KR100793145B1 - Apparatus and method of transmitting and receiving for human body communication - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 BPSK(binary phase shift keying) 협대역 변조방식을 이용하는 종래의 인체통신용 송신장치를 설명하기 위한 도면;BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a view for explaining a conventional apparatus for transmitting a human body communication using a binary phase shift keying (BPSK) narrowband modulation scheme;
도 2는 반송파 없이 광대역 변조방식을 사용하는 본 발명에 따른 인체통신용 송신장치를 설명하기 위한 도면;2 is a diagram for explaining a transmission apparatus for human body communication according to the present invention using a wideband modulation method without a carrier wave;
도 3은 직접 시퀀스 확산 스펙트럼기술로 변조된 신호의 전력밀도를 설명하기 위한 그래프;3 is a graph for explaining the power density of a signal modulated by the direct sequence spread spectrum technique;
도 4는 맨체스터 코딩기법을 설명하기 위한 도면;4 is a diagram for explaining a Manchester coding technique;
도 5는 맨체스터 코딩된 신호의 전력밀도를 설명하기 위한 그래프;5 is a graph for explaining the power density of a Manchester coded signal;
도 6은 본 발명에 따른 인체통신용 수신장치를 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining a receiver for human body communication according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 참조번호의 설명><Description of reference numbers for the main parts of the drawings>
10, 110: 소스 인코더 20: 채널 인코더 10, 110: source encoder 20: channel encoder
30, 220: 저주파수 통과 필터 40: 주파수 혼합기30, 220: low pass filter 40: frequency mixer
50, 150, 220: 앰프 60, 160: 송신전극 50, 150, 220:
70, 170: 인체 121: 비트반복장치70, 170: human body 121: beat repeater
131, 270: 의사랜덤코드 논리 곱셈기131, 270: pseudorandom code logic multiplier
135: 의사랜덤코드 141: 맨체스터 인코더135: Pseudorandom code 141: Manchester encoder
210: 수신전극 230: 맨체스터 주형 곱셈기210: receiving electrode 230: Manchester template multiplier
250: 비교기 280: 비트 통합기250: comparator 280: bit integrator
290: 소스 디코더290: source decoder
본 발명은 인체통신용 송수신 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 반송파를 사용하지 않는 광대역 변조 방식을 사용하는 인체통신용 송수신 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a transmission and reception apparatus and method for a human body communication, and more particularly, to a transmission and reception apparatus and method for a human body communication using a broadband modulation method without using a carrier wave.
인체를 매질로 하는 데이터 전송 방식은 브루투스나 지그비와 같이 RF 기술에 의존한 인체 영역 전송 방식에 비해 가격 및 전력소모 면에서 많은 이점을 가지고 있다. 이에 따라, 최근에는 신호 전달 매체로서의 인체의 특성에 대한 연구가 활발히 진행되었으며 그 결과를 기반으로 한 인체 통신용 송수신기가 개발되고 있다. The data transmission method using the human body has many advantages in terms of cost and power consumption compared to the human area transmission method based on RF technology such as Brutus and Zigbee. Accordingly, in recent years, studies on the characteristics of the human body as a signal transmission medium have been actively conducted, and a human body communication transceiver has been developed based on the results.
연구 결과에 따르면, 인체는 5MHz - 30MHz를 통과대역으로 가지는 밴드 패스 필터이며, 10MHz 근처에서 신호의 전송 특성이 최대가 된다. 종래의 인체 통신용 송수신기는 인체에 의한 신호의 감쇄를 최소로 하고 통신 성능을 극대화하기 위해, 보내고자 하는 디지털 신호를 10MHz 반송파에 실어 보내는 협대역 변조방식을 채택하고 있다. According to the research results, the human body is a band pass filter having a pass band of 5 MHz to 30 MHz, and the signal transmission characteristic is maximized around 10 MHz. In order to minimize attenuation of a signal by a human body and maximize communication performance, a conventional human communication transceiver adopts a narrowband modulation method that carries a digital signal to be sent on a 10 MHz carrier.
