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문제 정의
- 본 연구에서는 초소형 수중 음향통신 모뎀의 성능 개선을 목표로 TMS320C6416 DSP와 STM32 MCU 를 장착한 고성능 수중모뎀 디지털 모듈을 설계하고 구현한다. 또한, 본 연구를 통해 개발한 디지털 모듈에 물리계층 알고리듬을 이식하고 선행 연구를 통해 보유하고 있는 아날로그 보드들과 연동하여 수중 통신 실험을 실시함으로써 디지털 모듈의 정상동작 여부와 성능, 향후 확장 가능성에 대해 고찰한다.
- 본 연구에서는 초소형 수중 음향통신 모뎀의 성능 개선을 목표로 TMS320C6416 DSP와 STM32 MCU 를 장착한 고성능 수중모뎀 디지털 모듈을 설계하고 구현한다. 또한, 본 연구를 통해 개발한 디지털 모듈에 물리계층 알고리듬을 이식하고 선행 연구를 통해 보유하고 있는 아날로그 보드들과 연동하여 수중 통신 실험을 실시함으로써 디지털 모듈의 정상동작 여부와 성능, 향후 확장 가능성에 대해 고찰한다.
- . 통상적으로 수중 디바이스는 내장 배터리에 의해 구동되고 배터리 소진시 재충전 또는 교체가 수월하지 않음을 감안하여 개발된 수중 모뎀은 구조와 기능을 최소화하는 것을 목표로 하였다.
제안 방법
- 한편, 수신시 트랜스듀서에서 감지한 음파는 전기적 신호로 변환된 후 아날로그 수신회로에서 증폭과 포락선 검출 과정을 거치게 되고, MCU에서 아날로그-디지털 변환(analog-to-digital conversion, ADC) 및 물리계층 프레임 해석을 통해 정보 데이터의 추정치를 획득하고 상위계층으로 전달한 후 작업을 종료한다. DAC와 ADC의 샘플링 속도는 MCU 내타 작업시간 등을 고려하여 각각 4 MHz와 1 MHz로 설정하였다.
- 본 연구를 통해 초소형 수중 음향통신 모뎀의 디지털 모듈을 설계하고 구현하였다. 개발되는 모듈의 효율성과 성능을 증대시키기 위해 여러 장치와의 연동 및 제어 기능은 MCU에 할당하였고 고성능 물리계층 알고리듬 처리는 DSP가 전담하도록 하였다. 물리계층 프레임 생성 및 복구 기능과 길쌈부호기 및 복호기를 DSP에 구현하였으며 수조와 연못에서 실험을 수행함으로써 개발된 디지털 보드의 기능과 성능을 검증, 분석하였다.
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4.1 물리계층 프레임 형성 및 복구
구현한 DSP 기반 디지털 모듈을 검증하고 활용하기 위해서 수중 음향통신의 송신시 물리계층의 프레임을 형성하고 수신시 프레임을 복구하는 기능을 DSP 에 할당하였다.
- 수신 과정을 그림 7을 참고로 하여 설명하면, DSP는 수신시 MCU로부터 부호화된 정보 PSDU의 추정치를 전달받는다. 그 후 비터비 복호를 수행하여 MPDU의 추정치를 획득하고, 여기에 프리미티브 종류, MPDU 길이, 수중 채널 품질 필드를 추가하여 MCU로 전달한다.
- 여기서, PSDU의 길이는 MPDU 의 두 배가 됨을 유의한다. 그 후, 프리앰블, SFD, 프레임 길이 필드를 부가하여 물리계층 전송 프레임을 생성하고 MCU로 전달하여 수중 채널로 전송되도록 한다. 수신 과정을 그림 7을 참고로 하여 설명하면, DSP는 수신시 MCU로부터 부호화된 정보 PSDU의 추정치를 전달받는다.
- 둘째, 물리계층의 변복조 방식에 있어서 구조가 간단하여 소형화에 용이하고 복잡한 신호처리 과정을 필요로 하지 않는 이진 진폭 편이 변조와 포락선 검출 기법을 적용하되, 수중채널에서 발생하는 다중경로에 의한 성능 열화를 경감시키기 위해 매 심볼구간을 전송구간과 보호구간으로 분리하여 구성하였다. 끝으로 원형 기판의 복층 구조 설계를 통해 유선형 등 곡선 형태의 외관을 갖는 수중 디바이스의 협소한 공간에 탑재가 용이하도록 하였다.
