KR100758271B1 - 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치및 그 방법 - Google Patents

카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치및 그 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야
본 발명은 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치 및 그 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 종래의 카오스 초광대역 무선 통신 시스템에서의 카오스 오실레이터를 개선하여 카오스 신호의 대역을 좀더 쉽게 조절하게 하고, 종래의 On/Off Keying(온/오프 변조) 방식을 개선하여 상기 카오스 신호의 검출 성능을 높이며, 나아가 종래에 카오스 초광대역 무선 통신 기술에서 존재하지 않던 거리 측정 기능을 도입함으로써 통신 및 거리 측정이 가능한 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치에 있어서, 카오스 초광대역 신호를 생성/변조하기 위한 카오스 생성/변조수단; 무선신호를 송수신하기 위한 무선수단; 상기 무선수단으로부터의 무선신호를 전압신호로 검출하기 위한 검출수단; 상기 검출수단에서 검출한 아날로그 전압신호를 샘플링하여 소정 레벨의 제 1 디지털 신호(디지털 신호 1)로 변환하기 위한 변환수단; 상기 변환수단에서 변환된 제 1 디지털 신호를 이진 신호로 변환하기 위한 베이스밴드 처리수단; 상기 검출수단에서 검출한 아날로그 전압신호의 레벨을 소정의 임계값과 비교하여 제 2 디지털 신호(디지털 신호 2)를 출력하기 위한 비교수단; 및 상기 베이스밴드 처리수단으로부터의 이진 신호와 상기 비교수단으로부터의 제 2 디지털 신호를 이용하여 패킷 헤더의 첫 데이터의 도달 시점인 리딩 엣지를 산출하고, 상기 리딩 엣지를 이용하여 거리 측정 연산을 수행하는 거리 측정수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도.
본 발명은 카오스 초광대역 무선 통신 기술 등에 이용됨.
카오스 초광대역 무선 통신, 카오스 오실레이터, 거리 측정 장치

Description

카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치 및 그 방법{Apparatus and method for ranging measurement using chaotic UWB wireless communication}
도 1은 종래의 장치 간 거리 측정을 위한 통신 프로토콜을 설명하는 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치의 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 거리 측정 장치의 상세 구성도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 카오스 오실레이터의 회로도,
도 5는 도 4의 카오스 오실레이터에서 발생된 카오스 신호 스펙트럼 파형,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 검출기 출력인 아날로그 전압 신호의 파형,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 방법의 흐름도,
도 8은 도 7의 리딩 엣지 결정 과정의 상세 흐름도,
도 9는 검출기에서 출력된 아날로그 전압 신호의 파형을 나타내는 도면,
도 10은 도 9의 신호 파형 중 N-1에서 N 샘플링 시점 사이에 해당하는 파형 을 상세하게 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
301 : 카오스 오실레이터 302 : 증폭기
303 : 변조기 304 : 스위치
305 : 대역 통과 필터 306 : 안테나
307 : 저잡음 증폭기 308 : 대역 통과 필터
309 : 검출기 310 : ADC(Analog to Digital Converter)
311 : 비교기 203 : 베이스밴드 처리부
204 : 거리 측정부
본 발명은 카오스 초광대역 무선 통신 기술(chaotic UWB wireless communication technology)에 관한 것으로, 특히 WPAN(Wireless Personal Area Network) 등에서 거리 측정을 할 수 있는 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 급속히 발전된 초광대역(UWB : Ultra Wide Band) 기술 중 카오스 초광 대역 무선 통신 기술은, 카오스 이론을 적용한 초광대역 신호(이하, 카오스 신호)를 이용하여 통신을 수행한다. 종래의 협대역 무선 통신 기술에 의하면, 수 GHz의 초고주파에 디지털 데이터를 실어서 송수신하기 위해 베이스 밴드 신호의 주파수를 변환하기 위한 중간 주파수 상/하향 장치가 필요하다. 반면, 카오스 초광대역 무선 통신 기술에 의하면, 중간 주파수 상/하향 장치 없이 직접 초광대역 신호 스펙트럼을 만들 수 있기 때문에 기능적으로 간단한 통신 시스템의 구현이 가능하다.
