I. 서 론
II. 초소형 신호전송노드 구현 기법
2.1 인쇄회로기판 소형화
2.2 배선 최소화를 위한 구조설계
2.3 초소형 신호전송노드 제작
III. 시험 결과
3.1 이득특성 정확도
3.2 위상편차
3.3 왜율
3.4 전기적잡음준위
IV. 결 론
I. 서 론
예인형 선배열센서는 제 1차 세계대전 당시 미국 해군 실험실에서 잠수함 탐지를 목적으로 선배열센서 형태의 센서가 최초 발명된 이후 오늘날 석유 탐사 연구를 위한 상업용 선배열센서를 개발하는 등 다양한 목적과 형태로 발전해 왔다.[1]
특히, 군사 목적용 예인형 선배열센서는 주로 수상함 또는 잠수함에 탑재되어 주변 환경 소음을 수집하거나 적 잠수함 위치 탐지 등의 역할을 하며 본체의 소음 간섭 등을 피하기 위해 조출 시스템을 이용하여 일정 거리 이상 유지한 채로 예인하며 탐지를 수행한다.[2]
선배열 예인 센서 운용 시 함정 진행 방향의 반대 방향으로 항력이 발생하게 되며 이는 기동력을 감소시키는 원인을 제공하므로 선배열 예인센서는 항력 감소를 위해 센서 직경 최소화 설계가 중요하다. 또한, 무인 잠수정/수상정 같은 소형 플랫폼의 경우 항력을 극도로 낮추기 위해 초세장형 선배열센서의 개발은 필수적이다. 무인 잠수정/수상정에 적용되는 초세장형 선배열센서는 작은 직경 및 선배열 형태로 인해 내부 음향 및 전자구성품은 직렬 형태로 배치 설계되며, 케이블 배선 최소화를 위해 각 전자구성품 간 다중 홉 네트워크(Multi-Hop Network) 구조를 적용한다.[3] 이처럼 분산된 전자 구성품들 간의 통신 계층에서도 효율화가 요구되며, 하드웨어 차원에서 배선과 공간을 최소화할 수 있는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB) 소형화 기법들도 중요시된다.[4]
소형 선배열센서 제작에 관한 해외 개발 사례를 살펴보면 Systems Engineering & Assessment Ltd(SEA) 라는 영국 업체에서 소형 플랫폼 및 무인체계 장착을 목적으로 개발한 KraitArray 센서가 있다. KraitArray는 150 m길이의 192개의 수중청음기로 구성되어 있으며 Array 앞 부분의 견인 케이블과 센서 본체를 연결하는 금속 하우징은 51 mm의 직경으로 구성되어있다. 뒤따라오는 센서부, 소나의 직경 최소화를 위해 저전력 증폭회로단을 별도로 구성하여 16 mm 직경의 얇고 긴 센서를 개발하였다.[5] Array를 수중청음기로만 구성한다면 직경을 줄일 수는 있지만 입력단으로부터 유기되는 전기적 잡음으로 인해 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)이 떨어지고 소 신호 음향탐지가 어려워진다. 유기되는 전기적 잡음을 최소화하기 위해서는 수중청음기와 인접한 위치에 전치증폭기가 배치되어야하며 수중청음기와 전치증폭기 간 연결되는 하네스 또한 간결하고 짧게 설계되어야 한다.
싱가포르 국립대 음향 연구실에서는 지름 10 mm, 길이 24 m 내에 11개의 Super-Elements를 일정한 간격으로 배열한 Digital Thin Line Towed Array(DTLTA)를 개발하였다. 각 Super-Element에는 6개의 PZT센서와 이를 증폭시켜주는 신호증폭조립체단으로 구성되며 11개의 Super-Element로부터 입력받은 신호는 아날로그 신호 형태로 전달되어 센서 앞에 위치하는 Analog to Digital Converter(ADC)에서 디지털 신호로 변환 및 RS422 통신으로 전송되는 구조이다. 이러한 형태는 입력단(PZT센서)으로부터 유기되는 전자 잡음을 줄여 SNR을 개선할 수 있지만 센서 전면에 위치한 ADC까지 아날로그 신호를 보내야 한다. 따라서 센서 채널 수를 늘릴수록 사용되는 구리 전선이 많아지고 소모 전력이 늘어나기 때문에 직경 및 채널 확장성에 한계가 있다. 특히 ADC 고장 시에는 모든 채널의 수신이 불가능해져 센서 운용 자체가 불가하게 되는 치명적인 단점이 존재한다. 또한 무인잠수정에 탑재되어 실제적인 운용을 고려한다면 함정에서 유기되는 소음차단을 위한 구조가 함께 고려되어야 한다.
본 논문은 선배열센서의 모든 직경이 30 mm 이내의 초소형 구조를 구현하기 위해 빌드업 인쇄회로기판 방식을 적용한 초세장형 선배열센서를 제작하였으며, 이를 토대로 기존 해외 개발사례에서 확인된 한계를 보완할 수 있는 구체적 방안을 제시한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 인쇄회로기판 소형화 제작을 위한 빌드업 인쇄회로기판 제작 기법과 소형 인쇄회로기판에 적용되는 주요 부품에 대해 기술하며 배선 최소화를 위한 구조설계 방안 및 모듈 제작 방안을 제시한다. 3장에서는 제작된 모듈의 전기적 특성과 소음 특성 시험 결과를 보이며, 4장에서는 본 논문의 결론을 기술한다.
