KR20160099331A - 한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법 - Google Patents

한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법 Download PDF

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KR20160099331A
KR20160099331A KR1020150021658A KR20150021658A KR20160099331A KR 20160099331 A KR20160099331 A KR 20160099331A KR 1020150021658 A KR1020150021658 A KR 1020150021658A KR 20150021658 A KR20150021658 A KR 20150021658A KR 20160099331 A KR20160099331 A KR 20160099331A
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hyperbolic
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이창은
김기만
정지원
김승주
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 수중 음향 통신에 관한 것으로서, 더 상세하게는 통신 신호를 전송하는데 하이퍼볼릭 처프(Hyperbolic chirp) 신호를 사용함으로써, 해양의 변동성이나 플랫폼의 동작으로 인해 발생하는 도플러 현상을 효율적으로 극복할 수 있는 디지털 수중 음향 통신 방법에 대한 것이다.

Description

한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법{Digital Underwater Acoustic Communication method using a Hyperbolic Chirp Signal}
본 발명은 수중 음향 통신에 관한 것으로서, 더 상세하게는 통신 신호를 전송하는데 하이퍼볼릭 처프(Hyperbolic chirp) 신호를 사용함으로써, 해양의 변동성이나 플랫폼의 동작으로 인해 발생하는 도플러 현상을 효율적으로 극복할 수 있는 디지털 수중 음향 통신 방법에 대한 것이다.
수중음향통신 시스템의 성능은 다중경로 전달 특성, 전달손실, 도플러 천이 및 배경 잡음 등에 의해 좌우되며, 특히 해양의 시변 특성으로 인해 통신 채널 특성도 시시각각 변화한다.
특히, 플랫폼의 움직임이나 해양의 변동성 등에 의해 발생되는 도플러 현상은 시간에 따라 특성 변화가 심한 해양 환경의 특성상 통신 성능을 유지하기 위해서는 발생하는 도플러 값을 추정하여 보상하거나 또는 도플러 현상에 강한 통신 시스템이 적용되어야 한다.
그런데 일반적인 방식은 수신기에서 도플러 천이 값을 지속적으로 추정하고, 이 값을 이용하여 통신 신호를 보상하였다. 하지만 수중 채널 특성은 그 변동성이 매우 심해 일정한 시각에서 도플러 값을 추정하였더라도 시간이 지나면서 실제 데이터 신호 전송 구간에서는 그 특성이 다르게 변화한다.
따라서, 보상 효과가 저하되어 통신 성능을 떨어뜨리는 문제점을 갖고 있으며, 아울러 수신기 구조가 복잡해지게 된다.
1. 한국공개특허번호 제10-2012-0139000호 2. 미국공개특허번호 제US2013-0208768호 3. 한국등록특허번호 제0941853호
1. 박태두 외, "수중음향통신에서 효율적인 패킷 설계에 관한 연구"한국항해항만학회지 제36권 제8호 통권 제174호 (2012년 10월) pp.631-635. 2. 이형우 외, "다중 직교 특성을 갖는 FH-MFSK 방식의 수중음향통신"한국음향학회지 33(6) 407-412 (2014년)
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 해양의 변동성이나 플랫폼의 동작으로 인해 발생하는 도플러 현상을 효율적으로 극복할 수 있는 디지털 수중 음향 통신 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 통신 신호를 전송하는데 하이퍼볼릭 처프(Hyperbolic chirp) 신호를 사용함으로써, 해양의 변동성이나 플랫폼의 동작으로 인해 발생하는 도플러 현상을 효율적으로 극복할 수 있는 디지털 수중 음향 통신 방법을 제공한다.
