디지털 RF 메모리(DRFM, Digital Radio Frequency Memory)는 전자 대응체계에 있어서 매우 중요한 장치이다.
DRFM은 수신되는 복잡한 파형의 신호를 빠르게 분석하고 이에 대응하는 파형을 만들어낸다.
앞으로 이 DRFM의 원리와 활용에 대해 책 EW 104에서 정리한 내용을 공부해본다.
먼저 1부에서는 DRFM의 일반적인 구조와 기능 그리고 광대역 DRFM 및 협대역 DRFM에 대해 알아본다.
DRFM Block Diagram
아래의 그림과 같이 DRFM은 수신된 신호를 디지털화하기 위해 적절한 중간 주파수 (IF, Intermediate Frequency) 대역으로 하향변환한다.
이후 이 IF 신호의 대역폭을 디지털화한다.
디지털화된 신호는 송신을 위해 컴퓨터의 메모리에 저장된다.
이 컴퓨터는 적용하려는 재밍 기법을 지원하기 위해 신호에 필요한 분석이나 변화를 만든다.
이렇게 변경된 디지털 신호는 다시 아날로그 RF로 변환된다.
이 후 처음에 주파수 변화를 만들었던 동일한 국부 발진기(Local Oscillator)를 이용하여 다시 원래의 주파수로 변환시킨다.
하나의 발진기를 사용하여 주파수 하향변환과 상향변환 과정에서의 위상 일치성을 유지할 수 있다.
[ DRFM의 핵심 구성품 ]
DRFM의 핵심 구성품은 아날로그 디지털 컨버터인 ADC(Analog to Digital Converter)이다.
DRFM의 ADC는 주파수 대역의 1 hertz 당 약 2.5 샘플의 디지털화 속도를 지원해야 하며 I&Q(In-Phase and Quadrature Phase) 디지털 신호를 출력으로 내보낼 수 있어야 한다.
아래의 그림과 같이 I&Q 디지털화는 위상이 90도 차이가 나는 디지털화된 RF의 1 hertz 당 2개의 샘플을 갖는다.
이는 디지털화된 신호의 위상을 캡처한다.
알아두어야 할 부분은 디지털 수신기에서는 1 hertz 당 2개의 샘플링 속도인 Nyquist 보다 큰 1 hertz 당 2.5개의 샘플링 속도를 요구한다는 것이다.
이러한 오버 샘플링이 필요한 이유는 신호가 재구성되기 때문이다.
디지털 신호는 일반적으로 샘플 당 수 비트를 갖지만 1 비트 디지털화 또는 위상 전용 디지털화가 사용되기도 한다.
컴퓨터는 신호의 변조 특성과 파라미터를 포함하여 캡처된 신호의 분석을 수행한다.
컴퓨터는 일반적으로 시스템으로부터 수신된 첫 번째 펄스를 분석하고 동일한 또는 시스템적으로 변조 파라미터가 변경된 연속적인 펄스들을 생성한다.
디지털 아날로그 컨버터인 DAC는 RF 출력 신호를 생성하며 ADC 보다 더 많은 비트를 갖는다.
그 이유는 RF 신호로 재구성하는 과정에서 신호의 품질을 저하시키지 않기 위해서이다.
광대역 DRFM (Wideband DRRM)
광대역 DRFM은 여러 신호들을 포함하고 있을 수 있는 넓은 IF 대역폭을 디지털화한다.
재머 시스템은 재밍을 해야 하는 위협 신호의 주파수 범위에 걸쳐 조정을 하고 DRFM이 처리할 수 있는 대역폭만큼의 IF 신호를 출력한다.
아래의 그림처럼, 주파수 변환과 나중의 재변환을 위해서 단일 시스템 국부 발진기가 사용되며 이를 통해 위상의 일치성을 확보할 수 있다.
DRFM의 대역폭은 ADC의 디지털화 속도에 의해 제한된다.
대역폭 내에서는 다중의 신호가 존재한다고 가정되기 때문에 심각한 spurious가 없는 동적 범위(Dynamic Range)를 갖는 것이 중요하며 따라서 ADC는 실제 최대 디지털화 비트 수가 필요하다.
디지털 회로의 동적 범위는 20log10(2n)으로 계산되며 여기서 n은 디지털화 비트 수이다.