II. 초소형 신호전송노드 구현 기법
초세장형 선배열센서는 무인 잠수정에 적용하기 위해 30 mm 이하의 소구경 형태로 제작을 목표로 하며 인쇄회로기판 소형화 제조 기술을 비롯하여 부품 최적 배치 및 하네스 라인 설계, 통신 분산구조 적용 등 고정밀 집적화를 위해 모든 소재 및 분야에서 복합적으로 고려되어야 한다. 다음은 소형화에 핵심이 되는 인쇄회로기판 소형화 기법 및 배선 최소화를 위한 구조설계에 대해 기술한다.
2.1 인쇄회로기판 소형화
인쇄회로기판 소형화 기술은 전자기기의 경량화, 고집적화, 고성능화를 위해 인쇄회로기판의 크기를 줄이고 구성요소를 고밀도로 집적하는 기술을 말한다. 초세장형 선배열센서 제작에 적용된 주요 인쇄회로기판 소형화 기술은 다음과 같다.
2.1.1 빌드업 인쇄회로기판 공정
빌드업 공정은 도체층과 절연층을 기판 또는 이미 형성된 층 위에 순차적으로 적층하여, 다수의 비아형성 및 미세 배선 구현을 가능하게 하는 기술이다. 1991년 IBM은 기존의 다층 인쇄회로기판 제작 방식과는 다른 코어 기판 위에 감광성 절연체를 적층하고 포토리소그래피방식으로 마이크로비아를 형성한 뒤 동 도금을 이용해 배선을 생성하는 Surface Laminar Circuit(SLC) 기술을 발표하였다. 당시 전자 패키징 분야는 고집적화와 고밀도 배선 기술의 필요성이 본격적으로 대두되던 시기로, IBM의 발표는 새로운 빌드업 기판 공정의 가능성을 제시하며 업계의 주목을 받았다. 이후 이를 계기로 다양한 빌드업 인쇄회로기판 기술들이 개발되기 시작하였다.[5]
빌드업 공정은 비아 홀 형성 방법에 따라 크게 네 가지로 나뉜다. 감광성 절연체를 이용하여 자외선 노광에 의해 홀을 형성하는 Photovia 공정, 절연층에 레이저를 조사하여 미세 홀을 가공하는 Laser Drilling 공정, Resin Coated Copper Foil(RCC)에 레이저 드릴링 기법을 활용한 RCC Laser Drilling 공정, 그리고 주로 관통홀 가공에 사용되는 기계식 드릴링 공정이 있다.
이 중 Laser Drilling 공정은 감광성 절연체에 국한되지 않고 Epoxy, Bismaleimid Triazine(BT), Polyimide(Pl), FR-4 등 다양한 절연 재료에 적용할 수 있다. 또한 50 μm ~ 100 μm 크기의 마이크로비아를 형성할 수 있으며 via-in-pad 및 스택 비아 구조에도 적합하여 현재 산업에서 가장 범용적으로 채택되는 방식이다. 본 연구의 초세장형 선배열센서 제작에도 Fig. 1과 같이 Laser Drilling 기반의 빌드업 인쇄회로기판 공정을 적용하여 직경 30 mm 이하의 소형화된 인쇄회로기판를 제작하였다.[6]
빌드업 공정을 적용하여 인쇄회로기판를 제작하면 기존 인쇄회로기판 대비 기판 면적을 크게 줄일 수 있으며, 고집적화에 유리하다. 마이크로비아와 세밀한 회로 패턴을 활용하면 동일 면적 내에 더 많은 회로 배치가 가능하다. 또한 레이어 간 접속 경로가 짧아지면서 기생 인덕턴스 및 커패시턴스가 감소하고, 이에 따라 고속 신호 전송 및 전자기 간섭 저감 효과를 기대할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 이러한 장점을 바탕으로 초세장형 선배열센서의 소형화 및 고성능화를 달성하기 위해 빌드업 공정을 적용하여 인쇄회로기판을 제작한다.
2.1.2 초소형 신호전송노드 회로 집적화 설계
초소형 신호전송노드는 음향신호를 수신하여 신호 전처리를 수행하고 디지털 데이터 변환을 위한 ADC 수행 및 제어 명령에 따른 이득 등 제어 기능을 수행한다. 직경 30 mm 이하의 조건에서 기능 구현을 위해서는 회로의 분산 배치가 필수적이며 이에 따라 신호전송모듈, 음향모듈, 비음향모듈로 구분하여 신호망 노드를 구성하였다. 특히 음향모듈내의 신호증폭조립체, 신호전처리조립체, 신호전송조립체가 주된 역할을 하며 이 가운데 FPGA와 전원회로가 적용된 신호전송조립체가 전체 부피와 집적도에 큰 영향을 미치므로 이하에서는 회로 집적화를 위한 소형 부품 선정 내역을 중점적으로 소개하고자 한다.