상기 초광대역 신호 스펙트럼을 생성하는 카오스 신호 발생기는 카오스 오실레이터로 구현될 수 있다. 카오스 오실레이터에 대해서는 1980년대부터 이론적으로 연구가 진행되어 왔고, 1993년 Chua 회로(Chua's circuit)를 통해서 널리 알려지게 되었다. 그러나, 상기 Chua 회로에 따르면 주파수 특성에 따른 회로 및 장치의 변형 가능성이 불명확하였다. 논문 "Ring oscillating systems and their application to the synthesis of chaos gnerators(A.S.Dmitrev et al.. Int. Journal of bifurcation and chaos in applied science and engineering. vol 6. pp 851-865. May 1996.)"을 통해 공개된 종래기술 1은 Chua 회로의 단점을 보완하여 광대역 신호 합성 과정을 이론적으로 분석 제시하였다. 상기 종래기술 1에 따르면, 비선형 소자를 통해 발생된 신호가 다중 1차 및 2차의 저역 필터(LPF : Low Pass Filter)를 통과한 후에 다시 비선형 소자로 피드백된다. 이렇게 생성된 신호는 넓은 주파수 대역에서 진동(oscillating)한다. 종래기술 1은 기본적으로 각 필터의 공진 주파수들을 중심으로 필터 계수값에 의해서 광대역의 신호원을 생성한다. 상기 광대역의 신호원은 중심 주파수가 수 GHz이고 수백 MHz 이상의 대역폭을 가지는 초광대역 신호이다.
상기 종래기술 1에 따라, 논문 "Ultra wideband direct chaotic communication for low bitrate information transmission(A.S.Dmitrev et al.. Technical Physics Letters. vol.29. pp 22-74. January 2003)"의 종래기술 2는 카오스 초광대역 무선 통신 시스템을 구현하였다. 상기 종래기술 2의 카오스 초광대역 무선 통신 시스템은 카오스 오실레이터, 검출기(detector), ADC(Analog-to-Digital Conversion) 및 베이스밴드 처리기(baseband processor)를 포함하고, 2~4GHz 대역에서 동작한다.
하지만, 상기 종래기술 2의 카오스 초광대역 무선 통신 시스템은 카오스 신호의 대역을 조절하기 어렵고, 종래의 On/Off Keying(온/오프 변조) 방식을 적용하여 상기 카오스 신호의 검출 성능이 낮은 문제점이 있다.
한편, 종래에 장치(device) 간 거리 측정을 위한 통신 프로토콜은 정의되어 있다. 도 1은 종래의 장치 간 거리 측정을 위한 통신 프로토콜을 설명하는 도면으로서, 도면에 도시된 바와 같이 종래의 통신 프로토콜에 의하면, 노드(node) 1에서 노드 2로 패킷(packet)을 송신하고 이 패킷이 노드 2에서 노드 1로 되돌아오는 왕복(round trip) 시간을 계산함으로써 거리를 측정한다. 즉, 패킷이 노드 1에서 노드 2로 전송되는 시간인 T_prop1, 노드 2에서 상기 패킷이 처리되는 시간인 T_process 및 다시 노드 2에서 노드 1로 패킷이 전송되는 시간인 T_prop2를 측정하여, 패킷의 총 왕복 시간 T(이때, T = T_prop1 + T_process + T_prop2)를 산출한다. 여기서, 상기 패킷이 노드 2에 도달하는 시점, 노드 2에서 처리가 완료되는 시 점 및 다시 노드 1에 도달하는 시점은 패킷 헤더(packet header)의 첫 데이터가 도달하는 시점인 리딩 엣지(leading edge)를 기준으로 한다. 상기 산출된 패킷의 총 왕복 시간(T)으로부터 아래의 [수학식1]을 이용하여 거리(R)를 측정한다.
R = C * (T - T_process) / 2
여기서, C는 전파의 진행 속도이다.
상기 [수학식1]을 이용하여 정밀한 거리 측정하기 위해서는 정확한 리딩 엣지를 구하여야 한다.
