앞으로 21세기 기술선도사업으로 고속성 및 병렬성의 장점을 지닌 퓨리에 광 신호처리 기술은 광통신 기술, 광소자 기술등과 병행하여 미래의 종합 정보통신 시스템에서 커다란 비중을 차지할 것으로 예상되며 특히, 자동감시, 로보트 비젼등 산업적 응용분야뿐만 아니라, 미사일 유도, 자동표적 인식 및 추적등의 분야에서 첨단기술로서 그 응용이 크게 기대되어 이에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
향후 다양한 무선 통신 규격들의 통합 수용을 위한 SDR (Software Defined Radio) 기술이IMT-2000 이후의 4세대 이동 통신 시스템을 위한 핵심 기술로써 심각하게 고려되고 있다. 이에 부응하여 SDR기반의 멀티모드용 통신 시스템을 구성하기 위한 주요 기술로서 디지털 IF 기술에 대한 필요성이 급속도로 고조되고 있는 상황이다. 최근 ABC/DAC 및 범용 디지털 신호처리 소자들의 고속화 및 고성능화로 인해 If (Intermediate Frequency) 대역과 기저대역 신호들 간의 직접 디지털 변환의 구현이 현실화되고 있다. 사용자의 관점에서 국지적으로 상용화되고 있거나 장래에 출현할 다양한 이동 통신 시스템 규격들 및 이에 대해 사업자들에게 할당되는 주파수 대역들이 서로 다른 점을 고려할 때, 이종 시스템 혹은 사업자들에게 할당된 주파수 대역에 구애받지 않고 언제 어디서나 자유롭게 무선 채널을 엑세스하고 또한 특정 채널을 임의로 선택하기 위한 디지털 If기술의 실현이 필수적이다 이러한 SDR기반 디지털 If 기술은 소프트웨어적으로 재구성 가능한 하드웨어 구조를 요구하며, 특정 이동 통신 규격의 물리 계층만을 지원하는 무선 인터페이스가 아닌 다중이동 통신 모드를 지원할 수 있는 유연성이 가미된 채널화 알고리즘이 필요하게 된다. 따라서 디지털 If기술은 무선 인터페이스 처리 부분, 즉 주파수 상 하향 변환 및 채별 선택 조합을 용도에 맞게 단일의 하드웨어 플렛폼 상에서 고속 디지털 신호처리 알고리즘을 기반으로 동작하기 위한 기능을 필연적으로 요구한다. 본 논문에서는 향후 SDR 기반의 기지국 및 단말기 운영 및 구생 모델을 제시하며, 디지털 If에 대한 필요성 및 동작 원리, 그리고 요소 기능들에 대한 구체적인 동작 원리 및 디지털 If와 더불어 활용 가능한 기술에 대하여 논의한다.
근본적으로 방대한 양의 실시간 연산을 요구하는 영상 신호처리, 소나, 레이다와 같은 시스템에서는 시스템의 성능을 최대화하기 위해 병렬 신호처리 시스템의 사용이 불가피하다. 본 논문은 방대한 양의 데이터를 실시간으로 처리할수 있는 병렬 신호처리보드를 설계 및 구현하였다. 이 보드는 DSP칩간의 통신과 보드간의 통신이 가능하며, DSP칩이 마스터가 되어 EMIF(External Memory Interface Port)포트를 통해 다른 DSP칩의 지역메모리를 액세스 할수 있다. 또한 외부의 호스트 프로세서가 보드 내의 DSP칩에 프로그램을 다운로딩 할수 있다. 보드간의 통신은 PCI 버스를 통하여 이루어지며, DSP칩간의 통신과 DSP칩과 그의 지역메모리와의 통신은 지역버스를 통해 직접적으로 이루어진다. 보드에서 가장 핵심인 DSP-to-PCI제어기는 하드웨어 언어인 VHDL로 설계하였으며, 시뮬레이션 환경은 Synopsys & ALTERA MaxplusⅡ를 사용하여 검증하였으며, 최종적으로 CPLD(Complex Programable Logic Device)칩을 사용하여 구현하였다.
망막 촬영 및 다채널 고속 영상 획득 시스템을 개발하였다. 망막 두께 측정은 망막을 3차원으로 촬영하고 고속으로 신호처리를 할 수 있는 시스템을 요구한다. 망막에 레이저를 투사한 후에 반사되어 돌아오는 레이저의 양을 array photo diode를 이용하여 감지하며 이를 3차원 영상화하여 망막의 두께를 측정할 수 있다. 망막에 레이저를 투사하는 장치, APD 광센서를 이용한 망막 영상화 장치, 다채널 고속 A/D 변환장치 및 PCI 인터페이스를 개발하였다. polygon mirror와 galvano mirror를 이용하여 HeNe 레이저 빔을 각각 수평방향과 수직방향으로 주사하여 이미지 평면을 만들어 망막에 투사하였다. APD 어레이 광센서를 이용하여 각 층별로 나타나는 망막영상을 획득하였으며, 이를 실시간으로 A/D 변환하여 PCI 버스를 통해 컴퓨터로 전송하였다.
