KR102559777B1

KR102559777B1 - 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀 및 그 수신 방법

Info

Publication number: KR102559777B1
Application number: KR1020220101473A
Authority: KR
Inventors: 김승근
Original assignee: 한국해양과학기술원
Priority date: 2022-08-12
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2023-07-26

Abstract

본 발명의 목적은 수신기에서의 신호 처리를 간단하게 하기 위해 DQPSK 변조를 사용하고, 한 패킷 길이 동안 통신 모뎀의 이동 속도가 변하는 것에 대응하기 위해 한 패킷을 복수 개의 부프레임으로 나누어 전송하며, 수신부에서는 부프레임 별로 도플러 편이를 추정하여 부프레임 별로 이를 보상하는 방법을 사용함으로써, 장거리 이동 환경에서 단문 메시지 등을 전달하기 위한 용도로 사용될 수 있도록 하는 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀은, 복수 개의 부프레임으로 구성되며, 한 개의 부프레임이 복수 개의 DQPSK 심볼 길이를 갖는 패킷;을 포함하며, 상기 패킷의 시작부에는 프리앰블 신호열을 두 번 반복하고, 상기 부프레임 사이에는 미드앰블 신호열이 있으며, 마지막에 테일앰블 신호열을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀 및 그 수신 방법{UNDERWATER ACOUSTIC MOBILE MODEM BASED ON THE DIRECT SEQUENCE SPREAD SPECTRUM SCHEME AND RECEIVING METHOD THE SAME}

본 발명은 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀에 관한 것으로, 특히 6.25 ㎑ 의 반송 주파수에서 약 2.1 ㎑ 의 대역폭을 사용하고, 심볼당 16개의 칩심볼로 확산하여 약 97.6 심볼율을 갖는 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀 및 그 수신 방법에 관한 것이다.

수중에서 무선으로 장거리 정보 전송을 할 수 있는 현재까지 알려진 유일한 방법은 음파를 이용하는 것이고, 전송하려는 거리가 멀어짐에 따라 사용할 수 있는 주파수는 낮아지고, 가용한 대역폭은 줄어든다.

이는 주로 주파수가 높아짐에 따라 바닷물에서 음파의 흡음이 높아져 신호 감쇠가 커지고, 주파수에 따라 환경 잡음의 주요 발생 요소와 특성이 다르기 때문이다.

이러한 물리적 특성으로 인해, 수증 음파 통신에서 통달 거리에 따라 사용 가능한 주파수의 제약으로 인해 통신 주파수 대역이 수 ㎑ ~ 수십 ㎑ 정도로 매우 협소한 대역폭을 사용하기 때문에 데이터 전송 속도가 매우 낮은 특성이 있다.

수중에서 확산대역 통신은 하나의 데이터를 여러 칩(Chip) 심볼 구간으로 나누어 보내어 대역폭에 비하여 전송 속도는 낮아지지만 낮은 SNR에서도 강인한 특성이 있어 장거리 통신에 사용되거나, 낮은 피탐을 요구하는 응용이나, 음파 신호가 해양 생물에 미치는 영향을 경감하기 위해 사용된다.

여기서, 송수신기 간의 상대적인 이동에 의해 도플러(Doppler) 편이가 발생한다.

도플러 편이가 발생하면 낮은 전파 속도(약 1500 m/s)로 인해 그 영향이 매우 크게 나타나며, 신호의 길이가 도플러 편이에 비례하여 늘어나거나 줄어들고, 그 위상 또한 주파수 편이가 발생한 것과 같은 외곡이 발생한다.

시간축과 주파수 축에서 심각한 외곡을 일으키는 도플러 편이를 보상하여야 올바른 데이터 복원을 할 수 있다.

종래, 10 m/s 이상 고속으로 이동하는 환경에서 사용할 수 있는 도플러 편이 추정 방법 및 확산대역 변조 신호의 수신 방법이 공지되어 있다.

이 방법은 자기 상관 특성이 우수한 64 길이의 프랭크(Frank) 신호열을 프리앰블로 두 번 반복하고, 수신부에서는 두 단계에 걸쳐 도플러 편이를 추정하고 보상한다.

이러한 방법을 적용하여 거제도 해역에서 이동성이 없는 경우부터 약 5.8 m/s 의 간격으로 약 17.5 m/s 의 이동 속도까지 통신 거리가 증가하는 방향으로 이동하는 경우를 가정한 가상 이동 신호를 5 ㎞ 거리에서 데이터를 성공적으로 수신함을 실험하였다.

이때 데이터 전송을 위해 6.25 ㎑ 반송 주파수에서 약 2.1 ㎑ 대역폭을 사용하고, 심볼당 16개 칩으로 확산하여 약 97.6 심볼율을 갖는 DQPSK 변조를 사용하는 직접수열 확산대역 변조를 사용하였다.

종래 방법은 한 패킷 시간 동안 도플러 편이와 채널 응답이 변하지 않는다고 가정을 하였으나, 이동 통신 모뎀이 동작하는 환경에서는 패킷 중간에 이동 속도가 변할 수 있고, 채널 응답도 변할 수 있다.

이러한 실제 환경을 고려하여, 패킷 구조를 보완하며, 도플러 편이 추정 방법도 종래 방법을 수정하여 수중 이동 통신 모뎀을 구현하도록 한다.

