신호 저장 장치(Signal Recorder)

다음의 글은 ELINT나 다른 신호 수집 체계에서 사용되는 신호 저장 장치(Signal Recorder)에 대한 내용으로 "Journal of Electronic Defense"에 게재된 글을 정리한 것이다.

주로 신호 저장 장치의 특징과 어떤 부분이 중요 고려사항 인지에 대한 내용이다.

 

(RC-135V/W Rivet Joint)

 

[신호 저장 장치의 특징]

레이다나 전자전, 지상 또는 우주 통신, SIGINT, 그리고 항법 시스템을 설계하고 검증하기 위해 많은 양의 데이터를 통해 신호의 스펙트럼 특성을 완전히 이해하는 것은 매우 중요한 부분이다.

이를 위해 과거에는 덩치가 큰 계측기 및  관련 하드웨어가 요구되었으나 오늘날의 RF와 디지털 기술의 발전으로 아주 작은 신호 저장 장치를 통해 더 우수한 성능을 가질 수 있게 되었다. 

  

관심 신호나 간섭 신호 또는 알수 없는 곳에서부터 방출되는 신호, 적의 의도된 방출 신호등은 기존의 측정 장치로 저장하는 것이 더욱 어려워지고 있다.

이러한 관심 대상 신호는 언제 발생 할 지 그리고 어디서 얼마나 오래 동안 발생할지 예측하는 것이 어렵다. 이런 신호를 완전히 이해하기 위해서는 수 초나 수 분 또는 심지어 하루 동안 수집을 하고 저장하여야 가능할 수 있다.

예를 들면, 매우 복잡한 RF 환경에서 수신기가 동작하면 신호대 잡음 비(SNR)가 불규칙하게 저하될 수 있다.

이러한 일은 불규칙하게 발생하므로 장시간 신호를 저장하는 것이 필요하다.

또한, 캐리어를 포함한 수신 주파수는 신호 분석기의 샘플링 대역밖에 존재할 수 있으므로 다중 채널과 싱크화 된 저장 장치가 반드시 필요하게 된다.

 

국방 분야에서 이러한 능력은 더욱 필수적이다.

공중에 있는 아날로그 신호를 탐지하여 디지털 형식으로 변환하고 이를 안전하게 저장하는 것은 첫 번째 일일 것이다.

이후 엄청나게 많은 데이터 속에서 특정 신호를 찾아내고 그 특성을 알아내기 위해 재구성하며 이미 알려진 위협 신호 특성과 비교를 하게 된다.

이러한 분석 결과에 따라 신호가 수정되고 재밍 알고리즘을 만들 수 있게 된다.

높은 정확도로 이러한 일을 수행할 수 있는 능력은 적의 레이다와 통신 시스템 그리고 재머를 식별하고 무력화 시킬 수 있는 강력한 도구가 될 수 있다. 

 

신호 저장 장치는 매우 유용한 스펙트럼 관리 장치이기도 하다.

왜냐하면 스펙트럼 분석기는 작은 내부 저장 장치를 가지고 있는 반면에 신호 저장 장치는 일반적으로 PCI Express를 통해 큰 용량의 저장 장치와 연결될 수 있어 수 시간이나 하루 이상의 데이터를 저장할 수 있다.

이러한 시스템은 겹치지 않거나 인접해 있는 두 개의 대역으로 조정하여 동시에 100%의 확률로 신호 저장이 가능하다.

또한, 두 개의 안테나와 연결된 이중 채널 저장 장치는 위치 정보(geo-location)도 제공이 가능하다.

  

이중 채널 저장 및 관리 장치가 간섭 문제를 분류하는 것은 매우 중요한 분야이다.

간섭을 주는 송출원을 추적할 때에 서로 다른 파워 레벨의 다중 송신기가 존재하고 심지어 방사 스케쥴이 예측이 불가하다면 매우 어려운 문제가 된다.

