KR100900593B1 - 주파수 변환을 이용한 정밀 시간 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주파수 변환을 이용한 신호간의 정밀 시간 측정 방법에 관한 것이다. 임의의 신호원으로부터 서로 다른 경로 차로 인해 서로 다른 시간차를 가진 신호들의 시간차를 고정도로 측정하는 방법에 관한 것으로, 각각의 입력신호의 주파수를 채배 하여 고주파수로 변환을 하고, 주파수 합성에 의해 다시 저주파수로 변환을 하여, 신호처리가 용이한 임의의 낮은 주파수로 변환하여, 신호간의 시간을 측정하여 측정의 정도를 획기적으로 향상시킨다.

특히, 저주파수로의 변환에는 합성에 의한 주파수 변환을 사용하며, 합성을 위한 기준 주파수 신호는 동일하거나, 동일한 시간(위상)적인 특성을 가져야 하며, 최소한 측정 구간 내에서는 기준 신호의 각종 시간 정보가 안정되도록 함으로써, 측정결과에 미치는 영향을 최소화하고, 각종 내부 변동요인을 최소화하여 측정 결과의 정도를 향상시키고, 충분히 낮은 주파수로 변환함으로써, 아날로그 디지털변환기의 비용을 절감하며, 나아가 위상 각의 측정 정도를 향상시키는 장점을 갖고 있다. 실시간으로 신호간의 시간 측정을 고정도로 수행하면서도, 구현이 용이하고 비용이 저렴한 측정 방법을 제공함으로, 다양한 산업 현장의 물리량 계측에 본 시간 측정 방법을 응용할 수 있고, 기존에 활용하지 못하던 분야에 까지 확대 적용 할 수 있는 고정도의 시간 측정 방법을 제공한다.

주파수 변환, 위상각, 시간, 측정

Description

주파수 변환을 이용한 정밀 시간 측정 방법{Method for time interval precision measurement using frequency conversion}

도1은 신호를 처리하는 순서를 설명한 도면이며

(S1) : 각각의 파동을 전기적 신호로 변환하여 신호를 처리하는 단계

(S2) : 주파수를 채배, 낮은 주파수로 변환을 하는 주파수 변환단계

(S3) : 변환된 신호를 적정한 대역만큼만 충분히 증폭하는 단계

(S4) : 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계

(S5); 신호들의 위상 성분을 연산하여, 신호들간의 시간을 연산하는 단계

(S6); 연산된 시간들을 표시하거나 전송하는 단계

도2는 본 방법을 적용한 측정 시스템의 구성도의 일례이다.

1 : 파동-전기 변환 및 증폭기 2 : 주파수 변환기

3 : 협 대역 증폭기 4 : 아날로그 디지털 변환기

5 : 연산기 6 : 표시 및 통신기

7 : 기준 신호 발생기 8 : 제어기

본 발명은 신호들간의 시간차를 정밀하게 측정하는 방법에 관한 것으로,

종래의 기술인 위상 각을 이용한 시간 측정 방법(특허 0331507)에서, 입력된 아날로그 신호를 주파수 변환 없이 디지털 신호로 변환하여, 사용함으로 인해 매체 혹은 매질들이 갖는 다양한 주파수 특성과, 이에 적합한 아날로그 디지털 변환기의 구현이 난이 하며, 측정 방법의 사용 범위가 제한되고, 고 정도를 얻기 위해 매우 높은 주파수가 필요하지만, 현실적으로 혹은 비용 적인 측면에서 고주파를 직접 처리하는 것은 매우 어렵고, 또한 주파수를 올리면 파장이 짧아져서 위상이 가지는 시간의 분해능은 좋아지지만, 위상 측정의 분해능은 그만큼 떨어지게 되어 고정도의 시간 측정과 다양한 매체의 주파수에 부응하기가 어려운 문제를 갖고 있다. 이로 인해 종래 기술의 응용 범위는 수십 마이크로초(uSec)동안의 측정 구간으로 나노초(nSec) 수준의 정도는 확보하였으나 더욱 정도가 높은 피코초(pSec)에는 응용이 불가능한 단점을 갖고 있다.

