KR19990054162A - 수신단의 신호대 잡음비 강화를 위한 송신 드라이버 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음탐기의 음향센서부의 출력회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음향센서부에서 함상으로 장거리의 음향신호를 전송함에 있어서, 신호의 노이즈를 감쇄하기 위한 송신 드라이버의 회로구조에 관한 것이다.

본 발명은, 슬레이브 로직에서 인가되는 차동신호를 수신하는 펄스 트랜스; 상기 펄스 트랜스를 통한 차동신호를 저항기를 통하여 각각의 베이스에 입력받고, 펄스 트랜스의 중점탭이 그 이미터에 공통으로 연결되는 두개의 스위칭 트랜지스터; 상기 저항기와 상기 트랜지스터의 베이스간에 순방향으로 연결된 다이오드와 역방향으로 연결된 다이오드; 상기 저항기와 상기 트랜지스터의 콜렉터간에 순방향으로 연결된 다이오드; 그리고, 상기 트랜지스터의 콜렉터에 그 양단이 각각 연결된 출력트랜스를 포함하여 구성되며, 먹스에서 함상으로의 장거리 신호전송에서, 장거리 신호전송에 의한 전압강하 및 S/N비 감소의 영향을 받지 않고 원하는 신호를 안정적으로 전송할 수 있는 기술적 효과를 제공한다.

Description

수신단의 신호대 잡음비 강화를 위한 송신 드라이버 회로

본 발명은 음탐기의 음향센서부의 출력회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음향센서부에서 함상으로 장거리의 음향신호를 전송함에 있어서, 신호의 노이즈를 감쇄하기 위한 송신 드라이버의 회로구조에 관한 것이다.

일반적으로 수중의 음향 신호를 감지하여 음향원의 정확한 위치 등을 탐지하기 위한 음향탐지기에 있어서, 수중의 음파를 감지하는 방식은 음향에너지를 방사하여 그 음향에너지가 물체로부터 반사되는 것을 수신하는 능동 소나(Sonar)방식과, 다른 음원으로부터 방사하는 음향에너지만을 수신하는 수동 소나방식이 있다.

도 1은 일반적인 음탐기를 개략적으로 나타낸 블럭회로도이다. 이 음향탐지기 시스템은, 수중의 음향 신호를 감지하고 이를 전기적 아날로그 신호로 변환하고 이를 다시 디지털 신호로 변환한 후 다중화하여 전송하기 위한 음향센서부(10)와; 상기 음향센서부(10)를 함상(40)에 연결하기 위한 예인케이블(30)과; 상기 예인케이블(30)에 의해 상기 음향센서부(10)와 연결되는 함상(40)을 포함하여 구성된다.

또한 상기 함상(40)은 음향센서부(10)로부터 전송된 먹스신호를 처리하는 데이터 수신장치(42)와, 상기 데이터 수신장치(42)로부터 수신된 전기신호 데이터를 분류, 검색, 처리하여 음향신호를 복원하는 자료처리부(44)로 구성되는 한편, 상기 음향센서부(10)를 제어하고 전원을 공급하는 제어신호 및 전원공급부(46)를 포함하여 구성된다.

수중에서 발생하는 음향은 해수 입자의 기계적인 소밀 작용에 의해 주변으로 전파된다. 이러한 음향진동은 주파수의 제곱과 진폭과의 곱에 정비례하는 크기로 수중청음기(12)에 도달되어 체적변화를 일으키고, 수중청음기(12)는 상기 체적변화에 반응하여 그 음파와 동형인 전기파형에 해당하는 전기적 신호를 발생한다. 이러한 전기신호는 잡음제거를 위한 차동증폭기(14)를 거쳐 먹스부(16)에 입력된다.

먹스부(16)에 입력된 신호는 순차적으로 멀티플렉싱되어진 후 샘플링 및 양자화 과정을 거쳐 디지털 신호화된 후, 진동격리모듈(미도시)을 거쳐 예인케이블(30)을 통하여 함상(40)으로 전송한다. 이때의 전송신호는 전류의 변화 또는 전압의 변화형태로 표현될 수 있으나, 예인케이블(30)은 수킬로미터에 이르는 장거리이므로, 전류형태로 변환하여 전송하는 것이 일반적이다.