도 1은 BPSK(binary phase shift keying) 협대역 변조방식을 이용하는 종래의 인체통신용 송신장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 음성이나 영상 등 보내고자 하는 원본신호는 소스 인코더(10)를 거쳐 디지털 신호로 변환되고, 이렇게 변환된 디지털 신호는 채널 인코더(20)를 거쳐 외부 노이즈에 둔감하고 에러 감지 및 정정이 가능한 신호로 다시 변환된다. 1 is a diagram illustrating a conventional apparatus for transmitting human body communication using a binary phase shift keying (BPSK) narrowband modulation scheme. Referring to FIG. 1, an original signal to be sent such as an audio or a video is converted into a digital signal through a
채널 인코더(20)를 거쳐 디지털 영역에서의 처리가 끝난 신호는 저주파수 통과 필터(30)를 거쳐 기저대역 아날로그 신호로 되고 상기 기저대역 아날로그 신호는 주파수 혼합기(40)에서 10MHz 반송파(45)에 실려 주파수 대역이 인체(70)의 통과 대역으로 옮겨가게 된다. 인체(70)의 통과 주파수 대역으로 옮겨진 아날로그 신호는 출력앰프(50)와 송신전극(60)을 거쳐 인체(70)로 송출된다. 인체(70)로 송출된 신호는 인체(70)를 거쳐 수신장치(미도시)에서 도달하게 되고 상기 수신장치에 도달된 신호는 종래의 복조 방식을 이용해 원 신호로 복원된다. The processed signal in the digital domain through the
상술한 바와 같이 종래의 인체통신용 송신장치는 기저대역 신호를 인체의 최적 통과대역인 10MHz 근처로 주파수를 이동시키기 위해서 협대역 변조방식을 사용한다. 그러나 이러한 협대역 전송방식은 집적화되기 어려운 필터(30)가 외부소자로 사용되어야 하며, 반송파(45)의 주파수가 10MHz로 고정되어 있으므로 데이터 전송율도 제한되는 단점이 있다. As described above, the conventional apparatus for transmitting human body communication uses a narrowband modulation scheme to move a baseband signal to a frequency near 10 MHz, which is an optimal passband of the human body. However, this narrowband transmission method has a disadvantage that the
뿐만 아니라, 인체(70)는 신호 전송 매질로만 작용하는 것이 아니라 인체 외부로 신호를 송출하는 안테나로서의 역할도 하기 때문에, 10MHz 대역에서 동작하는 무선 장비에 간섭신호를 제공할 수도 있다. 특히, 협대역 신호 전송 방식은 전력 밀도가 상당히 높기 때문에 간섭 신호의 크기도 급격히 증가해서 주변 무선 장비를 오동작 시킬 가능성이 높다.In addition, since the
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 반송파를 사용하지 않고 단지 코딩기법만으로 기저대역의 신호를 인체통과대역으로 옮김으로써 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 인체통신용 송수신 장치 및 방법을 제공하는 데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a transmission and reception apparatus and method for human communication that can solve the above-mentioned problems by moving a baseband signal to a human passing band using only a coding technique without using a carrier wave. .
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 인체통신용 송수신장치에 있어서: 상기 송신장치는, 아날로그 원본신호를 디지털 신호로 변환시키는 소스 인코더; 상기 소스 인코더에서 출력되는 디지털 신호의 비트를 N배로 반복시키는 비트 반복장치; 상기 비트 반복장치에서 출력되는 디지털 신호에 의사 랜덤 코드를 논리 곱셈시키는 의사랜덤코드 논리 곱셈기; 상기 의사랜덤코드 논리 곱셈기에서 출력되는 디지털 신호를 맨체스터 코딩시키는 맨체스터 인코더; 및 상기 맨체스터 인코더에서 출력되는 맨체스터 코드를 인체로 송출하는 송신전극; 을 구비하며,
상기 수신장치는, 상기 송신전극에서 송출되어 인체를 거쳐 들어오는 맨체스터 코드를 입력받는 수신전극; 상기 수신전극에서 입력받은 맨체스터 코드에 1과 -1이 주기적으로 반복되는 맨체스터 코드 주형을 곱하는 맨체스터 주형 곱셈기; 상기 맨체스터 주형 곱셈기에서 출력되는 맨체스터 코드가 0보다 크면 비트 1을 출력하고 0보다 작으면 비트 0을 출력하는 비교기; 상기 비교기에서 출력되는 비트 신호에 상기 송신장치의 의사랜덤코드 논리 곱셈기에서 곱해진 의사 랜덤 코드와 동일한 의사 랜덤 코드를 논리 곱셈시키는 의사랜덤코드 논리 곱셈기; 상기 의사랜덤코드 논리 곱셈기에서 출력되는 비트 신호를 상기 송신장치의 비트 반복장치에 의한 반복 배수 N의 역수인 1/N 배로 통합시키는 비트 통합기; 및 상기 맨체스터 주형 곱셈기와 비교기 사이에 설치되는 저주파수 통과필터;를 구비하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a transceiver for human body communication, comprising: a source encoder for converting an analog original signal into a digital signal; A bit repeater for repeating N times the bits of the digital signal output from the source encoder; A pseudo random code logical multiplier for logically multiplying a pseudo random code with the digital signal output from the bit repeater; A Manchester encoder for Manchester coding the digital signal output from the pseudorandom code logic multiplier; And a transmitting electrode configured to transmit a Manchester code outputted from the Manchester encoder to a human body. Equipped with
