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문제 정의
- 본 논문에서는 얕은 수심에서 동작하는 초소형 통신 디바이스를 위한 수중 모뎀을 설계하고 구현 방법을 제시한다. 특히, 송신 증폭부의 최적 설계를 통해 공급전압에 따른 송출 증폭비를 극대화하고 수중에서 구동되는 통신 디바이스의 이동성 지원을 고려하여 수신 필터의 대역폭 및 수신 증폭기의 증폭비를 디바이스의 최대 이동성에 상응하도록 설계하고 디바이스의 이동으로 인해 간헐적으로 발생하게 되는 신호 변화에 과민하게 반응하지 않도록 검파 회로를 최적화하여 설계한다.
- 본 연구에서는 얕은 수심에서 동작하는 소형 수중 디바이스를 위한 음향 모뎀을 설계하고 구현하였다. 송신부에서 최대 약 300 Vpp의 출력 전압을 생성하는 가변 증폭기와 수신부의 성능 개선을 위한 8차 버터워스 필터를 설계하였다.
제안 방법
- 송신부에서 최대 약 300 Vpp의 출력 전압을 생성하는 가변 증폭기와 수신부의 성능 개선을 위한 8차 버터워스 필터를 설계하였다. 개발한 모뎀을 활용하여 최대 수심이 2 m 내외인 호수에서 실증 실험을 수행하였다. 채널모델에 의거한 이론적 수신 전압과의 비교 분석을 통해 수중에서 방사된 음파의 세기는 수심뿐만 아니라 하저면 매질과 수중 지형 및 생물에 의해 영향 받음을 고찰하였고, 거리 및 전송속도에 따른 비트오율 성능을 제시하였다.
- 또한, 모뎀의 아날로그 종단과 초소형 무지향성 트랜스듀서와의 정합 연구를 수행함으로써 이동성을 갖는 수중 디바이스에의 활용이 가능하도록 한다. 개발한 모뎀의 성능을 평가하기 위해 얕은 수심의 호수에서 실험을 수행하고 통신거리 및 전송속도에 따른 수신신호의 크기와 비트오율 특성을 비교 평가한다.
- 그림 3은 디지털 보드에서 DAC (digital-to-analog converter)를 통해 수신된 신호의 증폭을 위해 오프셋을 변경하는 회로이다. 고역통과필터를 사용하여 오프셋 전압을 제거하고 신호 변환 중 발생한 고주파 잡음을 제거하기 위해 저역통과필터를 설계하였다. 상기 저역통과필터를 통해 출력된 신호는 연산증폭기를 거쳐 증폭되며 최대 12V 이내에서 증폭할 수 있도록 설계되었다.
- 이후 다시 한 번 대역통과필터를 거쳐 잔여 잡음을 제거시킨 후, 마지막으로 포락선 검파기를 통해 원 신호를 복원하게 된다. 또한, 디지털 보드와 연동되는 포락선 검파기의 출력 외에 추가적인 출력 신호를 제공함으로써 수신시 필요에 따른 인터럽트 제어가 가능하도록 구성하였다.
- 그림 2의 (a)는 개발한 수중 음향 모뎀의 하드웨어이며, (b)는 수중을 통해 음파를 송출하거나 수신하기 위해 사용된 트랜스듀서이다. 모뎀은 지름 70mm, 높이 40mm의 원형 다층 구조로 설계 되었으며, 기능별로 층을 분리하여 응용이 용이한 형태로 설계되었다. 트랜스듀서는 공진 주파수가 70 kHz인 무지향성 특성을 갖는 구형 트랜스듀서를 사용하였으며, 수중 모뎀의 소형화 및 저전력 구동을 위해 변조방식은 진폭편이변조가 사용되었다.
- 지향성 트랜스듀서는 TrL이 낮다는 장점을 지니나 특정 방향으로만 음파가 송신되므로 고정 형태의 수중 디바이스간 음파 통신에 적합하고, 무지향성 트랜스듀서는 TrL은 다소 높지만 전 방향으로 음파가 송신되므로 이동성 및 브로드캐스팅이 필요한 수중 디바이스에 적합하다. 본 논문에서는 얕은 수심에서 구동하는 수중 이동체에 적합하도록 무지향성 트랜스듀서를 사용하였다.
- 수중 음파 통신은 수중 디바이스의 무선 실시간 제어 및 정보 수집이 가능하게 하고 디바이스의 수중 이동을 원활하게 하므로 수중 통신 시스템 구성의 필수불가결한 요소 중의 하나이다. 본 연구에서는 선행 연구[9,10]를 기반으로 얕은 수심에서 동작하는 수중 디바이스에 적합한 수중 음향 모뎀의 최적 설계를 수행하고 고성능 모뎀을 구현하였다.
- 고역통과필터를 사용하여 오프셋 전압을 제거하고 신호 변환 중 발생한 고주파 잡음을 제거하기 위해 저역통과필터를 설계하였다. 상기 저역통과필터를 통해 출력된 신호는 연산증폭기를 거쳐 증폭되며 최대 12V 이내에서 증폭할 수 있도록 설계되었다.
