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문제 정의
- 본 논문에서는 서브미터급 이하의 초고해상도 광대역 영상레이더 시스템 규격 설정을 위한 모델링 및 분석 방법을 연구하였다. 시간, 주파수 및 Numeric 영역에서 아날로그, RF 및 디지털 신호처리 해석을 통합할 수 있는 시스템 시뮬레이션 툴인 Agilent 사의 ADS Ptolemy DF를 이용하여 모델링 및 시뮬레이션을 수행하였다.
제안 방법
- DF 시뮬레이터에서 제공하는 DSP(Digital Signal Processing) 라이브러리를 이용하여 SAR chirp 신호의 I/Q 파형 발생 및 SSB(Single SideBand) 변복조 기능을 모델링하였으며, RF 채널에 대해서는 제작사에서 제공하는 S-파라미터 결과를 이용하여 DF에서 제공하는 RF 라이브러리에 등가적인 모델링을 수행하였다. 최종적으로 DSP와 RF 채널의 연동 시뮬레이션을 통하여 SAR 시스템 전반적인 해석을 수행함으로써 상세 설계 규격을 도출하였다.
- SAR 시스템 시뮬레이션 회로도는 그림 6과 같다. SAR 시스템 장치의 개별 부품에 대한 모델링하고, 전체 회로에 대한 시뮬레이션을 수행하여 송신 채널, 수신 채널, 그리고 송수신 채널에 대하여 분석하였다.
- 최종적으로 DSP와 RF 채널의 연동 시뮬레이션을 통하여 SAR 시스템 전반적인 해석을 수행함으로써 상세 설계 규격을 도출하였다. SAR 시스템에서 설계된 부품은 제조사의 S-파라미터를 기준으로 DF에서 제공하는 모델로 등가화하였으며, 표 1에 정의된 오차 원인에 대해서는 추가적으로 표 2와 같이 모델링을 적용하였다.
- SAR 전체 성능을 평가하기 위한 IRF 분석이 SAR운용 모드별로 수행되었다. 통제 장치와 송수신 장치 전체 경로에 대한 펄스 진폭/위상 오차 분석은 이상적인 입력 신호를 인가하여 최종 IF 수신기 출력단에서 출력되는 오차 성분이 포함된 신호에 대한 IRF 분석을 통하여 수행하였다[4].
- 시스템의 하드웨어 성능에 영향을 미치는 오차 변수를 정의하고, 이들 오차 변수의 오차 원인이 되는 부품 특성을 모델링하였다. TSDF 모델링 기법을 이용하여 순방향 전송 임펄스 특성, 고주파 소자의 비선형 특성, 채널간 전파 특성, 주파수 합성기 위상 잡음, TWTA의 진폭/위상 특성, 그리고 파형 발생기의 샘플링 주파수 및 I/Q 밸런스 등에 대한 모델링을 수행하여 최종 IRF 분석을 통한 SAR 시스템에 대한 규격을 정의하였다.
- TWTA 비선형 특성 모델링은 그림 2와 같으며, TWTA의 collector, grid 및 cathode에서 발생하는 리플 및 스파이크에 의한 진폭 및 위상의 시간 변화량을 수학적으로 모델링하여 TWTA에서 발생하는 진폭 안정도, 위상 안정도와 위상 처짐(phase droop) 비선형 특성을 TWTA 동작에 반영하였다.
- IF 수신기 출력을 보면, 그림 8과 같이 표준모드에서는 chirp 신호가 출력되고, 고해상도 모드에서는 도플러 주파수에 해당하는 단일 주파수 신호가 출력된다. 그림 8의 분석 결과를 이용하여 전력안정도, 대역폭, 펄스폭, 수신 잡음 지수, 수신 동적 범위, IF 필터 대역폭, P1dB 등의 규격 분석을 수행하였다.
- 수신 동적 범위는 송수신 전단 장치의 수신 입력에 시간차를 갖는 두 신호를 입력하여 IF 수신기 출력단에서의 신호에 대한 IRF 성능을 분석하였다. 두 입력 신호에서 하나의 신호는 기준 신호로 사용하고, 다른 신호는 이득 조절을 행하여 IRF 최고점이 보일 때의 이득 조절값을 수신 동적 범위로 규정하였다. 그림 (a)에서 IF 수신기 출력에서의 두 개의 IRF를 볼 수 있으며, 그림 (b)에서와 같이 기준 신호를 대비하여 이득 조절값이 40 dB일 때 IRF 최고점이 사라지는 것을 확인하였다.
