[논문]우주 전파 신호의 고속 디지털 변환 장치 개발과 적용

강용우; 송민규; 위석오; 제도흥; 이성모; 김승래

doi:10.13067/jkiecs.2017.12.6.1009

우주 전파 신호의 고속 디지털 변환 장치 개발과 적용
Development and Observation Result of High Speed Digital Conversion System of Astronomical Radio Siginal 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.12 no.6, 2017년, pp.1009 - 1018

강용우 (한국천문연구원 전파천문본부) , 송민규 (한국천문연구원) , 위석오 (한국천문연구원) , 제도흥 (한국천문연구원) , 이성모 (한국천문연구원) , 김승래 (한국천문연구원)

초록
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우리는 한국우주전파관측망(: Korea VLBI Network: KVN)에 적용 가능한 새로운 디지털 샘플러를 개발하였다. 이 샘플러는 1024MHz 샘플링으로 2bits/sample의 성능을 가지고 있다. 입력 기준 주파수 Clock은 1PPS(: Pulse per second)와 10MHz를 사용하며, 1PPS 신호에 동기되어 UTC(: Universal Time Coordinated) 시각정보가 출력된다. 샘플링된 데이터 출력은 시각정보를 포함한 VSI(: VLBI Standard Interface)규격을 채택하고 있다. 개발된 샘플러의 성능을 검증하기 위하여, KVN 울산전파천문대에 설치하여 우주 전파 관측 시험을 수행하였다. 관측시험 결과, 안정적인 성능을 보여 주었다. 본 논문에서는 새로 개발된 샘플러와 관측 시험 결과를 발표하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

We developed new Digital Sampler for KVN(: Korean VLBI Network). The sampler has 1024MHz sampling frequency with 2bits/sample. The sampler's input reference frequencies are 1pps(: pulse per second) and 10MHz, also UTC(: Universal Time Coordinated) time information out with 1PPS signal, synchronized. The output of sampling data is adapted VSI(: VLBI Standard Interface) specification including the time information. In order to confirm the performance of the sampler, we carried out the astronomical radio observation test in Ulsan Radio Observatory of KVN. It was confirmed the stable performance. In this paper, We introduce the new developed sampler and present the observational test result.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 우주전파신호를 디지털 신호로 변환하는 장치를 개발하고, 완성된 고속 샘플러로 RF Noise Source 및 CW Source를 사용하여 실험실에서 성능을 검증하였다. 그리고, 실제 KVN울산전파 망원경에 장착하여, 단일경 관측 및 KVN의 3 망원 경중 2대를 사용한 VLBI 관측 시험으로 우주전파 신호를 획득할 수 있음을 보였다.
만약, 이 대역폭을 n배 증가시키면 관측감도는 sqrt(n)만큼 향상되고, 연속전파원의 경우 관측 가능한 천체의 수가 기하급수학적으로 증가하게 된다[3]. 이러한 이유로 고속 샘플러의 기술과 성능 향상을 독자적으로 확보하려 하는 것이다. 자체 제작 능력 및 기반 기술을 확보하면, 비용과 보수 시간을 줄이고, 다양한 관측환경에 대응할 수 있다.
이 때, 지구의 공전과 자전 효과나 각 망원경의 시스템과 clock들의 연속적인 변화 인자를 시시각각 보정하여, 시시각각 변하는 상호상관함수의 위상(: Fringe Phase)을 맞추면, 안정적인 상호상관처리된 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이에 개발된 샘플러가 VLBI관측 환경에서도 사용 가능한지를 검증하는 것이다. 탐라의 전파망원경에서는 기존의 외산 장비(ADS-1000), 그리고 울산의 전파 망원경에서는 새로 개발된 샘플러를 사용하였다.
제작된 초기의 proto-type 고속 샘플러는 실험실 테스트를 거쳐, 실제 스펙트럼을 얻을 수 있음을 보였다. 이에, 본 연구에서는 지금까지의 연구 경험과 기술 축적을 바탕으로, 고속 샘플러 실용화를 위한 최종 양산형 고속 샘플러를 설계 및 제작 하였다.

