KR101033018B1 - 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치 및 방법 - Google Patents

표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave)를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치는 질의 신호의 출력 시점을 동기화하기 위한 분주 신호를 출력하는 위상동기회로; 신호 송신을 위한 제1 무선 주파수를 발진하는 제1 발진부; 상기 제1 발진부에서 발진하는 제1 무선 주파수를 상기 분주 신호에 따른 동기화된 위상을 갖는 상기 질의 신호로서 출력하도록 제어하는 신호 제어부; 신호 수신을 위한 제2 무선 주파수를 발진하는 제2 발진부; 상기 질의 신호에 대한 패시브 센서의 응답 신호와 상기 제2 무선 주파수를 합성하는 합성부; 및 상기 합성부에서 합성된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부를 포함하고, 상기 신호 제어부는 상기 변환된 신호를 이전에 수신되어 변환된 복수의 신호들과 합산하여 평균을 구하고, 상기 구해진 평균 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 피크 주파수를 검출함으로써, 복수개의 무선 주파수 응답신호들에 대한 노이즈를 상쇄하도록 하여, 보다 정확히 패시브 센서의 응답 신호를 검출할 수 있도록 한다.

Description

표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치 및 방법{Apparatus and method for detecting a signal of a passive sensor using a surface acoustic wave}
본 발명은 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출에 관한 것으로, 보다 상세하게는 샘플링되는 복수의 무선 주파수 감지신호에 대한 노이즈를 최소화할 수 있도록 하는 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치 및 방법에 관한 것이다.
종래의 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출을 위해서는 넌코히어런트 샘플링방식을 이용하여 신호를 샘플링한 후, FFT와 같은 주파수 스펙트럼 분석을 수행하여 이에 대한 반복적인 합선 평균과정을 거쳐서 특징치를 검출하는 방식을 사용하였다.
도 1은 종래의 패시브 센서의 신호 검출을 예시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 1 내지 n개의 응답 신호 샘플들에 대해 각각 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 수행한다. 그후, 고속 푸리에 변환이 수행된 각 샘플들을 합산한 후에, 합산된 샘플의 평균을 구한다. 이렇게해서 구해진 평균화된 주파수 분 포에서 피크 주파수를 검출함으로써, 패시브 센서 응답 신호의 평균화된 특징치를 검출할 수 있다.
하지만, 넌코히어런트 평균 방식은 다음과 같은 두가지 문제점을 가지고 있다. 첫번째, 원하는 특정 검출 신호보다 신호 강도가 높은 외란 신호가 수신기에 유입될 경우 검출하고자 하는 신호가 인식되지 않는 문제점이 있다. 두번째, 수신기 및 외부 노이즈에 따른 신호대 잡음비(SNR)의 성능 저하 등의 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 표면 탄성파 같은 공진기를 이용하는 센서의 응답 신호를 위상 동기에 의해 검출하는 것으로, 기존 저가형 마이크로 프로세서와 신디사이져의 기능을 이용하여 코히어런트 샘플링을 수행하도록 하는 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치 및 방법에 관한 것이다.
