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문제 정의
- 본 논문에서는 밀리미터파 대역을 사용하는 소형 레이더가 적합한 성능을 가질 수 있게 신호처리기 설계 및 구현에 대해 정리한다. 본 논문에서 언급한 소형 밀리미터파 레이더의 신호처리기는 4채널의 OGHz 입력을 받아 처리 할 수 있는 디지털 IF 수신기를 적용하였다.
- FPGA에서 DAC를 사용하여 실시간 제어로 스윕 신호 생성을 할 경우 소형 레이더 수신신호의 왜곡을 보정하는데 활용할 수 있다. 본 논문에서는 소형 레이더의 수신신호 왜곡을 보정하는데 활용하기 위해 FPGA와 DAC를 활용하여 IF 신호를 생성하였다. 그림 10은 FPGA와 DAC를 활용한 IF 신호를 생성하기 위한 블록도이다.
- 본 논문에서는 소형 밀리미터파 레이더를 위한 신호처리기를 구현하였다. 신호처리기는 소형화를 위해 디지털 IF 수신기와 실시간 주파수영역 변환을 위한 DFT를 적용하여 구현하였다.
제안 방법
- IF 신호의 측정은 스펙트럼분석기를 통해 시스템에서 사용하는 중심주파수를 기준으로 ±OOMHz 신호가 정상적으로 생성되는지를 확인하였다.
- 또한 수신경로에서 발생할 수 있는 신호의 왜곡을 보정하기 위해 시스템에서 사용할 수 있는 IF 신호를 생성 하였다. 구현한 디지털 IF 수신기,DFT 모듈은 수신동적영역 시험, 도플러 추적 시험, DFT주파수 영역 설정 시험을 통해 검증 하였다. 또한 IF 신호 생성기는 스펙트럼분석기를 통해 생성된 신호가 정상적으로 생성됨을 확인하였다.
- 또한 높은 거리 해상도의 신호 분석을 위해 전처리 과정에 필요한 OOOOO포인트의 실시간 FFT 처리를 위해 고속 연산이 가능한 FPGA를 이용하여 DFT 모듈을 구현함으로써 후처리 프로세서의 타이밍마진을 확보 하였다. 그리고 소형 레이더의 수신경로에서 발생할 수 있는 신호의 왜곡을 보정하기 위해 사용할 수 있도록 FPGA와 DAC를 활용하여 IF 신호 생성 기능을 구현하였다. 마지막으로 신호처리기 성능시험으로 구현한 신호처리기를 검증하였다.
- 전원공급부는 데이터획득부와 운용제어부 운용에 필요한 전원을 생성하여 공급해준다. 데이터획득부에서 수신한 신호의 데이터 처리에 효율성과 DSP 과도한 부하를 줄이기 위해 FPGA를 활용하여 신호처리 모듈( DDC 및 FFT)을 구현하였다. 운용제어부는 표적을 지속적으로 추적하기 위한 알고리즘을 수행하는 DSP와 소형화를 위해 다수의 내부/외부 통신 controller를 포함하고 있는 FPGA로 구성된다.
- 도플러 측정 시험은 4개의 수신채널에 특정 주파수를 인가하고 정의된 중심 주파수를 변경하면서 신호처리 결과를 측정하였다. 입력된 표적신호의 주파수 변화량을 기준으로 측정된 신호의 주파수를 비교하였을 때 ±OOHz 이내의 오차를 요구 규격으로 갖는다.
- 운용제어부는 표적을 지속적으로 추적하기 위한 알고리즘을 수행하는 DSP와 소형화를 위해 다수의 내부/외부 통신 controller를 포함하고 있는 FPGA로 구성된다. 또한 FPGA와 DAC를 활용하여 IF 신호를 생성하는 역할도 수행한다. 전원공급부는 +5VD 전원을 받아 효율이 좋은 DC-DC 컨버터를 사용하여 신호처리기 구동에 필요한 전원을 생성한다.
- 수신동적영역 시험과 도플러 주파수 측정 시험으로 신호처리기에 적용한 디지털 IF 수신기, DFT의 성능을 검증하였다. 또한 IF 신호 생성시험으로 IF 신호생성기의 성능을 검증하였다.