또 다른 종래 기술로써 현재 널리 보급되고 있는 위성을 이용한 위치 측정 시스템(GPS)의 기술에서는, 코드 화된(CDMA) 신호를 수신기에서 코드 해석기술을 이용하여 정밀 시각 혹은 시간을 측정하여 위치를 측정하는 기술이며, 이 역시 고정도의 시간이나 위치를 측정하기 위해서는 측정에 매우 많은 소요 시간이 필요하고, 시스템 사용 범위가 옥외 및 하늘이 보이는 곳에서만 가능하며, 이 역시 나노초(nSec) 범위에서 사용되고 있어 피코초(pSec)의 응용에는 적합하지 못 하다.

그 외 고정도의 신호간의 시간 측정 방법으로 주파수 카운터가 사용하는 방법으로, 이는 정도는 매우 높고 기기 자체의 안정성은 매우 좋으나, 대부분 순시값(문턱전압을 통과하는 시간간격)을 이용하여 측정하고 측정값을 산술 평균을 취하는 방법이므로, 신호에 잡음이 혼입 되거나, 입력신호가 시간적으로 연속적이지 못해, 안정되어있지 않는 신호의 신속한 측정에는, 기기의 안정도에 무관하게 많은 오차를 포함할 수 있어 적합하지 못한 방법이다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 입력된 신호의 평균 위상 각을 이용한 시간 측정 방법(특허 0331507)에서, 입력 신호의 위상 각의 차이를 확대하여 측정하며, 위상각 확대에 소요되는 각종 신호 처리에 포함될 수 있는 오차들을 최소화하여 증폭되는 위상정보에 처리 과정의 오차가 포함되지 않도록 하여, 더욱 다양하고 용이하게 사용할 수 있는 피코초(pSec) 수준의 시간 측정기술을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자세한 설명을, 우선 신호 처리 순서를 설명하는 도1을 이용하여 신호를 처리하는 전체 순서를 설명한다, 동일한 파원으로 부터 전달된 각각의 파동들을, 전기적 신호로 변환하여 증폭 등을 통한 신호를 전 처리 하는 단계(S1); 입력 신호 주파수를 채배 혹은 위상 고정 루프회로(PLL : Phase Locked Loop )를 이용하여 높은 주파수로 변환하고, 높은 주파수를 다시 주파수 합성방법(Frequency Mixer)에 의해 낮은 주파수로 변환하며, 이러한 주파수 변환을 반복 조합하여, 위상 각이 충분히 이격 되도록 하는 주파수 변환 단계(S2); 변환된 주파수 신호들을 임의의 대역으로 충분히 증폭하는 단계(S3); 충분히 증폭된 아날로그 신호들을, 디지털 신호로 변환하여 임시로 저장 해두는 단계(S4); 저장된 각각의 신호들을 퓨리어 변환하여 신호의 위상 성분을 연산하고, 입력된 신호들간의 위상의 앞섬, 뒤짐과 그양을 연산하고, 연산된 위상 값을 신호 주파수의 주기로 환산하여 시간으로 환산해주는 시간 측정 단계(S5); 측정된 신호들간의 시간을 표시하거나, 다른 기기로의 전송을 하는 표시 및 전송 단계(S6);의 순서로 신호들간의 시간차이를 측정한다.

상기 나열된 방법에서, 본 발명의 중점 기술인 주파수 변환 방법에 대해 자세히 설명하면, 본 발명에서 신호의 주파수를 변환하는 방법을 2가지로 구분하여 사용하며, 첫째 신호의 중심 주파수(혹은 명목 주파수)와 신호에 포함된 주파수 변조 성분(혹은 오차 성분)의 비율(변조도 혹은 천이도)이, 중심 주파수의 변환에 무관하게 일정한 비율로 유지되는 주파수 변환 방법이 있고, 둘째 신호의 중심주파수(혹은 명목 주파수)의 변환에 무관하게, 신호에 포함된 주파수 변조 성분(혹은 편이주파수성분)의 절대 값이 일정하게 유지되는 변환 방법이 있다. 본 발명에서는 이를 적절히 이용함으로 신호에 포함된 시간 성분(변조 혹은 천이성분)의 차이를 인위적으로 이 격 시키므로, 측정을 용이하게 하는 방법이며, 자세히 설명하면 다음과 같다.

