A Development of DDS Based Chirp Signal Generator and X-Band Transmitter-Receiver for Small SAR Sensor

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2016 Mar.; 27(3), 326 ∼329.

http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2016.27.3.326 ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)

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DDS 기반의 소형 SAR 시스템 송수신장비 개발

A Development of DDS Based Chirp Signal Generator and X-Band Transmitter-Receiver for Small SAR Sensor

송경민 ․이기웅․이창현․이우경․이명진

Kyoung-Min Song ․Ki-Woong Lee․Chang-Hyun Lee․Woo-Kyung Lee․Myeong-Jin Lee

무인항공기는 전투뿐만 아니라, 정찰, 관측 탐사 등 여러 분야에서 이용할 수 있고, 전천후 영상 수집이 가능한 SAR (Synthetic Aperture Radar) 기술과 함께 기존의 감시정찰 체계가 수행할 수 없던 임무영역까지로 그 능력이 확장될 것으로 보인다. 오늘날, 고효율 집적기술의 발전과 시스템 경량화 기술의 발전에 힘입어 무인항공기에도 경량의 SAR Sensor를 탑재하려는 연구와 수요가 증가하고 있다. 이에 따라, 본 논문에서는 SAR 시스템을 구성하는 핵심 모듈인 광대역 첩 신호발생기를 DDS 디지털 소자 기반으로 개발하여 무인항공기용 신호 발생기와 송수신장비의 개발과정 및 결과를 기술 하였다.

Abstract

UAVs(Unmanned Aerial Vehicle) can be used in variant fields fornot only combat, but also recon, observation and exploration.

Moreover, UAVs capacity can be expanded to impossible missions for existing surveillance system such as SAR(Synthetic Aperture Radar) technology that collecting images from all weather conditions. In recent days, with development of highly efficient IC and lightened system technology, there are significant increase of researches and demands to make SAR sensor as a payload of UAV. There- fore, this paper contains development process and results of small signal generator and RF device as a core module of SAR system based on the digital device of DDS.

Key words: Unmanned Aerial Vehicle, SAR, Chirp Pulse, Direct Digital Synthesizer, FPGA

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「이 논문은 2015년도 한국항공대학교 교비지원 연구비와에 의하여 지원된 연구의 결과임.」

한국항공대학교 항공전자정보공학부(School of Electronics and Information Engineering, Korea Aerospace University)

․Manuscript received October 21, 2015 ; Revised November 23, 2015 ; Accepted February 4, 2016. (ID No. 20151021-33S)

․Corresponding Author: Woo-Kyung Lee (e-mail: wklee@kau.ac.kr)

Ⅰ. 서 론

SAR(Synthetic Aperture Radar) 센서는 위성이나 항공기 에 탑재되어 왔으나, 최근 SAR 기술과 시스템 경량화 기 술의 발전은 크기가 크고 전력 소모가 많은 SAR 센서를 무인기에 탑재하려는 노력으로 이어지고 있다

. 오늘날,

고효율 집적 기술의 발전은 디지털상에서 주파수를 합성 하는 직접디지털합성(DDS : Direct Digital Synthesizer) 소 자를 이용하여 첩 신호 발생기를 가볍고 저 전력에 구성 할 수 있도록 하였다. 이에 따라, 본 논문에서는 SAR 시 스템을 구성하는 핵심 모듈인 첩 신호 발생기를 DDS의 초소형 디지털 소자 기반으로 개발하여 무인항공기용 신

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DDS 기반의 무인항공기 SAR 시스템 송수신장비 개발

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있는 X-Band 송수신 장비로 시스템을 구성하고, 그 과정 및 결과를 기술하였다.

Ⅱ. DDS를 이용한 첩 신호 발생기

SAR 센서의 거리 해상도는 식 (1)과 같이 송신신호의 대역폭에 반비례하기 때문에 좋은 해상도를 얻기 위해서 는 높은 대역폭의 첩 신호가 필요하다. 때문에, SAR 센서 에서 첩 신호 발생기는 센서의 성능과 밀접하게 연관된 중요한 역할을 한다.

