Ettus USRP X440을 활용한 레이더 및 EW 시스템 프로토타이핑

전자기 스펙트럼은 방대하면서 혼잡합니다. 전 세계적으로 네트워크에 연결된 디바이스는 수십억 개에 달하며, 이러한 디바이스는 상업용이든 군용이든 상관없이 스펙트럼을 사용하기 위해 경쟁합니다. 이러한 경쟁 때문에 디바이스가 적절한 대역폭에서 작동할 수 있도록 통신 디바이스가 스펙트럼 내 주파수가 높은 영역을 사용할 수 있도록 만들어야 합니다. 이렇게 하면 스펙트럼을 사용하는 디바이스에는 좋지만, 이로 인해 시긴트 (SIGINT) 수신기에서 필요한 신호를 가로챌 수 있는 확률을 최대한 높이기 위해 탐지 영역을 확장해야 합니다. 사용 가능한 주파수의 전체 범위를 추적하기란 어려우며, 네트워크에 연결된 디바이스에서 사용 가능한 과다한 주파수 옵션을 처리하려면 여러 라디오 또는 광대역 수신기가 필요합니다.

대역폭이 넓은 시스템, 인지 기술, 완전 디지털 빔형성 또는 새로운 기능을 도입하는 경우 이를 현장에 배포하기 전에 소프트웨어 시뮬레이션과 실제 하드웨어를 통해 적절하게 평가하고 검증해야 합니다. 소프트웨어 정의 라디오 (SDR)는 랩 기반 실험에서 전술적인 사용까지의 격차를 해소하는 데 도움이 됩니다. 

Ettus USRP X440 소프트웨어 정의 라디오는 다른 USRP 디바이스와 아키텍처가 다릅니다. Ettus USRP X440에는 발룬 커플링된 직접 샘플링 아키텍처가 있어 온보드 Xilinx Zynq RFSoC의 DAC와 ADC를 이용할 수 있습니다. 최대 4 GHz의 주파수를 직접 샘플링하거나 외부 프런트 엔드에 연결하여 더 높은 주파수 범위로 확장할 수 있습니다. 이러한 프런트 엔드는 위성 통신 (SATCOM) 프로토타이핑, SATCOM 지상국 배포 또는 mmWave 및 sub-THz 6G 연구와 같은 응용 분야에 가장 이상적일 수 있습니다.

^{그림 1: Ettus USRP X440 소프트웨어 정의 라디오 디바이스의 블록다이어그램}

디바이스에 RF 회로가 없으면 공간이 절약되기 때문에 설치 공간을 늘리지 않고도 채널을 더 많이 통합할 수 있습니다. Ettus USRP X440 SDR은 디바이스당 8개의 TX와 8개의 RX 채널을 제공합니다. 이러한 채널은 샘플 클럭을 공유하여 위상을 일관되게 만들 수 있기 때문에 X440은 방향 탐지, 레이더 연구 및 프로토타이핑과 같은 응용 분야에 적합합니다.

ITU (국제전기통신연합)는 방향 탐지 정확도를 "실제 방위각과 표시된 방위 간 차이의 RMS (제곱 평균 제곱근) 값"으로 정의합니다. SDR (또는 모든) 하드웨어로 정확하게 탐지하려면 긴밀하게 동기화하고 채널 간 위상 스큐를 최소화해야 합니다. 단일 Ettus USRP X440 디바이스 내 RX 위상 안정성은 일반적으로 0.1° RMS 미만입니다. 여러 디바이스에서 채널을 동기화하는 경우에도 RX 위상 안정성은 1° RMS 미만으로 유지됩니다. 이러한 안정성 덕분에 정확하게 방향을 탐지할 수 있습니다. 빔형성이 필요한 경우, TX 위상 안정성은 Ettus USRP X440 디바이스 내에서 0.5° RMS 미만이며 디바이스 간에는 1° RMS 미만이 됩니다. 마스터 클럭 속도에 따른 값의 전체 리스트와 측정 방법은 Ettus USRP X440 디바이스 스펙을 참조하십시오.

^{그림 2: Ettus USRP X440은 빔형성과 방향 탐지를 위해 채널 간 위상 스큐를 최소화합니다.}

앞서 언급한 바와 같이 광대역 기술은 적의 신호를 감지하고 기록하는 데 중요한 요소이면서 아군 시스템의 효율성도 크게 높입니다. 예를 들어 대역폭이 넓은 레이더 시스템에서는 분해능이 더 높아져 더 작은 물체를 감지하거나 밀접하게 붙어 있는 물체를 구별할 수 있습니다. 이러한 능력은 타겟을 더 정확하게 식별하고 분류하게 만들어 오분류의 위험을 줄이고 타게팅의 정확도를 높입니다. 또한 대역폭이 넓은 시스템은 일반적으로 주파수가 더 민첩하여 재튜닝 없이 작동 주파수 간을 이동할 수 있습니다. 이러한 시스템은 감지하고 모니터하기 더 어려울 뿐만 아니라 방해하거나 중단하기도 더 어렵습니다.