이를 해결하려면 시간 동기화한 다중 대역 저장 그리고 주변 RF 환경을 재생성하여 한 채널의 재생을 다른 채널과 연계하면서 이동시키는 것이 필요하다.

 

고급 신호 처리 툴은 저장된 raw 데이터를 유용한 정보로 바꿔준다.

예를 들면, 많은 데이터속에서 특정 신호의 움직임을 찾는 능력은 시스템 엔지니어나 신호 분석가에게 시스템이 정상 동작하였는지 아니면 어떤 문제가 있거나 원치 않는 RF 방사가 이뤄졌는지 확인하는 데에 필수적인 도움을 준다.

특히 위협- 대응 상호 작용을 처리할 때에 이러한 신호의 특성을 처리하는 것에는 펄스 폭, 펄스 반복 주기, 변조 형태, 주파수 민첩성과 다른 여러 신호 파라미터, 시간과의 연관성 검사가 포함된다.

 

(노르웨이의 Marjata IV SIGINT 선박은 많은 raw 신호를 수집하여 저장한다.)

 

추가적으로, 신호 저장 장치에는 메타데이터를 첨부할 수 있으며 이를 통해 특정 RF 이벤트와 연관되는 정확한 시간 정보를 알 수 있다.

그리고 신호 저장 장치는 도구 셋팅이나 소프트웨어, 펌웨어 버전 정보와 같은 도구들이 있어서 사용자가 서로 다른 시간대에 저장된 데이터를 이해하는데 도움을 준다.

또한, 오리지널 신호나 변형된 신호를 재생할 수 있어야 하는데 예를 들면 레이다 경보 수신기나 다른 시스템이 얼마나 잘 동작하였는지 확인할 때에 수 시간 동안 저장된 데이터에서 이러한 신호의 재생이 요구된다. 

 

이러한 분야에 최신의 신호 분석기나 실시간 스펙트럼 분석기가 적합하지 않은 것에 대해 의아해 할 수 있을 것이다.

이러한 분석기는 스펙트럼이 윈도우 상에 보일 때에 상당히 높은 신뢰성을 가질 수 있다.

또한 실시간으로 디지털 입력 신호를 디지털 I&Q 신호 샘플로 변환할 수 있으며 꽤 넓은 주파수 대역에서 상세한 시간으로 잘라진 주파수 스펙트럼을 볼 수 있다. 

그러나 프로세싱 로드와 활용 가능한 메모리의 제한은 시간을 몇 초 또는 그 이하로 제한시킨다.

그리고 한 번 분석기가 “변형과 시현” 처리과정을 시작하면 이 일이 끝날때 까지 다른 처리가 불가능하다. 이 의미는 긴 시간의 RF 신호 스트림은 완전한 저장이 불가하여 중간의 이벤트를 잃어버릴 수 있다는 것을 의미한다.

이러한 시스템은 또한 다른 큰 저장장치에 데이터를 전송할 수 있는 설계가 되어있지 않다.

결과적으로 신호 저장 장치는 신호 분석기나 스펙트럼 분석기와 유사한 기능 수행을 목적으로 설계되었지만 이 둘이 가지고 있지 않은 활용분에 대한 설계가 포함되어 있다. 

 

 

[신호 저장 장치의 수신 대역폭에 대한 고려]

대부분의 신호 저장 장치의 순시 대역 폭은 수백 MHz에서 최소 6 GHz 정도 되며 몇몇 신호는 더 넓은 주파수 범위에서 캡처된다.

이러한 넓은 대역폭은 신호 저장 장치의 중요 특징 중 하나이다.

그러나 대부분의 다른 활용 분야에서는 이렇게 넓은 스펙트럼을 저장하는 것은 그렇게 중요한 장점이 되지 않으며 심지어는 몇몇의 이유로 단점이 되기도 한다.

 

가장 중요한 것은 스퓨리우스 신호가 없는 동적 범위(SFDR, Spurious-Free Dynamic Range)이다.

