주파수 대역 중첩 수신구조 기반의 프리셋 재밍 기법

2.1 주파수 대역 중첩 수신구조

재머가 운용되는 특정 지역의 위협 레이다 운용환경을 고려하면 연속적으로 여러 개의 펄스가 주파수 및 시간적으로 중첩될 가능성은 매우 희박하다고 가정할 수 있다. 그러므로 본 논문에서는 위협 신호의 탐지확률을 증가시키기 위해 그림 3과 같이 관심 주파수 대역을 순시 수신대역폭 크기의 특정 대역폭 크기로 중첩시켜 재밍발생장치에서 주파수 대역을 스윕을 하지 않고 위협 신호를 수신하는 주파수 대역 중첩 수신구조를 제안한다.

Fig. 3.

Frequency band folding concept

그림 4와 같이 재밍발생장치에 주파수 대역 중첩 수신구조를 구현하기 위해 수신 안테나모듈(Receiver antenna module)과 전단수신모듈(RF front-end module)을 통해 관심 주파수 대역의 전체 신호를 수신하고 주파수합성모듈(Frequency synthesizer module)과 주파수변환모듈(Frequency conversion module)을 통해 중첩 주파수 대역(Folding band)으로 신호를 중첩시킨다. 중첩 주파수 대역으로 변환된 신호는 디지털수신기의 순시 수신대역폭의 크기를 가지는 필터들로 구성된 필터뱅크모듈(Filter bank module)로 전달된다. 그리고 각 필터를 통해 필터링(Filtering)되어 폴리페이저 채널화 디지털수신기에 전달된다.

Fig. 4.

Jammer receiver with frequency band folding

주파수 대역 중첩 수신구조에서 신호는 원래의 대역에서 중첩 주파수 대역으로 변환되어 디지털수신기에 전달되기 때문에 디지털수신기에서 생성된 PDW의 주파수 값을 원래의 주파수 값으로 변환하는 과정이 필요하다. 이를 위해 그림 5와 같이 로그 비디오 증폭기(SDLVA, Successive Detecting Log Video Amplifier)의 비디오신호(Video signal)를 활용한다.

Fig. 5.

Video signal generation using SDLVA

그림 4 및 그림 5와 같이 주파수변환모듈에 입력되는 신호의 대역폭을 하나의 채널이 중첩주파수 대역 크기를 가지는 N채널로 분배시키고 각 채널에 SDLVA를 두어 비디오 신호는 비디오신호분석모듈(Video signal analysis module)로 전달하고 고주파 신호는 필터뱅크모듈로 전달한다. 그리고 필터뱅크모듈에 입력되는 신호의 대역폭을 하나의 필터가 순시 수신대역폭 크기를 가지는 M채널로 분배시키고 각 채널에 SDLVA를 두어 비디오 신호는 비디오신호분석모듈로 전달하고 고주파 신호는 디지털수신기로 전달한다. 여기서 주파수변환모듈의 비디오신호를 대역 비디오 신호로 정의하고 필터뱅크모듈의 비디오 신호를 필터 비디오 신호로 정의한다.

비디오신호분석모듈에서는 수신하는 대역 및 필터 비디오 신호들의 상승 에지(Rising edge)의 타이밍을 확인하고 분석하여 신호의 도착시간을 파악한다. 그리고 디지털수신기에서 생성된 PDW의 신호도착시간(TOA, Time Of Arrival)과 비교하여 주파수대역이 중첩되기 전 해당 신호의 원래 주파수를 계산할 수 있도록 한다.

2.2 프리셋 재밍 기법

본 논문에서는 수신분석장치의 신호 분석결과 기반의 재밍 신호 발생 방법보다 빠르게 재밍 신호를 발생하기 위해 그림 6과 같은 프리셋 재밍 기법을 제안한다. 이를 위해 우선 임무파일 작성 시 프리셋 관련 재밍 정보(Preset Jamming information)를 추가적으로 작성하여야 한다. 프리셋 재밍 정보에는 프리셋 재밍의 대상이 되는 위협의 정보(Threat information)와 해당 위협의 재밍기법(Jamming method) 등이 포함되어 있다. 재밍발생장치를 제어하는 프로세서는 그림 6과 같이 프리셋 재밍 정보를 수신하면 해당 재밍기법을 확인하고 필요한 재밍자원(Jamming resources)을 미리 할당(Allocation)하고 해당 재밍 신호를 발생 대기 상태로 둔다.