국내 등록특허공보 제10-1503466호

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 수신기에서의 신호 처리를 간단하게 하기 위해 DQPSK 변조를 사용하고, 한 패킷 길이 동안 통신 모뎀의 이동 속도가 변하는 것에 대응하기 위해 한 패킷을 복수 개의 부프레임으로 나누어 전송하며, 수신부에서는 부프레임 별로 도플러 편이를 추정하여 부프레임 별로 이를 보상하는 방법을 사용함으로써, 장거리 이동 환경에서 단문 메시지 등을 전달하기 위한 용도로 사용될 수 있도록 하는 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀 및 그 수신 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀은, 복수 개의 부프레임으로 구성되며, 한 개의 부프레임이 복수 개의 DQPSK 심볼 길이를 갖는 패킷;을 포함하며, 상기 패킷의 시작부에는 프리앰블 신호열을 두 번 반복하고, 상기 부프레임 사이에는 미드앰블 신호열이 있으며, 마지막에 테일앰블 신호열을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀에서, 상기 프리앰블 신호열과, 상기 미드앰블 신호열과, 상기 테일앰블 신호열은 동일한 신호를 사용하며, 자기 상관 특성이 우수한 8-PSK 신호를 갖고, 64 길이의 프랭크(Frank) 신호열을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀에서, 상기 부프레임의 데이터 심볼은 차동 변조인 DQPSK를 사용하며, 상기 DQPSK 변조는 이전 심볼 구간에서의 전송 심볼과 전송 데이터를 조합하여 현재 심볼 구간에서 전송할 심볼을 결정하고, 각 부프레임의 앞에 있는 프리앰블 또는 미드앰블의 마지막 심볼을 기준 위상으로 하여 DQPSK 심볼 매핑을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀에서, 상기 패킷의 생성 데이터는, 전송하는 정보 데이터는 채널부호에 의해 채널부호화가 되고, 상기 채널부호화된 신호열의 무결성을 확인하기 위해 CRC(Cyclic Redundancy Check)를 추가하며, 전송하는 패킷 구조에 맞도록 더미 비트를 추가하여 비트열을 생성함으로써 하나의 패킷을 구성하고, 터보 부호화기에서 비트 데이터는 부호화 비트로 변환되며, 터보 부호의 테일 비트를 부호화 비트에 이어 배치하고, 더미 비트를 추가하여 비트열 데이터를 생성하여 하나의 패킷을 구성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀은, 복수 개의 부프레임으로 구성되며, 한 개의 부프레임이 복수 개의 DQPSK 심볼 길이를 갖는 패킷으로 생성된 패킷 데이터가 부프레임 단위로 나누어지고, 나누어진 부프레임 데이터는 프리앰블 또는 미드앰블의 마지막 신호의 위상을 초기값으로 하여 DQPSK 심볼로 변환을 수행하는 DQPSK 맵핑부; 상기 DQPSK 맵핑부에 의해 변환된 DQPSK 심볼은 한 심볼당 복수 개의 칩심볼을 곱해 확산 심볼로 변환되며, 프리앰블 신호열, 미드앰블 신호열 또는 테일앰블 신호열과 확산 심볼로 변환된 부프레임 심볼을 선택하여 입력으로 사용하는 PSF(Pulse-Shaping Filter)부; 및 상기 PSF에 의해 샘플율을 높인 신호를 생성하고, 상기 PSF부에 의해 출력된 신호를 인터폴레이션을 수행하여 DAC 변환율에 맞는 과샘플된 이산 신호열을 생성하는 인터폴레이션부;를 갖는 송신 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀은, 상기 패킷 데이터의 생성 및 상기 부프레임으로 분할부터 상기 PSF부로의 입력까지 구현되는 DSP(Digital Signal Process)부; 및 상기 PSF부의 출력으로부터 상기 DAC부의 변환까지 구현하는 FPGA(Field Programmable Gate Array)부;를 포함하고, 상기 DSP부에서 상기 FPGA부로 보내는 송신 데이터는 헤더 정보와, 심볼 데이터로 구성되며, 상기 심볼 데이터의 구성 정보는 상기 헤더 정보에 포함되고, 상기 PSF부의 출력단 뒤에 위치하는 복소 곱셈기에 의해 상기 송신 데이터의 신호 크기와 위상을 조정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀은, 수신된 복수 개의 부프레임으로 구성되며, 한 개의 부프레임이 복수 개의 DQPSK 심볼 길이를 갖는 패킷으로 생성된 패킷 데이터를 샘플링하는 ADC(Analog To Digital Converter)부; 상기 ADC부에 의해 샘플링된 신호를 역믹싱을 수행하고, 기저대역 신호로 변환하는 저역 통과 필터링(LPF)부; 변환된 상기 기저대역 신호에 데시메이션을 수행하여 샘플링한 신호로 변환하는 데시메이터부; 변환된 상기 샘플링한 신호에 대해 상기 패킷의 프리앰블이 두 번 반복되는 것을 이용하여 패킷의 시작을 검출하는 패킷 동기 검출부; 상기 패킷 동기 검출부의 결과를 이용하여 변환된 상기 샘플링한 신호에 대해 제 1차 도플러 편이를 추정하고, 첫 번재 부프레임의 초기 도플러 편이값으로 상기 제 1차 도플러 편이를 설정하는 제 1 도플러 편이 추정부; 부프레임의 앞과 뒤에 위치하는 알고 있는 신호열(프리앰블, 미드앰블 또는 테일앰블)의 시간차를 이용하여 제 2차 도플러 편이를 추정하는 제 2 도플러 편이 추정부; 상기 제 2 도플러 추정부의 추정결과를 이용하여 부프레임의 앞 프리앰블 또는 미드앰블 구간 및 부프레임 구간만큼 상기 제 2 추정 도플러 편이를 보상하는 도플러 편이 추정 보상부; 상기 도플러 편이 보상을 수행한 프리앰블 또는 미드앰블 구간의 샘플과 프리앰블 신호열과의 상관 값을 다시 계산하여, 채널 순시 응답과 부프레임의 시작 위치 샘플을 결정하고, 결정된 부프레임의 시작 위치부터 입력으로 하여 한 부프레임에 대해 역확산을 수행하는 역확산부; 역확산된 신호를 복호하는 DQPSK 디맵퍼부; 선정된 다중 경로 성분들에 해당하는 상기 DQPSK 디맵퍼부의 출력을 결합하는 레이크 결합기; 상기 패킷에 대한 수신이 완료되면, 각 부프레임 별로 신호를 정규화하는 신호 정규화부; 정규화된 심볼열에 대해 채널 복호를 수행하는 터보 복호기; 및 복호한 데이터에 대해 CRC 체크를 수행하는 CRC부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀에서, 상기 패킷 동기 검출부의 패킷 시작 검출은, 상기 샘플링한 신호와 프리앰블과의 상관 값의 에너지와 상기 샘플링한 신호의 에너지를 비교하여, 이 비율이 설정한 문턱 값 이상일 경우 패킷 시작 후보 선정 연산을 시작하는 패킷 동기를 수행하고, 다중 경로 환경을 고려하여 일정 샘플 길이의 관찰 구간을 설정하며, 관찰 구간 안에서 상관 값이 최대가 되는 값을 제 1 대표 값으로 하고, 상기 제 1 대표 값을 갖는 샘플의 시작 인덱스를 패킷 시작 후보로 선정하며, 패킷 시작 후보에서 프리앰블 길이만큼 떨어진 샘플점을 기준으로 최대 도플러 편이에 의해 신호가 먼저 도달하거나 지연되는 샘플 시간차를 포함한 관찰 구간을 설정하며, 설정한 상기 관찰 구간의 샘플을 상기 프리앰블과 상관 값을 계산하고, 계산된 값 중 최대 값을 제 2 대표 값으로 선정하며, 상기 제 1 대표 값과, 상기 제 2 대표 값을 비교하여 두 값의 상대적 크기가 설정한 문턱 값 이상인 경우, 상기 패킷 시작 후보를 패킷 시작 샘플로 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀에서, 상기 도플러 편이 추정은, 상기 패킷 시작 샘플을 결정 후, 패킷 시작 결정에서 상기 제 2 대표 값을 획득하는 샘플의 시작 샘플과 상기 패킷 시작 샘플과의 차이를 계산하여 두 번 반복되는 상기 프리앰블 구간에서 제 1 도플러 편이를 추정하며, 첫 번째 부프레임의 초기 도플러 편이값으로 상기 제 1 도플러 편이를 설정하는 제 1 도플러편이 추정부를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀에서, 패킷 시작을 검출하면, 상기 수신부는 첫 번째 부프레임의 초기 도플러 편이를 고려하여 첫 번째 부프레임과 부프레임 다음의 미드앰블까지 수신할 때까지 대기하며, 수신이 완료되면, 미드앰블이 존재할 수 있는 구간의 샘플열과 프리앰블 신호열과의 상관 값을 계산하고, 최대 상관값을 갖는 수신 신호열의 시작 샘플값을 계산하며, 추정한 상기 부프레임의 초기 도플러 편이에 의해 계산되는 미드앰블의 시작 샘플 값과의 차를 이용하여 부프레임의 도플러 편이의 추정 오차를 계산하고, 상기 부프레임의 도플러 편이의 추정 오차를 상기 부프레임의 초기 도플러 편이에 더하여 부프레임 첫 번째 부프레임 구간에서의 제 2 도플러 편이를 추정하고, 두 번째 부프레임부터는 상기 첫 번째 부프레임에 대한 수신 대기부터 제 2 도플러 편이 추정의 과정을 동일하게 상기 패킷이 완료될 때까지 반복하며, 상기 반복에서 마지막 부프레임의 경우에는 부프레임 다음의 테일앰블까지 수신을 대기하며, 미드앰블 대신 테일앰블을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀에서, 추정한 제 2 도플러 편이를 적용하여 부프레임 앞의 프리앰블 또는 미드앰블 구간부터 부프레임 구간까지 도플러 편이 보상을 수행하며, 상기 도플러 편이 보상은 리샘플링과 위상 회전의 연산을 거치는 두 단계로 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀의 수신 방법은, 복수 개의 부프레임으로 구성되며, 한 개의 부프레임이 복수 개의 DQPSK 심볼 길이를 갖되, 시작부에는 프리앰블 신호열을 두 번 반복하고, 상기 부프레임 사이에는 미드앰블 신호열이 있으며, 마지막에 테일앰블 신호열을 포함하는 패킷에 따른 패킷 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀의 수신 방법에서, 패킷 동기 검출부에 의해, 상기 패킷 구조를 갖는 신호를 수신하였을 때, 상기 패킷 구조에서 프리앰블이 두 번 반복되는 것을 이용하여 패킷의 시작을 검출하는 패킷 동기를 검출하는 제 1 단계; 제 1 도플러 편이 추정부에 의해, 상기 패킷 동기 검출부의 결과를 이용하여 제 1 차 도플러 편이를 추정하고, 첫 번재 부프레임의 초기 도플러 편이값으로 상기 제 1차 도플러 편이를 설정하는 제 1 도플러 편이를 추정하는 제 2 단계; 제 2 도플러 편이 추정부에 의해, 부프레임의 앞과 뒤에 위치하는 알고 있는 신호열(프리앰블, 미드앰블 또는 테일앰블)의 시간차를 이용하여 제 2차 도플러 편이를 추정하는 제 3 단계; 도플러 편이 추정 보상부에 의해, 상기 제 2 도플러 추정결과를 이용하여 부프레임의 앞 프리앰블 또는 미드앰블 구간 및 부프레임 구간만큼 상기 제 2 추정 도플러 편이를 보상하는 제 4 단계; 역확산부에 의해, 상기 도플러 편이 보상을 수행한 프리앰블 또는 미드앰블 구간의 샘플과 프리앰블 신호열과의 상관 값을 다시 계산하여, 채널 순시 응답과 부프레임의 시작 위치 샘플을 결정하고, 결정된 부프레임의 시작 위치부터 입력으로 하여 한 부프레임에 대해 역확산을 수행하는 제 5 단계; DQPSK 디맵퍼부에 의해, 역확산된 신호를 복호하는 DQPSK 디맵핑을 수행하는 제 6 단계; 레이크 결합기에 의해, 선정된 다중 경로 성분들에 해당하는 상기 DQPSK 디맵핑한 신호를 결합하는 제 7 단계; 신호 정규화부에 의해, 상기 패킷에 대한 수신이 완료되면, 각 부프레임 별로 신호를 정규화하는 제 8 단계; 터보 복호기에 의해, 정규화된 심볼열에 대해 채널 복호를 수행하는 제 9 단계; 및 CRC부에 의해, 복호한 데이터에 대해 CRC 체크를 수행하는 제 10 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀의 수신 방법에서, 상기 패킷의 시작 검출은, 패킷 동기 검출부에 의해, 샘플링한 신호와 프리앰블과의 상관 값의 에너지와 상기 샘플링한 신호의 에너지를 비교하여, 이 비율이 설정한 문턱 값 이상일 경우 패킷 시작 후보 선정 연산을 시작하는 패킷 동기를 수행하고, 다중 경로 환경을 고려하여 일정 샘플 길이의 관찰 구간을 설정하며, 관찰 구간 안에서 상관 값이 최대가 되는 값을 제 1 대표 값으로 하고, 상기 제 1 대표 값을 갖는 샘플의 시작 인덱스를 패킷 시작 후보로 선정하며, 패킷 시작 후보에서 프리앰블 길이만큼 떨어진 샘플점을 기준으로 최대 도플러 편이에 의해 신호가 먼저 도달하거나 지연되는 샘플 시간차를 포함한 관찰 구간을 설정하고, 설정한 상기 관찰 구간의 샘플을 상기 프리앰블과 상관 값을 계산하고, 계산된 값 중 최대 값을 제 2 대표 값으로 선정하며, 상기 제 1 대표 값과, 상기 제 2 대표 값을 비교하여 두 값의 상대적 크기가 설정한 문턱 값 이상인 경우, 상기 패킷 시작 후보를 패킷 시작 샘플로 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀의 수신 방법에서, 상기 도플러 편이 추정은, 상기 패킷 시작 샘플을 결정 후, 패킷 시작 결정에서 상기 제 2 대표 값을 획득하는 샘플의 시작 샘플과 상기 패킷 시작 샘플과의 차이를 계산하여 두 번 반복되는 상기 프리앰블 구간에서 제 1 도플러 편이를 추정하며, 첫 번재 부프레임의 초기 도플러 편이값으로 상기 제 1 도플러 편이를 설정하는 제 1 도플러편이 추정부를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀의 수신 방법에서, 패킷 시작을 검출하면, 수신부에 의해 첫 번째 부프레임의 초기 도플러 편이를 고려하여 첫 번째 부프레임과 부프레임 다음의 미드앰블까지 수신할 때까지 대기하며, 수신이 완료되면, 미드앰블이 존재할 수 있는 구간의 샘플열과 프리앰블 신호열과의 상관 값을 계산하고, 최대 상관값을 갖는 수신 신호열의 시작 샘플값을 계산하며, 추정한 상기 부프레임의 초기 도플러 편이에 의해 계산되는 미드앰블의 시작 샘플 값과의 차를 이용하여 부프레임의 도플러 편이의 추정 오차를 계산하고, 상기 부프레임의 도플러 편이의 추정 오차를 상기 부프레임의 초기 도플러 편이에 더하여 부프레임 첫 번째 부프레임 구간에서의 제 2 도플러 편이를 추정하고, 두 번째 부프레임부터는 상기 첫 번째 부프레임에 대한 수신 대기부터 제 2 도플러 편이 추정의 과정을 동일하게 상기 패킷이 완료될 때까지 반복하며, 상기 반복에서 마지막 부프레임의 경우에는 부프레임 다음의 테일앰블까지 수신을 대기하며, 미드앰블 대신 테일앰블을 사용하는 것을 특징으로 한다.

기타 실시 예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시 예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.

본 발명에 의하면, 수신기에서의 신호 처리를 간단하게 하기 위해 DQPSK 변조를 사용하고, 한 패킷 길이 동안 통신 모뎀의 이동 속도가 변하는 것에 대응하기 위해 한 패킷을 복수 개의 부프레임으로 나누어 전송하며, 수신부에서는 부프레임 별로 도플러 편이를 추정하여 부프레임 별로 이를 보상하는 방법을 사용함으로써, 장거리 이동 환경에서 단문 메시지 등을 전달하기 위한 용도로 사용될 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 패킷 구조를 나타내는 도면.
도 2는 패킷 데이터 생성 구조를 나타내는 도면.
도 3은 송신 신호 처리 구조를 나타내는 도면.
도 4는 수신 신호 처리 구조를 나타내는 도면.
도 5는 FPGA에서 구현한 송신 기능 블록도.
도 6은 송신 심볼 데이터의 전달 형식을 나타내는 도면.
도 7은 FPGA에 구현한 수신 기능의 블록도.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.