인쇄회로기판 소형화에 있어서는 빌드업 공정과 같은 제조 기술의 적용뿐 아니라, 기판에 실장되는 각종 부품의 크기와 패키지 형태를 최소화하는 것이 필수적으로 고려되어야 한다. 모든 소자가 가능한 소형 패키지를 채택하는 것이 바람직하나, 센서의 출력 특성을 유지해야 하는 일부 소자는 성능 특성을 우선하여 일반 규격 부품을 채택하였다. 반면, FPGA나 커넥터와 같이 기판 내에서 상대적으로 큰 비중을 차지하는 소자는 크기를 고려하여 소형화된 패키지를 선정하였다.
신호전송조립체는 신호증폭조립체와 신호전처리조립체를 거쳐 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 데이터를 획득하고 이를 데이터 프레임으로 구성하여 음향데이터와 비음향데이터를 전송하는 기능을 담당한다. 이 과정에서 FPGA는 클럭 기반 주기 데이터를 생성하며 MCU는 초기 부팅과 상태정보 센싱을 수행한다. 본 연구에서는 48채널 이상의 음향데이터 전송을 목적으로 FPGA 로직을 설계하였으며, 이에 따른 FPGA 자원 사용량과 선정된 FPGA와의 자원 비교표는 Table 1과 같다.
Table 1.
FPGA resource usage.
| Resource | Utilization | Available | Utilization (%) |
| LUT | 4883 | 20800 | 23.48 |
| LUTRAM | 199 | 9600 | 2.07 |
| FlipFlop | 6649 | 41600 | 15.98 |
| BRAM | 9 | 50 | 18.00 |
| DSP | 4 | 90 | 4.44 |
| I/O Pin | 28 | 106 | 26.42 |
| BUFG | 22 | 32 | 68.75 |
| MMCM | 4 | 5 | 80.00 |
이 중에 Mixed-Mode Clock Manager(MMCM)과 BUFG는 클럭 생성 및 분배를 담당하는 핵심 자원으로, 특히 MMCM은 신호전송조립체 간의 통신 및 동기화에 필수적이다. 본 연구에서는 소형화를 위해 AMD사의 Xilinx Spartan-7 시리즈 FPGA 중 8 mm × 8 mm 크기의 CPGA196 패키지를 우선 고려하였다. 그러나 해당 패키지에서는 지원 가능한 디바이스 등급이 제한적이어서 MMCM 자원이 최대 2개에 불과하였다.
48채널 이상 동기화를 위한 요구조건을 충족하기 위해, 더 많은 클럭 자원을 제공하는 상위 디바이스를 지원하는 Table 2의 성능을 가지고 있는 CPG236을 적용하였다.
Table 2.
FPGA specification.
| Part number | XC7A35T_2CPG236I |
| Manufacturer | AMD |
| I/O count | 106 |
| Package | CPG236 |
| Size | 10 mm × 10 mm |
Fig. 2의 붉은색 사각형으로 표시한 소자는 신호전송조립체 전면부에 위치한 FPGA(좌측) 및 MCU(우측)를 나타낸다.
FPGA 및 MCU에 전원을 공급하는 전원회로의 설계 또한 소형화에 있어 중요한 고려 요소이다. Fig. 3의 붉은색 사각형으로 표시한 부분은 FPGA의 코어전원, I/O전원 및 디지털 회로 구동을 위해 전원을 공급하는 전원회로이다. 신호전송조립체 후면부에 위치했으며, 각각 1.0 V, 1.8 V, 3.3 V의 전압이 요구된다. 이를 위해 신호전송조립체는 2차 전원변환반으로부터 5 V를 공급받아 레귤레이터를 통해 필요한 전압으로 변환한다.
일반적으로 전압 안정성 확보와 부하 특성 분리를 위해 세 종류의 레귤레이터를 각각 사용하지만, 소형화를 위해 세 가지 전압을 동시에 출력할 수 있는 Table 3의 성능을 갖고있는 LTC3545 다중 전압 레귤레이터를 고려하였다.
Table 3.
Regulator specification.
| Part number | LTC3545 |
| Manufacturer | Analog device |
| Output count | 3 |
| Output current | 800 mA |
| Package | QFN-16 |
| Size | 10 mm × 10 mm |
또한 인쇄회로기판 소형화로 인해 단위 면적당 발열 밀도가 증가하는 문제가 발생한다. 예인형 모듈에 적용되는 인쇄회로기판 조립체는 일반적으로 대면적 방열패드를 사용하여 열을 방출하지만, 소형화된 인쇄회로기판에서는 동일한 구조를 적용하기 어렵다.
따라서, 전력 효율을 높이면서 발열을 최소화할 수 있는 스위칭 방식의 LTC3545 레귤레이터를 선정하여 소형화된 인쇄회로기판 환경에서도 안정적인 전원공급이 가능하도록 하였다.