모든 신호 저장 장치는 가능한 많은 SFDR 확보를 위해 노력하고 있다.

높은 재밍대 신호 비(JSR, Jam-to-Signal Ratio)를 갖는 전자전 환경에서 SFDR은 매우 중요한 부분이다.

그리고 ADC, direct conversion, 저잡음 증폭기(Low noise amplifier), preselector filter도 중요하지만 결국은 더 높은 동적 범위를 달성하는 것이 중요하다.

그래서 preselector, 맞춤형 저잡음 중폭기, triple conversion superheterodyne 구조, 높은 SFDR의 ADC, 그리고 낮은 위상 잡음의 clock이 요구된다.

 

수년 동안 신호 저장 장치를 개발해온 Pentek사의 부사장인 Rodger Hosking은 다음과 같이 말했다.

“어느 수신기나 높은 성능을 달성하는 것은 trade-off 가 있다.

예를 들면, 매우 넓은 대역폭 수신을 원하면 ADC는 밀려오는 너무 많은 양의 데이터에 압도될 것이고 정확한 처리가 불가능해진다.

그러면 ADC는 과부가가 걸리고 신호를 잘라내기 시작하여 전체 주파수를 디지털화하는 것이 불가능해진다.

전체 입력 범위가 +/- 1V의 ADC가 있다고 가정할 때에 이 보다 큰 신호가 들어오면 ADC의 과부하로 인해 상호변조 왜곡(intermoulation distortion)이 발생하고 관심 있는 신호가 마이크로볼트 수준의 작은 신호라면 이렇게 작은 신호를 탐지해내는 것이 불가능해진다. “

한 가지 솔루션은 수신 전단에 RF 튜너를 사용하거나 조정 가능한 대역통과 필터를 사용하여 대역폭을 줄이고 특정 주파수로 한정하는 것이다.

그러나 이 역시 만약 신호가 조정되지 않은 대역에서 나타난다면 이런 신호는 놓치게 된다.

즉, SIGINT 분야에서 관심 있는 신호는 알려져 있지 않은 신호이고 이런 신호가 대역 통과 필터의 사이 대역에 존재한다면 이를 탐지하는 것은 불가능하다.”

이런 대역폭을 줄이는 것에 있어 다른 해결책이 있을 수 있다.

만약 관심 있는 신호가 나타나는 시간대를 예측할 수 있다면 이 시간대만 저장을 하면 된다.

그러나 시간이나 날자를 잘라내는 것은 오리지널 신호의 신뢰성을 저하시키기 시작한다고도 할 수 있다.   

이렇게 넓은 대역에서 신호를 캡처하는 것은 어떤 분야에서는 매우 중요하지만 다른 분야에서는 더 어렵게 하는 것이기도 하다.

더 넓은 대역폭이 더 좋다고 일반적으로 생각하지만 혼잡하지 않은 2 GHz 대역의 신호 저장은 그렇게 유용하지 않으며 다른 대역에서 활용되어야 할 동적 범위를 소모하는 경우가 된다.

SFDR은 단지 좋은 ADC에 관한 문제가 아니며 실제 동적범위를 사용하는 대역이 관심 있는 신호 대역인지를 결정하는 것이 더 중요하다.“

 

[대량의 데이터 관리]

신호 데이터를 캡처한 후에 다음 단계는 이렇게 많은 데이터를 어떻게 저장하고 분석하느냐 하는 것이다.

신호 저장 장치의 내부 RF 신호 스트리밍은 RAID(Redundant Array of Independent Disk)의 개별 드라이브로 전달되는 데이터 스트림으로 구성된다.

가장 중요한 구성품은 FPGA이며 저장과 재생을 위한 시스템 제어와 형상을 제어하는 역할을 한다.  

 

[신호 저장 장치 고려 항목]

신호 저장 장치를 평가할 때에 몇 가지는 중요하게 고려되어야 한다.