그러나 상기와 같이 수중청음기로부터 감지되어 전치증폭기를 거쳐 신호전송모듈의 먹스에 인가되는 신호는 그 출력레벨이 낮을 뿐만 아니라, 전치증폭기에서 먹스까지의 거리가 길게는 120m까지이므로 각종 신호 전송선간의 회선에서 유입되는 잡음들이 먹스에 그대로 입력되며, 먹스의 후단의 게인 컨트롤러에서는 이와같이 잡음레벨이 상승된 상태에서 그 이득이 제어되므로 인해 원신호에 대한 처리가 적절하게 이루어지지 않는 문제점이 존재하고 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 음향센서부의 출력회로에서 함상으로 장거리의 음향신호를 전송함에 있어서, 신호의 노이즈를 감쇄할 수 있도록 바이폴라 방식의 송신 드라이버를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 일반적인 음탐기의 회로구성을 개략적으로 나타낸 블럭회로도,

도 2는 본 발명이 적용되는 음향센서부 서브먹스부의 구성을 나타낸 블럭구성도,

도 3은 본 발명이 적용되는 프리먹스부의 회로구성을 보인 블럭 구성도이다.

도 4는 본 발명이 적용되는 음향센서부 마스터먹스부의 구성을 나타낸 블럭구성도,

도 5는 본 발명에 따라 구성한 송신 드라이버의 회로도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

10 ; 음향센서부 30 ; 예인케이블

35 ; 윈치 36 ; 슬립링

40 ; 함상 42 ; 데이터 수신장치

100 ; 광대역증폭부 110 ; 데이터 수신증폭부

120 ; 디코딩부 130 ; 디먹싱부

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 슬레이브 로직에서 인가되는 차동신호를 수신하는 펄스 트랜스; 상기 펄스 트랜스를 통한 차동신호를 저항기를 통하여 각각의 베이스에 입력받고, 펄스 트랜스의 중점탭이 그 이미터에 공통으로 연결되는 두개의 스위칭 트랜지스터; 상기 저항기와 상기 트랜지스터의 베이스간에 순방향으로 연결된 다이오드와 역방향으로 연결된 다이오드; 상기 저항기와 상기 트랜지스터의 콜렉터간에 순방향으로 연결된 다이오드; 그리고, 상기 트랜지스터의 콜렉터에 그 양단이 각각 연결된 출력트랜스를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수중음향 탐지시스템의 송신 드라이버 회로구조를 제공한다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명이 적용되는 음향센서부 서브먹스부의 구성을 나타낸 블럭구성도이다.

서브먹스부는 채널 1에서 채널 12까지의 각 채널별 수증청음기로부터 신호를 입력받는 필터(110), 샘플 앤드 홀드 회로부(120), 먹스부(130), 차동 자동이득조절증폭기(140), 전류변환회로(150), 그리고, 차동수신기(160)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 각 회로부의 작동을 위해서는 함상으로부터 공급되는 전원입력으로서 논리회로의 작동을 위한 +5V의 전원이 각 부에 공급된다.

필터(110)는 입력케이블에 유도되는 고주파성 노이즈를 제거하기 위한 것으로서, 전류변화 형태로 전송되는 신호를 입력받기 위한 종단저항을 포함한다. 이러한 필터는 단순한 RC 로우패스 필터로서 기능하며, 이때의 차단주파수는 약 1.6㎑가 바람직하다.

샘플 앤드 홀드 회로부(120)는 모든 채널의 신호를 동시에 샘플링하기 위한 것이다. 이러한 샘플 앤드 홀드 회로는 채널이 바뀔 때마다 신호가 완전히 세틀링된 후에 신호전압을 홀드하고 다음구간에서 먹스처리를 하기 위한 것으로서, 예를 들어, 4.096㎑의 주기마다 4.88㎲의 샘플 신호에 의해, 입력신호를 샘플한 후 홀드한다.

먹스부(130)는 서브 먹스부에 입력되는 12개의 채널신호를 다중화 하여 전송하기 위한 것이다. 12개의 신호는 3개씩 나뉘어서 4개의 소그룹으로 상기 샘플 앤드 홀드 회로부(120)를 거처 먹스부(130)에 인가된다. 이때, 채널 선택신호는 디코더(도면 미도시)에 의해 디코드되어 각 멀티플렉서의 인에이블 단자에 인가되어 각각의 소그룹을 형성하며, 이때, 샘플 앤드 홀드 회로의 오프세트 검출신호도 같이 선택된다.

차동 자동이득조절증폭기(140)는 0㏈에서 24㏈의 자동이득조절 및 샘플 앤드 홀드 회로의 오프세트를 보정하기 위한 차동증폭기이다.

차동수신기(160)는 RS-422방식의 수신기이다. 이 수신기는 RS-422방식의 디지탈 차동신호를 수신하여 로직 레벨로 변환한다. 이때, 케이블의 임피던스 매칭을 위하여 선로의 맨끝에 위치한 서브먹스에는 종단저항이 설치된다. 또한 이 차동수신기(160)는 소비전류를 줄이기 위해서 CMOS 형태의 집적회로를 사용하는 것이 바람직하다.