Fig. 6.

Preset Jamming flowchart

그리고 수신분석장치와 재밍발생장치를 통해 신호를 수신한다. 다만, 수신분석장치는 기존과 동일하게 주파수를 스윕하면서 수신하고 재밍발생장치는 주파수 대역을 중첩하여 수신한다.

재밍발생장치는 비디오신호분석모듈을 통해 대역 및 필터 비디오 신호를 분석된 신호의 도착순서와 폴리페이저 채널화 디지털수신기에서 생성된 PDW의 TOA 순서를 비교하여 PDW의 주파수를 원래의 주파수로 변경함으로써 최종적인 위협 PDW를 생성한다.

본 논문에서는 알고리즘 1과 같이 생성된 위협 PDW를 기반으로 펄스 3개를 이용하여 프리셋 재밍 을 트리거하는 매칭(Matching) 알고리즘을 제안한다. 여기서 TOA, FREQ는 생성된 PDW의 TOA 값들과 주파수 값들을 의미하며 배열행태의 자료구조이다. PSETF, PSETP는 프리셋 위협 정보에 포함된 위협의 주파수 및 PRI를 의미한다. σF, σP는 수신된 PDW 정보와 프리셋 위협 정보의 비교를 위한 주파수 임계값, PRI 임계값을 의미하며 PSETTRIG는 재밍신호의 트리거(Triggering) 상태를 의미하는 변수이다. PSETTRIG의 값이 TRUE가 되면 재밍신호가 발생된다고 가정한다.

Algorithm 1.

Matching algorithm

알고리즘 1을 보면, PDW의 FREQ와 PSETF의 차이가 σF이내인 PDW를 먼저 추출하고 해당 PDW의 TOA값으로 해당 펄스의 TOA 값을 가지는 tArray 자료구조를 생성한다. M은 tArray 배열의 크기로 초기화하고 PSETTRIG는 FALSE로 초기화 한다. 그리고 tArray 배열을 이용하여 PSETP와 펄스 간의 DTOA(Difference of Time Of Arrival) tdiff가 σP이내인 PDW가 누락이 없이 연속으로 3개가 존재하면 PSETTRIG는 ‘TRUE’가 되어 재밍신호가 발생되게 된다.

프리셋 재밍 기법은 소수의 3개 펄스열을 이용한 매칭 방식으로 매칭에 오류가 있을 수 있으므로 프리셋 재밍 후, 프리셋 재밍이 적절하게 발생되었는지 검증하는 과정이 필요하다. 이를 위해 재밍발생장치는 수신분석장치에서 전달되는 분석/식별 결과를 이용하여 그림 7과 같이 프리셋 재밍의 적절성을 판단한다. 그림 7과 같이 위협 명칭이 일치하면서 해당 재밍기법 또한 일치하면 프리셋 재밍을 유지시키고 위협 명칭은 일치하나 재밍기법이 다르면 프리셋 재밍을 중단하고 수신분석장치의 식별 결과를 기반으로 한 재밍기법을 발생시킨다. 그리고 수신분석장치에서 전달된 식별된 위협정보가 프리셋 재밍위협과 일치하지 않는 경우는 프리셋을 중단하고 수신분석장치의 식별 결과를 기반으로 한 위협의 재밍기법을 발생시킨다.

Fig. 7.

Verification for preset Jamming

2.3 Matlab/Simulink 모델 기반의 모의실험

제안한 방법의 성능을 검증하기 위해 그림 8과 같은 Matlab/Simulink 기반의 실험 모델을 구현하였다. 모의실험 신호의 파라미터는 표 1과 같으며 실험의 편의를 위해 신호의 주파수를 수십 MHz로 선정하였으며 중첩 주파수 대역으로의 변환도 주파수 계획이 간략하도록 모의하였다.

Fig. 8.

Matlab/Simulink block diagram of simulation model

Table 1.

