KR101280512B1 - 실시간 ｐｍｏｐ／ｆｍｏｐ 신호 처리를 위한 디지털 수신기 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이다 신호 수집용 디지털 수신기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 하드웨어 디지털 수신기에서 생성되는 I/Q데이터를 이용하여 FPGA(field programmable gate array)를 이용한 신호처리를 통해 수신되는 신호내 변조유무와 변조형태를 실시간 판별함으로써 초당 수백만 펄스 이상의 고밀도로 유입되는 모든 신호에 대해 신호내부 변조를 분석할 수 있도록 하는 디지털 수신기에 대한 것이다.
또한, 본 발명에 따르면, PMOP으로 인해 발생 가능한 신호의 분리 및 주파수 오차를 제거함으로써 더욱 정확한 신호제원을 추출 가능하여 수신기의 측정정확도를 높일 수 있다는 점을 들 수 있다.

Description

실시간 ＰＭＯＰ／ＦＭＯＰ 신호 처리를 위한 디지털 수신기 및 그 방법{Digital receiver for radar signal and Method for signal processing Phase Modulation On Pulse/Frequency Modulation On Pulse in real time}
본 발명은 레이더 신호 수집용 디지털 수신기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 하드웨어 디지털 수신기에서 생성되는 I/Q데이터를 이용하여 FPGA(field programmable gate array)를 이용한 신호처리를 통해 수신되는 신호내 변조유무와 변조형태를 실시간 판별함으로써 초당 수백만 펄스 이상의 신호밀도로 유입되는 모든 신호에 대해 신호내부 변조를 분석할 수 있도록 하는 디지털수신기 및 그 PMOP/FMOP(Phase Modulation On Pulse/Frequency Modulation On Pulse)의 신호처리방법에 대한 것이다.
최근 디지털 신호 처리 기술과 ADC(Analog-Digital Converter)소자의 발전으로 인해, 기존의 아날로그 수신기를 디지털 신호 처리 기술로 구현한 디지털 수신기의 개발이 활발히 진행되고 있다.
레이더 신호를 수집하는 전자전 장비 역시 기존의 아날로그 형태의 수신기를 디지털 형태의 수신기로 대체하기 위한 연구들이 진행되고 있다. 최신의 레이더는 전자신호 탐지 장비의 레이더 신호 탐지를 저해하고 신호처리 이득을 확보하기 위하여 방사하는 레이더 신호에 주파수 변조(FMOP: Frequency Modulation On Pulse) 및 위상변조(PMOP: Phase Modulation On Pulse)를 부가하는 등 변조된 신호를 활용하고 있다.
전자전 장비는 레이더 신호를 수집하여 특성을 분석하고 레이더를 식별하기 위한 장비로서, 레이더 신호의 주파수, 펄스폭, 펄스간격, 신호세기 뿐만 아니라, 레이더 신호에 부가된 신호내부 변조특성(FMOP, PMOP등)까지 분석하여야 한다.
기존의 전자전 장비용 디지털 수신기(110)의 일반적인 동작은 다음과 같다. 먼저 입력되는 IF(Intermediate Frequency) 신호(120)를 ADC(130)를 이용하여 양자화하고, 양자화된 데이터는 I/Q변환기(Qaudrature Demodulator)(140)를 이용하여 기저대역으로 주파수를 변환함과 동시에 I/Q데이터를 생성한다.
생성된 I/Q데이터는 변환과정에서 발생하는 이미지를 제거하고 원하는 대역폭만을 선택적으로 수신하기 위해 저대역 통과 필터(LPF:Low Pass Filter)(150)를 이용하여 필터링되며, I/Q 저장 메모리(152)에 저장된다.
필터링된 I/Q데이터는 CORDIC(COordinate Rotation Digital Computer) 회로(160)를 이용하여 매 I/Q데이터 샘플에 대한 크기와 위상값을 산출한다. 산출된 신호의 크기정보와 위상정보를 이용하여 이후 신호 제원 측정부(170)는 신호를 검출하고 신호의 도착시간정보, 펄스폭 정보, 신호 세기 정보, 주파수 정보들을 추출한다.
이러한 정보들은 PDW(Pulse Descriptor Word) 생성기(180)를 통해 PDW 형태의 자료 구조로 PDW 저장 메모리(190)에 저장되고, PDW생성시 사용한 I/Q데이터는 I/Q 저장 메모리(191)에 저장된다. 이후 저장된 PDW와 PDW생성시 사용한 I/Q데이터는 신호 처리부(192)에 전달되어 레이더 신호의 펄스간 특성과 펄스내 특성정보 추출에 이용된다.
기존의 디지털 수신기를 이용한 레이더 신호내 변조특성을 분석하기 위해서는, 신호의 파형(웨이브폼)을 I/Q데이터 형태로 저장하고, 소프트웨어를 이용하여 분석함으로써 신호내 변조의 유무 및 변조형태를 판별하는 과정을 거치고 있다.