도면 부호 150은 전류변환회로이다. 이 전류변환회로(150)는 상술한 차동수신기(160)를 통한 음향신호를 후단의 프리먹스부에 장거리 전송하기 위하여, 전압변화 형태의 신호를 전류변화 신호의 형태로 변환하여 전송하기 위한 것이다.

전류변환회로(150)의 상세한 동작에 대해서는 출원인의 타 특허출원 "장거리 신호전송을 위한 전류변환회로"에서 상세히 설명되고 있다.

한편, 전류형태로 변환된 신호는 후단의 프리먹스부에 인가된다. 이러한 프리먹스부는 서브먹스에서 12:1로 다중화된 신호를 각 그룹별로 다시 다중화하여 마스터 먹스부에 전송하기 위한 먹스부이다.

도 3은 본 발명이 적용되는 프리먹스부의 회로구성을 보인 블럭 구성도이다.

프리먹스에 입력되는 신호는 서브먹스에서 12:1로 다중화된 신호로서, 그 한 주기는, T = 1 / (4.096㎑×12) = 1/ 49.152㎑ = 20.34㎲이다.

그러므로, 채널 선택 신호가 출력되고 나서, 서브먹스의 다중화된 신호가 후단의 마스터 먹스의 수신회로 최종단까지 도달하여 충분한 정밀도로 세틀링되는 시간은 앞서 산출한 주기, 20.34㎲보다 작아야 한다.

이때, 신호의 지연을 예측하면, 먼저 채널 선택신호 전송지연으로서 2㎲, 서브먹스회로지연으로서 1㎲, 프리먹스 필터지연으로서 1㎲, 프리먹스에서의 다중화에 의한 지연 1㎲, 그리고 기타 증폭기 회로에서의 지연 1㎲로서 모두 약 6㎲이다. 따라서, 서브 먹스 출력 케이블에 의한 지연은 20.34 - 6 = 14.34㎲보다 작야야 한다. 한편, 전류출력 방식에서 종단저항이 작을수록 세틀링 시간이 작아지는데, 이러한 종단저항은 50Ω을 채택하는 것이 바람직하다.

여기서, 서브 먹스의 전압 ->전류 변환비율과 종단저항에 의한 전류 ->전압 비율을 곱하면 전체 전송 손실이 계산되며, 이때의 전송손실 = (20㎃/5V) × 50 = 0.2로서 -14㏈이다. 이러한 전송손실은 후단의 증폭기(230)에서 증폭되어 보상된다.

이때, 필터는 디지탈 신호, 전원을 통하여 인가되는 스파이크 등의 고주파성 노이즈를 제거하기 위한 것이다. 다중화된 입력신호의 주된 주파수 성분을 F라 할때, F = (4.096 × 12) / 2 = 24.576㎑로서 저주파수이지만 주된 노이즈원은 스파이크성의 디지탈 노이즈로서, 매우 높은 주파수성분이므로, 세틀링 시간을 고려하여 차단주파수는 1㎒로 선정하는 것이 바람직하다.

먹스(220, 240)는 3채널 또는 6채널로 다중화된 서브먹스 신호는 12채널의 다중화 신호로 만들어 주기 위한 것이다. 이때, 채널간의 크로스토그를 최소화하는 것이 바람직하다.

보상 증폭기(230)는 전류 전송과정에서의 손실을 보상하기 위한 것이다. 먹스(220, 240)에서 다중화된 신호는 RC 로우패스 필터를 거쳐 보상 증폭기의 입력에 인가된다. 상기 로우패스 필터의 차단주파수는 1.6㎒이다. 이 신호는 14㏈ 증폭되어 원래의 서브먹스의 입력전압레벨을 회복한다.

도 4는 본 발명이 적용되는 음향센서부 마스터먹스부의 구성을 나타낸 블럭구성도이다.

마스터 먹스부는 12:1로 다중화되어 입력된 입력신호 4개를 다중화 하는 것으로서 최종적으로는 48:1로 다중화하여 출력한다.

도 5는 본 발명에 따라 구성한 송신드라이버의 회로도이다.

먹스에서 함상으로 전송되는 데이터 신호는 거리가 2㎞에 이르는 장거리이면서, 그 전송의 비트 레이트가 3, 4816㎒인 고주파이므로 케이블로 인한 손실이 상당히 큰 편이다.