랩에서 광대역 역량을 프로토타이핑하려면 적절하게 넓은 대역폭을 갖춘 소프트웨어 정의 라디오 하드웨어가 필요합니다. Ettus USRP X440에 내장된 Xilinx RFSoC를 통해 4 GSps로 샘플링할 수 있어 디바이스 전체에 걸쳐 총 3.2 GHz의 순시 대역폭을 확보할 수 있습니다. 이 대역폭은 1채널 또는 2채널 구현인 경우 채널당 최대 1.6 GHz, 8개 채널인 경우 채널당 최대 400 MHz로 할당될 수 있습니다. 이렇듯 X440은 이전 USRP 모델에 비해 대역폭이 크게 증가했기 때문에 광대역 레이더와 EW 어플리케이션에 특히 잘 맞습니다.

^{그림 3: Ettus USRP X440은 이전 USRP 모델보다 훨씬 크게 순시 대역폭을 확장합니다.}

대역이 4 GHz 이하 (S 대역, L 대역, HF/VHF/UHF 대역)인 경우 USRP X440을 사용하여 스펙트럼을 직접 샘플링할 수 있습니다. Ettus USRP X440의 아키텍처를 사용하면 Xilinx RFSoC의 전체 대역폭을 활용할 수 있습니다. 그러나 IF 신호 컨디셔닝이 내장되어 있지 않기 때문에 필요한 신호를 왜곡할 수 있는 영향을 방지하려면 주파수 계획이 어느 정도 필요합니다. Ettus X440 USRP는 ADC 변환기 샘플링 속도 (F_s)의 절반으로 정의되는 나이퀴스트 주파수보다 큰 주파수에서 샘플링할 수 있습니다. 그러나 이 방법을 사용하면 원치 않는 신호가 나이퀴스트 주파수 (F_s/2)의 배수 주변에서 거울상으로 나타나는 앨리어싱이 유발됩니다. 이 방법은 주파수 범위를 각 나이퀴스트 영역 경계 주변에서 사용할 수 없게 만들기 때문에 필요한 신호가 여러 나이퀴스트 영역에 걸쳐 퍼지지 않도록 신중하게 계획을 실행해야 합니다. 그렇지 않으면 필요한 신호가 왜곡되거나 간섭 신호가 측정된 스펙트럼으로 앨리어싱됩니다.

^{그림 4: 나이퀴스트 영역 경계가 필요한 신호를 간섭하지 않도록 마스터 클럭 속도를 신중하게 선택해야 합니다.}

X440의 주파수 계획과 마스터 클럭 속도 선택에 대한 자세한 내용은 https://kb.ettus.com/About_Sampling_Rates_and_Master_Clock_Rates_for_the_USRP_X440을 참조하십시오.

레이더 시스템은 Ettus USRP X440에서 기본적으로 제공하는 4 GHz 범위 이상의 대역을 자주 사용합니다. 예를 들어, 기상, 감시, 항공 교통 관제, 방위 추적에 사용되는 많은 레이더가 C 대역과 X 대역 이상에서 작동합니다. Ettus USRP X440 디바이스는 주파수 제한에도 불구하고 중간 주파수 (IF) 트랜시버로 작동하기에 적합하며, 외부 RF 프런트 엔드와 연결되어 필요한 주파수의 업컨버전과 다운컨버전을 처리합니다. Ettus USRP X440이 샘플링할 수 있도록 4 GHz 미만의 IF를 수락하고 제공하는 프런트 엔드를 선택하는 데 주의해야 합니다. 프런트 엔드는 또한 X440 디바이스의 프런트패널에 있는 DIO 포트에서 공급되는 디지털 컨트롤 신호를 받아야 합니다. USRP 하드웨어 드라이버 (UHD)는 확장 프레임워크를 사용하여 USRP에서 외부 프런트 엔드를 UHD API를 통해 제어할 수 있게 만듭니다. 확장 프레임워크에 대한 자세한 정보는 https://files.ettus.com/manual/page_extension.html을 참조하십시오.

^{그림 5: Ettus USRP X440은 외부 업컨버터 및 다운컨버터와 페어링하여 더 높은 주파수 대역을 처리하기에 좋습니다.}

항공우주 및 방위 시스템용으로 새로운 기능을 설계하는 연구원과 시스템 엔지니어는 하드웨어를 최소한만 변경하여 개념을 테스트할 수 있는 다용도의 재구성 가능한 하드웨어가 필요합니다. Ettus USRP X440은 이러한 필요에 꼭 맞을 뿐만 아니라 스펙트럼 모니터링과 고분해능 레이더에 필요한 만큼 대역폭을 확장할 수 있는 것은 물론 다중 채널의 위상을 일관되게 유지하여 방향 탐지 또는 빔 조종이 가능합니다.

​다음 비디오에서 Ettus USRP X440의 데모를 시청하십시오.

• USRP 소프트웨어 정의 라디오에 대해 알아보기
• 레이더 및 EW 프로토타이핑을 위한 NI COTS 구성요소 참조