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KR-20260061798-A - Apparatus and method for estimating center frequency of real-time weak signal and detecting weak signal using STFT

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Abstract

본 발명에 따른 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치는, ADC 변환된 수신 신호를 복수 개의 대역으로 분할하여 복수 개의 대역분할 신호들을 획득하는 폴리페이즈 필터 뱅크; 상기 복수 개의 대역분할 신호들 각각에 대하여 STFT(Short Time Fourier Transform)를 수행하여 주파수 영역 신호를 획득하고, 상기 주파수 영역 신호의 주파수별 신호세기를 이용하여 미약신호에 대한 중심주파수를 추정하는 미약신호 중심주파수 추정부; 상기 수신 신호를 일정 시간 지연시켜 출력하는 지연 버퍼; 및 상기 지연 버퍼로부터 출력되는 지연 수신 신호를, 상기 추정된 중심주파수를 중심주파수로 하고 대역폭 및 통과이득이 서로 다른 복수 개의 대역필터들로 필터링하여 복수 개의 대역필터링 신호들을 획득하고, 상기 복수 개의 대역필터링 신호들 각각의 신호세기 합에 기초하여 상기 복수 개의 대역필터링 신호들 중 어느 하나를 선택하여 미약신호로서 검출하는 미약신호 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Inventors

  • 김두환
  • 이원진

Assignees

  • 엘아이지디펜스앤에어로스페이스 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (14)

