The main objective of this dissertation work is to develop a signal monitoring system which is able to identify the modem constellations and demodulate the transmitted data of unknown digitally-modulated signals. In order to achieve to identify modem constellations of unknown signals, the important modulation parameters such as symbol rate and carrier frequency should be known accurately to the signal monitor in general. The input signals are considered in this thesis are restricted to PSK (Phase Shift Keying) and QAM (Quardature Amplitude Modulation) signals taking into account its popularity in high-speed digital communication systems. However, the main study area of this dissertation work is divided into the studies for symbol rate detection, carrier frequency detection, modem constellation identification, and data demodulation of unknown digital communication signals.
First, in order to detect the symbol rate accurately, two detector schemes are proposed based on the spectrum of signal envelope which may be obtained from analytic signal or complex envelope. Here, two nonlinear transforms such as SLR (Square-Law Rectifier) and AVR (Absolute-Valued Rectifier) are used in order to obtain the signal envelope from complex signal. It is found out that the detector using AVR has much more robust detection capability than that using SLR especially for the signal having small excess bandwidth. Furthermore, it is presented that the proposed symbol rate detector can be used as a passband symbol timing synchronizer and then its jitter performances are obtained from a simulation study.
Second, complex fourth-power transform of complex envelope is used to detect a peak frequency component which gives the deterministic information for the carrier frequency of unknown signals. It is shown from simulation results that the carrier frequency can be detected accurately even at low SNR (Signal-to-Noise Ratio).
Third, in order to identify the modem constellation type, the proposed identifier employs the following main building blocks: a symbol timing synchronizer, a poly-phase interpolator, a blind equalizer, and a feature extractor. The symbol timing synchronizer and blind equalizer can operate without resorting to initial training sequence and carrier phase in contrast to the conventional receiver. The poly-phase interpolator is employed to process the uniformly sampled input signal. The features selected to identify the modem constellations are related to symbol magnitude and difference phase. Many simulation results for this study show that the proposed identifier is able to identify the modem constellations even though the received signal is severely distorted by channel at low SNR.
Finally, a passband adaptive equalizer and a carrier phase recovery circuit, which operated jointly in decision-directed mode, are employed to demodulate the transmitted data of input signal based on the identified modem constellation. The demodulated modem constellations obtained at various SNRs reflect the fact that the proposed modem type identifier is practically very useful and its all-digital signal processing algorithms can be implemented easily with real-time systems.
미지의 통신신호에 대한 신호 분석 기술은 국가 방위 목적의 통신 행위와 통신 산업기술 개발 측면에서 매우 중요한 연구 분야를 차지 하고있다. 예를들면 군사적인 측면에서 공격과 방어 작전 수행시 신호 정찰, 감시, 식별, 교란, 정보수집등의 신호탐지 행위를 위해 미지 통신 신호 분석 기술이 극히 필요하다. 또한 산업적인 측면에서는 상용 통신 장비들을 인공지능화 하여 통신회선 효율을 극대화 하고 보다높은 차원의 통신 서비스가 가능하도록 할 수 있다.
본 논문에서는 위에서 언급한 여러분야에서 공통적으로 활용 가능한 미지 디지탈통신 식별을 위해 필수 불가결한 신호처리 알고리즘들을 제안한다. 식별 대상신호는 일반전화 회선에서 중고속 데이타 전송시 위상변조(PSK) 및 진폭위상변조(QAM) 방식이 일반적으로 사용되고 있다는 점을 감안하여 이에 상응하는 7개 신호방식군으로 제한하였다. 또한 입력신호에 대한 사전정보는 실제 신호탐지 행위시 일반적으로 직면하는 상황 즉, 신호 주파수 스펙트럼 및 이를 통한 근사적인 신호 중심 주파수만이 주어져있다고 가정한다.
본 논문은 먼저 미지의 디지탈 통신신호 식별시 기본적으로 필요한 정보인 전송속도(Symbol Rate)와 캐리어 주파수(Carrier Frequency)와 같은 변조 파라메타를 정확하게 검출(Detection)할 수 있는 신호처리 알고리즘과 모뎀형식 식별 및 데이타 복조 알고리즘을 제안한다.