또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.

이하, 본 발명의 실시 예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

- 수중 이동 통신 모뎀 신호 처리 구조 -

- 패킷 구조 -

구현한 수중 이동 통신 모뎀은 직접수열 대역확산 방식을 사용한다.

데이터 전송을 위해 DQPSK(Differential- QPSK) 성상도를 갖는 심볼을 사용한다.

하나의 데이터 심볼은 16개의 칩심볼로 확산한다.

확산 칩심볼은 QPSK 신호를 사용하고, 16 칩심볼 길이를 갖는 프랭크(Frank) 심볼열을 사용한다.

DQPSK 변조 방법은 수신부에서 위상 동기를 찾지 않아도 되는 장점이 있으며, 레이크(Rake) 구조를 갖는 수신기에서 다중 경로 성분을 결합할 때, 각 다중 경로별 위상차에 의해 발생하는 영향이 없어 수신기 구조를 간단하게 할 수 있는 장점이 있다.

구현한 수중 이동 통신 모뎀에서 사용하는 패킷 구조는 도 1과 같다.

도 1은 패킷 구조를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 모뎀의 수중 이동에 따른 도플러 편이를 극복하기 위해 하나의 패킷(100)은 20개의 부프레임으로 구성되며, 한 개의 부프레임은 26개의 DQPSK 심볼 길이를 갖는다.

패킷(100)의 시작부에는 4 심볼 길이(64 칩 심볼)를 갖는 프리앰블(110) 신호열을 두 번 반복하고, 부프레임(120) 사이에는 4 심볼 길이를 갖는 미드앰블(130) 신호열이 있으며, 패킷(100)의 마지막에도 4 심볼 길이를 갖는 테일앰블(140) 신호열을 포함한다.

패킷(100)에서 프리앰블(110), 미드앰블(130) 및 테일앰블(140) 신호열은 동일한 신호를 사용하며, 자기 상관 특성이 우수한 64 길이의 프랭크 신호열을 사용한다.

64 길이의 프랭크 신호열은 8-PSK 신호를 갖는 다중 위상(Polyphase) 신호열이다.

부프레임의 데이터 심볼은 차동 변조인 DQPSK를 사용하며, DQPSK 변조는 이전 심볼 구간에서의 전송 심볼과 2 비트의 전송 데이터를 조합하여 현재 심볼 구간에서 전송할 심볼을 결정한다.

차동 변조 방식은 기준 위상을 제공하는 심볼을 첫 번째 심볼로 전송한다.

본 발명에서 설계한 패킷(100) 구조에서는 각 부프레임의 앞에 있는 프리앰블(110) 또는 미드앰블(130)의 마지막 심볼을 기준위상으로 하여 DQPSK 심볼 매핑을 수행하는 방법을 제공한다.

이러한 방법을 통해 각 부프레임에서 차동 변조의 기준 위상을 제공하기 위한 심볼 전송을 하지 않아 전송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

수중 이동 통신 모뎀을 통해 전송하는 정보 데이터는 채널에서 발생하는 오류에 대응하기 위해 터보(Turbo) 부호를 채널 부호로 사용하고, 데이터 패킷(100)의 무결성을 확인하기 위해 8 비트 길이의 CRC(Cyclic Redundancy Check)를 추가하여 전송한다.

구현한 수중 이동 통신 모뎀에서는 채널 부호의 부호율을 1/2과 2/3를 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 부호율 1/2를 기준으로 설명한다.

도 2는 패킷 데이터 생성 구조(200)를 나타내는 도면이다.

부호율 1/2인 채널 부호는 도 2와 같이 한 패킷(100)에는 최대 514 비트의 데이터를 전송할 수 있으나, 패킷(100) 당 데이터 전송량을 8 비트의 배수로 맞추기 위해 한 패킷(100)당 전송하는 정보 데이터를 504 비트로 설정하였으며, 데이터의 무결성을 확인하기 위해 8 비트의 CRC부(210)를 추가하여 512 비트의 길이를 갖도록 한다.

도 2와 같이 생성 다항식이 8진수로 , 로 표시되는 부호율 1/2인 RSC(Recursive Systematic Convolutional) 부호를 사용하여 데이터 신호열과 512 비트 크기를 갖는 인터리버부(220)를 거친 데이터 신호열을 각각 RSC 부호의 입력으로 하여 부호율 1/3인 부호를 생성하고, 펑쳐링(Puncturing; 240)을 통해 부호율 1/2 인 터보 부호를 생성한다.

터보 부호화기(230)에서 512 비트 데이터는 1024 부호화 비트로 변환되며, 12 비트 길이를 갖는 터보 부호의 테일 비트를 1024 부호화 비트에 이어 배치하고, 4 비트의 더미 비트를 추가하여 하나의 패킷(100)을 구성하는 1040 비트 길이의 비트열 데이터를 생성한다.

상술한 바와 같이 504 비트를 전송하는 경우에 대해 설명하였으며, 패킷(100)에서 전송 가능한 최대 정보 데이터량인 506 비트를 전송하고자 하는 경우에는 인터리버 크기와 테일 비트의 위치만 변경하면 되기 때문에 용이하게 확장 가능하다.

또한, 상술한 내용중 상기 4 비트의 더미 비트를 추가하는 대신 펑처링을 달리하여 터보부호의 정보를 더 보낼 수도 있다.

이러한 경우에는, 수신부에서도 송신부에서 펑처링한 것을 고려하여 디펑처링해야 한다.

상술한 패킷(100) 구조 파라미터는 표 1과 같다.

[표 1]

환언하면, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀은, 복수 개의 부프레임(120)으로 구성되며, 한 개의 부프레임(120)이 복수 개의 DQPSK 심볼 길이를 갖는 패킷(100);을 포함하며, 패킷(100)의 시작부에는 프리앰블(110) 신호열을 두 번 반복하고, 부프레임(120) 사이에는 미드앰블(130) 신호열이 있으며, 마지막에 테일앰블(140) 신호열을 포함한다.

프리앰블 신호열(110)과, 미드앰블 신호열(130)과, 테일앰블 신호열(140)은 동일한 신호를 사용하며, 자기 상관 특성이 우수한 8-PSK 신호를 갖고, 64 길이의 프랭크(Frank) 신호열을 사용 한다.

부프레임(120)의 데이터 심볼은 차동 변조인 DQPSK를 사용하며, DQPSK 변조는 이전 심볼 구간에서의 전송 심볼과 전송 데이터를 조합하여 현재 심볼 구간에서 전송할 심볼을 결정하고, 각 부프레임(120)의 앞에 있는 프리앰블(110) 또는 미드앰블(130)의 마지막 심볼을 기준 위상으로 하여 DQPSK 심볼 매핑을 수행한다.

패킷(100)의 생성 데이터는, 전송하는 정보 데이터는 채널부호에 의해 채널부호화가 되고, 채널부호화된 신호열의 무결성을 확인하기 위해 CRC(Cyclic Redundancy Check)를 추가하며, 전송하는 패킷 구조에 맞도록 더미 비트를 추가하여 비트열을 생성함으로써 하나의 패킷을 구성하고, 터보 부호화기(230)에서 비트 데이터는 부호화 비트로 변환되며, 터보 부호의 테일 비트를 부호화 비트에 이어 배치하고, 더미 비트를 추가하여 비트열 데이터를 생성하여 하나의 패킷(100)을 구성한다.

- 수중 이동 통신 모뎀 송신 신호 생성 -

수중 이동 통신 모뎀에서 생성된 패킷(100) 데이터를 도 1과 같은 패킷(100) 구조로 송신하는 절차는 도 3과 같다.

도 3은 송신 신호 처리 구조(300)를 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 생성된 패킷(100) 데이터를 부프레임 단위로 나누고, 부프레임 데이터는 프리앰블(110) 또는 미드앰블(130)의 마지막 신호의 위상을 초기값으로 하여 DQPSK 맵핑부(310)에 의해 DQPSK 심볼로 변환을 수행하고, 변환된 DQPSK 심볼은 한 심볼당 16개의 칩심볼을 곱해 확산 심볼로 변환한다.

상기와 같이 DQPSK 심볼로 매핑함으로써, DQPSK의 초기 기준위상심볼을 송신하지 않아도 되는 장점이 있다.

송신부에서는 패킷(100) 구조에 맞추어 프랭크 64 심볼과 확산 심볼로 변환된 부프레임 심볼을 선택하여 PSF(Pulse-Shaping Filter)부(320)의 입력으로 사용한다.

PSF부(320)에서는 입력 심볼을 8배로 샘플율을 높인 신호를 생성한다.

PSF부(320)는 Roll-off를 0.35를 사용하는 RRC(Root- Raised Cosine) 필터를 사용다.

PSF부(320)의 출력은 다시 8배 인터폴레이션을 수행하여 최종적으로 64배 과샘플된 이산 신호열을 생성한다.

인터폴레이션된 신호열은 6.25 ㎑ 인 반송 주파수 대역의 신호로 변조되고, 변조된 신호는 100 ㎑ 의 샘플율을 갖는 DAC부(330)를 거쳐 아날로그 신호로 변환된다.

DAC 변환된 아날로그 신호는 1차 저역 통과 필터를 거쳐 송신 증폭기에서 증폭되어 음향 센서로 송신된다.

- 수중 이동 통신 모뎀 수신 신호 처리 -

구현한 수중 이동 통신 모뎀의 수신부 신호 처리는 도 4와 같다.

도 4는 수신 신호 처리 구조(400)를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 수중 채널을 거쳐 음향 센서로 수신된 신호는 아날로그 증폭기와 대역 통과 필터를 통과하여 ADC(Analog To Digital Converter)부(410)에 입력되고, ADC부(410)에서는 100 ㎑ 로 샘플링을 수행한다.

샘플링된 신호는 역믹싱(Demixing)을 수행하고, LPF(Low Pass Filter)부(420)의 저역 통과 필터링을 통해 기저 대역 신호로 변환한다.

기저 대역 신호로 변환 후, 수신 신호는 데시메이션부(430)에 의해 데시메이션을 수행하여 25 ㎑로 샘플링한 신호로 변환한 후 수신 신호 처리를 수행한다.

이러한 데시메이션부(430)는 LPF부(420)의 출력 샘플 중 4개 간격으로 한 개씩만 출력하여 샘플율을 1/4로 감소시킨다.

수신부에서는 패킷 동기 검출부(440)에 의해 가장 먼저 패킷(100)의 시작을 찾는 패킷(100) 동기를 수행한다.

