KR0158531B1 - 음파 통신장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

음파 통신 장치

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

주파수 간섭이 심한 실내와 같은 장소에서 미약한 크기의 음파신호를 사용하여 효율적으로 데이타 통신을 수행한다.

3. 발명의 해결 방법의 요지

송신수단 및 수신수단을 구비하며 불특정한 반사체가 존재하는 공간에 서로 통신을 행하는 고정국을 설치하고, 각 고정국이 상대 고정국에 음파를 발사함으로써 데이타 통신을 행하는 장치가, 송신수단이 송신데이타를 출력하는 수단과, 가청 대역의 다수 주파수 발생수단을 구비하여 송신데이타를 설정된 주파수의 순서에 따라 구형파 펄스로 출력하는 수단과, 펄스를 증폭하여 음파신호로 방사하는 수단으로 구성되어, 동일 부호내에는 동일한 주파수가 두번다시 나타나지 않는 구성으로 한 복수 주파수의 직렬적인 조합으로 구성되는 부호로 변조된 음파를 송신 데이타로 출력하고, 수신수단이 음파신호를 수신하는 수단과, 수신되는 음파신호의 대역을 여파하는 수단과, 대역여파된 음파신호를 디지탈변환하여 복조하는 수단으로 구성되어, 부호의 각 주파수 구간의 시간 단위로 순차적으로 주파수 성분을 구하며 성분으로부터 그 이전의 구간에서 얻어진 주파수 성분의 총계를 제외한 성분을 그 구간에서 송신된 주파수로 판정한다.

4. 발명의 중요한 용도

안전시스템 등과 같은 데이타 통신장치에서 음파를 사용하여 송신측과 수신측의 데이타 통신시 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

음파 통신장치 및 방법

제1도는 본 발명의 실시예의 통신기를 나타내는 블럭도로서, 101은 제어부, 102는 스피커, 103은 증폭기, 104는 마이크, 105는 증폭기, 106은 대역필터, 107은 적분기능이 부가된 진폭검파기, 108은 전압비교기, 109는 스위치회로, 110은 대역필터이다.

제2도는 음파의 파형을 설명하는 것으로 횡축은 시간을 나타낸다. 201은 본 발명을 적용하지 않는 송신파로 주파수를 fs, 길이를 t0로 나타내고, 202는 201의 수신파이다. 203은 본 발명의 송신파로 fs는 주파수, t0는 길이, △t1 △t2 △t3은 정지시간을 나타내고, 204는 본 발명의 송신파로 fs, fs'의 주파수를 나타낸다. 205는 203의 수신파로 106의 출력, 206은 107의 출력, 207은 108의 출력이다.

제3도는 본 발명의 변·복조방법의 설명도로서, 301은 송신파형으로 f0, f1, f2, f3은 각 구간의 주파수, 302는 301의 수신파이며, (1), (2), (3), (4)는 퓨리에 변환시의 계산구간, 303은 구간(1), 304는 구간(2), 305는 구간(3), 306은 구간(4)의 퓨리에 변환결과이다. 301, 2의 횡축은 시간, 303∼306의 횡축은 주파수이다.

본 발명은 가스누설센서나 화재, 침입센서 등을 실내에 설치하여 경비를 수행하는 안전시스템에 관한 것으로, 특히 센서로부터 감지되는 신호를 수신하는 수신부와 센서간의 배선을 제거할 수 있도록 상기 수신부와 센서간의 통신을 음파로 수행할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 안전시스템이란, 가정내에 방범 및 방재 기능을 수행하기 위한 센서들을 설치하고, 이들 센서들로 부터 감지되는 신호들의 상태를 분석하여 처리하는 시스템을 말한다. 상기와 같은 안전시스템을 운용하는 경우, 센서 감지의 개시, 정지, 상태 등을 확인할 필요가 있는 고도의 안전시스템에 요구되는 수신부와 센서간의 쌍방향 통신에 이용한 경우 효과적이다.

쌍방향식 무선안전시스템에서는 전파법 및 통신능력의 제약으로부터 일반적으로 수백MHz의 주파수의 미약전파가 이용되고 있다. 또 그 변조방식도 주파수변조 또는 진폭변조가 채용되고 있다. 여기서 상기 전파법으로 인정되고 있는 미약전파란 일반적인 전기제품으로부터 발생하는 것이 허용되고 있는 전자파 잡음을 의미하며, 전계강도가 매우 낮다. 따라서 안전시스템에 요구되는 실내에서 10m 정도의 근거리에서의 통신을 확보하기 위해서는 고성능의 무선 송수신기를 필요로 할 뿐만아니라, 수신 안테나의 이득도 가능한한 높게 할 필요가 있다. 즉, 높은 안테나 이득을 얻기 위해서는 전파 파장의 폭 및 길이가 중요한 결정 요인이 되며, 미약전파영역에서는 30cm 정도가 된다.

