[논문]실시간 목표물 변경 유도무기에 적용 가능한 수신 모뎀 설계

맹성재; 이종혁; 김강산

doi:10.12673/jant.2019.23.2.97

[국내논문] 실시간 목표물 변경 유도무기에 적용 가능한 수신 모뎀 설계
A Design of Receiver Modem That Can Be Applied to Real-Time Target Change Guided Weapon 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.23 no.2 = no.95, 2019년, pp.97 - 103

맹성재 (단암시스템즈 기술연구소) , 이종혁 (단암시스템즈 기술연구소) , 김강산 (단암시스템즈 기술연구소)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 페이딩(fading)에 의한 영향이 적은 실시간 목표물 변경이 가능한 유도무기에 적용할 수 있는 수신 모뎀을 설계 및 제작하는데 목적이 있다. 설계된 모뎀은 동기 검출기 (sync detector), 타이밍 추정부 (timing estimator), 타이밍 복원부 (timing recovery), 차동 복호기(differential decoder) 와 비터비 복호기 (viterbi decoder)로 구성되며, 이를 FPGA (field programmable gate array)로 구현하여 요구 사항에 맞춰 재설계 및 수정이 유연하도록 구현하였다. 제작된 모뎀 보드는 중간 주파수 (IF; intermediate frequency)에서 기저대역으로 직접 변환하였으며, ADC (analog to digital converter)를 통하여 디지털 데이터로 변환하였다. 모의실험과 측정 및 시험을 수행하여, 실시간 목표물 변경이 가능한 유도무기에 적용 가능하다는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we designed and fabricated a receiving modem that can be applied to guided weapons can change real-time targets with little effect of fading. The designed modem consists of synchronous detector, timing error estimator, timing recovery, differential decoder and viterbi decoder, and it's implemented in FPGA so that it can be redesigned and modified according to requirements. The modem board was directly converted from IF frequency to baseband and converted into digital data through ADC. It is confirmed that it is applicable to the guided weapons that changing real-time targets through simulations, measurements and test.

주제어

표/그림 (20)

그림 그림 1. 송신 프레임 구조 Fig. 1. Transmit Frame Structure.
그림 그림 2. 송신 블록도. Fig. 2. Transmit block diagram.
그림 그림 3. 기저대역 송신 스펙트럼(위) 과 성상도(아래) Fig. 3. Baseband tx spectrum(up) and constellation(down).
그림 그림 4. 수신 모뎀 블록도. Fig. 4. Receiver block diagram.
그림 그림 5. 차동 복호기 Fig. 5. differential decoder.
그림 그림 6. 상관기 구조 Fig. 6. Correlation structure.
그림 그림 7. 상관기 출력 Fig. 7. Correlation results.
그림 그림 8. 동기 검출기 성능 Fig. 8. Sync detector performance.
그림 그림 9. 타이밍 오류와 상관 값의 관계 Fig. 9. Relationship between timing error and correlation.
그림 그림 10. 얼리-레이트 타이밍 추정기 구조. Fig. 10. Early-late timing estimator structure.
그림 그림 11. 타이밍 오류 추정 결과 Fig. 11. Timing error estimation results.
그림 그림 12. 심벌 클럭 오프셋 Fig. 12. Symbol clock offset.
그림 그림 13. 심벌 타이밍 복원 모의실험 결과 Fig. 13. Symbol timing recover simulation results.
그림 그림 14. 심벌 타이밍 복원 결과 Fig. 14. Symbol timing recover results.
그림 그림 15. 주파수 오프셋에 따른 BER 성능 Fig. 15. Effect of frequency offset BER performance.
표 표 1. 주파수 오프셋 계산 Table 1. Frequency offset calculation.
그림 그림 16. 모뎀 및 제어반 형상 Fig. 16. Modem and control panel construction drawing.
그림 그림 17. 시험 구성도 Fig. 17. Test diagram.
표 표 2. FPGA 합성 결과 Table 2. FPGA Synthesis results.
표 표 3. 최저 수신 감도 계산 Table 3. Minimum receiver sensitivity calculation.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 유도무기 상향 링크에 적용 가능하도록, 페이딩에 의한 성능 열화가 적은 수신 모뎀 구조를 제안하고 모의실험을 통한 성능 검증 및 최저 수신 감도 –95 dBm의 성능을 만족하는 수신기 개발에 초점을 맞추고 있다.
본 논문에서는 현재 군에서 사용하고 있는 전술 데이터 링크의 실시간 목표물 변경이 가능한 유도무기에 적용 가능하도록 페이딩에 의한 성능 열화가 적으면서 필요시 표적 정보를 송신하는 데이터의 수신을 위한 수신기 구조를 제안 하고 성능 분석하여 요구 사항에 만족하는 수신 모뎀을 개발하였다.
플랫폼 단위로 운용되던 무기체계는 정보통신기술의 발전에 힘입어 모든 플랫폼 간 실시간 데이터통신이 가능하게 됨으로써 정보의 우위를 달성하고, 보다 먼저 판단하여 행동을 취함으로써 전장의 우세권을 선점하는 네트워크 중심전 (NCW; network centric warfare)으로 진화하고 있다[1]. 합동 전술 데이터 링크 시스템은 TDMA (time division multiple access)로 운용되어 모든 단말 간 전술데이터가 공유하도록 하고 있으며, 실시간 타격 위치가 변경 될 경우 표적 정보를 재 수신하여 유도무기의 새로운 비행 궤적을 도출하는 것을 목표로 연구 중이다[2]. 또한, 통신 분야의 기술 발전으로 인하여 유도무기에 대한원격 통제 기술 또한 크게 발전하여 비행 중 유도탄과의 무선통신을 통해 이동 목표물 타격 또한 가능해졌다[3].