하지만, 종래의 카오스 초광대역 무선 통신 기술에서는 상기 통신 프로토콜이 적용된 거리 측정 기능을 갖는 통신 시스템이 구현된 바가 없다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 카오스 초광대역 무선 통신 시스템에서의 카오스 오실레이터를 개선하여 카오스 신호의 대역을 좀더 쉽게 조절하게 하고, 종래의 On/Off Keying(온/오프 변조) 방식을 개선하여 상기 카오스 신호의 검출 성능을 높이며, 나아가 종래에 카오스 초광대역 무선 통신 기술에서 존재하지 않던 거리 측정 기능을 도입함으로써 통신 및 거리 측정이 가능한 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치에 있어서, 카오스 초광대역 신호를 생성/변조하기 위한 카오스 생성/변조수단; 무선신호를 송수신하기 위한 무선수단; 상기 무선수단으로부터의 무선신호를 전압신호로 검출하기 위한 검출수단; 상기 검출수단에서 검출한 아날로그 전압신호를 샘플링하여 소정 레벨의 제 1 디지털 신호(디지털 신호 1)로 변환하기 위한 변환수단; 상기 변환수단에서 변환된 제 1 디지털 신호를 이진 신호로 변환하기 위한 베이스밴드 처리수단; 상기 검출수단에서 검출한 아날로그 전압신호의 레벨을 소정의 임계값과 비교하여 제 2 디지털 신호(디지털 신호 2)를 출력하기 위한 비교수단; 및 상기 베이스밴드 처리수단으로부터의 이진 신호와 상기 비교수단으로부터의 제 2 디지털 신호를 이용하여 패킷 헤더의 첫 데이터의 도달 시점인 리딩 엣지를 산출하고, 상기 리딩 엣지를 이용하여 거리 측정 연산을 수행하는 거리 측정수단을 포함한다.
또한, 본 발명의 방법은, 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 방법에 있어서, 무선신호로부터 검출한 아날로그 전압신호를 샘플링하여 소정 레벨의 제 1 디지털 신호(디지털 신호 1)로 변환하는 단계; 상기 변환한 제 1 디지털 신호를 이진 신호로 변환하는 단계; 상기 검출한 아날로그 전압신호의 레벨을 소정의 임계값과 비교하여 제 2 디지털 신호(디지털 신호 2)를 출력하는 단계; 상기 이진 신호와 상기 제 2 디지털 신호를 이용하여 패킷 헤더의 첫 데이터의 도달 시점인 리딩 엣지를 산출하는 리딩 엣지 산출단계; 및 상기 산출한 리딩 엣지를 이용하여 거리 측정 연산을 수행하는 단계를 포함한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치(200)는 카오스 신호를 패킷 형태로 송수신함으로써 디지털 데이터를 송수신함과 동시에 거리를 측정한다. 거리 측정 장치(200)는 카오스 초광대역 신호를 생성하고 변조하여 무선부로 출력하는 카오스 생성/변조부(201), 상기 무선부로부터 입력된 무선 신호를 검출하고 디지털 신호로 변환하여 출력하는 카오스 검출/변환부(202), 베이스밴드 처리부(203), 상기 카오스 검출/변환부(202)로부터 입력된 디지털 신호를 이용하여 거리 측정을 수행하는 거리 측정부(204) 및 무선 신호를 무선망을 통해 송수신하는 무선부(205)를 포함한다.
이하, 도 3을 참조하여 후술한다.
도 3은 도 2에 도시된 거리 측정 장치의 상세 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 카오스 생성/변조부(201)는 카오스 오실레이터(301), 증폭기(302) 및 변조기(303)를 포함한다.
카오스 오실레이터(301)는 카오스 신호를 생성한다. 본 명세서에서는 일례로서 차동 증폭기와 고차의 대역 통과 필터를 이용한 카오스 오실레이터로 구현함으로써, 중심 주파수가 4GHz이고 대역폭이 3~5GHz인 카오스 초광대역 신호를 생성한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 카오스 오실레이터의 회로도로서, 도 4에 도시된 바와 같이 카오스 오실레이터는 비선형 소자로 이용되는 두 개의 차동 증폭기(404,405), 고차의 대역 통과 필터(406) 및 주파수를 튜닝하기 위한 가변 콘덴서(401,402,403)를 포함한다. 두 개의 차동 증폭기(404,405)는 양 전압(Positive Vtg)과 음 전압(Negative Vtg)을 입력받아 증폭한다. 상기 차동 증폭기(404, 405)로부터 출력된 신호는 고차의 대역 통과 필터(406)에서 필터링되어 OSC_out 노드로 출력된다. 상기 OSC_out 노드로부터 출력된 신호는 상기 차동 증폭기(404, 405)로 피드백된다. 종래의 카오스 오실레이터와 같이 비선형 소자로 하나의 증폭기만을 사용하는 경우, 카오스 초광대역 신호 생성시 전 대역에 걸쳐 일정한 전력 레벨을 유지하지 못하고 대역 중간에 전력이 발생하지 않는 구간이 존재하기 때문에 원하는 대역의 신호를 발생시킬 수 없는 경우가 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 카오스 오실레이터는 두 개의 차동 증폭기(404,405)를 사용하여 어느 하나의 증폭기가 특정 시간에서 순간적으로 신호를 발생하지 않더라도 다른 하나의 증폭기가 일정한 신호를 발생시킴으로써 전 대역에 걸쳐 일정한 전력 레벨 유지가 가능하다. 따라서 본 발명의 일실시예에 따른 카오스 오실레이터는 원하는 대역의 신호를 안정적으로 발생시킬 수 있다.
