[논문]압축센싱 기술을 적용한 초광대역 수신기 개발 동향

강종진; 강희석; 안우현

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강종진 (한화시스템(주)) , 강희석 (한화시스템(주)) , 안우현 (한화시스템(주))

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문제 정의

본 논문에서는 전자전에서 사용되는 수신기의 개요, 종류 및 그 특성에 대하여 소개하고 압축센싱 기술이 적용된 초광대역 수신기 개발동향에 대하여 살펴본다.

제안 방법

이스라엘 Technion 대학교의 Eldar 교수는 압축센싱 이론을 인지무선(CR) 분야에 적용하였으며, 프로토타입의 하드웨어를 개발하였다. MWC는 주파수 대역 약 1 GHz 내에 존재하는 다양한 무선통신 신호를 처리하기 위하여 그림 9와 같이 초고주파(RF) 입력과 4개의 광대역 믹서 및 저역통과 필터를 사용하여 기저대역 신호로 변환하는 MWC를 개발하였다. 그리고 압축을 위한 국부발진 신호원으로 상용 플립플롭을 링형태로 묶은 PRBS 생성기를 제작하였다.
미국 Caltech 대학교 Azita 교수는 고등연구계획국(DARPA : Defense Advanced Research Projects Agency)의 AIC(Analog to Information Converter) 프로젝트를 통해서 <그림 10>과 같이 주문형반도체(ASIC) 기반의 Sub-Nyquist 샘플링 하드웨어를 제작하였다. RMPI 칩은 약 2 GHz 내에 존재하는 레이더 펄스 신호를 5GHz로 동작하는 PRBS 발생기와 광대역 믹서 및 적분기를 이용하여 기저대역 신호로 압축하였다. RMPI 칩의 성능 확인을 위하여 14bit 해상도를 갖는 상용 ADC를 사용하였으며, 샘플링 클럭은 약 80MHz를 사용하였으며, 12배 이상의 서브나이키스트 성능을 달성하였다.
크리스털 비디오 수신기는 가장 간단한 수신기 형태로 <그림 5>와 같이 안테나, 검출기, 증폭기로 구성되어 있으며, 수신기의 민감도(sensitivity) 향상을 위해 RF 증폭기를 추가할 수 있다. 관심 대역외의 주파수 성분을 제거하기 위해 입력 신호에 대역통과 필터를 적용한 뒤, 신호를 제곱하여 신호의 포락선을 구한다. 비디오 증폭기에 의해 증폭된 신호는 이 후 신호처리 회로에 활용된다.
걸프전(Gulf war)의 예를 들면, 다국적군은 전쟁 발발 수개월 전부터 감시위성과 조기경보기 등을 동원, 이라크의 통신 지휘 망과 제원, 레이더 및 미사일 기지 등에 대한 중요한 정보를 수집했다. 그리고 걸프전이 벌어지자 대규모 공습 이전에 먼저 EA-6B 프라울러(Prowler)기를 비롯한 전자전 공격기들을 출격시켰다. 전자전 공격기들은 이라크군의 방공망 레이더와 미사일 제어용 레이더를 교란시켰으며, 그 결과 미 전폭기들은 공습 시에 이라크군의 SA-2 미사일의 공격을 조기에 피할 수 있었다.
MWC는 주파수 대역 약 1 GHz 내에 존재하는 다양한 무선통신 신호를 처리하기 위하여 그림 9와 같이 초고주파(RF) 입력과 4개의 광대역 믹서 및 저역통과 필터를 사용하여 기저대역 신호로 변환하는 MWC를 개발하였다. 그리고 압축을 위한 국부발진 신호원으로 상용 플립플롭을 링형태로 묶은 PRBS 생성기를 제작하였다.
RMPI 칩의 성능 확인을 위하여 14bit 해상도를 갖는 상용 ADC를 사용하였으며, 샘플링 클럭은 약 80MHz를 사용하였으며, 12배 이상의 서브나이키스트 성능을 달성하였다. 대상 신호는 레이더 펄스이며 신호가 중첩된 신호 환경에서 펄스 파라미터 추출성능을 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 제안하였다.
서로 다른 주파수의 펄스 신호가 수신 주파수 전 대역에 분포하게 되므로, 전자전 수신기의 처리 대역폭이 광대역을 요구하게 된다. 수집된 PDW를 디지털 신호처리 및 고속의 프로세서(CPU/GPU 등)를 이용하여 정밀 분석을 수행하고, 레이다의 주파수, 펄스폭, 펄스반복주기 등을 추출한다. 추출된 정보를 라이브러리와 비교하여 특정 위협(미사일, 레이다, 대공포 등)을 식별하게 된다.
이상으로 살펴본 수신기는 광대역특성이 좋아 POI 측면에서 유리하지만 신호분석을 위한 PDW 측정 시 모든 부분을 만족할 수 없으므로 통상 여러 종류의 수신기를 조합하여 시스템을 구성한다. 최근에는 아나로그 처리(conditioning)를 포함한 고속의 아나로그-디지털 변환기(ADC) 및 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 이용한 디지털 수신기가 적용 되고 있다.
전자전 수신기는 수신되는 레이다 신호(특히 펄스)의 주파수, 펄스폭, 신호세기, 변조형태 등을 측정하여 PDW(Pulse Descriptor Word) 형태의 디지털 데이터를 생성하고, 생성된 다수의 PDW를 분석하여 레이다 신호 분류, 식별등의 기능을 수행한다. <그림 3>은 PDW의 구성항목으로써 전자전 수신기가 측정해야할 레이다 신호 파라미터에 대한 설명이다.

