[논문]소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 광대역 신호처리 기술 연구

최진규; 나경일; 신영철; 홍순일; 박창현; 김윤진; 김홍락; 주지한; 김소수

doi:10.7236/jiibc.2021.21.6.49

소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 광대역 신호처리 기술 연구
Research on Broadband Signal Processing Techniques for the Small Millimeter Wave Tracking Radar 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.21 no.6, 2021년, pp.49 - 55

최진규 (LIG넥스원(주)) , 나경일 (국방과학연구소) , 신영철 (넵코어스) , 홍순일 (넵코어스) , 박창현 (LIG넥스원(주)) , 김윤진 (LIG넥스원(주)) , 김홍락 (LIG넥스원(주)) , 주지한 (LIG넥스원(주)) , 김소수 (국방과학연구소)

초록
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최근 소형 추적 레이더는 다양한 환경에서 표적을 획득하고, 추적하여 한 번의 타격으로 표적의 시스템을 무능화 시킬 수 있는 높은 거리해상도를 갖는 소형 밀리미터파 추적 레이더 개발을 요구한다. 높은 거리해상도를 갖는 소형 밀리미터파 추적 레이더는 넓은 대역폭의 신호를 실시간으로 처리하고, 소형 추적 레이더의 성능 요구 조건을 충족할 수 있는 신호처리기의 구현이 필요하다. 본 논문에서는 소형 밀리미터파 추적 레이더의 신호처리기 역할과 기능을 수행할 수 있는 신호처리기를 설계하였다. 소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 신호처리기는 8채널에서 입력되는 OOOMHz의 중심주파수와 OOOMHz 대역폭의 신호를 실시간으로 처리하기를 요구한다. 신호처리기의 요구사항을 만족하기 위해 고성능 프로세서 및 ADC (Analog-to-digital converter) 적용과 FPGA (Field Programmable Gate Array)를 활용한 DDC (Digital Down Converter), FFT (Fast Fourier Transform) 등의 전처리 연산을 적용하여 신호처리기를 설계하였다. 마지막으로 소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 신호처리기의 성능시험을 통하여 구현한 신호처리기를 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, a small tracking radar requires the development of a small millimeter wave tracking radar having a high range resolution that can acquire and track a target in various environments and disable the target system with a single blow. Small millimeter wave tracking radar with high range resolution needs to implement a signal processor that can process wide bandwidth signals in real time and meet the requirements of small tracking radar. In this paper, we designed a signal processor that can perform the role and function of a signal processor for a small millimeter wave tracking radar. The signal processor for the small millimeter wave tracking radar requires the real-time processing of input signal of OOOMHz center frequency and OOOMHz bandwidth from 8 channels. In order to satisfy the requirements of the signal processor, the signal processor was designed by applying the high-performance FPGA (Field Programmable Gate Array) and ADC (Analog-to-digital converter) for pre-processing operations, such as DDC (Digital Down Converter) and FFT (Fast Fourier Transform). Finally, the signal processor of the small millimeter wave tracking radar was verified via performance test.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. 신호처리기 기능도 Fig. 1. Functional diagram of the signal processor
그림 그림 2. 데이터획득보드 블록도 Fig. 2. Block diagram of the DAQ (Date acquisition) Board
그림 그림 3. 운용제어보드 블록도 Fig. 3. Block diagram of the OPC (Operation control) Board
그림 그림 4. 전원보드 블록도 Fig. 4. Block diagram of the Power Board
그림 그림 5. 디지털 IF 수신기 블록도 Fig. 5. Block diagram of the digital IF receiver
그림 그림 6. 디지털 IF 수신기 시뮬레이션 결과 Fig. 6. Simulation result of the digital IF receiver
그림 그림 7. 운용모드1의 선형성 오차 측정결과 Fig. 7. Linearity error test result in operation mode 1
그림 그림 8. 운용모드2의 선형성 오차 시험 결과 Fig. 8. Linearity error test result in operation mode 2
그림 그림 9. 송신 구간 제어 신호 측정 결과 Fig. 9. Test result of transmission section control signal generation
그림 그림 10. 수신 구간 제어 신호 측정 결과 Fig. 10. Test result of reception section control signal generation
그림 그림 11. RS422 및 RS232 통신 시험 결과 Fig. 11. Test result of RS422 and RS232 communication
표 표 1. 운용모드1의 도플러 주파수 측정 시험 결과 Table 1. Doppler frequency measurement test result in operation mode 1
표 표 2. 운용모드2의 도플러 주파수 측정 시험 결과 Table 2. Doppler frequency measurement test result in operation mode 2

