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위성통신을 위한 4D-8PSK-TCM 시스템 설계와 성능 평가
안창영(Changyoung An),유상범(Sang-Burm Ryu),이상규(Sang-Gyu Lee),유흥균(Heung-Gyoon Ryu) 대한전자공학회 2018 전자공학회논문지 Vol.55 No.1
CCSDS(Consultative Committee on Space Data Systems)에서는 X 밴드 위성통신을 위해 8-PSK(8-Phase Shift Keying) 변조를 사용하는 4D-TCM (Four Dimensional Trellis Coded Modulation) 시스템을 권고하고 있다. 본 논문에서는 4D-8PSK-TCM 시스템을 설계하고 성능을 평가한다. 특히, SRRC(Square Root Raised Cosine) 필터를 적용하고 송수신 신호의 특성 및 스펙트럼, BER(Bit Error Rate) 성능을 평가한다. 본 논문에서는 CCSDS에서 권고하는 4D-8PSK-TCM 시스템의 송신 시스템의 설계 방법 및 수신 복호 알고리즘의 처리 과정을 자세히 소개한다. 시뮬레이션의 결과로 4D-8PSK-TCM 시스템에서 스펙트럼 특성, 송신신호 궤적, PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)을 비교해본 결과 스펙트럼 효율을 보다 중요시 할 경우, 0.35의 Roll-off 값이 효과적인 선택이 될 수 있음을 확인하였다. 그리고, 4D-8PSK-TCM 시스템에서 주 격자와 보조 격자를 모두 사용하여 수신 신호를 복호할 때 높은 부호화 이득을 얻음을 확인하였다. 세부적으로, 4D-8PSK-TCM 시스템은 10-4의 BER 성능을 만족시키기 위해, 채널심볼당 2, 2.25, 2.5, 2.75 비트를 전송하는 경우 각각 5.5dB, 6.6dB, 8dB, 9dB의 SNR(Signal-to-Noise Ratio)을 요구하는 것을 확인할 수 있다. The consultative committee on space data systems (CCSDS) recommends four dimensional trellis coded modulation (4D-TCM) system using 8-phase shift keying (8-PSK) modulation for X-band satellite communication. In this paper, 4D-8PSK-TCM system has been designed and its performance has been evaluated. Especially, square root raised cosine (SRRC) filter is applied and Tx/Rx signal characteristics, spectrum, and bit error rate (BER) performance are evaluated. In this paper, the design method of the transmission system of the 4D-8PSK-TCM system recommended by the CCSDS and the processing procedure of the reception decoding algorithm are described in detail. As simulation results, in the 4D-8PSK-TCM system, when the spectral characteristics, the transmission signal trajectory, and peak-to-average power ratio (PAPR) of the system are compared, it is confirmed that the roll-off factor of 0.35 can be an effective choice. We have also confirmed that the 4D-8PSK-TCM system achieves high coding gain when decoding the received signal using both the general trellis and the auxiliary trellis.
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효율적 성좌도 배치법을 사용하는 DAPSK 시스템 설계와 성능 평가
안창영(Changyoung An),유상범(Sang-Burm Ryu),이상규(Sang-Gyu Lee),유흥균(Heung-Gyoon Ryu) 한국전자파학회 2018 한국전자파학회논문지 Vol.29 No.9
위성통신에서는 낮은 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio), 높은 전송효율, 낮은 BER(Bit Error Rate)을 갖는 변조 기술이 요구되며, DAPSK(Differential Amplitude and Phase Shift Keying) 변조는 이러한 요구조건을 만족시킬 수 있는 기술로 평가되고 있다. 그러나 기존 DAPSK 변조는 정규적인 성좌도를 사용하기 때문에 성좌도의 안쪽 동심원에 존재하는 심볼들의 유클리디안(Euclidean) 거리가 매우 가까워서 높은 성능을 내기에 적합하지 않다. 본 논문에서는 기존 DAPSK 시스템의 성능을 개선하기 위하여 대조표 기반의 효율적인 성좌도 배치법을 사용하는 DAPSK 시스템을 제안하고 성능을 평가한다. 시뮬레이션 결과, 기존 16-DAPSK 시스템과 비교하여 효율적인 성좌도 배치법을 사용하는 16-DAPSK 시스템은 수신 심볼 검출기에 사용되는 심볼의 수 K가 2일 때, 10<SUP>−4</SUP>의 BER 성능을 만족시키기 위한 SNR(Signal-to-Noise Ratio)을 약 0.8 dB 개선할 수 있음을 확인하였다. In satellite communications, a modulation technique with a low peak-to-average power ratio, high transmission efficiency, and low bit error rate(BER) is required, and differential amplitude and phase shift keying(DAPSK) modulation technique has been appraised as a technology that meets these requirements. However, because conventional DAPSK modulation uses a regular constellation diagram, the Euclidean distance between the symbols in the inner concentric circles of the constellation are quite short. Such a characteristic degrades the BER. In this paper, we propose a DAPSK system that uses an efficient constellation assignment to improve the performance of existing DAPSK systems and evaluate the performance of the proposed scheme. From the simulation results, we confirm that the proposed 16-DAPSK system achieves an signal-to-noise ratio gain of 0.8 dB over the conventional approach at a BER condition of 10<SUP>−4</SUP> when the number of symbols used in the symbol detector of the receiver is 2.