상기 디지털 수중 음향 통신 방법은,
송신기가 전송하려는 디지털 신호를 생성하는 디지털 신호 생성 단계;
상기 송신기가 상기 디지털 신호의 최상위 디지털 비트(MSB)가 '1'인지를 판단하는 판단 단계;
판단 결과, 상기 최상위 디지털 비트가 '1'이면, 상기 송신기가 상기 디지털 신호를 하이퍼볼릭 처프(Hyperbolic chirp) 신호로 표현하여 생성되는 송신 신호를 전송하는 처프 신호 전송 단계;
판단 결과, 상기 최상위 디지털 비트가 '0'이면, 상기 송신기가 상기 디지털 신호에 침묵(silence) 구간을 설정하여 생성되는 송신 신호를 전송하는 침묵 구간 설정 단계;
수신기가 상기 송신 신호를 수신하여 수신 신호를 생성하는 수신 신호 생성 단계; 및
상기 수신기가 상기 송신 신호와 수신 신호의 순간 주파수 관계를 산출하는 산출 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법을 제공한다.
이때, 상기 수신기에서는 정합필터(matched filter)를 사용하여 디지털 비트 정보를 복원하는 것을 특징으로 하는 할 수 있다.
또한, 상기 수신신호는 상기 송신신호의 시간 지연 형태로만 표현되는 것은 관계를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 순간 주파수 관계는 수학식
Figure pat00001
(여기서,
Figure pat00002
는 송신 신호의 순간 주파수이고,
Figure pat00003
는 수신 신호의 순간 주파수이고,
Figure pat00004
는 송수기와 수신기 사이의 음파 전달 시간이고,
Figure pat00005
는 도플러 발생에 따른 시간 편이(time shift)에 의해 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기
Figure pat00006
(여기서,
Figure pat00007
이고, f1은 시작 주파수이고, f2는 끝 주파수이며, T는 심볼 주기를 의미한다),
Figure pat00008
(여기서,
Figure pat00009
는
Figure pat00010
로 주어지는 도플러 인자이며,
Figure pat00011
는 송신기와 수신기 사이의 상대속도,
Figure pat00012
는 수중에서의 음속을 나타낸다)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 송신 신호는 부엽(sidelobe)을 감소시키기 위해 상기 하이퍼볼릭 처프 신호에 해밍창 함수가 곱해진 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 수신 신호 생성 단계는, 상기 송신 신호를 정합필터를 이용하여 상기 수신 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 송신기가 전송하려는 디지털 신호를 생성하는 디지털 신호 생성 단계; 상기 송신기가 상기 디지털 신호의 최상위 디지털 비트(MSB)가 '1'인지를 판단하는 판단 단계; 판단 결과, 상기 최상위 디지털 비트가 '1'이면, 상기 송신기가 상기 디지털 신호를 업 스윕 하이퍼볼릭 처프(Up sweep Hyperbolic chirp) 신호로 표현하여 생성되는 송신 신호를 전송하는 업 스윕 하이퍼볼릭 처프 신호 전송 단계; 판단 결과, 상기 최상위 디지털 비트가 '0'이면, 상기 송신기가 상기 디지털 신호에 다운 스윕 하이퍼볼릭 처프(Down sweep Hyperbolic chirp) 신호로 표현하여 생성되는 송신 신호를 전송하는 다운 스윕 하이퍼볼릭 처프 신호 전송 단계; 수신기가 상기 송신 신호를 수신하여 수신 신호를 생성하는 수신 신호 생성 단계; 및 상기 수신기가 상기 송신 신호와 수신 신호의 순간 주파수 관계를 산출하는 산출 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법을 제공한다.
