[논문]2차원 위상비교 방향탐지를 위한 수신기 설계 및 제작

전종화; 조성진; 채명호

doi:10.9766/kimst.2020.23.1.052

[국내논문] 2차원 위상비교 방향탐지를 위한 수신기 설계 및 제작
Design and Fabrication of 2-Dimensional Direction Finding Receiver Using Phase Comparison 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.23 no.1, 2020년, pp.52 - 58

전종화 (국방과학연구소 제2기술연구본부) , 조성진 (국방과학연구소 제2기술연구본부) , 채명호 (국방과학연구소 제2기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a 2-dimensional phase comparison direction finding receiver was designed and fabricated. For 2-D comparison direction finding, direction finding formulas were derived from a uniformly arranged of four antennas. Based on this, a direction finding receiver was designed using Matlab simulink, and the direction finding receiver was fabricated. To analyze the performance of the designed direction finding receiver, the injection direction finding accuracy and simulation results were compared. As a result of the test, the fabricated direction finding receiver showed a maximum of 3° RMS precision, and the result of both tests showed similar trends. Also, it was confirmed that the direction finding accuracy of elevation angle is about 2.7 times better than azimuth angle, and both models performed well within 0.7° RMS at the boresight.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Phase comparison direction finding diagram with one baseline
그림 Fig. 2. Uniform array antenna using four elements
그림 Fig. 3. Direction finding simulation diagram
그림 Fig. 4. Configuration diagram of 2-dimensional direction finding receiver
그림 Fig. 5. Manufactured direction finding receiver(Top : ADC receiving part, Bottom : digital signal processing part)
그림 Fig. 6. Injection direction finding test configuration diagram
그림 Fig. 7. RMS error of simulation model
표 Table 1. Consist of injection compensation table
표 Table 2. Performance of reference signal generator
그림 Fig. 8. RMS error of fabricated direction finding receiver

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 소형, 저전력 특성을 갖는 2차원 위상비교 방향탐지 수신기를 설계하고 제작하였다. 2장에서는 2차원 위상비교 방향탐지 수신기 설계를 위해 4개의 안테나를 균일하게 배치한 구조에서 2차원 방향탐지 수식을 도출하였다.
본 논문에서는 탐지 대상의 상대 방위각과 고각 추정을 위해 2차원 위상비교 방향탐지 수신기를 설계 및 제작하였다. 방향탐지 수신기 설계를 위해 위상비교 방향탐지 이론을 정리하였고, 이를 기반으로 2차원 위상비교 방향탐지 수식을 도출하였다.