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 밀리미터파 대역을 사용하는 소형 추적 레이더에 적용 가능한 신호처리기 설계 및 구현에 대해 정리한다. 본 논문에서 언급한 소형 밀리미터파 추적 레이더의 신호처리기는 8채널의 OOOMHz 중심주파수와 OOOMHz 대역폭의 신호를 실시간으로 처리할 수 있는 신호처리기를 설계하였다.
본 논문에서는 소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 신호처리기의 역할과 기능을 정리하였다. 또한 소형 밀리미터파 추적 레이더에서 높은 거리 해상도를 위한 광대역의 신호를 실시간으로 처리 할 수 있는 신호처리기를 설계하고, 구현하였다.

제안 방법

또한 후처리 프로세서의 부하를 줄이기 위해 FFT (Fast Fourier Transform)와 데이터형 변환 처리 후 고속 데이터 통신을 이용해 대용량의 데이터를 프로세서에 전달 할 수 있도록 설계하였다. 8채널의 대용량데이터를 실시간으로 처리하기 위해 8코어를 가지고 있는 고성능 멀티코어 프로세서와 외부 메모리를 적용하여 설계하였다. 마지막으로 신호처리기 성능시험으로 구현한 신호처리기를 검증하였다.
전원보드의 블록도는 그림 4와 같다. 고속 고성능 프로세서를 선정함으로써 증가하는 소모 전력을 최소화하기 위해 linear regulator 보다 효율이 뛰어난 switching regulator를 사용하여 전원부를 설계하였다.
데이터획득보드는 수신부에서 입력되는 8채널의 OOOMHz의 중심주파수와 OOOMHz의 대역폭을 IF 신호를 실시간으로 처리하기 위해 고성능 ADC와 FPGA 를 적용하여 디지털 IF 수신기를 설계하였다. 신호처리기에 적용한 고성능 ADC는 OOOMSPS 처리와 주파수 하향 변환이 가능하다.
본 논문에서는 소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 신호처리기의 역할과 기능을 정리하였다. 또한 소형 밀리미터파 추적 레이더에서 높은 거리 해상도를 위한 광대역의 신호를 실시간으로 처리 할 수 있는 신호처리기를 설계하고, 구현하였다. 또한 수신동적영역 시험, 도플러 주파수 오차 측정 시험과 같은 신호처리기 성능시험으로 구현한 신호처리기가 소형 밀리미터파 추적 레이더에서 요구하는 신호처리기의 성능에 충족함을 확인하였다.
본 절에서는 소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 신호처리기를 구현하기 위해 소형 밀리미터파 추적 레이더에서 신호처리기의 역할에 따른 기능을 정리하였다. 또한 정리한 신호처리기의 기능을 수행 할 수 있는 신호처리기를 구현하기 위한 방안을 제시하였다.
신호처리기에 입력되는 OOOMHz 중심주파수에 OOOMHz 대역폭을 갖는 신호를 실시간 처리하기 위해 OOOMSPS를 처리할 수 있는 고성능 ADC (Analog-to-digital converter)와 FPGA (Field Programmable Gate Array)를 활용한 디지털 IF (Intermediate Frequency) 수신기를 적용하였다. 또한 후처리 프로세서의 부하를 줄이기 위해 FFT (Fast Fourier Transform)와 데이터형 변환 처리 후 고속 데이터 통신을 이용해 대용량의 데이터를 프로세서에 전달 할 수 있도록 설계하였다. 8채널의 대용량데이터를 실시간으로 처리하기 위해 8코어를 가지고 있는 고성능 멀티코어 프로세서와 외부 메모리를 적용하여 설계하였다.
8채널의 대용량데이터를 실시간으로 처리하기 위해 8코어를 가지고 있는 고성능 멀티코어 프로세서와 외부 메모리를 적용하여 설계하였다. 마지막으로 신호처리기 성능시험으로 구현한 신호처리기를 검증하였다.
본 논문에 구현한 디지털 IF 수신기는 그림 5의 블록도 와 같이 고성능 ADC에서 1차 주파수 하향 변환과 FPGA에서 구현한 DDC에서 2차, 3차 주파수 하향 변환처리를 할 수 있도록 설계하였다.
본 논문에서 설계한 디지털 IF 수신기는 ADC의 모델링과 DDC의 시뮬레이션을 통한 검증으로 구현하였다. 그림 6은 디지털 IF 수신기의 시뮬레이션 결과로 (a)는 ADC 모델링 결과이고, (b)는 DDC 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로 계산치와 동일함으로 설계된 디지털 IF 수신기를 검증하였다.