또한, 상기 송신 신호는 부엽(sidelobe)을 감소시키기 위해 상기 업 스윕 하이퍼볼릭 처프 신호 또는 다운 스윕 하이퍼볼릭 처프 신호에 해밍창 함수가 곱해진 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 통신 신호를 전송하는데 하이퍼볼릭 처프(Hyperbolic chirp) 신호를 사용함으로써, 해양의 변동성이나 플랫폼의 동작으로 인해 발생하는 도플러 현상을 효율적으로 극복할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 도플러가 발생하더라도 정합 필터 출력의 크기에는 변화가 없으므로 디지털 비트 값 검출에는 영향을 미치지 않게 된다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 정합필터만 사용하므로 도플러 추정 및/또는 보상 등의 복잡한 과정이 줄어들어 수신기 구조가 간단해 질 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 한 종류의 하이퍼볼릭 처프(Hyperbolic chirp) 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 일반적인 하이퍼볼릭 처프(Hyperbolic chirp) 신호의 시간에 따른 주파수 변화(순간 주파수)를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 바이너리 비트(binary bit) '1101'을 전송하기 위해 하이퍼볼릭 처프(Hyperbolic chirp) 신호로 표현한 것으로 부엽(side-lobe)을 감소시키기 위해 Hyperbolic chirp 신호에 해밍(hamming) 창(window) 함수가 곱해진 것을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 도플러 천이가 있는 경우 Hyperbolic chirp 신호(HFM)와 Linear chirp 신호(LFM)를 각각 사용하였을 때 비트 오차율을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 성능 입증을 위해 수행된 해상실험의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 해상실험 시 측정된 송신기와 수신기 사이의 수중 채널 전달 특성을 보여주는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 한 종류의 하이퍼볼릭 처프(Hyperbolic chirp) 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 1을 참조하면, 송신기(미도시)에서 전송하려는 디지털 신호를 생성한다(단계 S110).
전송하려는 디지털 신호(예를 들면 '1111001'을 들 수 있음)가 생성됨에 따라 전송하고자 하는 상기 디지털 신호의 최상위 디지털 비트(MSB: Most Significant Bit)가 '1'인지 아닌지를 판단한다(단계 S120).
단계 S120에서 판단결과, 디지털 비트가 1'인 경우 하이퍼볼릭 처프(Hyperbolic chirp) 신호를 전송한다(단계 S130).
이와 달리, 단계 S120에서 판단결과, 디지털 비트가 '0'인 경우 침묵(silence) 구간으로 설정한다(단계 S121). 본 발명의 일실시예에서는 최상위 디지털 비트의 값이 "1" 또는 "0"인지에 따라 하이퍼볼릭 처프 신호 또는 침묵 구간으로 설정하는 것으로 설명하였다.
그러나, 최상위 디지털 비트가 '1'이면, 상기 송신기가 상기 디지털 신호를 업 스윕 하이퍼볼릭 처프(Up sweep Hyperbolic chirp) 신호로 표현하고, 상기 최상위 디지털 비트가 '0'이면, 상기 송신기가 상기 디지털 신호에 다운 스윕 하이퍼볼릭 처프(Down sweep Hyperbolic chirp) 신호로 표현하여 송신 신호를 생성하는 것도 가능하다.
Figure pat00013
여기서, A는 임의의 크기값이며,
Figure pat00014
는 초기 위상이고, k는 정의된 상수이고, f1은 시작 주파수를 의미한다.
또한, k는 다음 수학식과 같이 정의된다.
Figure pat00015
여기서, f1은 시작 주파수이고, f2는 끝 주파수이며, T는 심볼 주기를 의미한다. 이를 이해하기 편리하게 설명한 도면이 도 2이다.
도 1을 계속 참조하면, 하이퍼볼릭 처프(Hyperbolic chirp) 신호의 순간 주파수
Figure pat00016
는 수학식 1의 괄호 안을 미분하여 다음 수학식과 같이 얻어진다.
Figure pat00017
도플러 현상이 발생한 경우 수신기(미도시)에서 수신된 수신 신호는 다음 수학식과 같이 표현된다.
Figure pat00018
여기서,
Figure pat00019
는 임의의 크기값이며,
Figure pat00020
는
Figure pat00021
로 주어지는 도플러 인자이다. 또한,
Figure pat00022
는 송신기와 수신기 사이의 상대속도,
Figure pat00023
는 수중에서의 음속,
Figure pat00024
는 송수기와 수신기 사이의 음파 전달 시간을 나타낸다.
