[논문]레이더 신호 탐지용 디지털수신기 개발

차민연; 최혁재; 김성훈; 문병진; 김재윤; 이종현

doi:10.9766/kimst.2019.22.3.332

[국내논문] 레이더 신호 탐지용 디지털수신기 개발
Development of a Digital Receiver for Detecting Radar Signals 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.3, 2019년, pp.332 - 340

차민연 (LIG넥스원(주) 전자전연구소) , 최혁재 (LIG넥스원(주) 전자전연구소) , 김성훈 (LIG넥스원(주) 전자전연구소) , 문병진 (LIG넥스원(주) 전자전연구소) , 김재윤 (LIG넥스원(주) 전자전연구소) , 이종현 (LIG넥스원(주) 전자전연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Electronic warfare systems are needed to be advantageous in the modern war. Many radar threat signals with various frequency spectrums and complicated techniques exist. For detecting the threats, a receiver with wide and narrow-band digital processing is needed. To process a wide-band searching mode, a polyphase filter bank has become the architecture of choice to efficiently detect threats. A polyphase N-path filter aligns the re-sampled time series in each path, and a discrete Fourier transform aligns phase and separates the sub-channel baseband aliases. Multiple threats and CW are detected or rejected when the signals are received in different sub-channels. And also, to process a narrow-band precision mode, a direct down converter is needed to reduce aliasing by using a decimation filter. These digital logics are designed in a FPGA. This paper shows how to design and develop a wide and narrow-band digital receiver that is capable to detect the threats.

Keyword

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Block diagram of the digital receiver
그림 Fig. 2. Buffering for 32-point sequences in the 32-stage polyphase filter bank
그림 Fig. 3. Spectral characteristics of sub-channels with different bandwidths
그림 Fig. 4. Block diagram of the FIR filter
그림 Fig. 5. Block diagram of the polyphase filter bank
그림 Fig. 6. I/Q signals of sub-band #1~#16 with 3 inputs
그림 Fig. 7. Specturm of Sub-band #1~16 with 3 inputs
그림 Fig. 8. Block diagram of the DDC
그림 Fig. 9. Frequency plan of the DDC
그림 Fig. 10. Flow chat of operation modes
그림 Fig. 11. Set-up of the digital receiver with an RF board
그림 Fig. 12. Instantaneous bandwidth of the wide-band
그림 Fig. 13. Measured pulse amplitude of the wide-band
그림 Fig. 14. Measured frequency of the wide-band
그림 Fig. 15. Measured pulse width of the wide-band
그림 Fig. 16. Instantaneous bandwidth of the narrow-band
그림 Fig. 17. Measured pulse amplitude of the narrow-band
그림 Fig. 18. Measured frequency of the narrow-band
그림 Fig. 19. Measured pulse width of the narrow-band
표 Table 1. Summary of measurements