제안 방법

방향탐지 수신기 설계를 위해 위상비교 방향탐지 이론을 정리하였고, 이를 기반으로 2차원 위상비교 방향탐지 수식을 도출하였다. 도출한 수식을 기반으로 Simulink를 이용하여 시뮬레이션 기반의 방향탐지 수신기를 설계 후 제작하였다. 또한 방향탐지 수신기 제작 시 위상차 보정을 위해 채널보정, 주입보정 및 측정 방법을 제안하였다.
본 장에서는 시뮬레이션 모델의 방향탐지 수신기와 제작된 방향탐지 수신기의 성능을 비교 분석한다. 두 모델을 직접적으로 비교하기 위해 제작 모델의 주입 방향탐지 정확도와 시뮬레이션 모델의 방향탐지 정확도를 비교하였다. 방향탐지 정확도 분석을 위해 방향 탐지 오차의 RMS를 서로 비교 분석하였다.
도출한 수식을 기반으로 Simulink를 이용하여 시뮬레이션 기반의 방향탐지 수신기를 설계 후 제작하였다. 또한 방향탐지 수신기 제작 시 위상차 보정을 위해 채널보정, 주입보정 및 측정 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 탐지 대상의 상대 방위각과 고각 추정을 위해 2차원 위상비교 방향탐지 수신기를 설계 및 제작하였다. 방향탐지 수신기 설계를 위해 위상비교 방향탐지 이론을 정리하였고, 이를 기반으로 2차원 위상비교 방향탐지 수식을 도출하였다. 도출한 수식을 기반으로 Simulink를 이용하여 시뮬레이션 기반의 방향탐지 수신기를 설계 후 제작하였다.
두 모델을 직접적으로 비교하기 위해 제작 모델의 주입 방향탐지 정확도와 시뮬레이션 모델의 방향탐지 정확도를 비교하였다. 방향탐지 정확도 분석을 위해 방향 탐지 오차의 RMS를 서로 비교 분석하였다.
본 장에서는 2장에서 도출한 수식을 기반으로 Matlab Simulink를 이용하여 2차원 위상비교 방향탐지 수신기를 설계하였고, 이를 기반으로 방향탐지 수신기를 제작하였다. 제작 시 4개의 RF 채널의 위상차 보정을 위해 채널간 위상차 보정 방법을 제안하였고, 주입 방향탐지 성능을 측정하기 위한 시험 방법을 설명한다.
본 장에서는 시뮬레이션 모델의 방향탐지 수신기와 제작된 방향탐지 수신기의 성능을 비교 분석한다. 두 모델을 직접적으로 비교하기 위해 제작 모델의 주입 방향탐지 정확도와 시뮬레이션 모델의 방향탐지 정확도를 비교하였다.
본 장에서는 일반적인 1차원 방향탐지 이론을 기술한 뒤, 2차원 방향탐지를 위해 4개의 안테나를 균일하게 배치한 구조에서 2차원 위상비교 방향탐지 수식을 도출한다.
3은 Matlab Simulink를 이용하여 설계된 2차원 위상비교 방향탐지 수신기를 나타낸다. 설계된 방향탐지 수신기는 신호원 생성부, 위상차 계산부, 정확도 산출부로 구성된다.
설계된 방향탐지 수신기의 성능을 분석하기 위해 시뮬레이션 모델의 방향탐지 정확도와 제작된 방향탐지 수신기의 주입 방향탐지 정확도를 서로 비교 분석하였다. 실험결과 두 모델 모두 비슷한 양상의 결과를 확인할 수 있었고, 방위각은 약 3.
5의 아래는 디지털 신호처리부 이다. 소형, 저전력의 특성을 만족시키기 위해 직접 RF(Radio Frequency) 표본화 기반 수신기로 설계하였다^[9]. 제작된 방향탐지 수신기는 4개의 RF 신호를 2개의 2채널 ADC(Analog to Digital Converter)로 입력받아 디지털 신호로 변환하고, FPGA(Field Programmable Gate Array)를 거쳐 위상차를 산출하여 고각과 방위각 정보를 추출한 후 이를 CPU(Central Processing Unit)를 통해 외부 인터페이스에 데이터를 전달하는 구조이다.
본 장에서는 2장에서 도출한 수식을 기반으로 Matlab Simulink를 이용하여 2차원 위상비교 방향탐지 수신기를 설계하였고, 이를 기반으로 방향탐지 수신기를 제작하였다. 제작 시 4개의 RF 채널의 위상차 보정을 위해 채널간 위상차 보정 방법을 제안하였고, 주입 방향탐지 성능을 측정하기 위한 시험 방법을 설명한다.
소형, 저전력의 특성을 만족시키기 위해 직접 RF(Radio Frequency) 표본화 기반 수신기로 설계하였다^[9]. 제작된 방향탐지 수신기는 4개의 RF 신호를 2개의 2채널 ADC(Analog to Digital Converter)로 입력받아 디지털 신호로 변환하고, FPGA(Field Programmable Gate Array)를 거쳐 위상차를 산출하여 고각과 방위각 정보를 추출한 후 이를 CPU(Central Processing Unit)를 통해 외부 인터페이스에 데이터를 전달하는 구조이다. 고속 처리 및 소형화를 위해 FPGA는 다른 제품에 비해 비교적 게이트 수가 많고, CPU가 내장되어있는 Xilinx사의 Zynq-XC7Z100을 사용하였다^[10].
본 논문에서 제안하는 채널 보정 및 방향탐지 방법은 다음과 같다. 채널 보정을 위해 기준용 계측장비 에서 4채널 출력 신호를 동일하게 생성하여 이를 RF 입력단에 연결 후 RF 방향탐지 수신기의 채널간 위상차를 측정한다. 이때의 위상차는 ADC 입력단 전 RF 경로의 위상차이다.

대상 데이터

제작된 방향탐지 수신기는 4개의 RF 신호를 2개의 2채널 ADC(Analog to Digital Converter)로 입력받아 디지털 신호로 변환하고, FPGA(Field Programmable Gate Array)를 거쳐 위상차를 산출하여 고각과 방위각 정보를 추출한 후 이를 CPU(Central Processing Unit)를 통해 외부 인터페이스에 데이터를 전달하는 구조이다. 고속 처리 및 소형화를 위해 FPGA는 다른 제품에 비해 비교적 게이트 수가 많고, CPU가 내장되어있는 Xilinx사의 Zynq-XC7Z100을 사용하였다^[10].
제작된 수신기는 18 × 13 cm 사이즈로 총 3개의 모듈로 구성되어있다.

데이터처리

2 절에서 도출한 수식을 기반으로 신호원 생성부에서 입력받은 신호의 위상차를 계산한다. 정확도 산출부는 위상차 계산부의 결과를 바탕으로 상대 방위각과 고각을 산출하고, 방향탐지 정확도를 산출하기 위해 방향탐지 오차의 RMS(Root Mean Squares)를 출력한다. 시뮬레이션이 실제 모델과 비슷한 의미를 가지도록 잡음 모델은 가우시안 잡음 모델을 적용하였다^[7,8].