첫째 중심주파수와 변조(주파수 편이) 성분의 비율이 바뀌지 않는 변환에는 채배, 분주를 통한 주파수 변환이 여기에 속하며, 위상 동기 고정 루프(PLL : Phase Locked Loop )도 내부에 분주에 의한 고주파를 저주파인 기준신호와 동기 시키는 기술이므로 동일하게 동작하며, 이 경우 입력에 인가된 신호의 중심 주파수 와 변조 성분(편이 주파수)의 비율인 변조 도는, 임의의 배율만큼 중심 주파수가 변환되더라도 변화하지 않고 일정하게 유지된다. 변조도 관점의 일례를 들자면, 1메가헤르쯔(MHz)의 중심 주파수에 +/- 1킬로헤르쯔(KHz)의 편이 주파수로 변조된 신호를 100배 채배 하면, 채배된 출력 신호의 중심주파수는 100메가헤르쯔(MHz), 출력 신호의 변조 편이 주파수 성분은 +/- 100킬로헤르쯔(KHz)로 입력과 동일한 비율인 0.1퍼센트(%)를 유지한다. 반대로 주파수를 100배 낮은 주파수로 분주하게 되면, 분주후 출력 신호의 중심주파수는 10킬로헤르쯔(KHz)이고, 이에 포함된 변조 신호의 편이 주파수는 +/- 10헤르쯔(Hz) 가 되어, 이 역시 두 주파수의 비율은 입력과 동일한 0.1퍼센트(%)로 유지가 된다. 주파수 천이(오차) 관점의 또 하나의 예를 들자면, 명목 주파수는 1메가헤르쯔(MHz)이고, 오차가 -0.1퍼센트(%)포함된 999킬로헤르쯔(KHz)신호를100배 채배하면, 명목 중심주파수는 100메가헤르쯔(MHz)이고, 출력 주파수는 99.9메가헤르쯔(MHz)이며, 이는 명목 주파수대비 오차가 입력과 동일한 -0.1퍼센트(%)를 유지함을 알 수 있으며, 반대로 명목주파수를 100배 분주하여 낮은 주파수로 변환하게 되면, 분주 된 출력 신호의 명목 주파수는 10킬로헤르쯔(KHz)이며, 오차가 포함된 신호의 출력 주파수는 9.99킬로헤르쯔(KHz)이며 이에 포함된 오차(천이성분)는 역시 입력과 동일한 0.1퍼센트(%)로 유지 된다. 다시 말하자면 중심 주파수(혹은 명목 주파수)와 변조 성분(혹은 천이성분)의 비율은 바뀌지 는 주파수 변환 방법임을 알고 있다. 이는 중심 주파수가 변환되면 변조 성분의 주파수 편이, 혹은 오차 성분의 절대 값이 동일한 비율로 커지거나 작아 진다는 것을 알 수 있다.