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비선형 HPA 환경을 고려한 4D-8PSK-TCM 시스템의 설계 및 분석
안창영(Changyoung An),유상범(Sang-Burm Ryu),이상규(Sang-Gyu Lee),유흥균(Heung-Gyoon Ryu) 한국전자파학회 2018 한국전자파학회논문지 Vol.29 No.4
본 논문에서는 X밴드 위성통신을 위해 권고되는 4D-8PSK-TCM(Four Dimensional 8-ary Phase Shift Keying Trellis Coded Modulation) 시스템을 비선형 HPA(High Power Amplifier)와 전치왜곡기를 고려하여 설계하고, 스펙트럼, BER(Bit Error Rate) 성능을 평가 및 분석한다. 위성통신에서는 한정적인 전력으로 인해 전력을 가장 많이 소모하는 HPA의 동작점을 결정하는 비선형 특성 분석이 매우 중요하다. 본 논문에서는 2, 2.25 bits/channel-symbol의 효율을 갖는 4D-8PSK-TCM 시스템을 설계하였다. 시뮬레이션 결과로, 낮은 PAPR(Peak to Average Power Ratio) 특성과, 스펙트럼의 점유 대역폭을 기준으로 SRRC(Square Root Raised Cosine) 필터의 Roll-off 값은 0.35가 효율적이며, 전치왜곡기를 사용하지 않을 경우 HPA에서 약 15~20 ㏈의 OBO(Output Back-Off)가 요구되며, 전치왜곡기를 사용할 경우 약 1 ㏈ 내외의 OBO가 요구됨을 확인하였다. Considering a nonlinear high power amplifier(HPA) and a predistorter, we have designed a four-dimensional 8-ary phase shift keying trellis-coded modulation(4D-8PSK-TCM) system, which is recommended for X-band satellite communications. Subsequently, we have evaluated and analyzed the spectrum, constellation characteristics, and BER performance of the system. In satellite communications, owing to the limited power, nonlinear characteristics that determine the operating point of the HPA must be analyzed because the HPA consumes high power. We herein report the design of the 4D-8PSK-TCM system, with efficiencies of 2 and 2.25 bits/channel-symbol. The simulation results confirmed that a 0.35 roll-off value is effective, considering the low peak-to-average power ratio(PAPR) characteristic and the narrow occupation bandwidth of the spectrum. It also confirmed that approximately 15~20 ㏈ of output backoff(OBO) value is required at the HPA when the predistorter is not used, and approximately 1 ㏈ of the OBO value is required when the predistorter is used.
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위성통신을 위한 터보 등화기를 사용하는 8PSK-TCM 시스템 설계와 성능 평가
안창영(Changyoung An),유상범(Sang-Burm Ryu),이상규(Sang-Gyu Lee),유흥균(Heung-Gyoon Ryu) 한국전자파학회 2017 한국전자파학회논문지 Vol.28 No.11
본 논문에서는 최근 CCSDS(Consultative Committe for Space Data Systems)에서 X밴드(X-Band) 대역 위성통신을 위해 권고되고 있는 4D(Dimension)-8PSK(Phase Shift Keying)-TCM(Trellis Coded Modulation) 시스템과 터보등화기를 결합하기 위한 기초 연구로 8PSK-TCM 시스템과 터보등화기를 결합한 시스템을 설계하고, 성능 평가를 수행하였다. 세부적으로 AWGN, Proakis B 채널, Proakis C 채널에서, 8PSK 및 8PSK-TCM 시스템의 BER 성능을 평가 및 분석하였다. 시뮬레이션 결과로, 8PSK 시스템에 비해 8PSK-TCM 시스템의 BER 성능이 우수하며, 8PSK-TCM 시스템에 터보등화기를 결합한 시스템은 ISI 채널 환경에서 반복등화를 통해 BER 성능을 더욱 개선시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 본 논문에서 설계한 터보등화기를 결합한 8PSK-TCM 시스템은 5회의 반복등화를 통해 Proakis B에서 10-3의 BER 성능을 만족시키기 위해 5.9 ㏈의 SNR이 요구되며, Proakis C 채널에서는 10-2의 BER 성능을 만족시키기 위해 9.1 ㏈의 SNR이 요구됨을 확인할 수 있다. In this paper, as a basic study for combination of turbo equalizer and 4D-8PSK-TCM(4 Dimensional 8 Phase Shift Keying Trellis Coded Modulation) system, which is recommended for X-band band satellite communication in CCSDS, a system combining 8PSKTCM system and turbo equalizer has designed and performance evaluation of the system has performed. BER performance of 8PSK and 8PSK-TCM systems has evaluated and analyzed in AWGN, Proakis B and Proakis C channels in detail. As results of simulation, BER performance of 8PSK-TCM system is better than 8PSK system in AWGN environment. Furthermore, it can be confirmed that the system combining the 8PSK-TCM system with the turbo equalizer can further improve the BER performance through iterative equalization in the ISI channel environment. The 8PSK-TCM system combined with the turbo equalizer requires SNR of 5.9 ㏈ for BER performance of 10-3 with 5 iterative equalization in Proakis B and SNR of 9.1 ㏈ for BER of 10-2 with 5 iterative equalization in Proakis C.