도 5는 도 4의 카오스 오실레이터에서 발생된 카오스 신호 스펙트럼 파형으로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 전력 레벨은 최대 -30dBm에서 최소 -80dBm로써 50dB의 차이를 나타내며, 대역폭은 2GHz이다. 이러한 카오스 오실레이터에 의한 대역폭은 미국의 FCC(Federal Communications Commission) 규격에 부합한다.
다시 도 3으로 돌아와서, 증폭기(302)는 카오스 오실레이터(301)로부터 출력된 카오스 신호의 전력을 증폭한다. 변조기(303)는 베이스밴드 처리부(203)로부터 생성된 데이터 시퀀스에 따라 증폭기(302)에서 증폭된 카오스 신호를 변조한다. 종래의 On/Off Keying(온/오프 변조) 방식의 문제점은 OFF 구간에서 신호 레벨이 존재하지 않으므로 연속적인 0 데이터의 수신시 각 비트의 시작점을 포착하기가 어렵다는 것이다. 따라서 베이스밴드 처리부(203)는 데이터 1 또는 0에 부가적인 비트를 삽입한 소정 데이터 시퀀스를 생성하고, 변조기(303)는 베이스밴드 처리부(203)에서 생성된 데이터 시퀀스에 따라 카오스 신호를 변조함으로써 검출 성능을 높일 수 있다. 본 명세서에서는 일례로서, 데이터 1은 1010으로 , 데이터 0은 1000으로 코딩한 데이터 시퀀스를 생성하여 카오스 신호를 변조한다. 변조기(303)에 의해 변조된 카오스 신호는 무선부(205)를 통해 무선 전송된다.
카오스 검출/변환부(202)는 저잡음 증폭기(307), 대역 통과 필터(308), 검출기(309), ADC(310) 및 비교기(311)를 포함한다. 저잡음 증폭기(307)는 무선부(205) 로부터 수신된 무선 신호를 잡음(noise) 성분을 더하지 않고 증폭한다. 대역 통과 필터(308)는 저잡음 증폭기(307)로부터 출력된 증폭된 신호의 대역을 소정 대역으로 제한한다. 본 명세서에서는 일례로서 3~5GHz의 대역으로 제한한다.
검출기(309)는 대역 통과 필터(308)로부터 출력된 전력 신호를 전압 신호로 검출한다. 도 6은 상기 검출기(309)의 출력인 아날로그 전압 신호의 파형으로, 도 6에 도시된 바와 같이 검출된 아날로그 전압 신호는 High Level 또는 Low Level의 신호로 나타내어진다. 앞서 설명된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따라, 베이스밴드 처리부(203)는 데이터 1 또는 0에 부가적인 비트를 삽입한 소정 데이터 시퀀스를 생성하고, 변조기(303)는 베이스밴드 처리부(203)에서 생성된 데이터 시퀀스에 따라 카오스 신호를 변조함으로써 검출 성능을 높일 수 있다. 즉, 변조기(303)에서 출력된 카오스 신호가 상대방 단말에서 되돌아오면 검출기(309)는 상기 되돌아온 신호의 전력 레벨을 아날로그 전압 레벨로 변환함으로써 ADC(310)에서 출력된 디지털 신호 1이 베이스밴드 처리부(203)에서 이진 신호 '1'과 '0'으로 정확히 구분되도록 한다.
다시 도 3으로 돌아와서, ADC(310)는 검출기(309)로부터 출력된 아날로그 전압 신호를 샘플링하여 소정 레벨의 디지털 신호(이하, 디지털 신호1)를 출력한다. 이때, ADC(310)로부터 출력된 디지털 신호1은 베이스밴드 처리부(203)에서 소정 임계값에 따라 '0' 또는 '1'의 이진 신호로 변환되어 거리 측정부(204)로 입력됨으로써 거리 측정에 이용된다.