패킷(100) 동기는 수신 신호와 64 칩심볼 길이를 갖는 프리앰블(110)과의 상관값의 에너지와 수신 신호의 에너지를 비교하여, 이 비율이 설정한 문턱 값 이상일 때 패킷(100) 시작 후보 선정 연산을 시작한다.

이때, 다중 경로 환경을 고려하여 일정 샘플 길이의 관찰 구간을 설정하여, 관찰 구간 안에서 상관값이 최대가 되는 값을 첫 번째 대표 값이라 하고, 첫 번째 대표 값을 갖는 샘플의 시작 인덱스를 패킷(100) 시작 후보로 선정한다.

도 1의 패킷(100) 구조에 나타낸 바와 같이 프리앰블(110), 미드앰블(130) 및 테일앰블(140)에서 문턱 값을 넘는 상관값을 가질 수 있기 때문에, 프리앰블(110)이 두 번 반복되는지를 검출하여 패킷(100)의 시작 지점으로 선정한다.

이를 위해, 상술한 바와 같이 계산한 패킷(100) 시작 후보에서 프리앰블(110) 길이인 64 칩심볼만큼 떨어진 샘플점을 기준으로 최대 도플러 편이에 의해 신호가 먼저 도달하거나 지연되는 샘플 시간차를 포함한 관찰 구간을 설정한다.

설정한 관찰 구간의 샘플을 프리앰블(110)과 상관값을 계산하고, 이중 최대값을 두 번째 대표 값으로 선정한다.

첫 번째와 두 번째 대표값을 비교하여, 두 값의 상대적 크기가 설정한 문턱 값 이상인 경우, 상술한 바와 같이 선정한 패킷(100) 시작 후보를 패킷(100) 시작 샘플로 결정한다.

패킷(100) 시작 샘플 결정 후, 패킷(100) 시작 결정에서 두 번째 대표 값을 얻는 샘플의 시작 샘플과 패킷(100) 시작 샘플과의 차이를 계산하여 두 번 반복되는 프리앰블(110) 구간에서 초기 도플러 편이를 추정한다.

상기 추정한 초기 도플러 편이는 후술하는 도플러 편이 추정에서 직전 부프레임의 도플러 편이 추정 값의 초기 값으로 사용한다.

수신부는 부프레임의 신호 처리를 위해 직전 부프레임의 도플러 편이 추정 값을 고려하여 부프레임과 부프레임 다음의 미드앰블(130) 또는 테일앰블(140)까지 수신할 때까지 부프레임 완료 대기부(450)에서 기다린다.

수신이 완료되면, 상술한 바와 같이 직전 부프레임의 도플러 편이와 도플러 편이 추정 오차를 고려하여 미드앰블(130) 또는 테일앰블(140)이 존재할 수 있는 구간의 샘플열과 프리앰블(110) 신호열과의 상관 값을 계산하고, 최대 상관 값을 갖는 수신 신호열의 시작 샘플 값을 계산한다.

이때, 미드앰블(130) 또는 테일앰블(140)이 존재할 수 있는 구간은 상기 직전 부프레임의 도플러편이 추정값을 기준으로 작은 속도변화의 범위만을 고려하여 샘플열과 프리앰블(110) 신호열과의 상관값을 계산하는 범위를 줄일 수 있다.

이는 부프레임 시간동안 상대적인 속도 변화가 작다는 가정을 할 수 있기 때문이다.

상술한 바와 같이 직전 부프레임의 도플러 편이에 의해 계산되는 미드앰블(130) 또는 테일앰블(140)의 시작 샘플 값과의 차를 이용하여 도플러 편이 추정 오차를 계산하고, 이 추정 오차를 상술한 바와 같이 직전 부프레임의 도플러 편이에 더해 현재 부프레임 구간에서의 도플러 편이를 추정한다.

추정한 현재 부프레임 도플러 편이를 적용하여 부프레임 앞의 프리앰블(110) 또는 미드앰블(130) 구간부터 부프레임 구간까지 부프레임 도플러 보상부(460)에 의해 도플러 편이 보상을 수행한다.

도플러 편이 보상은 리샘플링과 위상 회전의 연산을 거치는 두 단계로 수행한다.

도플러 보상을 한 프리앰블(110) 또는 미드앰블(130) 구간의 샘플과 프리앰블(110) 신호열과의 상관값을 채널 순시 응답 계산부(470)에 의해 다시 계산하여, 채널 순시 응답과 부프레임의 시작 위치 샘플을 결정한다.

결정된 부프레임의 시작 위치부터 역확산부(480)의 입력으로 하여 한 부프레임에 대해 역확산을 수행한다.

역확산된 신호는 DQPSK 디맵핑부(490)에서 복호된다.

이때 상술한 바와 같이 프리앰블(110) 또는 미드앰블(130)의 마지막 심볼의 위상을 기준 위상으로 하여 DQPSK 디맵퍼(Demapper)가 연산을 수행한다.

상술한 역확산부터 DQPSK 디맵퍼 연산은 채널 순시 응답을 기반으로 결정된 다중 경로 성분들에 대해 반복적으로 수행한다.

레이크 결합기(491)에서는 선정된 다중 경로 성분들에 해당하는 DQPSK 디맵퍼의 출력을 결합한다.

레이크 결합기(491)는 다중 경로 성분들을 결합하며, 최대 16개까지 다중 경로 성분들을 결합할 수 있도록 한다.

이러한 레이크 결합기(491)에서의 다중 경로 성분 결합은 독립적인 경로를 갖는 다중 경로 신호의 결합으로 볼 수 있다.

이후, 현재 부프레임에 대한 레이크 결합 결과를 저장한다.

현재 부프레임에 대한 연산을 마친 후, 다음 부프레임 및 미드앰블(130) 또는 테일앰블(140) 데이터가 수신이 완료될 때까지 기다린다.

이때, 현재 부프레임의 도플러 편이 추정 값은 직전 부프레임의 도플러 편이 추정 값이 된다.

수신부는 다음 부프레임의 신호 처리를 위해 직전 부프레임의 도플러 편이 추정 값을 고려하여 부프레임과 부프레임 다음의 미드앰블(130) 또는 테일앰블(140)까지 수신할 때까지 부프레임 완료 대기부(450)에서 대기하는 부분부터 레이크 결합기(491)까지의 연산을 동일하게 반복하고, 이러한 반복은 한 패킷(100) 수신을 완료할 때까지 반복한다.

패킷 수신 완료 검출부(492)에 의해 한 패킷(100)에 대한 수신이 완료되면, 각 부프레임별로 신호를 신호 정규화부(493)에 의해 정규화한다.

정규화한 심볼열은 터보 복호기(494)로 전달되어 채널 복호를 수행한다.

터보 복호기(494)는 처음 N번의 반복 복호를 수행한 후, 복호한 데이터에 대해 CRC 체크부에 의해 CRC 체크를 수행한다.

CRC 체크에 성공하면 복호한 데이터를 수신 데이터로 전달한다.

CRC 체크에 성공하지 못하면, 다시 N번의 반복 복호를 수행하고, CRC 체크를 수행한다.

CRC 체크를 성공하지 못한 경우, 상기 채널 복호와 상기 CRC 체크를 최대 L번 수행하도록 한다.

- 수중 이동 통신 모뎀 구현 -

수중 이동 통신 모뎀은 동일한 센서를 이용하여 송신과 수신을 수행하고, 모뎀간 통신시 동일한 주파수를 사용하므로, 반이중 방식으로 송신과 수신을 수행한다.

모뎀의 송신 기능은 패킷(100)을 송신하는 경우에만 동작하지만, 수신 기능은 항상 동작하도록 한다.

- 송신 기능 구현 -

수중 이동 통신 모뎀의 송신 기능 구현을 위해 DSP(Digital Signal Process)부와 FPGA가 사용된다.

도 2와 도 3의 신호 처리 구조에서 패킷(100) 데이터 생성 및 부프레임으로 분할부터 PSF 입력까지 DSP부에서 구현되며, PSF부(320)부터 DAC부(330)까지는 FPGA에서 구현된다.

DSP부에서 송신 기능은 세 개의 태스크로 구현된다.

첫 번째 태스크는 네트워크 계층 또는 운용 GUI에서 송신 데이터와 송신 명령을 전달받아, 한 패킷(100)에 대해 송신해야 하는 칩심볼 단위 심볼들을 생성하여 버퍼에 저장하는 역할을 담당한다.

두 번째 태스크는 신호를 송신하기 위해 송신 증폭기용 고전압 생성을 활성하고, 플랫폼이 송신 모드로 동작하도록 제어하며, 저장한 데이터를 DSP 프로세서에서 순차적으로 FPGA로 전송하도록 설정하여 구동시켜 FPGA에서 반송파 신호를 DAC부(330)를 통해 전송하게 한다.

세 번째 태스크는 패킷(100)의 전송이 완료되면 동작하는 기능으로, FPGA에서 송신 완료 신호를 수신하여 송신 증폭기의 전원을 끄며, 외부 칩들을 수신 모드로 동작하게 제어하는 역할을 담당한다.

수중 통신 모뎀에서는 8PSK 심볼 매핑만 사용하지만, FPGA에서는 다양한 변조 방법의 전송이 가능하도록 8PSK, 16QAM, 16ASK 등의 심볼 매핑 기능을 구현하며, I/Q 채널의 심볼 매핑도 직접할 수 있도록 한다.

또한, PSF부(320)로 롤오프(Roll-off) 계수가 0.3과 0.35인 RRC 필터를 선택할 수 있도록 한다.

도 5는 FPGA에서 구현한 송신 기능 블록도이다.

FPGA는 도 5에서와 같이 4개의 센서에 독립적으로 신호를 송신할 수 있도록 동일한 4개의 송신 신호 처리 블럭이 병렬로 구현되어 있다.

도 6은 송신 심볼 데이터의 전달 형식을 나타내는 도면이다.

DSP에서 FPGA로 보내는 송신 데이터는 도 6과 같이 32 비트 단위로 구성되는데, 헤더 정보가 8 비트이고, 심볼 데이터가 24 비트로 구성된다.

심볼 데이터는 4 비트가 하나의 심볼을 지정하며, 도 6의 (a)와 같이 6개의 송신 심볼 데이터 또는 도 6의 (b)와 같이 1개의 송신 심볼 데이터를 포함할 수 있다.

또한, 도 6의 (c)와 같이 DSP부에서 I-채널과 Q-채널 성상도 값을 직접 전달하는 경우에는 각각 12 비트로 구성된다.

심볼 데이터의 구성 정보는 헤더에 포함되어 있다.

이렇게 다양한 형태의 데이터 전달 형식을 정의한 이유는 한 번에 6개의 심볼 데이터를 전달하여 전달 효율을 높임과 동시에 심볼 길이가 6의 배수가 아닌 경우에도 사용할 수 있도록 하며, 개발 과정에서 새로운 성상도 형식을 정의하여 사용하기 위함이다.