Parameters of signals in simulation

여기서 B_n, f_c, f_cf, f_type, P_pri, P_type, P_W, D_p는 각각 신호의 대역 번호, 중심 주파수, 중첩 후의 중첩 주파수, 주파수 변조 형태, PRI, PRI 변조형태, 펄스폭, 신호 발생 Delay를 의미한다.

그림 9와 같이 관심 주파수 대역 F0~F2는 20~60 MHz, 대역1 F0~F1의 주파수는 20~40 MHz, 대역2 F1~F2의 주파수는 40~60 MHz 그리고 중첩 주파수 대역은 F0~F1 대역과 동일하게 20~40 MHz로 선정하였다.

Fig. 9.

Frequency band folding in simulation

필터뱅크모듈은 중첩 주파수 대역 20~40 MHz를 담당하기 위해 각 채널당 5 MHz 대역의 4개의 필터로 구현하였다. 각 필터 뒤에 폴리페이저 채널화 디지털수신기 구현하였으며 디지털수신기 1번은 20~25 MHz, 2번은 25~30 MHz, 3번은 30~35 MHz, 4번은 35~40 MHz의 대역을 담당한다.

그림 10은 주파수 대역 중첩 후 모의실험 신호들의 주파수 및 타이밍 상태를 표시한 것으로 시간 축으로는 중첩이 있는 반면, 주파수 축으로는 중첩이 없는 것을 알 수 있다.

Fig. 10.

Frequency-time diagram after frequency band folding

그림 11은 20~40 MHz 대역통과필터모듈(BPF module)의 출력 스펙트럼을 20~30 MHz 구간만 확대 전시한 것으로 모의실험 신호의 중첩 주파수(f_cf)에 해당하는 신호가 전시됨을 알 수 있다.

Fig. 11.

Spectrum in 20∼40 MHz BPF module

그림 12와 그림 13은 그림 8의 대역 비디오신호생성모듈(Band signal generation module) 및 필터뱅크모듈(Filter bank module)의 비디오 신호를 전시한 것으로 상승 에지(Rising edge) 부분은 더해주고 하강 에지(Falling edge) 부분은 빼주는 형태로 비디오 신호가 모의되도록 구현하였다.

Fig. 12.

Band video signal

Fig. 13.

Filter bank video signal

그림 12에서 위의 부분은 대역1의 비디오 신호, 아래 부분은 대역2의 비디오 신호를 전시한 것으로 대역1에 2개의 신호(S₁₁, S₁₂)가 시간적으로 중첩되고 대역2에 2개의 신호(S₂₁, S₂₂)가 시간적으로 중첩됨을 알 수 있다. 그림 13에서 위의 부분은 20~25 MHz를 담당하는 필터뱅크 1번의 비디오 신호, 아래 부분은 25~30 MHz를 담당하는 필터뱅크 2번의 비디오 신호를 전시한 것으로, 필터뱅크 1번에 3개의 신호( S₁₁, S₁₂, S₂₁)가 전시되고 필터뱅크 2번에 1개의 신호(S₂₂)가 전시됨을 알 수 있다. 여기서 대역신호의 비디오신호 상승에지 순서와 필터뱅크 비디오 신호의 상승에서 순서를 비교하면 대역이 중첩된 상황에서도 신호를 식별할 수 있다.

그림 14는 그림 8의 10 채널 폴리페이저 디지털수신기 1번의 채널 1번부터 채널 5번까지의 포락선을 검출한 것으로 1 MHz, 3 MHz, 4 MHz에 해당하는 CH 2, CH 4, CH 5에 펄스 신호(S₁₁, S₁₂, S₂₁)가 생성됨을 알 수 있다. 그림 15는 폴리페이저 디지털수신기 2번의 채널 1번부터 채널 5번까지의 포락선을 검출한 것으로 2 MHz에 해당하는 CH 3에 펄스 신호(S₂₂)가 생성됨을 알 수 있다.

Fig. 14.

Envelope of digital receiver #1

Fig. 15.