첫 번째는 넓은 대역을 동시에 캡처할 수 있는 능력과 높은 SFDR을 제공할 수 있어야 한다는 것이다.

대부분의 응용분야에서 관심 있는 신호를 캡처할 수 있는 넓은 대역폭이 요구되며 높은 SFDR은 필수적이라 할 수 있다.

 

저장 시간은 시스템의 메모리에 의존하며 많을수록 좋다. 

 

한 채널 저장/재생 방법은 관심 있는 신호원을 특정 짓는 데에 충분하다.

그러나 때때로 한 번에 하나 이상을 모니터링해야 하는 경우가 있다.

위성의 업링크와 다운링크가 한 예이다.

두 채널 간의 동기화 측정을 통해 신호 방출 시간을 상호 연계시킬 수 있으며 넓은 지역에 떨어져 있는 데이터를 수집하는 임무의 경우 GPS와 타이밍을 연계하기 위해 많은 채널이 요구되기도 한다.  

 

메타데이터는 IQ 데이터 스트림에 관심 이벤트가 발생했을 때에 각각의 샘플을 마킹할 수 있으며 긴 시간의 저장에는 반드시 필요한 부분이다.

예를 들면 무기 시스템이 모드를 변경했거나 파워의 문턱 치를 넘어가는 순간을 파악할 때에 매우 유용하다.

만약 이러한 이벤트 라인이 활용 가능하다면 시스템은 훌륭한 데이터 마커라 볼 수 있다.

또한, I/Q 데이터 세트를 볼 때에 언제 데이터가 가져와졌고 어떤 특정 툴이 사용되었는지를 아는 것이 중요할 수 있으며 이러한 정보도 메타데이터에 포함된다.

 

신호 저장 장치의 사용자 관점에서는 어떤 타입의 데이터 분석 툴이 활용 가능한지를 고려해볼 필요가 있다.

어떤 제조사는 저장 장치 내부 또는 외부 PC에 있는 그들만의 자체 솔루션을 제안할 수 있다.   

 

마지막은 진짜 안 좋은 솔루션은 없다는 것이다.

사용자의 임무에 가장 적합한 장치가 있을 뿐이며 그렇기 때문에 비싸고 기능이 많은 저장 장치가 꼭 가장 좋은 선택이 아닐 수 있다.

 

 

[SSD(Solid-State Drive)]

SSD의 가격은 낮아지고 있지만 성능은 증가하고 있으며, 많은 양의 데이터를 저장하기 위해서는 이러한 장치들의 조합이 요구된다.

예를 들면, 100 MHz의 대역폭을 16 bit로 10분 동안 I/Q 신호 스트리밍을 저장하면 300 기가바이트의 데이터가 생성된다.

250 MHz 대역 (또는 300 Msamples/sec)에서 1초는 1.2 기가바이트의 저장 공간을 요구한다. 

 

방산 시스템에서 SSD의 가장 큰 장점은 진동과 충격에 강하는 것이며 구형의 저장 시스템에서는 회전 장치를 이러한 영향으로부터 보호하기 위해 보호장치가 별도로 필요했었다.

이러한 요소는 시스템의 크기를 키우고 비용을 높아지게 했다.

그렇기 때문에 SSD는 자연스럽게 매우 유력한 대안이 되었다.

 

4개 또는 8개의 테라바이트 SSD를 하나의 로지컬 드라이브로 만들어 SSD는 매우 빠른 속도로 저장을 할 수도 있다.

또한, NVMe(Non-Volatile Memory Express standard]를 SATA(Serial Advanced Technology Attachment) 대신 사용하여 RAID controller와 동일한 PCE Express 인터페이스를 사용할 수 있게 할 수 있으며 이를 통해 효과적으로 컨트롤러를 삭제하고 데이터 드라이브 속도를 높일 수 있다. 

