KR101022513B1 - 다중 직교 반송파를 이용한 바이오 레이다 시스템 - Google Patents

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Abstract

본발명은 다중직교반송파인 OFDM 방식을 이용하여 생체에 비접촉 형태로 생체의 호흡 및 심장박동을 추출해내는 바이오레이다(Bio-Radar)에 관한 것이다. 종래의 단일 반송파를 이용하는 바이오레이다의 경우 잡음 및 간섭에 취약하여 호흡 및 심박의 검출에 있어 오류가 많은데 OFDM 신호를 이용하는 경우 OFDM 신호에 실린 데이터 심볼이 생체로부터 반사되는 신호가 갖는 Doppler 주파수 편이에 의한 성좌도(Constellation) 편이를 이용하여 도플러 주파수편이를 추출하고 이를 기반으로 생체의 호흡 및 심박을 추출한다. 심장박동 및 호흡신호 추출을 위해 1초동안 통계적으로 사용될수 있는 심볼의 숫자가 (OFDM 서브반송파 수:예 1024)× 심볼레이트(100 symbol/sec)= 102,400 이기 때문에 단일 반송파를 사용하는 경우 보다 잡음과 간섭에 강하고 보다 안정적으로 심박 및 호흡신호를 추출해 낼 수 있다.
Figure R1020080042615
바이오레이다, OFDM, 도플러,성좌도(Constellation), ICI(Inter Carrier Interference)

Description

다중 직교 반송파를 이용한 바이오 레이다 시스템{Bio Radar system based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing}
도 1은 바이오레이다(Bio-Radar) 응용도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라, 바이오 레이다 시스템의 내부 구성으로 OFDM 송, 수신기 구조도를 도시한 도면이다.
도 3은 도플러 현상에 의해 왜곡된 QAM 성좌도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 심박과 호흡의 기준신호를 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션 결과 추출된 혼합 신호를 나타내는 도면이다.
도 5는 추출된 심박과 호흡의 주파수 스펙트럼을 보여주고 이로부터 심박신호을 추출하기 위한 밴드패스필터 주파수 응답특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 추출된 심박과 호흡의 주파수 스펙트럼을 보여주고 이로부터 호흡신호을 추출하기 위한 저역통과필터의 주파수 응답특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 추출된 심박과 호흡의 혼합신호로부터 밴드패스 필터 통과후 추출된 심박신호와 기준신호를 나타내는 도면이다.
도 8은 추출된 심박과 호흡의 혼합신호로부터 밴드패스 필터 통과후 추출된 심박신호와 기준신호를 나타내는 도면이다.
[문헌1] 특허등록 제 0801645 :OFDM 시스템에서 수신성좌도를 이용한 도플러 편이 주파수 측정 및 보정방법
[문헌2]B.S.Lee, "Doppler effect compensation scheme based on constellation estimation for OFDM System"IEE, Electronic Letter 2008. Jan Vol 44, no 1. PP38-40
본 발명은 레이다 시스템에 관한 것으로, 특히 생체의 변이 신호를 감지하기 위한 바이오 레이다 시스템에 관한 것이다.
도플러 효과를 이용한 레이다로써 구름의 분포를 확인하는 기상 레이다 및 차량의 속도를 감지하는 속도 감지 레이다가 널리 활용되고 있을 뿐만 아니라, 최근 비접촉 형태로 생체의 심장박동 및 호흡을 감지하기 위한 바이오 레이다에 대한 연구, 개발이 활발히 진행되고 있다.
그러나, 바이오 레이다의 경우에는 대상이 인체이기 때문에 방사할 수 있는 RF(Radio Frequency) 송신 신호 전력이 엄격히 제한되고 있고, 인체로부터 반사되어 수신되는 신호 역시 대단히 미약하여 주변의 잡음 및 간섭에 매우 취약할 수밖에 없다. 따라서, 이렇게 열악한 신호 환경에서 수신 신호를 감지, 처리하여 도플러 주파수 천이를 계산하고 이로부터 심장박동 및 호흡신호를 추출할 수 있는 효과적이고 안정적인 방법이 필요하다.
