(Radar) 1. 레이더 센서의 IQ 신호 이해하기

  • 최초 작성일: 2025년 4월 14일 (월)

목차

  1. 레이더 센서란 무엇인가?
  2. IQ 신호란 무엇인가?
  3. IQ 신호가 필요한 이유
  4. IQ 신호로 얻을 수 있는 정보

1. 레이더 센서란 무엇인가?

레이더(Radar)는 Radio Detection And Ranging의 약어로, 무선 전파를 이용하여 목표물의 거리와 속도 등을 측정하는 감지 시스템이다. 레이더 송신기는 안테나를 통해 전자기파(전파)를 발사하고, 물체에 반사되어 돌아오는 미약한 신호를 수신한다. 왕복 비행 시간 측정을 통해 대상까지의 거리를 알아낼 수 있고, 돌아온 신호의 주파수 변화를 분석함으로써 물체의 속도(접근 또는 이탈 여부)를 알 수 있다. 이 주파수 변화는 도플러 효과에 의한 것으로, 예를 들어 구급차 사이렌 소리가 다가올 때와 멀어질 때 높낮이가 달라지는 현상과 유사하다. 레이더는 이러한 원리를 활용하여 비접촉 방식으로 물체의 움직임 정보를 파악한다.

2. IQ 신호란 무엇인가?

레이더 수신 신호를 정확하게 분석하기 위해서는 신호의 진폭(amplitude) 뿐만 아니라 위상(phase) 정보까지 활용해야 한다. 이를 위해 많은 레이더 센서들은 수신한 아날로그 신호를 디지털 처리하기 전에 두 개의 신호로 분해하는데, 이를 IQ 신호라고 부른다. IQ 신호란 하나의 신호를 두 축의 성분으로 표현한 것으로, 두 성분은 같은 주파수를 가지면서 서로 90° 위상 차이가 난다. 하나는 기준이 되는 동상 성분(In-phase component, I)이고, 다른 하나는 이에 직교하는 성분(Quadrature component, Q)이다. 쉽게 말해 I 신호는 기준 신호와 위상이 같은 부분을, Q 신호는 기준보다 90° 앞서거나 뒤진 부분을 나타낸다. 이렇게 두 가지 성분으로 표현하면 신호의 크기와 위상 변화를 2차원 정보로 나타낼 수 있다.

IQ 신호는 수학적으로 복소수 신호로 표현된다. 예를 들어 I 값을 실수(real) 부분, Q 값을 허수(imaginary) 부분으로 간주하면 $I + jQ$ 형태의 복소 신호로 해석할 수 있다. 이를 통해 신호의 위상 변화를 직관적으로 다룰 수 있고, 두 성분이 나타내는 2차원 정보로부터 신호의 전체적인 상태를 파악할 수 있다. 이러한 표현 방식은 레이더뿐만 아니라 통신, 위성, 소프트웨어 정의 라디오(SDR) 등 다양한 RF 시스템에서 널리 사용된다.

IQ 신호의 개념을 조금 더 시각적으로 이해해보자. I와 Q 두 신호는 흔히 사인파 형태로 90° 위상 차를 두고 진동한다. 한 신호(I)가 코사인파 형태로 기준 위상에 맞춰 올라갈 때, 다른 신호(Q)는 사인파 형태로 1/4 주기(90°) 늦게 따라간다. 시간 축에서 보면 I와 Q 신호는 동일한 주파수로 진동하지만 항상 90°만큼의 위상 차이가 유지된다.

I and Q signals vs time

예시: I 신호(노란색)와 Q 신호(주황색)의 시간에 따른 파형. 두 신호는 같은 주파수로 진동하지만 90°의 위상차로 인해 한 신호가 최고점을 지날 때 다른 신호는 0점을 지난다. 이러한 위상 차 덕분에 두 신호를 한 쌍으로 고려하면 신호의 순간 상태를 2차원 좌표로 표현할 수 있다.