쌍방향 통신의 경우 센서 측에도 수신기를 설치하므로, 상기 안테나의 치수는 미관상의 문제뿐만 아니라, 센서의 설치장소가 범인에게 쉽게 알려지는 안전상의 문제도 있다.

그리고 실내통신에서는 전파가 마루, 천정 등에서 반사되어 서로 간섭되기 때문에 전계강도가 극단적으로 저하되어 통신이 불가능해지는 지점이 발생된다. 이러한 지점은 전파 파장의 오더로 나타나기 때문에, 약 10cm 간격으로 산재하게 된다. 이 때문에 차단물이 없는 들판 등에서는 미약전파 만족시킬 만큼 저렴한 가격이지만, 통신의 신뢰성이 낮기 때문에 널리 채용되고 있지는 못하다.

따라서 본 발명의 목적은 센서 및 수신부간에 쌍방향 무선 통신을 하는 안전시스템에서 통신 효율을 개선할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 불특정한 반사체가 존재하는 공간에 서로 통신을 행하는 고정국을 설치하고, 각 고정국으로부터 음파를 발사함으로써 데이타 통신을 행하는 안전시스템에서, 소정주파수의 음파를 단속적으로 발사함에 의해 전파되는 음파의 위상을 부분적으로 지연시키고, 중첩되는 반사음파의 위상차에 의하여 발생되는 음파 에너지의 극소 지점이 특정한 장소에만 발생함을 방지함으로써 통신이 불가능해지는 확률을 감소시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 불특정한 반사체가 존재하는 공간에 서로 통신을 행하는 고정국을 설치하고, 각 고정국으로부터 음파를 발사함으로써 데이타 통신을 행하는 안전시스템에서, 복수의 주파수를 교호적으로 발사함에 의해 중첩되는 반사음파의 위상을 흩뜨림으로써 음파에너지의 극소 지점을 분산시켜서 통신이 불가능해지는 확률을 감소시킬 수 있는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 불특정한 반사체가 존재하는 공간에 서로 통신을 행하는 고정국을 설치하고, 각 고정국으로부터 음파를 발사함으로써 데이타 통신을 행하는 안전시스템에서, 동일 부호내에는 동일한 주파수가 두번 다시 나타나지 않는 구성으로 한 복수 주파수의 직렬적인 조합으로 구성되는 부호로 변조된 음파를 송신 데이타로 하고, 수신측에서는 상기 부호의 각 주파수 구간의 시간 단위로 순차적으로 주파수 성분을 구하며, 상기 성분으로부터 그 이전의 구간에서 얻어진 주파수 성분의 총계를 제외한 성분을 그 구간에서 송신된 주파수로 판정할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

이러한 본 발명의 목적들을 달성하기 위하여 불특정한 반사체가 존재하는 공간에 서로 통신을 행하는 고정국을 설치하고, 각 고정국으로부터 음파를 발사함으로써 데이타 통신을 행하는 시스템에서, 송신측은 소정주파수의 음파를 단속적으로 발사함에 의해 전파되는 음파의 위상을 부분적으로 지연시키고, 중첩되는 반사음파의 위상차에 의하여 발생되는 음파에너지의 극소지점이 특정한 장소에만 발생함을 방지함으로써 통신이 불가능해지는 확률을 감소시킴을 특징으로 한다.

또한 불특정한 반사체가 존재하는 공간에 서로 통신을 행하는 고정국을 설치하고, 각 고정국으로부터 음파를 발사함으로써 데이타 통신을 행하는 시스템에서, 송신측은 복수의 주파수를 교호적으로 발사함에 의해 중첩되는 반사음파의 위상을 흩뜨림으로써, 음파에너지의 극소 지점을 분산시켜서 통신이 불가능해질 확률을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

또한 불특정한 반사체가 존재하는 공간에 서로 통신을 행하는 고정국을 설치하고, 각 고정국으로부터 음파를 발사함으로써 데이타 통신을 행하는 시스템에서, 송신측은 동일 부호내에는 동일한 주파수가 두번다시 나타나지 않는 구성으로 한 복수 주파수의 직렬적인 조합으로 구성되는 부호로 변조된 음파를 송신 데이타로 출력하고, 수신측에서는 상기 부호의 각 주파수 구간의 시간 단위로 순차적으로 주파수 성분을 구하며, 상기 성분으로부터 그 이전의 구간에서 얻어진 주파수 성분의 총계를 제외한 성분을 그 구간에서 송신된 주파수로 판정함을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명될 것이다. 도면들중 동일한 부품들은 가능한한 어느곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다.