- 그림 1에 나타내었듯이 상기 트랜스듀서는 구 형태를 가지며 이로 인해 무지향성 방 사와 흡음의 특성을 지닌다. 둘째, 물리계층의 변복조 방식에 있어서 구조가 간단하여 소형화에 용이하고 복잡한 신호처리 과정을 필요로 하지 않는 이진 진폭 편이 변조와 포락선 검출 기법을 적용하되, 수중채널에서 발생하는 다중경로에 의한 성능 열화를 경감시키기 위해 매 심볼구간을 전송구간과 보호구간으로 분리하여 구성하였다. 끝으로 원형 기판의 복층 구조 설계를 통해 유선형 등 곡선 형태의 외관을 갖는 수중 디바이스의 협소한 공간에 탑재가 용이하도록 하였다.
- 디지털 모듈에 전원을 공급하기 위해 두 종류의 레 귤레이터 회로를 설계, 구현하였다. 우선, 3.
- 디지털 모듈의 MCU와 DSP 간 데이터 송수신을 위해 SPI 프로토콜을 활용한 인터페이스를 구현하였다. 여기서, MCU를 마스터, DSP를 슬레이브로 설정 하였고 MCU의 클록 속도를 SPI 전송의 최대 속도로 설정하였다.
- 개발되는 모듈의 효율성과 성능을 증대시키기 위해 여러 장치와의 연동 및 제어 기능은 MCU에 할당하였고 고성능 물리계층 알고리듬 처리는 DSP가 전담하도록 하였다. 물리계층 프레임 생성 및 복구 기능과 길쌈부호기 및 복호기를 DSP에 구현하였으며 수조와 연못에서 실험을 수행함으로써 개발된 디지털 보드의 기능과 성능을 검증, 분석하였다.
- TMS320C6416 DSP는 외부메모리 연결을 위해두개의 인터페이스, EMIFA와 EMIFB를 지원한다. 본 구현을 위해 선정한 SDRAM은 32 비트 워드를 가지므로 최대 64 비트 인터페이스를 지원하는 EMIFA를 사용하여 연결하였고, 8 비트 또는 16 비트 워드를 지원하는 플래쉬 메모리는 최대 16 비트 인터페이스를 지원하는 EMIFB에 연결하여 사용하였다.
- 본 연구를 통해 초소형 수중 음향통신 모뎀의 디지털 모듈을 설계하고 구현하였다. 개발되는 모듈의 효율성과 성능을 증대시키기 위해 여러 장치와의 연동 및 제어 기능은 MCU에 할당하였고 고성능 물리계층 알고리듬 처리는 DSP가 전담하도록 하였다.
- 이에, 본 연구를 통해 개발한 디지털 모듈의 DSP에 채널부호의 일종인 길쌈부호를 탑재하고 검증하였다. 부호율이 1/2이고 생성 다항식 {7,5}8를 갖는 길쌈부호기를 사용하였고 복호 방식으로는 비터비 복호를 적용하였다. 길쌈부호기로 입력되는 정보 데이터 MPDU의 길이는 16 바이트로 고정하였다.
- 그림 8은 수조와 연못 실험 환경을 나타내는 수중 채널 응답의 실측값이다. 수중 통신 성능 검증 실험을 위해 전송 속도는 1 kbps로 고정하였고 송신 전압 크기를 변경하면서 수신 성능을 측정하였다. 한편, 70 kHz의 공진주파수와 1 kbps의 전송속도에서는 정보비트 ‘1’을 전송하기 위해 최대 70 순환 주기의 정현파를 사용할 수 있는데, 그 중 5개의 정현파만을 생성하여 활용하고 나머지 구간은 보호구간으로 남겨둠으로써 다중경로 신호에 의한 성능 열화를 줄이고자 하였다.
- 그림 3은 본 연구를 통해 개발하는 수중 모뎀의 블록도이다. 시스템 구성에 있어서 그림의 우측에 나타낸 종래에 개발한 MCU 기반의 수중 모뎀에 DSP, RAM, ROM 등을 추가하였다. 즉, 상위계층과의 연동, 아날로그 트랜시버와의 인터페이스, DAC와 ADC 등은 MCU에서 처리하도록 하고 DSP에서는 높은 연산량을 갖는 물리계층 알고리듬 수행을 전담하게 함으로써 디지털 모듈의 효율성과 성능을 동시에 제고하도록 설계하였다.
- 디지털 모듈의 MCU와 DSP 간 데이터 송수신을 위해 SPI 프로토콜을 활용한 인터페이스를 구현하였다. 여기서, MCU를 마스터, DSP를 슬레이브로 설정 하였고 MCU의 클록 속도를 SPI 전송의 최대 속도로 설정하였다. 그림 5는 MCU와 DSP 간의 SPI 통신을 위해 사용한 프레임 구조로, 통신의 시작과 끝을 알리는 1 바이트 필드를 각각 프레임 앞뒤에 할당하였고 프레임 길이 및 전송 데이터를 포함하여 프레임을 구성하였다.