2.1.3 소형커넥터 적용
전원 공급, 저전압 차동 신호 방식(Low Voltage Differential Signaling, LVDS) 표준 신호를 통한 데이터 전송 및 음향신호 입력 등 다양한 신호전송조립체와 기타 전자 부품 간의 전기적 연결을 위해 적절한 와이어링이 요구된다. 이에 따른 와이어 규격, 개수 및 인쇄회로기판 크기에 부합하는 커넥터 선정 검토 결과, 제한된 공간 내에서도 효율적으로 적용이 가능한 Flexible PCB를 채택하였다.
Fig. 4와 같이 FPCB는 얇고 경량의 소재로 제작되어 공간 활용성을 극대화한다. 특히 회로의 고밀도 미세 패턴 설계를 통해 기존 하네스와 커넥터가 차지하던 물리적 부피를 최소화할 수 있으며, 이는 시스템 전체 부피 감소는 물론, 조립 공정의 단순화에 기여한다. 신호전송조립체에 조립되는 FPCB 커넥터와 FPCB간의 안정적인 연결 및 고정을 위해 Table 4와 같이 FPCB의 크기, 구조, 두께 등을 고려하여 설계하였다.
Table 4.
Flexible pcb specification.
| Part number | 503480-1400 |
| Manufacturer | Molex |
| Pin count | 14 pin |
| Output current | 800 mA |
| Package | QFN-16 |
| Size | 10 mm × 10 mm |
FPCB 커넥터의 반대편은 Rigid PCB로 제작되어 신호전송조립체에 견고하게 부착된다. Rigid PCB는 26 AWG 규격의 와이어 도체가 통과할 수 있도록 설계된 솔더링용 홀 가공을 포함하며, 인접한 신호전처리조립체와의 전기적 연결을 담당한다. 빌드업 인쇄회로기판 공정 기술을 기반으로 한 회로 적층 및 배선 최적화, 그리고 소형화 부품 및 커넥터적용을 통해 선배열센서의 기존 인쇄회로기판 기판 면적 대비 77.47 % 의 소형화 및 집적화를 달성하였다. 이를 통해 센서 모듈의 공간 활용도가 향상되었다.
2.2 배선 최소화를 위한 구조설계
신호전송노드의 음향신호를 개별 전선으로 전송할 경우, 총 96가닥의 배선이 필요하게 된다. 이는 직경 30 mm 이하의 구조에서는 물리적으로 구현이 불가능할 정도로 과도한 수량이다. 또한 아날로그 신호는 전송 거리가 길어질수록 외부 노이즈에 취약해지며, 선로 저항에 따른 신호 감쇠로 인해 장거리 전송 시 신호 품질이 급격히 저하된다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 본 연구에서는 배선 최소화 및 데이터 안정성 확보를 목표로 다중 홉 네트워크 구조를 적용하였다. 아울러 센서 모듈 내부 공간 활용을 극대화하기 위해 Nested Array 형태의 센서 배치 구조를 채택하여 센서의 수량을 최적화하였다. 이하에서는 이러한 다중 홉 네트워크 및 Nested Array 구조의 구체적 설계 원리와 적용 방안에 대해 기술한다.
2.2.1 다중 홉 네트워크 구조
다중 홉 네트워크란 하나의 노드가 목적지까지 직접 통신하지 않고 여러 중간 노드를 거쳐 데이터를 전달하는 네트워크 구조를 말한다. 이러한 구조는 무선 센서 네트워크, IOT 네트워크, 군용통신망, 지능형 교통시스템 등에서 핵심 기술로 활용되고 있다. 초세장형 선배열센서는 각 신호전송조립체가 이러한 역할을 수행한다. 각 노드는 4채널에 해당하는 음향신호를 수집하여 자체적으로 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환을 수행하고, 변환된 데이터를 프레임 형태로 구성해 주기적으로 전송한다. 센서의 직경을 고려하여 Fig. 5와 같이 신호전송조립체를 선형으로 배치하였으며, 디지털 데이터의 전송량을 줄이기 위해 다중 링크구조를 적용하였다. 각 링크는 인접 노드로부터 전달된 음향데이터를 취합·동기화한 후, 상위 장비로 순차적으로 전송하는 역할을 수행한다.
다중 홉 네트워크 구조는 직경 최소화와 함께 장거리 통신을 가능하게 하여 넓은 커버리지를 확보할 수 있다.[7]또한 단거리 송신의 반복을 통해 신호 품질을 유지하고, 노드 수 증가에 따른 네트워크 확장성을 확보할 수 있다. 더불어 특정 노드 고장 시에도 다중 링크 구조를 통해 대체 경로로 데이터 수신이 가능하므로, 전체 네트워크의 안정성과 신뢰성을 높인다. 이와 같은 구조는 배선 최소화와 데이터 전송 효율 향상을 동시에 달성할 수 있으며, 초소형 신호전송노드 제작 및 운용 신뢰성 확보에 중요한 기반이 된다.
2.2.2 Nested Array 구조
Nested Array 구조는 두 개 이상의 서브 어레이를 서로 다른 간격으로 배치하여, 적은 수의 센서로도 더 많은 유효 측정점을 확보할 수 있는 배열 방식이다.