- 적용한 디지털 IF 수신기는 소형 레이더 시스템의 중간주파수신기의 역할을 대신하여 소형 레이더의 소형화에 이득을 줄 수 있다. 또한 높은 거리 해상도의 신호 분석을 위해 전처리 과정에 필요한 OOOOO포인트의 실시간 FFT 처리를 위해 고속 연산이 가능한 FPGA를 이용하여 DFT 모듈을 구현함으로써 후처리 프로세서의 타이밍마진을 확보 하였다. 그리고 소형 레이더의 수신경로에서 발생할 수 있는 신호의 왜곡을 보정하기 위해 사용할 수 있도록 FPGA와 DAC를 활용하여 IF 신호 생성 기능을 구현하였다.
- 신호처리기는 소형화를 위해 디지털 IF 수신기와 실시간 주파수영역 변환을 위한 DFT를 적용하여 구현하였다. 또한 수신경로에서 발생할 수 있는 신호의 왜곡을 보정하기 위해 시스템에서 사용할 수 있는 IF 신호를 생성 하였다. 구현한 디지털 IF 수신기,DFT 모듈은 수신동적영역 시험, 도플러 추적 시험, DFT주파수 영역 설정 시험을 통해 검증 하였다.
- 그리고 소형 레이더의 수신경로에서 발생할 수 있는 신호의 왜곡을 보정하기 위해 사용할 수 있도록 FPGA와 DAC를 활용하여 IF 신호 생성 기능을 구현하였다. 마지막으로 신호처리기 성능시험으로 구현한 신호처리기를 검증하였다.
- 하지만 본 논문에서 설계한 소형 밀리미터파 레이더를 위한 신호처리기는 FPGA를 활용한 DFT 적용으로 시간영역의 데이터를 주파수영역으로 실시간 변환하여 DSP에 전달한다. 본 논문에서 구현한 DFT 모듈은 시스템에서 필요한 주파수 영역에 대해서만 실시간으로 주파수영역으로 변환하는 구조를 가진다. 주파수 영역의 설정은 프로세서에서 표적의 위치를 예측하여 FPGA에 전달된다.
- 본 논문에서 구현한 디지털 IF 수신기는 고성능 ADC와 DDC를 그림 5와 같이 모델링하고, 시뮬레이션을 통한 검증을 거쳐 디지털 IF 수신기를 구현하였다. 설계한 디지털 IF 수신기는 OGHz의 신호를 ADC의 내부 DDC를 활용하여 1차 주파수 하향변환, FPGA에 설계된 DDC 모듈에서 2차 주파수하향변환 처리하여 최종 신호처리 가능한 주파수에 도달하도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 밀리미터파 대역을 사용하는 소형 레이더가 적합한 성능을 가질 수 있게 신호처리기 설계 및 구현에 대해 정리한다. 본 논문에서 언급한 소형 밀리미터파 레이더의 신호처리기는 4채널의 OGHz 입력을 받아 처리 할 수 있는 디지털 IF 수신기를 적용하였다. 적용한 디지털 IF 수신기는 소형 레이더 시스템의 중간주파수신기의 역할을 대신하여 소형 레이더의 소형화에 이득을 줄 수 있다.
- 본 논문에서 제안하는 구조의 디지털 IF 수신기는 ADC 및 FPGA 내부의 DDC 모듈을 활용하여 2번의 주파수 하향변환을 수행하여 디지털 신호처리를 위한 기져대역 신호로 주파수 하향변환을 수행하고 데이터를 분주하는 구조로 그림 5와 같다.
- 본 논문에서는 신호처리기 성능 검증을 위하여 수신 동적영역 시험, 도플러 주파수 측정 시험, DFT 주파수 영역 설정 시험, IF 신호 생성 시험 결과를 정리하였다. 수신동적영역 시험과 도플러 주파수 측정 시험으로 신호처리기에 적용한 디지털 IF 수신기, DFT의 성능을 검증하였다.
- 본 논문의 신호처리기는 고속 ADC를 활용하여 디지털 IF 수신기를 설계하여 구현하였다. 소형 밀리미터파 레이더에 디지털 IF 수신기의 적용은 소형 레이더의 소형화에 기여하고, 중간주파수신기에서 발생할 수 있는 잡음을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.
- 본 논문에서 구현한 디지털 IF 수신기는 고성능 ADC와 DDC를 그림 5와 같이 모델링하고, 시뮬레이션을 통한 검증을 거쳐 디지털 IF 수신기를 구현하였다. 설계한 디지털 IF 수신기는 OGHz의 신호를 ADC의 내부 DDC를 활용하여 1차 주파수 하향변환, FPGA에 설계된 DDC 모듈에서 2차 주파수하향변환 처리하여 최종 신호처리 가능한 주파수에 도달하도록 설계하였다. 그림 6의 (a)는 고성능 ADC를 모델링한 시뮬레이션 결과이다.