특히,
Figure pat00025
가 송신기와 수신기 사이의 음파 전달 시간이라 할 때, 수신기에서의 순간 주파수
Figure pat00026
는 위 수학식의 괄호 안을 미분하여 얻는다.
Figure pat00027
여기서,
Figure pat00028
는 도플러 발생에 따른 시간 편이(time shift)로 정의된다.
이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure pat00029
여기서, c는 수중에서의 음속이고,
Figure pat00030
는 도플러 인자의 역수를 의미한다.
최종적으로, 수학식 3과 수학식 5를 비교하면, 송신 신호와 수신 신호의 순간 주파수 관계가 산출된다(단계 S150,S160). 이를 나타내면 다음 수학식과 같다.
Figure pat00031
위 수학식 7에 의하면 도플러가 발생한 경우 수신신호는 송신신호의 시간 지연 형태로만 나타나는 것을 알 수 있다.
이는 정합필터 출력의 크기에는 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다. 따라서 도플러가 발생하더라도 정합 필터 출력의 크기에는 변화가 없으므로 디지털 비트 값 검출에는 영향을 미치지 않게 된다. 또한 정합필터만 사용하므로 도플러 추정 및 보상 등의 복잡한 과정이 줄어들어 수신기 구조가 간단해 질 수 있다.
도 1을 계속 참조하면, 수신기(미도시)에서는 정합필터(matched filter)를 사용하여 디지털 비트 정보를 복원한다.
도 2는 일반적인 하이퍼볼릭 처프(Hyperbolic chirp) 신호의 시간에 따른 주파수 변화(순간 주파수)를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 바이너리 비트(binary bit) '1101'을 전송하기 위해 하이퍼볼릭 처프(Hyperbolic chirp) 신호로 표현한 것으로 부엽(side-lobe)을 감소시키기 위해 Hyperbolic chirp 신호에 해밍(hamming) 창(window) 함수가 곱해진 것을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 도플러 천이가 있는 경우 Hyperbolic chirp 신호(HFM)와 Linear chirp 신호(LFM)를 각각 사용하였을 때 비트 오차율을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 성능 입증을 위해 수행된 해상실험의 모식도이다. 도 5를 참조하면, 수신부(510)와 송신부(520)가 약 40m 간격으로 배치되고, 이들 수신부(510)와 송신부(520)로부터 약 2m 정도에 수신기(511)와 송신기(521)가 설치된다. 수조(501)의 수중 높이는 약 4-5m가 된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 해상실험 시 측정된 송신기와 수신기 사이의 수중 채널 전달 특성을 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 가로축은 도달 시간(arrival time)이 된다.
도 4의 시뮬레이션 결과에서 도플러 천이가 있는 경우 Hyperbolic chirp 신호를 사용한 경우 종래의 Linear chirp 신호를 사용한 경우보다 향상된 비트 오차 성능을 가짐을 볼 수 있다. 또한 어떠한 채널 부호화 기법도 적용하지 않은 경우 도 5 및 도 6과 같은 해상실험에서도 Hyperbolic chirp 신호를 사용한 방법의 평균 비트 오차율은 5.39 %로 나타났다.
또한, 기존의 Linear chirp 신호를 사용한 경우에는 비트 오차율이 9.36 %로 나타나 Hyperbolic chirp 신호를 사용한 방법의 오차율이 약 4% 정도 우수한 것으로 나타났다.