- 송신 채널에 대한 분석은 다음과 같다. 먼저 파형 발생기의 I/Q 불균형 특성과 샘플링 주파수를 선정하였다. 고주파 변환장치 내에 위치하는 주파수 체배기에 의하여 중심 주파수와 대역폭이 4배 증가하는 것을 최종 단에서의 출력 스펙트럼을 통하여 확인하였으며, 구현 부품으로부터 발생하는 오차에 의하여 출력 스펙트럼에서 스퓨리어스 특성이 달라지는 것을 분석하였다.
- 본 논문에서 모델링 및 시뮬레이션은 Agilent사의 ADS Ptolemy DF 시뮬레이터를 이용하여 디지털 신호처리 분야와 RF 채널간의 특성을 모델링하여 같은 Solver 안에서 동시에 시뮬레이션하여 SAR 시스템의 전체 특성을 해석하였다. 표 2는 ADS Ptolemy DF 해석 기법의 주요 기능에 대한 설명을 나타내고 있으며, 시간, 주파수 및 Numeric 영역에서 다양한 해석 Solver들을 연동하여 해석하는 개념을 설명하고 있다[2] .
- 본 논문에서 제안하는 X-대역 영상 레이더 시스템은 그림 1과 같이 통제 장치, 송수신 장치 및 안테나로 구성되며, 송수신 장치는 고주파 변환 장치, 고출력 송신 장치 그리고 송수신 전단 장치로 구성된다.
- ADS에서 제공하는 위상 잡음 구현 부품인 N_Tones은 개별 주파수별 위상 잡음값을 적용 하여 정확한 위상 잡음 모델링이 가능하지만, 시뮬 레이션 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 본 논문에서는 Allan 변수를 이용하여 주파수 합성기에서 생성하는 주파수별로 주파수와 위상 지터 값을 계산하였고, 이를 Numeric 영역에서 구현하였다. 오실레이터의 Allan 변수는 식 (1)과 같이 정의된다.
- 정밀 표적 식별을 위하여 서브미터급 이하의 초고해상도 광대역 영상 레이더에 대한 수요가 점차 증가하고 있으며, 해상도를 만족하기 위하여 레이더 펄스 대역폭이 수백 MHz 이상인 광대역 신호처리와 장시간의 영상 형성 시간 동안 안정적인 위상 특성이 필요하다[1] . 본 논문에서는 영상 레이더 시스템 개발을 위하여 송수신 신호에 대한 오차 성분을 식별하고, 오차 원인이 되는 부품에 대한 특성을 모델링함으로써 최종적으로 임펄스 응답 특성(Impulse Response Function: IRF) 분석을 통하여 시스템의 요구 규격을 도출하였다. 논문의 Ⅱ장에서는 SAR 시스템 구조 및 오차 정의를 토대로 오차 성분에 대한 모델링 및 시뮬레이션을 수행하여 SAR 시스템 요구 규격 결과를 제시하였고, Ⅲ장에서는 결론을 내리도록 한다.
- SAR 운용 모드별 방위 방향 IRF 분석 결과를 표 3에 정리하였다. 분석 결과를 토대로 SAR 시스템 및 개별 장치에 대한 펄스 진폭/위상 오차 규격을 정의하였다. 이상적인 신호의 IRF 값을 기준으로 설계된 SAR 시스템의 해상도 저하가 5%이내, PSLR 18 dB, ISLR 14 dB 이하를 만족할 때의 펄스 오차를 규격으로 설정하였다.
- 통제 장치와 송수신 장치 전체 경로에 대한 펄스 진폭/위상 오차 분석은 이상적인 입력 신호를 인가하여 최종 IF 수신기 출력단에서 출력되는 오차 성분이 포함된 신호에 대한 IRF 분석을 통하여 수행하였다[4]. 송신 채널과 수신 채널 사이에 송신 및 수신 안테나의 이득 특성과 대기 손실 특성을 반영하였다.
- 고주파 변환장치 내에 위치하는 주파수 체배기에 의하여 중심 주파수와 대역폭이 4배 증가하는 것을 최종 단에서의 출력 스펙트럼을 통하여 확인하였으며, 구현 부품으로부터 발생하는 오차에 의하여 출력 스펙트럼에서 스퓨리어스 특성이 달라지는 것을 분석하였다. 송신 채널에 대한 분석 결과를 그림 7에 나타냈으며, 이를 이용하여 전력 안정도, 대역폭, 펄스폭, I/Q 채널 밸런스, D/A 변환기 샘플링 주 파수, P1dB, TWTA 위상 흐름 등의 규격 분석을 수행하였다.
