[논문]대역확산방식 FTS 인코더/디코더 구현

임유철; 마근수; 김명환; 이재득

문제 정의

이에 국내에서 추후 개발될 발사체에 독자적인 방식을 적용한 FTS탑재장치를 장착하기 위하여 이에 대한 연구가 선행될 필요가 있다. 따라서 본 문서는 방해파 등의 잡음에 강하며 특히 명령신호 비닉성 및 비화성에 탁월한 장점을 갖는 대역확산 변조방식을 활용한 FTS 인코더/디코더의 설계 및 구현에 관하여 기술한다.
설계된 FTS인코더/디코더 VHDL코드는 그림 9와 같이 실제로 제작된 인코더/디코더 하드웨어에 탑재되어 그 기능을 확인하였으며, 효율적인 기능 점검을 위하여 그림 10과 같은 점검 소프트웨어도 개발하였다. 현재 개발된 FTS인코더/디코더만으로 대역확산방식의 FTS시스템의 성능을 분석하는 데 한계가 있으며 본 연구에서는 FTS 인코더/디코더에 고려되어 설계된 알고리즘의 성능검증에 주안점을 두고 실험을 수행하였다.
본 문서는 대역확산 변조방식의 FTS인코더/디코더의 설계부터 VHDL 및 하드웨어를 통한 구현까지에 대하여 기술해보았다. 설계된 FTS인코더/디코더사양은 기본적으로 직접대역확산 변조방신을 적용하였고, 명령신호는 64비트 디지털신호를 선정하였으며 확산이득은 256배에 확산밴드는 5MHz로 설계하였다.

