KR101549953B1 - 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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KR101549953B1 KR1020140036701A KR20140036701A KR101549953B1 KR 101549953 B1 KR101549953 B1 KR 101549953B1 KR 1020140036701 A KR1020140036701 A KR 1020140036701A KR 20140036701 A KR20140036701 A KR 20140036701A KR 101549953 B1 KR101549953 B1 KR 101549953B1
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주증민
장재원
이규송
이광일
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국방과학연구소
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
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Abstract

본 발명의 주파수 도약 신호 방향 탐지 시스템에서는 복수의 안테나(안테나1, 안테나2, … 안테나M) 중 택일된 안테나를 통해 수신된 신호에 대하여 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT)을 수행하는 시점에 대응하는 제1 타임 태그를 생성하고, 상기 신호의 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 검출된 주파수 도약신호에 상기 제1 타임 태그를 부착하는 방향 탐지 장치(100); 방향 탐지 장치(100)의 클락과 동기화된 클락이 인가되며, 광대역 신호에 대하여 고속 푸리에 변환을 수행하는 시점에 대응하는 제2 타임 태그를 생성하고, 광대역 신호의 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 산출된 도래 방위각에 제2 타임 태그를 부착하는 신호 탐색 장치(200)를 포함하고, 신호 탐색 장치(200)는 방향 탐지 장치(100)로부터 산출된 도래 방위각 정보와 도래 방위각의 주파수 정보를 수신하며, 제1 타임 태그와 매칭되는 제2 타임 태그가 부착된 도래 방위각과 주파수 정보를 기초로 검출된 주파수 도약신호의 도래 방위각을 추출하는 것을 특징으로 한다. 이를 통하여 주파수 도약 신호 방향 탐지 시스템은 복수의 신호원에서 도래하는 신호가 혼재하는 환경에서도 목표 주파수 도약신호의 검출과 방향 탐지를 신속 정확하게 수행하는 특징이 구현된다.

Description

주파수 도약신호 방향 탐지 시스템 및 그 방법{DIRECTION FINDING SYSTEM FOR FREQUENCY HOPPING SIGNAL AND METHOD THEREOF}
본 발명은 주파수 도약신호 방향 탐지에 관한 것으로, 특히 주파수 도약신호의 검출과 이에 대한 정확한 방향 탐지 결과를 제공하면서도 연산 속도가 저하되지 않는 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전자원 지원(electronic warfare support, ES)장비에서는 전자파를 이용하여 표적을 추적하는 레이더, 유도무기 또는 전자파를 이용한 통신장비 등의 방향을 찾아내는 방향 탐지(direction finding, DF)기술이 매우 중요하다.
이러한 방향 탐지 방식에는 회전 방향 탐지 방식, 진폭 비교방식, 위상 비교방식, 진폭-위상 복합 비교방식 등이 있다.
특히, 위상 비교방식은 신호에 대하여 방향 탐지의 분해능에 해당하는 각도 간격의 도래 방위각과 이에 대응하는 위상차 데이터를 포함하는 보정 테이블(calibration table)을 기초로 수신신호의 도래 방위각(angle of arrival, AOA)을 추정한다. 그러므로, 위상 비교방식은 넓은 주파수 영역에서 에미터(emitter)의 위치를 정확하게 결정할 수 있는 특징을 갖는다.
이와 같이 방향 탐지 방식을 통하여 획득된 방향 정보가 신호처리기의 전처리 데이터로 이용되어 신호분석의 효율성을 향상시키거나, 전자공격(electronic attack, EA) 장비에 활용되어 효과적인 재밍(jamming)이 가능하다.
국내특허공개 10-2010-0135594(2010년12월27일)
최근, 신호의 저피탐(low probability of intercept, LPI) 및 항재밍(anti-jamming, AJ)기술은 신호의 반송파 주파수에 도약 주파수를 인가하여 매 홉별로 서로 다른 주파수 대역을 사용하도록 하여 신호를 확산시키는 주파수 도약신호(frequency hopping signal)의 방식이 적용됨으로써 그 성능이 크게 향상되고 있는 실정이다.
일례로, 도약 주파수만 광대역으로 발생시킬 때 대역폭의 광대역폭화가 가능한 주파수 도약 방식이 적용됨으로써 저피탐(LPI) 및 항재밍(AJ)성능이 크게 향상된다.
하지만, 방향 탐지 방식은 수신된 신호에 대하여 모두 방향 탐지를 수행하고, 동일한 방위각을 갖는 신호를 기초로 단일 주파수 도약신호를 찾는 방식으로 주파수 도약신호에 대한 방향 탐지를 수행함으로써 최근들어 업그레이드된 환경변화에 발 빠르게 대체하지 못하고 있는 실정이다.
특히, 수신 신호에 대한 방향 탐지를 먼저 수행하고, 그 이후 단일 주파수 도약신호를 검출하는 방법에 따르면, 주파수 도약신호 여부를 판단할 수 있을 정도로 충분한 데이터가 수집되어야 하므로 시간이 많이 소요되었고, 이로 인하여 신호에 대한 적절한 대응도 늦어지는 결과가 초래됨으로써 신속한 대응이 요구되는 분야 특히 국방 분야에서 매우 불리한 요소로 작용할 수밖에 없다.