전자전용 수신기는 최소한 초당 수백만 펄스 이상의 신호밀도를 처리하여야 하므로, 수집되는 모든 신호에 대해 제한된 하드웨어 메모리에 신호파형을 저장하기도 불가능할 뿐만 아니라, 소프트웨어를 이용한 분석방법으로는 모든 신호에 대한 신호변조유무 및 변조형태의 실시간 판별이 불가능하다.
따라서, 기존의 전자전용 수신기에서는 수집되는 레이더 신호 중 일부에 대해서만 신호파형을 저장하고 소프트웨어로 분석함으로써 레이더 신호의 변조형태를 판별하여 레이더 식별의 보조수단으로 활용되고 있을 뿐이다.
또한, 하드웨어 디지털 수신기에서 신호의 주파수를 측정함에 있어, 신호구간의 반송파 주파수를 측정하여야 하는데, 위상 변조 시점의 주파수 성분은 반송파의 주파수와 다른 주파수 성분을 포함하고 있으며, 주파수 측정 시 이러한 다른 주파수 성분을 제거하여야할 필요성이 있다.
본 발명은 종래 기술에 따른 문제점을 해소하고자 제안된 것으로서, 하드웨어 디지털 수신기에서 생성되는 I/Q데이터를 이용하여 FPGA를 이용한 신호처리를 통해 수신되는 신호내 변조유무와 변조형태를 실시간 판별함으로써 초당 수백만 펄스 이상의 신호밀도로 유입되는 모든 신호에 대해 신호내부 변조를 분석할 수 있도록 하는 디지털 수신기를 제공하고, PMOP/FMOP신호를 처리하는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 하드웨어 디지털 수신기에서 신호의 주파수를 측정함에 있어, 신호구간의 반송파 주파수를 측정하여야 하는데, 위상 변조 시점의 주파수 성분은 반송파의 주파수와 다른 주파수 성분을 포함하고 있으며, 주파수 측정 시 이러한 다른 주파수 성분을 제거하는 디지털 수신기를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제기된 과제를 달성하기 위해 하드웨어 디지털 수신기에서 생성되는 I/Q데이터를 이용하여 FPGA(field programmable gate array)를 이용한 신호처리를 통해 수신되는 신호내 변조유무와 변조형태를 실시간 판별함으로써 고밀도로 유입되는 모든 신호에 대해 신호내부 변조를 분석할 수 있도록 하는 디지털 수신기를 제공한다.
상기 디지털 수신기는, IF(Intermediate Frequency) 신호를 양자화하는 ADC(Analog-Digital Converter); 양자화된 신호를 I/Q데이터로 변환하는 I/Q 변환기; 변환된 I/Q데이터에 대한 신호 크기 및 위상값을 산출하는 CORDIC(COordinate Rotation Digital Computer) 회로; 산출된 신호 크기 및 위상값을 이용하여 상기 신호의 샘플에 대한 PMOP(Phase Modulation On Pulse) 정보 및 FMOP(Frequency Modulation On Pulse) 정보를 검출하고 상기 PMOP 정보를 이용하여 상기 신호에 대한 신호 차단 시점을 검출하고 상기 신호 차단 시점까지 상기 신호에 대한 제원을 측정하여 신호 제원 측정 데이터를 생성하는 검출 회로; 및 생성된 신호 제원 측정 데이터를 저장하는 PDW 저장 메모리;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 검출회로는 미리 설정된 상태 천이 알고리즘을 이용하여 PMOP를 처리하는 PMOP 검출회로인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 상태 천이 알고리즘은, 전원이 인가되면 외부의 신호수집 명령에 따라 신호 수집을 시작하도록 대기하는 초기 상태, 신호의 검출을 기다리는 신호대기 상태, 임계치를 넘어서는 크기의 신호가 유입되면 신호의 상태를 검출하는 신호 검출 상태를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 신호 검출 상태는, 상기 신호의 n개 샘플 동안 신호의 위상 및 크기의 안정화를 위해 대기하는 안정화 대기 상태, 신호의 세기가 임계치보다 크면 신호에 대한 제원을 측정하고 측정된 결과를 평균하여 상기 신호 제원 측정 데이터를 산출하는 신호 제원 측정 상태를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 안정화 대기 상태에서 대기하는 시간을 결정하는 상기 n은 필터 특성 및 샘플 속도가 반영되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 신호 검출 상태는, 상기 신호가 m개 샘플 이상동안 신호 크기가 임계치 이하이면 신호의 종료로 판단하고 상기 신호 제원 측정 데이터를 저장하고 다음 신호의 검출때까지 대기하기 위해 상기 신호 대기 상태로 이동하는 펄스 분리 방지 대기 상태를 추가로 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 펄스분리 방지 대기 상태에서 대기하는 시간을 결정하는 상기 m은 필터 특성 및 샘플 속도가 반영되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 안정화 대기 상태에서 신호크기가 임계치 이하로 내려갈 경우에도 펄스의 PMOP로 인한 펄스의 분리를 방지하기 위해 상기 펄스분리 방지 대기 상태로 이동하여 신호 크기가 회복되는지를 확인하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 신호 제원 측정 상태에서 PMOP가 발생하여 신호 크기가 임계치 이하로 내려갈 경우에도 상기 