먼저 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기 전에 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위한 설명을 한다.

본 발명은 종래의 전파 방식 및 초음파방식의 결점인 통신 신뢰성을 향상시키고, 또한 초음파방식의 이점인 저렴한 가격성을 활용할 수 있도록 하기 위하여, 가청주파수를 이용한 쌍방향 무선통신방식을 새롭게 제안하는 것이다. 본 발명은 펄스열 발생기와 스피커구동부 및 스피커로 구성되는 송신수단과, 마이크와 오디오증폭기와 A/D 컨버터를 내장한 제어부로 구성된 수신수단을 구비한다. 제어부에는 본 발명의 복조알고리즘(algorithm)이 프로그램되어 저장된다.

본 발명의 통신 방식을 쌍방향 통신장치에 이용하는 경우, 펄스발생기는 제어부로 대행될 수 있으며, 또한 이를 삭제할 수도 있다.

일반적으로, 실내에 전파되는 음파는 천정, 마루, 가구, 벽, 창 그 이외로 반사되어 전파되고, 반사시의 감쇠가 적다. 또한 파장이 약 10cm의 오더라는 성질로부터 소정 주파수의 음파를 송출하여도, 직진파에 여러가지 경로를 통해 전파해 오는 소위 다중통로 지연파가 중첩되기 때문에, 진폭 변동이 크고 장소에 따라서는 진폭이 극단적으로 감소되어 음파가 도달되지 않는 경우도 있다. 이러한 장소는 음파 파장의 오더로 실내에 산재되고, 또한 실내의 반사 상황에 의하여 그 장소가 변동하는 성질이 있다. 즉, 실내의 레이 아웃의 변경이나 문, 창이 열려져 있는지 닫혀져 있는지의 차이만으로도, 수신기에 음파가 도달되지 않을 경우가 발생하게 된다. 이런 경우에서 통신기의 방향을 바꾸거나 조금 이동하는 것만으로 통신이 가능하지만, 본 발명을 적용하는 분야로서, 센서와 수신부에 각각의 통신기가 설치되는 안전시스템에서는 한번 음파가 도달되지 않게 되면 음파의 반사 상황이 바뀌어지기까지 통신이 회복되지 않는다. 또, 반사 상황이 좋을 경우, 즉 각 다중통로 지연파의 위상이 일치된 경우는 그 진폭이 매우 커져서 양호하게 통신될 수 있다. 이러한 통신 특성때문에, 통신기를 설치한 후 통신 기능을 테스트하더라도 테스트의 의미를 거의 갖고 있지 못하다.

본 발명은 송신 음파를 몇 파장마다 반파장 시간 정도 정지시켜서 단속적으로 송출하고, 다중통로 지연파간의 위상 관계를 변동시킴으로써, 수신측의 음파 진폭을 적극적으로 변동시켜서 진폭 감소가 계속해서 발생되는 것이 원인으로 일어나게 되는 통신 불가능을 방지하려고 하는 것이다.

단속적으로 송출되는 이외에 몇 파장마다 주파수를 변동시키느냐에 따라서도 수신측의 진폭을 변동시킬 수 있다.

특히, 가청 주파수에서는 전파 중의 감쇠가 비교적 적기 때문에, 다수의 지연파가 수신측에서 중첩됨으로써 본 발명의 효과가 현저하다.

또, 전파 등의 통신과 마찬가지로 주파수를 변동시킴으로써 정보를 전달할 수 있는데, 상기와 같은 반사가 많고 또한 감쇠가 적은 통신 환경에서는 다중통로 지연파가 방해가 되기 때문에 어떤 대책을 세울 필요가 있다.

예를 들어, FSK 변조로 1 1 1 1 0 0 0 0의 2진데이타를 f1 f1 f1 f1 f0 f0 f0 f0로 송출한 경우, 후반의 4비트 f0에 전반의 f1이 지연파가 중첩되고, 반사 환경에 의해서 f0보다 f1의 진폭이 커져서 복조가 곤란하다. 따라서 본 발명은 하나의 부호 중에서 동일 주파수는 한번밖에 나타나지 않는 주파수를 조합함으로써, 이러한 다중통로 지연파가 존재하더라도 확실하게 통신될 수 있도록 하는 것이다.