위 그림처럼, I와 Q 두 축을 사용하면 신호를 2차원 평면 상의 한 점 또는 벡터로 나타낼 수 있다. 즉 한 순간의 I 값을 x좌표, Q 값을 y좌표로 보면, 시간에 따라 변화하는 신호를 평면상의 궤적으로 표현하게 된다. 이를 복소 평면상의 표시라고도 하며, 신호의 위상($\phi$)과 진폭 정보를 한눈에 보여준다. 아래 그림은 이러한 IQ 벡터 표현의 개념을 보여준다. 파란색 화살표는 현재 신호의 복소 벡터를 나타내며, 이 벡터의 수평축 투영이 I 값, 수직축 투영이 Q 값이 된다. 벡터의 방향 각도 $\phi$는 신호의 위상에 해당하고, 벡터의 길이는 신호 진폭에 대응한다. 신호가 시간에 따라 진동하면 이 벡터는 원을 그리며 회전하게 되고, 그 회전 속도가 바로 신호의 주파수에 해당한다.

IQ representation of a signal as a rotating vector

I–Q 평면에서의 신호 표현: 회전하는 파란색 벡터로 신호를 나타낸 모습. 이 벡터의 가로축 투영이 I 값, 세로축 투영이 Q 값이며, 예시에서는 $(I, Q) = (0.71,\;0.71)$로 45°의 위상($\phi$)을 갖는 상태를 보여준다. 벡터의 각도 $\phi$가 신호의 위상이며, 벡터가 회전하는 속도가 신호의 주파수에 해당된다.

요약하면, IQ 신호란 레이더 등 RF 신호를 다룰 때 한 신호를 두 개의 직교 성분으로 나타낸 형태이다. 이 방식은 신호의 위상정보를 보존하면서 처리할 수 있게 해주며, 전자공학 및 신호처리 분야에서 매우 중요한 개념이다.

3. IQ 신호가 필요한 이유

그렇다면 왜 굳이 신호를 I와 Q로 분리하여 복소수 형태로 표현할 필요가 있을까? 가장 큰 이유는 신호의 모든 정보를 잃지 않고 얻기 위해서이다. 하나의 실수 신호만으로는 잡아낼 수 없는 중요한 정보들이 두 개의 직교 신호로는 포착 가능해진다.

첫째, IQ 신호를 사용하면 도플러 주파수의 부호(+)와 (–)를 구분할 수 있다. 도플러 효과로 인해 물체가 레이더 쪽으로 다가오면 반사파의 주파수가 높아지고(+편이), 멀어지면 주파수가 낮아지는데(–편이), I/Q 신호로 표현된 복소 신호는 이러한 주파수 변화의 방향까지 식별할 수 있게 해준다. 반면 단일 신호로만 처리하면 얻어지는 진폭 변화는 +인지 –인지 대칭적이어서, 물체가 접근하는지 이탈하는지 방향에 대한 모호성이 생긴다. IQ 신호는 이러한 모호성을 제거하여 레이더가 물체의 움직임 방향까지 판단할 수 있도록 한다.

둘째, 신호 감도의 향상 측면이 있다. I와 Q 두 채널을 사용하면 한 채널에서 신호가 최소점(영점)을 지날 때 다른 채널은 최대점에 도달하는 식으로 서로 보완한다. 예를 들어 어떤 순간에 I 성분이 0에 가까워서 신호 검출이 어려운 경우에도, Q 성분은 0이 아닐 확률이 높다. 따라서 두 개의 직교 성분을 함께 사용하면 신호를 놓칠 확률을 줄이고 안정적으로 탐지할 수 있다. 이는 레이더 수신 회로에서 직교 검파(IQ 검출)를 사용하는 실용적인 이유이기도 하다.

마지막으로, IQ 신호는 신호 처리의 효율성과 정확성을 높여준다. 복소수 형태로 연산하면 주파수 변환, 필터링, 푸리에 변환 등에서 실수 신호 대비 더 간편하고 정확한 계산이 가능하다. 레이더에서 수신된 고주파 신호를 직접 다루는 대신, 이를 IQ 신호로 하향 변환하여 저주파(baseband) 복소 신호로 만들면 디지털 신호처리 기법을 적용하기 쉽다. 결과적으로 IQ 신호는 레이더가 거리와 속도 정보를 동시에 추출하고, 잡음에 강인한 신호 처리를 수행할 수 있게 하는 핵심 기술이다.

