 9 17

21 21 21 21 30 20 22 30

5 10 5 5 10 5 10 5 5 5

30 60 30 30 60 30 60 60 32 60 762

13

3 . 3 . 2 C L O U 의 구성

DNCU로 입력되는 Local신호 발생부로 각Path로 공급되는 LO신호의 위상차를 최소화 하기 위해 PLL Synthesizer를 공유하고 있다.

10MHz 10MHz

10MHz LO2

65.04MHz

LO1 754~

779MHz

LO3 19.8MHz

그림 3 . 1 1 C L O U 의 블록도.

F i g 3 . 1 1 B l o c k D i a g r a m o f C L O U .

PLL Synthesizer는 Phase Noise와 Signal Purity를 고려하여 Phase Margin을 8 0도 부근에서 설정하고, Loop Filter는 4단으로 설계 되었으며 Cellular Channel간격을 조정하기 위해서 fP(Phase Lock Loop의 Open Loop Gain이 1일때의 주파수)를 10KHz로 설정하였다.

PLL Synthesizer로부터 발생되는 Spurious 제거를 위하여 PLL Synthesiz- er 앞 단에 LPF를 사용하며, Mixer에서 발생되는 혼변조 신호와 PLL Sy- nthesizer의 Spurious 신호를 제거하기 위하여 Mixer 입력 부분에 여파기 를 사용하였다. Buffer Amp를 사용하여 Local Power를 보상한다. 각 Divider 사이 마다 Pad를 사용하여 Local Power를 조정하고 Path간 Isolation도 극대화 하였다.

표 3 . 2 L i n k B u d g e t o f C L O U .

T a b l e 3 . 2 L i n k B u d g e t o f C L O U .

S t a g e D a t a U n i t P L L P A D L P F A M P L P F S P L I T E R P A D T o t a l

& R e s u l t s & Value

GAIN d B 5 -7 -1 20 -1 -7 -4

N o i s e F e g u r e d B 4.3

O u t p d B m 5 0 7 8 -12 -11 -4 u w o P t e r

N o i s e F l o o r ( d B m ) - 1 2 9

P 1 d B d B m 18

I P 3 ( O u t ) d B m 32

Vcc V 5 5

I c c mA 25 80 105

S t a g e D a t a U n i t P L L P A D B P F A M P L P F 3 - W A Y P A D 2 - W A Y P A D T o t a l

& R e s u l t s & V a l u e

G A I N d B 0 -2 -3 20 -1 -5 -6 -3 -7

N o i s e F e g u r e d B 4.3

O u t p 0 -2 -5 15 14 9 3 0 -7 u w o P t e r

N o i s e F l o o r ( d B m ) - 1 2 9

P 1 d B d B m 18

I P 3 ( O u t ) d B m 32

V c c V 5 5

I c c m A 25 80 105

3 . 3 . 3 B S C U 의 구성

BSCU는 MSCB에서 발생되는 4.95MHz를 UP Conversion된 Bore -Sight 신호를 이용하여 Geolocation System의 각 Path 에서 발생되는 위상 차를 보상해 주는 역할을 한다. 이것을 Correction Mode라고 부르며, Eigenvalue가 “1”로 수렴 할 때 까지 계속 Correction을 수행 함으로서 각 Path간 Phase Difference 및 Multi-Path가 존재 하지 않는 이상적인 상태로 Correction한다. 또한 출력단에 Digital Attenuator를 내장하여 전 체이득을 조정해서 정확한 Correction을 할 수 있게 돕는다.

FROM MSCB 4.95MHz

824~849MHz

65.04MHz

754~779MHz

TO DNCU RF IN

그림 3 . 1 2 B S C U 의 블록도.

F i g 3 . 1 2 B l o c k D i a g r a m o f B S C U .

PLL Synthesizer는 C L O U와 마찬가지로 Phase Noise와 Signal Purity를 고려하여 Phase Margin 을 8 0 도 부근에서 설정되고 Loop Filter는 4단으 로 설계 되었으며 Cellular Channel간격을 조정하기 위해서 fp(Phase Locked Loop의 Open Loop Gain이 1일때의 주파수)를 10KHz로 설정하였 다.