상기의 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치는 질의 신호의 출력 시점을 동기화하기 위한 분주 신호를 출력하는 위상동기회로; 신호 송신을 위한 제1 무선 주파수를 발진하는 제1 발진부; 상기 제1 발진부에서 발진하는 제1 무선 주파수를 상기 분주 신호에 따른 동기화된 위상을 갖는 상기 질의 신호로서 출력하도록 제어하는 신호 제어부; 신호 수신을 위한 제2 무선 주파수를 발진하는 제2 발진부; 상기 질의 신호에 대한 패시브 센서의 응답 신호와 상기 제2 무선 주파수를 합성하는 합성부; 및 상기 합성부에서 합성된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부를 포함하고, 상기 신호 제어부는 상기 변환된 신호를 이전에 수신되어 변환된 복수의 신호들과 합산하여 평균을 구하고, 상기 구해진 평균 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 피크 주파수를 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기의 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출방법은 질의 신호의 출력 시점을 동기화하기 위한 분주 신호를 출 력하는 단계; 신호 송신을 위한 제1 무선 주파수를 상기 분주 신호에 따른 동기화된 위상을 갖는 상기 질의 신호로서 출력하는 단계; 상기 질의 신호에 대한 패시브 센서의 응답 신호를 수신 및 변환하는 단계; 상기 변환된 신호를 이전에 수신되어 변환된 복수의 신호들과 합산하여 평균을 구하는 단계; 및 상기 구해진 평균 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 피크 주파수를 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 샘플링되는 복수의 패시브 센서의 응답 신호를 합산한 후에 주파수 분석을 위한 변환을 수행하도록 함으로써, 복수개의 응답 신호들에 대한 노이즈를 상쇄시키는 효과가 있으며, 이에 따라, 보다 정확히 패시브 센서 응답 신호의 특징치를 검출할 수 있는 효과가 있다. 또한, 복잡한 위상 검출 회로나 송신 시점을 예측/계산하기 위해 DSP(digital signal processor)와 같은 고속의 연산 프로세서를 사용하지 않고도, 기존 저가형 마이크로 프로세서와 신디사이져의 기능을 이용하여 코히어런트 샘플링을 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 의한 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치를 설명하기 위한 일 실시예의 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치를 포함하는 리더기(100) 및 리더기(100)로부터 출력되는 신호에 따라 활성화되어 감지 동작을 수행하는 패시브 센서(200)을 포함한다.
리더기(100)는 위상동기회로(PLL:Phase Locked Loop(102)), 신호 제어부(104), 제1 발진부(106), 제1 스위칭부(108), 제2 스위칭부(110), 제1 안테나(112), 제3 스위칭부(114), 제2 발진부(116), 합성부(118), 아날로그/디지털 변환부(120)로 구성된다. 한편, 패시브 센서(200)는 제2 안테나(202)를 포함한다.
위상동기회로(PLL:Phase Locked Loop(102))는 질의 신호의 출력 시점을 동기화하기 위한 분주 신호를 신호 제어부(104)로 출력한다. 이를 위해 위상동기회로(102)는 N 분주기(DIVIDER)를 구비하여, N 클럭 분주 신호를 출력한다.
신호 제어부(104)는 제1 발진부(106)에서 발진하는 제1 무선 주파수를 분주 신호에 따른 동기화된 위상을 갖는 질의 신호로서 출력하도록 제어한다. 이를 위해, 신호 제어부(104)는 도 2에 도시된 제1 스위칭부(108)의 스위칭 온/오프를 제어한다.
제1 발진부(106)는 위상동기회로(102)의 제어에 따라, 신호 송신을 위한 제1 무선 주파수를 발진한다. 제1 발진부(106)는 전압 제어 발진기(VCO:Voltage Controlled Oscillator)로서, 주기적으로 제1 무선 주파수를 발진한다. 이러한 무선 주파수의 발진에 대해, 제1 스위칭부(108)는 신호 제어부(104)의 제어신호에 따라, 질의 신호가 동기화된 위상을 갖도록 스위칭한다. 즉, 신호 제어부(104)에서 N 클럭 분주 신호에 대응하여, 제1 스위칭부(108)가 온 스위칭되도록 하는 제어신호를 출력하면, 제1 스위칭부(108)는 제어신호에 응답하여 온 스위칭된다.
제1 스위칭부(108)가 온 스위칭되면, 제1 발진부(106)에서 주기적으로 발진하는 제1 무선 주파수가 무선 주파수 송수신을 위한 제2 스위칭부(110)로 전달된다. 제2 스위칭부(110)로 전달되는 신호를 질의 신호라 한다.