본 논문에서는 밀리미터파 대역을 사용하는 소형 추적 레이더에 적용 가능한 신호처리기 설계 및 구현에 대해 정리한다. 본 논문에서 언급한 소형 밀리미터파 추적 레이더의 신호처리기는 8채널의 OOOMHz 중심주파수와 OOOMHz 대역폭의 신호를 실시간으로 처리할 수 있는 신호처리기를 설계하였다. 신호처리기에 입력되는 OOOMHz 중심주파수에 OOOMHz 대역폭을 갖는 신호를 실시간 처리하기 위해 OOOMSPS를 처리할 수 있는 고성능 ADC (Analog-to-digital converter)와 FPGA (Field Programmable Gate Array)를 활용한 디지털 IF (Intermediate Frequency) 수신기를 적용하였다.
본 절에서는 소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 신호처리기를 구현하기 위해 소형 밀리미터파 추적 레이더에서 신호처리기의 역할에 따른 기능을 정리하였다. 또한 정리한 신호처리기의 기능을 수행 할 수 있는 신호처리기를 구현하기 위한 방안을 제시하였다.
본 절에서는 운용 모드별 수신동적영역 시험 및 도플러 주파수 측정시험, 송/수신 구간 제어 신호 측정 시험으로 신호처리기 기능을 검증하였다.
본 절에서는 소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 신호처리기에 요구되는 기능을 구현하기 위한 방안을 정리하였다. 신호처리기는 수신부에서 입력된 IF 신호를 처리하여 프로세서가 처리 할 수 있는 데이터로 변환하는데이터획득보드, 소형 밀리미터파 추적 레이더가 표적의 정보를 획득하고, 표적을 지속적으로 추적하는데 필요한 정보처리 및 구성품 제어를 위한 운용제어보드, 신호처리기 운용에 필용한 전원을 공급하는 전원보드로 구성하였다. 소형 추적 레이더에서 신호처리기에 요구되는 공간적 요구사항을 만족하기 위해 3개의 보드로 구성하였다.
본 논문에서 언급한 소형 밀리미터파 추적 레이더의 신호처리기는 8채널의 OOOMHz 중심주파수와 OOOMHz 대역폭의 신호를 실시간으로 처리할 수 있는 신호처리기를 설계하였다. 신호처리기에 입력되는 OOOMHz 중심주파수에 OOOMHz 대역폭을 갖는 신호를 실시간 처리하기 위해 OOOMSPS를 처리할 수 있는 고성능 ADC (Analog-to-digital converter)와 FPGA (Field Programmable Gate Array)를 활용한 디지털 IF (Intermediate Frequency) 수신기를 적용하였다. 또한 후처리 프로세서의 부하를 줄이기 위해 FFT (Fast Fourier Transform)와 데이터형 변환 처리 후 고속 데이터 통신을 이용해 대용량의 데이터를 프로세서에 전달 할 수 있도록 설계하였다.
표적 추적 알고리즘 처리 결과를 이용하여 표적을 지속적으로 추적하는데 필요한 소형 밀리미터파 추적 레이더의 구성품 제어 정보를 SPI통신을 통해 데이터 획득 보드에 전달하여 구성품 제어를 할 수 있도록 한다. 운용제어 보드는 소형 밀리미터파 추적 레이더에서 요구하는 정밀 해상도를 만족하기 위해 8채널의 대용량 데이터를 실시간 처리하기 위해 8core를 사용할 수 있는 고성능 멀티코어 프로세서를 4개 적용하였다. 그림 3은 운용제어 보드의 블록도이다.
운용제어보드는 데이터획득보드에서 수신한 데이터를 처리하여 표적의 거리, 속도, 각도 정보를 획득하고, 소형 밀리미터파 추적 레이더가 지속적으로 표적을 획득하고 추적할 수 있는 알고리즘을 운용하는 역할을 수행한다. 표적 추적 알고리즘 처리 결과를 이용하여 표적을 지속적으로 추적하는데 필요한 소형 밀리미터파 추적 레이더의 구성품 제어 정보를 SPI통신을 통해 데이터 획득 보드에 전달하여 구성품 제어를 할 수 있도록 한다. 운용제어 보드는 소형 밀리미터파 추적 레이더에서 요구하는 정밀 해상도를 만족하기 위해 8채널의 대용량 데이터를 실시간 처리하기 위해 8core를 사용할 수 있는 고성능 멀티코어 프로세서를 4개 적용하였다.