- 수신 트랜스듀서에서 감지된 낮은 레벨의 음향 신호를 전치증폭기에서 40 dB까지 증폭한 후, 그림 5에 나타낸 대역통과필터를 통해 수중 채널에서 가산된 잡음성분을 제거한다. 설계에 사용된 기본 대역통과필터는 2차 필터이며, 동일한 기본 필터 4개의 직렬 구성을 통해 총 6 dB의 이득을 갖는 8차 버터워스 필터를 설계하였다.
- 송신 모뎀에서는 사전에 지정한 데이터를 포함하는 프레임을 주기적으로 전송하였고 수신 모뎀에서 프레임을 수신시 데이터 비교를 통해 비트오율(bit error rate, BER)을 측정하였다. 한편, 각 프레임은 프리앰블을 포함한 물리계층 헤더 6 바이트와 데이터 255 바이트로 구성하였으며, 이에 따라 전송속도가 1 kbps인 경우 프레임 길이는 2.
- 본 연구에서는 디지털 보드의 프로세서로 ARM Cortex-M3 코어가 내장된 STM32F103ZE를 사용하였다. 송신 아날로그 보드와 수신 아날로그 보드와의 연동을 위해 DAC와 ADC (analog-to-digital converter)를 구성하였으며 UART (universal asynchronous receiver transmitter)와 SPI (serial periphral interface)를 통해 상위 계층 및 외부 컴퓨터와 인터페이스가 가능하도록 설계하였다.
- 본 연구에서는 얕은 수심에서 동작하는 소형 수중 디바이스를 위한 음향 모뎀을 설계하고 구현하였다. 송신부에서 최대 약 300 Vpp의 출력 전압을 생성하는 가변 증폭기와 수신부의 성능 개선을 위한 8차 버터워스 필터를 설계하였다. 개발한 모뎀을 활용하여 최대 수심이 2 m 내외인 호수에서 실증 실험을 수행하였다.
- 실험의 용이성을 위해 각 수중 음향 모뎀의 트랜스듀서만을 수중에 담그었으며, 트랜스듀서의 수중 깊이 h1, h2은 1 m로 고정하였다. 수중 모뎀 구동을 위해 14.8V 리튬 이온 배터리를 전원으로 사용하였으며, 송신 모뎀의 트랜스듀서에 인가되는 입력 전압 VT는 200 Vpp로 고정하였고, 수중 모뎀 간 거리는 50m에서 500m까지 50m 간격으로 증가시키며 실험을 수행하였다.
- 송신 모뎀은 원격 제어가 가능한 작은 보트에 탑재하였고, 수신 모뎀은 호숫가의 데크 근처에 위치시켰다. 실험의 용이성을 위해 각 수중 음향 모뎀의 트랜스듀서만을 수중에 담그었으며, 트랜스듀서의 수중 깊이 h1, h2은 1 m로 고정하였다. 수중 모뎀 구동을 위해 14.
- 개발한 모뎀을 활용하여 최대 수심이 2 m 내외인 호수에서 실증 실험을 수행하였다. 채널모델에 의거한 이론적 수신 전압과의 비교 분석을 통해 수중에서 방사된 음파의 세기는 수심뿐만 아니라 하저면 매질과 수중 지형 및 생물에 의해 영향 받음을 고찰하였고, 거리 및 전송속도에 따른 비트오율 성능을 제시하였다. 실험 결과에 따르면, 구현된 모뎀은 상기 실험 환경에서 약 300m의 거리까지 1 kbps의 전송속도로 10- 5의 비트오율을 갖는 무선 음파 통신 서비스를 제공할 수 있다.
- 모뎀은 지름 70mm, 높이 40mm의 원형 다층 구조로 설계 되었으며, 기능별로 층을 분리하여 응용이 용이한 형태로 설계되었다. 트랜스듀서는 공진 주파수가 70 kHz인 무지향성 특성을 갖는 구형 트랜스듀서를 사용하였으며, 수중 모뎀의 소형화 및 저전력 구동을 위해 변조방식은 진폭편이변조가 사용되었다. 또한, 모뎀의 전원은 응용 분야에 따라 12∼ 30 V 내에서 가변적으로 사용할 수 있도록 설계되었고, 최대 전력소모량은 6W이다.
- 본 논문에서는 얕은 수심에서 동작하는 초소형 통신 디바이스를 위한 수중 모뎀을 설계하고 구현 방법을 제시한다. 특히, 송신 증폭부의 최적 설계를 통해 공급전압에 따른 송출 증폭비를 극대화하고 수중에서 구동되는 통신 디바이스의 이동성 지원을 고려하여 수신 필터의 대역폭 및 수신 증폭기의 증폭비를 디바이스의 최대 이동성에 상응하도록 설계하고 디바이스의 이동으로 인해 간헐적으로 발생하게 되는 신호 변화에 과민하게 반응하지 않도록 검파 회로를 최적화하여 설계한다. 또한, 모뎀의 아날로그 종단과 초소형 무지향성 트랜스듀서와의 정합 연구를 수행함으로써 이동성을 갖는 수중 디바이스에의 활용이 가능하도록 한다.