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(1) 여기서 θ는 빔의 입사각, c는 빛의 속도, B는 펄스 대역

폭을 의미한다. 본 논문에서는 아래와 같은 요구사항을 갖는 첩 신호 발생기를 설계하였다.

표 1과 같은 요구사항을 만족하는 신호를 생성하기 위 해 Analog Device사의 AD9854 DDS 소자를 사용하였다.

DDS 는 위상, 주파수 Accumulator와 DAC로 구성되어 있 는데, 각각의 Accumulator를 통해 얻어진 위상 값을 Phase-to-Amplitude Converter [LUT] 와 DAC를 사용하여 I/Q 2 개의 채널의 아날로그 신호로 변환하는 구조를 갖는 다. 사용하는 DDS의 클럭은 300 MHz로서 DDS 내부의 PLL 에서 50 MHz 입력 신호를 300 MHz로 체배하여 사용 하게 된다. DDS는 상용소자로서 간단하게 주파수 합성이 가능하고, 저렴한 가격과 저전력 소모 등의 장점을 얻을 수 있으므로 크기, 전력, 무게 등의 제약조건이 많은 무인 기 탑재체 시스템에 이상적으로 적용될 수 있다

.

표 1. 신호 파라미터

Table 1. Signal parameter of chirp pulse signal.

Pulse width 10 us

PRF 1 kHz

I/Q channel bandwidth > 100 MHz Sampling frequency 300 MHz Output power(DDS) < —10 dBm

2-2 제어부 설계

DDS 를 이용하여 첩 펄스 신호를 만들기 위해 Altera사 의 Cyclone IV FPGA를 이용하였다. 1개의 PLL Logic을 이용, 기준 클럭 10 MHz를 체배하여 DDS에 공급하는 50 MHz 의 클럭 신호를 만들고, 8-bit data, 6-bit address, 그리 고 Mode 선택, Reset, 누적기 초기화 등을 위한 5-bit의 제 어 신호를 포함하는 총 20-bit의 병렬신호를 DDS의 레지 스터에 전달하여 첩 신호를 생성하게 된다. 첩 펄스 발생 기는 DDS와 DDS를 제어하는 FPGA, 그리고 데이터 수집 등을 위한 PC로 이루어져 있으며, 그림 1과 같이 구성되 어 있다.

본 논문에서는 I/Q 2채널 50 MHz의 첩 신호를 10 us의 펄스폭과 1 kHz의 PRF를 갖는 첩 펄스 신호로 생성하였 다. 또한, 펄스 레이더 신호 수신과 증폭기 Enable 신호를 위해 FPGA 내에서 펄스와 동기된 트리거 신호를 생성하 였다. 그림 2에서 확인할 수 있듯이, 증폭기가 포화영역에 도달하는 시간을 고려하여 트리거 신호에 1 us의 시간만

그림 1. 첩 펄스 발생기 블럭도

Fig. 1. Block diagram of chirp pulse signal generator.

그림 2. 신호 타이밍 및 트리거 신호

Fig. 2. Timing signal pulses with trigger signal.

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큼 Guarding time을 설정하여 신호 손실을 최소화 하도록 하였다.

Ⅲ. 송수신 Test 및 신호 복원 실험

그림 3은 DDS와 DDS 제어용 FPGA, PC, 그리고 RF 송 수신단으로 구성되어 있는 신호 송수신 장비의 블록도로, 첩 펄스 발생기에서 생성한 신호를 9.5 GHz 대역으로 방 사 후 수신하여 복원할 수 있도록 설계되었다. 송신 주파 수인 9.5 GHz 대역의 신호를 만들기 위해 1.7 GHz의 IF, 7.7 GHz 의 RF 주파수를 사용했다. 그림 4는 본 논문에서 구현한 DDS 모듈 및 RF 송수신 장비이며, 송수신 장비의 사양은 표 2와 같다.