대상 데이터

소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 신호처리기는 데이터획득부, 운용제어부, 전원공급부로 구성된다. 데이터 획득 부는 수신부에서 입력되는 8채널의 OOOMHz의 중심주파수와 OOOMHz의 대역폭을 갖는 RF 신호를 수신하여 운용제어부가 표적의 정보를 획득할 수 있도록 데이터를 처리하는 역할을 수행한다.

성능/효과

또한 소형 밀리미터파 추적 레이더에서 높은 거리 해상도를 위한 광대역의 신호를 실시간으로 처리 할 수 있는 신호처리기를 설계하고, 구현하였다. 또한 수신동적영역 시험, 도플러 주파수 오차 측정 시험과 같은 신호처리기 성능시험으로 구현한 신호처리기가 소형 밀리미터파 추적 레이더에서 요구하는 신호처리기의 성능에 충족함을 확인하였다.
본 논문에서 구현한 소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 신호처리기는 신호처리기 단위에서 이루어진 성능시험을 통해 적용 가능성을 확인하였다. 추후 소형 밀리미터파 추적 레이더에 구현한 신호처리기를 적용한 추적 레이더의 성능시험으로 구현한 신호처리기의 적용 가능성 확인이 필요하다.

후속연구

추후 소형 밀리미터파 추적 레이더에 구현한 신호처리기를 적용한 추적 레이더의 성능시험으로 구현한 신호처리기의 적용 가능성 확인이 필요하다. 또한 최근 요구되는 소형 추적 레이더의 소형화, 저전력화 등 물리적인 제한을 극복함과 동시에 정밀 추적을 위한 대용량 데이터를 실시간으로 처리할 수 있는 시스템에 대한 연구가 지속적으로 필요하다.
본 논문에서 구현한 소형 밀리미터파 추적 레이더를 위한 신호처리기는 신호처리기 단위에서 이루어진 성능시험을 통해 적용 가능성을 확인하였다. 추후 소형 밀리미터파 추적 레이더에 구현한 신호처리기를 적용한 추적 레이더의 성능시험으로 구현한 신호처리기의 적용 가능성 확인이 필요하다. 또한 최근 요구되는 소형 추적 레이더의 소형화, 저전력화 등 물리적인 제한을 극복함과 동시에 정밀 추적을 위한 대용량 데이터를 실시간으로 처리할 수 있는 시스템에 대한 연구가 지속적으로 필요하다.

참고문헌 (7)

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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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