AI 본문요약
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제안 방법

본 논문에서 개발하는 디지털수신기는 기존 수신기 단점을 해결하기 위하여 폴리페이즈 필터를 이용하여 채널화된 탐색모드용 광대역 채널과 정밀모드용 협대역 채널로 구성된다.
ES시스템의 기본 구조는 보통 20 GHz 이하의 광범위한 RF신호를 수신하여 신호처리가 용이하도록 증폭기(Amplifier), 믹서(Mixer), 필터(Filter) 등으로 구성된 RF모듈을 이용하여 IF신호로 하향 변환하는 구조이다. 이 하향된 IF신호를 탐색모드와 정밀모드로 사용할 수 있도록 광대역 1채널과 협대역 1채널로 구성된 디지털수신기를 설계하였다. 설계된 디지털수신기의 구성도는 Fig.
광대역과 협대역ADC의 인터페이스는 VIVADO에서 제공하는 SelectIO IP를 이용하여 설계하였다.
4 Gsps 이상, 협대역은 210 Msps 이상의 샘플링 레이트(f_s)를 이용하여 이산신호로 변환된다. ES시스템을 구성하기 위하여 RF를 IF로 변환하는 RF보드와 연동하여 광대역채널의 IF대역폭은 1 GHz 이상, RF수신감도는 -50 dBm 이하로 설계됐으며, 협대역 채널의 IF대역폭은 40 MHz 이상, RF수신감도는 -60 dBm 이하로 설계됐다. 위 설계 성능을 만족하기 위하여 광대역ADC는 Teledyne e2v사의 EV10AQ190A을 사용하였다.
신호처리 방법은 광대역과 협대역에 따라 달라진다. 우선 광대역은 IF대역폭을 탐색모드 운용을 고려하여 1 GHz로 설계했다. 그러면 대역폭이 넓어짐에 따라 여러 위협신호가 동시에 수신될 수 있다.
4는 설계된 FIR필터 구성도이다. 필터계수는 MATLAB을 이용하여 폴리페이즈 필터뱅크의 최종 출력을 고려하여 설계된다. 필터는 Low-pass 응답 특성을 갖고, 차수는 N의 정수배인 256차이다.
필터는 Low-pass 응답 특성을 갖고, 차수는 N의 정수배인 256차이다. 그리고 Transition-Band인 f_s/N를 통과시키기 Pass-Band, Stop-Band를 설계였다. 설계된 필터계수는 FPGA내부 메모리에 저장하여 사용한다.
05 ns이므로 5개의 샘플만 획득이 가능하다. 펄스 진폭의 Fluctuation을 감소시키기 위해 샘플의 이동 평균 사용을 감안하여 I/Q 샘플링 레이트를 f_s/3로 설계하였다.
RF보드는 SG로부터 입력된 RF신호를 IF대역으로 낮추고 입력 신호세기에 따라 증폭과 비증폭 경로를 설정할 수 있다. 디지털수신기의 PCB제작은 ADC의 신호/클럭 입력임피던스 매칭과 LVDS출력라인 길이를 고려하였다. 조립된 보드의 전면부에는 J1에 광대역IF, J2에 협대역IF, J3에 기준클럭 10 MHz를 입력받는 포트가 있고, 후면부에는 전원공급 및 통신이 가능한 P1, P2커넥터가 있다.
85 dB 이득평단도로 측정됐고, IF대역폭은 1 GHz이다. 신호세기와 주파수, 펄스 폭 측정 정확도를 시험하기 위하여 펄스 폭은 1 us와 0.1 us, 펄스 반복주기는 1000 us인 펄스를 이용하여 시험하였다. Fig.
16에서 확인할 수 있다. 광대역과 마찬가지로 신호세기와 주파수, 펄스 폭 측정 정확도를 시험하기 위하여 펄스 폭은 1 us와 0.1 us, 펄스 반복주기는 1000us인 펄스를 이용하여 시험하였다. Fig.
다양한 레이더 위협신호를 탐지하기 위하여 탐색모드와 정밀모드 기능이 있는 디지털수신기를 개발하였다. 기가비트 샘플링 레이트의 ADC를 사용하여 광대역 IF수신대역폭을 1 GHz로 설계할 수 있었고, 다중위협 탐지 및 CW제거 등의 기능을 수행하도록 폴리페이즈 필터 뱅크를 설계에 적용하였다.
다양한 레이더 위협신호를 탐지하기 위하여 탐색모드와 정밀모드 기능이 있는 디지털수신기를 개발하였다. 기가비트 샘플링 레이트의 ADC를 사용하여 광대역 IF수신대역폭을 1 GHz로 설계할 수 있었고, 다중위협 탐지 및 CW제거 등의 기능을 수행하도록 폴리페이즈 필터 뱅크를 설계에 적용하였다. 정밀모드는 수신감도 향상을 위해 샘플링 레이트를 낮추고 ENOB가 높은 ADC를 사용하여 신호처리 하도록 설계하였다.
기가비트 샘플링 레이트의 ADC를 사용하여 광대역 IF수신대역폭을 1 GHz로 설계할 수 있었고, 다중위협 탐지 및 CW제거 등의 기능을 수행하도록 폴리페이즈 필터 뱅크를 설계에 적용하였다. 정밀모드는 수신감도 향상을 위해 샘플링 레이트를 낮추고 ENOB가 높은 ADC를 사용하여 신호처리 하도록 설계하였다. 디지털수신기는 ADC 샘플링 간에 디지털 노이즈의 영향을 최소화하기 위하여 ADC보드와 디지털보드로 구분하여 개발하였다.
정밀모드는 수신감도 향상을 위해 샘플링 레이트를 낮추고 ENOB가 높은 ADC를 사용하여 신호처리 하도록 설계하였다. 디지털수신기는 ADC 샘플링 간에 디지털 노이즈의 영향을 최소화하기 위하여 ADC보드와 디지털보드로 구분하여 개발하였다. ES시스템을 염두에 두고 RF보드와 연동한 디지털수신기의 측정결과로 광대역은 1 GHz, 협대역은 40 MHz의 IF대역폭을 확보하였다.
본 개발을 통해 개발된 디지털수신기는 광대역과 협대역 디지털 처리를 통해 탐색모드와 정밀모드로 운용이 가능하다. 증가하는 레이더 위협신호를 탐지하는데 필요한 대역폭 및 PDW측정 성능 등을 확인하였다. 또한 채널화기법을 적용하여 동시 수신되는 위협 신호를 탐지하고 CW에 의해 기능이 제한되는 단점을 해결하였다.
증가하는 레이더 위협신호를 탐지하는데 필요한 대역폭 및 PDW측정 성능 등을 확인하였다. 또한 채널화기법을 적용하여 동시 수신되는 위협 신호를 탐지하고 CW에 의해 기능이 제한되는 단점을 해결하였다. 향후 다양한 EW시스템에 적용돼 아군의 다양한 시스템에 위협정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