펄스분리 방지 대기 상태로 이동하여 신호 크기가 일정 시간 이내에 회복될 경우 다시 상기 안정화 대기 상태를 경유하여 상기 신호 제원 측정 상태로 재진입하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 신호 제원 측정 상태에서 신호 제원 측정 중 PMOP가 검출되었지만 신호 크기가 임계치 이하로 내려가지 않는 경우에도 PMOP으로 인한 주파수 및 신호 크기 측정의 오차발생을 줄이기 위해 다시 상기 안정화 대기 상태로 이동하고 신호의 위상 안정화 이후에 다시 상기 신호 제원 측정 상태에서 신호의 제원을 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 신호 제원 측정 상태에서 지속파(Continuous Wave) 형태의 레이더 신호를 처리하기 위해 신호의 펄스 폭이 특정 임계치 보다 긴 시간동안 지속하여 유입될 경우에는 지속파 형태의 레이더 신호로 판단하고, 상기 시간 동안의 측정결과를 이용하여 신호 제원 데이터를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 PMOP 여부의 검출은 2개의 연속된 슬라이딩 선행 윈도우와 후행 윈도우를 이용하여 윈도우 내 위상 이동값의 차이를 비교하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 선행 윈도우와 후행 윈도우의 최대 위상차 값을 보관하는 최대값 저장부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 신호 제원 측정 데이터에는 해당 신호의 PMOP 검출 여부 및 상기 최대 위상차값을 이용하여 산출되는 최대 위상변조값이 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 검출회로는 미리 설정된 상태 천이 알고리즘을 이용하여 FMOP를 처리하는 FMOP 검출회로인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 FMOP 여부의 검출은 상기 일정 구간의 윈도우 내 위상차 값들을 합하고 합한 위상차 값들을 이용하여 상기 일정 구간의 윈도우 구간내 평균 주파수를 산출하고, 산출된 평균 주파수를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 산출된 신호의 평균 주파수값의 최소값과 최대값을 저장하는 보관 회로를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 최소값과 최대값 보관 회로는 새로운 신호가 검출될 때마다 초기화되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 신호 제원 측정 데이터에는 해당 신호의 FMOP 검출 여부 및 최대 주파수 차이값이 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편으로 본 발명의 다른 일실시예는, IF(Intermediate Frequency) 신호로부터 양자화된 신호 크기 및 위상값을 산출하는 신호 크기 및 위상값 산출 단계; 상기 신호에 대하여 PMOP의 변조로 인해 펄스가 분리되는 것을 방지하는 펄스 분리 방지 단계; 실시간으로 유입되는 상기 신호의 위상 변화량을 감시하고, PMOP 검출 임계치와 비교를 통해 PMOP 정보를 검출하는 PMOP 정보 검출 단계; 실시간으로 유입되는 신호의 주파수 범위를 감시하고, FMOP검출 임계치와 비교를 통해 FMOP 정보를 검출하는 FMOP 정보 검출 단계; FMOP 정보를 통해 산출된 최소 주파수와 최대 주파수 차이를 이용하여 FMOP의 변조범위를 산출하는 FMOP 변조 범위 산출 단계; 및 상기 신호 크기를 이용하여 신호차단 시점을 검출하고, 상기 신호 차단 시점까지 상기 신호에 대한 제원을 측정하여 신호 제원 측정 데이터를 생성하는 신호 제원 측정 데이터 생성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 방법을 제공한다.
또한, 상기 신호내 PMOP검출시 상기 신호 제원 측정 데이터에서 PMOP검출지점의 위상 정보와 주파수 정보를 제거하여 신호의 주파수 정확도를 확보하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 레이다 신호의 제원을 측정하는 디지털수신기를 활용하는 분야에 있어서, 기존의 장비에서는 신호내 변조특성을 확인하기 위해 신호제원측정시 생성한 I/Q데이터를 기반으로 일부 펄스에 대해 소프트웨어적인 분석을 통해 신호의 PMOP 및 FMOP 여부를 검출하였지만, 본 발명을 이용하면 FPGA상에 구현된 실시간 신호처리 하드웨어를 통해 수집되는 고밀도의 모든 신호에 대해 신호의 내부변조여부를 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 PMOP으로 인해 발생 가능한 신호의 분리 및 주파수 오차를 제거함으로써 더욱 정확한 신호제원을 추출 가능하여 수신기의 측정정확도를 높일 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 내부 신호검출회로를 보완하여 PMOP을 포함한 신호의 분리현상을 제거하고, 상태천이를 이용하는 측정회로를 이용함으로써 주파수 등 측정변수의 정확도를 높일 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 디지털 수신기의 구성도이다.