무엇보다, 실제 환경에서는 단일 주파수 도약신호임에도 방위각이 소정의 오차를 가지면서 조금씩 변할 수 있으므로, 주파수 도약신호와 근접한 위치에서 도래하는 신호가 존재하는 경우에는 복수의 신호원으로부터 오는 서로 다른 신호를 분간하기 어렵고, 방향 탐지 결과에만 기초하여 주파수 도약신호를 검출하므로 정확도가 떨어진다는 한계성도 존재할 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 복수의 신호원에서 도래하는 신호가 혼재하는 상황에서도 목표 주파수 도약신호에 대한 정확한 방향 탐지 결과 제공과 함께 연산 속도 저하가 일어나지 않는 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적은 본 발명의 일 양태에 따른 복수의 안테나를 통해 수신된 광대역 신호에 존재하는 주파수 도약신호의 방향을 탐지하는 방향 탐지 시스템에 있어서, 상기 복수의 안테나로 수신된 광대역신호에 대하여 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT)을 수행하는 시점에 대응하는 제1 타임 태그를 생성하고, 상기 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 검출된 상기 광대역신호의 도래방위각에 상기 제1 타임 태그를 부착하는 방향 탐지 장치; 및 상기 방향 탐지 장치의 클락과 동기화된 클락이 인가되며, 상기 복수의 안테나중 택일된 안테나를 통해 수신된 광대역 신호에 대하여 고속 푸리에 변환을 수행하는 시점에 대응하는 제2 타임 태그를 생성하고, 상기 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 검출된 주파수 도약신호에 상기 제2 타임 태그를 부착하는 신호 탐색 장치를 포함하고, 상기 신호 탐색 장치는 상기 방향 탐지 장치로부터 상기 산출된 도래 방위각 정보와 상기 도래 방위각의 주파수 정보를 수신하고, 상기 제2 타임 태그와 매칭되는 상기 제1 타임 태그가 부착된 상기 도래 방위각과 상기 주파수 정보를 기초로 상기 검출된 주파수 도약신호의 도래 방위각을 추출하는 것을 특징으로 하는 방향 탐지 시스템에 의하여 달성될 수 있다.
이때, 상기 신호 탐색 장치는, 상기 복수의 안테나 중 택일된 안테나를 통해 수신된 신호에 대하여 고속 푸리에 변환을 수행하는 FFT 수행부; 상기 FFT 수행부의 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 주파수 도약신호를 검출하는 신호 검출부; 상기 FFT 수행부가 상기 고속 푸리에 변환을 수행하는 시점의 클락 카운트 값을 이용하여 상기 제2 타임 태그를 생성하고, 상기 검출된 주파수 도약신호에 상기 제2 타임 태그를 부착하는 타임 태그 제공부; 및 상기 방향 탐지 장치로부터 수신한 정보를 기초로 상기 제2 타임 태그와 매칭되는 상기 제1 타임 태그가 부착된 상기 도래 방위각 정보를 추출하여 상기 주파수 도약신호의 도래 방위각을 도출하는 방위각 도출부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 신호 탐색 장치는 상기 복수의 안테나 중 택일된 안테나를 통해 수신된 신호의 주파수를 중간 주파수로 하향 변환하는 주파수 변환부; 및 상기 하향 변환된 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 FFT 수행부로 출력하는 A/D 컨버터부를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 방향 탐지 장치는, 상기 복수의 안테나로 수신되는 신호별로 고속 푸리에 변환을 수행하는 FFT 수행부; 상기 FFT 수행부의 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 상기 광대역 신호의 도래 방위각을 산출하는 방향 탐지 수행부; 및 상기 FFT 수행부가 상기 고속 푸리에 변환을 수행하는 시점의 클락 카운트 값을 이용하여 상기 제1 타임 태그를 생성하고, 상기 산출된 도래 방위각에 상기 제1 타임 태그를 부착하는 타임 태그 제공부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 방향 탐지 장치는, 상기 복수의 안테나별로 마련되는 주파수 변환기를 포함하여, 주파수를 하향 변환하여 중간 주파수 신호를 출력하는 주파수 변환부; 및 상기 복수의 안테나별로 마련되는 A/D 컨버터를 포함하여, 상기 중간 주파수 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 FFT 수행부로 출력하는 A/D 컨버터부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 신호 탐색 장치는, 상기 복수의 안테나 중 택일된 안테나를 통해 수신된 신호의 주파수 정보와 시간 정보를 기초로 동일한 체재 시간(dwell time)을 가지는 신호를 그룹핑하고, 상기 그룹핑된 신호 중 주파수 도약율(hopping rate)이 일정한 신호를 재그룹핑하여 상기 주파수 도약신호를 검출할 수 있으며, 상기 방향 탐지 장치는, 진폭 비교방식, 위상 비교방식 및 진폭-위상 복합 비교방식 중 적어도 어느 하나의 방식을 이용하여 상기 광대역 신호의 도래 방위각 탐지를 수행할 수 있다.