종래의 도플러 레이다는 단일 반송파(Continuous Wave : CW)를 목적물에 방사하는 송출신호로 사용하고, 목적물로부터 반사되어 수신된 신호로부터 도플러 천이성분을 추출하여 목적물의 속도를 추출하는 방식으로 동작한다.
단일 반송파를 사용하는 이유는 도플러 천이 주파수를 추출하는데 있어 다중 주파수를 사용하는 경우보다 시스템 구성이 간단하고, 주파수 대역 효율면에서 장점이 있기 때문이다. 그리고, 목적물이 생물체가 아닌 경우에는 필요한 수신 신호 레벨을 확보하기 위해 송출신호를 증대시킬 수 있고, 목적물이 금속인 경우에는 반사되는 신호레벨이 상대적으로 크기 때문에 단일 반송파에 의한 도플러 주파수 검출이 용이하다.
반면, 단일 반송파를 사용할 경우의 단점으로는 다중 경로 환경에서 페이딩에 영향을 받기 쉽고, 단일 반송파의 파장에 관련된 널 포인트(Null point) 의 존재에 의해 대상과 레이다 간의 거리상에 제약이 있을 수 있다.
그리고, 단일 반송파를 바이오 레이다에서 사용할 경우, 인체에 송출할 수 있는 송출 신호 전력이 제한되어 있고, 인체의 전파 반사 계수가 낮기 때문에 대상으로부터 반사된 수신 신호의 레벨이 미약할 수밖에 없다. 이러한, 반사 수신 신호는 주변 잡음 및 간섭에 취약할 수밖에 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 주변 잡음 및 간섭에 의한 에러에 영향을 받지 않고, 안정적으로 도플러 주파수 편이를 측정하여 이를 통해 인체의 심장 박동과 호흡 신호를 검출할 수 있는 바이오 레이다 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예는 직교 주파수 분할(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : OFDM) 기반의 송출 신호를 목적물에 방사하는 송신기와, 상기 송출 신호가 목적물에 의해 반사된 수신 신호로부터 복원된 수신 심볼과 상기 송출 신호에 포함된 송신 심볼을 비교하여 도플러 편이 주파수를 산출하고, 상기 산출된 도플러 편이 주파수로부터 생체 목적물의 생체 변위 신호를 추출하는 수신기로 구성된다.
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본 발명은 직교 주파수 분할(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 신호를 송출 신호로 사용하는 바이오 레이다 시스템에 관한 것이다.
그런데, OFDM 기반 도플러 바이오 레이다 시스템을 구현할 경우, IFFT/FFT 길이를 1024 개로 가정할 때, 1024 개 주파수 각각에 도플러 주파수 측정 모듈을 장착하는 것은 기술적으로 불가능할 수 있다. 가능하다고 할지라도, 시스템 복잡도 및 경제성 면에서 경쟁력이 없다.
따라서, 본 발명은 바이오 레이다 시스템이 송출한 신호가 목적물에 의해 반사되어 수신된 신호로부터 복원된 수신 심볼들을 송출 신호의 송신 심볼과 비교하여 왜곡된 정도에 따라, 도플러 주파수 편이를 검출하는 방법이다.
이때 도플러 주파수 계산에 통계적으로 활용되는 FFT 길이를 1024, 심볼 전송속도를 100 심볼/초로 가정할 때, 1초 동안 활용할 수 있는 데이터수가 102,400 심볼이 되기 때문에 몇 개의 반송파에서 발생될 수 있는 에러가 전체를 통한 도플러 주파수 검출에 영향을 주지 않는다.
따라서, 본 발명에 따른 생체 바이오 레이더 시스템 및 방법은 잡음 및 간섭에 강하면서도, 그 구성이 간단하여 경제적이라는 이점이 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다중 직교 반송파(OFDM)를 이용한 바이오 레이다 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 OFDM을 이용한 바이오 레이다 시스템은 기본적으로 송신기(210)와, 수신기(220)로 구성된다.