대상 데이터
- 본 연구를 통해 개발한 수중 음향 모뎀의 성능을 검증하기 위해 강릉시에 위치한 경포 호수에서 실증 실험을 수행하였다. 그림 7 (a)는 경포호의 평면그림으로 호수의 최대 폭은 2.
- 본 연구에서는 디지털 보드의 프로세서로 ARM Cortex-M3 코어가 내장된 STM32F103ZE를 사용하였다. 송신 아날로그 보드와 수신 아날로그 보드와의 연동을 위해 DAC와 ADC (analog-to-digital converter)를 구성하였으며 UART (universal asynchronous receiver transmitter)와 SPI (serial periphral interface)를 통해 상위 계층 및 외부 컴퓨터와 인터페이스가 가능하도록 설계하였다.
- 송신 모뎀에서는 사전에 지정한 데이터를 포함하는 프레임을 주기적으로 전송하였고 수신 모뎀에서 프레임을 수신시 데이터 비교를 통해 비트오율(bit error rate, BER)을 측정하였다. 한편, 각 프레임은 프리앰블을 포함한 물리계층 헤더 6 바이트와 데이터 255 바이트로 구성하였으며, 이에 따라 전송속도가 1 kbps인 경우 프레임 길이는 2.088 s, 2 kbps인 경우 1.044 s로 결정되었다. 매 실험 조건에서 BER을 획득하기 위해 100 개의 프레임을 송신하였으므로, BER 측정의 해상도, 즉, 측정 가능한 최소의 BER은 4.
성능/효과
- 채널모델에 의거한 이론적 수신 전압과의 비교 분석을 통해 수중에서 방사된 음파의 세기는 수심뿐만 아니라 하저면 매질과 수중 지형 및 생물에 의해 영향 받음을 고찰하였고, 거리 및 전송속도에 따른 비트오율 성능을 제시하였다. 실험 결과에 따르면, 구현된 모뎀은 상기 실험 환경에서 약 300m의 거리까지 1 kbps의 전송속도로 10- 5의 비트오율을 갖는 무선 음파 통신 서비스를 제공할 수 있다. 본 연구를 통해 개발한 수중 음향 모뎀은 얕은 수심의 고정형 수중 노드 또는 이동형 수중 이 동체에 적용되어 궁극적으로는 음파 통신 기반의 다양한 수중 응용 시스템 구축에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 한편, 트랜스듀서는 음파의 방사 형태에 따라 지향성과 무지향성으로 구분된다. 지향성 트랜스듀서는 TrL이 낮다는 장점을 지니나 특정 방향으로만 음파가 송신되므로 고정 형태의 수중 디바이스간 음파 통신에 적합하고, 무지향성 트랜스듀서는 TrL은 다소 높지만 전 방향으로 음파가 송신되므로 이동성 및 브로드캐스팅이 필요한 수중 디바이스에 적합하다. 본 논문에서는 얕은 수심에서 구동하는 수중 이동체에 적합하도록 무지향성 트랜스듀서를 사용하였다.
- 실험 결과에 따르면, 수신 신호의 세기는 실험 장소의 수심이 매우 얕음에도 불구하고 원통형 확산 모델이 아닌 구형 확산에 거의 근접함을 확인할 수 있는데 이는 다음의 두 가지 근거에 의해 해석될 수 있다. 첫째, 원통형 확산을 따르기 위해서는 수중 채널의 상단부와 하단부 경계를 통해 도파관이 형성될 수 있도록 수표면과 하저면의 반사계수가 모두 1에 가까워야 한다. 그러나 경포호의 하저면은 음파의 흡수가 용이한 퇴적물로 구성되어 있으므로 음파의 빠른 감쇄를 유도하는 것으로 유추할 수 있다.
후속연구
- 특히, 송신 증폭부의 최적 설계를 통해 공급전압에 따른 송출 증폭비를 극대화하고 수중에서 구동되는 통신 디바이스의 이동성 지원을 고려하여 수신 필터의 대역폭 및 수신 증폭기의 증폭비를 디바이스의 최대 이동성에 상응하도록 설계하고 디바이스의 이동으로 인해 간헐적으로 발생하게 되는 신호 변화에 과민하게 반응하지 않도록 검파 회로를 최적화하여 설계한다. 또한, 모뎀의 아날로그 종단과 초소형 무지향성 트랜스듀서와의 정합 연구를 수행함으로써 이동성을 갖는 수중 디바이스에의 활용이 가능하도록 한다. 개발한 모뎀의 성능을 평가하기 위해 얕은 수심의 호수에서 실험을 수행하고 통신거리 및 전송속도에 따른 수신신호의 크기와 비트오율 특성을 비교 평가한다.
- 실험 결과에 따르면, 구현된 모뎀은 상기 실험 환경에서 약 300m의 거리까지 1 kbps의 전송속도로 10- 5의 비트오율을 갖는 무선 음파 통신 서비스를 제공할 수 있다. 본 연구를 통해 개발한 수중 음향 모뎀은 얕은 수심의 고정형 수중 노드 또는 이동형 수중 이 동체에 적용되어 궁극적으로는 음파 통신 기반의 다양한 수중 응용 시스템 구축에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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