A Study on the Digital Filter Design using Software for Analysis of Observation Data in Radio Astronomy

전파천문 관측데이터 분석을 위해 소프트웨어를 이용한 디지털필터 설계에 관한 연구

  • Received : 2015.09.15
  • Accepted : 2015.11.08
  • Published : 2015.10.30

Abstract

In this paper, we propose a design method for a digital filter using software in order to analyze the radio astronomy observation data. Recently the analysis method for radio astronomy observing system is transferring from hardware to software by developing of state-of-the-art of computer system. The existing hardware system is not able to easily change the specification because it is implemented to meet special requirements and it takes a high cost and time. In case of software, however, it has an advantage to implement with small cost if open software is used, and flexibly changes to satisfy the desired specification. But, in order to analyze the massive data like radio astronomy with software, the good performance system is needed for computer. Therefore, this paper proposes a digital filter design method using software with the same performance as that of digital filter implemented with hardware in observation system which is operated by the KVN(Korean VLBI Network). To design a digital filter, the proposed method is performed with standard C language and the simulation is conducted with GNU(GNU's Not Unix) Octave and investigated to show its effectiveness. In addition, for the high speed operation of the designed digital filter, the SSE(Streaming SIMD Extensions) library is adopted for available parallel operation. By the proposed digital filter, the digital filtering is performed for the wide band observation data in the KVN observation mode, the filtering result of narrow band observation has no ripple inside of stop band, and confirmed the effectiveness of the proposed method.

본 논문은 전파천문 관측데이터 분석을 위해 소프트웨어를 이용한 디지털필터 설계방법에 대해 제안한다. 전파천문 관측시스템은 컴퓨팅 시스템의 발전과 함께 하드웨어에서 소프트웨어를 이용한 분석방법으로 넘어가는 단계이다. 기존 하드웨어로는 특정규격에 맞도록 설계 제작되었기 때문에 규격을 변경하는 것이 어렵고 제작에 많은 비용이 소요되지만, 소프트웨어는 규격 변경이 유연하고 공개 소프트웨어를 이용할 경우 저렴하게 설계할 수 있는 장점이 있다. 그러나 소프트웨어로 전파천문과 같이 많은 자료를 분석하기 위해서는 컴퓨터 시스템의 성능이 우수해야 하는 점도 있다. 본 연구에서는 한국우주전파관측망에서 운영하고 있는 관측시스템 중에서 하드웨어로 구성된 디지털필터와 같은 성능을 갖는 소프트웨어 디지털 필터 설계에 대해 제안한다. 제안 방법은 표준 C언어를 이용하여 디지털 필터를 설계하였으며, 설계한 디지털필터에 대해 GNU Octave로 시뮬레이션을 수행하여 유효성을 검토하였다. 또한 설계한 디지털필터의 고속연산을 위해 병렬연산이 가능한 SSE 라이브러리를 도입하였다. KVN 관측모드 중에 광대역 관측데이터를 대상으로 제안한 방법의 디지털 필터를 통하여 협대역 관측모드로 데이터 필터링을 수행하였다. 그 결과, 대역 내의 필터링이 설계대로 수행되었고 리플이 발생하지 않아, 제안방법이 유효함을 확인하였다.

References

  1. 노덕규, 오세진, 염재환 외 15명, "2008년도 한일공동VLBI상관기 및 수신기 개발 결과보고서," 한국천문연구원, pp. 3-100, 2008.
  2. Takahashi F., Kondo T., and Koyama Y., Very Long Baseline Interferometer, Ohmsha, pp. 35-55. 2000.
  3. Thompson, A. R., Moran, J. M., and Swenson, G. W.Jr., Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy, 2nd Ed., (New York:John Wiley & Sons), pp. 289, 2001.
  4. Se-Jin Oh, Duk-Gyoo Roh, Kiyoaki Wajima et. al., "Design and Development of a High-Speed Data Acquisition System for the Korean VLBI Network," Publication of Astronomical Society of Japan, Vol. 63, pp. 1229-1242, 2011 December 25. https://doi.org/10.1093/pasj/63.6.1229
  5. 오세진, 염재환, 노덕규 외 9명, "한일상관기의 잔차지연보정 알고리즘의 개선," 신호처리시스템학회 논문지 제14권, 제2호, pp. 136-146, 2013.
  6. Alan V. Oppenheim and Ronald W. Schafer, Discrete-Time Signal Processing, Prentice Hall, Chapter 9, 1989.
  7. 황운택, "Kaiser 창함수를 이용한 비회귀 디지털 필터 설계," 한국통신학회 전문대학 논문지, Vol. 5, No. 1, pp. 506-514, 1995.
  8. Sophocles J. Orfanidis, Introduction to Signal Processing, Prentice Hall, Chapter 10, 1996.
  9. University of Newcastle Upon Tyne, Digital Signal Processing EEE305 & EEE801 Part A, Chapter 4, 2002.
  10. 오세진, 노덕규, 김광동 외 5명, "관측 데이터의 고속기록을 위한 대용량 저장시스템," 천문학논총, 제19권, pp. 83-92, 2004.