센서 간 거리 차이를 통해 배열로 간주하여 실제 센서 수보다 2배에서 제곱 수준의 가상 포인트를 생성할 수 있으며, 이를 통해 센서 개수를 줄이면서도 고해상도의 공간 샘플링이 가능하다.[8] Fig. 6과 같이 초세장형 선배열센서에서는 두 대역에 대해 Nested Array 구성을 적용하여 저주파 영역에서는 긴 유효 배열길이를 확보해 탐지 분해능을 높이고, 고주파 영역에서는 밀집된 서브 어레이 배치를 통해 근거리 음원에 대한 정밀 탐지를 가능하게 하였다. 이러한 설계는 배선 복잡도와 전력 소모를 최소화하면서도 추가적인 수중청음기 없이 주파수 대역별 감지 성능을 균형있게 확보하는데 기여하였다.
2.3 초소형 신호전송노드 제작
신호전송노드 시스템은 Fig. 7과 같이 광/전기 변환을 하여 음향/비음향데이터를 전송하기 위한 신호전송모듈, 음향신호 획득을 위한 음향모듈, 비음향 정보 획득을 위한 비음향모듈 등으로 구성된다.
본 논문에서는 신호의 획득 및 성능 분석을 위해 신호전송노드 시스템을 구성하는 신호전송모듈, 음향모듈, 비음향모듈에 실장되는 조립체를 중심으로 기술하였다.
2.3.1 음향모듈
Fig. 8은 신호전송노드 시스템의 각 모듈 별 내부 구성과 전체적인 제어 및 데이터흐름을 나타낸다. 음향/비음향데이터의 수신부터 광/전기 변환을 통한 신호 획득까지의 과정을 순차적으로 기술한다.
Fig. 9는 음향모듈의 기능 블록다이어그램이다.음향모듈은 음향신호를 수신하고 전처리하는데 중추적인 역할을 하는 모듈이다. 수중청음기를 통해 수신한 음향신호를 증폭시키는 기능을 하는 신호증폭조립체와 증폭된 아날로그 신호의 저주파 노이즈 및 불필요한 대역 신호를 제거하는 기능이 구현된 신호전처리조립체, 증폭된 신호를 전달받아 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 후 신호전송모듈에 전송하는 신호전송조립체로 구성된다.
Fig. 10은 신호증폭조립체의 기능 블록다이어그램이다.
신호 증폭을 위한 초단 이득 회로는 시스템 전체의 SNR을 결정하기 때문에 매우 중요한 부분이다. 미세한 수중 음향신호를 손실 없이 수신하고 디지털 신호로 변환하기 위해서 Fig. 10과 같이 증폭이 가능한 저잡음 op-amp 회로를 초단에 배치하여 신호를 즉각적으로 증폭하도록 설계하였다.
수중청음기로부터 출력되는 아날로그 신호는 전선을 통해 신호증폭조립체로 전달되는데 배선이 길수록 기생 커패시턴스가 증가하고 외부에서 유입되는 진동에 의한 Burst Noise가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 신호증폭조립체를 가장 가깝게 배치하여야 한다.
따라서 수중청음기가 적용된 기구물 형상을 고려하여 신호증폭조립체를 원형 형태로 설계하였으며 소형 부품 적용 및 회로 집적화를 통해 Fig. 11과 같이 15.8 mm × 15.8 mm × 4.6 mm(가로 × 세로 × 두께)로 제작하였다.
Fig. 12는 신호전처리조립체의 기능 블록다이어그램이다. 신호전처리조립체는 신호증폭조립체로부터 전달받은 증폭된 아날로그 신호를 디지털 변환 전 최적의 상태로 정형화하는 역할을 수행한다.
Sea Noise Correction(SNC) Filter에서는 초단 증폭 후에 남아있는 저주파 노이즈 및 불필요한 대역 신호를 제거하여 신호의 명확성을 확보한다. 이후 Anti-Aliasing Filter(AAF)에서는 후단 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 과정에서 발생하는 에일리어싱 현상을 방지하기 위해 나이퀴스트 주파수 이상의 고주파 성분을 차단하는 역할을 한다.
마지막으로 Programmable Gain Amplifier(PGA)단에서는 수신되는 음향신호의 강도에 따라 이득을 가변적으로 조절함으로써, 시스템의 동적범위를 극대화하고 ADC 입력 레벨을 최적화한다.
마찬가지로 소형 부품 적용 및 회로 집적화를 통해 신호전처리조립체는 Fig. 13과 같이 46.9 mm × 20.2 mm × 10 mm로 제작하였다.
Fig. 14는 신호전송조립체(음향용)의 기능 블록다이어그램이다. 신호전송조립체(음향용)은 전처리된 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하여 상위 모듈로 전송하는 최종 단계를 담당한다. 주요 구성 요소는 Fully Differential Amplifier(FDA)와 ADC이다. FDA에서는 전처리된 신호를 ADC가 처리하기 가장 좋은 형태인 차동 신호로 만들어 준다.
ADC에서는 전처리된 아날로그 신호를 0과 1로 이루어진 디지털 데이터로 변환한다. 이 과정에서 24-bit 분해능을 통해 수중 음향의 미세한 진동까지 수치화한다.