제안 방법

본 모뎀에서 기저 대역 처리를 위한 모뎀 및 제어반의 형상은 그림 16 과 같으며, SRC 필터, 동기 검출기, 리샘플러, DBPSK 복호기 등을 구현하기 위하여 FPGA를 이용하였다. EMI (electromagnetic interference)를 고려한 전원 설계 기법과사이즈 축소를 위하여 IF 신호를 입력받아 트랜시버를 통하여기저대역으로 직접 변환 후 ADC를 이용하여 디지털 데이터를 FPGA로 CMOS 인터페이스를 이용하여 전달하였으며, 위내용을 바탕으로 개발 및 제작 된 모뎀 보드는 그림 16에 나타낸다.
송신기에서 표적정보 변경 시에만 전송하므로 타이밍 에러를 누적하는 방법은 적용하기 어려워, 추정 후 바로 적용하는 방법을 사용하였다.
유도무기에 적용하기 위해 요구되는 최저 수신감도는 –95 dBm으로, 요구사항에 만족하도록 설계 및 제작되었다.
유도무기의 표적정보를 연속적으로 전송할 경우 감청 및 스푸핑(spoofing)에 의한 위험으로부터 안전하지 않을 수 있기 때문에 목표물 변경 시에만 표적 정보를 전송하는 방식을 적용하여 위험 노출을 최소화하였다. 프레임으로 구성된 디지털 데이터의 구조는 그림 1과 같으며, 프리앰블 64 비트와 데이터로 구성되어 프리앰블을 이용하여 동기를 획득 후 수신이 가능하도록 설계되었다.
제안 및 개발된 모뎀은 필요시 표적 정보를 송신하는 데이터의 수신에 적합하도록 빠른 심벌 타이밍 복원과 정확한 샘플링을 얻을 수 있는 심벌 타이밍 복원기, 잡음이 높은 환경에서도 정확한 동기를 획득할 수 있는 동기 검출기, 유도무기의 초고속 이동 시 발생하는 페이딩에 의한 주파수 오프셋 28.845kHz에도 성능 열화 1 dB 이내의 최저 수신 감도 –95 dBm을 만족 하는 수신 모뎀을 설계 하였다.
유도무기에 적용하기 위해 요구되는 최저 수신감도는 –95 dBm으로, 요구사항에 만족하도록 설계 및 제작되었다. 최저수신 감도 시험 구성은 그림 17과 같으며 수신기, 전원공급기, 시뮬레이터, PC로 구성되어 있으며, 시뮬레이터에서 송신 신호를 모의 한 후 시뮬레이터의 신호 크기를 줄여서 측정하였다. 최저 수신감도에서 모니터링 PC를 통하여 송신 데이터를복원 할 수 있음을 확인 하였다.
타이밍 오프셋을 매 클럭마다 지연시켜 평균 오프셋의 크기를 동일하게 만들고, 순시 클럭 오프셋을 달리하여 실제 타이밍 오프셋을 모사하여 모의실험을 수행하였다. 심벌 타이밍 복원 전에는 타이밍 에러로 인하여 시간이 흐름에 따라 송신기와 수신기의 샘플 위치가 변하는 것을 확인할 수 있으며, 타이밍 복원 후에는 시간이 지남에도 동일한 샘플 위치를 가지는 것을 알 수 있으며, 그 결과는 그림 13에 나타내고 있다.

