KR100426862B1 - 전압조정 오실레이터의 주파수 선형성 개선방법 - Google Patents

전압조정 오실레이터의 주파수 선형성 개선방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주파수변조연속파(FM-CW, Frequency Modulated-Continuous Wave) 레이더 원리를 이용한 거리측정장치에 사용되는 전압조정 오실레이터의 주파수 선형성을 향상시키기 위한 전압조정 오실레이터의 주파수 선형성 개선방법에 관한 것으로, 주파수변조 연속파 레이더 원리를 이용한 거리측정장치에 있어서, 기준비트신호의 시간영역 데이터의 영점간격을 계산하여 시간에 따른 주파수 변화를 분석하고, 내삽법을 이용하여 상기 영점간격 데이터를 디지털-아날로그 변환기에서 필요로 하는 데이터수 만큼 증가시킨 후 적분을 수행하여 전압조정 오실레이터의 주파수 비선형성을 개선할 수 있는 제어전압을 구하는 것을 특징으로 한다.

Description

전압조정 오실레이터의 주파수 선형성 개선방법{Method of VCO frequency nonlinearity improvement}
본 발명은 주파수변조연속파(FM-CW, Frequency Modulated-Continuous Wave) 레이더 원리를 이용한 거리측정장치에 사용되는 전압조정 오실레이터의 주파수 선형성을 향상시키기 위한 전압조정 오실레이터의 주파수 선형성 개선방법에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로파를 이용한 FM-CW 레이더는 거리 또는 물체의 이동속도 측정을 위한 여러 분야에서 응용되고 있으며, 특히 산업 현장에서 열악한 환경의 레벨측정용 또는 공정자동화용 거리측정장치로서 매우 활용도가 높다.
이 FM-CW 레이더의 원리를 사용한 마이크로파 거리계는 원거리용 레이더와는 달리 산업 분야에서 주로 근거리 측정용으로 많이 사용된다. 이 FM-CW 레이더를 근거리용으로 사용할 경우에는 송신기에서 발사된 마이크로파 에너지가 수신기로 되돌아오는 시간이 매우 짧으므로 거리계의 해상도를 높이기 위해서는 매우 정밀한 전압조정 오실레이터(VOC)가 사용되어야 한다.
만약 이 전압조정 오실레이터의 주파수 변화의 선형성이 우수하지 않으면, 거리 정보를 담고 있는 비트신호의 주파수가 확산되어 아날로그 방식의 주파수 계수법이나, 디지털 방식의 퓨리에 전환방식으로도 거리 정보를 정밀하게 측정할 수가 없게 된다.
이에 대한 해결 방법으로는 선형도가 매우 우수한 고가의 전압조정 오실레이터를 사용하거나, 저가의 비선형적인 오실레이터를 이용하되 비선형적인 특성을 개선하여 사용하는 방법이 있다.
선형성이 우수한 전압조정 오실레이터는 주로 YIG 오실레이터가 사용된다. 그러나, YIG 오실레이터는 고가이며, 사용상 여러 개의 전압을 인가해야 하고, 온도를 일정하게 유지하기 위한 별도의 부가회로가 필요하기 때문에 경제적으로 부담이 되어 고정밀을 요구하는 계측기에서 주로 사용되고 있다.
한편, 저가의 비선형적인 오실레이터를 이용하되 비선형적인 특성을 개선하여 사용하는 방법으로는, 특허출원 제98-54793호, 미국특허 제4,107,679호 등이 있다.
특허출원 제98-54793호는 전압조정 오실레이터의 비선형성을 보상해주는 방법으로, 기준비트신호를 고속퓨리에 변환 등의 연산을 통하여 전압제어신호를 계산하는 방법이기 때문에 계산량이 많고, 기준지연선로가 길어야 하는 문제점이 있었다.
한편, 미국특허 제4,107,679호는 전압조정 오실레이터의 비선형을 극복하기 위해서 하나의 기준지연선로를 이용한 피드백회로를 첨가하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 이 방법은 전압조정 오실레이터의 비선형성을 다소 극복할 수 있으나, 피드백을 위한 부가회로가 반드시 첨가됨에 따라서 회로가 복잡해지는 문제점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 안테나 반사파 또는 기준지연선로의 반사파를 이용하여 전압조정 오실레이터의 시간에 따른 주파수 특성을 분석하여 비선형성을 개선할 수 있는 전압조정 오실레이터의 주파수 선형성 개선방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 FM-CW 레이더 마이크로파 거리 측정장치에 적용될 수 있으며, 특히 근접 거리를 측정할 경우에 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 비트신호의영점을 확인하여 주파수 특성을 찾아내므로 고속퓨리에 변환과 같이 많은 계산을 필요로 하지 않아 하드웨어의 연산부담을 줄일 수 있고, 가격이 저렴한 비선형적인 전압조정 오실레이터를 사용하여 저가의 단거리 거리측정장치를 구성할 수 있게 된다.
도 1은 주파수변조연속파 레이더의 개략적 구성도,
도 2a 및 도 2b는 기준비트신호의 시간영역 및 주파수영역 표시도,
도 3은 기준비트신호의 시간에 따른 영점간격 변화도,