도 2는 일반적으로 PMOP(Phase Modulation On Pulse)이 없는 신호에 대한 신호검출 및 펄스폭 측정도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 일반적으로 PMOP이 있는 신호에 대한 신호검출 및 펄스폭 측정도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 PMOP처리를 위한 회로의 내부 상태 천이도를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이상적인 PMOP신호의 샘플간 위상차를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 대역폭인 제한적인 수신기에서의 PMOP신호의 샘플간 위상차를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 디지털 수신기의 PMOP 검출 및 위상 변화값을 산출하는 회로도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 디지털 수신기의 FMOP(Frequency Modulation On Pulse) 검출 및 주파수 변조값을 산출하는 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 위상과 주파수의 변화량을 이용하여 PMOP와 FMOP를 검출하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기 및 그 방법에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
위상과 주파수의 변화량을 이용하여 PMOP과 FMOP을 검출하기 위해서는 먼저 신호를 검출하여야 한다. 신호가 존재하지 않는 구간에서는 잡음성분으로 인한 위상과 주파수의 변화가 심하게 발생하므로 먼저 신호의 검출이 우선된다.
신호의 검출은 입력되는 신호의 세기가 임계치 이상이 되면 신호로 간주한다. 도 1에 도시된 IF신호(120)에 따른 CORDIC 회로(160)의 출력을 보여주는 도면이 도 2에 도시된다. 즉, 도 2는 일반적으로 PMOP(Phase Modulation On Pulse)이 없는 신호에 대한 신호검출 및 펄스폭 측정도를 나타내는 그래프이다.
도 2를 살펴보면, 일반적인 펄스내 변조가 없는 신호에 대해서는 기저대역 변환 신호(210)의 입력에 따라 신호의 크기(230)와 신호의 위상(220)정보를 비교적 깨끗하게 확보할 수 있고, 신호검출 임계치(240)에 따라 적절한 신호 검출 신호(250)정보를 이용하여 신호의 도착시간과 펄스폭에 대한 정보추출이 가능하다.
도 3은 일반적으로 PMOP이 있는 신호에 대한 신호검출 및 펄스폭 측정도를 나타내는 그래프이다. 도 3을 참조하면, PMOP이 부가된 신호의 경우에는 신호의 위상변조시점(310)에서 높은 주파수성분이 포함되고, 이는 수신기의 필터를 통과하면서 제거되기 때문에 위상변조시점의 위상은 급격한 위상변화가 아닌 여러 샘플에 걸친 구간에서 위상변화(320)를 발생시킨다.
또한, 변조시점(310)에서 신호크기(330)는 변조없는 구간에 비해 훨씬 작은 값을 나타낸다. 이로 인해 신호크기(330)가 임계치(340) 아래까지 내려갈 경우 신호의 종료시기로 판단되어 하나의 펄스가 여러 개의 펄스로 나누어져 측정(350)되는 문제점을 발생시킬 수 있다.
물론, 수신되는 신호의 크기가 수신기 동적 범위내에서 가변적이므로, 임계치와 신호크기의 상대적인 차이에 따라 단일 펄스로 측정될 수도 있다. 단일 펄스로 측정될 경우에는 위상변조에 따른 신호의 주파수 측정 오차를 고려해야 한다.
디지털 수신기(도 1의 110)는 신호의 주파수를 측정함에 있어, 신호구간의 반송파 주파수를 측정하여야 하는데, 위상 변조 시점의 주파수 성분은 반송파의 주파수와 다른 주파수 성분을 포함하고 있어 이는 주파수 측정 시 제거하여야 한다.
이를 해결하기 위해 본 발명에서는 내부 신호검출회로를 보완하여 PMOP을 포함한 신호의 분리현상을 제거하고, 주파수 등 측정변수의 정확도를 높일 수 있는 상태천이를 이용하는 측정회로를 이용한다. 신호유입에 따른 회로 상태의 천이를 보여주는 도면이 도 4에 도시된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 PMOP처리를 위한 회로의 내부 상태 천이도를 나타내는 상태 천이도이다. 도 4를 참조하면, 디지털 수신기(도 1의 110)는 전원이 인가되면 초기상태(410)에서 대기하며 외부의 신호수집 명령에 따라 신호수집을 시작한다.
신호수집이 시작되면 신호가 검출되기 전에는 디지털 수신기는 신호대기(420) 상태에서 신호의 검출을 기다린다. 임계치를 넘어서는 크기의 신호가 유입되어 신호가 검출(480)되면 신호 검출 상태(430)로 천이한다.
신호 검출 상태(430)는 크게 내부적으로 3가지의 상태로 구성된다. 3가지 상태는 각각 안정화 대기 상태(440), 신호 제원 측정 상태(450), 및 펄스 분리 방지 대기 상태(460)로 구성된다.
먼저 신호의 초기 상승에지 부근의 안정화를 대기하는 안정화 대기 상태(440)에서는 신호의 제원 측정전에 일정시간(n샘플)동안 신호의 위상과 크기의 안정화를 위해 제원측정을 지연한다.