예를 들어, 4종류의 주파수를 사용할 경우는 하기와 같은 조합으로 4×3×2×1=24종류의 데이타로 한정한 변조를 행하는 것이다.

f0 f1 f2 f3, f1 f0 f2 f3, f2 f0 f1 f3, f3 f0 f1 f2, f0 f2 f1 f3, f0 f3 f1 f2, f0 f1 f2 f3,………………

수신기의 복조회로는 A/D 컨버터를 내장한 제어부로 구성하고, 수신 파형을 순차적으로 구간을 연장하여 퓨리에 변환(FOURIER transform)함으로써 구간에 포함되는 주파수 성분을 구한다. 즉, f0 f1 f2 f3의 주파수가 송신되었다고 한다면, 수신파의 최초 구간은 f0뿐이지만, 제2구간에서는 f1 이외에 제1구간인 f0의 다중통로 지연파가 중첩되고, 제3구간에서는 f2에 f0 f1의 지연파가 중첩되며, 제4구간에서는 f3에 f0 f1 f2의 지연파가 중첩된다. 이것은 퓨리에 변환 계산으로 알 수 있으며, 순차적으로 계산된 결과로부터 과거에 구해진 주파수 성분을 제외한다면, 그 구간에서 송신된 주파수를 추정할 수 있으며, 원래의 송신 데이타로 복조할 수 있다.

그리고, f0 f1 f2 f3의 주파수를 송신할 때, 주파수의 4구간을 더 분할하고 f0 주파수를 단속적으로 송신하며, 음파의 이상 현상의 감소를 방지한 경우 단속적인 시간에 따라 퓨리에 변환으로 구해지는 주파수 분포가 바뀌지만, 동일한 방법으로 복조할 수 있다. 종래의 초음파 방식은 송신기에 압전공진소자라는 협대역 소자를 이용하므로, 반파장 정도의 짧은 시간동안 정지되는 단속적인 송신을 행하거나 송신 주파수를 복수로 조합하는 것 등은 불가능하다. 그러나 본 발명에서는 가청 주파수의 음파를 사용하기 때문에 출력 대역이 넓은 통상의 음향 스피커를 사용할 수 있으므로, 상기 송신 방법이 가능해진다. 더우기 초음파를 사용하였다 하더라도, 송신 스피커에 광대역의 스피커를 채용한다면 본 발명이 그대로 적용될 수 있음을 명확하게 알 수 있다.

제1도는 본 발명을 실시한 음파에 의한 쌍방향 통신기로 송신기와 수신기로 구성되어 있다. 이러한 통신기를 센서, 수신부의 각각에 설치하여 데이타 통신을 수행하는 것으로 한다.

상기 제1도를 참조하면, 제어부 101은 A/D 컨버터(Analog to Digital converter), 송신데이타의 주파수를 발생하는 펄스발생기, RAM(Random Access Memory), ROM(Rean Only Memory)을 내장하는 마이크로콘트롤러(microcontroller)이며, 송신 데이타의 생성 및 수신 데이타의 복조를 수행한다. 증폭기 103은 스피커 103의 구동회로로서, 상기 제어부 101의 펄스발생기를 출력하는 음파신호를 증폭 출력한다. 스피커 103은 증폭기 103에서 출력하는 음파신호를 출력한다. 상기 제어부 101, 증폭기 103 및 스피커 102는 송신수단이 된다.

상기 송신수단은 소정주파수의 음파를 단속적으로 발사함에 의해 전파되는 음파의 위상을 부분적으로 지연시키고, 중첩되는 반사음파의 위상차에 의하여 발생되는 음파에너지의 극소 지점이 특정한 장소에만 발생함을 방지함으로써 통신이 불가능해지는 확률을 감소시키는 동시에 또한 송신데이타를 출력될 시 복수의 주파수를 교호적으로 발사함에 의해 중첩되는 반사음파의 위상을 흩뜨림으로써, 음파에너지의 극소 지점을 분산시켜서 통신이 불가능해질 확률을 감소시킨다.

마이크 104는 상기와 같이 송신되는 음파신호를 수신한다. 증폭기 105는 상기 마이크 104에서 수신되는 음파신호를 증폭출력하는 오디오증폭기이다. 대역필터 110은 상기 증폭기 105에서 출력되는 수신신호를 대역 여파하여 상기 제어부 101의 A/D 컨버터로 출력한다. 상기 제어부 101은 A/D 컨버터의 데이타를 복조 및 처리한다. 상기 마이크 104, 증폭기 105, 대역필터 110, 및 제어부 101은 수신수단에 대응된다. 상기 수신수단은 상기 부호의 각 주파수 구간의 시간 단위로 순차적으로 주파수 성분을 구하며, 상기 성분으로부터 그 이전의 구간에서 얻어진 주파수 성분의 총계를 제외한 성분을 그 구간에서 송신된 주파수로 판정한다.