또한, 상기한 목적은 본 발명의 또 다른 양태에 따른 방향 탐지 방법에 있어서, 복수의 안테나를 통하여 수신된 광대역 신호의 도래 방위각을 추정하는 방향 탐지 장치와 상기 광대역 신호에서 주파수 도약신호를 검출하는 신호 탐색 장치에 동기화된 클락이 인가되는 단계; 상기 방향 탐지 장치가 상기 광대역 신호에 대하여 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하는 시점에 대응하는 제1 타임 태그를 생성하는 단계; 상기 방향 탐지 장치가 상기 광대역 신호의 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 상기 광대역 신호의 도래 방위각을 산출하고, 상기 제1 타임 태그를 부착하는 단계; 상기 방향 탐지 장치가 추정된 상기 도래 방위각과 상기 도래 방위각의 주파수 정보를 상기 신호 탐색 장치에 전송하는 단계; 상기 신호 탐색 장치가 상기 복수의 안테나 중 택일된 안테나를 통하여 수신된 신호에 대하여 고속 푸리에 변환을 수행하는 시점에 대응하는 제2 타임 태그를 생성하는 단계; 상기 신호 탐색 장치가 상기 복수의 안테나 중 택일된 안테나를 통하여 수신된 신호의 고속 푸리에 변환 결과에 기초하여 주파수 도약신호를 검출하고, 상기 제2 타임 태그를 부착하는 단계; 및 상기 신호 탐색 장치가 상기 제2 타임 태그와 매칭되는 상기 제1 타임 태그를 가지는 상기 도래 방위각 정보와 상기 주파수 정보를 기초로 상기 주파수 도약신호의 도래 방위각을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방향 탐지 방법에 의해서도 달성될 수 있다.
이때, 상기 제1 타임 태그와 상기 제2 타임 태그는 각각 상기 방향 탐지 장치와 상기 신호 탐색 장치에서 상기 고속 푸리에 변환이 수행될 때의 상기 클락의 카운트 값을 이용하여 생성할 수 있다.
그리고, 상기 신호 탐색 장치는 상기 주파수 도약신호에 대하여 복수개의 도래 방위각이 도출된 경우, 상기 복수개의 도래 방위각의 중앙값(median), 평균값, 및 최빈값중 적어도 어느 하나를 취하여 최종적으로 하나의 도래 방위각을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이러한 본 발명은 방향 탐지(direction finding, DF)기술이 복수의 신호원에서 도래하는 신호가 혼재하는 상황에서도 목표 주파수 도약신호에 대해서 정확한 방향 탐지 결과를 제공함으로써 전자원 지원(electronic warfare support, ES)장비의 성능개선이 이루어지는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 복수의 신호원에서 도래하는 신호가 혼재하는 상황에서도 목표 주파수 도약신호에 대한 정확한 방향 탐지 결과 제공과 함께 연산 속도 저하가 일어나지 않음으로써 주파수 도약 방식이 적용된 저피탐(LPI) 및 항재밍(AJ)기술에 대한 대응성이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템의 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템에 적용된 방향 탐지 장치의 블록도이며, 도 3은 도 2의 방향 탐지 장치에 디지털 다운 컨버터(digital down converter, DDC), 디지털 압축기(decimator), 메모리 수단 등이 더 포함한 구성예이고, 도 4는 본 발명에 따른 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템에 적용된 신호 탐색 장치의 블록도이며, 도 5는 도 4의 신호 탐색 장치에 디지털 다운 컨버터(digital down converter, DDC), 디지털 압축기(decimator), 메모리 수단 등이 더 포함한 구성예이고, 도 6은 본 발명에 따른 시스템에 의하여 주파수 도약신호의 방향 탐지를 수행하는 과정의 흐름도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템의 블록도를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템은 방향 탐지 장치(100), 및 신호 탐색 장치(200)를 포함한다.
상기 방향 탐지 장치(100)는 복수의 안테나(안테나1, 안테나2, … 안테나M)로부터 수신되는 광대역 신호의 도래 방위각을 산출하고, 산출된 도래 방위각이 어느 시점에 수신된 신호에 대한 도래 방위각인지 여부를 식별할 수 있도록 타임 태그(time tag)를 부착한다. 이후, 방향 탐지 장치(100)는 도래 방위각 정보, 산출된 도래 방위각을 가지는 신호의 주파수 정보를 신호 탐색 장치(200)로 전송한다.
상기 신호 탐색 장치(200)는 복수의 안테나(안테나1, 안테나2, … 안테나M) 중 임의로 택일된 하나의 안테나를 통해 수신된 신호에서 주파수 도약신호를 검출하고, 검출된 주파수 도약신호에 타임 태그를 부착한다.
이와 같이, 상기 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템은 주파수 도약신호 여부와 상관없이 방향 탐지 장치(100)를 통하여 수신된 신호에 대하여 방향 탐지를 수행하고, 이와 병렬적으로 신호 탐색 장치(200)에서는 수신된 신호에서 주파수 도약신호의 검출을 수행한다. 이후, 방향 탐지 장치(100)와 신호 탐색 장치(200)의 각각에서 산출된 결과에 부착된 타임 태그의 매칭 작업을 통하여 최종적으로 탐지 목표인 주파수 도약신호의 도래 방위각을 도출한다.
일례로, 신호 탐색 장치(200)는 방향 탐지 장치(100)에서 부착된 타임 태그 중 자신이 부착한 타임 태그와 매칭(matching)되는 타임 태그를 찾고, 이를 가지는 도래 방위각 정보와 주파수 정보를 기초로 검출된 주파수 도약신호의 도래 방위각을 도출한다. 이때, 타임 태그가 두 장치(100, 200)의 산출물을 연관시키기 위한 식별 정보로서 이용되므로 방향 탐지 장치(100)와 신호 탐색 장치(200)에 인가되는 클락(clock, CLK)은 서로 동기화가 이루어진다.
본 실시예에서 클락(CLK)의 동기화는 예컨대, 각 장치(100, 200)의 외부에 존재하는 공통 클락을 통해 이루어지거나, 두 장치(100, 200) 중 하나의 장치 내부에 존재하는 클락(CLK)이 다른 장치에도 제공되어 이루어질 수 있다.