이 안정화 대기 상태(440)에서 n샘플동안 대기를 완료하였으면 신호제원 측정 상태(450)로 천이하여 신호제원을 측정한다. 신호제원 측정 상태(450)에서는 신호세기가 임계치보다 큰 경우에는 지속적으로 신호제원을 측정하고 그 결과를 평균함으로써 측정결과의 정확도를 높일 수 있다.
이 안정화 대기 상태(440)에서 신호의 종료 또는 신호내부의 PMOP으로 인해 신호의 크기가 임계치 이하로 내려갈 경우 펄스분리 방지 대기 상태(460)로 이동한다.
이러한 펄스분리 방지 대기 상태(460)에서는 m샘플동안 신호의 크기가 임계치 이하로 유지될 경우 신호의 종료로 판단하고 신호의 제원측정결과를 이용하여 신호 제원 데이터(PDW: Pulse Descriptor Word)를 생성하여 저장하고 다음 신호의 검출을 기다리기 위해 신호 대기 상태(420)로 이동한다.
이 때, 안정화 대기 상태(440)와 펄스분리 방지 대기 상태(460)에서 대기시간을 결정하는 n과 m은 수신기의 필터 특성 및/또는 샘플속도 등을 고려하여 반영한다.
이상과 같은 일반적인 경우 외에도, 이 회로는 예외적인 경우도 처리한다. 만일 초기 안정화 대기 상태(440)에서 신호크기가 임계치 이하로 내려갈 경우에도 펄스의 PMOP 등으로 인한 펄스의 분리를 방지하기 위해 펄스분리 방지 대기 상태(460)로 이동하여 신호크기가 회복되는지를 확인하여 신호의 분리를 방지한다.
신호 제원 측정 상태(450)에서 PMOP가 발생하여 신호크기가 임계치 이하로 내려갈 경우에도 펄스분리 방지 대기 상태(460)로 이동하여 신호크기가 일정 시간 이내에 회복될 경우 다시 안정화 대기 상태(440)를 경유하여 신호 제원 측정 상태(450)로 진입함으로써 PMOP에 따른 펄스의 분리에 대처한다.
만일 신호제원측정 중 PMOP이 검출되었지만 신호크기가 임계치 이하로 내려가지 않는 경우를 고려하여야 하므로, 이 경우에는 PMOP으로 인한 주파수 및 신호크기 측정의 오차발생을 줄이기 위해 다시 안정화대기상태(440)로 이동하고 신호의 위상안정화 이후에 다시 신호 제원 측정 상태(450)에서 정확한 신호의 제원을 측정한다.
일반적인 펄스형태의 신호 외에도 지속파(CW:Continuous Wave) 형태의 레이다 신호를 처리하기 위해 신호 제원 측정 상태에서 신호의 폭(Pulse Width)이 특정 임계치(즉, CW 판단 임계치) 보다 긴 시간동안 지속하여 유입될 경우에는 지속파 형태의 레이다 신호로 판단하고, 그 동안의 측정결과를 이용하여 신호 제원 데이터(PDW: Pulse Descriptor Word)를 생성(470)한다. 신호 제원 데이터 생성에 필요한 각종 측정값들은 신호검출(480)시에 초기화함으로써 매 신호마다 독립적인 제원측정이 가능하도록 한다.
앞서 설명한 신호의 측정 정확도를 높이기 위해 PMOP신호의 위상변조시점의 샘플은 신호제원측정에서 제외하도록 구성되어야 한다. 이를 위해서는 PMOP신호를 검출할 수 있는 PMOP 검출 회로가 필요하며, 이를 보여주는 도면이 도 7에 도시된다. 도 7에 도시된 PMOP 검출 회로(720)의 구성에 대하여는 후술하기로 한다.
도 7을 설명하기에 앞서 도 5 및 도 6을 먼저 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이상적인 PMOP신호의 샘플간 위상차를 나타내는 그래프이다. 도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 대역폭인 제한적인 수신기에서의 PMOP신호의 샘플간 위상차를 나타내는 그래프이다.
레이다 신호수집을 위한 디지털 수신기는 통신신호와 비교할 수 없는 넓은 대역(수십MHz이상)의 신호를 동시 수신하므로, 각 신호의 주파수에 수신기를 동조할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서 수신되는 신호의 I/Q데이터의 위상값은 해당신호의 주파수에 따라 매 샘플당 일정각도의 차이(510)를 두고 회전하므로 일반적인 통신신호에 적용하는 위상변조특성 검출방법을 이용할 수 없다.
또한 수신기 대역폭 확장을 위해 높은 샘플율을 적용하여 신호를 처리하므로 하나의 위상 변조 시점의 위상이동은 하나의 샘플에 이상적인 위상변조(520)가 완료되지 못하고, 여러 개의 샘플에 걸쳐 위상변조(610)가 완성된다.
