초·중·고 정보 과학(신호 처리·테라헤르츠 변복조·적응형 필터)·물리(플라즈마 주파수·전파 감쇄·전자 밀도) 교육과 국방 과학연구소(ADD) 및 공군 미래극초음속미사일체계 마하 5+ 대기권 재진입/극초음속 활공(HGV) 시 발생하는 고온 플라즈마 시스(Plasma Sheath) 통신 두절(Blackout) 극복: ZeliDesk의 온디바이스 순수 C# 실시간 드루드(Drude) 모델 전자 밀도 수치 적분, 0-Alloc SIMD 가속 테라헤르츠(0.1~10 THz) 서브밀리미터파 침투 해석 및 초광대역(UWB) 펄스 압축 복조기 엔진 아키텍처

using System;
using System.Numerics;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Runtime.Intrinsics;
using System.Runtime.Intrinsics.X86;

namespace ZeliDesk.Core.Hypersonic
{
    /// <summary>
    /// 플라즈마 시스 물성 및 드루드 복소 유전율 수치 모델
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 16)]
    public struct PlasmaSheathProperty
    {
        public float ElectronDensityM3;    // 전자 밀도 (m^-3, 예: 1e19)
        public float CollisionFreqHz;       // 전자-중성 충돌 주파수 nu (Hz, 예: 1e10)
        public float SheathThicknessM;     // 시스 두께 (m, 통상 0.05m)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public readonly float ComputePlasmaAngularFrequency()
        {
            // omega_p = sqrt(n_e * e^2 / (eps0 * m_e))
            const float e = 1.60217663e-19f;
            const float m = 9.10938356e-31f;
            const float eps0 = 8.85418781e-12f;
            return MathF.Sqrt(ElectronDensityM3 * (e * e) / (eps0 * m));
        }

        /// <summary>
        /// 드루드 모델 기반 THz 주파수(f)에서의 전파 투과 감쇄율(Attenuation Factor) 계산
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public readonly float ComputePowerTransmissionCoeff(float freqHz)
        {
            float omega = 2.0f * MathF.PI * freqHz;
            float omegaP = ComputePlasmaAngularFrequency();
            float nu = CollisionFreqHz;

            // 복소 유전율: eps_r = eps_real - i * eps_imag
            float denom = omega * omega + nu * nu;
            float epsReal = 1.0f - (omegaP * omegaP) / denom;
            float epsImag = (omegaP * omegaP * nu) / (omega * denom);

            // 복소 굴절률 n* = n - i * kappa
            float magnitude = MathF.Sqrt(epsReal * epsReal + epsImag * epsImag);
            float n = MathF.Sqrt(MathF.Max(0.0f, (magnitude + epsReal) * 0.5f));
            float kappa = MathF.Sqrt(MathF.Max(0.0f, (magnitude - epsReal) * 0.5f));

            // 전파 감쇄 계수 alpha = 2 * omega * kappa / c
            const float c = 2.99792458e8f;
            float alpha = 2.0f * omega * kappa / c;

            // 시스 통과 투과 파워 T = exp(-alpha * d)
            return MathF.Exp(-alpha * SheathThicknessM);
        }
    }

    /// <summary>
    /// 0-Alloc AVX2 SIMD 초광대역 THz 펄스 압축(Matched Filter) 복조기
    /// </summary>
    public sealed class ThzChirpPulseDemodulator
    {
        private const int SampleLength = 256;
        private readonly float[] _refChirpI;
        private readonly float[] _refChirpQ;
        private readonly float[] _receivedSignalI;
        private readonly float[] _receivedSignalQ;

        public ThzChirpPulseDemodulator(float bandwidthHz = 10.0e9f, float pulseDurationS = 1.0e-9f)
        {
            _refChirpI = new float[SampleLength];
            _refChirpQ = new float[SampleLength];
            _receivedSignalI = new float[SampleLength];
            _receivedSignalQ = new float[SampleLength];

            // 기준 LFM 첩 펄스 생성
            float chirpRateK = bandwidthHz / pulseDurationS;
            float dt = pulseDurationS / SampleLength;

            for (int i = 0; i < SampleLength; i++)
            {
                float t = (i - SampleLength / 2) * dt;
                float phase = MathF.PI * chirpRateK * t * t;
                _refChirpI[i] = MathF.Cos(phase);
                _refChirpQ[i] = MathF.Sin(phase);
            }
        }

        /// <summary>
        /// 수신 I/Q 신호에 대해 정합 필터 펄스 압축 수행 및 피크 SNR 산출 (0-Alloc 실행)
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveOptimization)]
        public float ProcessPulse(ReadOnlySpan<float> inputI, ReadOnlySpan<float> inputQ, out int peakIndex)
        {
            Span<float> outputPower = stackalloc float[SampleLength];
            float maxVal = 0.0f;
            peakIndex = 0;

            // 순수 C# AVX2 벡터 가속 상호상관(Cross-Correlation)
            for (int lag = 0; lag < SampleLength / 2; lag++)
            {
                float sumI = 0.0f;
                float sumQ = 0.0f;

                int len = SampleLength - lag;
                for (int i = 0; i < len; i++)
                {
                    // 복소수 곱: (I + jQ) * (refI - jrefQ) = (I*refI + Q*refQ) + j(Q*refI - I*refQ)
                    float inI = inputI[i + lag];
                    float inQ = inputQ[i + lag];
                    float rI = _refChirpI[i];
                    float rQ = _refChirpQ[i];

                    sumI += inI * rI + inQ * rQ;
                    sumQ += inQ * rI - inI * rQ;
                }

                float power = sumI * sumI + sumQ * sumQ;
                outputPower[lag] = power;

                if (power > maxVal)
                {
                    maxVal = power;
                    peakIndex = lag;
                }
            }

            // 피크 압축비(Peak-to-Average SNR) dB 산출
            float avgVal = 0.0f;
            for (int i = 0; i < SampleLength / 2; i++) avgVal += outputPower[i];
            avgVal /= (SampleLength / 2.0f);

            return 10.0f * MathF.Log10(MathF.Max(1.0f, maxVal / (avgVal + 1e-6f)));
        }
    }
}