이는 선배열센서처럼 긴 라인을 통해 신호가 전달될 때 외부 노이즈가 끼어드는 것을 효과적으로 차단하기 위한 장치이다.
생성된 디지털 데이터는 신호전송모듈로 재정렬되어 실시간으로 전송된다. 신호전송조립체(음향용)는 Fig. 15와 같이 46.9 mm × 20.2 mm × 10.2 mm로 제작하였다. 인쇄회로기판 소형화로 인해 신호전처리조립체와 신호전송조립체 내의 아날로그 보드와 디지털 보드 간 간격이 매우 좁아지면서 상호 간섭에 의한 노이즈 영향이 발생할 수 있다. 이러한 근접 배치로 인해 디지털 스위칭 노이즈가 아날로그 회로에 커플링되어 신호 품질이 저하되는 문제가 나타난다. 이를 방지하기 위해 두 보드 사이에 금속 차폐판을 삽입하여 전자기적 간섭을 효과적으로 차단하고, 결과적으로 시스템의 신호 안정성과 신뢰성을 향상시켰다.
2.3.2 비음향모듈
비음향모듈은 초세장형 선배열센서 예인 시 자세 확인을 위한 비음향센서(방위, 온도, 수심)와 측정된 비음향데이터를 전송하기 위한 신호전송조립체(비음향용)로 구성된다. 직경 30 mm 이내의 초소형 구조를 구현하기 위해 보드에 마운트가 가능한 Micro Electro Mechanical System(MEMS) 타입의 비음향센서를 선정하였다.
MEMS 타입 비음향센서 적용을 통해 Fig. 16의 방위센서조립체는 46.9 mm × 16 mm × 4 mm, Fig. 17의 온도센서조립체는 46.9 mm × 16 mm × 3.2 mm으로 제작하였으며, 수심센서조립체는 Fig. 18과 같이 46.9 mm × 16 mm × 7.4 mm 크기로 제작하였다.
또한 다중 홉 네트워크 구조 적용을 위해 신호전송조립체(비음향용)를 배치하여 측정된 비음향데이터를 전송 및 수신이 가능하도록 일부 회로구성만 달리하여 Fig. 19와 같이 신호전송조립체(음향용)와 동일한 사이즈로 제작하였다.
Figs. 20, 21, 22는 비음향모듈에 대한 기능 블록다이어그램이다. 각각 기능에 맞는 비음향데이터를 수집한 후에 신호전송조립체로 전달한다. 신호전송조립체(비음향용)의 기능은 모두 동일하다. 입력 버퍼에서는 각기 다른 샘플링 주기와 통신 속도를 가진 비음향데이터를 일시적으로 저장하여 데이터 병목 현상을 방지하고 비음향데이터의 무결성을 확보한다. Microcontroller Unit(MCU)에서는 I2C 프로토콜을 사용하여 버퍼에 저장된 방위, 온도, 수심데이터를 수집하여 프로토콜 변환 및 전처리를 거친다.
FPGA에서는 MCU로부터 전달받은 비음향데이터를 실시간으로 재정렬하여 저전압 차동 신호 방식 트랜시버에서 차동신호인 저전압 차동 신호 방식 레벨로 변환할 수 있도록 도와준다. 데이터는 신호전송모듈로 재정렬되어 실시간으로 전송된다.
Fig. 23은 신호전송모듈의 기능 블록다이어그램이다. 신호전송모듈은 수신받은 2개 Link의 음향/비음향데이터를 합치기 위한 신호다중화전송조립체와, 합쳐진 데이터를 광으로 변환하여 전송하는 광전변환조립체로 구성된다.
2.3.3 신호전송모듈
Fig. 24는 신호다중화전송조립체의 기능 블록 다이어그램이다. 2개 Link의 저전압 차동 신호 방식 트랜시버에서는 수신한 데이터를 업링크를 통해 안정적으로 FPGA에 전달한다. FPGA에서는 수신받은 데이터를 하나의 데이터프레임으로 재정렬하는 역할을 한다. 재정렬한 데이터는 저전압 차동 신호 방식 트랜시버를 통해 광전변환조립체로 전달된다. Fig. 24의 다운링크의 차동 신호 버퍼(Differential Signal Buffer, DSB)는 저전압 차동 신호 방식 트랜시버와 직렬로 배치하여 신호 품질을 보정한다. 광전변환조립체로부터 송신하는 제어신호가 전압 레벨이 불안정한 상태에서 바로 트랜시버로 받으면 데이터 오류가 발생활 확률이 높기에 저전압 차동 신호 방식 트랜시버에서 제어신호 수신 전 신호를 보정해주는 역할을 한다.
신호다중화전송조립체도 마찬가지로 소형 부품 적용 및 회로 집적화를 통해 Fig. 25와 같이 46.9 mm × 20.2 mm × 10.2 mm 크기로 제작하였다.
Fig. 26은 광전변환조립체의 기능 블록다이어그램이다. 업링크에서는 신호다중화조립체의 FPGA에서 통합된 전기적 신호가 광 트랜시버로 입력되는 과정을 보여준다. 다운링크에서는 외부 제어 시스템으로부터 수신된 광신호의 제어신호를 전기적 신호로 변환하여 신호다중화조립체로 전달하는 과정을 보여준다.