한편, 도 3의 ADC(310)에서 출력된 디지털 신호1 만을 이용하여 거리 측정을 한다면 샘플 간격의 오차 때문에 정확한 거리 측정을 하기 어렵고 샘플 간격의 오차를 최소화하는 고속 ADC의 사용에는 한계가 있다. 따라서, 본 발명에서는 거리 측정을 위해 ADC(310)와 함께 비교기(311)를 이용한다. 비교기(311)는 검출기(309)로부터 출력된 아날로그 형태의 전압 신호를 상기 소정 임계값과 비교하여 ON/OFF 디지털 신호(이하, 디지털 신호2)를 출력한다. 예를 들어 디지털 신호2는 검출기(309)로부터 출력된 전압 신호가 소정 임계값 이상이면 ON을 나타내는 "1"로 출력되고 소정 임계값 미만이면 OFF를 나타내는 디지털 신호 "0"으로 출력된다.
거리 측정부(204)는 ADC(310)로부터 출력된 디지털 신호1 및 비교기(311)로부터 출력된 디지털 신호2를 이용하여 거리 측정 연산을 수행한다. 좀더 상세하게는, 거리 측정을 위해서는 패킷의 왕복 시간이 정확히 측정되어야 하고 패킷 왕복 시간 측정을 위해서는 패킷이 도달하는 시점이 정확히 측정되어야 한다. 상기 패킷이 도달하는 시점은 패킷 헤더의 첫 데이터가 도달하는 시점인 리딩 엣지가 기준이다. 정확한 리딩 엣지를 측정하기 위해서는 ADC(310)로부터 출력된 디지털 신호1로부터 초기 리딩 엣지를 결정하고, 상기 초기 리딩 엣지에 기초하여 비교기(311)로부터 출력된 디지털 신호 2를 이용하여 서브 샘플링을 수행함으로써 최종 리딩 엣지를 결정한다. (도 8, 도 9 및 도 10 참조)
무선부(205)는 스위치(304), 대역 통과 필터(305) 및 안테나(306)를 포함한다. 스위치(304)는 송/수신 모드에 따라 송/수신 경로를 선택한다. 대역 통과 필터(305)는 송신 모드에서 카오스 생성/변조부(201)로부터 출력되고 스위치(304)를 통과한 신호 또는 수신 모드에서 안테나(306)를 통해 수신된 신호를 원하는 대역으 로 제한한다. 본 명세서의 일례로서 대역 통과 필터(305)는 신호의 대역을 3~5GHz로 제한한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 방법의 흐름도이다.
우선, 거리 측정 장치(200)의 카오스 생성/변조부(201) 및 무선부(205)는 카오스 신호를 무선 송신한다(s701).
상기 카오스 신호는 상대방 단말에서 소정 시간 동안 처리된 후 거리 측정 장치(200)로 되돌아온다(s702).
거리 측정 장치(200)가 수신한 카오스 신호는 무선부(205), 저잡음 증폭기(307), 대역 통과 필터(308) 및 검출기(309)를 거쳐 전압 신호로 변환되고, 검출기(309)로부터 출력된 전압 신호는 ADC(310) 및 비교기(311)로 입력되어 디지털 신호1 및 디지털 신호2로 출력된다(s703). 즉, 검출기(309)로부터 출력되는 전압 신호는 ADC(310)에 의해 디지털 신호 1로 출력되고 베이스밴드 처리부(203)에 의해 소정 임계값에 따라 '0' 또는 '1'의 이진 신호로 변환되어 거리 측정부(204)로 입력된다. 한편, 검출기(309)로부터 출력되는 전압 신호는 비교기(311)에 의해 디지털 신호 2로 출력되어 거리 측정부(204)로 입력된다.
다음으로 거리 측정부(204)는 상기 디지털 신호1이 변환된 이진 신호 및 디지털 신호2를 이용하여 정확한 리딩 엣지를 결정한다(s704).(도 8, 도 9 및 도 10 참조)
다음으로 거리 측정부(204)는 상기 리딩 엣지에 따른 패킷 왕복 시간을 측정하여 상기 [수학식1]을 이용한 거리 측정 연산을 수행한다(s705).
도 8은 도 7의 리딩 엣지 결정 과정의 상세 흐름도이다.
