2개의 안테나 소자를 갖는 Time-Modulated Array와 하나의 USRP를 이용한 실시간 방향탐지 시스템의 구현

Ⅰ. 서 론

최근 전 세계적으로 RF(Radio Frequency) 스위치의 제 어로 빔포밍(beam forming), 부엽 억제(side lobe suppression), 방향탐지(direction finding) 등 다양한 배열 안테나 기능을 수행할 수 있는 Time-Modulated Array(TMA)에 대 한 관심이 높아지고 있다. TMA 개념은 1950년대에 처음 소개되었으나, 당시 RF(Radio Frequency) 스위치 구현의 한계 등 여러 문제로 인해 위상배열안테나(phased array antenna)에 비해 상대적으로 연구가 미약하였다. 하지만 최근 RF 스위치 및 신호처리 기술의 발전으로 복잡한 위 상배열 안테나를 대체할 수 있는 TMA가 새롭게 조명을 받고 있다^[1]～^[4].

본 연구는 TMA의 응용 중 하나인 방향탐지에 관한 것 이다. TMA를 이용한 방향탐지 시스템에 대한 연구는 2007년 Tennant가 참고문헌 [3]에서 최초로 2개의 안테나 와 1개의 RF 스위치만을 가지고도 정밀한 방향탐지가 가 능함을 제시하였고, 참고문헌 [4]에서는 스펙트럼 분석기 를 이용한 결과를 제시한 바 있다. 하지만 실시간으로 동 작하는 방향탐지 시스템을 구현한 연구는 발표된 바가 없다. 이에 본 연구에서는 참고문헌 [3]과 [4]에서 제시한 방법을 기반으로 2.4 GHz ISM(Industrial, Scientific, and Medical) 대역에서 동작하는 TMA 기반 실시간 방향탐지 시스템을 구현하였다. 구현된 시스템은 2개의 상용 안테 나, 자체 제작한 RF 스위치 보드 및 범용 SDR(Software Defined Radio) 보드인 USRP(Universal Software Radio Peripheral)로 구성되며, 이를 LabVIEW 프로그램으로 연 동하여 실시간으로 특정 신호원의 입사 각도를 탐지할 수 있도록 하였다.

본 논문에서 구현된 방향탐지 시스템은 기존의 다중 수신기 기반 방향탐지 시스템보다 간단한 하드웨어를 가 질 뿐만 아니라, MUSIC, ESPRIT 등 복잡한 알고리즘 없 이 스위칭 주파수의 주엽 및 첫 번째 부엽 성분의 크기만 을 비교함으로써 실시간으로 신호원의 방향을 확인할 수 있어 상용화에 장점이 있다.

Ⅱ. TMA 방향탐지 이론

TMA 기반 방향탐지 시스템의 구성은 그림 1과 같다. 두 개의 수신 안테나는 Duty Cycle(DC) 50 %인 구형파 제어신호를 입력으로 하는 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치에 연결되어 번갈아가며 신호를 수신하게 된다. 스위치의 출력은 USRP에 의해 기저대역으로 주파수 천이 된다. 이 때 스위칭 주파수 F_P에 따라 부엽(sidelobe)이 발생하게 되는데, 이 부엽과 주엽(mainlobe)의 상대적인 크기의 비교를 통해 외부 신호원의 입사방향을 계산할수 있다. 방향 계산은 LabVIEW 프로그램에 의해 실시간 으로 이루어진다. 따라서 기존의 다중 수신기나 MUSIC 등 복잡한 신호처리 알고리즘이 필요 없다.

방향 탐지할 특정 신호원이 F_c의 동작주파수를 갖는 CW(Continuous Wave) 신호라고 할 때, 두 안테나와 SPDT 스위치를 통해 수신된 신호 s(t)는 식 (1)과 같다.

SPDT 스위치가 주기 T_P를 가지고 50 %의 DC로 조절 된다면 U(t)는 식 (2)와 같이 표현된다.

여기서, K는 파수(wave number), D는 두 안테나 사이의 간격, 그리고 θ는 신호원과 두 수신안테나 간의 각도이다. 식 (2)에서 U(t)의 크기는 언제나 1로 일정하며, SPDT 스위치에 따라 결정되는 두 수신 안테나의 간격 때 문에 위상차가 발생하게 된다. 식 (2)에서 U(t)는 주기함 수이므로 푸리에 급수(Fourier series)로 표현 가능하며, 이 는 식 (3)과 같다.

