[논문]밀리미터파 탐색기 내 누설신호 상쇄기 및 적응형 알고리즘에 관한 연구

박지안; 송성찬

doi:10.5515/kjkiees.2019.30.1.88

밀리미터파 탐색기 내 누설신호 상쇄기 및 적응형 알고리즘에 관한 연구
Leakage Signal Canceller and Adaptive Algorithm in Millimeter-Wave Seeker 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.30 no.1, 2019년, pp.88 - 94

박지안 (한화시스템) , 송성찬 (한화시스템)

초록
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본 논문에서는 FMCW 레이다에서 강한 송신신호의 누설로 발생하는 문제들을 해결하기 위한 누설신호 상쇄기 및 상쇄기 내 탑재되는 적응형 알고리즘을 제안한다. 누설신호 상쇄기는 실시간으로 누설신호를 제거하는 적응형 구조이며, 제안하는 알고리즘은 현재 누설신호에 최적화된 예측 벡터 및 학습적응 계수를 산출하여 기존 알고리즘 대비 10 dB 이상의 상쇄효과를 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

A leakage canceller and adaptive algorithm for FMCW Radar is presented. Because a strong leakage signal causes various problems in the transceiver and digital processor, specific FMCW radars are in need of a leakage canceller. The leakage canceller has an adaptive structure and the algorithm calculates the prediction vector and learns the adaptive coefficient simultaneously. The proposed algorithm an improvement of 10 dB in the cancellation performance.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. 밀리미터파 탐색기의 누설신호 경로 Fig. 1. Path of leakage signal in millimeter-wave seeker.
그림 그림 2. 누설신호 상쇄기 블록 다이어그램 Fig. 2. Block diagram of leakage signal canceller.
그림 그림 3. (a) 고정된 학습적응 계수에 따른 발생 오차, (b) 그래프 확대 후 Fig. 3. (a) Error dispersion with fixed adaptation coefficients, (b) Graph zoom in.
그림 그림 5. 학습적응 계수 수렴 그래프 Fig. 5. Convergence of adaptation coefficient value.
그림 그림 4. 제안하는 적응형 알고리즘 순서도 Fig. 4. Proposed adaptive algorithm flowchart.
그림 그림 6. 누설/상쇄신호 주파수 스펙트럼 그래프 Fig. 6. Spectrum of leakage and cancelled signals.
표 표 1. 누설선로 길이 및 신호세기 Table 1. Path length and power of leakage signals.
그림 그림 7. 송신파형 초반 구간 누설 성능 비교 그래프 Fig. 7. Early phase leakage cancellation performances.
그림 그림 8. 비트주파수에 따른 표적신호 감쇄 그래프 Fig. 8. Target signal degradation as per beat frequency.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 FMCW 레이다에서 불가피하게 발생하는 송신신호 누설로 인한 문제들을 해결하고자 밀리미터파 탐색기에 최적화된 상쇄기 구조 및 상쇄기에 탑재하는 알고리즘을 제안하였다.
본 논문에서는 위 조건을 모두 충족하는 알고리즘 중 LMS(Least Mean Squares) 알고리즘을 선택하여 밀리미터파 탐색기에서 필요한 알고리즘으로 최적화하였다^[5]. 아래 식은 LMS 알고리즘 내 예측 벡터를 계산하는 식이다.

제안 방법

가장 중요한 설계 파라미터(parameter)중에 하나인 디지털 신호처리기의 clock 속도는 상용 ADC(Analog to Digital Converter) 및 신호처리 코어 Chip의 성능을 고려하여 100 MHz로 설정하였으며, 밀리미터파는 주파수가상승하는 Up-Chirp 환경으로 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 이를 극복하고자 알고리즘 내 학습적응 계수를 feedback 및 계수 적응 단계를 추가하여 오차 e(n) 과 함께 학습적응 계수 μ를 동시에 최적화하였다.
본 논문에서는 제안하는 적응형 알고리즘의 성능검증을 위하여 밀리미터파 탐색기의 누설신호 환경 및 상쇄 알고리즘 M&S(Modeling & Simulation)를 수행하였다.
본 논문에서는 효과적인 누설신호의 분석과 적응형 알고리즘의 효과를 극대화하기 위해 그림 2와 같은 국부신호 발생기(Local Oscillator: LO)를 포함하는 적응형 상쇄기 구조를 사용하였다^[4]. 본 상쇄기는 누설신호를 수신하여 주파수를 2번에 걸쳐 합성하며, 이는 표적신호는 배제함과 동시에 누설에 의해 발생한 신호를 추출하기 위한 구조이다.
그림 1과 같은 누설신호 환경을 모델링하기 위해서 밀리미터파 신호 데이터에 다중누설에 의한 신호 지연시간을 개별적으로 인가하였다. 알고리즘이 오차에 적응하여 상쇄한다는 오차 적응성을 입증하기 위하여 1 m 이내 임의의 신호 지연길이 및 신호 세기를 인가하였으며, 각각의 지연길이 및 세기는 표 1과 같다.
제안하는 알고리즘은 예측 벡터를 갱신하여 오차를 줄여나가며 오차를 갱신하는 학습적응 계수 또한 최적화를 수행한다. 이를 통해 기존 알고리즘 대비 10 dB 이상의 성능 개선효과를 M&S를 통하여 검증하였다. 본 논문에서 검증한 leakage modeling 및 알고리즘 최적화 방안은 후속 연구인 하드웨어 및 누설 상쇄 시스템 연구에 있어 핵심적인 선행연구로 사료된다.
제안하는 알고리즘은 예측 벡터를 갱신하여 오차를 줄여나가며 오차를 갱신하는 학습적응 계수 또한 최적화를 수행한다. 이를 통해 기존 알고리즘 대비 10 dB 이상의 성능 개선효과를 M&S를 통하여 검증하였다.

