수중음향통신을 위한 광대역 FIR 빔형성기

A Broadband FIR Beamformer for Underwater Acoustic Communications

수중음향통신을 위한 빔형성 기법은 대역폭이 반송주파수에 비해서 큰 광대역 신호 특성을 고려해야한다. 수중음향통신에서는 협대역 신호 가정이 성립하지 않는다. 본 논문에서는 기저대역 배열신호 모델을 이용한 수중음향통신 광대역 FIR 빔형성기에 대해서 논한다. 반송주파수 25kHz, 심볼 속도 5kHz인 QPSK 방식의 수중음향통신에 있어서 광대역 FIR 빔형성기를 고려했다. 배열 센서는 8개의 등방형 센서로 구성된 선형등간격 구조이고, 센서간 간격은 반송주파수 파장의 절반이다. 컴퓨터 모의실험을 통하여 각 센서에 길이가 2인 FIR 필터를 채택하고 탭간 간격이 심볼 주기의 1/4일 때 광대역 FIR 빔형성기는 최적 신호 대 간섭잡음비에 근접하였으며, 기존의 통상적인 협대역 빔형성기보다 신호 대 간섭잡음비가 0.5dB 향상된 결과를 보였다. 광대역 FIR 빔형성기의 성능은 FIR 필터 길이가 특정 값 이상으로 커지면 더 나빠지고, 탭간 간격이 심볼 주기의 절반보다 작으면 탭간 간격은 성능에 영향을 주지 않았다. 탭간 간격이 심볼 주기와 같은 경우에, 훈련 신호열이 통상적인 경우보다 더 많이 필요하였다.

Beamforming for underwater acoustic communication (UAC) is affected by the broadband feature of UAC signal, which has relatively low carrier frequency as compared to the signal bandwidth. The narrow-band assumption does not hold good in UAC. In this paper, we discuss a broadband FIR beamformer for UAC using the baseband equivalent array signal model. We consider the broadband FIR beamformer for QPSK UAC with carrier frequency 25kHz and symbol rate 5kHz. Array geometry is a uniform linear array with 8 omni-directional elements and sensor spacing is the half of the carrier wavelength. The simulation results show that the broadband FIR beamformer achieves nearly optimum signal to interference and noise ratio (SINR) and outperforms the conventional narrowband beamformer by SINR 0.5dB when two-tap FIR filter is employed at each sensor and the inter-tap delay is a quarter of the symbol interval. The broadband FIR beamformer performance is more degraded as the FIR filter length is increased above a certain value. If the inter-tap delay is not greater than half of the symbol period, SINR performance does not depend on the inter-tap delay. More training period is required when the inter-tap delay is same as the symbol period.