처프 신호 통신 개요
처프 신호는 시간에 따라 주파수가 변하는 신호를 사용하여 정보를 전송하는 기술이다.
주파수가 시간에 따라 지수적으로 증가 혹은 감소하는 ‘지수형 처프’, 로그함수에 따라 변하는 ‘로그형 처프’,
다항식 함수에 따라 변하는 ‘다항식 처프’ 그리고 레이더와 같은 분야에서는 비선형 처프 신호를 사용하기도 한다.
처프 신호 통신은 복잡한 환경 및 장거리 통신, 그리고 기존의 기법들이 다중 경로 효과, 도플러 효과에 취약할 수 있는데 이러한 점을 보완하기 위해
다양한 보조 기술과 함께 사용되고 있다.
제2차 세계 대전 기간 중 레이더 기술 등을 위해 처음 개발되었으며, 이후 다양한 통신 및 탐지 기술에 응용되어 현재에도 사용 되고 있으며,
주로 군사 통신(레이더), 수중 통신, 의료 등에서 활용하며, 신뢰성 높은 장거리 통신으로 쓰여지고 있다.
처프 신호 통신 방법
처프 신호 통신의 대략적인 과정은
주파수 변조를 통해 신호를 생성하는 신호 생성 단계 그리고 이를 수신하여 정보를 복원하는 수신 단계가 있다.
신호 생성 단계에서는 특정 시간 동안 주파수가 선형적으로 변하는 처프 신호를 만들어내며
수신 단계에서는 수신 된 신호를 시간, 주파수 분석을 통해 복원하여 원래의 정보를 추출하는 것으로 설명 할 수 있다.
즉, 처프 신호는 시간에 따라 주파수가 일정한 비율로 변하는 신호이다. 주파수가 선형적으로 증가하거나 감소하는 형태로 나타날 수 있는데
이는 신호가 시간에 따라 변하기 때문에 특정 주파수 대역에만 의존하지 않고
다양한 주파수 대역을 사용하여 특정 주파수 대역의 잡음이 신호 전체에 미치는 영향을 줄인다는 장점이 있고,
넓은 주파수를 사용하기에 신호 중 일부가 손실 되거나 다른 경로의 신호가 간섭을 일으키더라도 전체 신호를 복원하는 데 있어서 유리한 점을 가지고 있다.
그리고 주파수가 시간에 따라 변한다는 특징 때문에, 신호가 반사되어 돌아오는 시간을 정확하게 측정이 가능하며 이 같은 특징이 대상의 거리를 정확하게 측정 할 수 있게 해준다.
처프 신호 음향 통신과 함께 사용 되는 보조 기술
신호 대 잡음비(SNR) 향상 기술
통신 시스템의 성능을 평가하는 기술이다.
신호의 세기와 잡음의 세기의 비율을 나타내는데, SNR이 높을수록 신호가 잡음에 비해 더 강하게 수신된다는 특성이 있고 이로 인해 데이터 전송의 신뢰성이 향상된다.
처프 신호 그 자체로는 잡음에 의해 왜곡 될 수 있기에 SNR이 보조적으로 같이 활용 된다.
다중 경로 간섭 제거 기술
다중 경로 간섭은 신호가 장애물, 예를 들면 건물이나 지면 등에 반사되거나 굴절되는 즉, 여러 경로를 통해 수신기에 도달하면 생기는데
이것으로 인해 신호가 중첩되고 간섭이 발생하는 것을 다중 경로 간섭이라 한다.
이러한 다중 경로 간섭을 제거하거나 줄이기 위한 다양한 기술이 있다.
다음은 주로 처프 신호와 함께 보조적으로 사용 되는 기술이다.
MIMO (Multiple Input Multiple Output)
다수의 송신 안테나와 수신 안테나를 사용하여 데이터를 동시에 전송하고 수신
빔포밍 (Beamforming)
여러 안테나를 사용하여 특정 방향으로 신호를 집중적으로 전송하거나 수신
RAKE 수신기 (RAKE Receiver)
다중 경로로 수신된 처프 신호를 개별적으로 분리하여 각각의 경로를 독립적으로 처리한 후 결합
적응 등화기 (Adaptive Equalizer)
수신된 신호의 왜곡을 실시간으로 보정하여 다중 경로로 인한 간섭을 줄임
처프 신호의 응용 분야
군사 레이더 : 적의 신호 분석 및 적의 레이더 시스템을 교란하기 위해서도 사용
선박, 항공기 : 항공기와 선박의 위치, 속도, 거리 등을 탐지하고 추적하기 위해 사용
기상청 : 강수량, 구름 구조, 폭풍 등의 기상 현상을 탐지하고 분석하기 위해 사용한다.
(처프 신호를 대기 중으로 송신하고 , 구름에서 반사된 신호를 수신하여 기상 상태를 관측)
의료 : 초음파 저프 신호를 이용해 신체를 손상 하지 않으면서 내부 구조를 관찰
수중 통신 : 수중 환경에서의 데이터 전송
위성 및 GPS 시스템 : 정확한 위치 정보
지진파 분석 : 지진파의 특성을 분석하여 지진 위치, 강도를 파악
천문학 : 천체에서 방출되는 처프 신호를 수신하여 움직임과 특징을 연구
처프신호를 활용한 통신은 활용도가 높은 특정 분야를 제외하면
여러 보조 기술들을 활용하여 신호 처리를 한다는 다소 복잡할 수 있는 상황 때문에
초기 구현시에 인프라 구축에 있어서 다소 높은 초기 투자 비용이 발생할 수 있는 점에 있어서
최신 고성능 통신이 많이 발달된 현재에 그다지 효율적이지 못 할 수 도 있다.
그렇지만 현재 최신 고성능 통신 기술들 또한 높은 성능을 제공하는 대신 많은 구축 비용이 발생하는 것도 사실이기에
처프 신호를 활용하는 것이 효율적인 군사 통신, 수중 통신, 의료 진단 및 기상 관측 등 특정 응용 분야에서는 다른 기술들에 비해
신호의 정확성, 장거리 통신, 정확한 거리와 속도 측정 가능, 넓은 범위 관측 가능 등의
처프 신호 통신을 하는 것이 유리한 대표적인 사례들이라고 할 수 있다.