도 3은 위상동기회로에서 출력되는 분주 신호에 동기화된 질의 신호가 출력되는 것을 도시한 타이밍도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 발진부(106)에서 발진하는 제1 무선 주파수(Tx RF Wave Out)가 위상동기회로의 N 클럭 분주 신호에 의해, 동기화된 위상을 갖는 질의 신호(RF 질의 펄스)을 출력함을 확인할 수 있다.
제2 스위칭부(110)가 제1 스위칭부(108)로부터 질의 신호를 수신하도록 하기 위해, 신호 제어부(104)는 제2 스위칭부(110)가 제1 스위칭부(108)와 연결되도록 하는 스위칭 동작 제어신호를 제2 스위칭부(110)로 출력한다.
제2 스위칭부(110)는 제1 스위칭부(108)로부터 전달된 질의 신호를 제1 안테나(112)를 사용해 패시브 센서(200)로 전송한다.
패시브 센서(200)는 제2 스위칭부(112)로부터 무선 전송된 질의 신호를 제2 안테나(202)를 사용해 수신한다. 패시브 센서(200)는 질의 신호에 의해 활성화되고, 활성화된 패시브 센서(200)는 본래의 감지 기능을 수행한다. 패시브 센서(200)의 감지 기능은 압력, 온도 등 다양한 종류가 있을 수 있다.
패시브 센서(200)는 질의 신호에 대한 응답 신호를 제2 안테나(202)를 통해 무선으로 전송하고, 리더기(100)이 제1 안테나(112)가 응답 신호를 수신한다. 제1 안테타(112)에서 수신된 응답 신호는 제2 스위칭부(110)의 스위칭 동작에 의해 제3 스위칭부(114)로 출력된다. 제2 스위칭부(110)가 제3 스위칭부(114)와 연결되도록 하는 스위칭 동작은 신호 제어부(104)의 제어신호에 의해 이루어진다.
제3 스위칭부(114)는 신호 제어부(104)의 제어 신호에 따라 응답 신호의 전송을 온/오프한다. 신호 제어부(104)는 분주 신호에 따른 동기화된 위상을 갖는 응답 신호를 수신하도록 제3 스위칭부(114)로 제어신호를 출력한다.
도 4는 동일한 위상을 갖는 질의 신호 및 이에 대응하는 응답 신호의 일 예를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, n개의 질의 신호들 및 이에 대응하는 응답 신호들 각각은 N클럭 분주 신호에 의해 항상 동일한 위상을 갖는다.
제2 발진부(116)는 위상동기회로(102)의 제어에 따라, 신호 수신을 위한 제2 무선 주파수를 발진한다. 제2 발진부(116)는 전압 제어 발진기(VCO:Voltage Controlled Oscillator)로서 주기적으로 제2 무선 주파수를 발진한다.
합성부(118)는 제3 스위칭부(1140를 통해 전송된 패시브 센서(200)의 감지 신호와 제2 발진부(116)에서 출력된 제2 무선 주파수를 합성하고, 합성한 신호를 아날로그/디지털 변환부(120)로 출력한다.
아날로그/디지털 변환부(120)는 합성부(118)에서 합성된 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 신호를 신호 제어부(104)로 출력한다.
신호 제어부(104)는 변환된 신호를 이전에 수신되어 변환된 복수의 신호들과 합산하여 평균을 구하고, 구해진 평균 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 피크 주파수를 검출한다. 특히, 신호 제어부(104)는 이산 푸리에 변환 중 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 수행할 수 있다.
도 5는 출력되는 질의 신호의 샘플링 횟수에 따른 응답 신호의 합산 결과를 예시적으로 도시한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 동일한 위상을 갖는 응답 신호들을 합산할 수록 진폭이 커지는 것을 알 수 있다. 그러나, 위상이 동일함으로 인해 신호 누적에 따른 노이즈 상쇄효과가 있다.