이러한 경우에는, 여러 샘플의 위상변화를 종합하여 반송파 주파수의 위상변화와 비교하여야만 위상 변조 여부를 검출할 수 있다. 그러므로 본 발명의 일실시예에서는 2개의 연속된 슬라이딩 선행 윈도우(620)와 후행 윈도우(630)를 이용하여 윈도우 내 위상 이동값의 차이를 비교하여 위상변조 크기를 탐지하고, 그 결과를 이용하여 위상 변조 여부를 검출한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 디지털 수신기의 PMOP 검출 및 위상 변화값을 산출하는 회로도이다. 도 7을 참조하면, 위상변조를 검출하기 위해서는 신호샘플의 위상정보를 이용한다. 신호의 위상정보는 CORDIC 회로(710)를 이용하여 매 샘플마다 I/Q데이터의 위상정보를 추출한다.
추출된 위상정보는 PMOP 검출회로(720)에 입력된다. PMOP 검출회로(720)에서는 매 샘플간의 위상차(730)를 구하고, 후행 윈도우(740)에서는 최근 k개의 위상차 데이터를, 선행 윈도우(741)에서는 후행 윈도우(740) 이전 k개의 위상차 데이터를 보관한다.
매 샘플간의 위상차를 구하기 위해서는 매 샘플의 위상값을 지연회로(731)를 이용한 이전 샘플 위상값과의 차이를 구하고, 그 값이 180도(π)를 넘어서는 경우를 고려하여 위상값을 조정(unwrap)하는 위상값 조정 회로(732)를 추가하여 위상 360도(2π) 경계에서 발생하는 위상의 불연속성을 해결한다.
선행 윈도우(741)와 후행 윈도우(740)에 보관된 값들은 가산기(750)를 통해 각각의 합이 계산되고, 그 합의 차이의 절대값(751)을 산출하여 선행윈도우와 후행윈도우 내 위상 변화량을 비교한다.
이 때 윈도우의 크기 k는 수신기 필터와 샘플율을 고려하여 PMOP으로 인한 위상변조 존재시 위상변화가 발생하는 샘플수를 고려하여 설정한다. 위상변조가 발생하면, 먼저 후행 윈도우에 위상변조가 포함된 샘플이 유입되고, 선행윈도우에는 위상변조가 없는 구간의 샘플이 포함된다.
PMOP 임계치 검출부(760)는 이 값의 차이를 확인하여 그 값이 위상 변조 판정 임계치 보다 클 경우 위상변조로 판정하고, 위상검출신호(770)를 발생시킨다.
이후 k샘플 후에는 위상변조가 포함된 샘플이 선행 윈도우에 포함되고, 후행윈도우에는 위상변조가 없는 신호구간이 포함되어 다시 한 번 PMOP 검출신호가 발생되어 하나의 위상변조로 인해 두 번의 위상변조 검출신호가 발생될 수 있으므로, 하나의 위상 변조 검출신호는 계수기(카운터)(780) 및 비교기(771)를 이용하여 2k(781)시간동안 유지함으로써 중복된 위상변조검출을 방지한다.
이 검출 데이터는 앞서 설명한 제원측정용 상태천이도(도 4)에 전달되어 신호 제원 측정시 주파수 측정오차를 줄이고, 신호 제원 측정 데이터(PDW)에 포함되어 해당 신호의 내부 위상 변조 여부에 대한 정보를 제공한다.
이 때, 선행 윈도우(741)와 후행 윈도우(740)의 최대 위상차값을 보관하는 최대값 저장부(790)를 이용하여 신호내 최대 위상 변조값 역시 신호 제원 측정 데이터(PDW)에 포함할 수 있으며, 이를 통해 신호내 위상변조의 종류에 대한 개략적인 판단도 가능하다. 여기서, 위상 변조의 종류로는 BPSK(BiPhase Shift Keying), QPSK(Quadrature PSK), 8PSK(Octal Phase Shift Keying) 등을 들 수 있다.
최대 위상 변조값은 새로운 신호가 검출(도 4의 480)될 때 초기화됨으로써, 매 신호마다 신호내 최대 위상 변조값을 확인하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 위상 변조(PMOP)검출과 유사한 방법으로 주파수 변조(FMOP)검출도 가능하다. 이를 보여주는 도면이 도 8에 도시된다. 즉 도 8은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 디지털 수신기의 FMOP(Frequency Modulation On Pulse) 검출 및 주파수 변조값을 산출하는 회로도이다.
도 8을 참조하면, 주파수 변조를 검출하기 위해서는 역시 신호 샘플의 위상정보를 이용하여 주파수 정보를 추출한다. 신호의 위상정보는 CORDIC 회로(810)를 이용하여 매 샘플마다 I/Q데이터의 위상정보를 추출한다.
추출된 위상값은 FMOP검출 회로(820)로 입력된다. FMOP 검출회로(820)에서는 PMOP검출회로와 동일한 방법으로 매 샘플간의 위상차(830)를 구하고, 일정구간의 윈도우(840)를 이용하여 최근 j개의 위상차 데이터를 보관한다.
윈도우(840) 내 위상차 값들을 합하고 이 값을 이용하여 윈도우구간내 평균주파수를 아래의 수식과 같은 방식으로 산출한다.