둘째 변조(혹은 천이) 성분의 절대 값이 변하지 않는 주파수 변환 방법에는, 주파수 합성에 의한 주파수 변환이 있다. 이는 두 신호 성분을 합성기(Mixer)를 이용하여 합성을 하면, 주파수와 위상이 두 신호의 합과 차 신호가 얻어지는 원리를 사용한다. 특히 DBM(Double Balanced Mixer)를 이용하여 합성하는 경우에는, 합성 신호에서 입력 신호성분이 제거되고 합의 신호와 차의 신호만이 얻어진다. 이렇게 얻어진 신호는 일반적으로 두개의 입력신호와 반대 방향의 출력 신호를 사용하므로, 신호의 선택(필터)을 용이하게 할 수 있어, 주파수를 내리는 경우 차 신호를 사용하고, 주파수를 올리는 경우 합의 신호를 이용하는 것이 일반적이다. 주파수 합성에 의한 새로운 주파수 생성은, 상기에서 설명한 합. 차의 값에 의해 결정되는 주파수이므로, 이에 포함된 각종 정보들의 절대 값이 배수로 변하지 않고, 인가된 기준신호와의 합. 차에 의해 구성되므로 신호에 포함된 주파수 편이 값의 절대 값은 바뀌지 않는다. 상기의 경우와 동일하게 먼저 변조도 관점의 예를 들자면, 1메가헤르쯔(MHz)의 중심 주파수에 +/- 1킬로헤르쯔(KHz)신호를 변조 한 신호를, 기준 신호 99메가헤르쯔(MHz)와 합성하여 합의 신호를 얻게 되면, 중심주파수는 100메가헤르쯔(MHz)로 이며, 변조 신호의 주파수 편이 성분은 입력신호와 동일한 +/- 1킬로헤르쯔(KHz)이고, 여기서는 변조신호의 편이 성분의 절대 값이 1킬로헤르쯔(KHz)로 동일하게 유지되며, 반대로 990킬로헤르쯔(KHz)의 기준 신호와 입력을 합성하여 그 차 신호를 취하게 되면, 중심주파수는 10킬로헤르쯔(KHz)이며 이에 포함된 변조 신호 주파수 편이 성분은 역시 입력과 동일한 +/- 1킬로헤르쯔(KHz)가 되며, 이 역시 신호에 포함된 변조신호의 주파수 편이 성분의 절대 값은 1킬로헤르쯔(KHz)로 동일하게 유지된다. 다음으로 천이(오차) 관점의 예를 들자면, 명목 주파수는 1메가헤르쯔(MHz)이고 여기에 오차가 -0.1퍼센트(%)포함된 999킬로헤르쯔(KHz)신호를, 99메가헤르쯔(MHz)의 기준 신호와 합성하여 합의 주파수를 선택하면, 명목 주파수는 100메가헤르쯔(MHz)로 변환되며, 출력 주파수는 99.999메가헤르쯔(MHz)이며 포함된 오차(천이)주파수는 입력과 동일한 1킬로헤르쯔(KHz) 이며, 반대로 기준주파수 990킬로헤르쯔(KHz)와 입력을 합성하여 차주파수를 취하게 되면, 명목주파수는 100배 낮은 주파수인 10킬로헤르쯔(KHz)로 변환되며, 출력 주파수는 9킬로헤르쯔(KHz)이며 이에 포함된 오차(천이 성분)는, 역시 입력과 동일한 1킬로헤르쯔(KHz)로 그 절대값이 유지된다. 다시 말하자면 중심 주파수(혹은 명목 주파수)의 변환 비율에 무관하게 변조(혹은 천이)신호의 편이 주파수(절대 값)는 바뀌지 않고 그대로 유지된다. 이는 고주파의 천이 성분을 그대로 저주파로 바꾸어 중심주파수만 변환하고, 이에 포함된 정보의 절대 값을 그대로 이용하여, 측정을 용이하고 저렴하게 할 수 있음을 전제한 설명이다.

상기 설명에는 이해를 돕기 위해 중심주파수에 포함된 주파수 변조 성분, 혹은 명목 주파수에 포함된 오차(천이 주파수)에 대해 설명하였으며, 주파수의 천이는 시간적 미분에 의해 위상의 천이로, 또한 위상의 천이를 시간적으로 적분하면 주파수의 천이로 측정 할 수 있다.