수신기(220)에서 목적물로부터 반사된 신호를 수신하면 하향 변환기(Down Conversion)(221)에서 수신된 신호의 주파수를 낮추어 출력한다. 아날로그 디지털 변환기(Analog Digital Converter)(222)는 상기 하향 변환기(221)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
적응형 필터(Adaptive filter)(223)는 상기 디지털 변환된 수신신호에서 목적물에 반사되어 수신된 신호를 분리한다. 고속 푸리에 변환기(Fast Fourier Transform : FFT)(224)는 상기 분리된 신호로부터 심볼을 복원한다. 그리고, 도플러 주파수 측정기(Doppler freq estimation)(225)는 복원된 심볼로부터 도플러 편이 주파수를 산출한다. 그리고, 필터(226)는 상기 산출된 도플러 편이 주파수로부터 생체 변이 신호를 검출하는 것으로, 상기 필터(226)는 심장박동 및 호흡신호에 의한 변이 신호가 복합적으로 포함되어 있는 도플러 편이 주파수로부터 심장박동 또는 호흡신호를 추출하기 위한 저역통과필터 또는 밴드패스 필터(Low Pass Filter or Band Pass Filter : LPF or BPF)이다.
그러면, 상술한 바와 같은 바이오 레이다 시스템에서의 생체 변이 신호를 추출하는 동작을 설명하기로 한다.
OFDM 송신기(210)에서 송출되는 바이오 레이다 신호 s(t)는 <수학식 1>로 표시된다.
Figure 112010019282816-pat00002
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여기서, X(i)는 QAM 심볼, N 은 OFDM 서브 반송파 수, T 는 심볼폭, fs는 서브 반송파 대역폭, fc는 송신 반송파 주파수를 나타낸다.
상기 송신기(210)가 송신한 신호 s(t)가 목적물에서 반사된 신호를 수신기(220)가 수신하는데, 수신 신호 r(t)는 <수학식 2> 및 <수학식 3>으로 표현된다.
Figure 112010019282816-pat00025
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여기서 목적물까지의 규정거리를 do, 호흡 및 심장박동에 의한 변위를 x(t)라고하면 전파가 왕복하는 거리는 2d(t)=2do+2x(t)로 표현된다.
c는 전파전파 속도를 의미하고, α는 송신안테나에서 수신안테나로 직접 전달되는 누설계수이고, β는 목적물로부터 반사되는 신호의 크기를 나타내는 반사계수이다.
<수학식 2>에서 송신 안테나에서 수신 안테나로 직접 전달되는 신호를 제외한 신호인 목적물로부터 반사되는 신호만을 R(t)로 표시하면 <수학식 3>이 될 수 있다.
Figure 112010019282816-pat00026
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따라서, 목표물의 변위를 포함한 목표물까지의 시간지연에 따른 위상 지연값은 하기의 <수학식 4>와 같다.
Figure 112010019282816-pat00027
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이로부터 <수학식 5>와 같은 도플러 주파수 편이를 구할 수 있다.
Figure 112010019282816-pat00028
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그런데, 본 발명에서는 전술한 바와 같이 <수학식 5>에 의해서 도플러 편이 주파수를 구하지 않고, 수신기에서 심볼을 복구한 후, OFDM 각 부반송파에 실린 심볼이 도플러 주파수 천이에 의해서 왜곡되는 패턴을 이용하여 도플러 천이 주파수를 구한다.
도 3은 도플러 현상에 의해 왜곡된 QAM 성좌도로, 위상 편이 e에 따라 각각 상이한 QAM 성좌도가 도시된다. 각 영역에서 성좌도의 중심이 e값이 증가함에 따라 유닛 서클(unit circle)상에서 회전함과 동시에 분산(dispersion/randomness) 정도도 증가하는 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같은 도플러 편이 주파수를 산출하기 위해, 수신기에서 하향 변환된(down conversion) 후 적응 필터를 통한 신호를 복소수 형태로 표시하면 <수학식 6> 과 같이 표현된다.