DSP부에서 칩심볼 단위의 송신 데이터를 FPGA에 전달하면, FPGA는 데이터의 헤더 정보를 해석하여 데이터가 여러 개의 송신 심볼 정보를 포함하고 있는 경우에는 이를 여러 개의 단일 심볼 데이터로 변환하여 선입선출(FIFO)에 저장한다.

이후 FPGA에서는 송신 신호 생성을 시작하며, 4개의 음향 센서에서 동일한 신호를 송신하는 경우에는 도 5의 4개 병렬 신호 처리 블록 중 하나만 동작하여 전력 소모를 줄이면서 신호를 생성한다.

PSF부(320) 이후에 복소 곱셈기를 두어 송신 신호의 크기와 위상을 조정할 수 있도록 한다.

또한, 믹서 출력 신호에 곱셈과 덧셈을 할 수 있도록 하여, 출력 신호의 크기를 조정할 수 있으며, 송신 신호 생성시 발생할 수 있는 DC 오프셋(offset)에 대처할 수 있도록 한다.

신호 생성에 필요한 설정 데이터는 FPGA 내에 존재하는 레지스터의 값을 이용하며, 각 레지스터는 DSP부에서 데이터를 읽고 쓸 수 있다.

각 병렬 신호 처리 블록은 독립된 레지스터를 사용하고 있다.

DAC 제어 기능에서는 한 샘플 주기당 4개의 채널에 DAC 변환을 위한 데이터 전송과 한 번의 제어 명령을 전달할 수 있도록 제어하고 있다.

샘플링 주기는 FPGA 외부에서 제공하는 클럭을 이용하여 100 ㎑ DAC 샘플링을 수행한다.

환언하면, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀은, DQPSK 맵핑부(310)와, PSF(Pulse-Shaping Filter)부(320)와, 인터폴레이션부를 포함한다.

여기서, DQPSK 맵핑부(310)는 복수 개의 부프레임(120)으로 구성되며, 한 개의 부프레임(120)이 복수 개의 DQPSK 심볼 길이를 갖는 패킷(100)으로 생성된 패킷 데이터가 부프레임(120) 단위로 나누어지고, 나누어진 부프레임(120) 데이터는 프리앰블(110) 또는 미드앰블(130)의 마지막 신호의 위상을 초기값으로 하여 DQPSK 심볼로 변환을 수행한다.

PSF부(320)는 DQPSK 맵핑부(310)에 의해 변환된 DQPSK 심볼은 한 심볼당 복수 개의 칩심볼을 곱해 확산 심볼로 변환되며, 프리앰블(110) 신호열, 미드앰블(130) 신호열 또는 테일앰블(140) 신호열과 확산 심볼로 변환된 부프레임(120) 심볼을 선택하여 입력으로 사용한다.

인터폴레이션부는, PSF에 의해 샘플율을 높인 신호를 생성하고, PSF부(320)에 의해 출력된 신호를 인터폴레이션을 수행하여 DAC 변환율에 맞는 과샘플된 이산 신호열을 생성 한다.

또한, 패킷 데이터의 생성 및 부프레임(120)으로 분할부터 PSF부(320)로의 입력까지 구현되는 DSP(Digital Signal Process)부와, PSF부(320)의 출력으로부터 DAC부(330)의 변환까지 구현하는 FPGA(Field Programmable Gate Array)부를 포함 한다.

DSP부에서 FPGA부로 보내는 송신 데이터는 헤더 정보와, 심볼 데이터로 구성되며, 심볼 데이터의 구성 정보는 헤더 정보에 포함되고, PSF부(320)의 출력단 뒤에 위치하는 복소 곱셈기에 의해 송신 데이터의 신호 크기와 위상을 조정한다.

- 수신 기능 구현 -

수중 통신 모뎀의 수신 기능은 센서를 4개 가지는 경우를 기준으로 설명하나, 본 발명의 내용은 센서를 1개만 사용하는 경우부터 사용 가능하다.

수중 통신 모뎀의 수신 기능 또한 DSP부와 FPGA가 역할을 나누어 구현한다.

FPGA는 수신부의 전단부 신호 처리 기능인 ADC 인터페이스, 역믹싱, 데시메이션부 및 패킷(100) 시작 검출을 위한 연산 일부와, 역확산 기능을 담당하고, 그 이외의 기능은 DSP부에서 담당한다.

도 7은 FPGA에 구현한 수신 기능의 블록도이다.

4개의 음향 센서에서 수신한 신호는 아날로그 신호 처리단에서 증폭과 대역 통과 필터링을 수행하고 100 ㎑ 의 샘플율로 ADC를 수행한다.

FPGA의 ADC I/F부는 ADC와 인터페이스를 수행하여 샘플링한 데이터를 수신하고, 이를 4개의 샘플 데이터로 분리한다.

채널별로 수신된 신호는 Demixer를 통해 기저대역으로 신호를 변환하고, 저역 통과 필터링과 1/4 데시메이션부(430)를 통해 25 ㎑ 샘플링된 신호로 변환되며, 변환된 신호는 버퍼에 저장된다.

25 ㎑ 샘플링 신호로 변환된 4개의 채널 신호 중 설정에 의해 한 채널의 신호를 이용하여 프리앰블(110) 신호와 상관 값을 계산하고, 상관 값을 계산하는 샘플들의 에너지를 계산하여 버퍼에 저장한다.

FPGA에서는 버퍼에 일정 길이의 샘플이 저장될 때마다 DSP부에 샘플 데이터가 있음을 알리고, DSP부는 일정 길이의 4채널의 샘플 데이터와 상관 값 계산 결과 및 수신 샘플 에너지 계산 결과를 읽어 DSP부가 관리하는 대용량 버퍼에 옮긴다.

DSP부에서 제어에 의해 n번째 일정 길이의 샘플 블록을 읽어오도록 하며, (n-1) 번째 일정 길이의 샘플 블록 구간에 대한 수신 신호 처리를 단계에 맞게 수행한다.

DSP부에서는 수신 신호 처리를 위해 3개의 태스크를 구성한다.

첫 번째 태스크는 FPGA의 샘플 버퍼와 상관 값 및 수신 신호 에너지 버퍼에서 데이터를 DSP부로 옮기는 기능을 수행한다.

두 번째 태스크는 상관 값의 에너지와 수신 샘플 에너지 데이터를 비교하여 패킷(100) 동기를 검출하기 위한 연산을 수행하고, 프리앰블(110) 심볼 구간을 이용하여 도플러 편이를 추정하는 연산을 수행하며 수신부의 동작을 전체적으로 제어하는 역할을 수행한다.

패킷(100)이 검출된 경우, 각 부프레임과 부프레임 다음의 미드앰블(130) 또는 테일앰블(140)까지 수신이 완료되면, 두 번째 태스크에서 세 번째 태스크를 호출한다.

세 번째 태스크는 한 부프레임 구간에 대해 도플러 편이 추정 및 보상부터 레이크 결합 연산까지 상술한 연산을 순차적으로 수행하고, 한 패킷(100)의 데이터가 수신되었을 때는 채널 복호를 수행하여 수신 데이터를 결정하는 역할을 수행한다.

환언하면, 송신 신호 수신부는 ADC(Analog To Digital Converter)부(410)와, 저역 통과 필터링(LPF)부(420)와, 데시메이터부(430)와, 패킷 동기 검출부(440)와, 제 1 도플러 편이 추정부와, 제 2 도플러 편이 추정부와, 도플러 편이 추정 보상부와, 역확산부(480)와, DQPSK 디맵퍼부(490)와, 레이크 결합기(491)와, 신호 정규화부(493)와, 터보 복호기(494)와, CRC부(210)를 포함한다.

ADC(Analog To Digital Converter)부(410)는 수신된 복수 개의 부프레임(120)으로 구성되며, 한 개의 부프레임(120)이 복수 개의 DQPSK 심볼 길이를 갖는 패킷으로 생성된 패킷 데이터를 샘플링한다.

저역 통과 필터링(LPF)부(420)는 ADC부(410)에 의해 샘플링된 신호를 역믹싱을 수행하고, 기저대역 신호로 변환한다.

데시메이터부(430)는 변환된 기저대역 신호에 데시메이션을 수행하여 샘플링한 신호로 변환한다.

패킷 동기 검출부(440)는 변환된 샘플링한 신호에 대해 패킷(100)의 프리앰블(110)이 두 번 반복되는 것을 이용하여 패킷(100)의 시작을 검출한다.

다음, 패킷 동기 검출부(440)의 결과를 이용하여 변환된 샘플링한 신호에 대해 도플러 편이 추정과, 도플러 편이 보상을 수행한다.

제 1 도플러 편이 추정부는 변환된 샘플링한 신호에 대해 제 1차 도플러 편이를 추정하고, 첫 번재 부프레임(120)의 초기 도플러 편이값으로 제 1 차 도플러 편이를 설정한다.

제 2 도플러 편이 추정부는 제 1 도플러 편이 추정부와, 부프레임(120)의 앞과 뒤에 위치하는 알고 있는 신호열(프리앰블(110), 미드앰블(130) 또는 테일앰블(!40))의 시간차를 이용하여 제 2차 도플러 편이를 추정한다.

도플러 편이 추정 보상부는 제 2 도플러 편이 추정부와, 제 2 도플러 추정부의 추정결과를 이용하여 부프레임(120)의 앞 프리앰블(110) 또는 미드앰블(130) 구간 및 부프레임(120) 구간만큼 제 2 추정 도플러 편이를 보상한다.

역확산부(480)는 도플러 편이 추정 보상부와, 도플러 편이 보상을 수행한 프리앰블(110) 또는 미드앰블(130) 구간의 샘플과 프리앰블(110) 신호열과의 상관 값을 다시 계산하여, 채널 순시 응답과 부프레임(120)의 시작 위치 샘플을 결정하고, 결정된 부프레임(120)의 시작 위치부터 입력으로 하여 한 부프레임(120)에 대해 역확산을 수행한다.

DQPSK 디맵퍼부(490)는 역확산된 신호를 복호한다.

레이크 결합기(491)는 선정된 다중 경로 성분들에 해당하는 DQPSK 디맵퍼부(490)의 출력을 결합한다.

신호 정규화부(493)는 패킷(100)에 대한 수신이 완료되면, 각 부프레임(120) 별로 신호를 정규화한다.

CRC부(210)는 정규화된 심볼열에 대해 채널 복호를 수행하는 터보 복호기(494)와, 복호한 데이터에 대해 CRC 체크를 수행한다.