우선, ADC(310)로부터 출력된 디지털 신호1이 베이스밴드 처리부(203)에서 변환된 이진 신호를 이용하여 초기 리딩 엣지를 추정한다(s801). 즉, 베이스밴드 처리부(203)에서 이진 신호로 변환된 디지털 신호1을 이용하여 초기 리딩 엣지를 추정한다. 상기 초기 리딩 엣지 추정 단계(s801)는 도 9를 이용하여 설명한다. 도 9는 검출기에서 출력된 아날로그 전압 신호의 파형을 나타내는 도면으로, 도 9에 도시된 바와 같이, Ts 샘플 간격(N-2,N-1,...,N+3)으로 샘플링된 데이터들은 ADC(310)로부터 출력된 소정 레벨의 디지털 신호1이다. 베이스밴드 처리부(203)는 상기 소정 레벨의 디지털 신호1을 소정 임계값과 비교하여 '0'또는 '1'의 이진 신호를 출력한다. 즉, N 내지 N+3에서 샘플링된 데이터들은 임계값 이상이므로 베이스밴드 처리부(203)에서 '1'로 출력되지만, N-1 및 N-2에서 샘플링된 데이터들은 베이스밴드 처리부(203)에서 '0'으로 출력된다. 이렇게 변환된 이진 신호는 거리 측정부(204)로 입력된다. 거리 측정부(204)는 상기 샘플 데이터 중 최초로 '1' 신호를 가지는 샘플 데이터의 시점(N)을 리딩 엣지로 선택함으로써 초기 리딩 엣지를 추정한다.
다시 도 8로 돌아와, 비교기(311)로부터 출력된 디지털 신호2를 이용하여, 상기 N 시점의 샘플 데이터와 N-1 시점의 샘플 데이터 사이에서 서브 샘플링을 수행하고(s802), 상기 서브 샘플링 단계(s802)에서 출력된 서브 샘플링된 데이터들을 이용하여 최종 리딩 엣지를 결정한다(s803). 상기 서브 샘플링 단계(s802) 및 최종 리딩 엣지 결정 단계(s803)는 도 10을 이용하여 설명한다. 도 10은 도 9의 신호 파형 중 N-1에서 N 사이에 해당하는 파형을 상세하게 나타낸 도면으로, 도 10에 도시된 바와 같이, N 시점의 샘플 데이터와 N-1 시점의 샘플 데이터 사이에서 소정 간격의 서브 샘플링을 수행하여 서브 샘플링된 데이터 중 최초로 소정 임계값 이상인 서브 샘플링 시점을 최종 리딩 엣지로 결정한다. 본 명세서에서는 일례로서 샘플 간격 Td로 세개의 d1,d2,d3 샘플 시점의 신호를 서브 샘플링한다. 거리 측정 기능이 요구될 때 상기와 같은 서브 샘플링을 수행함으로써 특히 WPAN 등의 저속 데이터 통신에 있어서 거리 측정의 정밀도를 높이면서도 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
서브 샘플링 방식의 일예는, 초기 리딩 엣지 검출을 위한 샘플 간격이 Ts 일 때 Ts/Td배(Td<Ts)의 샘플을 취하는 효과를 가지도록, ADC(310)에 입력되는 디지털 클럭에 대해서 지연 라인(delay line)을 연결하여 Td, 2Td, 3Td 만큼 시간 지연이 발생하도록 만들고, 이 값에 대해 비교기(311)의 출력 신호와 논리적으로 AND를 취함으로써 d1, d2, d3 서브 샘플 시점의 신호를 얻을 수 있다. 상기 서브 샘플링 결과 d3에서 샘플 데이터가 '1'의 신호를 가지므로 최종 리딩 엣지로 결정된다.
거리 측정부(204)는 상기 s801 내지 s803 단계에 의해 최종 리딩 엣지를 좀더 정확히 결정함으로써 상기 패킷 왕복 시간(T)을 좀더 정확히 측정하여 장치 간 거리 측정 연산을 수행할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 종래의 카오스 초광대역 무선 통신 시스템에서의 카오스 오실레이터를 개선하여 카오스 신호의 대역을 좀더 쉽게 조절하게 하고, 종래의 On/Off Keying(온/오프 변조) 방식을 개선하여 상기 카오스 신호의 검출 성능을 높이며, 나아가 종래에 카오스 초광대역 무선 통신 기술에서 존재하지 않던 거리 측정 기능을 도입함으로써 통신 및 거리 측정이 가능하다.