The receiving device may include: a receiving electrode receiving a Manchester code transmitted from the transmitting electrode and passing through a human body; A Manchester template multiplier multiplying the Manchester code input from the receiving electrode with a Manchester code template in which 1 and -1 are periodically repeated; A comparator for outputting
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상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 인체통신용 송수신방법에 있어서: 상기 송신방법은, 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 단계; 상기 디지털 신호를 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 기술로 변조하는 단계; 상기 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 기술로 변조된 디지털 신호를 맨체스터 코딩하여 맨체스터 코드로 만드는 단계; 및 상기 맨체스터 코드를 인체로 송출하는 단계;를 포함하며,
상기 수신방법은, 상기 인체를 통해 입력되는 상기 맨체스터 코드를 증폭하는 단계; 및 상기 맨체스터 코드를 상기 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 기술을 이용하여 상기 디지털 신호로 복원하여 정보를 알아내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the transmission and reception method for human body communication according to the present invention for achieving the above technical problem: The transmission method, the step of converting an analog signal into a digital signal; Modulating the digital signal with direct sequence spread spectrum technology; Manchester coding the digital signal modulated by the direct sequence spread spectrum technique into a Manchester code; And transmitting the Manchester code to a human body.
The receiving method includes amplifying the Manchester code input through the human body; And reconstructing the Manchester code into the digital signal using the direct sequence spread spectrum technique to find information.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The following examples are only presented to understand the content of the present invention, and those skilled in the art will be capable of many modifications within the technical spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited to these examples.
[송신장치][Transmitter]
도 2는 반송파 없이 광대역 변조방식을 사용하는 본 발명에 따른 인체통신용 송신장치를 설명하기 위한 도면이다. 2 is a view for explaining a transmission apparatus for a human body according to the present invention using a wideband modulation method without a carrier wave.
음성이나 영상 등 보내고자 하는 원본신호는 소스 인코더(110)를 거쳐 디지털 신호(110a)로 변환된다. 비트 반복장치(121)는 1개의 비트신호를 입력받아 N개의 비트신호로 출력한다. 예를 들어 1, 0, 1, 1 인 디지털 신호(110a)가 N = 3인 비트 반복장치(121)를 통과하고 나면 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1 인 디지털 신호(121a)로 변환되어 12개의 비트들이 출력된다. 이 때 1개의 비트가 비트 반복장치(121)에 입력되는 시간과 3개의 비트가 비트 반복장치(121)에서 출력되는 시간은 동일해야 하므로 데이터의 전송속도를 3배로 증가시켜야 한다. The original signal to be sent, such as audio or video, is converted into a
비트 반복장치(121)를 통과하고 난 디지털 신호(121a)는 의사랜덤코드 논리 곱셈기(131)에서 의사랜덤 코드(pseudo random code, 135)와 논리곱셈(XOR 연산)되어 불규칙한 비트패턴(131a)이 된다. 이 때 사용된 의사랜덤 코드(135)는 통신을 하는 집단간에만 공유되므로 암호화의 기능을 가진다. The
