비선형 처프와 CW 리플리카를 사용한 도플러 천이 주파수 추정에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Underwater acoustic channels are highly time varying and inherently face challenges such as high transmission loss, multipath propagation, and low propagation speed. In particular, the Doppler effect caused by the relative velocity between the transmitter and receiver leads to frequency shifts and spreading, which causes ISI (Inter Symbol Interference) and degrades communication system performance. For rapid and reliable processing of acoustic signals in marine applications, such as active sonar and underwater drones, estimating and compensating for Doppler shift frequency is essential. Conventional methods for estimating Doppler shift frequency suffer from high computational complexity and long processing times, making them difficult to apply in real-time communication, and they often require the use of two or more signals. In this thesis, a single HFM (Hyperbolic Frequency Modulation) signal-based Doppler shift frequency estimation technique using CW (Continuous Wave) replicas is proposed. A bank constructed with CW replicas is utilized to calculate the correlation magnitude based on the minimum or maximum frequency. The degree of shift is determined by finding the intersection point of the resulting correlation graph, which is then defined as the Doppler shift frequency. The proposed method demonstrates reduced errors and faster operation time compared to conventional approaches, while also offering signal processing flexibility. Furthermore, a method is presented to estimate the Doppler shift frequency and correct relative errors that may be included in the estimation. To evaluate the proposed method, simulations were executed, confirming its capability to estimate Doppler shift frequency at a better level of performance with reduced operation time compared to existing methods. KEYWORDS : Underwater acoustic channel; Doppler shift frequency estimation; Broadband signal; Nonlinear chirp; Continuous wave; Replica

국문 초록 (Abstract)

수중 음향 채널은 시변동성이 큰 채널로, 높은 전송 손실, 다중 경로, 낮은 전파 속도 등 필연적으로 겪는 문제점들이 있다. 특히, 송수신 플랫폼의 이동에 의한 도플러 효과는 주파수 천이 및 확산을 야기하고 심볼 간 간섭을 일으켜 통신 시스템의 성능 열화를 일으킨다. 능동 소나, 수중 드론 등 해양 산업 분야에서 음향 신호의 신속하고 신뢰성 있는 정보 처리를 위해서 도플러 천이 주파수의 추정 및 보상은 필수적이다. 기존에 연구된 도플러 천이 주파수 추정 방식은 계산량이 많아 동작 시간이 길어 실시간 통신에 적용하기 어렵고 두 개 이상을 사용해야 한다는 단점이 있다. 본 논문에서는 CW 리플리카를 적용하여 단일 HFM 신호 기반의 도플러 천이 주파수 추정 기법을 제안하였다. CW 리플리카로 구성된 뱅크를 통해 최소 또는 최대 주파수에 따른 상관도 크기를 계산하고 도출된 그래프의 교차점을 찾아 이동한 정도를 도플러 천이 주파수로 정의한다. 제안한 기법은 기존의 방식에 비해 빠른 동작 시간으로 오류를 줄이는 결과를 보이며, 신호 처리의 유연성 또한 갖추고 있다. 추가로 도플러 천이 주파수를 추정하고, 이에 포함될 수 있는 오류를 보정하는 방식도 제시하였다. 제안한 방식의 성능을 검증하기 위해 다양한 채널에서 모의실험을 진행하였고, 기존의 방식과 비교하였을 때 적은 동작 시간으로 더 나은 수준의 도플러 천이 주파수를 추정하는 것을 확인하였다. KEY WORDS : 수중 음향 채널; 도플러 천이 주파수 추정; 광대역 신호; 비선형 처프; Continuous Wave; Replica

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ⅲ
• List of Figures ⅳ
• Abstract ⅴ
• 1. 서론 1
• 2. 도플러 주파수 천이 4
• 2.1 수중 음향 채널 전달 특성 4
• 2.1.1 수중 채널에서 도플러 효과 4
• 2.1.2 광대역 수중 채널 모델과 도플러 스케일링 5
• 2.1.3 도플러 확산과 모호 함수 6
• 2.2 도플러 주파수 추정을 위한 광대역 신호 6
• 2.2.1 PRBS 신호 6
• 2.2.2 LFM 신호 6
• 2.2.3 HFM 신호 9
• 3. 단일 비선형 처프 기반 도플러 천이 주파수 추정 12
• 3.1 기존의 정합필터 뱅크 방법 12
• 3.2 CW 리플리카를 사용한 도플러 추정 방법 제안 14
• 4. 모의실험 및 결과 21
• 4.1 AWGN 채널 21
• 4.2 다중 경로 전달 채널 24
• 4.2.1 채널 특성 25
• 4.2.2 모의실험 결과 28
• 5. 결론 29
• 참고문헌 31
• 국문초록 35