도 6은 n 샘플링 횟수에 의한 n개의 응답 신호들에 대해 합산, 평균, 고속 푸리에 변환을 수행하는 과정을 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 신호 제어부(104)는 동일한 위상을 갖는 n개의 응답 신호들을 합산한다. 합산된 응답 신호들의 진폭은 합산된 만큼 증가한다. 신호 제어부(104)는 이렇게 합산된 응답 신호에 대해 n으로 나누어 평균 신호를 구한 후에, 주파수 분석을 위해 푸리에 변환을 수행한다. 신호 제어부(104)는 이산 푸리에 변환 중 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 수행하여, 평균화된 응답 신호의 피크 주파수 즉, 응답 신호의 특징치를 검출할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치를 포함하는 리더기(100) 및 리더기(100)로부터 출력되는 신호에 따라 활성화되어 감지 동작을 수행하는 센서(200)는 차량에 장착할 수 있다. 여기서, 패시브 센서(200)는 차량 바퀴의 압력을 감지하기 위한 센서가 될 수도 있다.
도 7은 차량에 장착된 리더기 안테나 및 패시브 센서를 예시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 리더기 안테나(300)는 패시브 센서(310)로 클럭 분주신호에 의해 동기화된 n개의 질의 신호를 전송한다. 패시브 센서(310)는 질의 신호에 의해 활성화되어, 차량 바퀴의 압력을 감지한 결과에 해당하는 응답 신호를 리더기 안테나(300)로 전송한다. 리더기 안테나(300)로부터 응답 신호를 수신한 리더기는 패시 브 센서(310)로부터 수신된 n개의 응답 신호를 합산, 평균을 구한 후에, 푸리에 변환을 수행하여 차량 바퀴 압력에 대한 특징치를 검출한다.
이하, 본 발명에 의한 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 8은 본 발명에 따른 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출방법을 설명하기 위한 일 실시예의 플로차트이다.
먼저, 질의 신호의 출력 시점을 동기화하기 위한 분주 신호를 출력한다(제400 단계). 분주 신호는 위상동기회로(PLL)의 N 분주기에서 출력된다.
제400 단계 후에, 신호 송신을 위한 제1 무선 주파수를 분주 신호에 따른 동기화된 위상을 갖는 질의 신호로서 출력한다(제402 단계). 신호 송신을 위한 제1 무선 주파수는 전압 제어 발진기(VCO:Voltage Controlled Oscillator)에서 주기적으로 발진된다. 이렇게 주기적으로 발진되는 제1 무선 주파수 중에서 분주 신호에 동기화된 위상을 갖는 신호를 질의 신호로서 출력한다.
이러한, 질의 신호는 안테나를 통해 무선으로 패시브 센서(200)로 전송된다. 여기서, 패시브 센서(200)는 센서 내에 구비된 안테나(202)를 통해 질의 신호를 수신한다. 센서는 질의 신호를 수신하면 활성화되고, 이에 따라, 감지 동작을 수행한다. 특히, 본 발명에서는 센서로서 차량 바퀴의 압력을 측정하기 위한 압력 감지 센서를 예시할 수 있다. 따라서, 차량의 압력 감지 센서는 질의신호를 수신하면, 차량 바퀴의 압력을 측정한다.
제402 단계 후에, 질의 신호에 대한 패시브 센서의 응답 신호를 수신하고, 상기 수신된 응답신호와 발진되는 제2 무선 주파수를 합성하여 디지털 신호로 변환한다(제404 단계). 패시브 센서(200)는 감지한 응답 신호를 안테나를 통해 출력한다. 이렇게 센서에서 출력된 응답 신호는 도 2에 도시된 리더기(100)로 수신된다. 리더기(100)의 제1 안테나(112)가 응답 신호를 수신한 후에, 응답 신호는 제2 스위칭부(110)의 스위칭 동작에 의해 제3 스위칭부(114)로 출력된다. 제3 스위칭부(114)는 신호 제어부(104)의 제어 신호에 따라 응답 신호의 전송을 온/오프한다.
한편, 제2 발진부(116)는 위상동기회로(102)의 제어에 따라, 신호 수신을 위한 제2 무선 주파수를 발진한다. 그 후, 합성부(118)는 제3 스위칭부(1140를 통해 전송된 센서(200)의 응답 신호와 제2 발진부(116)에서 출력된 제2 무선 주파수를 합성한다.