여기서, 패킷 동기 검출부의 패킷 시작 검출은, 샘플링한 신호와 프리앰블(110)과의 상관 값의 에너지와 샘플링한 신호의 에너지를 비교하여, 이 비율이 설정한 문턱 값 이상일 경우 패킷 시작 후보 선정 연산을 시작하는 패킷 동기를 수행하고, 다중 경로 환경을 고려하여 일정 샘플 길이의 관찰 구간을 설정하며, 관찰 구간 안에서 상관 값이 최대가 되는 값을 제 1 대표 값으로 하고, 제 1 대표 값을 갖는 샘플의 시작 인덱스를 패킷 시작 후보로 선정하며, 패킷 시작 후보에서 프리앰블 길이만큼 떨어진 샘플점을 기준으로 최대 도플러 편이에 의해 신호가 먼저 도달하거나 지연되는 샘플 시간차를 포함한 관찰 구간을 설정하며, 설정한 관찰 구간의 샘플을 프리앰블(110)과 상관 값을 계산하고, 계산된 값 중 최대 값을 제 2 대표 값으로 선정하며, 제 1 대표 값과, 제 2 대표 값을 비교하여 두 값의 상대적 크기가 설정한 문턱 값 이상인 경우, 패킷 시작 후보를 패킷 시작 샘플로 결정한다.

또한, 도플러 편이 추정은, 패킷 시작 샘플을 결정 후, 패킷 시작 결정에서 제 2 대표 값을 획득하는 샘플의 시작 샘플과 패킷 시작 샘플과의 차이를 계산하여 두 번 반복되는 프리앰블(110) 구간에서 제 1 도플러 편이를 추정하며, 첫 번째 부프레임(120)의 초기 도플러 편이값으로 제 1 도플러 편이를 설정하는 제 1 도플러편이 추정부를 가진다.

패킷 시작을 검출하면, 수신부는 첫 번째 부프레임(120)의 초기 도플러 편이를 고려하여 첫 번째 부프레임(120)과 부프레임(120) 다음의 미드앰블(130)까지 수신할 때까지 대기하며, 수신이 완료되면, 미드앰블(130)이 존재할 수 있는 구간의 샘플열과 프리앰블(110) 신호열과의 상관 값을 계산하고, 최대 상관값을 갖는 수신 신호열의 시작 샘플값을 계산하며, 추정한 부프레임(120) 의 초기 도플러 편이에 의해 계산되는 미드앰블(130)의 시작 샘플 값과의 차를 이용하여 부프레임(120)의 도플러 편이의 추정 오차를 계산하고, 부프레임(120)의 도플러 편이의 추정 오차를 부프레임(120)의 초기 도플러 편이에 더하여 부프레임(120) 첫 번째 부프레임 구간에서의 제 2 도플러 편이를 추정하고, 두 번째 부프레임(120)부터는 첫 번째 부프레임(120)에 대한 수신 대기부터 제 2 도플러 편이 추정의 과정을 동일하게 패킷(100)이 완료될 때까지 반복하며, 반복에서 마지막 부프레임(120)의 경우에는 부프레임(120) 다음의 테일앰블(140)까지 수신을 대기하며, 미드앰블(130) 대신 테일앰블(140)을 사용 한다.

추정한 제 2 도플러 편이를 적용하여 부프레임(120) 앞의 프리앰블(110) 또는 미드앰블(130) 구간부터 부프레임(120) 구간까지 도플러 편이 보상을 수행하며, 도플러 편이 보상은 리샘플링과 위상 회전의 연산을 거치는 두 단계로 수행한다.

- 도플러 극복 동작 검증 -

본 출원인은 수중 이동 통신 모뎀의 고속 이동에 대한 환경을 모사하기 위해 실시간 채널 시뮬레이터를 제작하였다.

제작한 채널 시뮬레이터는 8개의 입력 채널을 1 ㎒로 샘플링하여 모뎀의 이동과 다중 경로를 갖는 수중 채널 환경을 설정에 따라 모사하여 8개의 출력 채널로 출력할 수 있다.

제작한 수중 통신 모뎀의 도플러 극복 동작 검증을 위해 2세트의 수중 이동 통신 모뎀 신호 처리부를 채널 시뮬레이터와 연결한다.

채널 시뮬레이터에서는 수심 200 m 환경에서 송/수신 모뎀이 수심 50 m 에 설치되고, 3개의 다중 경로를 갖도록 설정하며, 20 ㎞ 거리에서 가까워지는 방향으로 송신 장치가 10 m/s 부터 20 m/s 까지 1 m/s 간격으로 파라미터를 설정하여 시험을 실시한다.

측정을 위해 모뎀에서는 100개의 패킷(100)을 송신한다.

본 측정에서는 이동에 따른 도플러 극복을 동작을 검증하기 위한 목적으로 배경 잡음 성분은 무시할 수 있을 만큼 낮게 설정한다.

측정 결과 18 m/s 까지는 도플러 외곡을 잘 극복하여 패킷(100)의 손실 없이 수신하며, 수신한 패킷(100)의 오류도 없다.

19 m/s 부터는 패킷(100) 손실과 수신한 패킷(100)의 오류가 측정된다.

이동 속도가 19 m/s 일 때는 100개의 패킷(100) 중 97개의 패킷(100)을 수신하고, 3개의 패킷(100)을 수신하지 못하며, 수신한 97개 패킷(100) 중 1개의 패킷(100)에서 오류가 발생하고, BER은 4.4 × 10^-3 으로 관측된다.

20 m/s 에서는 100개의 패킷(100) 중 96개의 패킷(100)을 수신하고, 4개의 패킷(100)을 수신하지 못하며, 수신한 96개의 패킷(100) 중 14개 패킷(100)에서 오류가 발생하고, BER은 5.28 × 10^-2 으로 관측된다.

그러므로, 구현한 수중 이동 통신 모뎀은 18 m/s 까지 이동하는 환경에서 사용할 수 있음을 검증한다.

환언하면, 본 발명은 국내 최초로 실시간으로 동작하는 수중 이동 통신 모뎀의 구현에 대한 것이다.

수중 이동 통신 모뎀은 배열 음향 센서, 음향 센서를 구동할 수 있는 송신 증폭기 보드, 아날로그 신호 처리 보드, 주제어 보드, FPGA 보드, 인터페이스 보드, 전원 공급 보드 등으로 구성된 플랫폼에서 구현된다.

구현한 수중 이동 통신 모뎀은 음향 센서를 송신과 수신에 공동으로 사용하고, 단일 주파수 채널을 사용하는 반이중 방식으로 송신과 수신을 수행한다.

또한, 구현한 모뎀은 장거리에 걸쳐 데이터 전송을 위해 확산대역 방식의 변조를 사용하며, 정보 전송을 위해 DQPSK 심볼 매핑을 사용하여, 연속된 심볼의 위상차에 2 비트의 정보를 전달할 수 있다.

구현한 직접수열 확산대역 기반 모뎀은 6.25 ㎑ 의 반송 주파수에서 약 2.1 ㎑ 의 대역폭을 사용하고, 심볼당 16개의 칩심볼로 확산하여 약 97.6 심볼율을 가진다.

구현한 수중 이동 통신 모뎀은 수신기에서의 신호 처리를 간단하게 하기 위해 DQPSK 변조를 사용한다.

또한, 한 패킷(100) 내에서 통신 모뎀의 이동 속도가 변하는 것에 대응하기 위해 한 패킷(100)을 20개의 부프레임으로 나누어 전송하며, 부프레임 사이에 도플러 외곡에 강인한 64 칩심볼 길이의 미드앰블(130)을 추가한다.

구현한 모뎀의 채널 데이터 전송 속도는 약 195 bps 이고, 실효 정보 데이터 전송 속도는 부호율 1/2인 터보 부호를 사용할 때 약 82.5 bps 이며, 부호율 2/3인 터보 부호를 사용할 때 약 109.8 bps 이다.

수신부에서는 부프레임 별로 도플러 편이를 추정하여 프레임 별로 이를 보상하는 방법을 사용한다.

부프레임별로 도플러 편이 추정시 연산량 감소를 위해 직전 부프레임의 도플러 편이 추정값을 기준으로 1 m/s ~ 2 m/s의 속도 변화 범위에서 추정하도록 한다.

구현한 수중 이동 통신 모뎀은 송신과 수신 모뎀간 상대적인 이동 속도가 18 m/s 이내의 수중 이동 환경에서도 사용할 수 있도록 한다.

구현한 수중 이동 통신 모뎀은 장거리 이동 환경에서 단문 메시지 및 제어/명령 등 짧고 간단한 메시지를 전달하는 용도로 사용될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀의 수신 방법은, 복수 개의 부프레임(120)으로 구성되며, 한 개의 부프레임(120)이 복수 개의 DQPSK 심볼 길이를 갖되, 시작부에는 프리앰블(110) 신호열을 두 번 반복하고, 부프레임(120) 사이에는 미드앰블(130) 신호열이 있으며, 마지막에 테일앰블(140) 신호열을 포함하는 패킷(100)에 따른 패킷 구조를 포함한다.

여기서, 패킷의 시작 검출은 10 개의 단계를 포함한다.

제 1 단계(S10)에서, 패킷 동기 검출부(440)에 의해, 패킷 구조를 갖는 신호를 수신하였을 때, 패킷 구조에서 프리앰블(110)이 두 번 반복되는 것을 이용하여 패킷(100)의 시작을 검출하는 패킷 동기를 검출한다.

제 2 단계(S20)에서, 제 1 도플러 편이 추정부에 의해, 패킷 동기 검출부(440)의 결과를 이용하여 제 1 차 도플러 편이를 추정하고, 첫 번재 부프레임(120)의 초기 도플러 편이값으로 제 1차 도플러 편이를 설정하는 제 1 도플러 편이를 추정한다.

제 3 단계(S30)에서, 제 2 도플러 편이 추정부에 의해, 부프레임(120)의 앞과 뒤에 위치하는 알고 있는 신호열(프리앰블(110), 미드앰블(130) 또는 테일앰블(140))의 시간차를 이용하여 제 2 차 도플러 편이를 추정한다.

제 4 단계(S40)에서, 도플러 편이 추정 보상부에 의해, 제 2 도플러 추정 결과를 이용하여 부프레임(120)의 앞 프리앰블(110) 또는 미드앰블(130) 구간 및 부프레임(120) 구간만큼 제 2 추정 도플러 편이를 보상한다.

제 5 단계(S50)에서, 역확산부(480)에 의해, 도플러 편이 보상을 수행한 프리앰블(110) 또는 미드앰블(130) 구간의 샘플과 프리앰블(110) 신호열과의 상관 값을 다시 계산하여, 채널 순시 응답과 부프레임(120)의 시작 위치 샘플을 결정하고, 결정된 부프레임(120)의 시작 위치부터 입력으로 하여 한 부프레임(120)에 대해 역확산을 수행한다.

제 6 단계(S60)에서, DQPSK 디맵퍼부(490)에 의해, 역확산된 신호를 복호하는 DQPSK 디맵핑을 수행한다.

제 7 단계(S70)에서, 레이크 결합기(491)에 의해, 선정된 다중 경로 성분들에 해당하는 DQPSK 디맵핑한 신호를 결합ㅎ나다.