- 그림 9는 수신 동적 범위에 대한 분석 결과를 나타낸 것이다. 수신 동적 범위는 송수신 전단 장치의 수신 입력에 시간차를 갖는 두 신호를 입력하여 IF 수신기 출력단에서의 신호에 대한 IRF 성능을 분석하였다. 두 입력 신호에서 하나의 신호는 기준 신호로 사용하고, 다른 신호는 이득 조절을 행하여 IRF 최고점이 보일 때의 이득 조절값을 수신 동적 범위로 규정하였다.
- 스퓨리어스/고조파 분석 결과는 그림 10과 같이 대역 내 스퓨리어스와 대역 외 스퓨리어스, 그리고 고조파로 구분하여 수행하였으며, 이상적인 신호의 IRF 대비 스퓨리어스 및 고조파 발생에 의한 IRF 특성을 분석하였다. 스퓨리어스가 약 50 dBc 이하이고 고조파가 40 dBc 이하일 때 IRF 성능 저하가 거의 없음을 확인하였다.
- 본 논문에서는 서브미터급 이하의 초고해상도 광대역 영상레이더 시스템 규격 설정을 위한 모델링 및 분석 방법을 연구하였다. 시간, 주파수 및 Numeric 영역에서 아날로그, RF 및 디지털 신호처리 해석을 통합할 수 있는 시스템 시뮬레이션 툴인 Agilent 사의 ADS Ptolemy DF를 이용하여 모델링 및 시뮬레이션을 수행하였다. 시스템의 하드웨어 성능에 영향을 미치는 오차 변수를 정의하고, 이들 오차 변수의 오차 원인이 되는 부품 특성을 모델링하였다.
- 시간, 주파수 및 Numeric 영역에서 아날로그, RF 및 디지털 신호처리 해석을 통합할 수 있는 시스템 시뮬레이션 툴인 Agilent 사의 ADS Ptolemy DF를 이용하여 모델링 및 시뮬레이션을 수행하였다. 시스템의 하드웨어 성능에 영향을 미치는 오차 변수를 정의하고, 이들 오차 변수의 오차 원인이 되는 부품 특성을 모델링하였다. TSDF 모델링 기법을 이용하여 순방향 전송 임펄스 특성, 고주파 소자의 비선형 특성, 채널간 전파 특성, 주파수 합성기 위상 잡음, TWTA의 진폭/위상 특성, 그리고 파형 발생기의 샘플링 주파수 및 I/Q 밸런스 등에 대한 모델링을 수행하여 최종 IRF 분석을 통한 SAR 시스템에 대한 규격을 정의하였다.
- SAR 시스템에 대한 모델링 및 분석을 통해 정의된 시스템 규격을 표 4에 정리하였다. 여기에서, 주파수 합성기 위상 잡음 값은 다수의 LO 신호 중에서 1,050 MHz 신호에 대한 규격을 제시하였다.
- 분석 결과를 토대로 SAR 시스템 및 개별 장치에 대한 펄스 진폭/위상 오차 규격을 정의하였다. 이상적인 신호의 IRF 값을 기준으로 설계된 SAR 시스템의 해상도 저하가 5%이내, PSLR 18 dB, ISLR 14 dB 이하를 만족할 때의 펄스 오차를 규격으로 설정하였다.
- 정확한 위상 잡음 모델링을 위하여 두 결과에 대한 위상 잡음 스펙트럼 결과를 비교하였으며, 최종적으로 Allan 변수를 이용한 모델링을 시뮬레이션에 적용하여 주파수에 따른 위상 잡음 규격을 도출하였다. 그림 4는 주파수 합성기에서 발생하는 다수의 LO 신호 중에서 1,050 MHz 신호에 대한 위상 잡음 모델링 방법을 나타낸 것이다.
- DF 시뮬레이터에서 제공하는 DSP(Digital Signal Processing) 라이브러리를 이용하여 SAR chirp 신호의 I/Q 파형 발생 및 SSB(Single SideBand) 변복조 기능을 모델링하였으며, RF 채널에 대해서는 제작사에서 제공하는 S-파라미터 결과를 이용하여 DF에서 제공하는 RF 라이브러리에 등가적인 모델링을 수행하였다. 최종적으로 DSP와 RF 채널의 연동 시뮬레이션을 통하여 SAR 시스템 전반적인 해석을 수행함으로써 상세 설계 규격을 도출하였다. SAR 시스템에서 설계된 부품은 제조사의 S-파라미터를 기준으로 DF에서 제공하는 모델로 등가화하였으며, 표 1에 정의된 오차 원인에 대해서는 추가적으로 표 2와 같이 모델링을 적용하였다.