[수학식 1]
순시주파수 = ( 위상이동합 / j ) / 2π × 샘플율(Hz)
이 때, 윈도우의 크기 j가 작을수록 주파수 응답성은 높아지나 정확성이 떨어지므로, 윈도우의 크기는 주파수 응답성과 정확성을 함께 고려하여 설정한다.
위의 수학식에서 위상 이동합은 윈도우 구간내 위상이동의 합(860)이다. 이에 따라 산출된 신호의 주파수값의 최소 및 최대값은 이후 최소값 보관 회로(870)와 최대값 보관 회로(880)에 의해 유지되며, 이 값의 차이를 이용해 신호 내 주파수 변조값의 범위가 확인가능하다.
FMOP 임계치 검출부(890)는 그 값이 FMOP 판정 임계치를 넘어설 경우 FMOP검출신호를 발생함으로써, 매 신호별 신호 제원 측정 데이터(PDW)에 해당 신호의 FMOP검출여부와 최대 주파수 변경 크기를 포함하여 데이터를 생성할 수 있다.
역시, 최소값 보관 회로(870) 및 최대값 보관 회로(880)는 새로운 신호가 검출(도 4의 480)될 때 초기화함으로써, 매 신호마다 신호 내 주파수 변조 여부와 크기를 검출하는 것이 가능하다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 위상과 주파수의 변화량을 이용하여 PMOP와 FMOP를 검출하는 과정을 이해하기 쉽게 보여주는 흐름도이다.
도 9를 참조하면, IF(Intermediate Frequency) 신호로부터 양자화된 신호 크기 및 위상값을 산출하고, 신호의 크기를 이용하여 신호를 검출하는 단계(S900); PMOP등의 변조로 인해 펄스가 분리되는 것을 방지하는 단계(S910); 실시간으로 유입되는 신호의 위상 변화량을 감시하고, PMOP검출 임계치와 비교를 통해 PMOP를 검출하는 단계(S920); 신호내 PMOP검출시 PMOP검출지점의 위상정보와 주파수정보를 제거하여 신호의 주파수정확도를 확보하는 단계(S930); 실시간으로 유입되는 신호의 주파수범위를 감시하고, FMOP검출 임계치와 비교를 통해 FMOP을 검출하는 단계(S940); 최소 주파수와 최대 주파수 차이를 이용하여 FMOP의 변조범위를 산출하는 단계(S950); 신호의 크기를 이용하여 신호차단 시점을 검출하고, 신호에 대한 제원정보를 생성하는 단계(S960,S970) 등으로 구성된다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속함을 이해해야 할 것이다.
110: 디지털 수신기
130: ADC(Analog-Digital Converter)
140: I/Q 변환기
150: LPF(Low Pass Filter)
160, 710, 810: CORDIC(COordinate Rotation Digital Computer)
170: 신호 제원 측정부
180: PDW(Pulse Descriptor Word) 생성기
190: PDW 저장 메모리
152: I/Q 저장 메모리
192: 신호 처리부
720: PMOP(Phase Modulation On Pulse) 검출 회로
731: 지연 회로
732: 위상값 조정 회로
760: PMOP 임계치 검출부
790: 최대값 저장부
820: FMOP(Frequency Modulation On Pulse) 검출 회로
870: 최소값 보관 회로
880: 최대값 보관 회로
890: FMOP 임계치 검출부

Claims (22)

  1. IF(Intermediate Frequency) 신호를 양자화하는 ADC(Analog-Digital Converter);
    양자화된 신호를 I/Q데이터로 변환하는 I/Q 변환기;
    변환된 I/Q데이터에 대한 신호 크기 및 위상값을 산출하는 CORDIC(COordinate Rotation Digital Computer) 회로;
    산출된 신호 크기 및 위상값을 이용하여 상기 IF 신호의 샘플에 대한 PMOP(Phase Modulation On Pulse) 정보 및 FMOP(Frequency Modulation On Pulse) 정보를 검출하고 상기 PMOP 정보 및 FMOP 정보를 이용하여 상기 IF 신호에 대한 신호 차단 시점을 검출하고 상기 신호 차단 시점까지 상기 IF 신호에 대한 제원을 측정하여 신호 제원 측정 데이터를 생성하는 검출 회로; 및
    생성된 신호 제원 측정 데이터를 저장하는 PDW(Pulse Descriptor Word) 저장 메모리;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출회로는 미리 설정된 상태 천이 알고리즘을 이용하여 PMOP를 처리하는 PMOP 검출회로인 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 상태 천이 알고리즘은, 전원이 인가되면 외부의 신호수집 명령에 따라 신호 수집을 시작하도록 대기하는 초기 상태, 신호의 검출을 기다리는 신호대기 상태, 임계치를 넘어서는 크기의 신호가 유입되면 신호의 상태를 검출하는 신호 검출 상태를 갖는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 신호 검출 상태는, 상기 신호의 n개 샘플 동안 신호의 위상 및 크기의 안정화를 위해 대기하는 안정화 대기 상태, 신호의 세기가 임계치보다 크면 신호에 대한 제원을 측정하고 측정된 결과를 평균하여 상기 신호 제원 측정 데이터를 산출하는 신호 제원 측정 상태를 갖는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 안정화 대기 상태에서 대기하는 시간을 결정하는 상기 n은 필터 특성 및 샘플 속도가 반영되는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 신호 검출 