Figure 112010019282816-pat00007
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상기 <수학식 6>으로 표현되는 신호가 FFT(224)를 통과하게 되면, <수학식 7>과 같은 송신 심볼이 복구된다.
Figure 112010019282816-pat00029
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여기서, S(l-k)는 <수학식 8>로 표현될 수 있고, 도플러 주파수 편이에 의한 캐리어간 간섭(Inter Carrier Interference : ICI) 계수를 나타낸다.
Figure 112010019282816-pat00030
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여기서 e 는 도플러 주파수 천이를 서브캐리어 주파수 간격으로 나눈 값으로, 즉 e=fd /fs 이다. <수학식 7>에서 첫 번째 항인 αX(k)는 송신안테나에서 수신안테나로 직접 유도된(induced) 신호를 나타내는 항으로, 심볼에 도플러 주파수 천이에 의한 왜곡을 포함하고 있지 않다.
따라서, <수학식 7>에서 첫 번째 항에 해당하는 신호를 효과적으로 제거한 후, 도플러 주파수 천이에 의해 성좌도가 왜곡된 성분인 Yd (k)을 처리하여 도플러 주파수를 측정하는 것이 필요하다.
도플러 레이다 시스템이 구축되면 송신 안테나에 대한 수신안테나의 격리(isolation)정도에 따라 α값이 결정되고 측정에 의하여 손쉽게 구할 수 있기 때문에 α값은 사전에 알려진 값이다.
그리고, 일반 통신 시스템과는 다르게 바이오 레이다 시스템에서 각각의 OFDM 서브 반송파에 실려 보낸 심볼 값도 알고 있기 때문에, <수학식 9>와 같이 순수한 Yd (k)값을 근사적으로 구할 수 있다.
Figure 112010019282816-pat00010
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바이오 레이다에서 목적물과 레이더 사이의 반사계수인 β 값도 <수학식 10>과 같이 Yd (k)의 절대값의 기대값(Expectation)을 구함으로써 근사적으로 구할 수 있다.
Figure 112010019282816-pat00031
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구해진 β 값으로 Yd (k)를 정규화시키면 <수학식 11>을 얻을 수 있다
Figure 112010019282816-pat00032
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수학식 Y(k) 도플러 천이에 의해 순수하게 왜곡된 심볼을 의미하고 이를 이미 알고 있는 송신 심볼 X(k)로 나눈후 기대값을 구하면, <수학식 10>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010019282816-pat00033
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즉 수신된 심볼을 송신한 심볼로 나눈후 기대값을 구하면 구해진 복소수 값의 위상(Phase) 성분이 (πe)이 되므로, 이값을 가지고 <수학식 13>을 이용하여 도플러 편이 주파수
Figure 112010019282816-pat00037
를 구할 수 있다.
Figure 112010019282816-pat00034
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도플러 편이 주파수는 목표물의 움직임 함수인 x(t)와 함수관계가 있으므로 이를 통하여 목표물인 인체의 심장박동과 호흡에 따른 변위 신호를 추출할 수 있다.
<수학식 13>으로 표시되는 도플러 편이 주파수 정보는 심장박동과 호흡에 따른 인체 변이 정보를 포함하고 있는데, 심장 박동 및 호흡에 따른 각각의 주파수 정보가 상이하므로, 도플러 편이 주파수 신호로부터 저역 통과 필터 및 밴드패스필터를 통과시킨 후, 순수한 심장박동 신호와 호흡신호를 추출한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 심박과 호흡의 기준신호를 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션 결과 추출된 혼합 신호를 보여준다.추출된 복합 신호로부터 심박을 추출하기 위한 필터 특성도의 일 예가 도 5 내지 도 6에 도시되어 있다.