도 3은 의사랜덤코드 논리곱셈기(131)를 거친 불규칙한 비트패턴(131a)과 소 스 인코더(110)를 거친 원래의 디지털 신호(110a)의 전력밀도를 비교한 것이다. 도 3을 참조하면, 불규칙한 비트 패턴(131a)의 신호대역이 원래의 디지털 신호(110a)보다 A배 만큼 넓어지고 전력밀도가 1/A배 만큼 감소한 것을 알 수 있다. 그러나, 여전히 저주파 대역에 신호의 전력성분이 상당부분 포함되어 있음도 알 수 있다. 3 compares the power density of the
이렇게 원래의 디지털 신호(110a)를 비트 반복장치(121)와 의사랜덤코드 논리 곱셈기(131)를 이용하여 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) 기술로 변조를 하면, 신호대역이 넓어지기는 하나 저주파 대역에도 전력성분이 상당히 포함되는 단점이 있다. 이러한 저주파 대역의 성분들은 인체를 통과할 때 감쇄가 심하게 일어나므로 이를 피하기 위해서 의사랜덤코드 논리 곱셈기(131)에서 출력되는 불규칙한 비트 패턴(131a)을 맨체스터 인코더(141)를 사용하여 맨체스터 코딩시킨다. 그러면 참조번호 141a와 같은 맨체스터 코드가 얻어진다. When the original
도 4는 맨체스터 코딩기법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 맨체스터 코딩기법은 비트 1을 표현하고자 할 때에는 비트 중간을 1에서 -1로 극성을 변화시키고, 비트 0을 표현하고자 할 때에는 비트 중간을 -1에서 1로 극성을 변화시킨다. 따라서 비트 0과 1의 경우 모두 신호구간동안 1과 -1의 간격이 동일하므로 직류성분들은 제거되고 교류성분만이 남게 된다. 4 is a diagram for explaining a Manchester coding technique. As shown in Fig. 4, the Manchester coding technique changes the polarity of the bit middle from 1 to -1 when representing
도 5는 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS) 기술로 변조한 후의 불규칙한 비트패턴(131a)과 맨체스터 인코더(141)를 거친 맨체스터 코드(141a)의 전력밀도를 비교한 것이다. 맨체스터 코딩을 거친 후에 인체의 통과대역인 5MHz~30MHz의 범위에 서 신호의 전력밀도가 감소되어 효율적으로 분포됨을 알 수 있다. 5 compares the power density of the
맨체스터 인코더(141)를 거친 맨체스터 코드(141a)는 출력앰프(150)에 의해 증폭된 후 송신전극(160)을 통해 인체(170)로 송출된다. The
[수신장치][Receiving device]
도 6은 본 발명에 따른 인체통신용 수신장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참조하면, 송신전극(160)에서 송출되어 인체(170)를 거쳐 들어오는 맨체스터 코드(141a)는 수신전극(210)에 입력된 후 앰프(220)를 통해 증폭된다. 증폭된 맨체스터 코드(220a)는 맨체스터 주형 곱셈기(230)에서 1과 -1이 주기적으로 반복되는 맨체스터 코드 주형(235)과 곱해진다. 만약 맨체스터 주형 곱셈기(230)에 비트 1이 수신되었다면 곱한 값은 양의 값을 가지게 되고, 비트 0이 수신되었다면 곱한 값은 음수가 된다. 6 is a view for explaining a receiver for human body communication according to the present invention. Referring to FIG. 6, the
비교기(250)는 맨체스터 주형 곱셈기(230)에서 출력되는 맨체스터 코드(230a)가 0보다 크면 비트 1을 출력하고 0보다 작으면 비트 0을 출력한다. 맨체스터 주형 곱셈기(230)와 비교기(250) 사이에는 저주파수 통과필터(220)가 설치되는데, 이는 외부에서 아무런 신호가 들어오지 않을 때, 맨체스터 코드가 입력된 노이즈와 곱해져서 생길 수 있는 고주파수 성분을 제거하기 위한 것이다.The
의사랜덤코드 논리 곱셈기(270)는 비교기(250)에서 나오는 비트신호(250a)에 상기 송신장치의 의사랜덤코드 논리 곱셈기(131)에서 곱해진 의사 랜덤 코드(135)와 동일한 의사 랜덤 코드(135)를 논리 곱셈시킨다. The pseudorandom code
논리곱셈의 특성상 입력에 동일한 값이 두 번 곱해지면 원신호와 똑같은 값이 출력되므로, 송신장치에서와 똑같은 의사랜덤코드를 곱해주면 상기 송신장치의 비트반복장치(121)를 통과한 직후의 디지털 신호(121a)가 그대로 복원된다. 이 과정에서 넓게 분포되었던 신호의 주파수 대역이 좁은 영역으로 다시 모아지므로 전력밀도는 증가하고 넓은 대역에서 들어온 노이즈는 평균화되어 그 영향이 줄어든다. Due to the nature of logical multiplication, if the same value is multiplied twice by the input, the same value as the original signal is output. When multiplying the same pseudorandom code as in the transmitter, the digital signal immediately after passing through the
의사랜덤코드 논리 곱셈기(270)를 통과한 디지털 신호(121a)는 다시 비트 통합기(280)에 의해 상기 송신장치의 비트 반복장치(121)에 의한 반복 배수 N=3의 역수인 1/3 배로 통합되어 원래의 디지털 신호(110a)로 복원된다. 이렇게 복원된 디지털 신호(110a)는 소스 디코더(190)를 통해 수신자에게 음성이나 영상 등으로 제공된다. The