이론/모형

정확도 산출부는 위상차 계산부의 결과를 바탕으로 상대 방위각과 고각을 산출하고, 방향탐지 정확도를 산출하기 위해 방향탐지 오차의 RMS(Root Mean Squares)를 출력한다. 시뮬레이션이 실제 모델과 비슷한 의미를 가지도록 잡음 모델은 가우시안 잡음 모델을 적용하였다^[7,8].

성능/효과

베이스라인별로 2개의 채널을 사용하기 때문에 기존의 ESM(Electronic Support Measure) 장비 대비 방향탐지 성능이 떨어지지만, 탐지범위 중심부는 기존과 비슷한 성능을 보였다. 따라서 본 논문에서 제안하는 방법을 적용하면 탐지범위 중심부에서 고정밀의 방향탐지 성능을 요구하는 소형 플랫폼 체계에 적용할 수 있고, 소형화, 저비용의 특성을 만족하는 다양한 플랫폼에 탑재 가능한 우수한 성능의 2차원 위상비교 방향탐지 수신기 제작이 가능하다.
또한 탐지범위의 중심부는 방위각, 고각 모두 약 0.7° RMS 이내의 우수한 방탐 정확도 성능을 갖는 2차원 위상비교 방향 탐지 수신기 제작이 가능함을 보였다.
이로 인해 측정된 채널 보정 데이터를 이용하여 주입 보정 테이블 생성시 위상 측정 오차가 포함되므로 방향탐지 결과에 영향을 미친다. 반면, 최대 오차의 경우 두 시험결과는 방위각과 고각 모두 근사함을 확인하였다.
시험결과 두 모델 모두 전체적인 경향성은 서로 비슷함을 확인하였다. 방위각 오차가 고각의 오차보다 상대적으로 크게 발생하였고, 방위각, 고각의 오차 모두 FOV의 끝단으로 갈수록 방향탐지 오차가 커지는 경향을 확인할 수 있다.
실험결과 두 모델 모두 비슷한 양상의 결과를 확인할 수 있었고, 방위각은 약 3.5° RMS 이내, 고각은약 1.3° RMS 이내의 성능을 보였다.
54° RMS이다. 제작 모델보다 시뮬레이션 모델이 방위각은 약 3.05배, 고각은 약 1.5배우수함을 보였다. 이는 채널 보정 오차로 인한 영향이다.

참고문헌 (12)

Stephen. E. Lipsky, Microwave Passive Direction Finding, John Wiley & Sons, USA, 1987.
M. H. Chae, “Accuracy Analysis of 2-D Direction Finding Based on Phase Comparison,” The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, Vol. 28, No. 8, pp. 653-660, 2017.

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J. H. Jeon, et. al., "Performance Analysis of Injection Direction Finding Accuracy of 2-Dimensional RF Direction Finder," KIMST Annual Conference Proceedings, pp. 1155-1156, Nov., 2018.
J. S. Lim, G. S. Chae, “Analysis of Direction Finding Accuracy for Amplitude-Phase Comparison and Correlative Interferometer Method,” Journal of Digital Convergence, Vol. 14, No. 1, pp. 195-201, 2016.

원문보기 상세보기
J. S. Lim, et. al., “A Technology of Microwave Direction Finding with Circular Array Combination Method,” The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, Vol. 16, No. 6, pp. 549-555, 2005.
John Haystead, "New Signals, New Threats, New Challengesadvanced DF Systems and Techniques Rise to Meet the Challenge," The Journal of Electronic Defense, pp. 26-31, Jun. 2016.
Sahinoglu Z., Gezici S. and Guvenc I., "Ultrawideband Positioning Systems Theoretical Limits, Ranging Algorithms, and Protocols," Cambridge University Press, Cambridge, pp. 67-70, 2008.
J. H. Jeon, et. al., “Development of 3-dimensional Position/Attitude Determination Radio-navigation System with FLAOA and TOA Measurements,” Journal of Positioning, Navigation, and Timing, Vol. 7, No. 2, pp. 61-71, 2018.

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J. W. Choi, B. S. Seo, “Design and Performance of a Direct RF Sampling Receiver for Simultaneous Reception of Multiband GNSS Signals,” Journal of Broadcast Engineering, Vol. 21, No. 5, pp. 803-815, 2016.

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https://www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds191-XC7Z030-XC7Z045-data-sheet.pdf
W. S. Choi, K. B. Lee, "Apparatus and Method for Correcting Direction Finding Data," Korea Patent No. 10-1285692, July, 2013.
J. H. Lee, et. al., "Method and Device for Eliminating Channel Phase Error of Direction Finding Receiver," Korea Patent No. 10-1158261, June, 2012.

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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