그 후, 아날로그/디지털 변환부(120)는 합성부(118)에서 합성된 신호를 디지털 신호로 변환한다.
제404 단계 후에, 변환된 신호를 이전에 수신되어 변환된 복수의 신호들과 합산하여 평균을 구한다(제406 단계). 도 6에 도시된 바와 같이, 신호 제어부(104)는 동일한 위상을 갖는 n개의 응답 신호들을 합산한다. 그 후, 신호 제어부(104)는 이렇게 합산된 응답 신호에 대해 n으로 나누어 평균 신호를 구한다.
제406 단계 후에, 구해진 평균 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 피크 주파수를 검출한다(제408 단계). 주파수 분석을 위해 푸리에 변환을 수행한다. 신호 제어부(104)는 이산 푸리에 변환 중 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 수행하여, 평균화된 응답 신호의 피크 주파수 즉, 응답 신호의 특징치를 검출한다.
이러한 본원 발명인 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치 및 방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래의 패시브 센서의 신호 검출을 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치를 설명하기 위한 일 실시예의 블록도이다.
도 3은 위상동기회로에서 출력되는 분주 신호에 동기화된 질의 신호가 출력되는 것을 도시한 타이밍도이다.
도 4는 동일한 위상을 갖는 질의 신호 및 이에 대응하는 응답 신호의 일 예를 도시한 것이다.
도 5는 출력되는 질의 신호의 샘플링 횟수에 따른 응답 신호의 합산 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 6은 n 샘플링 횟수에 의한 n개의 응답 신호들에 대해 합산, 평균, 고속 푸리에 변환을 수행하는 과정을 도시한 것이다.
도 7은 차량에 장착된 리더기 안테나 및 패시브 센서를 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출방법을 설명하기 위한 일 실시예의 플로차트이다.

Claims (7)

  1. 질의 신호의 출력 시점을 동기화하기 위한 분주 신호를 출력하는 위상동기회로;
    신호 송신을 위한 제1 무선 주파수를 발진하는 제1 발진부;
    상기 제1 발진부에서 발진하는 제1 무선 주파수를 상기 분주 신호에 따른 동기화된 위상을 갖는 상기 질의 신호로서 출력하도록 제어하는 신호 제어부;
    신호 수신을 위한 제2 무선 주파수를 발진하는 제2 발진부;
    상기 질의 신호에 대한 패시브 센서의 응답 신호와 상기 제2 무선 주파수를 합성하는 합성부; 및
    상기 합성부에서 합성된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부를 포함하고,
    상기 신호 제어부는 상기 변환된 신호를 이전에 수신되어 변환된 복수의 신호들과 합산하여 평균을 구하고, 상기 구해진 평균 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 피크 주파수를 검출하는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이산 푸리에 변환 중 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)하는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치는
    차량에 장착하는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 응답 신호는 차량 바퀴의 압력을 감지한 신호에 해당하는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출장치.
  5. 질의 신호의 출력 시점을 동기화하기 위한 분주 신호를 출력하는 단계;
    신호 송신을 위한 제1 무선 주파수를 상기 분주 신호에 따른 동기화된 위상을 갖는 상기 질의 신호로서 출력하는 단계;
    상기 질의 신호에 대한 패시브 센서의 응답 신호를 수신하고, 상기 수신된 응답신호와 발진되는 제2 무선 주파수를 합성하여 디지털 신호로 변환하는 단계;
    상기 변환된 신호를 이전에 수신되어 변환된 복수의 신호들과 합산하여 평균을 구하는 단계; 및
    상기 구해진 평균 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 피크 주파수를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이산 푸리에 변환 중 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)하는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 응답 신호는 차량 바퀴의 압력을 감지한 신호에 해당하는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파를 이용한 패시브 센서의 신호 검출방법.
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