- 통제 장치는 I/Q 메모리맵 방식과 SSB 변조기를 이용하여 Chirp 신호를 발생하는 파형발생기, 수신 신호를 A/D 변환하여 신호처리하는 기저 대역 처리기 및 신호처리 장치(SAR Processor), SAR 시스템을 통제/운용하는 제어기 등으로 구성된다. 고주파 변환장치는 입력 신호를 상향 주파수 변환하고, 주파수대역폭을 4배 확장하는 변조기, 기준 신호(Local Oscillator: LO)를 발생하는 주파수 합성기, 수신 신호를 주파수 하향 변환하고 필터링하는 IF 수신기 등으로 구성된다.
- SAR 전체 성능을 평가하기 위한 IRF 분석이 SAR운용 모드별로 수행되었다. 통제 장치와 송수신 장치 전체 경로에 대한 펄스 진폭/위상 오차 분석은 이상적인 입력 신호를 인가하여 최종 IF 수신기 출력단에서 출력되는 오차 성분이 포함된 신호에 대한 IRF 분석을 통하여 수행하였다[4]. 송신 채널과 수신 채널 사이에 송신 및 수신 안테나의 이득 특성과 대기 손실 특성을 반영하였다.
- 파형 발생을 위한 샘플링 주파수와 I/Q 채널간 불균형에 의한 주파수 스펙트럼 특성을 그림 3과 같이 모델링하여 분석하였다. 파형 발생기에서 생성된 I/Q 출력 파형의 대역폭은 고주파 변환 장치 내부의 주파수 체배기(4체배)에 의해 대역폭이 확장되며, I/Q 채널간 불균형 특성 값에 따라 대역 확장시 주파수 재성장 스펙트럴 크기가 결정되므로, 이를 고려 하여 샘플링 주파수와 채널간 진폭 및 위상 값의 규격을 도출하였다[3].
- (b)는 두 모델링 방법에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 것으로 전달 특성과 그룹 지연 특성을 나타낸 것이다. 필터 모델링에서는 이들 특성과 반사 손실 특성 및 스커트 특성을 고려하여 필터 변수를 설정하였다.
- 필터 모델링은 RF 영역의 S-parameters 시뮬레이션을 이용하여 필터 특성을 시뮬레이션하고, DF에서 제공하는 필터 라이브러리의 변수 값을 조정함으로써 특성(삽입 손실, 그룹 지연 및 스커트 특성 등)을 비교하여 S-parameters를 DF 모델로 등가화시킴으로써 시스템 시뮬레이션 수행시간을 단축시켰다. 그림 5는 필터 모델링 방법을 도시한 것으로 (a)는 RF 영역의 S-parameters 시뮬레이션에서 S2P 파일을 적용한 모델링과 이를 모사하기 위한 필터 변수를 설정한 모델링이다.
이론/모형
- 주파수 합성기의 위상 잡음 모델링은 시간영역에서의 Allan 변수를 이용한 모델링을 시뮬레이션에 적용하였다. ADS에서 제공하는 위상 잡음 구현 부품인 N_Tones은 개별 주파수별 위상 잡음값을 적용 하여 정확한 위상 잡음 모델링이 가능하지만, 시뮬 레이션 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
성능/효과
- 먼저 파형 발생기의 I/Q 불균형 특성과 샘플링 주파수를 선정하였다. 고주파 변환장치 내에 위치하는 주파수 체배기에 의하여 중심 주파수와 대역폭이 4배 증가하는 것을 최종 단에서의 출력 스펙트럼을 통하여 확인하였으며, 구현 부품으로부터 발생하는 오차에 의하여 출력 스펙트럼에서 스퓨리어스 특성이 달라지는 것을 분석하였다. 송신 채널에 대한 분석 결과를 그림 7에 나타냈으며, 이를 이용하여 전력 안정도, 대역폭, 펄스폭, I/Q 채널 밸런스, D/A 변환기 샘플링 주 파수, P1dB, TWTA 위상 흐름 등의 규격 분석을 수행하였다.
- 스퓨리어스/고조파 분석 결과는 그림 10과 같이 대역 내 스퓨리어스와 대역 외 스퓨리어스, 그리고 고조파로 구분하여 수행하였으며, 이상적인 신호의 IRF 대비 스퓨리어스 및 고조파 발생에 의한 IRF 특성을 분석하였다. 스퓨리어스가 약 50 dBc 이하이고 고조파가 40 dBc 이하일 때 IRF 성능 저하가 거의 없음을 확인하였다.
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