[포커스]데이터 계측 및 감시제어 전용 위성단말장치(VSAT) 개발

[산업일보]
한국수자원공사는 전국적인 수자원 개발·관리와 수해로 인한 인명 및 재산피해 예방을 위해 수문관측 및 홍수예경보 시스템을 운영하고 있다. 그동안의 시스템 설치 및 운영상에 문제점 해소를 목적으로 2004년 7월부터 추진해온 수문관측 핵심설비 즉 위성단말장치(VSAT), 자료수집·저장장치(RTU) 및 전원을 공급하는 전원제어장치(IPS)를 전문 중소업체와 공동으로 개발하는 데 성공하였다.
이번 호의 위성단말장치(VSAT)대한 개발 내용을 시작으로 RTU, IPS 등에 관한 개발 내용을 순차적으로 소개하고자 한다.

신제품 개발 개요

한국수자원공사는 수문관측 및 홍수예경보 용으로 운영 중인 자체 위성망의 효율적 운영을 위해 저전력 저가의 위성단말장치(VSAT : Very Small Aperture Terminal)를 (주)이언샛과 공동으로 개발하였다. 금번 개발된 VSAT은 수문관측 및 홍수예경보는 물론 일반 데이터 계측과 감시제어(SCADA) 등에 광범위하게 사용할 수 있도록 개발되었다. 또한 그동안의 국내 최초로 위성망을 이용한 홍수예경보 시스템을 설계·구축·운영을 해온 한국수자원공사의 경험 및 노하를 이번에 개발된 VSAT 설계 및 제조기술에 반영, 현장 설비 운용자들에게 실질적인 도움이 될 수 있도록 하였다.

개발의 필요성 및 배경

현재 운용 중인 VSAT은 미국산 구형 모델로 부품의 단종과 One Enclosure 형태로 생산단가가 높고 A/S 비용이 많이 소요되는 단점이 있다. 또한 최근 통신 수요의 증가와 광범위한 데이터 전송이 요구되고 있으나, 고가의 외산 장비로 인해 투자비가 많이 소요되어 능동적으로 대처하지 못하는 상황이었다. 최근 IT 기술의 발전과 함께 고객의 요구가 Advanced 된 제품을 요구하고 있고, 가격적인 측면도 좀 더 경제적인 제품을 요구하고 수요자와 공급자가 공동으로 개발에 참여한 것이 특징이다.

개발 목표

(1) 광범위한 데이터 송·수신용 위성단말장치(VSAT)로 개발한다.
(2) 제품의 단가를 기존의 1,160만원대에서 60%이상 낮춘다.
(3) 국산제품으로 개발하고 부품의 국산화율을 70%이상으로 한다.
(4) 제품의 소모 전력은 39W에서 35W (대기시 10W)이하로 개선한다.
(5) 강우 감쇄를 보상할 수 있는 기능을 추가한다.
(6) 일체형에서 IDU와 ODU분리형으로 개발하여 제품의 신뢰성을 향상시키고 유지보수에 용이한 구조로 한다.
(7) 제품의 생산성 향상과 원가를 절감할 수 있도록 IDU 회로의 핵심 부분을 ASIC화 할 수 있도록 FPGA로 구현한다.

개발 내용 및 범위

개발하고자 하는 VSAT은 HUB시스템과 Remote시스템으로 구성된다. 시스템은 <그림 1, 2, 3, 4>의 시스템 구성도와 같이 구성되며 시스템의 주요기능을 담당하는 Modulator, Burst Demo dulator, NMS(Network Management Sys tem) 부분은 기존 제품을 활용하고 Remote 단말기 부분에 들어가는 H/W 및 S/W 기술을 자체적으로 직접 개발하여 제품화 한다.



개발 제품 구성 및 규격

(1) DMU(Digital Modem Unit)