 

SSD는 움직이는 부분이 없으므로 기계적으로 내구성이 우수한 반면에 SSD 메모리 셀에는 데이터 쓰기 횟수에 제한이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 SSD는 마이크로 컨트롤러를 포함하고 있으며 이를 통해 셀에 얼마 큼의 쓰기가 있었는지 추적하고 적게 쓰인 셀에 쓰기를 할당하는 동작을 수행한다. 

 

 

[유한한 스펙트럼]

수백 개 또는 그 이상의 신호가 작은 스펙트럼 범위에서 나타나는 전파 환경은 이제 100 MHZ에서 3 GHz 대역에서 기본이 되었다.

이 영역 내에는 신호가 밀집해 있어서 별도의 필터링 없이 관심 있는 신호를 찾는 것은 거의 불가능하다. 

이러한 현상은 이제 7 GHz 주파수 대역에서도 나타난다.

 

이러한 주파수들 사이에서 짧은 기간 신호를 캡처한 결과는 항법신호부터 AM, FM, 단파, TV 방송파 그리고 아마추어 무선국, 산업/과학/의료 Wi-Fi, 블루투스, loT에 사용되는 단거리 전파, 무선 전화기, 항공전자, 군사 시스템, 상업 무선 네트워크, GPS, 레이다와 위성 통신 시스템에 이르기까지 수만 개의 신호가 될 것이다.

일반적으로 대부분은 스펙트럼을 할당받은 합법적인 신호이다.

그러나 일부는 출처가 알려지지 않은 확인되지 않은 신호일 수 있다. 

몇몇의 경우에서, 간섭신호는 합법적인 낮은 주파수 시스템에서의 오작동에 의한 하모닉이나 스퓨리어스 신호이다.

그러나 다른 경우에는 의도적으로 합법적인 신호 밑에 숨겨져 있는 신호일 수 있으며 주파수 확산 기법을 사용하면 신호 분석이 매우 어려워진다.

대부분의 어려운 부분은 신호가 불규칙하게 나타나거나 잠시 나타나는 경우이며 그렇기 때문에 이들의 특성을 충분히 관찰할 수 있는 것이 필수적이다. 

 

[관심이 높아지는 밀리미터파 대역]

자동 주행 차량이 등장했고 이것들은 차량 간이나 카메라와 레이다 같은 장비 연결에 의존한다.

다시 말해 8 GHz 대역 이하까지 점유될 날이 멀지 않았다는 것이다.

상업과 군사 통신 시스템 개발을 지속하기 위해 더 많은 대역폭이 요구되고 있으며 가장 좋은 스펙트럼은 밀리미터 파장 대역이다.

 

얼마 전까지만 해도 밀리미터 파장대역은 위성통신과 무선 센싱에 의해 주로 사용되었다.

그래서 관심 신호를 가릴 다른 송출원이 거의 없었다.

그러나 이제는 더 이상 그렇지 않다.

왜냐하면 비디오 스트리밍과 같은 고속의 데이터 속도에 적합한 유일한 스펙트럼 대역이기 때문이다.

그래서 반세기 전만 해도 밀리미터 파장 대역은 수백 피트의 거리밖에 커버되지 않아 지상 응용분야에서는 거의 사용되지 않았다.

   

이러한 신호들은 실내와 같이 도달하기 힘든 영역에서 고속의 데이터 속도를 달성하는 네트워크를 가능하게 하는 작은 셀 기반의 스테이션에서 송출되며 경기장이나 다른 사람이 밀집해 있는 넓은 장소에서 사용된다.

게다가 AT&T와 Verizon에서는 집이나 사무실에서 FWA(Fixed Wireless Access)를 제공하기 위해 24 GHZ와 48 GHZ 대역을 각각 사용하고 있다.

 

앞으로 6세대 cellular가 등장하면 무선 디바이스는 밀리미터 파장 대역뿐만 아니라 테라헤르츠 대역의 주파수도 사용될 것이다.

군용이나 상업용 측면에서 이러한 트렌드는 신호 캡처 및 저장 장치에 새로운 수요를 창출할 것이다.