본 연구에서는 방대한 양의 데이터를 실시간으로 처리하기 위한 병렬 고속 디지털 신호처리시스템을 제안한다. 시스템의 성능을 평가할 수 있는 확률적인 분석방법을 제시하며, FFT 와 같이 보드간 또는 프로세서간 통신부담이 많은 알고리즘과 행렬연산과 같이 통신부담이 적은 알고리즘에 적용하여 본다. 제안한 시스템의 다양한 구성에 대하여 두 가지 알고리듬의 성능을 확률적 방법으로 평가하였으며, 그 결과는 알고리즘 분석에 듸한 성능수치와 근접함을 확인하였다. FFT는 프로세서 개수가 증가해도 보드수가 많아지면 성능이 감소하였으며, 행렬연산은 프로세서 개수에 비례하여 시스템의 성능이 선형적으로 증가함을 확인하였다.
본 논문에서는 저전력, 저복잡도 시스템 구현이 가능한 noncoherent IR-UWB (Impulse-radio-based Ultra Wideband: IR-UWB) 무선 통신 시스템을 위한 신호처리부 기술을 제안한다. 제안된 시스템은 OOK(On Off Keying) 변복조 기법을 사용하며, 에너지 검출 기반으로 임펄스 신호를 복원하는 Noncoherent 방식을 사용한다. 특히, 극초단의 펄스 신호를 디지털 신호로 변환하기 위하여 상대적으로 낮은 기준 클럭을 이용하여 나노초 펄스를 검출해 내는 새로운 고속 디지털 샘플러 기술을 제안한다 또한, 데이터 프레임 송수신을 위하여 Turyn 코드를 사용하였으며, 에러 정정을 위하여 길쌈코드를 사용하였고, 수신부에서는 비터비 디코더를 사용하였다 제안된 Noncoherent IR-UWB 시스템의 신호처리부 검증을 위하여, 근거리 고음질의 MP3 데이터 전송 시스템을 설계하였다. 제안된 신호처리부 기술은 FPGA 레벨에서 실제 구현하였으며 각각의 기능 동작을 검증하였다.
최근 차량 충돌 방지를 위한 다양한 기술이 상용화되고 있다. FMCW 기반의 레이더 시스템은 구현의 용이성으로 많은 상용차에서 전면 충돌 방지 시스템에 적용되고 있다. 측면 충돌 방지를 위한 BSD(Blind Spot Detection)와 차선변경 보조 시스템(LCA, Lane Change Assistant system)에서는 전방 레이더보다 인식거리가 줄어들고 갱신율이 낮아지므로 고속 FFT 등을 수행하는 신호처리부를 저가격으로 설계가 가능할 것이다. 본 연구에서는 TI사의 MCU인 F28335를 사용하여 근거리를 인식하는 신호처리부를 설계하였다. 이 MCU는 16채널 12bit ADC와 68KB RAM 및 512KB 플래시 메모리를 내장하고, 150MHz 부동소수점 연산을 지원하여 단일 칩으로 신호처리부의 구현이 가능하다. 구현된 시스템은 20m내외의 거리에 있는 장애물에 대하여 10Hz로 갱신이 가능하여 BSD를 위한 기본 기능이 확인되었다. 이러한 구현은 이전의 고가의 DSP나 FPGA를 사용하지 않고 15$이내의 단일 MCU와 간단한 아날로그 회로로 설계되어 저가격의 시스템으로 상용화가 가능할 것이다.
본 논문에서는 FPGA와 Nor-Flash를 사용하여 컬러 라인 스캔 카메라를 위한 고속 신호처리 하드웨어 시스템을 구현하였다. 기존의 시스템에서는 소프트웨어를 기반으로 한 고속 DSP가 적용되어 왔고 주로 RGB 개별 논리에 의해 결함을 검출하는 방법이었지만 본 논문에서는 RGB-HSL 변환기, FIFO, HSL 풀-컬러 결함 디코더 및 이미지 프레임 버퍼로 구성된 하드웨어 기반의 결함 검출기를 제안하였다. 결함 검출기는 RGB에서 HSL로의 색상 공간 변환을 위한 하드웨어 기반 룩업테이블과 4K HSL 풀-컬러 결함 디코더로 구성되어 있다. 또한 단일 라인 데이터 기반의 로컬 픽셀 처리 대신 2차원 배열 구조의 이미지 단위 처리를 위해 라인 데이터 축적용 이미지 프레임을 포함한다. 설계된 시스템을 기존의 곡물 선별기에 적용하여 땅콩을 대상으로 선별해 본 결과 효과적임을 알 수 있었다.
현재 무선 이동통신의 발달로 고속 신뢰성 높은 데이터 전송을 요구하고 있다. 그러나 무선 이동통신 환경은 데이터 전송 시 지연과 간섭 등에 의해 주파수 선택성 페이딩을 가진다. OFDM은 주파수 선택성 페이딩에 영향을 받는 통신 시스템에서 채용되는 강력한 기술이다. OFDM에 적응 변조와 함께 송수신기에 다중의 안테나를 설치함으로서 채널 지연 확산에 강력히 대응한다. 본 논문의 연구는 MIMO 시스템에 적용된 적응 변조를 가진 OFDM이다. OFDM 각 서브채널의 상태에 따라 최적의 비트값을 할당하고 전력을 제어한다. 본 논문에서 제안한 적응비트로딩 MIMO-OFDM 시스템을 사용하면 현재의 시스템보다 더 좋은 BER을 가지며 고속 통신할 수 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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