수신된 SAR 신호를 시간, 주파수 영역에서 측정하기 위해 오실로스코프와 스펙트럼 분석기를 이용하였고, 50 MHz 의 첩 신호를 100 Msps의 속도의 샘플링을 적용하여 분석하였다. 그림 5와 그림 6은 각각 DDS에서 생성한 기 저대역 신호와 직접수신 후 복원된 신호를 측정한 결과 이다.

그림 3. X-Band 송수신 장비 블록도

Fig. 3. Block diagram of 9.5 GHz X-band RF transmitter and receiver.

표 2. RF 송수신 장비 사양

Table 2. Specification of RF transmitter-receiver device.

Center frequency 9.5 GHz Tx signal level +10 dBm Rx signal gain 100 dB max Rx signal stability < 1 dB Output power(HPA) < 10 W

Input power(LNA) 30 dB gain, 2 dB NF

Test range 3 m

Power 12 V, 1.7 A(Avg.)

그림 4. DDS 모듈 및 RF 송수신 장비 Fig. 4. DDS board and RF equipment.

이상적인 첩 신호와 유사한 형태의 송신신호를 확인하 였고, 스펙트럼 분석기의 출력을 통해 실제 발생된 신호 의 50 MHz의 대역폭을 검증하였다. 수신된 신호의 경우, 성분의 손실이 발생되지만 송신신호와 유사한 형태로 수 신됨을 확인할 수 있다.

DDS 에서 생성한 신호의 성능을 분석하기 위해 송신신 호와 수신 신호의 펄스압축을 수행하였다. 그림 7은 DDS 출력 신호와 수신 신호의 펄스 압축 결과를 나타낸다. 수 신 신호의 경우, 왜곡이 발생되지만 송신 신호는 약 —13

그림 5. DDS 출력 및 복원신호 측정 결과

Fig. 5. Measured DDS output and down-converted signal.

DDS 기반의 무인항공기 SAR 시스템 송수신장비 개발

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그림 6. DDS 의 출력 및 복원신호 주파수 범위 측정 결과

Fig. 6. Measured frequency range of the DDS output and down- converted signal.

(a) DDS 출력 신호 압축

(a) Pulse compression of the DDS output

(b) 수신 복원된 기저대역 신호 압축

(b) Pulse compression of the received down-converted signal 그림 7. 신호 압축 결과

Fig. 7. Result of signal pulse compression.

dB 의 PSLR(Peak Side Lobe Ratio)의 압축성능이 측정되었 다. 이는 이상적인 첩 신호파형의 성능과 유사한 수치이다.

본 연구에서는 DDS로 생성된 파형 정보를 이용하여 SAR 점표적 시뮬레이션을 수행하였으며, 그림 8의 결과 를 통해 생성된 신호의 SAR 구현 가능성을 검증하였다.

Ⅳ. 결 론

크기, 무게와 전력이 제한되는 무인항공기 플랫폼에

그림 8. SAR 점 표적 모의실험 결과 Fig. 8. SAR point target simulation.

SAR 시스템을 적용하기 위한 기반기술 확보 연구로서 본 논문에서는 DDS 소자와 FPGA, PC, RF 송수신단으로 구 성된 SAR 시스템 송수신 장비를 개발하였다. 무인기 환 경을 고려하여 저전력, 고효율의 상용 DDS 소자를 사용 하였고, 50 MHz 대역의 첩 신호를 생성한 후 실제 송수 신 테스트를 거쳐 그 결과를 기술하였다. 신호에 많은 왜 곡이 생기고 부엽신호가 증가하는 문제가 발생하였지만, DDS 출력 신호의 대역폭이 유지되고 I/Q 위상의 직교성 이 유지되는 것을 확인하였다.

사 사

이 논문은 2015년도 한국항공대학교 교비지원 연구와 ( 주)에스아이에스(SIIS)의 지원을 받았으며, 이에 감사드 립니다.

References

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[3] 이현택, "DDS를 이용한 주파수 합성기 설계 및 그 성

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pp. 333-339, 2012 년 4월.