[국내논문]인터페로미터 방향 탐지기의 디지털 위상차 측정 기법 성능 분석 Performance Analysis on Digital Phase Difference Measurement Techniques for Interferometer Direction Finder원문보기
본 논문은 서로 다른 안테나로부터 수신되는 무선 신호의 위상차를 계산하여 신호의 도래방향을 측정하는 인터페로미터 방향 탐지 장치에 관한 것이다. 최신의 전자전용 방향 탐지기는 위상차 측정에 있어서 온도에 따른 위상측정 편차가 작고, 낮은 신호 대 잡음비 환경 에서도 비교적 위상측정 성능이 우수한 디지털 위상차 측정 방법이 적용되고 있다. 시스템에서 요구되는 방향 탐지 정확도 성능 달성을 위한 위상차 측정 허용 오차를 도출하고, 디지털 위상차 측정 방법에 대하여 소개하였다. 샘플 개수, 신호 대 잡음비, 간섭신호 유입에 따른 성능을 정량적으로 분석하였고, 시뮬레이션을 통하여 주파수 영역 측정방법이 시간영역 대비 낮은 SNR 및 간섭신호 유입 환경에서 더 좋은 성능을 보임을 확인하였다. 제안한 방법은 인터페로미터 방향 탐지 장치의 성능 결정에 활용 할 수 있을 것이다.
본 논문은 서로 다른 안테나로부터 수신되는 무선 신호의 위상차를 계산하여 신호의 도래방향을 측정하는 인터페로미터 방향 탐지 장치에 관한 것이다. 최신의 전자전용 방향 탐지기는 위상차 측정에 있어서 온도에 따른 위상측정 편차가 작고, 낮은 신호 대 잡음비 환경 에서도 비교적 위상측정 성능이 우수한 디지털 위상차 측정 방법이 적용되고 있다. 시스템에서 요구되는 방향 탐지 정확도 성능 달성을 위한 위상차 측정 허용 오차를 도출하고, 디지털 위상차 측정 방법에 대하여 소개하였다. 샘플 개수, 신호 대 잡음비, 간섭신호 유입에 따른 성능을 정량적으로 분석하였고, 시뮬레이션을 통하여 주파수 영역 측정방법이 시간영역 대비 낮은 SNR 및 간섭신호 유입 환경에서 더 좋은 성능을 보임을 확인하였다. 제안한 방법은 인터페로미터 방향 탐지 장치의 성능 결정에 활용 할 수 있을 것이다.
This paper describes interferometer direction finder which measures the angle of arrival based on calculation of the phase difference of received radio signal from different antennas. Modern Electronic Warfare direction finder uses digital phase difference measuring techniques which have less effect...
This paper describes interferometer direction finder which measures the angle of arrival based on calculation of the phase difference of received radio signal from different antennas. Modern Electronic Warfare direction finder uses digital phase difference measuring techniques which have less effect on temperature variation and better performance under low Signal to Noise Ratio environment. In this paper, we analyze acceptable phase difference error for requirement of system's direction finding accuracy and introduce digital phase difference calculation techniques. We have investigated quantitative analysis on phase difference calculation according to sample number, SNR, interference injection. Through the simulation, frequency domain measurement technique is better performance than the time domain one at the environment of low SNR and interference injection. Proposed method can be used to determine the performance of interferometer direction finder.
This paper describes interferometer direction finder which measures the angle of arrival based on calculation of the phase difference of received radio signal from different antennas. Modern Electronic Warfare direction finder uses digital phase difference measuring techniques which have less effect on temperature variation and better performance under low Signal to Noise Ratio environment. In this paper, we analyze acceptable phase difference error for requirement of system's direction finding accuracy and introduce digital phase difference calculation techniques. We have investigated quantitative analysis on phase difference calculation according to sample number, SNR, interference injection. Through the simulation, frequency domain measurement technique is better performance than the time domain one at the environment of low SNR and interference injection. Proposed method can be used to determine the performance of interferometer direction finder.
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문제 정의
다양한 무선 방향 탐지 기술이 개발되어 왔으며, 수신되는 신호의 세기 차이를 이용한 진폭비교방식, 위상차를 이용한 위상비교방식(interferometer), 시간차를 이용한 시간 비교방식(TDOA, Time Difference of Arrival) 등으로 분류할 수 있다[1, 2]. 본 논문은 위상비교방식에 관한 것으로써 2개 이상의 안테나를 특정 간격으로 배치하고 수신되는 신호의 위상차를 측정하여 신호의 도래 방향을 측정하는 방식이다.