  1. ADC 변환된 수신 신호를 복수 개의 대역으로 분할하여 복수 개의 대역분할 신호들을 획득하는 폴리페이즈 필터 뱅크; 상기 복수 개의 대역분할 신호들 각각에 대하여 STFT(Short Time Fourier Transform)를 수행하여 주파수 영역 신호를 획득하고, 상기 주파수 영역 신호의 주파수별 신호세기를 이용하여 미약신호에 대한 중심주파수를 추정하는 미약신호 중심주파수 추정부; 상기 수신 신호를 일정 시간 지연시켜 출력하는 지연 버퍼; 및 상기 지연 버퍼로부터 출력되는 지연 수신 신호를, 상기 추정된 중심주파수를 중심주파수로 하고 대역폭 및 통과이득이 서로 다른 복수 개의 대역필터들로 필터링하여 복수 개의 대역필터링 신호들을 획득하고, 상기 복수 개의 대역필터링 신호들 각각의 신호세기 합에 기초하여 상기 복수 개의 대역필터링 신호들 중 어느 하나를 선택하여 미약신호로서 검출하는 미약신호 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중심주파수 추정부는, 상기 복수 개의 대역분할 신호들 각각에 대하여 STFT를 수행하여 상기 주파수 영역 신호를 획득하는 STFT부; 상기 주파수 영역 신호의 주파수별 신호세기를 검출하는 신호세기 검출부; 상기 주파수 영역 신호의 주파수들 중 소정 범위의 신호세기를 가지는 주파수들을 선별하는 주파수 선별부; 및 상기 선별된 주파수들 중 STFT 윈도우에서의 상기 선별된 주파수의 연속성에 따라 상기 중심주파수를 결정하는 중심주파수 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 중심주파수 추정부는, 주파수별 상기 복수 개의 대역필터들의 필터계수를 저장하고, 상기 결정된 중심주파수에 대응하는 상기 복수 개의 대역필터들의 필터계수를 출력하여 상기 복수 개의 대역필터들에 제공하는 필터계수 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 중심주파수 결정부는, STFT 윈도우에서 연속적으로 동일하거나 인접하게 일정 개수 이상 발생하는 주파수들 중 최대 개수로 발생하는 주파수를 상기 중심주파수로 결정하는 것을 특징으로 하는 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 미약신호 검출부는, 상기 필터계수 저장부로부터 제공되는 필터계수에 따라 대역필터링을 수행하여 상기 복수 개의 대역필터링 신호들을 획득하는 상기 복수 개의 대역필터들; 상기 복수 개의 대역필터링 신호들 각각의 신호세기 합을 산출하는 신호세기 합 산출부; 상기 복수 개의 대역필터들 중 소정 값 이하의 신호세기 합을 가지는 대역필터를 선별하는 대역필터 선별부; 및 상기 선별된 대역필터 중 신호세기 합이 최대인 대역필터를 선택하는 최대값 선택부를 포함하고, 상기 선택된 대역필터에 의해 획득된 대역필터링 신호를 상기 미약신호로서 검출하는 것을 특징으로 하는 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 미약신호 검출부는, 상기 복수 개의 대역필터링 신호들을 각각 일정 시간 지연시켜 출력하는 지연 버퍼; 및 상기 지연된 복수 개의 대역필터링 신호들 중 상기 선택된 대역필터의 대역필터링 신호를 선택하여 상기 미약신호로서 출력하는 선택부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 대역필터들은, 싱크 웨이블릿(sync wavelet) 함수를 사용하는 것을 특징으로 하는 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치.
  8. 폴리페이즈 필터 뱅크를 이용하여, ADC 변환된 수신 신호를 복수 개의 대역으로 분할하여 복수 개의 대역분할 신호들을 획득하는 단계; 상기 복수 개의 대역분할 신호들 각각에 대하여 STFT(Short Time Fourier Transform)를 수행하여 주파수 영역 신호를 획득하고, 상기 주파수 영역 신호의 주파수별 신호세기를 이용하여 미약신호에 대한 중심주파수를 추정하는 단계; 지연 버퍼를 이용하여 상기 수신 신호를 일정 시간 지연시켜 출력하는 단계; 및 상기 지연 버퍼로부터 출력되는 지연 수신 신호를, 상기 추정된 중심주파수를 중심주파수로 하고 대역폭 및 통과이득이 서로 다른 복수 개의 대역필터들로 필터링하여 복수 개의 대역필터링 신호들을 획득하고, 상기 복수 개의 대역필터링 신호들 각각의 신호세기 합에 기초하여 상기 복수 개의 대역필터링 신호들 중 어느 하나를 선택하여 미약신호로서 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 추정하는 단계는, 상기 복수 개의 대역분할 신호들 각각에 대하여 STFT를 수행하여 상기 주파수 영역 신호를 획득하는 단계; 상기 주파수 영역 신호의 주파수별 신호세기를 검출하는 단계; 상기 주파수 영역 신호의 주파수들 중 소정 범위의 신호세기를 가지는 주파수들을 선별하는 단계; 및 상기 선별된 주파수들 중 STFT 윈도우에서의 상기 선별된 주파수의 연속성에 따라 상기 중심주파수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 추정하는 단계는, 주파수별 상기 복수 개의 대역필터들의 필터계수를 저장하는 필터계수 저장부로부터, 상기 결정된 중심주파수에 대응하는 상기 복수 개의 대역필터들의 필터계수를 읽어와 상기 복수 개의 대역필터들에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 중심주파수를 결정하는 단계는, STFT 윈도우에서 연속적으로 동일하거나 인접하게 일정 개수 이상 발생하는 주파수들 중 최대 개수로 발생하는 주파수를 상기 중심주파수로 결정하는 것을 특징으로 하는 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 검출하는 단계는, 상기 복수 개의 대역필터들을 이용하여, 상기 필터계수 저장부로부터 제공되는 필터계수에 따라 대역필터링을 수행하여 상기 복수 개의 대역필터링 신호들을 획득하는 단계; 상기 복수 개의 대역필터링 신호들 각각의 신호세기 합을 산출하는 단계; 상기 복수 개의 대역필터들 중 소정 값 이하의 신호세기 합을 가지는 대역필터를 선별하는 단계; 및 상기 선별된 대역필터 중 신호세기 합이 최대인 대역필터를 선택하는 단계를 포함하고, 상기 선택된 대역필터에 의해 획득된 대역필터링 신호를 상기 미약신호로서 검출하는 것을 특징으로 하는 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 검출하는 단계는, 지연 버퍼를 이용하여 상기 복수 개의 대역필터링 신호들을 각각 일정 시간 지연시켜 출력하는 단계; 및 상기 지연된 복수 개의 대역필터링 신호들 중 상기 선택된 대역필터의 대역필터링 신호를 선택하여 상기 미약신호로서 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 복수 개의 대역필터들은, 싱크 웨이블릿(sync wavelet) 함수를 사용하는 것을 특징으로 하는 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 방법.