한편, 도 2는 방향 탐지 장치(100)의 블록도를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 방향 탐지 장치(100)에는 주파수 변환부(110), A/D 컨버터부(120), FFT 수행부(130), 방향 탐지 수행부(140), 및 타임 태그 제공부(150)가 포함된다.
상기 주파수 변환부(110)는 복수의 주파수 변환기(110_1, 110_2, … 110_M)로 구성되고, 상기 복수의 주파수 변환기(110_1, 110_2, … 110_M)는 복수의 안테나(안테나1, 안테나2, … 안테나M)로 수신되는 신호의 주파수를 중간 주파수(intermediate frequency, IF)로 하향 변환하여 제공한다. 이때, 복수의 주파수 변환기(110_1, 110_2, … 110_M)는 복수의 안테나(안테나1, 안테나2, … 안테나M)의 각각에 활당된다.
상기 A/D 컨버터부(120)는 복수의 A/D 컨버터(analog to digital converter, ADC)(120_1, 120_2, … 120_M)로 구성되고, 상기 복수의 A/D 컨버터(120_1, 120_2, … 120_M)는 복수의 주파수 변환기(110_1, 110_2, … 110_M)에서 각각 출력되는 아날로그 형태의 중간 주파수 신호를 디지털 신호로 변환한다. 그러므로, 주파수 변환부(110)에서 출력되는 아날로그 형태의 중간 주파수 신호는 A/D 컨버터부(120)에서 디지털 신호로 변환한다.
상기 FFT 수행부(130)는 주파수 도메인에서 신호가 분석될 수 있도록 A/D 컨버터부(120)에서 출력되는 디지털 신호에 대하여 기 설정된 K포인트 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT)을 수행한다.
상기 방향 탐지 수행부(140)는 FFT 수행부(130)의 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 방향 탐지를 수행하여 광대역 신호의 도래 방위각을 추정한다. 이를 위해, 방향 탐지 수행부(140)에서는 위상 비교방식, 진폭비교 방식, 진폭-위상 복합 비교방식 등 다양한 방향 탐지 알고리즘이 이용된다.
일례로, 방향 탐지 수행부(140)가 위상 비교방식의 방향 탐지 알고리즘으로 광대역 신호의 도래 방위각을 추정하는 과정은 다음과 같다.
먼저, 방향 탐지 수행부(140)는 고속 푸리에 변환 결과의 I/Q(in phase/quadrature) 데이터를 통하여 신호의 세기를 측정하고, 기 설정된 임계치 이상의 신호 세기를 가지는 FFT 빈(bin)의 I/Q 데이터를 미리 결정된 소정 횟수인 N회 누적하여 주파수 변환부(110) 등 방향 탐지 수행부(140) 전단에서 발생한 노이즈를 감쇄하고, N회 누적된 I/Q 데이터의 평균값으로부터 위상을 추출한다.
이어서, 방향 탐지 수행부(140)는 복수의 안테나(안테나1, 안테나2, … 안테나M)에서 구성 가능한 안테나 조합들을 이용하여 안테나 간 위상차를 구하고, 보정 테이블을 기초로 임계치 이상의 신호 세기를 가지는 FFT 빈에 대한 도래 방위각을 산출한다.
이 과정에서, 보정 테이블의 위상차 데이터와 구해진 위상차 데이터의 상관계수가 기 설정된 값 이하로 나오는 FFT 빈의 도래 방위각은 제외하여 연산의 정확도를 도모할 수 있다. 이때, 보정 테이블은 안테나 조합의 위상차 데이터와 이에 대응하는 도래 방위각 데이터를 포함하는 자료이다.
이와 같이, 위상 비교방식의 방향 탐지 알고리즘이 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 수신된 신호에 대하여 방향 탐지를 수행함으로써 각 FFT 빈의 도래 방위각 추정이 이루어질 수 있다.
상기 타임 태그 제공부(150)는 FFT 수행부(130)가 고속 푸리에 변환을 수행하는 시점에 대응하는 타임 태그를 생성한다. 그러므로, 타임 태그의 생성은 고속 푸리에 변환 결과가 수집되는 시점이 된다. 또한, 상기 타임 태그 제공부(150)는 방향 탐지 수행부(140)에서 산출된 도래 방위각에 타임 태그를 부착한다. 이러한 타임 태그는 이후에 신호 탐색 장치(200)가 검출된 주파수 도약신호에 대응되는 방향 탐지 결과를 매칭시키는데 이용된다.
그러므로, 타임 태그 생성부(150)는 FFT 수행부(130)가 고속 푸리에 변환을 수행하는 시점에서의 클락 카운트 값으로 타임 태그를 구성할 수 있다. 또한, 타임 태그 생성부(150)는 FFT 수행부(130)에 FFT 수행에 대한 개시 신호인 인에이블(enable) 신호가 인가되는 시점에서의 클락 카운트 값을 타임 태그로 생성할 수 있다.
이와 같이 방향 탐지 장치(100)에서는 타임 태그가 부착된 도래 방위각 정보와 도래 방위각을 갖는 신호의 주파수 정보를 신호 탐색 장치(200)에 전송함으로써 신호 탐색 장치(200)가 검출된 주파수 도약신호의 도래 방위각을 도출할 수 있게 한다. 이러한 전송은 방향 탐지 장치(100)의 방향 탐지 수행부(140)에서 수행된다.
한편, 도3은 도 2의 방향 탐지 장치(100)의 구성 변형 예를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 방향 탐지 장치(100)는 주파수 변환부(110), A/D 컨버터부(120), FFT 수행부(130), 방향 탐지 수행부(140), 및 타임 태그 제공부(150)로 구성되고, 이에 더하여 디지털 다운 컨버터(digital down converter, DDC)(300-1), 디지털 압축기(decimator)(300-2), 메모리(400)가 더 구성된다.