입력신호 전송속도는 신호 진폭파형의 스펙트럼에 대한 수학적 해석을 통하여 쉽고 정확하게 검출 될 수 있음을 보였고 실험결과, 이차원 신호(Complex Signal)로 부터 진폭파형 생성을 위한 비선형 변환 방식중 절대값 변환이 제곱변환 보다 잉여대역(Excess Bandwidth)이 작은 입력신호에 대해 훨씬 우수한 성능을 보인다는 점을 알 수 있었다. 또한 제안한 전송속도 검출기는 협대역 밴드패스 필터나 PLL(Phase Locked-Loop) 을 부가 함으로써 미지신호의 패스밴드 클럭동기화(Clock Synchronization) 목적으로 이용될 수 있는데, 이때 클럭 신호의 Jitter 성능을 측정하였다. 여기서도 역시 절대값 변환방식이 우수한 성능을 보였다.
캐리어 주파수 검출방식에서는 이차원 신호의 4 제곱 비선형 변환 방식을 제안 하였고 수학적 해석 적용과 실험결과를 통해 입력신호 신호대 잡음 비가 저품질인 경우에도 정확하게 검출됨을 확인하였다.
입력신호의 변조방식 식별연구에서는 지금까지 연구들에서 고려하지 않았던 입력신호의 통신채널 주파수특성에 의한 왜곡(Distortion) 및 백색잡음을 부가하는 실제적인 통신환경을 고려하였다. 제안한 변조방식 식별기는 초기 트레이닝 시퀀스(Training Sequence) 와 캐리어 주파수 위상에 관계없이 동작할 수 있는 Godard가 제안한 패스밴드 클럭동기화 및 Blind 등화 알고리즘을 채용 하였고 고정 주파수로 표본화(Sampling) 된 입력신호에 대한 동기화 및 데이타 복조를 위해 Poly-Phase 보간기(Interpolator)를 제어하는 신호처리 알고리즘을 제안하였다. 또한 변조방식 식별을 위한 특징(Feature) 으로서 모뎀성좌(Modem Constellation)상의 심볼 진폭의 레벨수, 확률, 레벨간의 진폭비 및 위상차가 채택되었다. 입력신호에 대한 특징 추출은 Blind 등화기 출력단의 이차원 신호의 진폭값과 두 심볼간의 위상차 값을 누적시켜 얻은 심볼크기히스토그램(Symbol Magnitude Histogram) 및 위상차히스토그램 (Difference Phase Histogram)으로부터 각특징 값을 얻을 수 있다. 실험결과, 데이타 복조를 위해서는 등화기가 필요한 채널 특성인 CCITT M.1025 규격에 맞는 채널 왜곡과 부가잡음이 첨가된 통신 시스템 환경에 대해서도 제안한 식별기가 우수한 성능을 보여주었다.
신호탐지의 최종적인 목표인 미지신호의 데이타 복조는 전송속도, 캐리어 주파수, 모뎀성좌 종류 및 좌표위치에 대한 검출된 지식을 바탕으로 Falconer가 제안한 패스밴드 적응 등화기와 캐리어 위상 동기기를 본논문에서 제안한 변조방식 식별기에 부가 함으로써 실현하였다.
본논문에서 제안한 미지신호 인식 알고리즘들은 과거에 시도했던 방법들이 가지고 있는 비실제적인 많은 문제점을 해결 하였다. 즉, 변조 파라메타 검출에서 입력신호 방식에 대한 사전의 어떠한 정보도 가정하지 않고 정확한 파라메타 값을 검출 하였다. 또한 변조방식식별에서도 채널특성에 의해 왜곡된 신호를 자동동기 및 등화, 고정 표본화등의 알고리즘을 적절히 채용 함으로써 실제 상황에서 유용하게 이용될 수 있음을 보였다. 더나아가 변조방식 식별기에 데이타 복조 기능을 부가 함으로써 제안한 식별기가 실시간 디지탈 신호 처리 시스템으로 신호 탐지기 실현의 가능성을 시사 하였다.