표 3 . 3 B S C U 의 L i n k B u d g e t .

T a b l e 3 . 3 L i n k B u d g e t o f B S C U .

S t a g e D a t a U n i t P A D L P F M I X E R P A D A M P S A W A M P

& R e s u l t s & V a l u e

G A I N d B -6 -1 -6 -3 14 -22.5 20

N o i s e F e g u r e d B 5.2 4.3

I n p u t _ P o w e r ( d B m ) - 1 0

O u t _ P o w e r d B m -16 -17 -23 -26 -12 -34.5 -14.5

N o i s e F l o o r ( d B m ) - 1 2 9

N F ( t o t a l ) d B 36.0 20.0 33.9 11.4

P 1 d B d B m 7 17 18

I P 3 ( O u t ) d B m 20 F 32

V c c V ISO(LO/RF):35dB 5 5

I c c m A ISO(LO/IF):30dB 80 80

L O d B m 13

M I X E R P A D T H E P A D B P F A M P D I G - A T T D I G - A T T A M P B P F T o t a l

-7 -3 -6 -4.5 20 -4 -4 13 -4.5

4.3 2.7

-21.5 -24.5 -30.5 -35 -15 -19 -23 -10 -14.5

30.4 9.9 10.9 2.9 4.5

14 18 29 29 21

29 32 48 48 41

ISO(LO/RF):34dB 5 5

ISO(LO/IF):26dB 80 0.2 0.2 150 390.4

17

3 . 4 위상변화

그림 3.13 는 RSSI(Received Signal Strength Indication)를 이용하여 Calibration Table 을 만드는 것을 보여주고 있으며, 그림 3.14 는 RSSI 를 이용하여 얻은 Calib -ration Table 예를 보여주고 있다.

만약 RSSI Step 을 5 단계로 구분을 한다면 6Path 로 들어오는 신호의 경우의 수는 5*5*5*5*5*5=15625 개의 데이터가 발생하므로 Calibration Table 을 이용한 Fin- gerprinting Matching Algorithm 을 수행 하는데 상당한 시간이 걸린다. 따라서 DNCU 에 들어오는 신호의 크기에 상관없이 DNCU 내부의 위상변화(Phase Devi- ation) 를 최소화 해야 하므로 Phase Tracking(5 Degree)이라는 Specification 이 추가되었다.

N E T W O R K

A N A L Y Z E R

P O R T 2 P O R T 1

SAW Filter

SAW Filter Variable

Attenuator

Variable Attenuator

그림 3 . 1 5 위상 테스트 형상.

F i g 3 . 1 5 P h a s e T e s t C o n f i g u r a t i o n .

그림 3.15 는 DNCU 에서 입력 신호의 크기에 따라 위상변화를 최소화하기 위한 Phase Test Configuration 이다. 표 3.4,5,6 은 그에 대한 결과를 보여주고 있다.

표 3.1 은 Original Circuit 이며, DNCU 의 Variable Attenuator 는 Pin Diode 로 설 계가 되어있으며 Diode 특성상 Threshold Value 를 넘어서면 Variable Attenuator 는 Saturation 이 되면서 Phase 와 Attenuation 양이 거의 변화 없는 상태에 도달 한다. 그래서 Link Budget 에서 Total Gain 을 줄여서 Variable Attenuator 에 걸 리는 Control Voltage 를 높이기 위해 Drive Amp(MSA-1105)를 제거하고 3dB

PAD 를 추가하여 실험한 결과가 표 3.5 에 나타나 있다.

또 한층 더 Phase Deviation 을 줄이기 위해서 Variable Attenuator 를 한 개 더 추가해서 위상변화를 최소화 하게 한 것이 표 3.6 의 결과이다.

표 3.6 에서 볼 수 있듯이 Dynamic Range(60dB)안에서 위상 변화량이 2 도 정도임 을 알 수 있다.

표 3 . 6 감쇄기 한 개를 추가 후 위상 편차 와 A G C 조정 전압 시험.

Table 3.6 Test phase deviation and AGC control voltage after include one more a A t t e n u a t o r .