도 4는 개선된 제어전압 신호도,
도 5는 개선후 측정한 비트신호의 스펙트럼도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 신호처리부 2 : 제어전압변환기
3 : 전압조정 오실레이터 4 : 신호분배기
5 : 혼합기 6 : 서큘레이터
7 : 안테나 8 : 저주파여과기
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전압조정 오실레이터의 주파수 선형성 개선방법은, 주파수변조 연속파 레이더 원리를 이용한 거리측정장치에 있어서, 기준비트신호의 시간영역 데이터의 영점간격을 계산하여 시간에 따른 주파수 변화를 분석하고, 내삽법을 이용하여 상기 영점간격 데이터를 디지털-아날로그 변환기에서 필요로 하는 데이터수 만큼 증가시킨 후 적분을 수행하여 전압조정 오실레이터의 주파수 비선형성을 개선할 수 있는 제어전압을 구하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 하드웨어적 구성은 도 1에 나타낸 일반적으로 알려진 주파수변조연속파 레이더의 기본적인 구조와 동일하다. 전압조정 오실레이터(3)는 송신신호를 만들어 주는 부분으로서, 제어전압변환기(2)의 신호에 따라 주파수가 변하는 신호를 만들어 준다. 신호분배기(4)는 상기 전압조정 오실레이터(3)에서 만들어진 신호의 일부를 혼합기(5)로 분기시켜 주고, 나머지는 서큘레이터(6)로 보내준다. 이 서큘레이터(6)는 송신신호와 반사되어 돌아오는 수신신호를 분리해 주는 역할을 한다. 안테나(7)는 신호를 송수신하는 것으로서, 상기 전압조정 오실레이터(3)로부터의 신호를 송신하고, 물체에 반사되어 돌아오는 신호를 수신하여 서큘레이터(6)에 인가해 준다. 상기 혼합기(5)는 주파수가 다른 두 신호를 입력으로 받아서 두 신호의 주파수차에 해당되는 신호를 출력하는 것으로서, 상기 신호분배기(4)에서 분기된 신호와 반사파의 주파수차를 나타내는 비트신호를 출력으로 내보낸다. 저주파여과기(8)는 비트신호 이외의 잡음을 제거하기 위한 것이고, 신호처리부(1)는 상기 전압조정 오실레이터(3)의 주파수를 분석하여 제어전압을 만들고, 거리측정 알고리듬을 이용하여 거리를 계산해 주는 곳이다.
본 발명은 상기 신호처리부(1)에서 전압조정 오실레이터(3)의 기준비트신호를 이용하여 주파수 특성을 분석하여 비선형성을 개선할 수 있는 제어전압을 만들어 주는 방법에 관한 것으로, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 상기 전압조정 오실레이터(3)의 주파수 비선형 특성을 분석하기 위하여 상기 제어전압변환기(2)에서 삼각파 신호를 발생시켜 기준비트신호를 얻는다. 도 2a 및 도 2b는 각각 기준비트신호를 시간 영역과 주파수 영역으로 표시한 것이다.
다음 이러한 기준비트신호의 시간에 따른 주파수 특성을 분석하기 위해서 시간 영역에서 기준비트신호의 영점간 간격을 계산함으로써 상기 기준비트신호의 시간에 따른 주파수 변화를 구한다. 도 3은 기준비트신호의 시간에 따른 영점간격의 변화를 나타낸 것이다.
다음에는 상기 기준비트신호의 시간에 따른 영점간격 데이터를 내삽법을 이용하여 상기 제어전압변환기(2)의 디지털-아나로그회로에서 필요로 하는 데이터 수로 증가 시킨 후, 적분을 수행하여 비선형성을 개선할 수 있는 제어전압신호를 얻는다. 도 4는 이와 같이 얻은 개선된 제어전압 신호도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법으로 전압조정 오실레이터의 주파수 비선형성을 개선한 후, 비트신호를 고속퓨리에 변환을 이용하여 주파수 스펙트럼을 본 것으로, 도 2b에 나타낸 비트신호의 주파수 스펙트럼과 비교하면, 비트신호의 주파수가 한 점으로 모아진 것을 확인할 수 있으며, 결국 거리측정 해상도가 향상된 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 전압조정 오실레이터의 시간에 따른 주파수 특성을 분석하여 비선형성을 개선하게 되므로, 근접 거리를 측정할 경우에 정밀도를 높일 수 있고, 결국 가격이 저렴한 비선형적인 전압조정 오실레이터를 사용하여 저가의 단거리 측정장치를 구성할 수 있게 된다.

Claims (1)

  1. 주파수변조 연속파 레이더 원리를 이용한 거리측정장치에서 주파수의 선형성을 개선하기 위하여, 신호처리부를 구비하는 주파수 변조 연속파 시스템의 전압조정 오실레이터의 주파수 선형성 개선방법에 있어서,
    기준비트신호의 시간영역 데이터의 영점간격을 계산하여 시간에 따른 주파수 변화를 분석하는 제 1단계;
    내삽법을 이용하여 상기 영점간격 데이터를 디지털-아날로그 변환기에서 필요로 하는 데이터수 만큼 증가시키는 제 2단계; 및
    상기 제 2단계에서 얻은 데이터에 대하여 적분을 수행하는 제 3단계
    를 포함하는 전압조정 오실레이터의 주파수 선형성 개선방법.
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