광대역 DRFM은 필수적인 장치인데 그 이유는 넓은 주파수 변조 신호와 주파수 agile 위협 신호를 처리할 수 있기 때문이다.
여기에 대해서는 나중에 자세히 알아보겠다.
디지털 기술이 발전함에 따라 광대역 DRFM은 더 넓고 많아질 것으로 기대하고 있다.
디지털화 속도와 비트의 수와는 반비례 관계가 있다.
미래의 DRFM은 초 당 더 많은 비트 수와 더 많은 샘플 당 비트를 요구한다.
단일 ADC에 의한 비트 수 보다 더 많은 비트와 더 빠른 샘플링 속도를 구현하는 데에는 많은 접근 방법들이 있다.
다음은 그중 두 가지의 대표적인 방법들이다.
[ 여러 단일-비트 디지털기 이용 ]
한 가지 기법은 서로 다른 전압에 여러 개의 단일-비트 디지털기를 사용하는 것이다.
이 방법은 컴퓨터가 필요하지 않으며 따라서 매우 빠르다.
이 출력들은 통합되어 매우 빠른 다중 비트 디지털 워드를 생성한다.
[ 다중 비트 디지털기와 tapped delay line ]
또 다른 기법은 여러 개의 다중 비트 디지털기를 tapped delay line의 출력단에 배치하는 것이다.
Tap들 간의 지연은 느린 디지털기들이 각 신호를 디지털화하는 주기 동안 시간 간격에 따라 샘플링한다.
이 출력들은 통합되어 고속의 다중-비트 디지털 출력을 만들어 낸다.
협대역 DRFM (Narrowband DRFM)
협대역 DRFM의 대역폭은 재머가 처리할 수 있는 최대 신호 범위만큼만 넓으면 된다.
이것은 협대역 DRFM이 최신의 ADC와 함께 작동할 수 있음을 의미한다.
다음의 그림에서는 재머 시스템이 다중의 협대역 DRFM에 의해 커버되는 주파수 범위로 주파수를 변경해 준다.
DRFM의 입력 신호는 개개의 DRFM으로 나눠진 전력이다.
각 DRFM은 각 신호로 조정되고 재밍 동작을 지원하기 위한 기능을 수행한다.
이후 DRFM으로부터의 아날로그 RF 출력은 합쳐지고 원래의 주파수 범위 신호로 복원된다.
여기서 협대역 DRFM에서는 spurious 응답이 크게 문제 되지 않는데 그 이유는 각 DRFM이 오직 한 신호만 포함하고 있기 때문임을 주목할 필요가 있다.
DRFM 기능
DRFM은 특히 펄스 압축 레이다를 처리하는데 효과적이다.
펄스 압축 레이다는 대표적으로 chirp과 Barker 코드 기법이 있다.
[ Chirp 압축 ]
Chirp은 각 송신 펄스에 걸쳐 선형 주파수 변조가 포함된다.
레이다 수신기에서 압축 필터는 FM 스윕 범위 대 레이다의 코히런트 대역폭의 비율만큼 효과적인 펄스폭을 줄어들게 만든다.
만약 재머가 이 주파수 변조를 포함하고 있지 않은 신호를 생성한다면 효과적인 재밍 대 신호 비인 J/S는 압축 인자만큼 줄어든다.
Chirp이 된 재밍 펄스를 생성함으로써 DRFM은 온전한 J/S를 유지할 수 있다.
[ Barker 코드 압축 ]
Barker 코드 펄스 압축은 코드와 함께 각 펄스의 바이너리 위상 shift-keyed 변조를 포함하고 있다.
레이다 수신기에는 코드에 있는 비트 수만큼의 tapped delay line이 있다.
이 중 몇몇의 출력은 180도 위상 변경 출력을 갖고 있으며 따라서 펄스가 정확하게 shift register를 채운다면 모든 비트들은 더해지게 된다.
그러나 펄스가 shift register와 정확하게 일치하지 않으면 출력은 거의 제로가 된다.
이것은 각 펄스에 걸친 비트 수 만큼의 비율만큼 거리 해상도를 압축한다.
Barker 코드가 없는 재밍 펄스는 압축되지 않기 때문에 효과적인 J/S가 코드 안의 비트 수에 의해 줄어들게 된다.
DRFM은 정확한 Barker 코드와 함께 재밍 펄스를 생성할 수 있으며 온전한 J/S를 유지할 수 있다.
출처 : EW 104
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