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고성능 저복잡도 DAPSK 시스템을 위한 집단화 기반 심볼 검출 방법
안창영(Changyoung An),유상범(Sang-Burm Ryu),이상규(Sang-Gyu Lee),유흥균(Heung-Gyoon Ryu) 대한전자공학회 2018 전자공학회논문지 Vol.55 No.12
APSK(Amplitude and Phase Shift Keying) 변조는 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)과 비교하여 보다 우수한 전력효율을 갖는다. 그러나 동기식 시스템인 APSK 시스템은 채널 환경 및 수신기의 회로 설계 오차 등으로 발생하는 위상 모호성(Phase Ambiguity)을 극복하기 위하여 파일럿 오버헤드를 추가하여 CSI(Channel State Information)를 추정해야 한다. 파일럿 오버헤드(Pilot Overhead)는 전송 효율을 감소시키게 된다. 이러한 문제점을 극복하기 위한 변조로 DAPSK(Differential APSK)가 있다. DAPSK 시스템은 차동 부호화를 사용하여 파일럿 오버헤드 없이 위상 모호성을 극복한다. 그러나 기존 DAPSK 시스템의 경우 성능 개선을 위해서는 판정에 사용되는 심볼의 수를 증가시켜야 하는데, 이 심볼의 수가 증가함에 따라 연산량이 지수적으로 증가하는 문제점이 있다. 본 논문에서는 이와 같은 문제점을 극복하고 높은 성능을 달성할 수 있는 DAPSK 시스템을 제안한다. 제안하는 DAPSK 시스템은 효율적 성좌도 배치법과 대조표를 이용한 차동 부호화 및 복호화를 수행한다. 특히, 집단화 기반 심볼 검출 방법을 사용하여 상대적으로 낮은 연산량으로 위상 모호성을 효과적으로 극복하여 시스템의 성능을 개선시킨다. 시뮬레이션 결과, 기존 16-DAPSK 시스템과 비교하여 제안하는 16-DAPSK 시스템은 판정을 위한 심볼이 증가하여도 연산량의 증가가 완만하며, 유사한 연산량 조건에서 더욱 우수한 성능을 내는 것을 확인하였다. Amplitude and phase shift keying (APSK) modulation can achieve excellent power efficiency in comparison to quadrature amplitude modulation. However, the APSK system needs to estimate the channel state information by adding a pilot overhead in order to overcome the phase ambiguity caused by the channel environment and the circuit design error of the receiver as a synchronous system. The pilot overhead reduces transmission efficiency. To overcome this drawback, there is differential APSK (DAPSK) as a modulation. The DAPSK system uses differential coding to overcome phase ambiguity without pilot overhead. However, in the case of the conventional DAPSK system, in order to improve the performance, the number of symbols used for the determination must be increased. As the number of symbols increases, the computation amount increases exponentially. In this paper, we propose a DAPSK system that overcomes these problems and achieves high performance. The proposed DAPSK system performs differential coding and decoding using an efficient constellation assignment method and a look-up table. In particular, the proposed system use a clustering-based symbol detection method to effectively overcome phase ambiguity with a relatively low amount of computation to improve system performance. Simulation results show that the proposed 16-DAPSK system compared with the existing 16-DAPSK system shows that even if the number of symbols for decision increases, the amount of computation increases slowly, and that it performs better under similar computation conditions.
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