성능/효과

성능비교 대상은 누설신호와 제안하는 알고리즘을 운용한 첫 번째 파형, 알고리즘 운용 후 계수가 최적화된 후 운용한 파형이다. 예측 벡터 및 학습적응 계수의 최적화가 시작되는 첫 번째 파형에서는 초반 감쇄 성능이 10 dB 이하이지만, 최적화 이후에는 감쇄 성능이 20 dB 이상인 것을 확인할 수 있다.
그림 2와 같이 입력과 출력신호의 차는 아날로그 회로에서 생성되며, 남은 오차신호만 주파수를 낮게 변환하여 디지털 신호처리기에서 수신한다. 이과 같은 이유로 본 논문에서 최적화한 알고리즘은 u(n) 항목을 제거 후 예측 벡터를 계산하였으며, 누설신호 상쇄기의 입력신호는 탐색기가 만드는 일정한 세기의 신호이기 때문에 Weight 계수에 영향을 끼치지 않음을 알 수 있다.

후속연구

이를 통해 기존 알고리즘 대비 10 dB 이상의 성능 개선효과를 M&S를 통하여 검증하였다. 본 논문에서 검증한 leakage modeling 및 알고리즘 최적화 방안은 후속 연구인 하드웨어 및 누설 상쇄 시스템 연구에 있어 핵심적인 선행연구로 사료된다.
표적이 가까워짐에 따라 비트 주파수는 낮아지며, 누설신호 감쇄기에 영향을 받는다. 약 100 kHz 이상부터 비트 주파수 신호의 감쇄가 미약한 것을 확인할 수 있으며, 학습적응 계수가 변화함에 따라 그래프의 cut-off 주파수가 변화하기 때문에 최소 표적거리와 누설신호 감쇄 성능을 만족하는 학습적응 계수를 선정해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	누설신호 상쇄기가 무엇인가요?	본 논문에서는 FMCW 레이다에서 강한 송신신호의 누설로 발생하는 문제들을 해결하기 위한 누설신호 상쇄기 및 상쇄기 내 탑재되는 적응형 알고리즘을 제안한다. 누설신호 상쇄기는 실시간으로 누설신호를 제거하는 적응형 구조이며, 제안하는 알고리즘은 현재 누설신호에 최적화된 예측 벡터 및 학습적응 계수를 산출하여 기존 알고리즘 대비 10 dB 이상의 상쇄효과를 보인다.
	FMCW레이다의 특징은 무엇인가요?	송신 전력 효율이 높고 근거리에서 안정적으로 거리와 각도를 측정할 수 있는 FMCW(Frequency Modulated Con-tinuous Wave)레이다는 송신과 수신을 동시에 수행하기 때문에 단일 안테나 구조인 탐색기에서 운용할 경우 다양한 문제가 발생할 수 있다.
	FMCW레이다를 단일 안테나 구조인 탐색기에서 운용할 경우 발생하는 문제는?	안테나와 송수신기 사이에 위치한 순환기의 격리도(isolation) 성능이 이상적이지 않기 때문에 높은 송신 누설전력이 순환기를 통해 수신기로 입력된다. 이는 수신기의 동적영역(dynamic range)을 초과할 수 있으며, 수신기 내증폭기가 포화되어 정상적인 수신신호를 증폭하지 못하거나, 나아가 수신기를 파괴하는 상황이 야기될 수 있다. 누설전력이 수신기의 동적 영역 내에 위치한 경우에도 신호처리기가 누설신호를 근거리 표적으로 오인할 수 있는 문제가 존재한다 [2],[3].

참고문헌 (6)

G. W. Stimson, Introduction to Airborne Radar, 2nd ed. Raleigh, NC, Scitech Publishing, 1998.
A. Stofberg, "IQ Reflected Power Canceller for an FMCW Radar," Doctoral dissertation, Stellenbosch University, 2014.
A. Melzer, A. Onic, and M. Huemer, "Self-adaptive shortrange leakage canceler for automotive FMCW radar transceivers," in 2018 15th European Radar Conference(EuRAD), Madrid, Sep. 2018, pp. 26-29.
K. Lin, Y. Ethan, C. K. Pao, and Y. C. Shih, "A Ka-band FMCW radar front-end with adaptive leakage cancellation," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 54, no. 12, pp. 4041-4048, Dec. 2006.

상세보기
S. J. Grant, J. K. Cavers, and P. A. Goud, "A DSP controlled adaptive feedforward amplifier linearizer," in Proceedings of ICUPC - 5th International Conference on Universal Personal Communications, Cambridge, MA, 1996, vol. 2, pp. 788-792.
K. R. Borisagar, Design Analysis and Implementation of Quality Inprovement Algorithm using Wavelet for Digital Hearing Aids, Shri Jagdishprasad Jhabarmal Tibarewala University, 2014.

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