상기 디지털 다운 컨버터(digital down converter, DDC)(300-1)와 상기 디지털 압축기(decimator)(300-2)는 고속 푸리에 변환을 수행하기 위하여 디지털화된 샘플을 동위상(in phase, I) 및 직교위상(quadrature, Q) 기저대역 신호의 스트림으로 변환한다. 상기 메모리(400)는 생성된 타임 태그와 각종 주파수 정보, 신호 세기 정보 등을 저장한다.
한편, 도 4는 주파수 도약신호를 검출하고, 방향 탐지 장치(100)의 방향 탐지 결과 중 검출된 주파수 도약신호의 방향 탐지 결과를 추출하는 신호 탐색 장치(200)의 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 신호 탐색 장치(200)에는 주파수 변환부(210), A/D 컨버터부(220), FFT 수행부(230), 신호 검출부(240), 타임 태그 제공부(250), 및 방위각 도출부(260)가 포함된다.
상기 주파수 변환부(210)는 복수의 안테나(안테나1, 안테나2, … 안테나M) 중 택일된 안테나(안테나 M)로 수신되는 신호의 주파수를 중간 주파수로 하향 변환한다. 이때, 안테나 M은 예시일뿐 복수의 안테나(안테나1, 안테나2, … 안테나M) 중 어떠한 안테나가 선택되어도 무방하다.
상기 A/D 컨버터부(220)는 주파수 변환부(210)에서 출력되는 아날로그 형태의 중간 주파수 신호를 디지털 신호로 변환한다.
상기 FFT 수행부(230)는 A/D 컨버터부(220)에서 출력되는 디지털 신호에 대하여 기 설정된 K포인트 고속 푸리에 변환을 수행하고, A/D 샘플링 레이트(sampling rate)와 푸리에 변환 포인트 수 K에 따라 시간 해상도를 결정한다.
이때, 시간 해상도는 주파수 도약율(hopping rate)에 따라 실험적으로 결정될 수 있다. 일례로, 주파수 도약율이 높으면 A/D 샘플링 레이트를 상대적으로 크게하는 반면 변환 포인트 수 K를 작게 조절함으로써 시간 해상도가 정밀하게 결정될 수 있다.
이와 같이, 신호 탐색 장치(200)에서는 수신된 신호 중 주파수 도약신호의 존재를 검출하는 것이 목적이므로 택일된 안테나를 통해 수신된 신호에 대해서만 수행한다. 이는, 방향 탐지 장치(100)가 도래 방위각 탐지를 위하여 복수의 안테나(안테나1, 안테나2, … 안테나M)를 통해 수신된 신호 각각에 대하여 위의 과정을 모두 수행함과 차이를 갖는 부분이다.
상기 신호 검출부(240)는 FFT 수행부(230)의 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 수신신호에 존재하는 주파수 도약신호를 검출한다. 본 실시예에서, 주파수 도약신호 검출은 공지된 다양한 방법으로 검출가능하며, 특정 방법에 한정되지 않는다. 일례로, 주파수 도약신호의 검출은 신호의 주파수 정보, 즉, 기설정된 임계치 이상의 신호 세기를 가지는 FFT 빈과 시간 정보를 기초로 동일한 체재 시간(dwell time)을 가지는 신호를 그룹핑(grouping)하고, 그룹핑된 신호 중 주파수 도약율이 일정한 신호를 재 그룹핑하여 이루어질 수 있다.
상기 타임 태그 제공부(250)는 FFT 수행부(230)가 고속 푸리에 변환을 수행하는 시점에 대응하는 타임 태그를 생성한다. 그러므로, 타임 태그의 생성은 고속 푸리에 변환 결과가 수집되는 시점이 된다. 또한, 상기 타임 태그 제공부(250)는 신호 검출부(240)에서 산출된 도래 방위각에 타임 태그를 부착한다.
일례로, 주파수 도약신호가 순차적으로 주파수 f1 → f2 → f3로 도약하고, 주파수 f1의 신호는 T1, 주파수 f2의 신호는 T2, 주파수 f3의 신호는 T3 시점에 FFT 수행부(230)에서 고속 푸리에 변환이 수행되었다면, 타임 태그 제공부(250)는 주파수 f1 신호에는 T1에, 주파수 f2 신호에는 T2, 주파수 f3 신호에는 T3에 대응하는 타임 태그를 각각 부착한다.
그러므로, 타임 태그는 방향 탐지 장치(100)에서 부착된 타임 태그와의 매칭 작업을 통하여 주파수 도약신호의 도래 방위각을 도출하는 기초로서 활용된다. 특히, 타임 태그는 방향 탐지 장치(100)에서와 동일하게 FFT 수행부(230)가 고속 푸리에 변환을 수행하는 시점에서의 클락 카운트 값으로 구성될 수 있다.
상기 방위각 도출부(260)는 방향 탐지 장치(100)로부터 수신한 타임 태그가 부착된 광대역 수신신호의 도래 방위각 정보 및 도래 방위각의 주파수 정보를 방향 탐지 정보로 인식하고, 이를 기초로 신호 검출부(240)에서 검출된 주파수 도약신호의 방위각을 도출한다.