직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS)은 보내고자 하는 데이터 1비트를 여러개의 비트들의 집합으로 표현하고, 전송속도를 증가시켜 데이터를 보내는 시간은 일정하게 유지시킴으로써 주파수 영역에서의 신호대역을 넓히는 역할을 한다. 보내는 신호의 총전력을 일정하게 유지한 채 신호대역을 증가시키면 결국 전력밀도(W/Hz)는 대역의 증가분에 비례해 감소하므로 전송된 신호가 인체를 안테나로 사용해 외부로 송출되더라도 다른 무선장비에 미치는 영향은 그만큼 줄어들게 된다. 반대로 외부의 무선신호가 인체를 통해 수신기에 들어오는 경우에도 넓은 대역을 사용하는 수신기는 그 만큼 대역 내 간섭신호에 대해 안정화될 수 있다. 또한 한개의 비트를 여러개의 비트들로 표현하는 과정에서 암호화 코드(의사랜덤코드)를 적용할 수 잇 다는 장점이 있다. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) represents one bit of data to be sent as a set of bits, and increases the transmission speed to maintain a constant data transmission time, thereby widening the signal band in the frequency domain. Increasing the signal band while keeping the total power of the sending signal constant, the power density (W / Hz) eventually decreases in proportion to the increase of the band, so even if the transmitted signal is transmitted to the outside using the human body as an antenna, The impact is lessened. On the contrary, even when an external radio signal enters the receiver through the human body, a receiver using a wide band can be stabilized with respect to the in-band interference signal. In addition, the encryption code (pseudo random code) can be applied in the process of representing one bit into multiple bits.
그러나, 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS) 만을 적용한 채 그대로 신호를 인체에 전송하면 전송된 신호에는 저주파수 성분이 상당히 포함되어 있으므로 대역통과필터 특성을 가지는 인체를 통하면서 많은 전력 손실을 가져오게 된다. 따라서 신호의 저주파 성분을 없애고 인체의 통과대역으로 전력을 모으기 위해서 맨체스터 코딩방식을 사용한다. 맨체스터 코딩방식을 적용하면 저주파수 대역에 전력밀도를 가지지 않으면서 넓은 신호대역을 차지해 전체적으로 전력밀도가 낮은 신호를 얻을 수 있다. 따라서 맨체스터 코딩방식을 적용함으로써 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS)을 통해 얻은 저전력밀도의 장점을 한층 더 강화시킬 수 있다. However, if the signal is transmitted to the human body with only the direct sequence spread spectrum (DSSS) applied, the transmitted signal contains a lot of low-frequency components, resulting in a lot of power loss through the human body having a bandpass filter characteristic. Therefore, Manchester coding is used to remove low frequency components of the signal and to collect power in the pass band of the human body. By applying the Manchester coding method, it is possible to obtain a signal having low power density as a whole, taking up a wide signal band without having power density in the low frequency band. Therefore, by applying the Manchester coding scheme, the low power density gained through the direct sequence spread spectrum (DSSS) can be further enhanced.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 반송파를 사용하지 않고서도 보내고자 하는 신호의 대역을 넓힐 수 있으므로 전력밀도가 감소하여 주변 무선 장치에 대한 간섭을 최소화할 수 있다. 뿐만 아니라 데이터 전송속도를 높이는 데에 한계가 있는 종래의 협대역 변조방식에 비하여 본 발명은 비트 반복장치의 변수 N을 1로 설정함으로써 최고 20Mbps의 데이터 전송 속도를 쉽게 얻어낼 수 있다. As described above, according to the present invention, since a band of a signal to be transmitted can be widened without using a carrier wave, power density can be reduced, thereby minimizing interference to a neighboring wireless device. In addition, the present invention can easily obtain a data transfer rate of up to 20 Mbps by setting the variable N of the bit repeater to 1 as compared to the conventional narrowband modulation scheme, which has a limitation in increasing the data transfer rate.
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