여기서 합성에 인가되는 기준신호는 모든 입력 신호에 상관성이 없어야 하며, 인가되는 기준 신호는 모든 합성기에 동일하거나, 예측 가능한 시간 특성을 가져야 한다. 즉 각각의 입력 신호에 인가되는 기준신호의 시간 정보가 일정하지 않 거나, 미지의 시간 정보가 기준신호에 인가되는 경우, 그 출력신호는 미지의 시간정보가 인가된 기준신호와 입력 신호의 합. 차 신호가 얻어지므로, 출력신호에는 입력신호의 시간 정보외에 신호 처리 회로의 오차가 포함되어, 측정 결과에 오차를 증가하는 요인이 된다. 이에 따라 모든 합성기에 인가되는 기준신호는 신호자체의 시간 정보 혹은, 그 변동 정보를 알 수 있는 신호가 입력되어야 하며, 이를 위해 기준신호는 동일 주파수인 경우 동일한 기준신호를 사용하고, 서로 다른 주파수가 필요한 경우 반드시 한 개의 기준신호에 동기된 임의의 신호를 생성 시켜 사용한다. 합성기에 사용되는 기준신호는 최대한 안정된 신호일 필요가 있으며, 이를 구현하기 위해 기준신호의 전송경로를 동일한 전달 지연 시간특성이 되도록 설계해야 하며, 기타 전달 지연 시간에 영향을 줄 수 있는 요인은, 동일한 조건하에 동일한 지연 시간이 인가되도록 하여, 신호들간의 시간차를 연산할 때 서로 가감되어 보정이 되도록 할 수 있으며, 또한 각종 신호 처리 회로의 신호 전달 시간차를 최소화하기 위한 설계상의 배려도 필요하다, 즉 각각의 합성기, 증폭기, 기준신호 분배 기는 동일한 온도가 유지 될 수 있도록, 충분한 동판을 확보하여 각각의 신호 처리 수단들의 온도차를 최소화 함으로 온도차에 의한 전달 지연시간 차이를 최소화 할 수 있고, 신호의 전달 경로의 길이 또한 최대한 동일하도록 설계할 수 있다.

아날로그 디지털 변환단계의 표본화 시간(Sampling Time) 역시, 모든 신호에 동일한 시각이 적용되어야 하며, 최소한 시각의 선후 및 시간차를 알고서 추후에 보정을 할 수 있게 설계하며, 이 역시 적정한 분배를 통하여 인가함으로써 신호간의 처리 시간차를 최소화한다.

상기와 같이 기본적인 시간 변동을 최소화하더라도, 사용하는 부품의 균일성으로 인한 오차를 최소화하기 위해, 각 신호 처리단계별, 각 신호별, 주위 환경에 따른 처리 시간차 등을, 최소화하기 위해 일정한(기지의) 입력 신호 혹은 정해진 신호원을 입력하고, 매 측정기마다 신호들간의 시간차를 측정하여 보정값으로 사용하며, 매 측정된 값에서 보정값을 가감하여 참값을 사용하므로 기기 간의 오차, 혹은 환경에 의한 오차를 최소화 할 수 있고, 사용자가 필요시에 자동 보정 기능을 사용할 수 있는 방법을 제공함으로, 그 측정 정도를 최상으로 유지 할 수 있다.

도2는 본 발명의 바람직한 사용례를 설명하기 위한 측정 시스템의 구성도 이며, 측정하고자 하는 각종 물리 신호를 전기적인 전기신호로 변환하고, 변환된 전기신호를 증폭하고, 대역 제한을 통해 주파수 변환 부에서 사용하기에 적합한 신호로 전 처리를 해주는 증폭기(1);와 입력된 신호의 주파수 성분을 고 주파수로, 또 저주파수로, 혹은 주파수 변환을 반복하여 변환해주는 주파수 변환기(2); 주파수 변환된 신호를 필요한 대역과 충분한 증폭을 하여 디지털 변화기로 보내주는 증폭기(3); 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해주고, 임시로 자료를 저장해두는 변환기(4); 저장되어 있는 자료를 인출하여 위상 각을 연산하고, 연산된 위상 각으로부터 신호들간의 시간을 연산하고, 각종 보정 정보를 이용하여 연산된 값을 보정하는 연산기(5); 연산된 시간들을 표시하거나 필요로 하는 별도의 사용 기기에게로 전송 해주는 전송기(6); 측정 방법에 적합한 수준의 자체 혹은 외부 기준을 인용하여 내부 기준 주파수를 발생하고, 주파수 변환 및 아날로그 디지털 변환에서 사용되는 각종 기준 신호들을 내부 기준 신호에 동기 시켜 적절한 신호들을 만들어 공 급하는 기준 신호 발생기(7); 각부의 기본 제어 량들을 제어하고, 추후 개선되는 소프트웨어에서 용이하게 각부를 제어할 수 있게 해주는 제어기로 구성되며, 여기서 각부가 동작하는데 필요한 각종 전원을 공급하는 전원 공급 기는 생략하였다.