제 8 단계(S80)에서, 신호 정규화부(493)에 의해, 패킷(100)에 대한 수신이 완료되면, 각 부프레임(120) 별로 신호를 정규화한다.

제 9 단계(S90)에서, 터보 복호기(494)에 의해, 정규화된 심볼열에 대해 채널 복호를 수행한다.

제 10 단계(S100)에서, CRC부(210)에 의해, 복호한 데이터에 대해 CRC 체크를 수행한다.

또한, 패킷 동기 검출부(440)에 의해, 샘플링한 신호와 프리앰블(110)과의 상관 값의 에너지와 샘플링한 신호의 에너지를 비교하여, 이 비율이 설정한 문턱 값 이상일 경우 패킷 시작 후보 선정 연산을 시작하는 패킷 동기를 수행한다.

다중 경로 환경을 고려하여 일정 샘플 길이의 관찰 구간을 설정하며, 관찰 구간 안에서 상관 값이 최대가 되는 값을 제 1 대표 값으로 하고, 제 1 대표 값을 갖는 샘플의 시작 인덱스를 패킷 시작 후보로 선정한다.

패킷 시작 후보에서 프리앰블(110) 길이만큼 떨어진 샘플점을 기준으로 최대 도플러 편이에 의해 신호가 먼저 도달하거나 지연되는 샘플 시간차를 포함한 관찰 구간을 설정한다.

이후, 설정한 상기 관찰 구간의 샘플을 상기 프리앰블과 상관 값을 계산하고, 계산된 값 중 최대 값을 제 2 대표 값으로 선정하며, 상기 제 1 대표 값과, 상기 제 2 대표 값을 비교하여 두 값의 상대적 크기가 설정한 문턱 값 이상인 경우, 상기 패킷 시작 후보를 패킷 시작 샘플로 결정한다.

또한, 도플러 편이 추정은, 패킷 시작 샘플을 결정 후, 패킷 시작 결정에서 제 2 대표 값을 획득하는 샘플의 시작 샘플과 패킷 시작 샘플과의 차이를 계산하여 두 번 반복되는 프리앰블(110) 구간에서 제 1 도플러 편이를 추정하며, 첫 번재 부프레임(120)의 초기 도플러 편이값으로 제 1 도플러 편이를 설정하는 제 1 도플러편이 추정부를 가진다.

패킷 시작을 검출하면, 수신부에 의해 첫 번째 부프레임(120)의 초기 도플러 편이를 고려하여 첫 번째 부프레임(120)과 부프레임(120) 다음의 미드앰블(130)까지 수신할 때까지 대기하며, 수신이 완료되면, 미드앰블(130)이 존재할 수 있는 구간의 샘플열과 프리앰블(110) 신호열과의 상관 값을 계산하고, 최대 상관값을 갖는 수신 신호열의 시작 샘플값을 계산하며, 추정한 부프레임(120)의 초기 도플러 편이에 의해 계산되는 미드앰블(130)의 시작 샘플 값과의 차를 이용하여 부프레임(120)의 도플러 편이의 추정 오차를 계산하고, 부프레임(120)의 도플러 편이의 추정 오차를 부프레임(120)의 초기 도플러 편이에 더하여 부프레임(120) 첫 번째 부프레임(120) 구간에서의 제 2 도플러 편이를 추정하고, 두 번째 부프레임(120)부터는 첫 번째 부프레임(120)에 대한 수신 대기부터 제 2 도플러 편이 추정의 과정을 동일하게 패킷(100)이 완료될 때까지 반복하며, 반복에서 마지막 부프레임(120)의 경우에는 부프레임(120) 다음의 테일앰블(140)까지 수신을 대기하며, 미드앰블(130) 대신 테일앰블(140)을 사용 한다.

또한, 추정한 제 2 도플러 편이를 적용하여 부프레임(120) 앞의 프리앰블(110) 또는 미드앰블(130) 구간부터 부프레임(120) 구간까지 도플러 편이 보상을 수행하며, 도플러 편이 보상은 리샘플링과 위상 회전의 연산을 거치는 두 단계로 수행한다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 수신기에서의 신호 처리를 간단하게 하기 위해 DQPSK 변조를 사용하고, 한 패킷(100) 길이 동안 통신 모뎀의 이동 속도가 변하는 것에 대응하기 위해 한 패킷(100)을 복수 개의 부프레임으로 나누어 전송하며, 수신부에서는 부프레임 별로 도플러 편이를 추정하여 부프레임 별로 이를 보상하는 방법을 사용함으로써, 장거리 이동 환경에서 단문 메시지 등을 전달하기 위한 용도로 사용될 수 있도록 하는 효과가 있다.

이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.

100 ; 패킷
110 : 프리앰블
120 : 부프레임
130 : 미드앰블
140 : 테일앰블
200 : 패킷 데이터 생성 구조
210 : CRC부
220 : 인터리버부
230 : 터보 부호화기
240 : 펑쳐링
300 : 송신 신호 처리 구조
310 : DQPSK 맵퍼부
320 : PSF부
330 : DAC부
400 : 수신 신호 처리 구조
410 : ADC부
420 : LPF부
430 : 데시메이션부
440 : 패킷 동기 검출부
450 : 부프레임 완료 대기부
460 : 부프레임 도플러 보상부
470 : 채널 순시 응답 계산부
480 : 역확산부
490 : DQPSK 디맵핑부
491 : 레이크 결합기
492 : 패킷 수신 완료 검출부
493 : 신호 정규화부
494 : 터보 복호기