Description

STFT를 이용한 실시간 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치 및 방법{Apparatus and method for estimating center frequency of real-time weak signal and detecting weak signal using STFT} 본 발명은 미약신호 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 STFT(Short Time Fourier Transform)를 이용하여 실시간으로 미약신호의 중심주파수를 추정하고 이를 이용하여 미약신호를 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 전자전(electronic warfare) 분야에서 일반적으로 미약신호(weak signal)란 SNR(Signal-to-Noise Ratio)이 낮은 신호를 말한다. SNR이 낮은 신호의 SNR을 높이기 위해서는 해당 신호에 맞게 수신 필터의 대역을 설정하여 대역잡음을 줄여 SNR을 높이는 방법을 수행할 수 있다. 하지만 어떤 신호가 들어올지 모르며 다양한 주파수의 신호가 들어오는 전자전 환경에서는 실시간으로 바뀌는 신호에 맞춰 필터의 중심주파수와 대역폭을 변경해 가며 수신하는 것은 어려운 문제이다. 전자전 분야에서 광대역 신호 탐지에 주로 사용하는 폴리페이즈 필터 뱅크(Polyphase Filter Bank) 기술이 있다. 폴리페이즈 필터 뱅크 기술은 넓은 대역의 신호를 여러 작은 대역으로 나누기 때문에 각각의 대역필터 내에서는 대역잡음을 줄이고 다른 대역의 간섭신호가 보이지 않아 여러 개의 신호를 동시에 처리할 수 있다는 장점이 있으나, 고정된 대역으로 나누기 때문에 대역폭이 작은 신호에 대해 더 높은 SNR을 확보하거나 대역폭이 넓은 신호의 경우 나뉘어진 분석 결과를 다시 병합하는데 어려움이 있다. 기존 제시된 방법인 변형된 싱크 웨이블릿(Modified Sync Wavelet) 기법은 S 파라미터를 변화시켜 대역필터의 중심주파수와 대역폭을 변화시키면서 가장 높은 에너지값이 나타나는 중심주파수와 대역폭을 선택하여 잡음을 제거하는 방식으로 단일 신호에 대해 가장 적절한 중심주파수와 대역폭을 선택하는 것이 가능하지만, 다중 신호가 섞인 상태에서 미약신호를 분리하는 것이 불가능하며 중심주파수 별로 대역 별로 신호처리를 반복하여야 하기 때문에 연산량이 많아 실시간 처리가 불가능하며 파이프라인 구조 및 FPGA에서의 구현이 불가능하다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치의 개략적인 구성을 나타낸다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치의 보다 구체적인 구성을 나타낸다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선별부(330)와 중심주파수 결정부(340)의 구체적인 동작을 나타낸다. 도 4는 필터계수 저장부(350)에 저장되는 필터계수의 데이터 구조의 예를 나타낸다. 도 5는 복수 개의 대역필터들(510)이 사용하는 싱크 웨이블릿(sync wavelet) 함수의 예를 나타낸다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 수신 신호로부터 미약신호 중심주파수가 추정되고 미약신호가 검출되는 과정의 타이밍도의 예를 나타낸다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 방법의 흐름도를 나타낸다. 도 8은 도 7의 730단계의 구체적인 흐름도를 나타낸다. 도 9는 도 7의 740단계의 구체적인 흐름도를 나타낸다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치의 개략적인 구성을 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따른 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치는 FPGA(field programmable gate array)로 구현되어 500MHz 이상의 수신 대역폭 내에서 미약신호의 중심주파수를 추정하고 위협신호에 맞는 대역필터를 찾아 적용함으로써 미약신호의 SNR을 높일 수 있다. 또한 파이프라인 구조로 실시간 미약신호의 중심주파수를 추정하고 대역폭을 설정하여 신호의 누락 없이 미약신호의 고감도 수신을 가능하게 할 수 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치는, 아날로그 디지터 컨버터(ADC)(100), 폴리페이즈 필터 뱅크(200), 미약신호 중심주파수 추정부(300), 지연 버퍼(400), 및 미약신호 검출부(500)를 포함한다. ADC(100)는 수신 신호를 ADC 변환을 통해 I/Q(In-phase/Quadrature) 신호로 변환한다. 폴리페이즈 필터 뱅크(200)는 ADC 변환된 수신 신호를 복수(N, 예컨대 N=16) 개의 대역으로 분할하여 N개의 대역분할 신호들을 획득한다. 