VSAT DMU는 FSK(Frequency Shift Key ing) burst 변조기와 연속 복조기, 송신 필터, Reed-Solomon FEC(Forward Error Correc tion) 엔코더/디코더, V.35 scrambler와 4개의 사용자 포트로 구성된다. DMU의 블록 다이어 그램 <그림 5>에 나타내었다. 변조기, 복조기, FEC 기능은DSP(Digital Signal Processor)과 FPGA SPARTAN II200 에서 수행된다.
소프트웨어는 Proprietary 변조와 FEC 코딩을 수행하도록 개발되었다.
DMU FPGA는 IFU로 부터의 I와 Q analog baseband 신호를 양자화 한다. 이들 신호는 복조되고, 수신된 데이터는Processor에 보내진다. bit를 결정하는데 전체 16MR(Matched Filters)가 소요된다. MF Outputs은 최대량의 에너지에 대해 탐색된다. 대부분의 에너지를 갖는 MF는 전송된 기호(symbol)로 선택 된다. 연속 복조/FEC 디코딩 처리의 성능은 12/3 변조 Scheme에 대해 Eb/No= 8.5dB과 16/1를 위해 8.3을 위해 최대 BER(Bit Error Rate) × 10-7 를 지원한다. FEC코딩 rates는 12/3 변조를 위해 5/6와 16/1를 위해 3/4이다.
송신 I와 Q Waveform는 FPGA에서 생성된다. Burst 모드에서 운용할 때, FPGA는 Return Link 상의 Slot안에 있는 Burst 전송처럼 단일 데이터 메시지를 전송한다. Slot timing은 복조기에 의해 나오는 Slot Clock으로 부터 DSP에 의해 결정된다. DSP는 u-Processor에서 나오는 Formatted 데이터 메시지를 수신한다. 메시지는 Reed-Solomon 엔코더에 의해 코드 Words의 전체 수로 Encoding 된다.
DSP로 부터 나오는 Slot Enable 신호를 수신할 때, FPGA은 136-bit(34-baud) Preamble의 전송 후에 24bit(6-baud) unique word와 사용자 정보를 가지고 있는 Encoding된 메시지를 전송하기 시작한다. 이 프로세스에 의해 생성된 I와 Q waveform은 IFU에 전송되기 전에 16-tap FIR 필터에 의해 필터링 된다. 마지막 baud가 발생한 후에, 마이크로프로세서는 전력을 절약하기 위해 BUC(+20V)를 Off시키도록 구현 되었다. 또한 Processor와 주변 I/O 간의 신호를 제어할 수 있는 제어로직이 추가 되었다.
DMU의 u-Processor는 ALC의 제어를 담당하고 있다. 이것은 Burst(즉, Preamble)의 처음에서 L-Band 출력 레벨을 측정하고 SNR 및 AGC 수신레벨을 측정하여 L-Band 출력을 조정하는 기능이 있다.
u-Processor는 40MHz로 작동하는 Moto rola MPC866TCZP이다. SRAM(Static RAM)뿐만 아니라, RTC & nVRAM의 8Kbit도 지원한다. 배터리는 10년간 메모리 유지 보존을 제공한다.
u-Processor는 부팅 프로그램(U-Boot), BSS와 옵션 소프트웨어 셋트(OSS-1 and OSS-2)을 실행한다. u-Processor는 전력 소모를 최소화하기 위해 송수신기 전송 회로의 부분을 옵션으로 전원을 Down시킬 수 있다. 이것은 BUC, 송신 신세사이저, 다른 송신 회로에도 해당된다.
필요하면 VSAT는 LNB 주파수 에러를 취소하기위해 COARSE 신세사이저를 조정한다. 만약 에러가 정해진 쓰레쉬홀드를 초과하면, u-Proce ssor는 메시지를 허브 NMS(Network Manage ment System)에 전송한다. 만약 DMU는 Out link에서 Carrier Lock을 잃어버려서 다시 요청해야 하며, acquisition 프로세스를 가속화하는 u-Processor에 의해 될 때처럼 신세사이저 설정에 대해 마지막 값을 사용한다. 이것은 VSAT의 전원이 Off 되었거나 리셋 되는 상태에 대해 참(True)이다. 일단 outlink이 발견되면, 새로운 주파수에 값은 VSAT MDB(Management Data base)에서 계산되어 저장된다. 만약 적절하게 Outlink를 지정할 수 없으면, VSAT는 할당된 주파수에 대해 ±3 MHz의 탐색을 초기화한다. RCW(Reference CodeWord)의 안에 있는 outlink ID는 올바른 outlink carrier를 결정하는데 사용된다.
DSP에 대한 소프트웨어는 대략 6Kbytes 크기를 가지며, 마이크로프로세서 Flash Memory 부분에서 저장된다. DSP는 전원이 들어오거나 리셋 시에 마이크로프로세서에 의해 코드가 로드된다. DMU는 4대의 장치까지 연결을 해주는 RS-232 electrical 인터페이스를 제공한다.
모든 구성시에 사용자 포트에 대한 물리적 인터페이스는 VSAT의 후면에 위치한 25pin 2Port, 9Pin 2Port이며 DMU에 직접 연결된다. 진단 포트는 특정 케이블이 있는 25pin 2Port에 가용하다. 확장 낙뢰 보호는 과도 상태 억제 장치(Tran zorbs)를 이용하여 송수신기로부터 나오는 모든 회선에 대해 제공된다. 사용자/진단 포트는 물리적으로 DCE(Data Communications Equipment)처럼 배선된다. VSAT는 정상적으로 DCE처럼 기능하지만 만약 cross-over 케이블이 사용되면DTE(Data Terminal Equipment)처럼 작동한다. DMU은 동기와 비동기 사용자 장치를 지원한다. 사용자 포트는 송신 Timing을 제공하도록 구성될 수 있거나 사용자 장치로부터 외부 송신 클럭을 수신할 수 있다.
VSAT에 의해 제공된 송신 클럭은 10MHz 네트워크 Reference에 주파수 lock된다. 사용자 포트는 NMS을 통하여 허브로부터 구성될 수 있다. 이것은 데이터율, half/full duplex, start bit와 stop bit의 수, 내부/외부 송신 타이밍 등을 포함한다. 각 지원된 프로토콜은 구성 파라미터들을 가지고 있다. 또한 DMU는 LSI 80225 Ethernet PHY Device를 사용하여 10/100Mbps를 지원하며 이를 통하여 향후 WAN 접속이 가능하도록 설계되었다. 현재 소비전력을 최소화 하기 위해 Power Down Mode로 설정되었다.