제안 방법

그림 14. 512MHz 대역폭(512MHz~1024MHz)을 갖는 노이즈 제너레이터와 836MHz CW 전파 신호를 합하여, 제작된 고속 샘플러로 디지털화하여 기록한 데이터를 PC로 분석한 스펙트럼.
그림 19. KVN의 울산과 탐라의 전파망원경들을 동시에 사용한 AGN 3C84의 VLBI관측 시험으로 얻은 프린지 모습.
개발된 고속 샘플러 시스템으로 KVN의 전파 디지털 실험실과 KVN울산전파천문대에서 다양한 시험들을 진행하였다. 시험에는, KVN울산전파천문대의 21m 전파망원경을 비롯하여, CW(: Continuous Wave)신호를 만들어 주는 시그날 제너레이터, 직접 신호세기를 볼 수 있는 스펙트로메터, KVN에 수신 되는 전파신호와 유사하게 512MHz에서 1024MHz까 지의 512MHz 대역폭과 우주전파와 유사한 신호세기를 가지는 신호를 만들어 주는 노이즈 제너레이터를 사용하였다.
개발하고자 하는 샘플러 시스템은 크게 수신된 우주전파 신호를 디지털화 시켜주는 A/D부, 이를 병렬 화하여 VLBI 통신 규격인 VSI(: VLBI Standard Interface) 규격으로 바꾸어 출력하는 디지털 부, 샘플링 동작을 제어하고 모니터링하는 제어부, 샘플링 주파수를 만들어 주는 기준 주파수 발생기, 그리고, 각 부분의 회로들이 요구하는 다양한 전원 전압을 공급하는 전원부의 5부분으로 되어 있다. 전체 블록선도는 그림 1과 같다.
탐라의 전파망원경에서는 기존의 외산 장비(ADS-1000), 그리고 울산의 전파 망원경에서는 새로 개발된 샘플러를 사용하였다. 관측시험은 AGN 3C84라는 AGN(: Active Galaxy Nuclear: 활동성 은하핵) 전파원을 대상으로 적분시간 10초로 관측 자료를 얻고 상관처리 하였다. 그결과 그림 19에서 보듯이, 프린지를 검출할 수 있었 다.
관측은 W3OH Water Maser와 R-CRT Water Maser라는 우주전파원들을 22GHz (uncooling) 대역에서 수행하였다. 제작된 고속 샘플러를 사용하여 디지털 변환된 우주전파 신호를 기록기로 기록한 다음, 각각 10초 동안 누적하여 적분하였다.
다음으로 KVN의 울산, 탐라의 전파망원경들을 동시에 사용한 VLBI관측 시험을 하였다. 이 시험은 멀리 떨어진 2대의 망원경으로 동시에 같은 전파원을 관측하여 수행한다.
또한, 개발된 샘플러에는, VLBI 관측기기 사이의 데이터 통신에서, VSI 규격을 갖는 전송 효율과 전송 상태를 교차 검증할 수 있는 TVG(: Test Pattern Generator) 기능을 그림 5와 같이 구현하였다. TVG는 Flip-Flop과 Gate로 구성된 회로에서 생성할 수 있다[5].
설계 제작된 모든 모듈을 케이스에 통합하여 고속 샘플러 시스템을 제작하였다. 제작 완료된 샘플러는 제작된 Main PCB(: Printed Circuit Board)를 중심으로, GHz 기준 신호를 발생시키는 오실레이터, 샘플러 동작을 모니터 및 제어 기능을 하는 MCU(:Micro Control Unit) 모듈, 인터넷으로 통제할 수 있는 TCP/IP 모듈, 전원 모듈, 전원 노이즈 필터, LCD, 미니 키보드 등을 통합하여 조립하였다.
앞에서 기술한 모든 기능을 적절하게 사용할 수 있게, MPU(: Micro Processor Unit)를 사용하여, 개발된 샘플러의 동작을 통합 제어하였다. 주요 제어 기능은 다음과 같고, 그림 7에 명령어 시퀀스를 나타내었고, DigitalLink사의 ADS-1000 매뉴얼을 참조하 였다[7].
다음으로 KVN의 울산, 탐라의 전파망원경들을 동시에 사용한 VLBI관측 시험을 하였다. 이 시험은 멀리 떨어진 2대의 망원경으로 동시에 같은 전파원을 관측하여 수행한다. 이 때, 지구의 공전과 자전 효과나 각 망원경의 시스템과 clock들의 연속적인 변화 인자를 시시각각 보정하여, 시시각각 변하는 상호상관함수의 위상(: Fringe Phase)을 맞추면, 안정적인 상호상관처리된 스펙트럼을 얻을 수 있다.
x축은 대역폭 MHz 단위이고, y축은 양자화된 sine파를 주파수 영역으로 바꾸기 위하여 FFT(: Fast Fourier transform)한 Normalized intensity이다. 이를 PC를 이용하여 스펙트럼을 계산하였다. 그림 14와 그림 15에서 보듯이 평탄한 잡음 패턴과 깨끗한 CW 신호를 보여 준다.
입력되는 전파 신호가 정상적인지 또는 적정한 입력 전압으로 들어오는지 등의 특성 파악을 위하여 비트분표 연산 기능도 구현하였다. 그림 6에 비트 분포 연산 알고리즘을 나타내었다.
설계 제작된 모든 모듈을 케이스에 통합하여 고속 샘플러 시스템을 제작하였다. 제작 완료된 샘플러는 제작된 Main PCB(: Printed Circuit Board)를 중심으로, GHz 기준 신호를 발생시키는 오실레이터, 샘플러 동작을 모니터 및 제어 기능을 하는 MCU(:Micro Control Unit) 모듈, 인터넷으로 통제할 수 있는 TCP/IP 모듈, 전원 모듈, 전원 노이즈 필터, LCD, 미니 키보드 등을 통합하여 조립하였다. 아래 그림 8과 그림 9는 제작된 고속 샘플러 시스템의 모습들이다.
관측은 W3OH Water Maser와 R-CRT Water Maser라는 우주전파원들을 22GHz (uncooling) 대역에서 수행하였다. 제작된 고속 샘플러를 사용하여 디지털 변환된 우주전파 신호를 기록기로 기록한 다음, 각각 10초 동안 누적하여 적분하였다. 그림 17은 이렇게 기록한 신호를 분석한, W3OH water maser의 OH 방출선 스펙트럼 관측 결과이다.
시험에는, KVN울산전파천문대의 21m 전파망원경을 비롯하여, CW(: Continuous Wave)신호를 만들어 주는 시그날 제너레이터, 직접 신호세기를 볼 수 있는 스펙트로메터, KVN에 수신 되는 전파신호와 유사하게 512MHz에서 1024MHz까 지의 512MHz 대역폭과 우주전파와 유사한 신호세기를 가지는 신호를 만들어 주는 노이즈 제너레이터를 사용하였다. 출력되는 데이터를 기록하기 위한 우주 전파신호 전용 기록기인 Mark5B+ 기록기, 그리고 기록 제어와 기록된 데이터를 점검하기 위한 시험환 경과 소프트웨어 등을 이용하였다[8-9]. 그림 11은 개발된 샘플러를 시험하는 모습이다.