그러므로, 수신단에서의 신호 대 잡음비를 높이기 위하여 송신 드라이버의 사용이 필요하다. 이 회로는 슬레이브 로직에서 인가되는 차동신호를 받아서 증폭하여 출력하는 기능을 담당한다.

한편 이때의 송신케이블은 RG-58 타입으로서, 그 부하 임피던스는 50Ω이다. 여기서, 송신드라이버의 입력단에는 슬레이브 로직회로부로부터의 신호를 입력받는 펄스 트랜스(210)가 전단에 설치된다. 이 펄스 트랜스(210)는 입력과 출력의 신호 절연을 위하여 사용되는 것으로서 일대일 권선 트랜스이다. 이 펄스 트랜스(210)는 광대역으로 주파수 특성이 평탄한 것이 요구되며, 특히 고주파특성이 우수한 페라이트 코어를 사용하여 제작되는 것이 바람직하다.

저항기(R3, R4, R5, R6)는 부하 임피던스에 소스 임피던스를 매칭시키기 위한 것이다. 이때, 출력을 단락한 경우에 흐르는 전류가 수 W정도로 높으므로, 저항을 수개 병렬로 연결하여 사용하여 대용량의 전류에 대비한다.

여기서, 신호전송의 비트 레이트는 약 3㎒대로서, 최소펄스의 폭은 약 300㎱이다. 따라서, 스위칭 트랜지스터(Q1, Q2)의 스위칭 속도는 이보다 훨씬 작아야 한 다.

이러한 요구사양을 충족시키기 위해서는 그 트랜지스터의 스위칭 시간은 30㎱이내일 것이 요구되며, 콜렉터 전류는 1A DC, 콜렉터 이미터간 전압은 65V, 전류증폭율은 콜렉터 전류 150㎃에서 40이상일 것이 요구된다.

한편, 정상적인 상태에서 부하저항은 내부 50Ω과 외부 50Ω을 합하여 100Ω이므로, 쿨럭터 전류 Ic = 15V / 100Ω = 150㎃정도이다. 이때, 상기 트랜지스터(Q1, Q2)의 전류증폭율은 최소한 40이상이 유구되므로, 이때의 베이스 전류 Ib = Ic / hfe = 150 / 40 = 3.75㎃이다.

따라서, 입력신호가 최소 2V, 소스 저항 50Ω, 베이스 저항기(R1, R2) 100Ω, 입력 다이오드 및 베이스-이미터간 전압을 1V로 가정하면, 회로상에서 흐르는 최소 베이스 전류 Ib = (입력전압 2V - 1V) / 150Ω = 6.7㎃이므로, 충분히 구동된다.

한편, 스위칭 속도를 더욱 향상시키기 위해서, 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5 D6)들로 구성된 베이커 클램프(baker clamp)회로를 추가한다. 이 회로는 트랜지스터(Q1, Q2)가 턴온될 때 완전히 포화되는 것을 막음으로서, 트랜지스터의 스위칭 속도를 향상시킨다.

상술한 바와 같이 본 발명은 먹스에서 함상으로의 장거리 신호전송에서, 장거리 신호전송에 의한 전압강하 및 S/N비 감소의 영향을 받지 않고 원하는 신호를 안정적으로 전송할 수 있는 기술적 효과가 달성한다.

Claims (3)

1. 슬레이브 로직에서 인가되는 차동신호를 수신하는 펄스 트랜스(210);

   상기 펄스 트랜스(210)를 통한 차동신호를 저항기(R1, R2)를 통하여 각각의 베이스에 입력받고, 펄스 트랜스(210)의 중점탭이 그 이미터에 공통으로 연결되는 두개의 스위칭 트랜지스터(Q1, Q2);

   상기 저항기(R1, R2)와 상기 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스간에 순방향으로 연결된 다이오드(D3, D4)와 역방향으로 연결된 다이오드(D2, D5);

   상기 저항기(R1, R2)와 상기 트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터간에 순방향으로 연결된 다이오드(D1, D6); 그리고,

   상기 트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터에 그 양단이 각각 연결된 출력트랜스(220)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수중음향 탐지시스템의 송신 드라이버회로구조.
2. 제 1항에 있어서, 상기 출력트랜스(220)의 중점탭과 전원선간에 열결된 부하 임피던스와 임피던스 매칭을 위한 저항기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수중음향 탐지시스템의 송신 드라이버 회로구조.
3. 제 1항에 있어서, 상기 트랜지스터(Q1, Q2)의 스위칭 속도는 전송되는 비트 레이트에 의한 펄스폭에 의해 산출되는 시간값보다 작은 속도값을 갖는 트랜지스터를 사용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수중음향 탐지시스템의 송신 드라이버 회로구조.