- 디지털 모듈에 전원을 공급하기 위해 두 종류의 레 귤레이터 회로를 설계, 구현하였다. 우선, 3.3 V와 1.4 V의 구동 전압을 필요로 하는 DSP를 위해 듀얼 채널의 출력 전압을 제공하는 TPS55386 전원부 회로를 설계하였다. 상기 회로의 입력 전압은 4.
- 수중 생태 및 물성 등에 기인하여 시변 주파수 선택적 특성을 갖는 수중 음향채널을 통해 전송된 데이터의 신뢰성을 높이기 위한 방법으로 채널부호의 적용이 고려될 수 있다. 이에, 본 연구를 통해 개발한 디지털 모듈의 DSP에 채널부호의 일종인 길쌈부호를 탑재하고 검증하였다. 부호율이 1/2이고 생성 다항식 {7,5}8를 갖는 길쌈부호기를 사용하였고 복호 방식으로는 비터비 복호를 적용하였다.
- 시스템 구성에 있어서 그림의 우측에 나타낸 종래에 개발한 MCU 기반의 수중 모뎀에 DSP, RAM, ROM 등을 추가하였다. 즉, 상위계층과의 연동, 아날로그 트랜시버와의 인터페이스, DAC와 ADC 등은 MCU에서 처리하도록 하고 DSP에서는 높은 연산량을 갖는 물리계층 알고리듬 수행을 전담하게 함으로써 디지털 모듈의 효율성과 성능을 동시에 제고하도록 설계하였다.
- 상기 설계 조건을 충족시키기 위해 모뎀 개발에 있어서 다음의 세 가지 방법을 적용하였다. 첫째, 전기신호와 음향신호 간 상호 변환 기능을 수행하는 수중트랜스듀서로 지름과 공진주파수는 34 mm, 70 kHz 이고 공진시 송신전압응답(transmitting voltage response, TVR) 147 dB, 수신전압응답(receiving voltage response, RVR) -200 dB를 갖는 초소형 트랜스듀서를 사용하였다. 그림 1에 나타내었듯이 상기 트랜스듀서는 구 형태를 가지며 이로 인해 무지향성 방 사와 흡음의 특성을 지닌다.
- 프레임 형성 및 복구를 위한 DSP 코딩을 실시한 후 검증을 위해 수조와 연못에서 실험을 실시하였다. 실험용 수중 모뎀을 구성하기 위해 선행 연구를 통해 획득한 아날로그 송수신 모듈과 본 연구를 통해 신규 제작한 디지털 모듈을 결합하여 사용하였다.
- 여기서, 채널부호를 사용하지 않을 경우 MPDU 와 PSDU(PHY service data unit)는 서로 동일하다. 프리앰블로는 0xAAAAAAAA 값을 갖는 4 바이트를 사용하였는데, 수신기에서 검출한 데이터 패턴과 미리 저장되어 있는 프리앰블과 비교함으로써 프레임 동기를 획득한다. 유효 프레임의 시작을 나타내는 SFD 필드로는 0xFF, 1 바이트를 사용하였고, PDSU의 길이를 나타내는 프레임 길이 필드에 1 바이트를 할당함으로써 한 개의 프레임에 실릴 수 있는 PSDU의 길이를 255 바이트로 한정하였다.
- 한편, 70 kHz의 공진주파수와 1 kbps의 전송속도에서는 정보비트 ‘1’을 전송하기 위해 최대 70 순환 주기의 정현파를 사용할 수 있는데, 그 중 5개의 정현파만을 생성하여 활용하고 나머지 구간은 보호구간으로 남겨둠으로써 다중경로 신호에 의한 성능 열화를 줄이고자 하였다.
- 또한, 최대 3 A의 출력 전류를 지원하므로 DSP의 안정적인 동작을 보장한다. 한편, MCU에 전원을 공급하기 위해 4~5 V를 입력받아 최대 0.5 A, 3.3 V의 출력을 제공하는 MIC5219 레귤레이터 회로를 추가하였다.
- 타이머를 활용하여 길쌈부호화 처리시간과 비터비 복호 처리시간을 측정한 결과, 각각 55 μs와 607 μs가 필요함을 관측할 수 있었다. 한편, 길쌈부호기, 복호기의 연산량은 정보 데이터의 길이에 정비례하므로 프레임 처리시간을 정보 데이터 길이로 나누어 단위 비트당 처리시간을 환산하였다. 일례로, 전송속도 1 kbps를 제공하기 위한 부호화 및 복호화에 0.