(2) IFU(Intermediate Frequency Unit)

IFU는 LNB를 통하여 Up Link 신호를 수신하며 Return Link 신호를 BUC에 10Mhz Regerence Clock 및 20V 전원과 함께 공급한다. IFU의 송신부는 DMU의 DAC(Digital to Analog Converter)로부터 I/Q Waveform을 수신한다. 이 Waveform은 950Mhz~1.7GHz에서 IF carrier에 대해 변조된다. 변조는 SSB (Single Sideband) 출력으로 제공되는 Hilbert 변환을 통해 이루어진다. SSB 신호는 0+/-3dBm의 출력레벨로 증폭된다. IFU의 송신측에서는 주파수 변화가 없고, 20kHz의 주파수 단위는 PLL(Phase Locked Loop) 신세사이저에 의해 제어된다.
IFU의 1st 블록의 수신측은 입력된 신호의 원하는 채널을 튜너 ADC20013에서 480MHz의 첫번째 IF로 바꾸어주는 역할을 하며 입력된 신호는 PLL IC MAX2326에 의하여 일정하게 유지되도록 제어 된다. 480MHz로 바뀐 1st IF가 다시 한번 2nd IF 36MHz로 바뀌는 부분으로 519MHz LO는 Tr로 구성된 Colpits 발진기가 만들어 내며 이 LO 신호가 일정하게 유지 되도록 PLL IC가 동작을 한다. 여기서 만들어진 LO 519MHz가 1st IF와 Mixing 되어 2nd IF 36MHz가 나와 마지막 단으로 전달된다.
39.5MHz로 바뀐 2nd IF가 다시 한번 36MHz의 LO와 Mixing 되어 3rd IF로 바뀌는 부분으로 이 LO는 I/Q로 분리되어 각각 입력된다. 그 후 낮은 대역의 주파수로 바뀌어 특정 신호만 LTC1264 필터를 통과한 다시 증폭이 되어 ADC로 간다. 일부 신호는 AGC의 level을 제어하기 위하여 전단으로 Feed back 된다.

(3) PBU(Power Board Unit)

PBU는 DC를 입력 받아 BBU(Back Board Unit)를 통하여 DMU 및 IFU에 안정된 전원을 인가한다. 사용의 편의성을 위해 On/Off Switch를 적용 하였다.

(4) BBU(Back Board Unit)

BBU는 DMU, IFU, PBU 간의 상호 신호 연결을 제공하며 VSAT의 동작상태를 LED를 통하여 표시한다<표 1>.

(5) VSAT IDU 장치



(6) VSAT ODU 장치





문의: (042)629-3483 이장상, 김홍성, 이영우 / 한국수자원공사 kimhs@kowaco.or.kr

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