이를 위해, 상기 방위각 도출부(260)에서는 방향 탐지 장치(100)에서 부착된 타임 태그 중 신호 탐색 장치(200)에서 부착된 타임 태그와 시간적으로 기준 범위 안에 존재하는 타임 태그를 탐색하고, 탐색된 타임 태그를 가지는 도래 방위각의 주파수 정보와 주파수 도약신호의 주파수를 비교하여 검출된 주파수 도약신호에 대응하는 도래 방위각을 도출한다. 이러한 과정에서, 시간적 기준 범위는 시간 해상도를 기초로 결정된다. 이때, 시간 해상도 이하의 클락 카운트 값을 가지는 타임 태그는 서로 매칭되는 타임 태그라고 결정된다.
특히, 상기 방위각 도출부(260)는 단일 주파수 도약신호임에도 방위각이 소정의 오차를 가지면서 조금씩 변할 수 있는 실제 환경이 고려됨으로써 복수개의 도래 방위각을 기초로 하나의 도래 방위각을 결정할 수 있다. 이를 위해, 방위각 도출부(260)애서는 복수개의 도래 방위각의 중앙값(median), 평균값, 및 최빈값 등을 취한 후 최종적으로 하나의 도래 방위각을 결정하여 준다.
한편, 도 5는 신호 탐색 장치(200)의 구성 변형 예를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 신호 탐색 장치(200)는 주파수 변환부(210), A/D 컨버터부(220), FFT 수행부(230), 신호 검출부(240), 타임 태그 제공부(250), 및 방위각 도출부(260)로 구성되고, 이에 더하여 디지털 다운 컨버터(digital down converter, DDC)(300-1), 디지털 압축기(decimator)(300-2), 메모리(400)가 더 구성된다.
상기 디지털 다운 컨버터(digital down converter, DDC)(300-1)와 상기 디지털 압축기(decimator)(300-2)는 고속 푸리에 변환을 수행하기 위하여 디지털화된 샘플을 동위상(in phase, I) 및 직교위상(quadrature, Q) 기저대역 신호의 스트림으로 변환한다. 상기 메모리(400)는 생성된 타임 태그와 각종 주파수 정보, 신호 세기 정보 등을 저장한다.
한편, 도 6은 본 실시예에 따른 시스템에 의하여 주파수 도약신호의 방향 탐지를 수행하는 과정의 흐름을 나타낸다.
예시된 방법은 방향 탐지 장치(100)와 신호 탐색 장치(200)에서 신호를 식별할 수 있는 타임 태그를 생성하고, 시간 해상도 등을 고려하여 결정되는 기준 시간 범위 안에 포함되는 두 타임 태그의 매칭 작업을 수행하여 해당 주파수 도약신호의 도래 방위각을 선별할 수 있는 방안으로 구현한다. 그러므로, 방향 탐지 장치(100)와 신호 탐색 장치(200)에서는 동일한 안테나를 통해 수신되는 신호를 기초로 각자 연산을 수행하므로 거의 비슷한 시간에 연산이 완료될 것이지만, 그 시간이 정확하게 일치하지 않을 수 있는 경우에 대한 우려가 제거될 수 있다.
구체적으로 이루어지는 검출된 주파수 도약신호의 방향 탐지 수행 과정은 다음과 같다.
먼저, 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템에서는 타임 태그를 이용하여 서로 대응되는 정보를 매칭시키게 되므로 복수의 안테나를 통하여 수신된 신호의 도래 방위각을 추정하는 방향 탐지 장치(100)와 수신된 신호에서 주파수 도약신호를 검출하는 신호 탐색 장치(200)에 인가되는 클락이 서로 동기화시켜 준다(S10, S11). 그러면, 방향 탐지 장치(100)와 신호 탐색 장치(200)는 수신신호에 대해서 독자적으로 각자의 연산을 수행하여 결과물을 산출한다.
이때, 클락은 클락 신호 발생장치에서 생성된다. 상기 클락 신호 발생장치는 방향 탐지 장치(100)와 신호 탐색 장치(200)의 외부에 존재하여 공통 클락을 제공하도록 구현되거나, 일방의 장치에 위치한 클락 신호 발생장치에서 생성된 클락이 타방의 장치에도 인가되도록 구현될 수 있다.
방향 탐지 장치(100)에서 수행되는 과정은 다음과 같다.
방향 탐지 장치(100)는 고속 푸리에 변환이 수행되는 시점에 대응되는 타임 태그(이하, 제1 타임 태그라 함)를 생성한다(S13). 이때, 타임 태그는 고속 푸리에 변환을 수행하는 FFT 수행부(130)에 인에이블 신호가 인가될 때의 클락 카운트 값을 이용하여 생성된다.
이어, 방향 탐지 장치(100)는 수신된 광대역 신호의 도래 방위각을 산출하고, 산출된 도래 방위각에 이전 단계에서 생성된 제1 타임 태그를 부착한다(S15). 이때, 산출된 도래 방위각이 복수개인경우에도 동일한 시점에 고속 푸리에 변환이 수행된 신호에 대한 결과라면 모두 동일한 타임 태그가 부착된다. 이러한 과정에는 위상 비교방식이 적용된다. 하지만, 진폭 비교방식, 진폭-위상 복합 비교방식 등 공지된 다양한 방향 탐지 알고리즘을 이용할 수 있다.
이후, 방향 탐지 장치(100)는 산출된 도래 방위각 정보와 신호의 주파수 정보를 신호 탐색 장치(200)에 전송한다(S17).
한편, 신호 탐색 장치(200)에서 수행되는 과정은 다음과 같다.