미약신호 중심주파수 추정부(300)는 N개의 대역분할 신호들 각각에 대하여 STFT(Short Time Fourier Transform)를 수행하여 주파수 영역 신호를 획득하고, 주파수 영역 신호의 주파수별 신호세기를 이용하여 미약신호에 대한 중심주파수를 추정한다. 지연 버퍼(400)는 ADC 변환된 수신 신호를 일정 시간 지연시켜 출력한다. 여기서 지연 버퍼(400)의 지연 시간은 폴리페이즈 필터 뱅크(200)와 미약신호 중심주파수 추정부(300)의 처리 시간에 동기화될 수 있다. 미약신호 검출부(500)는 지연 버퍼(400)로부터 출력되는 지연 수신 신호를, 미약신호 중심주파수 추정부(300)에서 추정된 중심주파수를 중심주파수로 하고 대역폭 및 통과이득이 서로 다른 복수 개의 대역필터들로 필터링하여 복수 개의 대역필터링 신호들을 획득하고, 복수 개의 대역필터링 신호들 각각의 신호세기 합에 기초하여 복수 개의 대역필터링 신호들 중 어느 하나를 선택하여 미약신호로서 검출한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미약신호 중심주파수 추정 및 미약신호 검출 장치의 보다 구체적인 구성을 나타낸다. 폴리페이즈 필터 뱅크(200)에서는 N개의 대역분할 신호(I/Q)가 출력된다. 폴리페이즈 필터 뱅크(200)에서 출력되는 대역분할 신호는 미약신호 중심주파수 추정부(300)와 지연 버퍼(400)로 전달된다. 미약신호 중심주파수 추정부(300)는 STFT부(310), 신호세기 검출부(320), 주파수 선별부(330), 중심주파수 결정부(340), 필터계수 저장부(350)를 포함할 수 있다. STFT부(310)는 폴리페이즈 필터 뱅크(200)로부터 출력되는 N개의 대역분할 신호 각각에 대하여 STFT(Short Time Fourier Transform)를 수행하여 주파수 영역 신호를 획득한다. STFT로는 64 포인트 STFT가 사용될 수 있다. 물론 필요에 따라 다른 주파수 해상도의 STFT가 사용될 수 있으나, 편의상 64 포인트 STFT로 설명하기로 한다. STFT부(310)에서는 N×64개의 주파수 성분과 해당 주파수 인덱스가 출력된다. STFT의 윈도우 사이즈 역시 목표 성능에 따라 적절한 시간 해상도로 선정될 수 있다. 신호세기 검출부(320)는 STFT부(310)에서 출력되는 주파수 영역 신호의 주파수별 신호세기(ABS)를 검출한다. 해당 주파수 성분들의 위치가 주파수로 환산되기 때문에 주파수 위치 정보는 유지된다. 신호세기 검출부(320)에서는 N×64개의 신호세기와 해당 주파수 인덱스가 출력된다. 주파수 선별부(330)는 주파수 영역 신호의 주파수들 중 소정 범위(최대 임계값과 최소 임계값 사이)의 신호세기를 가지는 주파수들을 선별한다. 즉, 주파수 선별부(330)는 신호세기가 소정 범위를 벗어나는 주파수를 제외시키는 것으로, 예컨대, 최대 임계값 이상의 신호세기와 최소 임계값 이하의 신호세기를 가지는 주파수를 제외시킨다. 최대 임계값 이상을 제외하는 것은, 충분히 큰 신호세기로 들어오는 신호는 고감도 신호 수신이 필요 없는 간섭 신호로 볼 수 있기 때문이다. 최소 임계값 이하를 제외하는 것은, 해당 신호는 노이즈로 볼 수 있기 때문이다. 즉, 본 발명의 실시예는 고감도 신호 수신을 수행하지 않으면 신호의 제원 추정이 어려운 신호만을 대상으로 한다. 주파수 선별부(330)에서는 N×64개의 신호세기와 해당 주파수 인덱스 및 Enable 값(주파수 선별 여부를 나타내는 값)이 출력된다. 중심주파수 결정부(340)는 주파수 선별부(330)를 통해 선별된 주파수들 중 STFT 윈도우에서의 선별된 주파수의 연속성에 따라 중심주파수를 결정한다. 여기서 주파수의 연속성은 인접한 STFT 윈도우에서 주파수가 동일하거나 인접하게 나나타나는 것을 의미하며, 예컨대 주파수 선별부(330)는 STFT 윈도우에서 연속적으로 동일하거나 인접하게 일정 개수 이상 발생하는 주파수들 중 최대 개수로 발생하는 주파수를 중심주파수로 결정할 수 있다. 여기서 결정된 중심주파수는 후술할 대역필터(510)의 중심주파수가 된다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선별부(330)와 중심주파수 결정부(340)의 구체적인 동작을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 신호세기 획득부(320)로부터 N×64개의 주파수 성분의 신호세기가 출력되면, 주파수 선별부(330)는 N×64개의 주파수 성분에 대하여 신호세기가 최대 임계값과 최소 임계값 사이 범위 내인지 확인하여 주파수 Enable 값을 발생시킨다. 중심주파수 결정부(340)는 주파수 Enable 값이 발생된 주파수에 대하여 소정 개수의 STFT 윈도우에서 주파수가 동일하거나 인접하게 연속적으로 발생한 개수를 계산하고, 일정 개수 이상 발생하는 주파수들 중 최대 개수로 발생하는 주파수를 중심주파수(fc)로 결정한다. 예컨대, 4개의 STFT 윈도우마다, 3개 이상 동일하거나 인접하게 연속적으로 발생하는 주파수 중 최대 개수로 발생하는 주파수(연속적으로 발생하는 경우 중간 주파수)를 중심주파수로 결정할 수 있다. 다시 도 2를 참조하면, 필터계수 저장부(350)는 주파수별 복수(M)