제안 방법

각국 발사체의 FTS시스템에 사용된 FTS탑재장치는 표 1과 같다.[1] 표 1에 보면 알 수 있듯이 미국의 발사체인 ATLAS, DELTA, TITAN에 사용된 CRD(Command Receiver and Decoder)는 EWR 127-1의 표준사양을 준수하여 설계되었으며, 그중에서도 특히 보완성이 강화된 Secure CRD방식을 적용하였다. 일본 H-II의 경우는 기존의 FTS의 RF주파수 대역인 400-550MHz에 속하지 않는 2,600MHz를 사용하였고, 변조방식도 FM이 아닌 AM변조를 적용하였으며, 프랑스 ARIANE 5 경우도 독특한 대역확산(Spread Spectrum)변조를 적용하였다.
[1] 표 1에 보면 알 수 있듯이 미국의 발사체인 ATLAS, DELTA, TITAN에 사용된 CRD(Command Receiver and Decoder)는 EWR 127-1의 표준사양을 준수하여 설계되었으며, 그중에서도 특히 보완성이 강화된 Secure CRD방식을 적용하였다. 일본 H-II의 경우는 기존의 FTS의 RF주파수 대역인 400-550MHz에 속하지 않는 2,600MHz를 사용하였고, 변조방식도 FM이 아닌 AM변조를 적용하였으며, 프랑스 ARIANE 5 경우도 독특한 대역확산(Spread Spectrum)변조를 적용하였다. 이처럼 미국을 제외한 외국 발사체의 경우 각기 다른 독자적인 방식을 채택한 것은 FTS의 성격상 다른 목적으로 이용되는 것을 방지하기 위한 것으로 그 중요성이 매우 높은 시스템이다.
물론 K=9의 경우 6dB에서 좀 더 좋은 성능을 보이지만 본 시스템에 큰 의미가 없을 것으로 생각된다. 참고로 64비트의 데이터를 코딩할 수 있는 BCH(127,64,10)을 수행한 결과 K=7과 유사한 성능을 보였으며, 본 시스템에서는 오류정정기법으로 콘볼루션 코딩을 선정하고 FTS 인코더/디코더에 적용한다.
먼저 ADC와 Decision과정을 거쳐 ‘1’ 또는 ‘0’으로 변환하여 QPSK복조과정을 수행하며 AD샘플률은 칩당 4번 수행하도록 설계하였다.
실시간으로 처리가 용이하고 특정소자의 제약에 구애받지 않도록 하기위해 인코더와 디코더의 대부분의 주요 알고리즘을 모두 VHDL로 설계하였다. 우선 대역확산방식 FTS인코더의 코드구성은 각 부분별 필요 클럭을 분주하여 생성해 주는 클럭매니저(Clock Manager)부, 명령프레임코딩을 위한 명령생성부, 암호화를 위한 TDES암호화부, 프레임싱크를 생성해 주는 프레임싱크생성부, 콘볼루션인코딩을 위한 콘볼루션인코딩부, 대역확산을 위한 코드확산부, QPSK변조를 위한 QPSK변조부, Analog신호로 변환을 위한 DAC부로 구분되어 설계 및 구현되었다.
실시간으로 처리가 용이하고 특정소자의 제약에 구애받지 않도록 하기위해 인코더와 디코더의 대부분의 주요 알고리즘을 모두 VHDL로 설계하였다. 우선 대역확산방식 FTS인코더의 코드구성은 각 부분별 필요 클럭을 분주하여 생성해 주는 클럭매니저(Clock Manager)부, 명령프레임코딩을 위한 명령생성부, 암호화를 위한 TDES암호화부, 프레임싱크를 생성해 주는 프레임싱크생성부, 콘볼루션인코딩을 위한 콘볼루션인코딩부, 대역확산을 위한 코드확산부, QPSK변조를 위한 QPSK변조부, Analog신호로 변환을 위한 DAC부로 구분되어 설계 및 구현되었다.
설계된 FTS인코더/디코더 VHDL코드는 그림 9와 같이 실제로 제작된 인코더/디코더 하드웨어에 탑재되어 그 기능을 확인하였으며, 효율적인 기능 점검을 위하여 그림 10과 같은 점검 소프트웨어도 개발하였다. 현재 개발된 FTS인코더/디코더만으로 대역확산방식의 FTS시스템의 성능을 분석하는 데 한계가 있으며 본 연구에서는 FTS 인코더/디코더에 고려되어 설계된 알고리즘의 성능검증에 주안점을 두고 실험을 수행하였다.
본 문서는 대역확산 변조방식의 FTS인코더/디코더의 설계부터 VHDL 및 하드웨어를 통한 구현까지에 대하여 기술해보았다. 설계된 FTS인코더/디코더사양은 기본적으로 직접대역확산 변조방신을 적용하였고, 명령신호는 64비트 디지털신호를 선정하였으며 확산이득은 256배에 확산밴드는 5MHz로 설계하였다. 또한 명령신호의 보호 및 외부로부터 간섭을 막기 위하여 명령신호를 3중 DES암호화 알고리즘을 적용하여 암/복호과정을 수행하는 기능도 고려하였다.
설계된 FTS인코더/디코더사양은 기본적으로 직접대역확산 변조방신을 적용하였고, 명령신호는 64비트 디지털신호를 선정하였으며 확산이득은 256배에 확산밴드는 5MHz로 설계하였다. 또한 명령신호의 보호 및 외부로부터 간섭을 막기 위하여 명령신호를 3중 DES암호화 알고리즘을 적용하여 암/복호과정을 수행하는 기능도 고려하였다. 또한 무선 전송 중 채널특성에 따른 데이터의 비트오류발생시 이를 디코더에서 실시간으로 복원처리하여 통신이득을 높일 수 있도록 콘볼루션코딩을 적용하였으며 디지털변조는 QPSK방식을 채택하였다.
또한 명령신호의 보호 및 외부로부터 간섭을 막기 위하여 명령신호를 3중 DES암호화 알고리즘을 적용하여 암/복호과정을 수행하는 기능도 고려하였다. 또한 무선 전송 중 채널특성에 따른 데이터의 비트오류발생시 이를 디코더에서 실시간으로 복원처리하여 통신이득을 높일 수 있도록 콘볼루션코딩을 적용하였으며 디지털변조는 QPSK방식을 채택하였다.

대상 데이터

CDS의 경우 FTS의 구성은 발사체에 원격명령신호를 송신하는 지상시스템과 지상시스템으로부터 비행종단명령을 수신하여 정해진 비행종단 임무를 수행하는 탑재시스템으로 구성된다. 탑재시스템의 구성은 RF 수신안테나, 비행종단 명령을 수신하는 RF 수신부와 원격명령신호를 검출 및 판독하는 디코더(decoder)부, 그리고 실제 엑츄에이터(actuator)를 구동하는 구동부로 구성된다.