대역필터 106은 상기 증폭기 105의 출력을 수신하여 설정 대역으로 여파 출력한다. 상기 대역필터 106은 활성신호의 주파수 대역 여파 특성을 가지며, 상기 활성신호 주파수 대역의 신호 성분 이외에는 차단시킨다. 진폭검파기 107은 적분특성을 가지며, 상기 대역필터 106에서 활성신호 주파수를 적분하여 특정 전압 레벨의 신호를 출력한다. 전압비교기 108은 내부에 소정레벨의 기준전압을 구비하며, 상기 진폭검파기 107의 출력과 상기 기준전압을 비교한다. 상기 전압비교기 108은 상기 진폭검파기 107에서 활성신호의 전압레벨을 감지하여 스위칭제어신호를 발생한다. 스위치회로 109는 전원전압 Vcc와 제어부 101의 전원공급단 사이에 연결되며, 상기 전압비교기 108의 출력을 제어신호로 수신한다. 상기 스위치회로 109는 상기 전압비교기 108에서 스위치제어신호를 출력할 시 스위칭되어 상기 제어부 101에 동작전원을 공급한다. 상기 대역필터 106, 진폭검파기 107, 전압비교기 108 및 스위치회로 109는 감지수단이 된다. 상기 감지수단은 임의 송신기로 부터 송출되는 데이타를 감지하여 동작전원의 공급을 제어한다.

제2도는 본 발명에 따라 처리되는 음파의 특성을 도시하는 도면으로 횡축은 시간을 나타낸다. 상기 제2도에서 201은 본 발명에서 적용하지 않는 일반적인 송신파로서 주파수가 fs이고 길이가 t0인 것을 나타내며, 202는 상기 201과 같은 송신파의 수신파 특성을 나타낸다. 상기 제2도에서 203은 본 발명에서 사용하는 단속 특성의 송신파로서 fs는 주파수이고 t0는 길이를 나타내며 △t1 △t2 △t3은 단속 특성을 주기 위해 송신이 중단되는 정지시간을 나타낸다. 그리고 204는 본 발명의 송신파로서, 서로 다른 주파수 fs, fs'가 교호적으로 송출됨을 도시한다. 또한 상기 제2도에서 205는 상기 203과 같은 단속 특성을 갖는 송신파가 출력할 시 대역필터 106에서 여파되는 수신파의 특성을 도시하고 있으며, 206은 상기 206과 같은 수신파를 검파하는 진폭검파기 107의 출력 특성을 도시하고 있고, 207은 상기 206과 같은 진폭검파기 107의 출력을 스위칭제어신호로 출력하는 전압비교기 108의 출력 특성을 도시하고 있다.

제3도는 본 발명의 변·복조방법의 설명도로서, 301은 송신 파형으로 f0, f1, f2, f3은 각각 제1구간-제4구간에서 송출되는 주파수를 의미한다. 302는 상기 301과 같은 송신파의 수신파 특성을 도시하는 도면으로 (1), (2), (3), (4)는 퓨리에 변환시의 계산구간을 나타낸다. 제3도에서 303은 제1구간(1)의 퓨리에 변환결과 특성을 도시하고 있으며, 304는 제2구간(2)의 퓨리에 변환 결과 특성을 도시하고 있고, 305는 제3구간(3)의 퓨리에 변환 결과 특성을 도시하고 있으며, 306은 제4구간(4)의 퓨리에 변환 결과 특성을 도시하고 있다. 상기 제3도에서 301 및 302의 횡축은 시간 축이 되며, 303∼306의 횡축은 주파수 축이 된다.

상기 제1도-제3도를 참조하여 본 발명을 살펴본다.

먼저 송신수단의 동작을 살펴보면, 상기 제어부 101의 펄스발생기에서 201과 같이 주파수 fs를 시간 t0의 구형파로 생성하여 스피커 102를 구동하면, 천정, 마루 그 이외의 반사가 원인이 되어 상대방의 수신기에는 일반적으로 202와 같이 진폭 변동과 잔향있는 음파인 소위 다중통로 지연파가 중첩되어 도달된다. 진폭 변동의 상황은 실내의 반사 상황이나 주파수 및 통신기의 설치 위치에 의하여 변화된다. 본 발명에서는 203에 나타낸 바와 같이 △t1, △t2, △t3의 시간으로 구형파의 송신을 정지시켜서 인위적으로 위상을 지연시킴으로써, 중첩되는 지연파의 위상 관계를 흩뜨린다. 그러면 수신기에 도달되는 수신파는 205와 같이 진폭 변동이 적어진다.

상기 정지시간 △t를 랜덤하게 변동시키면, 진폭 변동은 평균화되어 안정된 수신이 가능해진다. 또한 상기 203과 같은 단속파 대신에 204에 나타낸 바와 같이 복수의 주파수를 교호적으로 송신하는 방법에서도, 각각의 주파수에 따라 진폭이 극소가 되는 지점이 다르므로, 역시 수신파의 진폭 변동은 적어진다.