여기서 a_k 는 푸리에 계수로 식 (4)와 같다.

식 (4)에서 k=0인 경우, DC에서의 주엽(a₀), k=1인 경 우 스위칭 주파수에서의 첫 번째 부엽(a₁)이 된다. 이제 a₁ 을 a₀ 로 나누면 식 (5)와 같다.

식 (5)를 θ에 대해 정리하면 식 (6)과 같이 주엽과 부엽의 상대적 크기를 통해 두 안테나와 신호원이 이루는 입 사 각도를 계산하는 것이 가능하다.

Ⅲ. 방향탐지 시스템 설계 및 실험결과

본 연구에서 설계한 안테나 스위치 회로는 그림 2와 같 다. SPDT RF 스위치는 3.3 V에서 동작하는 PE4251MLI-Z 를 사용하였고, 안테나는 2.4 GHz 대역 상용 모노폴 안테 나로 두 안테나의 간격 D는 2.4 GHz에서 0.5 λ의 값을 갖 도록 하였다. SPDT 스위치 구동은 파형발생기(Function generator)로 Agilent사의 33220A를 사용하였다. 파형발생 기의 구형파 신호가 3.3 V일 때 첫 번째 안테나의 신호가 수신되고, 구형파 신호가 0 V일 때는 두 번째 안테나의 신호가 수신된다. 주파수 하향변환을 위해 NI사의 USRP-2922를 이용하였다. 주파수 변환된 기저대역 신호는 이더 넷을 통해 호스트 PC 상의 LabVIEW로 전송된다.

식 (6)의 계산은 PC 상의 LabVIEW에서 이루어진다. 그 림 3과 같이 프로그램 상에서 USRP를 구동하기 위한 파 라미터로써 캐리어 주파수(carrier frequency), IQ rate, 샘플수 등을 지정한다. USRP를 통해 수신된 신호는 먼저 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)되며, 변환된 신호의 파워스펙트럼으로부터 가장 큰 신호인 a₀ 와 그 다음큰 신호인 a₁ 을 탐지하고, 이를 식 (6)에 대입하여 신호원과 두 안테나가 이루는 방향 각도를 계산하게 된다. 이 때, USRP의 IQ rate는 200 k Sample/sec, 샘플 수는 200 k개로 설정하였다. 계산 결과는 그림 3의 오른쪽 하단의 각도 표시기에 실시간으로 표시된다.

제안한 방향탐지 시스템의 방향탐지 성능을 알아보기 위해 그림 4와 같이 실험장치를 구성하였다. 먼저 안테나 가 부착된 TMA 회로를 책상 위에 고정하였다. 다음으로 신호 발생기를 안테나에 연결해 TMA시스템과 50 cm 떨 어지게 하였다. 신호발생기를 통해 발생되는 신호는 중심 주파수 2.4 GHz의 CW 신호이며, 신호의 크기는 0 dBm으 로 설정한 후 거리 50 cm를 유지하며, 각도를 변경하면서 방향탐지 능력을 확인하였다.

그림 5의 (a), (b), (c) 및 (d)는 각각 0°, 10°, 20°, 그리고 30°에서의 주파수 스펙트럼을 나타낸다. DC에서 주엽 a₀ 가 발생하고, 스위칭 주파수 F_P가 1 kHz인 경우, 1 kHz 단 위마다 부엽이 발생함을 확인할 수 있다. 그 외 작은 피크 신호들은 랜덤하게 발생하는 노이즈나 본 알고리즘은 가 장 큰 신호인 a₀ 와 그 다음 큰 신호인 a₁ 만을 이용하여 계산하므로 방향탐지 능력에 영향을 주지 않는다. 방향탐 지 실험은 0°에서 5°씩 증가시키며 10번 실시하였고, 그 평균값을 표 1에 나타내었다. 구현된 방향탐지 시스템은 최대 4° 이내에서 방향을 탐지할 수 있음을 확인하였다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 TMA를 이용한 실시간 방향탐지 시스 템을 구현하였다. 구현결과 기존의 방향탐지 시스템에 비 해 간단한 하드웨어 및 소프트웨어 구성으로 정확한 방 향탐지 기능을 갖는 시스템을 구현할 수 있었다. 향후 다 중 신호 및 특정 변조신호를 갖는 일반 신호원을 방향탐 지 하는 시스템으로 확장할 계획이다.