이론/모형

그림 1의 프레임화된 명령 메시지는 외부의 인증되지 않은 장치들로부터 데이터를 보호하기 위하여 암호화과정이 요구되며 암호화 방식은 DES알고리즘을 3중화시킨 Tripple DES 방식을 적용하기로 한다. 그림 2는 64비트 길이의 Key를 사용한 Tripple DES 알고리즘의 블럭도를 보여준다.
이러한 알고리듬들은 대부분 PN 부호열이 가지는 특성 중 자기상관(auto-correlation) 특성을 이용한다. 본 연구에서도 PN 부호열의 자기상관 특성을 이용하여서 early 샘플과 late 샘플 사이의 차이로부터 타이밍오차 정보를 추출하고 이를 보상하는 DLL(delay-locked loop) 구조를 적용한다.

성능/효과

그림 3은 BPSK(Binary PSK)방식에서 Code rate = 1/2이고 구속장 K=7인 콘볼루션 코드의 성능 시뮬레이션 결과이다. 신호대잡음비가 3.5dB부터 콘볼루션코딩의 신호가 코딩이 되지 않은 신호에 비해 오차가 더 적게 발생하는 것을 확인할 수 있다.
오류정정기법 선정은 명령프레임이 64비트인 관계로 Byte단위의 RS코딩은 배제하였다. 콘볼루션 코딩의 경우 부호율을 1/2로 선정하였으며 K=3, K=7, K=9 에 대하여 시뮬레이션을 수행해 본 결과 K=7의 경우 신호대잡음비가 약 3.5dB부터 코딩의 효과가 나타나며 6dB에서 10^-4 이하가 되어 성능에 큰 문제가 없을 것으로 판단된다. 물론 K=9의 경우 6dB에서 좀 더 좋은 성능을 보이지만 본 시스템에 큰 의미가 없을 것으로 생각된다.
우선 최대 명령 전송속도를 확인하기 위해 인코더에서 공백없이 명령을 전송할 경우 최대 80Hz의 명령프레임을 전송할 수 있었으며 디코더에서 하나의 프레임도 놓치지 않고 모두 수신하여 실시간으로 처리되는 것을 확인하였다. 두 번째로 TDES 암호기법의 성능 검증을 위해 송신과 수신쪽의 암호기를 변경하면서 시험을 수행해 보았으며 3개의 암호키인 192비트 모두 일치하는 경우에만 명령이 복원되며 그 이외의 경우에는 모두 명령이 정상적으로 복원되지 않는 것을 확인하였다.
우선 최대 명령 전송속도를 확인하기 위해 인코더에서 공백없이 명령을 전송할 경우 최대 80Hz의 명령프레임을 전송할 수 있었으며 디코더에서 하나의 프레임도 놓치지 않고 모두 수신하여 실시간으로 처리되는 것을 확인하였다. 두 번째로 TDES 암호기법의 성능 검증을 위해 송신과 수신쪽의 암호기를 변경하면서 시험을 수행해 보았으며 3개의 암호키인 192비트 모두 일치하는 경우에만 명령이 복원되며 그 이외의 경우에는 모두 명령이 정상적으로 복원되지 않는 것을 확인하였다. 또한 오류키값으로 인해 비정상적으로 복원된 임의의 랜덤한 명령프레임들에 의해 ARM, TERMINATE 등의 오동작 명령신호가 발생되지 확인해 보기위해 4시간이상 구동해 본 결과 그러한 현상이 발생되지 않음을 확인하였다.
두 번째로 TDES 암호기법의 성능 검증을 위해 송신과 수신쪽의 암호기를 변경하면서 시험을 수행해 보았으며 3개의 암호키인 192비트 모두 일치하는 경우에만 명령이 복원되며 그 이외의 경우에는 모두 명령이 정상적으로 복원되지 않는 것을 확인하였다. 또한 오류키값으로 인해 비정상적으로 복원된 임의의 랜덤한 명령프레임들에 의해 ARM, TERMINATE 등의 오동작 명령신호가 발생되지 확인해 보기위해 4시간이상 구동해 본 결과 그러한 현상이 발생되지 않음을 확인하였다. 마지막으로 오류보정기법의 알고리즘을 검증하기 위해 인위적으로 복원가능한 범위내의 오류비트를 삽입하여 시험을 수행한 결과 모두 복원되어 오류보정기법 알고리즘이 정상적으로 동작하는 것을 확인하였다.
또한 오류키값으로 인해 비정상적으로 복원된 임의의 랜덤한 명령프레임들에 의해 ARM, TERMINATE 등의 오동작 명령신호가 발생되지 확인해 보기위해 4시간이상 구동해 본 결과 그러한 현상이 발생되지 않음을 확인하였다. 마지막으로 오류보정기법의 알고리즘을 검증하기 위해 인위적으로 복원가능한 범위내의 오류비트를 삽입하여 시험을 수행한 결과 모두 복원되어 오류보정기법 알고리즘이 정상적으로 동작하는 것을 확인하였다.
물론 본 시험만으로 개발된 FTS인코더/디코더의 개발 및 검증이 완료되었다고는 할 수 없으나 전반적으로 시험을 수행한 결과 시뮬레이션과 동일한 성능을 보였다. 좀 더 정확한 성능분석을 위해서는 RF부분이 추가로 결합되어 시험이 수행되어야 할 것으로 판단된다.