마이크 104, 증폭기 105, 중심주파수가 fs인 대역필터 106, 적분기능을 구비한 진폭검파기 107, 전압비교기 108, 스위치회로 109로 구성되는 수신수단의 동작을 살펴본다.

제2도의 205는 대역필터 106의 출력파형이다. 본 실시예에서는 통신기의 소비전력을 절약하기 위하여 마이크 104∼스위치회로 109의 회로에만 항상 전원을 공급하고, 상대방 수신기측에 데이타를 송출하기 위해서는 최초 203과 같은 송신파를 활성신호로 송출한다. 이때 수신기가 상기 송신파를 수신하면, 진폭검파기 107의 출력은 206과 발생되며, 전압비교기 108의 출력은 207과 로우 논리에서 하이 논리로 천이된다. 그러면 상기 스위치회로스위치 109가 스위칭되어 제어부 101에 동작전원이 공급되며, 이로인해 상기 제어부 101이 동작한다. 따라서, 송신측은 활성신호 송출후 상대방 수신기의 제어부 101이 작동하는 시간 ts를 예측하여 데이타 송출을 개시하여야 한다.

본 발명이 이용되는 안전시스템에서는, 일반적인 실내에 통신기가 설치되므로 통신용 음파와 동등한 잡음이 존재한다고 생각해야만 한다. 활성신호는 fs라는 특정 주파수이기 때문에 t0를 소정 시간 이상으로 길게 하고, 대역필터 106을 협대역 필터로 구성하고, 진폭검파기 107의 적분정수를 크게 함으로써 잡음에 의한 오동작을 어느 정도 방지할 수 있다. 그러나 상기 송신 데이타는 복수의 주파수로 구성되기 때문에 협대역 필터를 통과시킬 수 없고, S/N이 악화된다. 따라서, 제어부 101이 동작된 후 데이타가 도착할 때까지의 시간을 가능한한 짧게 하는 것이 바람직하다. 본 발명과 같이 활성신호로서 203과 같은 송신파를 채용한다면 205에 도시된 바와 같이 수신진폭의 변동이 적어지므로, ts의 변동 및 잡음도 적게 할 수 있다.

상기 203과 같은 활성신호를 송출한 후, 적어도 ts 이상 후에 301과 같은 송신데이타를 송출한다. 상기 301과 같은 데이타는 마이크 104 및 증폭기 105에서 전기적신호로 변환된 후 증폭되어 대역필터 110에 입력된다. 그러면 상기 대역필터 110은 활성신호 성분인 f0 등의 신호 성분 이외의 주파수 성분을 제거하고, 활성신호의 잔향이나 잡음의 영향을 감소시킨다.

이러한 송신데이타를 수신한다면, 상기 대역필터 110의 출력은 302와 같이 다중통로 지연파가 중첩된 것이 되고, 상기 302와 같이 중첩된 수신파형을 통상의 FM 검파로 복조하는 것은 거의 불가능하다.

본 발명의 실시예에서는 302와 같은 수신파형을 A/D 변환하여 일시적으로 RAM에 기억시킨 후, (1), (2), (3), (4)의 구간에서 퓨리에 변환하여 각 구간의 주파수 성분을 구한다. 상기 계산은 제어부 101에 프로그램되어 저장된 알고리즘에 의해 수행된다.

상기 302와 같은 수신파의 각 구간 계산결과는 303, 304, 305, 306으로 나타난다. 303은 제1구간에서 검파되는 최초의 주파수 f0이고, 304는 제2구간의 성분으로서 303의 성분을 제함으로써 2번째의 주파수 f1이 구해지고, 305는 제3구간의 성분으로서 303, 304의 성분을 제함으로써 3번째의 주파수 f2가 구해지며, 306은 제4구간의 성분으로서 303, 304, 305의 성분을 제함으로써 4번째의 주파수 f3이 구해진다.

그리고, 302로 도시된 수신파는 다중통로 지연파의 위상 관계에 의해서 201과 같이 진폭이 이상하게 감소하는 일도 있을 수 있지만, 각 구형파를 각각 203과 같이 분할하여 일시 정지하면 이를 방지할 수 있음은 자명한 일이다.