그리고, 기준 심박과 추출된 심박 신호도의 일 예가 도 7에 도시되어 있고, 기준 호흡과 추출된 호흡 신호도의 일 예가 도 8에 도시되어 있다.
OFDM 신호를 사용하여 도플러 편이 주파수를 측정하고자 할 때 바이오 레이다의 경우와 같이 인체의 변이가 매우 작으므로, 이에 따른 도플러 편이 주파수 의 변이가 작다. 따라서, 결과적으로 수신된 성좌도에 나타나는 위상 상의 편이(e)가 작으므로, 이를 통해 도플러 편이 주파수를 측정하는데 어려움이 있을 수 있다.
그러나 이는 도 3에 도시된 바와 같이 OFDM 부반송파 간격인 fs 를 조정함으로써 최적의 성좌도 상의 변위를 유도할 수 있다. 즉, fd 가 작은 경우 fs 도 감소시켜 적정한 e값을 유지할 수 있다.
Figure 112010019282816-pat00035
삭제
본 발명은 OFDM을 이용한 다중반송파 바이오 레이다 시스템으로, 종래의 단일 반송파를 사용하는 바이오 레이다에서 수신신호가 작아 잡음 및 간섭에 취약하다는 점을 극복할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 단일 파장에 따른 널 포인트의 존재로 인한 성능 열화를 극복할 수 있다.
더욱이 OFDM 송/수신기는 이미 통신기계에 널리 활용되어 소형화 및 표준화가 이루어진 장치이기 때문에 이를 바이오 레이다 시스템으로 구현할 경우, 경제성 있고 성능이 우수한 바이오 레이다를 손쉽게 구현할 수 있다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 직교 주파수 분할(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : OFDM) 기반의 송출 신호를 목적물에 방사하는 송신기와,
    상기 송출 신호가 목적물에 의해 반사된 수신 신호로부터 복원된 수신 심볼과 상기 송출 신호에 포함된 송신 심볼을 비교하여 도플러 편이 주파수를 산출하고, 상기 산출된 도플러 편이 주파수로부터 생체 목적물의 생체 변위 신호를 추출하는 수신기로 구성되되,
    상기 수신기는
    상기 수신 신호의 주파수를 하향 변환하여 출력하는 하향 변환기와,
    상기 하향 변환기로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기와,
    상기 디지털 변환기로부터 출력된 신호로부터 수신 심볼들을 복원하여 출력하는 고속 푸리에 변환기와,
    상기 고속 푸리에 변환기로부터 출력되는 수신 심볼들과 상기 송출 신호에 포함되는 송신 심볼들의 비의 기대값으로부터 도플러 편이 주파수를 산출하는 도플러 주파수 측정부와,
    상기 측정된 도플러 편이 주파수로부터 생체 변이 신호를 검출하여 출력하는 필터로 구성됨을 특징으로 하는 바이오 레이다 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 수신기는
    상기 아날로그 디지털 변환기로부터 출력되는 신호에서 상기 목적물에서 반사된 신호만을 검출하여 출력하는 적응형 필터를 더 포함함을 특징으로 하는 바이오 레이다 시스템.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 필터는
    도플러 편이 주파수로부터 심박 신호를 추출하는 대역 통과 필터 또는 호흡 신호를 추출하는 저역 통과 필터임을 특징으로 하는 바이오 레이다 시스템.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 도플러 주파수 측정부는
    하기의 <수학식 15>로부터 e를 산출하고, 산출된 e으로부터 하기의 <수학식 16>을 이용해 도플러 편이 주파수
    Figure 112010019282816-pat00038
    를 산출함을 특징으로 하는 바이오 레이다 시스템.
    <수학식 15>
    Figure 112010019282816-pat00039
    여기서, Y(k) 는 도플러 천이에 의해 순수하게 왜곡된 심볼을 의미하고, X(k)는 송신 심볼을 의미하고, e은 성좌도 상의 위상 편이를 의미함.
    <수학식 16>
    Figure 112010019282816-pat00040
    여기서, fs는 부반송파 주파수 간격을 의미함.
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