Fig. 27과 같이 소형화된 광모듈(LNF-LP11H)를 적용하여 46.9 mm × 16 mm × 14.7 mm 크기로 직경 30 mm 이내 실장이 가능하도록 하였다.
광전변환조립체를 집적화 및 소형화함에도 불구하고 optical output power는 –19 dBm(min), Optical Sensitivity는 –32 dBm(min) 수준으로 일반적인 광모듈 사양과 유사한 수준의 성능을 가지며 소비전력은 2 W 이내로 설계 및 제작하였다.
성능 최적화를 위해 빌드업 공정 및 배선 최소화를 위한 구조설계, 소형 부품 및 커넥터 등을 적용하여 초소형 신호전송노드를 제작하였고 아래 검증을 통해 성능검사를 수행하였다.
III. 시험 결과
본 연구에서는 Figs. 28, 29, 30, 31과 같이 48채널 이상의 음향/비음향데이터 전송을 목적으로 전기적 특성 평가 항목 중 핵심인 이득특성 정확도, 왜율, 위상, 그리고 전기적잡음특성을 측정하여 평가하였다. 이를 통해 초소형 신호전송노드의 성능 수준을 검증하였으며, 세부적인 검증 방법 및 결과는 다음과 같다.
3.1 이득특성 정확도
초세장형 선배열센서 신호증폭조립체에 적용된 증폭이 가능한 저잡음 op-amp 회로를 TI사에서 제공하는 TINA-TI 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 OPA827 Spice model을 적용하였다. Schematic을 설계하고, 전 채널에 대한 각 주파수 별 이득 특성을 시뮬레이션하였다. 이후 제작된 실제 회로의 측정값과 시뮬레이션 결과를 비교한 결과, Fig. 28과 같이 전 대역에서 이득 편차가 ±0.5 dB 이내로 확인되어 M&S 목표치인 Spice model 시뮬레이션 결과값과 매우 근접한 응답 특성을 보였다. 이를 통해 소형화 과정에서 발생할 수 있는 기판 배선 및 부품 간 상호 간섭 영향이 최소화되었으며, 설계 단계에서 예측한 주파수 응답 특성이 실제 구현에서도 충분히 재현됨을 검증하였다.
3.2 위상편차
초세장형 선배열센서의 빔포밍 정확도를 향상시키기 위해서는 배열을 구성하는 각 채널 간 위상 변화가 주파수 대역 전반에 걸쳐 가능한 일정하게 유지되어야 한다.[9] 채널 간 위상편차가 커질 경우, 빔 조향 방향이 왜곡되어 성능 저하가 발생할 수 있다. 채널 간 위상 응답의 일관성을 검증하고, 위상 왜곡이 가장 크게 나타나는 주파수 구간을 선정하여 해당 조건에서의 위상 지연 특성을 정밀하게 분석하였다. 운용 주파수 대역 중 최대 위상왜곡이 발생하는 F1 주파수에서 채널 간 위상 지연을 측정하였다. 그 결과, Fig. 29와 같이 채널 간 최대 위상편차는 1.16 °로 나타났다. 이는 본 시스템의 운용 주파수 범위 내에서 채널 간 위상 변화가 매우 안정적으로 유지되고 있음을 의미한다. 배열 센서의 위상 오차가 빔포밍 성능에 미치는 정량적인 영향을 평가하기 위해, Ruze의 공차 이론에 근거한 이득 감소 식을 적용하였다. 위상 오차의 분산()에 따른 빔 이득()의 관계식은 다음과 같다[10].
여기서 는 위상 오차가 존재하지 않는 이상적인 상태에서의 최대 빔 이득을 의미하며, 𝜎는 라디안 단위의 위상 오차 표준편차를 나타낸다. 본 연구에서 측정된 최대 위상 오차 범위는 ±2° 이하이며 전체 채널 간 최대 위상편차는 1.16°로 산출되었다. 보수적인 평가를 위해 최댓값인 2°를 위 식에 대입하여 분석하였다. 2°의 위상 오차를 라디안으로 환산하면 약 0.0349 rad이며, 이를 통해 계산된 이득 유지율은 다음과 같다.
계산 결과, 실제 빔포밍 이득은 이상적인 상태와 비교하여 약 0.12 % 내외의 극미한 손실만을 나타내는 것으로 확인되었다. Ruze의 이론에 따르면 위상 오차가 충분히 작은 경우, 빔 패턴의 주엽(Main-lobe) 형성이나 지향성 분해능의 저하는 거의 발생하지 않는다.[10] 이에 따라 소나 시스템에서 ±2° 이하의 위상 오차는 빔포밍 결과에 미치는 영향이 미미한 수준으로, 본 측정 결과는 빔포밍 수행 시 주요 빔 조향 방향에서의 위상 정합이 충분히 확보되어 있음을 검증한다.
