Global Navigation Satellite System (GNSS) 신호 시뮬레이터는 수신기의 신호 수신 환경을 고려하여 GNSS 신호를 모사하므로 위성 항법 신호 및 시스템, 수신기의 설계 및 개발 등 다양한 연구 과정에 사용된다 (Julien et al. 2004, Pósfay et al. 2005). 이러한 시뮬레이터는 일반적으로 두 종류의 기능 구조로 구현된다. 첫 번째는 위성과 수신기의 안테나 패턴, 위치와 속도, 상대적 기하 배치 및 신 호 경로 등을 고려하여 가시성 을 결정하고 코드 지연과 도플러 주파수 등 신호 성분 참값을 계산하는 기능이며, 두 번째는 항법 메시지 비트와 기저대역 및 Intermediate Frequency (IF) 수준 디지털 신호를 샘플 단위로 생성하는 기능이다. 신호 성 분 참값 계산은 상대적으로 연산이 복잡하지만 요구되는 단위 시간당 연산량이 많지 않아 범용 CPU에서 실시간으로 동작 가능하다. 하지만 디지털 신호 생성 기능은 신호를 높은 주파수 로 샘플링하기 위하여 단순하 지만 많은 양의 연산을 요구하므로 CPU와 같은 직렬 기반 처리기에서 실시간으로 동작하기 어렵다. 따라서 Field Programmable Gate Array (FPGA)와 같이 공간 자원을 활용하여 높은 병 렬성을 확보하는 기술을 적용 하면 이에 대한 실시간 처리가 가능하다. FPGA 로직의 생성 대상 신호는 Global Positioning System (GPS) L1/L5 12채널, Galileo E1/E5a 12채널, Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) L1/L5 8채널, Korean Positioning System (KPS) L1/L5 8채널이다. 이때 개발 대상 플랫폼인 Analog Devices의 ADRV9361-Z7035가 L1/L5 대역 주파수를 동시에 생성할 수 없으므로 동작 시점에 L1 혹은 L5 주파수를 사용자 가 선택하고 해당 대역 신호 생성 로직만 활성화되는 형태로 모듈이 구현된다. 모든 채널은 외부에서 계산되어 전송되는 신호 성분 참값을 실시간으로 반영하여 동작하므로 추후 개발된 FPGA 로직과 신호 성분 참 값 계산 모듈을 엮어서 실시간 시뮬레이터의 구성이 가능하다. FPGA 로직은 Vitis Model Composer를 사용하여 높은 수준 개발 언어인 MATLAB/Simulink에서 개발되며 이후 Intellectual Property (IP)를 생성하여 Vivado 에서 전체 플랫폼에 통합된다. 본 논문에서는 L1/L5 대역 다중 GNSS 및 KPS 신호를 실시간으로 생성하기 위한 FPGA 로직을 설계한다. 설계된 로직의 구조 및 구성에 대하여 소개하고 생성된 GNSS/KPS 신호를 소프 트웨어 수신기로 처리한 결과 를 제시하여 신호 생성 로직을 검증한다.

Design of a FPGA Logic for Real-Time Signal Generation of L1/L5-band Multi-GNSS/KPS

Young-Jin Song, Jong-Hoon Won*

Global navigation satellite system (GNSS) is used for various research projects such as designing and developing a satellite navigation signal, system, and receiver. Since the digital signal generation inside the simulator requires simple but massive computations, it is hard to operate in real-time with the general-purpose CPU with a sequential architecture. On the other hand, the simulator can operate in real-time if a parallelization for the channels is conducted utilizing the field programmable gate array (FPGA) resources. In this paper, an FPGA logic to generate the multi-GNSS and Korean positioning system (KPS) signals of L1/L5 bands in real-time is designed. The designed logic is verified by processing the emulated signals with a GNSS software receiver.

Keywords: GNSS, FPGA, real-time, signal generator

Speaker 송영진 인하대학교