대상 데이터
- 디지털 모듈의 주 프로세서로 Cortex-M3 코어를 탑재한 STM32F103을 사용하였다. 72 MHz의 클록 속도로 동작하는 상기 MCU는 512 KB 플래쉬 메모리, 64 KB SRAM, 12비트 DAC와 ADC 등의 주변 장치들을 포함하고 있으며 UART, 직렬 주변장치 인터페이스(serial peripheral interface, SPI), 범용 직렬 버스(universal serial bus, USB) 등의 다양한 통신 인터페이스를 지원하므로 여러 장치와 연동되어 간단하면서도 다양한 기능을 수행하는 주 프로세서로 적합하다.
- 실험용 수중 모뎀을 구성하기 위해 선행 연구를 통해 획득한 아날로그 송수신 모듈과 본 연구를 통해 신규 제작한 디지털 모듈을 결합하여 사용하였다. 실험 장소로 활용한 수조는 가로, 세로, 높이가 각각 3.0 m, 0.7 m, 0.6 m이고, 송수신 모뎀의 트랜스듀서간 거리는 0.2 m로 고정하였다. 또한, 연못의 길이와 폭은 60 m, 40 m, 깊이는 최대 5 m이고, 연못 실험의 송수신 모뎀간 거리는 15 m로 고정하였다.
- 프레임 형성 및 복구를 위한 DSP 코딩을 실시한 후 검증을 위해 수조와 연못에서 실험을 실시하였다. 실험용 수중 모뎀을 구성하기 위해 선행 연구를 통해 획득한 아날로그 송수신 모듈과 본 연구를 통해 신규 제작한 디지털 모듈을 결합하여 사용하였다. 실험 장소로 활용한 수조는 가로, 세로, 높이가 각각 3.
- 프리앰블로는 0xAAAAAAAA 값을 갖는 4 바이트를 사용하였는데, 수신기에서 검출한 데이터 패턴과 미리 저장되어 있는 프리앰블과 비교함으로써 프레임 동기를 획득한다. 유효 프레임의 시작을 나타내는 SFD 필드로는 0xFF, 1 바이트를 사용하였고, PDSU의 길이를 나타내는 프레임 길이 필드에 1 바이트를 할당함으로써 한 개의 프레임에 실릴 수 있는 PSDU의 길이를 255 바이트로 한정하였다.
- 한편, 프레임 단위의 처리가 수행되는 고성능 물리 계층 알고리듬들은 통상적으로 대용량의 저장 공간을 필요로 하므로 DSP 내부 메모리만으로는 구현이 어려울 수 있다. 이에 DSP가 지원하는 2개의 EMIF를 활용 하여 외부의 메모리, 즉, 8MB 용량의 SDRAM (MT48LC2M)과 512 KB의 플래쉬 메모리 (MX29LV) 를 증설 탑재하였다.
이론/모형
- 한편, MCU와 상위계층 간 통신 인터페이스로는 UART 프로토콜을 사용하였다.
성능/효과
- 길쌈부호가 탑재된 디지털 모듈의 수조와 연못 실험 결과를 그림 9에 실선으로 표기하였다. 결과에 따르면, 송신 세기를 증가시킬수록 수신 성능이 개선됨은 물론 채널부호를 사용하지 않은 경우에 비해 상당한 성능 개선 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
- 3 V를 의미한다. 그림에서 점선으로 표시된 것이 DSP에서 프레임 형성 및 복구만을 처리할 경우의 결과이며 송신 세기를 증가시킬수록 수신 성능이 점차 개선됨을 확인할 수 있다.
- 타이머를 활용하여 길쌈부호화 처리시간과 비터비 복호 처리시간을 측정한 결과, 각각 55 μs와 607 μs가 필요함을 관측할 수 있었다.
후속연구
- 개발된 DSP 기반 디지털 모듈의 연산량 분석에 따르면 1 kbps 전송 속도를 지원하는 길쌈부호 처리를 위해 요구되는 연산량이 DSP의 가용 연산 능력의 1%이내에 불과하다. 따라서, 향후 터보부호, OFDM, 채널 추정 및 보상 기법 등의 알고리듬들을 구축된 DSP 기반 하드웨어 플랫폼에 탑재하는 연구를 수행함으로써 수중 모뎀의 성능 향상을 모색할 수 있을 것으로 기대된다.
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