개요: L1 대역 위성 위치 확인 시스템(global positioning satellite)의 신호는 상용 및 사설 무선 애플리케이션에서 가장 약한 신호에 속한다. GPS 수신기의 안테나에서 수신되는 전력은 전체 열 잡음 플로어 아래 쉽게 묻혀버린다. 이러한 약한 신호를 성공적으로 복구하기 위해서는 수신기 감도가 충분히 높아야 하며 대역 외 간섭을 제거해야 한다. 이 글에서는 저비용, 적은 부품 수의 무인 상용 GPS 수신기를 설계할 때 고려해야 하는 주요 시스템 파라미터에 대해 설명하고자 한다. 이 시스템은 -139dBm의 수신 감도를 목표로 한다.
위성 위치 확인 시스템(GPS)은 위성을 이용한 정교한 항법 시스템으로 미 국방부가 개발하고 자금을 지원하고 있다. 시스템을 구성하고 있는 24개의 위성은 전 지구상의 위치와 시간을 지속적으로 내보낸다. 이 위성들은 6개 궤도 중 하나를 선회하고 있으며, 각 궤도에는 보통 4개의 위성이 있다. 지상의 GPS 수신기는 5 ~ 12개의 위성 신호를 수신할 수 있다. 지상의 위치 값을 얻기 위해서는 최소 4개의 위성으로부터 신호를 받아야 하는데, 이중 3개 신호는 GPS 수신기의 위도, 경도 및 고도를 계산하는데 사용되며, 4번째 신호는 동기화를 위한 정확한 시간을 제공한다[1].
그림 1에서 보듯이 각 위성은 2개의 반송파 주파수에 2개의 고유한 DSSS (direct-sequence spread-spectrum) 신호를 전송한다. 여기에는 협대역 간섭에 대해 높은 수준의 보호를 제공하는 확산 스펙트럼 기술이 사용된다. 첫 번째 반송파 주파수는 L1 대역(중심 주파수 1575.42MHz)에 속하며, 두 번째 반송파 주파수는 L2 대역(중심 주파수 1227.6MHz)에 들어간다. 사설용인 L1 대역에는 2개의 신호가 포함된다. 하나는 C/A (coarse acquisition) 코드이고, 다른 하나는 P (precision) 코드이다. 군사용으로만 사용되는 L2 대역은 P 코드만 반송한다. 24개의 모든 L1 위성 신호는 상향 변환되어 전송된 후 2.046MHz의 대역폭에 걸쳐 32개의 고유한 PRN (Pseudo-Random Noise) 코드 중 하나에 의해 각각 확산(또는 코딩)되므로 서로 간섭하지 않고 동일한 주파수를 차지할 수 있다.
그림 1. L1 및 L2 대역에서 P 코드와 C/A 코드 GPS 신호
PRN 코드에 의한 GPS 신호 확산은 각 신호를 다른 신호와 구분할 뿐 아니라 간섭으로부터 보호한다. 간섭에 대한 내성은 시스템의 프로세싱 이득에 따라 많은 영향을 받는다. 프로세싱 이득이 높을수록 GPS 신호는 더 넓게 확산된다. 신호는 넓은 대역폭에 걸쳐 확산되므로 원하는 신호의 일부분만 협대역 간섭에 의해 훼손될 수 있다. GPS 애플리케이션의 경우 각 PRN 코드 시퀀스는 1023비트 길이이며 1.023Mbps 레이트로 신호를 확산시킨다[2]. 프로세싱 이득은 다음과 같이 정의된다.
역확산 (despread) GPS 신호의 품질은 GPS 수신기의 정밀도를 결정하고 그에 따른 비트 에러율(BER)에 의해 정량화된다. 베이스밴드 프로세서가 10-5의 BER을 필요로 한다고 가정한다면, 사용되는 BPSK 변조에 대한 포스트 상관기 (correlator) Eb/NO는 9.5dB(AWGN 우세)보다 크다[3]. Eb/NO는 스펙트럼 잡음 밀도에 대한 비트당 에너지 비로 정의된다. 필요한 9.5dB 포스트 상관기 Eb/NO로부터 43dB의 프로세싱 이득을 빼면 상관기 입력에서 신호 대 잡음비(SNR)는 -33.5dB이다. 소프트웨어 GPS에 대한 구현 손실이 3.5dB라고 가정한다면, 양자화기 (SNRQUANTIZER) 입력에서 필요한 SNR은 -30dB이다. 2.046MHz의 샘플링된 대역폭에서 전체 잡음 전력(kTB, T = +290°K)은 약 -111dBm이다. 목표 감도 -139dBm을 얻기 위해 필요한 캐스케이드 수신 잡음 지수(NF)는 안테나(SNRANTENNA = -139dBm/-111dBm)에서의 -28dB SNR과 -30dB SNRQUANTIZER 간의 차다.