가설 설정
안테나간 거리는 1.5λ로 가정하였다.
제안 방법
본 논문에서는 시스템에서 요구되는 방향 탐지 정확도 규격 만족을 위하여 허용되는 위상차 측정 오차를 분석하였고, 위상비교를 위한 디지털 위상차 측정 방법을 소개한 후 각 방법에 대한 시뮬레이션을 통하여 디지털 위상차 측정 기법 별 위상차 측정 성능을 정량적으로 비교 분석하였다.
본 논문에서는 인터페로미터 방향 탐지 시스템에서 요구되는 1° 이상의 높은 방향 탐지 정확도 만족을 위해 온도에 따른 위상측정 편차가 없고 아날로그 위상 판별기 대비 낮은 SNR에서도 위상측정이 가능한 디지털 위상차 측정 방법을 소개하고 각각의 방법에 대한 위상차 측정 성능을 정량적으로 분석하였다.
기저대역 신호처리는 디지털 하향변환(Digital Down Converter)와 동일한 구조이다. 시간영역 처리방법은 ADC 샘플단위로 수행하며 잡음의 영향을 저감하기 위하여 특정 샘플의 평균값을 적용하여 위상차를 구한다
대상 데이터
/4)대비 신호세기는 –3dB, 주파수는 2㎒ 떨어진 신호를 인가하였다. 간섭신호는 수신채널의 대역통과필터 대역폭내에 포함되는 주파수를 선정하였으며, 그림 9는 원 신호 및 간섭신호의 주파수 스펙트럼이다.
데이터처리
3장에서 소개한 디지털방식의 위상차 측정 방법에 대한 성능 확인을 위하여 수신신호의 데이터 샘플 개수, 신호대잡음비(SNR), 간섭신호 유입에 따른 위상차 측정 오차를 Matlab 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 각각 1000번의 독립시행을 수행한 후 위상차 측정 오차를 제곱평균(Root Mean Square, RMS)으로 계산하였다.
3장에서 소개한 디지털방식의 위상차 측정 방법에 대한 성능 확인을 위하여 수신신호의 데이터 샘플 개수, 신호대잡음비(SNR), 간섭신호 유입에 따른 위상차 측정 오차를 Matlab 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 각각 1000번의 독립시행을 수행한 후 위상차 측정 오차를 제곱평균(Root Mean Square, RMS)으로 계산하였다.
성능/효과
데이터 샘플 개수가 많을수록 위상차 측정 오차는 감소하게 된다. 각각의 방법을 비교하면 삼각함수 방법이나 FFT 방법에서의 성능이 거의 동일하며, I/Q Demodulation 방법에서는 샘플 개수가 작은 경우 위상차 측정 정확도가 떨어짐을 확인하였다. 레이다 신호의 경우, 예를 들어 1㎲ 펄스폭인 경우 샘플링 클럭을 128 ㎒ 로 가정하면, 펄스당 128 개의 샘플을 획득할 수 있으며, 샘플 개수가 적으므로 위상측정 오차가 증가되고, 방향 탐지 성능이 열화될 수 있음을 알 수 있다.
간섭신호가 없는 경우에는 요구되는 SNR(10dB 기준) 대비 위상차 측정 오차의 허용범위를 모두 만족하지만 간섭신호가 인가된 경우에는 주파수영역 위상차 측정 방법만이 요구되는 위상차 측정 정확도(표 1에서 제시한 위상차 측정 허용오차 2.35°, 1.5λ 기준)를 만족함을 시뮬레이션 결과를 통해 확인하였다.
이상의 실험 결과를 종합해보면, 데이터 샘플 개수가 많을수록 위상차 오차는 감소하나, 응용분야에 따라 획득되는 신호의 샘플 길이에 의하여 성능이 제한될 수 있다. 낮은 SNR에서는 주파수영역에서의 위상차 측정 방법이 비교적 성능이 좋음을 확인하였다. 간섭신호가 없는 경우에는 요구되는 SNR(10dB 기준) 대비 위상차 측정 오차의 허용범위를 모두 만족하지만 간섭신호가 인가된 경우에는 주파수영역 위상차 측정 방법만이 요구되는 위상차 측정 정확도(표 1에서 제시한 위상차 측정 허용오차 2.