신호 탐색 장치(200)는 수신신호에서 주파수 도약신호를 검출한다. 이때, 복수의 안테나(안테나1, 안테나2, … 안테나M) 중 임의로 택일된 안테나를 통해 수신된 신호를 기초로 다음의 검출과정을 수행한다.
이어, 신호 탐색 장치(200)는 고속 푸리에 변환이 수행되는 시점에 대응되는 타임 태그(이하, 제2 타임 태그라 함)를 생성한다(S19). 이때, 두 장치(100, 200)의 클락이 서로 동기화되었으므로, 동일 신호에 대하여 거의 비슷한 클락 카운트 값을 가지는 타임 태그가 생성된다. 특히, 타임 태그는 방향 탐지 장치(100)에서와 동일하게 고속 푸리에 변환을 수행하는 FFT 수행부(230)에 인에이블 신호가 인가될 때의 클락 카운트 값을 이용하여 생성된다.
이어서 신호 탐색 장치(200)는 신호의 체재 시간, 주파수 도약율 등을 고려하여 수신신호에서 주파수 도약신호를 검출하고, 검출된 주파수 도약신호에 이전 단계에서 생성된 제2 타임 태그를 부착한다(S21).
이후, 신호 탐색 장치(200)는 방향 탐지 장치(100)에서 전송된 도래 방위각 정보와 주파수 정보를 활용하여 검출된 주파수 도약신호의 도래 방위각을 도출한다(S23). 그러므로, 신호 탐색 장치(200)에서는 방향 탐지 장치(100)에서 전송된 도래 방위각 중 제2 타임 태그와 매칭되는 제1 타임 태그를 가지는 도래 방위각을 찾고, 주파수 정보를 기초로 도래 방위각 중 검출된 주파수 도약신호와 주파수가 동일한 도래 방위각을 추출한다.
본 실시예에서, 검출된 주파수 도약신호의 방향 탐지 수행 과정의 각 단계는 필요에 따라 적절하게 단계가 추가되거나 수정될 수 있다.
일례로, 수신신호의 주파수를 중간 주파수로 하향 변환하는 단계와 아날로그 형태의 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계가 더 추가될 수 있다. 또한, 방향 탐지 장치(100)와 신호 탐색 장치(200)는 신호에 포함된 노이즈를 고려하여 수신된 신호 중 기 설정된 임계치 이상의 세기를 가지는 FFT bin에 대해서만 연산을 수행하도록 할 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템에 의하면, 방향 탐지 결과에만 의존하지 않고 독자적으로 주파수 도약신호를 검출하여 정확한 결과를 획득할 수 있다. 또한, 주파수 도약신호 검출과 방향 탐지가 병렬적으로 수행되기 위한 수단으로 타임 태그를 도입하여, 주파수 도약신호 검출이 완료될 때까지 방향 탐지 장치(100)의 연산을 지연시킬 필요도 없다. 이러한 특징은 기존 방식이 수신된 신호에서 방향 탐지를 수행하고, 동일한 방위각을 가지는 신호를 통하여 단일 주파수 도약신호를 찾는 방식으로 주파수 도약신호의 방향 탐지를 수행하였으므로, 방위각의 동일성만으로 주파수 도약신호임을 판단할 수 있을 정도로 충분한 데이터가 수집되어야 하고, 탐지 정확도도 떨어지는 단점을 해소한다. 특히, 본 실시예에 따른 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템은 방향 탐지의 정확도와 신속성을 동시에 도모할 수 있어, 국방 분야를 비롯하여 탐지된 주파수 도약신호에 대한 신속 정확한 대응이 요구되는 다양한 분야에 유용하게 활용될 수 있다.
100 : 방향 탐지 장치 110 : 주파수 변환부
110_1, 110_2, … 110_M : 제1,...,M 주파수 변환기
120 : A/D 컨버터부
120_1, 120_2, … 120_M : 제1,...,M A/D 컨버터
130 : FFT 수행부
130_1, 130_2, … 130_M : 제1,...,M FFT 수행기
140 : 방향 탐지 수행부 150 : 타임 태그 제공부
200 : 신호 탐색 장치 210 : 주파수 변환부
220 : A/D 컨버터부 230 : FFT 수행부
240 : 신호 검출부 250 : 타임 태그 제공부
260 : 방위각 도출부
300-1 : 디지털 다운 컨버터(digital down converter, DDC)
300-2 : 디지털 압축기(decimator)
400 : 메모리

Claims (11)

  1. 복수의 안테나를 통해 수신된 광대역 신호에 존재하는 주파수 도약신호의 방향을 탐지하는 방향 탐지 시스템에 있어서,
    상기 복수의 안테나로 수신된 광대역신호에 대하여 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT)을 수행하는 시점에 대응하는 제1 타임 태그를 생성하고, 상기 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 검출된 상기 광대역신호의 도래방위각에 상기 제1 타임 태그를 부착하는 방향 탐지 장치; 및
    상기 방향 탐지 장치의 클락과 동기화된 클락이 인가되며, 상기 복수의 안테나 중 택일된 안테나를 통해 수신된 광대역신호에 대하여 고속 푸리에 변환을 수행하는 시점에 대응하는 제2 타임 태그를 생성하고, 상기 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 검출된 주파수 도약신호에 상기 제2 타임 태그를 부착하는 신호 탐색 장치를 포함하고,
    상기 신호 탐색 장치는 상기 방향 탐지 장치로부터 상기 산출된 도래 방위각 정보와 상기 도래 방위각의 주파수 정보를 수신하고, 상기 제1 타임 태그가 부착된 상기 도래방위각과 매칭되는 상기 제2 타임 태그가 부착된 상기 주파수 정보를 기초로 상기 검출된 주파수 도약신호의 도래 방위각을 추출하는 것을 특징으로 하는 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 신호 탐색 장치는,
    상기 복수의 안테나 중 택일된 안테나를 통해 수신된 광대역신호에 대하여 고속 푸리에 변환을 수행하는 FFT 수행부;
    상기 FFT 수행부의 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 주파수 도약신호를 검출하는 신호 검출부;