3.3 왜율
본 시험에서는 모의 신호발생기를 이용하여 운용 주파수 대역 내에서 수신되는 신호의 왜곡 정도를 측정하였다. 왜율은 입력 신호가 시스템을 통과한 후 생기는 고조파성분의 크기를 기본파에 대한 비율로 나타낸 것으로 각 채널이 실제 운용환경에서 입력되는 신호를 얼마나 선형적으로 재현할 수 있는지를 검증하기 위한 시험이다. 시험은 주파수별로 기준 신호를 인가한 후, 수신된 신호의 스펙트럼 특성을 분석하여 왜곡 성분의 크기를 측정하는 방식으로 진행되었다. 이를 통해 주파수 대역 전반에서 비선형성 또는 위상 불일치로 인한 신호 왜곡이 어느 수준에서 발생하는지를 확인하였다. 시스템의 왜곡 특성을 정량화하기 위해 IEC 60268-21(Sound system eqiupment-part 21: Acoustical output-based measurements) 표준 규격을 준용하였다. 왜율 식은 다음과 같다.[11]
은 기본파 전압 또는 진폭을 의미하며 , ...은 2차, 3차, n차 고조파성분의 전압 또는 진폭을 의미한다. 따라서 왜율(Total Harmonic Distortion, THD)이 높을수록 신호가 더 많이 왜곡됨을 의미한다. Lavrador와 Pedro의 연구에 따르면 신호 대비 왜곡비(Signal to Distortion Ratio, SDR)가 –40 dB 이하인 조건에서는 시스템의 전달 특성이 비선형 임계점에 도달하기 전의 안정적인 상태를 유지함을 확인하였다. 해당 왜곡 조건에서 추출된 이득 곡선이 평탄도를 보이며, 이는 –40 dB 이하의 왜곡 성분들이 안정적인 신호 전달 품질을 확보함을 증명한다.[12]
왜율 측정 결과 Fig. 30과 같이 전체 운용 주파수 범위에서 수신 신호의 왜곡 정도는 –60 dB 이하로 확인되었다.
이에 따라 본 시스템의 –60 dB 이하 왜곡 수준은 운용 탐지 성능에 적합한 품질임을 검증하였다.
3.4 전기적잡음준위
초세장형 선배열센서의 전기적 안정성을 검증하기 위하여, 운용 주파수 대역 내에서의 전기적 잡음 준위인 시스템 노이즈를 측정하였다. 전기적잡음은 신호 대 잡음비에 직접적인 영향을 미치므로, 시스템 성능 평가에 있어 중요한 지표로 활용된다.
본 연구에서는 시스템의 환경 잡음 기준을 설정하기 위해 수중 배경 잡음의 표준 모델인 Knudsen의 연구 결과를 참조하여 Fig. 31의 SS0, SS1으로 Sea State 규격을 정의하였다.[13]
측정은 모든 수신 채널을 동일 조건에서 구동한 상태로, 외부 음향 자극이 없는 환경에서 각 채널의 주파수 대역별 잡음 준위를 측정하였다.
Fig. 31은 이득을 A dB에서 G dB까지 6 dB 간격으로 단계별로 적용했을 때의 전력 스펙트럼 밀도(Power Spectral Density, PSD) 측정 결과를 보여준다. 시스템의 전기적잡음특성을 정량화하기 위해, 각 이득 단계별 출력 신호를 전압 스펙트럼 밀도인 단위로 산출하였다.
초세장형 선배열센서의 출력잡음 측정 결과, 최대 이득인 G dB 를 적용한 환경에서도 모든 결과값이 Sea State 0(SS0) 및 Sea State 1(SS1)의 잡음 레벨보다 낮은 수준으로 측정됨을 확인할 수 있었다. Knudsen의 연구에서 제시된 해상 상태별 잡음 스펙트럼(Knudsen Curves)에 따르면, Sea State 0은 수중 환경에서 발생 가능한 배경 소음의 최저 수준을 정의한다.[13] 아주 조용한 해양 환경 소음상태를 의미하며, 실제 운용환경에서의 자가 잡음이 수신 신호에 미치는 영향이 극히 미미함을 의미한다.
따라서 본 측정 결과는 초세장형 선배열센서가 전기적, 음향적 측면 모두에서 매우 양호한 신호 품질 특성을 검증한다.
IV. 결 론
본 논문에서는 초세장형 선배열센서를 위한 초소형 신호전송노드 제작 기술을 제시하였다. 제작 기술에 있어서는 빌드업 인쇄회로기판 공정, 소형화 부품선정 및 소형커넥터를 적용하였으며 배선 최소화를 위한 구조설계로 다중 홉 네트워크 구조 및 Nested Array 구조를 적용하였다.
초소형 신호전송노드 제작 후 검증 결과, 이득특성 정확도는 M&S 대비 ±0.5 dB 이내, 위상편차 ±2° 이내, 왜율 –60 dB 이하, 전기적잡음준위는 Sea State 0 이하까지 구현되었다.
본 논문에서 제시한 초소형 신호전송노드를 적용한 초세장형 선배열센서뿐만아니라, 예인항력을 받는 선배열센서들에 대하여 적용한다면 항력에 대하여 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대가 된다.
또한, 향후 연구방향이 있다면 초세장형 선배열센서의 다채널 노드에 대해서도 추가적인 연구를 할 예정이다.