후속연구

이 방식을 적용한 FTS탑재장치의 경우 일부 국가에서 수출을 허용하고 있으나 표 1과 같은 독자적인 방식을 적용한 FTS탑재장치는 수출불가 품목이다. 이에 국내에서 추후 개발될 발사체에 독자적인 방식을 적용한 FTS탑재장치를 장착하기 위하여 이에 대한 연구가 선행될 필요가 있다. 따라서 본 문서는 방해파 등의 잡음에 강하며 특히 명령신호 비닉성 및 비화성에 탁월한 장점을 갖는 대역확산 변조방식을 활용한 FTS 인코더/디코더의 설계 및 구현에 관하여 기술한다.
물론 본 시험만으로 개발된 FTS인코더/디코더의 개발 및 검증이 완료되었다고는 할 수 없으나 전반적으로 시험을 수행한 결과 시뮬레이션과 동일한 성능을 보였다. 좀 더 정확한 성능분석을 위해서는 RF부분이 추가로 결합되어 시험이 수행되어야 할 것으로 판단된다.
본 문서에서 설계된 대역확산방식 FTS인코더/디코더는 방해파 등의 잡음에 강하며 특히 명령신호 비닉성 및 비화성에 탁월한 장점을 가지므로, 좀 더 많은 검증절차를 수행하고 검토과정을 거친 후 발사체의 FTS시스템에 적용할 경우 많은 이점이 있을 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비행종단시스템이란 무엇인가?	비행종단시스템(Flight Termination System : FTS)은 비행중인 비행체가 정상적인 비행상태가 불가능해졌을 때 지상통제장치에서 긴급 비행종단을 명령하여 더 이상의 비행을 종단시키거나, 지상레이더 신호의 추적이 불가능하게 되었을 때 비행을 종단시키는 장치를 말한다. FTS는 지상으로부터 송신하는 명령에 의한 폭파시스템 (Command Destruct System : CDS)과 자동 폭파 시스템(Automatic Destruct System : ADS)으로 구분되며 필요에 따라 두 시스템이 모두 사용될 수 있다.
	CDS의 경우 FTS는 어떻게 구성되는가?	CDS의 경우 FTS의 구성은 발사체에 원격명령 신호를 송신하는 지상시스템과 지상시스템으로부터 비행종단명령을 수신하여 정해진 비행종단 임무를 수행하는 탑재시스템으로 구성된다. 탑재시스템의 구성은 RF 수신안테나, 비행종단 명령을 수신하는 RF 수신부와 원격명령신호를 검출 및 판독하는 디코더(decoder)부, 그리고 실제 엑츄에이터(actuator)를 구동하는 구동부로 구성된다.
	비행종단시스템은 무엇으로 구분되는가?	비행종단시스템(Flight Termination System : FTS)은 비행중인 비행체가 정상적인 비행상태가 불가능해졌을 때 지상통제장치에서 긴급 비행종단을 명령하여 더 이상의 비행을 종단시키거나, 지상레이더 신호의 추적이 불가능하게 되었을 때 비행을 종단시키는 장치를 말한다. FTS는 지상으로부터 송신하는 명령에 의한 폭파시스템 (Command Destruct System : CDS)과 자동 폭파 시스템(Automatic Destruct System : ADS)으로 구분되며 필요에 따라 두 시스템이 모두 사용될 수 있다. CDS는 일반적으로 최상의 단에 장착되며, 지상시스템으로부터 비행종단 명령을 수신하여 연료공급차단, 엔진가동정지, 연료배출 또는 폭파 등의 정해진 비행종단 임무를 수행하는 것을 의미한다.

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