대상 데이터

Altera 社의 Cyclone V를 선정하여 입력 클럭 40Mhz을 사용하였으며, 구현한 결과는 표 2에 나타내고 있으며, 내부사용량은 약 50% 이다.

데이터처리

동기 검출기의 검출 성능을 모의실험을 통하여 검증 하였으며, 실험 결과는 그림 8에 나타내었다. 동기 검출기 성능은Eb/No(the energy per bit to noise power spectral density ratio) 0 dB에서도 정확한 동기를 검출할 수 있다는 것을 확인하였다.

이론/모형

유도무기는 고속의 이동체로 이동 시 발생하는 페이딩 에 의한 위상 및 주파수 오프셋에도 성능 열화가 적어야 하므로 수신부에서 동기 획득 없이 데이터 복원이 가능하도록 비동기식 변조 방식인 차동 복호 방식을 적용하였다.

성능/효과

개발된 모뎀의 경우 위상 모호성이 발생되지 않는 최대 주파수 오프셋은 1 MHz로, 차동 인코딩 방식을 적용할 경우 성능 열화 없이 데이터를 수신할 수 있을 것이며, 이를 모의실험을 통하여 확인하였다. 결과는 그림 15에 나타내며, 주파수 오프셋 200 KHz 내에서 BER (bit error rate) 10e-6에서 성능 열화가약 0.
동기 검출기의 검출 성능을 모의실험을 통하여 검증 하였으며, 실험 결과는 그림 8에 나타내었다. 동기 검출기 성능은Eb/No(the energy per bit to noise power spectral density ratio) 0 dB에서도 정확한 동기를 검출할 수 있다는 것을 확인하였다.
시스템의 통신 지연 시간을 최소화하기 위하여 고속 디지털신호처리를 이용하였으며, 추후 요구 조건이 변경하여도 일부 수정 및 보완으로 쉽게 변경 가능하다.
최저수신 감도 시험 구성은 그림 17과 같으며 수신기, 전원공급기, 시뮬레이터, PC로 구성되어 있으며, 시뮬레이터에서 송신 신호를 모의 한 후 시뮬레이터의 신호 크기를 줄여서 측정하였다. 최저 수신감도에서 모니터링 PC를 통하여 송신 데이터를복원 할 수 있음을 확인 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	네트워크 중심전이란 무엇인가?	플랫폼 단위로 운용되던 무기체계는 정보통신기술의 발전에 힘입어 모든 플랫폼 간 실시간 데이터통신이 가능하게 됨으로써 정보의 우위를 달성하고, 보다 먼저 판단하여 행동을 취함으로써 전장의 우세권을 선점하는 네트워크 중심전 (NCW; network centric warfare)으로 진화하고 있다[1]. 합동 전술 데이터 링크 시스템은 TDMA (time division multiple access)로 운용되어 모든 단말 간 전술데이터가 공유하도록 하고 있으며, 실시간 타격 위치가 변경 될 경우 표적 정보를 재 수신하여 유도무기의 새로운 비행 궤적을 도출하는 것을 목표로 연구 중이다[2].
	유도무기가 이동 목표물 타격이 가능하기 위해서 필요한 조건은 무엇인가?	유도무기의 이동 목표물 타격이 가능하기 위해서는 초고속 이동 시 발생하는 페이딩에 의한 위상 또는 주파수 오프셋에 따른 수신 성능 열화를 최소화하여, 신뢰성 있는 표적정보를 제공하는 것이 중요하다.
	심벌 타이밍 복원기는 타이밍 오프셋을 어떻게 추정하는가?	심벌 타이밍 복원기는 동기 검출기를 이용하여 타이밍 오프셋을 추정한다. 상관 값이 최대가 되는 샘플을 중심으로 앞뒤 샘플의 상관 값의 차이를 이용하여 추정할 수 있으며, 타이밍 오류와 상관 값의 관계는 그림 9에서 확인할 수 있다. 그림9(a)는 상관 값이 최대가 되는 값의 좌, 우 샘플 상관 값이 동일한 값을 가지며, 이때 타이밍 오프셋 ¢은 0인 경우이다.

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
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