4. IQ 신호로 얻을 수 있는 정보

IQ 신호를 활용함으로써 레이더 센서는 다양한 유용한 정보를 얻어낼 수 있다. 대표적으로 다음과 같은 것들이 가능해진다:

  • 거리 측정: 목표물까지의 거리를 알아낼 수 있다. 펄스 레이더의 경우 송신 후 수신까지 걸린 시간을 측정하고, FMCW(주파수 변조 연속파) 레이더의 경우 수신 신호와 송신 신호 간의 주파수 차이(비트 주파수)를 분석하여 거리를 계산한다. 이러한 분석은 모두 IQ 형태로 복조된 신호에서 이루어지며, 신호의 위상 변화나 도달 시간차를 정확히 측정함으로써 거리를 산출한다. 예를 들어 차량용 FMCW 레이더는 반사파의 IQ 신호를 FFT 분석하여 피크 주파수로부터 다수 물체들의 거리를 동시에 계산한다.

  • 속도 측정: 움직이는 물체의 속도(접근 속도 또는 상대 속도)를 측정할 수 있다. 이는 도플러 효과에 의해 반사 신호 주파수가 변하는 현상을 이용한다. IQ 신호로 변환된 도플러 신호를 분석하면 물체의 속도에 비례하는 주파수 편이를 얻을 수 있고, 더 나아가 그 부호를 통해 물체가 다가오는지(+) 혹은 멀어지는지(–)까지 판단할 수 있다. 예컨대 도플러 레이더 센서는 IQ 신호의 위상차가 90° 앞서는지(진행 위상) 또는 뒤처지는지(지연 위상)에 따라 물체의 접근/이탈을 구별한다. 이를 바탕으로 자동차의 속도계를 만들거나, 사람의 걸음 속도를 비접촉으로 측정하는 응용 등이 가능하다.

  • 미세한 움직임 감지: 아주 작은 움직임이나 존재 유무도 감지할 수 있다. 물체가 완전히 정지해있다면 도플러 신호가 발생하지 않지만, 사람이 숨쉬는 정도의 미세한 움직임도 위상 변화로 포착될 수 있다. IQ 신호는 신호의 위상 변화를 지속적으로 추적할 수 있으므로, 작은 진동이나 흔들림으로 인한 미세 도플러 성분까지 검출할 수 있다. 이를 활용하면 방 한 구석에 숨쉬고 있는 사람의 존재를 감지하거나, 생체 신호(심장 박동, 호흡 등)를 원격으로 모니터링하는 등 움직임 감지 센서로서의 활용이 가능하다. 이처럼 IQ 기반의 도플러 센서는 움직임이 있을 때는 신호가 나타나고 없으면 사라지는 특성을 이용하여 침입자 경보장치 등에도 응용된다.

以上과 같이, 레이더 센서의 IQ 신호는 단순한 신호 형태 변환 이상의 의미를 갖는다. 복소수 형태의 IQ 신호를 통해 레이더는 거리와 속도를 동시에 측정하고, 물체의 움직임 방향이나 미세한 움직임까지도 파악할 수 있게 된다. 기술적으로 조금 복잡해 보일 수 있지만, 결국 I와 Q 두 신호를 활용함으로써 신호의 숨은 정보를 모두 끌어내는 방법이라고 정리할 수 있다. 초기에는 이해하기 어렵더라도, 시간을 두고 개념을 떠올려보면 레이더 시스템에서 왜 IQ 신호가 핵심 요소로 등장하는지 느낄 수 있을 것이다. 이는 현대의 다양한 레이더 응용 분야(자율 주행 자동차, 드론 탐지, 생활 패턴 센서 등)에서 IQ 신호가 빠짐없이 언급되는 이유이기도 하다.

끝으로 정리하면, 레이더 센서의 IQ 신호란 레이더가 수신한 전자신호를 효과적으로 처리하기 위해 두 개의 직교 성분으로 표현한 것이며, 이를 통해 레이더는 보다 정확하고 풍부한 정보(거리, 속도, 움직임 등)를 얻을 수 있다. 앞으로 레이더를 다룰 때 마주치는 복소수 형태의 데이터나 위상 정보들은 모두 이 IQ 신호 개념에 바탕을 두고 있으므로, 본 글에서 다룬 내용을 토대로 하나씩 이해를 넓혀가길 바란다.