Claims

복수 개의 부프레임으로 구성되며, 한 개의 부프레임이 복수 개의 DQPSK 심볼 길이를 갖는 패킷;을 포함하며,
상기 패킷의 시작부에는 프리앰블 신호열을 두 번 반복하고,
상기 부프레임 사이에는 미드앰블 신호열이 있으며,
마지막에 테일앰블 신호열을 포함하고,
상기 패킷의 생성 데이터는,
전송하는 정보 데이터는 채널부호에 의해 채널부호화가 되고,
상기 채널부호화된 신호열의 무결성을 확인하기 위해 CRC(Cyclic Redundancy Check)를 추가하며,
전송하는 패킷 구조에 맞도록 더미 비트를 추가하여 비트열을 생성함으로써 하나의 패킷을 구성하고,
터보 부호화기에서 비트 데이터는 부호화 비트로 변환되며, 터보 부호의 테일 비트를 부호화 비트에 이어 배치하고, 더미 비트를 추가하여 비트열 데이터를 생성하여 하나의 패킷을 구성하는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀.
제 1 항에 있어서,
상기 프리앰블 신호열과, 상기 미드앰블 신호열과, 상기 테일앰블 신호열은 동일한 신호를 사용하며, 자기 상관 특성이 우수한 8-PSK 신호를 갖고, 64 길이의 프랭크(Frank) 신호열을 사용하는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀.
제 1 항에 있어서,
상기 부프레임의 데이터 심볼은 차동 변조인 DQPSK를 사용하며,
상기 DQPSK 변조는 이전 심볼 구간에서의 전송 심볼과 전송 데이터를 조합하여 현재 심볼 구간에서 전송할 심볼을 결정하고,
각 부프레임의 앞에 있는 프리앰블 또는 미드앰블의 마지막 심볼을 기준 위상으로 하여 DQPSK 심볼 매핑을 수행하는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀.
삭제
복수 개의 부프레임으로 구성되며, 한 개의 부프레임이 복수 개의 DQPSK 심볼 길이를 갖는 패킷으로 생성된 패킷 데이터가 부프레임 단위로 나누어지고, 나누어진 부프레임 데이터는 프리앰블 또는 미드앰블의 마지막 신호의 위상을 초기값으로 하여 DQPSK 심볼로 변환을 수행하는 DQPSK 맵핑부;
상기 DQPSK 맵핑부에 의해 변환된 DQPSK 심볼은 한 심볼당 복수 개의 칩심볼을 곱해 확산 심볼로 변환되며, 프리앰블 신호열, 미드앰블 신호열 또는 테일앰블 신호열과 확산 심볼로 변환된 부프레임 심볼을 선택하여 입력으로 사용하는 PSF(Pulse-Shaping Filter)부; 및
상기 PSF에 의해 샘플율을 높인 신호를 생성하고, 상기 PSF부에 의해 출력된 신호를 인터폴레이션을 수행하여 DAC 변환율에 맞는 과샘플된 이산 신호열을 생성하는 인터폴레이션부;를 갖는 송신 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀.
제 5 항에 있어서,
상기 패킷 데이터의 생성 및 상기 부프레임으로 분할부터 상기 PSF부로의 입력까지 구현되는 DSP(Digital Signal Process)부; 및
상기 PSF부의 출력으로부터 DAC부의 변환까지 구현하는 FPGA(Field Programmable Gate Array)부;를 포함하고,
상기 DSP부에서 상기 FPGA부로 보내는 송신 데이터는 헤더 정보와, 심볼 데이터로 구성되며,
상기 심볼 데이터의 구성 정보는 상기 헤더 정보에 포함되고,
상기 PSF부의 출력단 뒤에 위치하는 복소 곱셈기에 의해 상기 송신 데이터의 신호 크기와 위상을 조정하는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀.
수신된 복수 개의 부프레임으로 구성되며, 한 개의 부프레임이 복수 개의 DQPSK 심볼 길이를 갖는 패킷으로 생성된 패킷 데이터를 샘플링하는 ADC(Analog To Digital Converter)부;
상기 ADC부에 의해 샘플링된 신호를 역믹싱을 수행하고, 기저대역 신호로 변환하는 저역 통과 필터링(LPF)부;
변환된 상기 기저대역 신호에 데시메이션을 수행하여 샘플링한 신호로 변환하는 데시메이터부;
변환된 상기 샘플링한 신호에 대해 상기 패킷의 프리앰블이 두 번 반복되는 것을 이용하여 패킷의 시작을 검출하는 패킷 동기 검출부;
상기 패킷 동기 검출부의 결과를 이용하여 변환된 상기 샘플링한 신호에 대해 제 1차 도플러 편이를 추정하고, 첫 번재 부프레임의 초기 도플러 편이값으로 상기 제 1차 도플러 편이를 설정하는 제 1 도플러 편이 추정부;
부프레임의 앞과 뒤에 위치하는 알고 있는 신호열(프리앰블, 미드앰블 또는 테일앰블)의 시간차를 이용하여 제 2차 도플러 편이를 추정하는 제 2 도플러 편이 추정부;
상기 제 2 도플러 추정부의 추정결과를 이용하여 부프레임의 앞 프리앰블 또는 미드앰블 구간 및 부프레임 구간만큼 상기 제 2 추정 도플러 편이를 보상하는 도플러 편이 추정 보상부;
상기 도플러 편이 보상을 수행한 프리앰블 또는 미드앰블 구간의 샘플과 프리앰블 신호열과의 상관 값을 다시 계산하여, 채널 순시 응답과 부프레임의 시작 위치 샘플을 결정하고, 결정된 부프레임의 시작 위치부터 입력으로 하여 한 부프레임에 대해 역확산을 수행하는 역확산부;
역확산된 신호를 복호하는 DQPSK 디맵퍼부;
선정된 다중 경로 성분들에 해당하는 상기 DQPSK 디맵퍼부의 출력을 결합하는 레이크 결합기;
상기 패킷에 대한 수신이 완료되면, 각 부프레임 별로 신호를 정규화하는 신호 정규화부;
정규화된 심볼열에 대해 채널 복호를 수행하는 터보 복호기; 및
복호한 데이터에 대해 CRC 체크를 수행하는 CRC부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀.
제 7 항에 있어서,
상기 패킷 동기 검출부의 패킷 시작 검출은,
상기 샘플링한 신호와 프리앰블과의 상관 값의 에너지와 상기 샘플링한 신호의 에너지를 비교하여, 이 비율이 설정한 문턱 값 이상일 경우 패킷 시작 후보 선정 연산을 시작하는 패킷 동기를 수행하고,
다중 경로 환경을 고려하여 일정 샘플 길이의 관찰 구간을 설정하며, 관찰 구간 안에서 상관 값이 최대가 되는 값을 제 1 대표 값으로 하고, 상기 제 1 대표 값을 갖는 샘플의 시작 인덱스를 패킷 시작 후보로 선정하며,
패킷 시작 후보에서 프리앰블 길이만큼 떨어진 샘플점을 기준으로 최대 도플러 편이에 의해 신호가 먼저 도달하거나 지연되는 샘플 시간차를 포함한 관찰 구간을 설정하며,
설정한 상기 관찰 구간의 샘플을 상기 프리앰블과 상관 값을 계산하고,
계산된 값 중 최대 값을 제 2 대표 값으로 선정하며,
상기 제 1 대표 값과, 상기 제 2 대표 값을 비교하여 두 값의 상대적 크기가 설정한 문턱 값 이상인 경우, 상기 패킷 시작 후보를 패킷 시작 샘플로 결정하는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀.
제 8 항에 있어서,
상기 도플러 편이 추정은,
상기 패킷 시작 샘플을 결정 후, 패킷 시작 결정에서 상기 제 2 대표 값을 획득하는 샘플의 시작 샘플과 상기 패킷 시작 샘플과의 차이를 계산하여 두 번 반복되는 상기 프리앰블 구간에서 제 1 도플러 편이를 추정하며,
첫 번째 부프레임의 초기 도플러 편이값으로 상기 제 1 도플러 편이를 설정하는 제 1 도플러편이 추정부를 갖는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀.
제 9 항에 있어서,
패킷 시작을 검출하면, 수신부는 첫 번째 부프레임의 초기 도플러 편이를 고려하여 첫 번째 부프레임과 부프레임 다음의 미드앰블까지 수신할 때까지 대기하며,
수신이 완료되면, 미드앰블이 존재할 수 있는 구간의 샘플열과 프리앰블 신호열과의 상관 값을 계산하고, 최대 상관값을 갖는 수신 신호열의 시작 샘플값을 계산하며,
추정한 상기 부프레임의 초기 도플러 편이에 의해 계산되는 미드앰블의 시작 샘플 값과의 차를 이용하여 부프레임의 도플러 편이의 추정 오차를 계산하고,
상기 부프레임의 도플러 편이의 추정 오차를 상기 부프레임의 초기 도플러 편이에 더하여 부프레임 첫 번째 부프레임 구간에서의 제 2 도플러 편이를 추정하고,
두 번째 부프레임부터는 상기 첫 번째 부프레임에 대한 수신 대기부터 제 2 도플러 편이 추정의 과정을 동일하게 상기 패킷이 완료될 때까지 반복하며, 상기 반복에서 마지막 부프레임의 경우에는 부프레임 다음의 테일앰블까지 수신을 대기하며, 미드앰블 대신 테일앰블을 사용하는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀.
제 10 항에 있어서,
추정한 제 2 도플러 편이를 적용하여 부프레임 앞의 프리앰블 또는 미드앰블 구간부터 부프레임 구간까지 도플러 편이 보상을 수행하며,
상기 도플러 편이 보상은 리샘플링과 위상 회전의 연산을 거치는 두 단계로 수행하는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀.
복수 개의 부프레임으로 구성되며, 한 개의 부프레임이 복수 개의 DQPSK 심볼 길이를 갖되, 시작부에는 프리앰블 신호열을 두 번 반복하고, 상기 부프레임 사이에는 미드앰블 신호열이 있으며, 마지막에 테일앰블 신호열을 포함하는 패킷에 따른 패킷 구조를 포함하며,
상기 패킷의 생성 데이터는,
전송하는 정보 데이터는 채널부호에 의해 채널부호화가 되고,
상기 채널부호화된 신호열의 무결성을 확인하기 위해 CRC(Cyclic Redundancy Check)를 추가하며,
전송하는 패킷 구조에 맞도록 더미 비트를 추가하여 비트열을 생성함으로써 하나의 패킷을 구성하고,
터보 부호화기에서 비트 데이터는 부호화 비트로 변환되며, 터보 부호의 테일 비트를 부호화 비트에 이어 배치하고, 더미 비트를 추가하여 비트열 데이터를 생성하여 하나의 패킷을 구성하며,
패킷 동기 검출부에 의해, 상기 패킷 구조를 갖는 신호를 수신하였을 때, 상기 패킷 구조에서 프리앰블이 두 번 반복되는 것을 이용하여 패킷의 시작을 검출하는 패킷 동기를 검출하는 제 1 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀의 수신 방법.
제 12 항에 있어서,
제 1 도플러 편이 추정부에 의해, 상기 패킷 동기 검출부의 결과를 이용하여 제 1 차 도플러 편이를 추정하고, 첫 번재 부프레임의 초기 도플러 편이값으로 상기 제 1차 도플러 편이를 설정하는 제 1 도플러 편이를 추정하는 제 2 단계;
제 2 도플러 편이 추정부에 의해, 부프레임의 앞과 뒤에 위치하는 알고 있는 신호열(프리앰블, 미드앰블 또는 테일앰블)의 시간차를 이용하여 제 2차 도플러 편이를 추정하는 제 3 단계;
도플러 편이 추정 보상부에 의해, 상기 제 2 도플러 추정결과를 이용하여 부프레임의 앞 프리앰블 또는 미드앰블 구간 및 부프레임 구간만큼 상기 제 2 추정 도플러 편이를 보상하는 제 4 단계;
역확산부에 의해, 상기 도플러 편이 보상을 수행한 프리앰블 또는 미드앰블 구간의 샘플과 프리앰블 신호열과의 상관 값을 다시 계산하여, 채널 순시 응답과 부프레임의 시작 위치 샘플을 결정하고, 결정된 부프레임의 시작 위치부터 입력으로 하여 한 부프레임에 대해 역확산을 수행하는 제 5 단계;
DQPSK 디맵퍼부에 의해, 역확산된 신호를 복호하는 DQPSK 디맵핑을 수행하는 제 6 단계;
레이크 결합기에 의해, 선정된 다중 경로 성분들에 해당하는 상기 DQPSK 디맵핑한 신호를 결합하는 제 7 단계;
신호 정규화부에 의해, 상기 패킷에 대한 수신이 완료되면, 각 부프레임 별로 신호를 정규화하는 제 8 단계;
터보 복호기에 의해, 정규화된 심볼열에 대해 채널 복호를 수행하는 제 9 단계; 및
CRC부에 의해, 복호한 데이터에 대해 CRC 체크를 수행하는 제 10 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀의 수신 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 패킷의 시작 검출은,
패킷 동기 검출부에 의해, 샘플링한 신호와 프리앰블과의 상관 값의 에너지와 상기 샘플링한 신호의 에너지를 비교하여, 이 비율이 설정한 문턱 값 이상일 경우 패킷 시작 후보 선정 연산을 시작하는 패킷 동기를 수행하고,
다중 경로 환경을 고려하여 일정 샘플 길이의 관찰 구간을 설정하며, 관찰 구간 안에서 상관 값이 최대가 되는 값을 제 1 대표 값으로 하고, 상기 제 1 대표 값을 갖는 샘플의 시작 인덱스를 패킷 시작 후보로 선정하며,
패킷 시작 후보에서 프리앰블 길이만큼 떨어진 샘플점을 기준으로 최대 도플러 편이에 의해 신호가 먼저 도달하거나 지연되는 샘플 시간차를 포함한 관찰 구간을 설정하고,
설정한 상기 관찰 구간의 샘플을 상기 프리앰블과 상관 값을 계산하고, 계산된 값 중 최대 값을 제 2 대표 값으로 선정하며, 상기 제 1 대표 값과, 상기 제 2 대표 값을 비교하여 두 값의 상대적 크기가 설정한 문턱 값 이상인 경우, 상기 패킷 시작 후보를 패킷 시작 샘플로 결정하는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀의 수신 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 도플러 편이 추정은,
상기 패킷 시작 샘플을 결정 후, 패킷 시작 결정에서 상기 제 2 대표 값을 획득하는 샘플의 시작 샘플과 상기 패킷 시작 샘플과의 차이를 계산하여 두 번 반복되는 상기 프리앰블 구간에서 제 1 도플러 편이를 추정하며, 첫 번재 부프레임의 초기 도플러 편이값으로 상기 제 1 도플러 편이를 설정하는 제 1 도플러편이 추정부를 갖는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀의 수신 방법.
제 13 항에 있어서,
패킷 시작을 검출하면, 수신부에 의해 첫 번째 부프레임의 초기 도플러 편이를 고려하여 첫 번째 부프레임과 부프레임 다음의 미드앰블까지 수신할 때까지 대기하며,
수신이 완료되면, 미드앰블이 존재할 수 있는 구간의 샘플열과 프리앰블 신호열과의 상관 값을 계산하고, 최대 상관값을 갖는 수신 신호열의 시작 샘플값을 계산하며,
추정한 상기 부프레임의 초기 도플러 편이에 의해 계산되는 미드앰블의 시작 샘플 값과의 차를 이용하여 부프레임의 도플러 편이의 추정 오차를 계산하고,
상기 부프레임의 도플러 편이의 추정 오차를 상기 부프레임의 초기 도플러 편이에 더하여 부프레임 첫 번째 부프레임 구간에서의 제 2 도플러 편이를 추정하고,
두 번째 부프레임부터는 상기 첫 번째 부프레임에 대한 수신 대기부터 제 2 도플러 편이 추정의 과정을 동일하게 상기 패킷이 완료될 때까지 반복하며, 상기 반복에서 마지막 부프레임의 경우에는 부프레임 다음의 테일앰블까지 수신을 대기하며, 미드앰블 대신 테일앰블을 사용하는 것을 특징으로 하는,
직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀의 수신 방법.