대상 데이터

ES시스템을 구성하기 위하여 RF를 IF로 변환하는 RF보드와 연동하여 광대역채널의 IF대역폭은 1 GHz 이상, RF수신감도는 -50 dBm 이하로 설계됐으며, 협대역 채널의 IF대역폭은 40 MHz 이상, RF수신감도는 -60 dBm 이하로 설계됐다. 위 설계 성능을 만족하기 위하여 광대역ADC는 Teledyne e2v사의 EV10AQ190A을 사용하였다. 위 부품의 주요성능으로는 2.
7비트, SFDR은 56 dBFS, SNR은 48 dB이다. 그리고 협대역ADC는 Analog Device사의 AD9467을 사용하였다. 위 부품의 주요성능으로는 250 Msps 샘플링 레이트 기준으로 -1 dBFS인 210 MHz 신호 주입 시, ENOB는 12.
5 dB이다. FPGA는 I/O포트와 로직 셀(Logic Cell), 곱셈기(DSP)등을 고려하여 부품을 선정한다. FPGA에서 ADC의 제어는 일반적으로 SPI(Serial Peripheral Interface)를 사용하고, 클럭 및 데이터 수신은 LVDS(Low Voltage Differential Signaling)를 사용한다.
이는 XILINX의 VIVADO툴을 이용하여 예비 설계를 거쳐 확인할 수 있다. 환경조건에 따라 타이밍 마진이 달라질 수 있으므로 낮은 리소스 사용률을 위해 Xilinx의 XC7VX690T-2 FFG1157IGA를 FPGA로 선정하여 LUT(Look-Up Table)는 433,200 개 중에 99,032 개, FF(Flip-Flop) 866,400 개 중에 135,545 개, DSP Slice 3,600 개 중에 1,231 개를 사용하였다.
입력 모의 신호로는 3번 서브채널의 중심주파수(fc_CH3) – 5MHz와 fc_CH9 + 5 MHZ, fc_CH15 + 10 MHz의 주파수를 갖는 CW 신호를 주입하였다.

이론/모형

FIR 필터의 출력데이터 y(n)을 N-point DFT를 이용하여 기저대역으로 하향 변환하면 Y(k)로 표현되는 I/Q데이터가 된다. 리소스를 적게 사용하기 위하여 DFT를 Radix-2 FFT(Fast Fourier Transform) 알고리즘을 적용하여 설계하였으며, 아래와 같은 수식으로 표현된다^[8].