GPS 애플리케이션이 셀룰러 폰 및 기타 개인 휴대용 기기 내부에 탑재되는 핵심 솔루션의 일부가 되어감에 따라 동일한 기기 내의 인접한 애플리케이션에 의해 발생되는 간섭의 허용도가 주요 관심사로 떠오르고 있다. 이러한 허용도를 특성화하는 한 가지 방법은 수신기의 -1dB 감도저하 (desensitization) 지점을 측정하는 것이다. GPS와 동시 동작하는 듀얼 밴드 CDMA 셀룰러 폰을 예로 들어보자. 전력 증폭기에서 일반적인 CDMA 송신 전력은 +25dBm이다. 트라이플렉서 및 GPS 대역 통과 필터 토폴로지에서 대역 외 (OOB) 신호의 전체 분리도가 70dB라고 가정한다면, GPS 수신기는 -45dBm의 OOB 방해 전파 레벨을 견딜 수 있어야 한다.
비용과 크기를 줄이기 위해 대부분의 제조업체들은 다기능 기기를 설계할 때 단일 공통 기준 주파수 사용을 선호한다. 그러나 종래의 GPS 수신기는 16.36MHz 기준 주파수에서만 작동한다. GPS 수신기가 독립형 장치라면 유연한 기준 입력이 필요하지 않다. 그러나 오늘날의 휴대용 기기는 10.0MHz, 13MHz, 14.4MHz, 19.2MHz, 20.0MHz, 26.0MHz와 같은 다양한 기준 주파수를 필요로 한다. 따라서 유연한 기준 입력을 갖는 GPS 수신기는 비용이 저렴하고 크기가 작아야 하는 이러한 휴대용 기기에 유용하다.
이 세 가지 요구사항을 모두 만족하는 GPS 수신기 집적 회로가 MAX2741이다. 이 소자에는 합성기가 내장되어 있어 2MHz ~ 26MHz의 기준 주파수를 지원하므로 유연한 주파수 계획이 가능하다. 외부 LNA를 사용하면 MAX2741은 2dB 미만의 캐스케이드 NF를 달성할 수 있다. MAX2741은 또한 800MHz 셀룰러 폰과 1800MHz PCS 대역 방해 전파에 대해 -37dBm의 -1dB 감도저하 레벨을 유지함으로써 -45dBm의 OOB 방해 전파 요구사항을 만족한다.
전통적으로 GPS 수신기에서 알려진 PRN 코드 세트와 수신된 PRN 코드 사이의 상관은 전용 GPS 베이스밴드 프로세서 IC에 의해 수행된다. 소프트웨어 GPS 기술의 비약적 발전으로 상관 및 계산 작업은 애플리케이션 프로세서 내부에 탑재되는 소프트웨어에 의해 대체될 수 있다. 전용 베이스밴드 프로세서가 필요 없어짐에 따라 GPS 솔루션 비용 및 크기를 획기적으로 줄일 수 있다.
MAX2741과 소프트웨어 GPS의 결합은 -139dBm의 감도를 달성하면서 저비용, 적은 부품 수의 무인 상용 GPS 수신기 설계를 구현할 수 있게 한다.
유사한 기사가 Electronic Products 2006년 2월호에 게재되었다.
참고 자료
Meel, J. "Spread Spectrum (SS)." ver. 2. De Nayer Institute. Dec 1999
Plausinaitis, Darius. "GPS and Other GNSS Signals." Dept. of Electronic Systems, Aalborg University. Oct 2006.
R. E. Ziemer and W. H. Tranter. Principles of Communications. 4th ed. Wiley, John & Sons, Inc., Dec 1994.
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