501: 수조
510: 수신부 511: 수신기
520: 송신부 521: 송신기

Claims (9)

  1. 송신기가 전송하려는 디지털 신호를 생성하는 디지털 신호 생성 단계;
    상기 송신기가 상기 디지털 신호의 최상위 디지털 비트(MSB)가 '1'인지를 판단하는 판단 단계;
    판단 결과, 상기 최상위 디지털 비트가 '1'이면, 상기 송신기가 상기 디지털 신호를 하이퍼볼릭 처프(Hyperbolic chirp) 신호로 표현하여 생성되는 송신 신호를 전송하는 처프 신호 전송 단계;
    판단 결과, 상기 최상위 디지털 비트가 '0'이면, 상기 송신기가 상기 디지털 신호에 침묵(silence) 구간을 설정하여 생성되는 송신 신호를 전송하는 침묵 구간 설정 단계;
    수신기가 상기 송신 신호를 수신하여 수신 신호를 생성하는 수신 신호 생성 단계; 및
    상기 수신기가 상기 송신 신호와 수신 신호의 순간 주파수 관계를 산출하는 산출 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법.
  2. 송신기가 전송하려는 디지털 신호를 생성하는 디지털 신호 생성 단계;
    상기 송신기가 상기 디지털 신호의 최상위 디지털 비트(MSB)가 '1'인지를 판단하는 판단 단계;
    판단 결과, 상기 최상위 디지털 비트가 '1'이면, 상기 송신기가 상기 디지털 신호를 업 스윕 하이퍼볼릭 처프(Up sweep Hyperbolic chirp) 신호로 표현하여 생성되는 송신 신호를 전송하는 업 스윕 하이퍼볼릭 처프 신호 전송 단계;
    판단 결과, 상기 최상위 디지털 비트가 '0'이면, 상기 송신기가 상기 디지털 신호에 다운 스윕 하이퍼볼릭 처프(Down sweep Hyperbolic chirp) 신호로 표현하여 생성되는 송신 신호를 전송하는 다운 스윕 하이퍼볼릭 처프 신호 전송 단계;
    수신기가 상기 송신 신호를 수신하여 수신 신호를 생성하는 수신 신호 생성 단계; 및
    상기 수신기가 상기 송신 신호와 수신 신호의 순간 주파수 관계를 산출하는 산출 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수신기에서는 정합필터(matched filter)를 사용하여 디지털 비트 정보를 복원하는 것을 특징으로 하는 한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수신신호는 상기 송신신호의 시간 지연 형태로만 표현되는 것을 특징으로 하는 한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 순간 주파수 관계는 수학식
    Figure pat00032
    (여기서,
    Figure pat00033
    는 송신 신호의 순간 주파수이고,
    Figure pat00034
    는 수신 신호의 순간 주파수이고,
    Figure pat00035
    는 송수기와 수신기 사이의 음파 전달 시간이고,
    Figure pat00036
    는 도플러 발생에 따른 시간 편이(time shift)에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기
    Figure pat00037
    (여기서,
    Figure pat00038
    이고, f1은 시작 주파수이고, f2는 끝 주파수이며, T는 심볼 주기를 의미한다),
    Figure pat00039
    (여기서,
    Figure pat00040
    는
    Figure pat00041
    로 주어지는 도플러 인자이며,
    Figure pat00042
    는 송신기와 수신기 사이의 상대속도,
    Figure pat00043
    는 수중에서의 음속을 나타낸다)인 것을 특징으로 하는 한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 신호는 부엽(sidelobe)을 감소시키기 위해 상기 하이퍼볼릭 처프 신호에 해밍창 함수가 곱해진 것을 특징으로 하는 한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 송신 신호는 부엽(sidelobe)을 감소시키기 위해 상기 업 스윕 하이퍼볼릭 처프 신호 또는 다운 스윕 하이퍼볼릭 처프 신호에 해밍창 함수가 곱해진 것을 특징으로 하는 한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수신 신호 생성 단계는, 상기 송신 신호를 정합필터를 이용하여 상기 수신 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 한 종류의 하이퍼볼릭 처프 신호를 이용한 디지털 수중 음향 통신 방법.
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KR20210058383A (ko) * 2019-11-14 2021-05-24 경원산업 주식회사 전자어구 식별을 위한 수중음향통신방법 및 시스템

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