이상의 설명으로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 의하면, 전파방식에 비하여 매우 간단한 회로 구성으로 쌍방향 무선통신기를 제공할 수 있고, 동시에 전파 방식의 결점인 정재파에 의한 통신 성능의 현저한 저하를 해결할 수 있다. 뿐만아니라 초음파의 지향성과 변조 방식의 제약으로부터 오는 통신 신뢰성의 결여라는 초음파 방식의 문제점까지도 해결할 수 있어 저렴한 가격으로 또한 고신뢰성의 쌍방향 통신기를 실현할 수 있다. 그리고 본 발명에 의하면 무선 수신기 중에서 항상 전원을 공급해야 하는 것은 오디오회로만이며, 데이타를 수신하였을 때만 50ms 정도 제어부가 작동하는 회로 구성이 가능하다. 안전시스템에서의 통신 회수는 하루당 몇 회 정도이고, 여기에서 사용되는 제어부 101의 소비전류는 고작 10mA이기 때문에, 수신을 위한 제어부 101의 평균 소비전류는 10mA×50ms×5/(24×3600×1000ms)=0.029μA로 무시할 수 있을 정도의 미소한 양이다. 또 오디오회로의 소비전류도 통상 몇 μA로 가능하다. 송신회로는 데이타 송출시만 동작하는 것이기 때문에, 예를 들면 스피커 102를 10W로 구동한 경우라도 통신기의 전지를 3V, 하루당의 스피커 구동시간은 30ms×5회 정도라고 가정해도 되므로 평균전류는 30ms×5×3.3A/(24×3600×1000ms)=5.7μA이다. 따라서, 본 발명의 통신기의 평균 소비전류는 10μA 정도까지 내려간다. 종래의 무선식은 100μA 정도의 소비전류이기 때문에, 본 발명에 의하면 전지수명도 10배 이상 지연됨을 기대할 수 있다.

또, 본 발명의 응용으로서 센서측에 설치하는 쌍방향 통신기의 수신기를 음파로 구성하고 송신기를 전파 방식으로 구성한 경우, 송신 안테나는 스피커와 비교하여 매우 작고, 또한 플라스틱 케이스 내에 밀봉할 수도 있다. 또 수신 마이크 104도 직경 5mm 정도의 매우 소형의 것이 민생용으로서 보급되고 있다. 따라서 이러한 조합으로 이루어진 쌍방향 통신기는 종래 제품과 비교해 볼 때 매우 소형이므로, 통신기 전체를 센서에 내장할 수 있으며, 비용 및 미관의 측면에서도 우수하다.

이와 같은 조합에서는 수신부측의 수신기는 전파 방식이기 때문에 통신 성능의 향상에 배려가 필요하다. 그러나, 수신부의 수신기는 한 대로 복수의 센서들을 담당하게 되므로, 수신기의 고성능화에 의한 다소의 비용 상승은 허용되며, 동시에 설치 장소도 천정에 가까운 벽이 되는 경우가 대부분이기 때문에 통신 성능을 확보하기 위하여 안테나 형상이 다소 커지더라도 미관상 지장이 없다.

실내에서의 전파 통신으로 통신 불가능의 원인인 다중통로 지연파의 영향은 복수의 안테나를 이용한 다이버시티(diversity)방식으로 개선할 수 있음은 잘 알려져 있지만, 일반적으로 복수 안테나의 조합이 되므로 형상이 커지는 결점이 있고, 센서측의 통신기에 채용하는데는 어려운 점이 있지만, 본 응용에서는 상기 문제도 해결된다.

다음으로 본 응용의 센서측의 통신기는 소비전류에 관해서도 다음과 같은 장점이 있다. 민생용으로서 대량생산되어, 입수 및 비용에 문제가 없는 일반적인 전자 부품에서 상기 방식의 센서측의 통신기를 구성한 경우의 송신기의 제어부도 포함하여 소비전류는 약 50mA 정도이다. 그리고 일회에 송출하는 데이타가 20비트 정도이고 전송 속도를 300bps라고 한다면, 송신시간은 약 70ms가 된다. 이것을 하루당 5회 송신한다고 생각하면, 송신기의 평균 전류는 50mA×70ms×5/(24×3600×100ms)=0.2μA가 된다. 수신기의 평균 전류는 오디오앰프의 소비전류로 결정되어 5μA 정도이기 때문에, 센서측의 쌍방향 통신기의 평균 소비전류는 5μA 정도가 되고, 종래 전파 방식의 경우의 1/20이 되며, 소형이면서 저렴한 가격의 전지를 사용할 수 있고, 또한 전지 교환 사이클도 길게 할 수 있다.

특히, 4Ω의 스피커를 10W로 구동하여 음파를 발생할 경우, 적어도 7V로 순간적으로 2A 정도의 전류를 공급할 수 있는 전원이 필요해지기 때문에 전지가 특수한 것이 사용되어 전원 비용이 상승하는 문제를 포함하고 있는데, 본 발명에서는 최대 3V, 50mA의 전원으로 충분하기 때문에 일반 전지를 그대로 사용해도 되므로 특별한 전원회로를 필요로 하지 않는 이점도 있다.

