차동위상천이 방식을 갖는 저피탐 수중음향통신 시스템 설계

이를 통해 SNR이 낮고 도플러 편이 주파수가 높은 채널에 강인한 DPSK 수신기를 설계하고, 시뮬레이션과 분해능 실험을 통해 기존 방식과 제안 방식의 성능을 비교했다. 2장에서는 수중 음향 채널의 특성을 설명합니다.

Table 4.1 Packet design ················································································ 26 Table 4.2 Parameters for simulation ························································· 27 Table 4.3 Parameters for sea trial ················

전달 손실

수중 음향 환경에서의 통신 효율은 채널 잡음에 크게 좌우됩니다. 수신부는 복조 과정에서 동기 위상 검출 없이 송신 신호의 인접한 심볼 간의 위상차를 이용하여 복조한다[16]. 대역 확산이란 의사 랜덤 잡음 코드(PN 코드)를 사용하여 기존 신호 주파수 대역을 확장하는 것을 의미합니다.

본 논문에서는 다양한 확산 스펙트럼 기법 중 직접 순차 확산 스펙트럼 방식을 이용한 DPSK 송수신 방법에 대해 설명한다. 수신부에서는 동일한 직교코드를 이용하여 역확산 과정을 수행한다. 상관관계, 즉 기호의 위상이 상관기의 출력으로 전달됩니다.

채널 전송 특성은 통신 신호가 전송되기 전에 추정되었습니다.

그림 2.1 천해에서 다중 경로 전달의 예

다중 경로 전달

도플러 효과

도플러 효과는 신호가 음파, 음원, 물 등의 매질을 통해 전파되면서 음원과 수신기의 상대적인 속도에 따라 신호의 주파수가 변하는 현상이다. 이 도플러 효과로 인해 신호의 주파수가 변동하고 확산되어 도플러 확산이 발생합니다. 도플러 편이가 주파수를 보상하지 않으면 시간이 지남에 따라 통신 성능이 저하됩니다.

잡음

제3장 천이 상관기를 사용하는 DPSK-DSSS 수신기. 일반적으로 DPSK 수신기는 PSK 방식과 달리 별도의 위상동기 추정이 필요하지 않아 수신기 구조가 단순화되는 장점이 있다. 본 장에서는 기존의 DPSK와 DPSK-DSSS 수신기를 소개하고, 보다 정확한 데이터 검출이 가능하도록 이 방법을 수정하는 기법을 제안한다.

기존의 DPSK 송수신 방법

DPSK 변복조는 전송할 정보의 심볼을 부호화하는 방식으로 송신기에서는 차동 부호화 후 BPSK 방식과 동일하게 변조하지만, 수신기에서는 단순히 인접 심볼 간의 상관관계에 따라 복조한다. 특별한 위상 평가 과정 없이 수신된 신호를 수신합니다. 따라서 동기식 검출과 달리 비동기식 검출을 사용하는 DPSK는 위상 추정기가 필요하지 않으므로 수신기의 복잡성이 상대적으로 줄어듭니다.

그림 3.1 DPSK 차동 부호화 과정 Fig. 3.1 DPSK differential encoding process

기존의 DPSK-DSSS 송수신 방법

직접 수열 대역확산 방식

직접 순차 확산 스펙트럼 신호는 기존 전송 신호보다 빠른 직교 코드를 곱하여 생성됩니다. 확산된 신호가 채널을 통과한 후 수신기에서 수신한 신호는 원래의 신호로 복원되어 동일한 직교 코드를 사용하여 전송됩니다. 이 과정에서 역확산을 통해 확산된 신호는 원래의 신호 대역에 나타나게 되고, 잡음 신호는 분산되어 대역이 넓게 퍼지게 된다.

그림 3.3 직접 수열 대역확산 방식

기존의 DPSK-DSSS 송수신 방법

확산된 신호의 확산이 넓을수록 감소 과정에서 신호 영역의 잡음 대역이 낮아집니다. 이를 PG(Processing Gain)라고 하며 데이터 신호의 직교 코드 비율에 따라 결정됩니다. 과도 상관기로부터 정보 데이터를 검출하는 과정은 다음과 같이 표현된다. 먼저, 수학식 3.3과 같이 의사잡음 코드 시퀀스를 이용하여 두 개의 시퀀스를 구성한다.

그림 3.6 DPSK-DSSS 수신단에서의 신호 복구 블록선도.

상관 폭 기반 DPSK-DSSS 수신 방법 제안

일정한 간격으로 측면 피크를 이용하여 주 피크의 위치를 ​​추정한 후 상관기 출력의 최대값과 해당 지점에 해당하는 값을 비교하면 보다 정확한 검출 결과를 얻을 수 있습니다. 임의로 추정된 피크 중 확산 계수의 두 배인 폭을 갖는 두 개의 피크를 측면 피크로 표시합니다. 또한, 2016년 9월 부산 앞바다에서 실험을 통해 실제 데이터를 얻었으며, 이를 이용하여 제안 방법의 성능을 기존 방법과 비교 분석하였다.

그림 3.9 제안한 전이 상관기 블록선도.

모의실험 결과

DPSK-DSSS 수중음향통신 시스템 설계

본 논문에서 고려한 수중 음향통신 모델은 그림 4.2와 같다. 송신기가 칩을 통해 데이터를 분배하고 반송파를 전달하는 신호를 전송할 때 수신된 신호는 도플러 편이 주파수를 추정하여 수정됩니다. 따라서 본 논문에서는 과도 상관기를 이용한 상관 결과 비교의 정확도를 높이기 위해 상관 폭 기반의 DPSK-DSSS 수신기를 제안하였다.

또한 제안하는 방법은 수중 음향 채널 정보를 이용하여 패킷을 설계하고, 시뮬레이션과 해양 실험을 통해 기존 수신 방법과 성능을 비교하였다. 기존 DPSK-DSSS 수신기는 인접한 심볼 간의 위상차를 검출하면서 전파에 사용되는 의사잡음 코드인 한 쌍의 m-시퀀스(m-sequence)를 상관기로 구성하고, 정보신호를 출력값의 최대값으로 변환한다. 인접한 기호 사이의 전이 상관자가 감지됩니다.

Table 4.1 Packet design