성능/효과

여기서 채널화 이득을 고려하여 DFT의 Point 수 N은 32로 설계하였다. ADC의 2.4 Gsps 이상 샘플링 레이트로 출력되는 IF신호를 32개의 채널로 분리하면, 샘플링 레이트가 f_s/N로 낮아지며 약 11 dB의 채널화 이득을 얻을 수 있다. 폴리페이즈 필터뱅크의 입력데이터는 입력버퍼를 이용하여 알맞은 데이터 배열을 생성하여 입력해야 한다.
7은 채널화된 16개 서브채널에서 출력되는 I/Q신호를 주파수 스펙트럼으로 도시하여 중첩시킨 결과이다. 이를 보면 IF대역폭에 주입된 3개의 신호가 3번과 9번, 15번 서브채널에 정확히 분리된 것을 확인할 수 있다.
12은 광대역 IF순시대역폭을 측정한 결과이다. 디지털수신기 단독으로는 0.53 dB, RF보드와 연동 시 7.85 dB 이득평단도로 측정됐고, IF대역폭은 1 GHz이다. 신호세기와 주파수, 펄스 폭 측정 정확도를 시험하기 위하여 펄스 폭은 1 us와 0.
지금까지의 측정결과들을 Teledyne DR068^[10]을 참고하여 설정한 목표값과 비교하여 Table 1에 요약하였다. 그리고 1 GHz IF대역폭 기준으로 잡음신호세기 대비 RF신호의 세기가 2 dB 이상 일 때 펄스 제원 측정값이 목표한 성능을 만족하는 것을 실험적으로 확인하였다. 이는 채널화 이득을 고려하면 서브 채널에서 13 dB의 SNR을 확보해야 펄스 위협 신호를 탐지 할 수 있다.
특히 광대역은 탐색모드를 위해 1 GHz의 IF대역폭을 확보했으며 Short 펄스 대응 뿐 만아니라 CW를 대응을 위한 채널화 설계를 통해 높은 품질의 PDW제원을 측정할 수 있다. 협대역도 정밀모드를 위해 40 MHz의 IF대역폭을 확보했으며 Short 펄스 대응 및 높은 품질의 PDW생성을 할 수 있다.
디지털수신기는 ADC 샘플링 간에 디지털 노이즈의 영향을 최소화하기 위하여 ADC보드와 디지털보드로 구분하여 개발하였다. ES시스템을 염두에 두고 RF보드와 연동한 디지털수신기의 측정결과로 광대역은 1 GHz, 협대역은 40 MHz의 IF대역폭을 확보하였다.
본 개발을 통해 개발된 디지털수신기는 광대역과 협대역 디지털 처리를 통해 탐색모드와 정밀모드로 운용이 가능하다. 증가하는 레이더 위협신호를 탐지하는데 필요한 대역폭 및 PDW측정 성능 등을 확인하였다.

후속연구

또한 채널화기법을 적용하여 동시 수신되는 위협 신호를 탐지하고 CW에 의해 기능이 제한되는 단점을 해결하였다. 향후 다양한 EW시스템에 적용돼 아군의 다양한 시스템에 위협정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EW시스템의 설계 및 개발이 어려워지고 있는 이유는?	현대전에서 전쟁의 우위를 확보할 수 있는 전자전(Electronic Warfare)시스템은 아군의 전세를 유리하도록 할 수 있는 Key 시스템이다. 하지만 EW시스템은 위협들의 주파수 스펙트럼이 넓어지고 감시 기법이 복잡해짐에 따라 시스템의 설계 및 개발이 어려워지고 있다. 하지만 시스템을 구성하는 필수 부품들이 고집적화 되고 처리속도가 비약적으로 빨라짐에 따라 발전된 ADC(Analog-to-Digital Converter)와 FPGA(Field Programmable Gate Array), DSP(Digital Signal Processing)등의 부품들을 적절히 사용하면 개발이 불가능한 일은 아니다[1].
	EA시스템의 역할은?	EW시스템은 보통 전자지원(Electronic Support)과 전자공격(Electronic Attack), 전자보호(Electronic Protect)로 분류된다[2]. EA시스템은 ES시스템으로부터 분석된 제원을 이용해 재밍신호를 방사하여 레이더나 미사일 등의 위협을 무력화하고, EP시스템은 적의 전자공격에 대해 아군의 시설이나 장비를 보호한다. 특히 ES시스템은 지향성과 의도성에 상관없이 통신/비통신 전파신호를 모두 수신하여 의미 있는 데이터를 분석/식별하여 아군의 작전수행을 지원하는 역할을 한다.
	ES시스템에서 알려지지않은 위협을 탐지하기 위해서는 무엇이 필요합니까?	특히 ES시스템은 지향성과 의도성에 상관없이 통신/비통신 전파신호를 모두 수신하여 의미 있는 데이터를 분석/식별하여 아군의 작전수행을 지원하는 역할을 한다. 이런 시스템에서 알려지지 않은 위협을 탐지하기 위해서는 위협신호가 분포하는 주파수 범위에서 탐지/분석을 수행 할 수 있는 수신기가 필요하다.

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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