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문제 정의
- 천안함 사태 이후 함의 생존성을 높이기 위하여 어뢰 대항 체계에 대한 요구가 높아지게 되었으며, 기존 센서 시스템을 가지고 어뢰방어체계를 설계하도록 요구사항이 발생하게 되었다. 이에 기존 함에 장착 된 장비의 특성을 분석하여 어뢰 음향대항체계의 신호처리가 적절하게 동작될 수 있도록 시스템을 구성하는데 연구의 목적이 있다.
제안 방법
- AGC 계산을 위한 FPGA는 Xilinx 사의 Virtex-5 계열 FPGA 를 사용하였으며 ADC로부터 AD 된 데이터를 입력받아 4msec 단위로 128개의 sample 데이터를 입력 받아 게인값이 변경되도록 하였다. FPGA 사용 로직량은 다음과 같다.
- 해상의 입력 신호가 비주기적인 임펄스 신호가 입력 되므로 필요한 신호가 왜곡 되지 않는 레벨을 고려하여 선정하였다. FPGA로 구현된 AGC 로직은 ADC 의 입력값에 대해 rms 전압값을 산정하여 적용하도록 하였다.
- Gain 적용 주기가 너무 빠르거나 Gain의 변화량이 클 경우 신호처리 단에서 환산된 입력 데이터 값이 왜곡 되는 현상을 볼 수 있었다. Gain 적용 주기는 4msec 단위로 0.5dB 값이 변경되도록 하였으며, 4msec 단위로 데이터를 저장 평균 내어 이전 평균값에 반영하는 방식을 사용하였다. AGC의 알고리즘은 그림 6과 같다.
- AGC 기능은 각 채널별 rms 값을 추정 후 그중에서 최대값을 추출한다. rms 최대값을 지수 적분하여 누적 rms 값을 산출하여 Gian 값을 적용 하였다. 이 Gain 값은 다음 Gain 값 산정에 영향을 미치는 구조이므로 순간적인 입력의 변화가 아닌 해상 상태의 변화에 따른 Gain 값이 적용 될 수 있도록 하였다.
- 각 센서의 Gain 적용은 모두 동일하게 적용하며 각 센서별 적용 AGC 게인 값을 산출한 후 최소 gain 값을 적용하여 신호의 왜곡이 발생하지 않도록 하였다.
- 자함 노이즈 제거 방법은 입력된 데이터에 대해 방위별 빔형성 수행 후 FFT 처리된 주파수 영역에서 수행하였다. 고정적으로 생성되는 자함 신호에 대해 선택하여 해당 잡음 토널과 인접 토널 신호와의 경계점을 확인 하여 노이즈 주파수 토널 성분의 가장 작은 신호 크기로 해당 자함 노이즈 신호를 마스킹 처리 하였다.
- 역보상 커브를 만들기 위해서는 위상 변위가 적은 Bessel Filter를 적용하였다. 만족스러운 주파수 보상 특성을 얻기 위하여 2차 Low pass filter를 3단으로 구성하였다. 입력신호는 F1 kHz, F2 kHz Low Pass Filer를 넣어 주파수간의 다이나믹 레인지를 얻은 후단에 가변이득 기를 넣고 F3 kHz의 LPF를 넣었다.
- 한 개의 AD602에는 40dB의 가변 이득을 갖는 VGA가 2개 내장되어 있어, 이를 직렬 연결시 80dB의 변화가 가능하다. 본 시스템의 경우 입력 가변폭을 고려하여 0.5dB 간격의 gain 스템을 갖고 64dB 변경 범위를 갖는 VGA 시스템이 되도록 적용하였다.
- 어뢰 방어 성능 향상을 위하여 능동 운용 주파수에 적합하게 구성된 센서 및 HMS 장비의 출력 신호를 어뢰 탐지 주파수에 해당하는 주파수 대역에 적합하도록 변경할 필요가 있다. 사용주파수 대역에 대한 역보상 필터 회로를 설계하여 어뢰 탐지 주파수 대역에서의 주파수 특성을 높게 나타낼 수 있도록 구성하였다.
- 이러한 문제를 해결하기 위하여 어뢰 탐지 주파수 대역 내에서 발생 되어 입력되는 함정 노이즈 및 장비 노이즈 신호를 제거할 필요가 있었다. 이에 고정적으로 발생되는 자함 노이즈 성분에 대해 입력 주파수에서 제외하는 로직을 추가 하여, 고정적으로 자함 노이즈가 발생하는 주파수 대역에 대해서도 어뢰 탐지 주파수 대역으로 사용할 수 있도록 하였다.
- 자함 노이즈 제거 방법은 입력된 데이터에 대해 방위별 빔형성 수행 후 FFT 처리된 주파수 영역에서 수행하였다. 고정적으로 생성되는 자함 신호에 대해 선택하여 해당 잡음 토널과 인접 토널 신호와의 경계점을 확인 하여 노이즈 주파수 토널 성분의 가장 작은 신호 크기로 해당 자함 노이즈 신호를 마스킹 처리 하였다.
- 주변 해상 환경 및 설치 함정에 따른 입력 범위의 변동에 따라 최대 성능을 발휘할 수 있는 신호의 입력 범위를 확보하기 위하여, AGC 로직을 삽입하였다. 또한 타 장비에서 S/W 적으로 처리되던 AGC 로직을 FPGA로 처리하여 Gain 적용에서 발생될수 있는 딜레이를 최소화 시킬 수 있었다.
- 가로 축이 주파수고 세로 축이 dB값을 표시하고 있으며, 각 측정 주파수별 편차 값을 실선을 통해 표시 하였다. 주파수 및 측정 수치는 보안 관계상 생략 하였다. 측정된 신호의 특징은 하위 주파수 영역에서는 센서 수신 특성이 떨어지고 함정의 자체 노이즈 성분이 크게 발생 되는 것을 볼 수 있다.
- AGC의 상한 경계값과 하한 경계값은 해상 시험시의 입력데이터 레벨을 측정하여 설정하였다. 해상의 입력 신호가 비주기적인 임펄스 신호가 입력 되므로 필요한 신호가 왜곡 되지 않는 레벨을 고려하여 선정하였다. FPGA로 구현된 AGC 로직은 ADC 의 입력값에 대해 rms 전압값을 산정하여 적용하도록 하였다.
이론/모형
- 역보상 커브를 만들기 위해서는 위상 변위가 적은 Bessel Filter를 적용하였다. 만족스러운 주파수 보상 특성을 얻기 위하여 2차 Low pass filter를 3단으로 구성하였다.
성능/효과
- 주변 해상 환경 및 설치 함정에 따른 입력 범위의 변동에 따라 최대 성능을 발휘할 수 있는 신호의 입력 범위를 확보하기 위하여, AGC 로직을 삽입하였다. 또한 타 장비에서 S/W 적으로 처리되던 AGC 로직을 FPGA로 처리하여 Gain 적용에서 발생될수 있는 딜레이를 최소화 시킬 수 있었다.
- 이러한 개선의 결과로 실어뢰를 이용한 어뢰 발사 탐지 시험을 수행 시 성공적인 결과를 나타 낼 수 있었다.
- 주파수 및 측정 수치는 보안 관계상 생략 하였다. 측정된 신호의 특징은 하위 주파수 영역에서는 센서 수신 특성이 떨어지고 함정의 자체 노이즈 성분이 크게 발생 되는 것을 볼 수 있다. 이런 이유로 하위 주파수에서의 측정값은 함정의 노이즈를 포함하여 측정 되었다.
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