Claims (4)

1. 송신수단 및 수신수단을 구비하며 불특정한 반사체가 존재하는 공간에 서로 통신을 행하는 고정국을 설치하고, 각 고정국이 상대 고정국에 음파를 발사함으로써 데이타 통신을 행하는 시스템에 있어서, 송신데이타를 출력하는 수단과, 상기 송신데이타를 설정된 정지시간 단위로 단속하여 소정 주파수의 구형파 펄스로 출력하는 펄스발생수단과, 상기 펄스를 증폭하여 음파신호로 방사하는 수단으로 구성되어, 소정주파수의 음파를 단속적으로 발사함에 의해 전파되는 음파의 위상을 부분적으로 지연시키고, 중첩되는 반사음파의 위상차에 의하여 발생되는 음파에너지의 극소 지점이 특정한 장소에만 발생함을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 함으로써 통신이 불가능해지는 확률을 감소시키는 것을 특징으로 하는 음파 통신장치.
2. 송신수단 및 수신수단을 구비하며 불특정한 반사체가 존재하는 공간에 서로 통신을 행하는 고정국을 설치하고, 각 고정국이 상대 고정국에 음파를 발사함으로써 데이타 통신을 행하는 시스템에 있어서, 송신데이타를 출력하는 수단과, 가청 대역의 다수 주파수 발생수단을 구비하며, 상기 송신데이타를 설정된 주파수의 순서에 따라 구형파 펄스로 출력하는 수단과, 상기 펄스를 증폭하여 음파신호로 방사하는 수단으로 구성되어, 복수의 주파수를 교호적으로 발사함에 의해 중첩되는 반사음파의 위상을 흩뜨림으로써, 음파에너지의 극소 지점을 분산시키는 것을 특징으로 하는 음파 통신장치.
3. 송신수단 및 수신수단을 구비하며 불특정한 반사체가 존재하는 공간에 서로 통신을 행하는 고정국을 설치하고, 각 고정국이 상대 고정국에 음파를 발사함으로써 데이타 통신을 행하는 시스템에 있어서, 송신데이타를 출력하는 수단과, 가청 대역의 다수 주파수 발생수단을 구비하여 상기 송신데이타를 설정된 주파수의 순서에 따라 구형파 펄스로 출력하는 수단과, 상기 펄스를 증폭하여 음파신호로 방사하는 수단으로 구성되어, 동일 부호내에는 동일한 주파수가 두번다시 나타나지 않는 구성으로 한 복수 주파수의 직렬적인 조합으로 구성되는 부호로 변조된 음파를 송신 데이타로 출력하는 송신수단과, 상기 음파신호를 수신하는 수단과, 상기 수신되는 음파신호의 대역을 여파하는 수단과, 상기 대역여파된 음파신호를 디지탈변환하여 복조하는 수단으로 구성되어, 상기 부호의 각 주파수 구간의 시간 단위로 순차적으로 주파수 성분을 구하며 상기 성분으로부터 그 이전의 구간에서 얻어진 주파수 성분의 총계를 제외한 성분을 그 구간에서 송신된 주파수로 판정하는 수신수단을 구성된 것을 특징으로 하는 음파 통신 장치.
4. 송신수단 및 수신수단을 구비하며 불특정한 반사체가 존재하는 공간에 서로 통신을 행하는 고정국을 설치하고, 각 고정국이 상대 고정국에 음파를 발사함으로써 데이타 통신을 행하는 시스템에 있어서, 상기 송신수단이 소정 주파수의 음파신호를 단속적으로 송출하므로서 전파되는 음파의 위상을 지연시키고 중첩되는 반사 음파의 위상차에 의해 발생되는 음파에너지의 극소 지점이 특정 장소에 발생되는 방지하는 활성신호를 출력하는 과정과, 상기 수신수단이 상기 활성신호에 응답하여 동작 전원을 공급하는 과정과, 상기 송신수단이 설정시간 대기한 후 동일 부호 내에서 동일 주파수가 두번 이상 나타나지 않는 구성으로 복수 주파수의 직렬 조합으로 구성되는 부호로 변조된 음파를 송신데이타로 출력하는 과정과, 상기 수신수단이 상기 송신데이타 부호의 각 주파수 구간의 시간 단위로 순차적으로 주파수 성분을 구하며, 상기 성분으로 부터 그 이전의 구간에서 얻어진 주파수 성분의 총계를 제외한 성분을 그 구간에서 송신된 주파수로 판정하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 음파 통신 방법.