상태는, 상기 신호의 m개 샘플 동안 신호 크기가 임계치 이하이면 신호의 종료로 판단하고 상기 신호 제원 측정 데이터를 저장하고 다음 신호의 검출때까지 대기하기 위해 상기 신호 대기 상태로 이동하는 펄스 분리 방지 대기 상태를 추가로 갖는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 안정화 대기 상태에서 신호크기가 임계치 이하로 내려갈 경우에도 펄스의 PMOP로 인한 펄스의 분리를 방지하기 위해 상기 펄스분리 방지 대기 상태로 이동하여 신호 크기가 회복되는지를 확인하는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 신호 제원 측정 상태에서 PMOP가 발생하여 신호 크기가 임계치 이하로 내려갈 경우에도 상기 펄스분리 방지 대기 상태로 이동하여 신호 크기가 일정 시간 이내에 회복될 경우 다시 상기 안정화 대기 상태를 경유하여 상기 신호 제원 측정 상태로 진입하는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 펄스분리 방지 대기 상태에서 대기하는 시간을 결정하는 상기 m은 필터 특성 및 샘플 속도가 반영되는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 신호 제원 측정 상태에서 신호 제원 측정 중 PMOP가 검출되었지만 신호 크기가 임계치 이하로 내려가지 않는 경우에도 PMOP으로 인한 주파수 및 신호 크기 측정의 오차발생을 줄이기 위해 다시 상기 안정화 대기 상태로 이동하고 신호의 위상 안정화 이후에 다시 상기 신호 제원 측정 상태에서 신호의 제원을 측정하는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 신호 제원 측정 상태에서 지속파(Continuous Wave) 형태의 레이다 신호를 처리하기 위해 신호의 펄스 폭이 특정 임계치 보다 긴 시간동안 지속하여 유입될 경우에는 지속파 형태의 레이다 신호로 판단하고, 상기 시간 동안의 측정결과를 이용하여 신호 제원 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 PMOP 여부의 검출은 2개의 연속된 슬라이딩 선행 윈도우와 후행 윈도우를 이용하여 윈도우 내 위상 이동값의 차이를 비교하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 선행 윈도우와 후행 윈도우의 최대 위상차값을 보관하는 최대값 저장부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 신호 제원 측정 데이터에는 해당 신호의 PMOP 검출 여부 및 상기 최대 위상차값을 이용하여 산출되는 최대 위상변조값이 포함되는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출회로는 미리 설정된 상태 천이 알고리즘을 이용하여 FMOP를 처리하는 FMOP 검출회로인 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 FMOP 여부의 검출은 일정 구간의 윈도우를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 FMOP 여부의 검출은 상기 일정 구간의 윈도우 내 위상차 값들을 합하고 합한 위상차 값들을 이용하여 상기 일정 구간의 윈도우 구간내 평균 주파수를 산출하고, 산출된 평균 주파수를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  18. 제 16 항에 있어서,
    산출된 신호의 윈도우내 평균 주파수값의 최소값과 최대값을 저장하기 위한 보관 회로를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 최소값과 최대값 보관 회로는 새로운 신호가 검출될 때마다 초기화되는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 신호 제원 측정 데이터에는 해당 신호의 FMOP 검출 여부 및 윈도우 구간내 평균 주파수값의 최대 차이값이 포함되는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 디지털 수신기.
  21. IF(Intermediate Frequency) 신호로부터 양자화된 신호 크기 및 위상값을 산출하는 신호 크기 및 위상값 산출 단계;
    상기 IF 신호에 대하여 PMOP의 변조로 인해 펄스가 분리되는 것을 방지하는 단계;
    실시간으로 유입되는 상기 IF 신호의 위상 변화량을 감시하고, PMOP 검출 임계치와 비교를 통해 PMOP 정보를 검출하는 단계;
    실시간으로 유입되는 신호의 주파수 범위를 감시하고, FMOP검출 임계치와 비교를 통해 FMOP 정보를 검출하는 단계;
    FMOP 정보를 통해 산출된 최소 주파수와 최대 주파수 차이를 이용하여 FMOP의 변조범위를 산출하는 단계; 및
    상기 신호 크기를 이용하여 신호차단 시점을 검출하고, 상기 신호 차단 시점까지 상기 IF 신호에 대한 제원을 측정하여 신호 제원 측정 데이터를 생성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 신호내 PMOP검출시 상기 신호 제원 측정 데이터에서 PMOP검출지점의 위상 정보와 주파수 정보를 제거하여 신호의 주파수 정확도를 확보하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 PMOP/FMOP 신호 처리를 위한 방법.
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