위상 펼침 (phase unwrapping)과 최소자승(least-squares) 기법들을 이용한 기존 디지털 주파수 변별기 (Digital Frequency Discriminator: DFD) 설계를 바탕으로, 본 논문에서는 주파수 판별 대역이 4배 확장한 새로운 DFD 설계를 제안한다. 구체적으로, 주파수 판별 대역을 기존 2-6GHz에서 2-18GHz로 4배 확장함에 따라 주파수 판별 정확도를 높이기 위해 DFD 내의 지연선 수가 증가되고, 이에 따른 주파수 추정 연산량이 증가되는데, 본 논문에서는 이러한 2-18GHz 대역 주파수 판별을 위해 보다 효율적인 주파수 추정 알고리즘을 제안한다. 특히, 제안하는 주파수 추정 방법에서는 기존 방법인 위상 펼침 기법을 기반으로 펼친 위상의 후보군을 만들되, 각 지연선에서 발생할 수 있는 위상 잡음을 미리 추정하여, 적절한 펼친 위상 후보군을 선택하는 새로운 주파수 후보군 선택 방법을 제안한다. 이렇게 선택된 위상 후보군만을 최소자승 기법에 적용하여 주파수를 추정함으로써, 결과적으로 기존 DFD의 주파수 추정에 비해 연산량을 줄일 수 있다. 끝으로, 제안한 DFD에 대한 주파수 변별 방법을 비교 분석하고, 시뮬레이션을 통해 제안된 방법의 주파수 판별 성능을 검증한다.
공간상에 존재하는 전자파를 측정, 분석하여 신호정보(SIGINT; SIGnal INTelligence)를 획득하기 위해서 가장 중요한 것이 전자파의 주파수 정보이다. 특히 레이다 및 미사일에서 방사되는 초고주파 대역의 주파수를 순시 측정하는 방법으로, 지연선로의 위상차를 측정하여 주파수정보를 디지털데이터를 출력하는 부품으로 디지털 주파수 판별기(Digital frequency Discriminator; DFD)가 있다. DFD는 100nSec 이하의 짧은 시간동안에 존재하는 고주파 신호에 대해서도 초고주파신호의 주파수 정보를 실시간으로 측정하여 제공해야 한다. 본 논문에서는 광대역 4 채널의 지연선로와 코릴레이터로 구성된 고주파 입력부와 I/Q신호를 처리하여 주파수 정보를 얻어내는 디지털 처리부 및 정확한 주파수 정보를 얻기 위한 주파수 보정부로 이루어진 DFD의 구현방안을 제안하고 아주 짧은 펄스 형태의 모의 레이다 신호를 입력하여 얻은 시험결과를 토대로 설계의 타당성을 확인한다.
본 논문은 6.0~18.0 GHz 대역에서 동작하는 광대역 디지털 주파수 변별기(DFD, digital frequency discriminator)의 위상 상관기(phase correlator)를 설계하고 제작하였으며, 제작된 DFD 위상 상관기의 I와 Q 신호를 측정하고, 주파수 변별 오차를 분석하였다. 믹서형 위상 상관기의 동작 특성에 대한 해석적 관계식을 유도하였으며, 위상 상관기에 포함되는 IQ 믹서(mixer)와 8-way 전력분배기(power divider)는 RF 시뮬레이션 툴(tool)을 이용하여 모델링하였다. 설계된 위상 상관기는 제작되어 측정하였다. 제작된 위상 상관기의 I와 Q 출력신호를 측정하여 제시하였으며, 측정된 I와 Q 출력신호를 이용하여 위상오차(phase error)와 주파수 변별오차(frequency discrimination error)를 나타내었다. 위상 상관기의 평균 위상오차(phase error)는 $4.81^{\circ}$, RMS(root mean square)이고, 주파수 변별 오차는 1.49 MHz, RMS 이다.
본 논문에서는 전자전장비에 사용할 수 있는 주파수 분석의 정확도가 높으면서 소형화된 디지털주파수판별기 설계방안을 제안하였다. 전자전 장비는 레이더 신호로부터 주파수, 펄스폭, 펄스도착시간, 신호세기, 도달 방위각, 펄스 내 신호변조 등의 정보를 분석할 수 있어야 한다. 전자전장비는 레이더의 매우 좁은 펄스(100ns 이하) 신호를 분석 할 수 있어야 한다. 따라서 전자전장비는 특별한 형태의 수신기 구조가 필요하며, 주파수 측정을 위하여 순시주파수측정방식 구조의 설계가 일반적으로 사용된다. 이 중 대표적으로 사용되는 방식이 디지털주파수판별기다. 기존 디지털주파수판별기는 회로 소자가 개별부품으로 구성되어 부피와 중량이 크며, 고가인 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 기존의 디지털주파수판별기는 4개의 지연선($1{\lambda}$, $4{\lambda}$, $16{\lambda}$, $64{\lambda}$)을 사용하는 반면, 제안한 디지털주파수판별기는 3개의 지연선($1{\lambda}$, $4{\lambda}$, $16{\lambda}$)을 사용하였으며, 국내에서도 비약적인 발전을 하고 있는 마이크로 집적회로 기법으로 설계하였다. 주파수 정확도를 향상하기 위한 방법으로 신호세기 검출과 온도보정을 실시하였다. 제안한 디지털주파수판별기는 실험결과 1.5MHz 이하의 높은 주파수정확도를 가지는 것을 확인하였다. 이것은 국외 도입되는 디지털주파수판별기보다 우수한 성능을 가진다고 볼 수 있다.
In this paper, design, simulation, fabrication method, and measured results of a digital frequency discriminator(DFD) operating in E, F, and G band are introduced. We describe the direct conversion scheme(DCS) with microwave integrated-circuit(MIC) developed for the small-area and high-speed system. When the input signal is the pulse with a pulse width of 100 ns, accuracy of frequencies measured by the DFD has 1.335 MHz RMS at no noise and 2.64 MHz RMS at signal-to-noise(S/N) ratio within 3 dB in E, F, and G band, which nearly satisfy the specification of 2.5 MHz RMS.
An engineer prefers DIFM receiver which is superior to instantaneous response rather than superheterodyne receiver which has a scan rate in normal wide band receiver designing. But DIFM receiver has weak point in sensitivity and continuous wave signal because of special environments. In this paper we propose the method which is certificated through simulation and prototype testing to improve sensitivity of DIFM receiver. And we analyze the important factors of DIFM receiver from our results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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