대상 데이터

개발한 샘플러의 입력신호는 512MHz의 주파수 대역폭을 가지며, 이를 위한 샘플러의 샘플링 주파수는 1024MHz이다. 샘플링된 데이터는 2bit/sample이고, 출력은 시각정보를 포함한 VSI규격을 채택하고 있다.
개발된 고속 샘플러 시스템으로 KVN의 전파 디지털 실험실과 KVN울산전파천문대에서 다양한 시험들을 진행하였다. 시험에는, KVN울산전파천문대의 21m 전파망원경을 비롯하여, CW(: Continuous Wave)신호를 만들어 주는 시그날 제너레이터, 직접 신호세기를 볼 수 있는 스펙트로메터, KVN에 수신 되는 전파신호와 유사하게 512MHz에서 1024MHz까 지의 512MHz 대역폭과 우주전파와 유사한 신호세기를 가지는 신호를 만들어 주는 노이즈 제너레이터를 사용하였다. 출력되는 데이터를 기록하기 위한 우주 전파신호 전용 기록기인 Mark5B+ 기록기, 그리고 기록 제어와 기록된 데이터를 점검하기 위한 시험환 경과 소프트웨어 등을 이용하였다[8-9].
이에 개발된 샘플러가 VLBI관측 환경에서도 사용 가능한지를 검증하는 것이다. 탐라의 전파망원경에서는 기존의 외산 장비(ADS-1000), 그리고 울산의 전파 망원경에서는 새로 개발된 샘플러를 사용하였다. 관측시험은 AGN 3C84라는 AGN(: Active Galaxy Nuclear: 활동성 은하핵) 전파원을 대상으로 적분시간 10초로 관측 자료를 얻고 상관처리 하였다.

데이터처리

그림 12에 제작된 고속 샘플러 성능 검증을 위한 시험 환경을 도식화한 것이다. 먼저, 개발된 고속 샘플러에서 나온 2비트 디지털화 전파신호를 Mark5B+ 기록기에 기록하고, PC에서 분석 소프트웨어로 데이터 분석하였다[10]. 그림 13은 그 결과이다.