Claims (8)

  1. 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치에 있어서,
    카오스 초광대역 신호를 생성/변조하기 위한 카오스 생성/변조수단;
    무선신호를 송수신하기 위한 무선수단;
    상기 무선수단으로부터의 무선신호를 전압신호로 검출하기 위한 검출수단;
    상기 검출수단에서 검출한 아날로그 전압신호를 샘플링하여 소정 레벨의 제 1 디지털 신호(디지털 신호 1)로 변환하기 위한 변환수단;
    상기 변환수단에서 변환된 제 1 디지털 신호를 이진 신호로 변환하기 위한 베이스밴드 처리수단;
    상기 검출수단에서 검출한 아날로그 전압신호의 레벨을 소정의 임계값과 비교하여 제 2 디지털 신호(디지털 신호 2)를 출력하기 위한 비교수단; 및
    상기 베이스밴드 처리수단으로부터의 이진 신호와 상기 비교수단으로부터의 제 2 디지털 신호를 이용하여 패킷 헤더의 첫 데이터의 도달 시점인 리딩 엣지를 산출하고, 상기 리딩 엣지를 이용하여 거리 측정 연산을 수행하는 거리 측정수단
    을 포함하는 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카오스 생성/변조수단은,
    양전압과 음전압을 입력받아 증폭하기 위한 제 1 및 제 2 차동 증폭기; 및
    상기 제 1 및 제 2 차동 증폭기의 출력 신호를 필터링하기 위한 대역 통과 필터를 구비한 카오스 오실레이터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 카오스 오실레이터는,
    중심 주파수가 4GHz이고 대역폭이 3~5GHz인 카오스 초광대역 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 카오스 생성/변조수단은,
    데이터 1 또는 0에 부가적인 비트가 삽입된 형식으로 코딩된 소정 데이터 시퀀스에 따라 상기 카오스 초광대역 신호를 변조하는 것을 특징으로 하는 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 데이터 코드 시퀀스는,
    데이터 1에 대하여는 1010 시퀀스로 코딩되고, 데이터 0에 대하여는 1000 시퀀스로 코딩되는 것을 특징으로 하는 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리 측정수단은,
    상기 베이스밴드 처리수단이 제 1 디지털 신호를 '0' 또는 '1'의 이진 신호로 변환할 때, 최초로 '1'의 값을 가지는 샘플 데이터의 시점을 초기 리딩 엣지로 추정하고, 상기 추정한 초기 리딩 엣지에서의 샘플과 그 직전 샘플 사이에서, 상기 비교수단으로부터의 제 2 디지털 신호를 이용하여 소정 간격의 서브 샘플링을 수행하며, 상기 서브 샘플링된 데이터를 이용하여 최종 리딩 엣지를 결정하는 것을 특징으로 하는 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 장치.
  7. 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 방법에 있어서,
    무선신호로부터 검출한 아날로그 전압신호를 샘플링하여 소정 레벨의 제 1 디지털 신호(디지털 신호 1)로 변환하는 단계;
    상기 변환한 제 1 디지털 신호를 이진 신호로 변환하는 단계;
    상기 검출한 아날로그 전압신호의 레벨을 소정의 임계값과 비교하여 제 2 디지털 신호(디지털 신호 2)를 출력하는 단계;
    상기 이진 신호와 상기 제 2 디지털 신호를 이용하여 패킷 헤더의 첫 데이터의 도달 시점인 리딩 엣지를 산출하는 리딩 엣지 산출단계; 및
    상기 산출한 리딩 엣지를 이용하여 거리 측정 연산을 수행하는 단계
    를 포함하는 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 리딩 엣지 산출단계는,
    상기 제 1 디지털 신호를 '0' 또는 '1'의 이진 신호로 변환할 때, 최초로 '1'의 값을 가지는 샘플 데이터의 시점을 초기 리딩 엣지로 추정하는 단계;
    상기 추정한 초기 리딩 엣지에서의 샘플과 그 직전 샘플 사이에서, 상기 비교수단으로부터의 제 2 디지털 신호를 이용하여 소정 간격의 서브 샘플링을 수행하는 단계; 및
    상기 서브 샘플링된 데이터를 이용하여 최종 리딩 엣지를 산출하는 단계
    를 포함하는 카오스 초광대역 무선 통신 방식을 이용한 거리 측정 방법.
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