본 발명의 또 다른 구성 예로, 아날로그 디지털 변환기 뒤에 통신기를 구성하여, 퍼스널 컴퓨터나 노트북을 이용한 구성이 시스템 개발에 적합할 것이며, 범용 컴퓨터를 이용한 사용 용도에 맞는 측정기 개발과 검증이 완료되면, 상기의 구성에서 제어기에 마이콤이나 디지털 신호 처리기(DSP : Digital signal Processor)를 채택하여 연산기와 표시기를 겸하여 구성하면, 외부 컴퓨터의 도움 없이 단독으로 동작하는 신호들간의 시간을 정밀하게 측정하는 측정기로 쉽게 구현할 수 있다.

상술한 바와 같이, 주파수 변환을 이용한 신호간의 정밀 시간 측정방법은, 기존 기술에 비해 획기적인 정확도를 확보함으로써, 전기적 신호들의 시간차(혹은 간격)으로 표현 가능한 다양한 물리량을 정확하고 신속하게 측정할 수 있는 기술을 제공한다. 또한 본 발명에 의한 측정방법은 측정 매체의 다양한 신호 주파수에 제한을 받지 않고, 측정 정도 또한 매우 고 정도이며, 산업사회에 적용되는 대부분의 신호들간의 시간차(혹은 간격)측정의 응용범위에 용이하게 적용 할 수 있다. 일례를 든다면, 현재 알려진 가장 고속의 매체인 전자파를 이용하여 전자파원의 위치 측정에 활용한다면, 전파원의 위치를 실시간(수mSec)으로 mm이하의 위치 정도로 측정 할 수 있으며, 이는 종래 기술과 비교하면 매우 경이적인 효과라 할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기 술 분야의 숙련된 당업자는, 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 신호들간의 정확한 시간 간격을 측정하는 방법에 있어서, 다양한 신호를 전기 신호로 변환하여 전 처리하는 단계(S1); 입력 신호들의 주파수를 변환하는 단계(S2); 주파수 변환된 신호들을 증폭하는 단계(S3); 아날로그 신호들을 디지털 신호로 변환 저장하는 단계(S4); 저장된 신호들을 연산하여 신호간의 시간을 연산하는 단계(S5); 측정된 신호간의 시간들을 표시하거나 다른 기기로의 전송을 하는 표시 및 전송 단계(S6);를 특징으로 하는 주파수 변환을 이용한 신호들간의 정밀 시간측정 방법.
2. 제1항의 주파수 변환단계(S2)에 있어서, 고주파수로 변환할 때는 채배 혹은 위상동기 고정 루프(PLL)에 의한 절대 편이 값을 키우고, 저주파수로 변환할 때 주파수 합성에 의해 절대 편이 값의 변동 없이 그대로 전달되도록 주파수를 변환하는 것을 특징으로 하는 주파수 변환을 이용한 신호들간의 정밀 시간측정 방법.
3. 제 1 항의 연산단계(S5)에 있어서, 기지의 신호원을 이용하여 각 처리 단계의 신호 처리 시간을 측정하고, 이를 보정값으로 사용하여 오차를 경감하는 것을 특징으로 하는 신호들간의 정밀 시간측정 방법.

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