성능/효과

본 논문에서는 우주전파신호를 디지털 신호로 변환하는 장치를 개발하고, 완성된 고속 샘플러로 RF Noise Source 및 CW Source를 사용하여 실험실에서 성능을 검증하였다. 그리고, 실제 KVN울산전파 망원경에 장착하여, 단일경 관측 및 KVN의 3 망원 경중 2대를 사용한 VLBI 관측 시험으로 우주전파 신호를 획득할 수 있음을 보였다. 이 샘플러는 KVN 의 샘플러 예비 장비로 활용되며, 이어서, 우주전파 광대역 관측을 위하여 3GHz이상의 성능을 가지는 고속 샘플러를 개발할 예정이다.
이러한 고속 샘플러의 기본 기술 확보와 독자 개발을 위해 1GHz 샘플링을 할 수 있는 전파관측 데이터의 샘플링 장치를 초기 시험용으로 설계, 제작하여 왔다. 제작된 초기의 proto-type 고속 샘플러는 실험실 테스트를 거쳐, 실제 스펙트럼을 얻을 수 있음을 보였다. 이에, 본 연구에서는 지금까지의 연구 경험과 기술 축적을 바탕으로, 고속 샘플러 실용화를 위한 최종 양산형 고속 샘플러를 설계 및 제작 하였다.

후속연구

그리고, 실제 KVN울산전파 망원경에 장착하여, 단일경 관측 및 KVN의 3 망원 경중 2대를 사용한 VLBI 관측 시험으로 우주전파 신호를 획득할 수 있음을 보였다. 이 샘플러는 KVN 의 샘플러 예비 장비로 활용되며, 이어서, 우주전파 광대역 관측을 위하여 3GHz이상의 성능을 가지는 고속 샘플러를 개발할 예정이다. 대역폭이 넓어지면, 전파원에서 동시에 모니터링 할 수 있는 스펙트럼의 선들도 많아진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	VLBI관측이란?	VLBI관측은 대륙 또는 전세계적인 기반에서 구성된 전파간섭계이며, 각 망원경들 간의 거리가 멀어질수록, 관측 자료의 분해능이 높아진다. 이를 이루는 각 망원경의 수신기에는 전파 신호를 디지털 신호로 바꾸는 샘플러가 있다.
	현재 한국우주전파관측망으로 관측할 수 있는 대역폭은?	샘플러의 성능(특히, 대역폭과 샘플링 주파수 그리고 샘플링 비트수)은 전파관 측의 품질 뿐만 아니라 과학연구의 영역에까지 많은 영향을 준다. 예로, 현재, KVN을 이용하여 관측할수 있는 대역폭은 256MHz이다. 만약, 이 대역폭을 n배 증가시키면 관측감도는 sqrt(n)만큼 향상되고, 연속전파원의 경우 관측 가능한 천체의 수가 기하급수학적으로 증가하게 된다[3].
	본 논문에서 개발한 샘플러 시스템의 구성은?	개발하고자 하는 샘플러 시스템은 크게 수신된 우주전파 신호를 디지털화 시켜주는 A/D부, 이를 병렬 화하여 VLBI 통신 규격인 VSI(: VLBI Standard Interface) 규격으로 바꾸어 출력하는 디지털 부, 샘플링 동작을 제어하고 모니터링하는 제어부, 샘플링 주파수를 만들어 주는 기준 주파수 발생기, 그리고, 각 부분의 회로들이 요구하는 다양한 전원 전압을 공급하는 전원부의 5부분으로 되어 있다. 전체 블록선도는 그림 1과 같다.

참고문헌 (10)

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S. Han, J. Lee, J. Kang, C. Oh, D. Byun, D. Je, M. Chung, S. Wi, M. Song, Y. Kang, S.-S. Lee, S. Kim, T. Sasao, Paul F. Goldsmith, and R. Wylde, "Korean VLBI Network Receiver Optics for Simultaneous Multi frequency Observation: Evaluation," the Astronomical Society of the Pacific, vol. 125, no. 927, 2013, pp. 539-547.

상세보기
F. Takahashi, T. Kondo, Y. Takahashi, and Y. Koyama, Very Long Baseline INterferometer. Tokyo: Ohamsha Press, 1997.
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M. Song, Y. Kang, and H. Kim, "Performance Evaluation of Big Stream based High Speed Data Storage," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12, no. 5, 2017, pp. 817-828.
M. Song, Y. Kang, H. Kim, J. Kim, D. Byun, J. Yeom, S. Wi, J. Jung, S. Lee, and S. Han, "Implementation and Upgrade of Record System for the Transfer of Wideband VLBI Data," J. of the Korean Institute of Plant Engineering, vol. 18, no. 4, 2013, pp. 103-114.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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