시뮬레이션 결과로부터 주파수영역 위상차 측정 방법이 시간영역 위상차 측정 방법 대비 SNR(10dB 기준) 및 간섭신호 유입 환경에서 위상차 측정 오차가 약 1.5~2배 좋은 성능을 보임을 확인하였다. 시간 해상도를 고려하여 적절한 크기의 샘플 개수를 선정해야 하며, 디지털 신호처리 자원의 여유가 있는 경우 시간영역 방법과 병행하여 위상차를 측정하는 경우 위상차 측정 성능이 향상될 수 있다.
주파수 영역 위상차 측정 방법은 특정 주파수를 선택하여 위상을 측정하므로 낮은 SNR 및 간섭신호가 유입되더라도 비교적 좋은 성능을 보임을 확인하였다. 하지만 주파수 영역 위상차 측정 방법은 FFT를 수행하기 위하여 샘플 개수의 확보가 필요하며, 정밀한 시간해상도가 요구되는 분야에는 성능이 열화 될 수 있다.
후속연구
시간 해상도를 고려하여 적절한 크기의 샘플 개수를 선정해야 하며, 디지털 신호처리 자원의 여유가 있는 경우 시간영역 방법과 병행하여 위상차를 측정하는 경우 위상차 측정 성능이 향상될 수 있다. 본 논문에서 제시한 성능 분석 결과를 기초로 하여 인터페로미터 방향 탐지 장비의 방향 측정 정확도 성능, 안테나간 이격 거리, 시스템 요구 SNR 등의 결정에 적용할 수 있을 것이다.
이상의 실험 결과를 종합해보면, 데이터 샘플 개수가 많을수록 위상차 오차는 감소하나, 응용분야에 따라 획득되는 신호의 샘플 길이에 의하여 성능이 제한될 수 있다. 낮은 SNR에서는 주파수영역에서의 위상차 측정 방법이 비교적 성능이 좋음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선 방향 탐지 기술의 방식은 어떻게 분류할 수 있는가?
무선 신호의 방향 탐지는 통신, 레이더 신호의 감시에 있어서 매우 중요한 기술이다. 다양한 무선 방향 탐지 기술이 개발되어 왔으며, 수신되는 신호의 세기 차이를 이용한 진폭비교방식, 위상차를 이용한 위상비교방식(interferometer), 시간차를 이용한 시간 비교방식(TDOA, Time Difference of Arrival) 등으로 분류할 수 있다[1, 2]. 본 논문은 위상비교방식에 관한 것으로써 2개 이상의 안테나를 특정 간격으로 배치하고 수신되는 신호의 위상차를 측정하여 신호의 도래 방향을 측정하는 방식이다.
인터페로미터 방향 탐지 기법이란 무엇인가?
인터페로미터 방향 탐지 기법은 안테나로부터 수신되는 신호의 위상차를 측정하는 방식이다. 그림 1은 2개의 안테나와 위상비교기를 이용한 인터페로미터 방향 탐지 장치의 개념도이다.
본 논문에서 제안한 인터페로미터 방향 탐지 장치의 검증은 어떠한 방식으로 이루어졌는가?
최신의 전자전용 방향 탐지기는 위상차 측정에 있어서 온도에 따른 위상측정 편차가 작고, 낮은 신호 대 잡음비 환경 에서도 비교적 위상측정 성능이 우수한 디지털 위상차 측정 방법이 적용되고 있다. 시스템에서 요구되는 방향 탐지 정확도 성능 달성을 위한 위상차 측정 허용 오차를 도출하고, 디지털 위상차 측정 방법에 대하여 소개하였다. 샘플 개수, 신호 대 잡음비, 간섭신호 유입에 따른 성능을 정량적으로 분석하였고, 시뮬레이션을 통하여 주파수 영역 측정방법이 시간영역 대비 낮은 SNR 및 간섭신호 유입 환경에서 더 좋은 성능을 보임을 확인하였다. 제안한 방법은 인터페로미터 방향 탐지 장치의 성능 결정에 활용 할 수 있을 것이다.
참고문헌 (10)
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B. Hua, Z. Jianjiang, G. Zhixiong, C. Jianhua and X. Weijie "Digital Phase Detecting Based on Hilbert Transform and Its DSP Implementation," Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Technical Report, 2011.
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