Envelope of digital receiver #2

그림 16은 대역 비디오신호의 상승 에지의 타이밍 정보를 이용하여 비디오 신호가 생성되는 대역 번호를 시간 순서대로 전시한 것이다. 그림 17은 각 디지털수신기에서 생성된 PDW의 수신기번호와 TOA를 이용하여 시간에 따른 PDW별 생성된 디지털수신기의 번호를 전시한 것이다. 그림 16 및 그림 17에 제시된 바와 같이 비디오신호분석모듈을 통해 대역 및 필터 비디오 신호를 분석하고 신호의 도착 순서를 확인하고 PDW의 생성 순서를 확인함으로써 생성된 PDW가 대역1 신호인지 대역2 신호인지 판단이 가능하다.

Fig. 16.

Band indices for signals

Fig. 17.

Digital receiver indices for PDW

PDW에 포함되어 있는 주파수 정보는 중첩대역으로 하향 변환된 주파수 값으로 생성되었으므로 이들 그림의 정보와 주파수 계획에 따른 주파수 변환 수식들을 이용하여 원래의 주파수 값으로 수정하여야 한다.

PDW가 디지털수신기 1번에서 생성되었으며 대역1의 신호인 경우는 식 (1)의 과정을 통해 주파수를 수정할 수 있으며 대역2의 신호인 경우는 수식 (1)과 식 (2)의 과정을 연속적으로 수행하여 주파수를 수정할 수 있다.

여기서 f_LO, f_PDWDR1, f_LO, f_LOBF1, f_s는 신호 중첩을 위해 사용한 국부신호 20 MHz, 디지털수신기 1번에서 생성된 PDW의 주파수, 1번 폴리페이지 필터 앞단에 사용한 국부신호 25 MHz 그리고 샘플링 주파수 100 MHz를 의미한다.

PDW가 디지털수신기 2번에서 생성되었으며 대역1 신호인 경우는 식 (3)의 과정을 통해 주파수를 수정할 수 있으며 대역2 신호인 경우는 식 (3)과 식 (4)의 과정을 연속적으로 수행하여 PDW의 주파수를 수정할 수 있다. 여기서 f_LO, f_PDWDR2, f_LO, f_LOBF1는 디지털수신기 2번에서 생성된 PDW의 주파수, 2번 폴리페이저 필터 앞단에 사용한 국부신호 30 MHz를 의미한다.

표 2는 그림 16 및 그림 17 정보를 이용하여 각 디지털수신기에 생성된 PDW의 정보를 변환하고 TOA 순서에 따라 나열한 것이다. 여기서 FBN은 주파수 대역 번호, DRN은 디지털수신기 번호, GCN은 생성 채널 번호, GF는 생성 주파수를 의미하며 마지막으로 CF는 수정된 주파수를 의미한다.

Table 2.

PDW information generated by digital receiver

모의실험의 샘플링주파수 f_s는 100 MHz이지만, 폴리페이저 디지털수신기 구현 과정에서 10 decimation을 거친 후, 10 채널의 폴리페이저 필터를 구현하였기 때문에 최종적으로 100 decimation이 된 것과 같다. 그러므로 1 tick의 값은 1μs에 해당한다. 그림 18은 최종 생성된 PDW를 기반으로 TOA에 따른 주파수 값을 2차원 그래프를 전시한 것으로 모의신호들이 정상적으로 수신되었음을 알 수 있다.

Fig. 18.

TOA-Freq. 2D graph for PDW

그림 8의 Preset Jamming Library에 입력되는 프리셋 위협 정보를 f_c= 24 MHz, f_type= Fixed, P_pri= 100μs, P_type= Stable 에 해당하는 값으로 S₁₁의 제원과 동일한 값으로 설정하고 표 2의 수정된 PDW를 매칭 알고리즘1에 입력하면 수신된 S₁₁신호와 매칭 되어 PSETTRIG가 ‘TRUE’가 되어 재밍신호가 발생됨을 확인하였다. 여기서 THF을 0.1 MHz, THP를 0.1μs로 설정하였다. 그리고 매칭 알고리즘 1에 의해 S₁₁신호가 매칭이 된 시점은 표 2에서 9번째 PDW가 생성된 시점으로 PDW의 TOA tick 기준으로 244us 정도에 해당된다.

그러므로 기존의 수 밀리초(ms)의 확장탐지시간, 수 백 개정도의 신호수집개수가 포함된 임무파일의 탐색대역정보를 기반으로 수집하여 신호를 분석하는 구조에 비해서는 빠르게 대응함을 알 수 있다.