- 수신 동적 영역 시험은 4개의 입력 채널에 고정주파수를 가진 정현파 신호의 크기를 변경하며 입력하고, 신호처리 과정을 거쳐 출력되는 신호의 크기를 측정한다..
- 본 논문에서는 신호처리기 성능 검증을 위하여 수신 동적영역 시험, 도플러 주파수 측정 시험, DFT 주파수 영역 설정 시험, IF 신호 생성 시험 결과를 정리하였다. 수신동적영역 시험과 도플러 주파수 측정 시험으로 신호처리기에 적용한 디지털 IF 수신기, DFT의 성능을 검증하였다. 또한 IF 신호 생성시험으로 IF 신호생성기의 성능을 검증하였다.
- 본 논문에서는 소형 밀리미터파 레이더를 위한 신호처리기를 구현하였다. 신호처리기는 소형화를 위해 디지털 IF 수신기와 실시간 주파수영역 변환을 위한 DFT를 적용하여 구현하였다. 또한 수신경로에서 발생할 수 있는 신호의 왜곡을 보정하기 위해 시스템에서 사용할 수 있는 IF 신호를 생성 하였다.
- 기존의 방식인 DDS칩을 활용하여 송신신호를 생성할 경우 실시간 제어에 한계를 가지고 있어 수신신호의 왜곡을 보정하는데 어려움이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 신호처리기의 FPGA와 DAC를 활용하여 시스템에서 사용하는 스윕 신호를 생성한다. FPGA에서 DAC를 사용하여 실시간 제어로 스윕 신호 생성을 할 경우 소형 레이더 수신신호의 왜곡을 보정하는데 활용할 수 있다.
- 디지털 IF 수신기의 구조는 그림 4와 같이 고속 ADC를 활용한 1차 주파수 하향 변환과 FPGA 내부의 DDC 모듈에서 2차 주파수 하향 변환으로 구현하였다. 중간주파수신기의 기능을 대신할 디지털 IF 수신기는 OGHz의 RF 신호입력을 OGsps을 성능을 갖는 고속 ADC와 FPGA를 활용하여 구현하였다. 그림 4는 디지털 IF 수신기를 포함하는 신호처리기의 구조이다.
- 이를 해결하기 위하여 데이터를 저장하기 위한 메모리의 용량 증가 및 다수의 프로세서의 개수 증가가 필요하다. 하지만 본 논문에서 설계한 소형 밀리미터파 레이더를 위한 신호처리기는 FPGA를 활용한 DFT 적용으로 시간영역의 데이터를 주파수영역으로 실시간 변환하여 DSP에 전달한다. 본 논문에서 구현한 DFT 모듈은 시스템에서 필요한 주파수 영역에 대해서만 실시간으로 주파수영역으로 변환하는 구조를 가진다.
대상 데이터
- 신호처리기 하드웨어는 데이터획득보드와 운용제어 보드로 구성되어 있다. 데이터획득보드는 디지털 IF 수신기 구현을 위해 고속 ADC(Analog Digital Converter)와 고성능 FPGA 및 획득한 신호처리를 위한 2개의 DSP로 구성되어 있다. 데이터획득보드의 블록도는 그림 2와 같다.
이론/모형
- 본 논문에서 구현한 DFT 모듈은 아래 수식과 같이 Cooley-Tukey 알고리즘을 활용하여 구현하였다.[1]
성능/효과
- 구현한 디지털 IF 수신기,DFT 모듈은 수신동적영역 시험, 도플러 추적 시험, DFT주파수 영역 설정 시험을 통해 검증 하였다. 또한 IF 신호 생성기는 스펙트럼분석기를 통해 생성된 신호가 정상적으로 생성됨을 확인하였다.
- 본 논문에서 구현한 소형 밀리미터파 레이더용 신호처리기는 신호처리기 단위에서 성능시험을 통해 사용가능성을 확인하였다. 추후 소형 밀리미터파 레이더에 적용을 통한 레이더 성능 시험으로 생성한 IF 신호를 활용한 수신경로 왜곡 보정에 대한 연구가 필요하다.
후속연구
- 본 논문에서 구현한 소형 밀리미터파 레이더용 신호처리기는 신호처리기 단위에서 성능시험을 통해 사용가능성을 확인하였다. 추후 소형 밀리미터파 레이더에 적용을 통한 레이더 성능 시험으로 생성한 IF 신호를 활용한 수신경로 왜곡 보정에 대한 연구가 필요하다.
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