1 P A T H A G C

C o n t r o l V o l t a g e

G A I N ( d B )

P h a s e ( D e g r e e )

10V 47 0

9V 41.5 -1.5 8V 36.0 -1.5 7V 30.0 -1.2 6V 24.0 -0.5

5V 15.0 0.6

4V -1.5 1.3

3.8V -6.0 1.3 3.6V -12.0 2.0 3.4V -19.0 3.7 3.2V -35.0 6.7

Dynamic Range=About 60dB Phase difference=2 Degree

3 . 5 위상차

Geolocation System의 RF Units 은 각각의 위상차(Phase Difference)를 가지고 있으며 이것을 일치하기 위해 CLOU에서 DNCU쪽으로 입력되는 LO1,2(10MHz)와 LO3(Reset) 신호의 동기를 일치시킨다. 그럼에도 불구하 고 Multi-Path(6-Path)에서는 위상차가 발생하며 이를 보정(Correction) 하기 위하여 BSCU(Bore Sight Converter Unit) 에서 출력된 RF 신호를 6-Way Power Divider와 Directional Coupler를 이용하여 TTL(Tower Top LNA)에 입력 시켜서 안테나 이후 단부터 RF System 끝단 까지 보정

Ant0

Received Bore-Sight Signal :

Ant 0 = A

_b₀

× e

^j⁽^θ⁰⁾^,

Ant 1 = A

_b1

× e

^j⁽^θ¹⁾

그림 3 . 1 8 보정 전 상태.

F i g 3 . 1 8 B e f o r e c o r r e c t i o n m o d e s t a t e .

그림3.19는 그림3.18 처럼 똑 같은 환경에서 Bore -Sight 신호를 이용하여 보정을 한 뒤 Multi-Path간 위상지연 특성을 본 것이다. 그림3.18,19를 비 교 하면 위상지연 특성이 보정(Correction) 된 것을 알 수 있다.

그림 3 . 1 9 보정 후 상태.

F i g 3 . 1 9 A f t e r c o r r e c t i o n m o d e s t a t e .

그림3.20는 Bore -Sight 신호를 이용하여 보정을 한 뒤 공분산 행렬을 극 좌표 형식으로 출력한 결과이다. Multi-Path(6-Path)사이에 크기와 위상지 연 차이가 거의 없으므로 각각의 Path를 비교 한 값이 0도를 나타내고 있 다.

그림 3 . 2 0 보정 후 극좌표 상에서 공분산 행렬.

F i g 3 . 2 0 C o v a r i a n c e m a t r i x i n p o l a r a f t e r c o r r e c t i o n m o d e .

IV. 측정결과 및 분석

4.5degree 5degree Max(-40 ~ -100㏈m Input) 4.52V 4.5±0.04V(-80㏈m Input) Min A G C C o n t r o l V o l t a g e B a l a n c e

F0=>-74dBm,F0-750KHz,F0-900KHz

=> each -24dBm (1dB Min)

0.45㏈ ^F⁰=>-74dBm,F0+750KHz,F0+900KHz

=> each -24dBm (1dB Min) P R O V I S I O N

E L E C T R I C C U R R E N T C O N S U M P T I O N ( 1 5 V , - 1 5 V I n p u t )

R S S I 1.5V ≤RSSI ≤ 4.8V

DCPU MCPB MCPB RFFB RTFB LSPB LSPB DNCU DNCU DNCU

그림 4 . 3 입력 크기 4 0 d B m 시 출력 신호 l e v e l . F i g 4 . 3 T h e o u t p u t l e v e l w i t h a i n p u t - 4 0 d B m .

4 . 1 . 2 출력 신호의 S / N 비

출력 장비를 그림 4.1 과 같이 구성하고 출력신호와 Band 내의 Noise Floor 와의 차이를 측정한다. 입력은 -80dBm 일 때의 출력을 보았다. 그림 4.4 에서 보이는 바와 같이 42.67dBc 이므로 최소규격인 -40dBc 이하 이다.

그림 4 . 4 출력신호의 S / N 비.

F i g 4 . 4 T h e S / N r a t i o o f o u t p u t s i g n a l .

4 . 1 . 3 I n - B a n d / O u t - B a n d N o i s e 의 레벨 차이

측정장비를 그림 4.1 과 같이 구성한다. In -band 와 Out-band 의 Noise

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