    상기 FFT 수행부가 상기 고속 푸리에 변환을 수행하는 시점의 클락 카운트 값을 이용하여 상기 제2 타임 태그를 생성하고, 상기 검출된 주파수 도약신호에 상기 제2 타임 태그를 부착하는 타임 태그 제공부; 및
    상기 방향 탐지 장치로부터 수신한 정보를 기초로 상기 제2 타임 태그와 매칭되는 상기 제1 타임 태그가 부착된 상기 도래 방위각 정보를 추출하여 상기 주파수 도약신호의 도래 방위각을 도출하는 방위각 도출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 신호 탐색 장치는 상기 복수의 안테나 중 택일된 안테나를 통해 수신된 광대역신호의 주파수를 중간 주파수로 하향 변환하는 주파수 변환부; 및 상기 하향 변환된 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 FFT 수행부로 출력하는 A/D 컨버터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 방향 탐지 장치는,
    상기 복수의 안테나로 수신되는 광대역신호별로 고속 푸리에 변환을 수행하는 FFT 수행부;
    상기 FFT 수행부의 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 상기 광대역 신호의 도래 방위각을 산출하는 방향 탐지 수행부; 및
    상기 FFT 수행부가 상기 고속 푸리에 변환을 수행하는 시점의 클락 카운트 값을 이용하여 상기 제1 타임 태그를 생성하고, 상기 산출된 도래 방위각에 상기 제1 타임 태그를 부착하는 타임 태그 제공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 방향 탐지 장치는,
    상기 복수의 안테나별로 마련되는 주파수 변환기를 포함하여, 주파수를 하향 변환하여 중간 주파수 신호를 출력하는 주파수 변환부; 및
    상기 복수의 안테나별로 마련되는 A/D 컨버터를 포함하여, 상기 중간 주파수 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 FFT 수행부로 출력하는 A/D 컨버터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 신호 탐색 장치는,
    상기 복수의 안테나 중 택일된 안테나를 통해 수신된 광대역신호의 주파수 정보와 시간 정보를 기초로 동일한 체재 시간(dwell time)을 가지는 광대역신호를 그룹핑하고, 상기 그룹핑된 광대역신호 중 주파수 도약율(hopping rate)이 일정한 광대역신호를 재그룹핑하여 상기 주파수 도약신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 방향 탐지 장치는, 진폭 비교방식, 위상 비교방식 및 진폭-위상 복합 비교방식 중 적어도 어느 하나의 방식을 이용하여 상기 광대역 신호의 도래 방위각 탐지를 수행하는 것을 특징으로 하는 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 신호 탐색 장치와 상기 방향 탐지 장치는 공통 클락이 인가되어 클락 동기화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 주파수 도약신호 방향 탐지 시스템.
  9. 복수의 안테나를 통하여 수신된 광대역 신호의 도래 방위각을 추정하는 방향 탐지 장치와 상기 광대역 신호에서 주파수 도약신호를 검출하는 신호 탐색 장치에 동기화된 클락이 인가되는 단계;
    상기 방향 탐지 장치가 상기 광대역 신호에 대하여 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하는 시점에 대응하는 제1 타임 태그를 생성하는 단계;
    상기 방향 탐지 장치가 상기 광대역 신호의 고속 푸리에 변환 결과를 기초로 상기 광대역 신호의 도래 방위각을 산출하고, 상기 제1 타임 태그를 부착하는 단계;
    상기 방향 탐지 장치가 추정된 상기 도래 방위각과 상기 도래 방위각의 주파수 정보를 상기 신호 탐색 장치에 전송하는 단계;
    상기 신호 탐색 장치가 상기 복수의 안테나 중 택일된 안테나를 통하여 수신된 신호에 대하여 고속 푸리에 변환을 수행하는 시점에 대응하는 제2 타임 태그를 생성하는 단계;
    상기 신호 탐색 장치가 상기 복수의 안테나 중 택일된 안테나를 통하여 수신된 신호의 고속 푸리에 변환 결과에 기초하여 주파수 도약신호를 검출하고, 상기 제2 타임 태그를 부착하는 단계; 및
    상기 신호 탐색 장치가 상기 제2 타임 태그와 매칭되는 제1 타임 태그를 가지는 상기 도래 방위각 정보와 상기 주파수 정보를 기초로 상기 주파수 도약신호의 도래 방위각을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 도약신호 방향 탐지 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 제1 타임 태그와 상기 제2 타임 태그는 각각 상기 방향 탐지 장치와 상기 신호 탐색 장치에서 상기 고속 푸리에 변환이 수행될 때의 상기 클락의 카운트 값을 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 주파수 도약신호 방향 탐지 방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 신호 탐색 장치는 상기 주파수 도약신호에 대하여 복수개의 도래 방위각이 도출된 경우, 상기 복수개의 도래 방위각의 중앙값(median), 평균값, 및 최빈값중 적어도 어느 하나를 취하여 최종적으로 하나의 도래 방위각을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 도약신호 방향 탐지 방법.
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