대상 데이터

RMPI 칩은 약 2 GHz 내에 존재하는 레이더 펄스 신호를 5GHz로 동작하는 PRBS 발생기와 광대역 믹서 및 적분기를 이용하여 기저대역 신호로 압축하였다. RMPI 칩의 성능 확인을 위하여 14bit 해상도를 갖는 상용 ADC를 사용하였으며, 샘플링 클럭은 약 80MHz를 사용하였으며, 12배 이상의 서브나이키스트 성능을 달성하였다. 대상 신호는 레이더 펄스이며 신호가 중첩된 신호 환경에서 펄스 파라미터 추출성능을 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 제안하였다.

후속연구

압축센싱 하드웨어를 구성하는 핵심부품인 광대역 믹서는 수십 GHz를 커버하는 상용부품이 출시되어 있고, PRBS 신호발생기 또한 특수공정을 사용하여 수십 GHz 속도로 설계 및 제작된 논문들이 발표되고 있다. 국내에서도 광대역 믹서 및 PRBS 발생기, 그리고 관련 신호처리 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 수년 이내에 수십 GHz 처리 대역폭을 갖는 압축센싱 기반 초광대역 수신기 연구결과가 발표될 것으로 기대된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

전자전이란?

전자전(Electronic Warfare)이란 레이더, 통신장비 등의 각종 전자 장비를 이용하여 벌이는 전쟁으로써, 적의 전자 병기 사용을 방해하고, 아군의 전자 병기 사용을 효과적으로 수행하려는 모든 군사 활동을 이른다 [1] .

전자전에서 수신기의 역할은?

수신기는 안테나와 함께 전쟁 환경에서 각종 전자전 장비들의 창문 역할을 한다. 안테나와 수신기는 그 유형에 따라 적용범위가 한정되며, 운용 목적과 장착 대상물의 요구 조건에 따라 두 기능을 효과적으로 조합함으로써 주워진 성능 요구사항을 만족할 수 있다.

IFM 수신기의 단점은?

IFM 수신기는 크리스털 비디오 수신기 대비 수신감도, POI, 동적범위 측면에서 장점이 있다. 그러나 가장 큰 단점은 주파수를 다루는 수신기이므로 다중신호를 처리할 수 없다는 것이다.

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