KR101281261B1 - 가시광 수신 방법 및 그 장치 - Google Patents

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도진영
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김주영
서현욱
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임해용
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영남대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 가시광 수신 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 가시광 신호를 수신하는 수광부와, 상기 가시광 신호에 포함되어 있는 디지털 신호의 에지를 검출하는 에지 검출부와, 상기 에지가 검출된 신호의 크기를 자동 이득 제어(AGC;Auto Gain Control)하는 자동 이득 제어부와, 상기 자동 이득 제어된 신호를 시간에 따라 샘플링하는 샘플링부와, 상기 샘플링된 신호들의 크기를 분석하여 상기 자동 이득 제어를 위한 증폭률을 결정하는 증폭률 결정부, 및 상기 결정된 증폭률에 대응되는 상기 자동 이득 제어부의 출력 신호로부터 상기 디지털 신호를 복원하는 복원부를 포함하는 가시광 수신 장치를 제공한다.
상기 가시광 수신 방법 및 그 장치에 따르면, 가시광 신호에 포함되어 있는 디지털 신호로부터 에지 부분을 검출한 다음 자동 이득 제어를 통해 디지털 신호의 크기를 보정하는 것에 의해 데이터의 수신 및 복원 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

가시광 수신 방법 및 그 장치{Method for receiving visible light and apparatus thereof}
본 발명은 가시광 수신 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가시광 송신 장치로부터 수신된 가시광 신호를 복원할 수 있는 가시광 수신 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
가시광 통신이란 가시광을 이용하여 정보를 전달하는 통신 기술이다. 가시광 통신 시스템은 가시광 신호를 전송하는 송신 장치와, 송신 장치로부터 가시광 신호를 수신하여 복원하는 수신 장치를 포함한다. 이러한 가시광 통신 장치에 관한 종래 예는 특허공개 제2011-0017791호에 개시되어 있다.
일반적으로 가시광 통신에서는 통상의 LED 등의 조명장치를 송신 장치로 사용하고, PD(Photo Diode)와 같은 수광부와 데이터 복원 수단을 수신 장치로 사용한다. 그런데, 수광부에 수신되는 신호에는 송신 장치로부터 수신한 가시광 신호 이외에도 주위환경의 조도(ex, 자연광, 태양광)의 영향이 더해진 형태를 갖는다. 특히 태양광의 경우 전체 파장 대역에서 가시광을 발산하므로 신호의 필터링이 쉽지 않다. 이렇게 가시광 신호에 주변 조도의 영향이 더해지게 되면 수신 장치에서의 신호 복원 성능이 떨어지게 된다. 실제로 가시광 통신은 주변 환경의 영향에 민감하여 실내 위주로만 상용화되고 있는 실정이다.
본 발명은, 가시광 신호에 포함되어 있는 디지털 신호로부터 에지 부분을 검출한 다음 자동 이득 제어를 통해 디지털 신호의 크기를 보정하는 것에 의해 데이터의 수신 및 복원 성능을 향상시킬 수 있는 가시광 수신 방법 및 그 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 가시광 신호를 수신하는 수광부와, 상기 가시광 신호에 포함되어 있는 디지털 신호의 에지를 검출하는 에지 검출부와, 상기 에지가 검출된 신호의 크기를 자동 이득 제어(AGC;Auto Gain Control)하는 자동 이득 제어부와, 상기 자동 이득 제어된 신호를 시간에 따라 샘플링하는 샘플링부와, 상기 샘플링된 신호들의 크기를 분석하여 상기 자동 이득 제어를 위한 증폭률을 결정하는 증폭률 결정부, 및 상기 결정된 증폭률에 대응되는 상기 자동 이득 제어부의 출력 신호로부터 상기 디지털 신호를 복원하는 복원부를 포함하는 가시광 수신 장치를 제공한다.
여기서, 상기 가시광 수신 장치는, 상기 가시광 신호로부터 상기 디지털 신호를 분리하는 고역 통과 필터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 샘플링부는, 상기 자동 이득 제어된 신호를 구성하는 개별 주기 내에서 복수의 샘플링 신호들을 시간에 따라 샘플링하여 획득할 수 있다.
그리고, 상기 증폭률 결정부는, 상기 샘플링된 신호의 크기가 제1 임계범위를 벗어나는 경우 해당 샘플링 신호 구간의 이득이 증가 또는 감소하도록 조절할 수 있다.
또한, 상기 증폭률 결정부는, 상기 복수의 샘플링 신호들 중에서 제2 임계범위의 크기에 속하는 샘플링 신호의 개수가 기준 개수 범위에 포함되도록 하는 해당 증폭률을 상기 자동 이득 제어를 위한 증폭률로 결정할 수 있다.
또한, 상기 증폭률 결정부는, 상기 제2 임계범위의 크기에 속하는 샘플링 신호의 개수가 기준 개수 범위 미만이면 상기 증폭률이 증가하도록, 상기 기준 개수 범위 이상이면 상기 증폭률이 감소하도록 조절할 수 있다.
그리고, 본 발명은, 가시광 수신 장치를 이용한 가시광 수신 방법에 있어서, 가시광 신호를 수신하는 단계와, 상기 가시광 신호에 포함되어 있는 디지털 신호의 에지를 검출하는 단계와, 상기 에지가 검출된 신호의 크기를 자동 이득 제어(AGC;Auto Gain Control)하는 단계와, 상기 자동 이득 제어된 신호를 시간에 따라 샘플링하는 단계와, 상기 샘플링된 신호들의 크기를 분석하여 상기 자동 이득 제어를 위한 증폭률을 결정하는 단계, 및 상기 결정된 증폭률에 대응되어 자동 이득 제어된 신호로부터 상기 디지털 신호를 복원하는 복원 단계를 포함하는 가시광 수신 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 가시광 수신 방법 및 그 장치에 따르면, 가시광 신호에 포함되어 있는 디지털 신호로부터 에지 부분을 검출한 다음 자동 이득 제어를 통해 디지털 신호의 크기를 보정하는 것에 의해 데이터의 수신 및 복원 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가시광 수신 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1을 이용한 가시광 수신 방법의 흐름도이다.
도 3은 도 2의 S240 내지 S260 단계를 보다 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 4는 도 3의 S330 단계에서 샘플링된 신호의 예를 나타낸다.
도 5는 도 3의 S350단계에서 샘플링 신호의 개수를 카운트하는 실시예를 나타낸다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가시광 수신 장치의 구성도이다. 상기 가시광 수신 장치(100)는 수광부(110), 고역 통과 필터(120), 에지 검출부(130), 자동 이득 제어부(140), 샘플링부(150), 증폭률 결정부(160), 복원부(170)를 포함한다.
수광부(110)는 송신 장치(ex, LED 등의 발광수단)로부터 가시광 신호를 수신하는 부분이다. 이러한 가시광 신호에는 디지털 신호뿐만 아니라 노이즈(ex, 태양광, 자연광)가 포함되어 있다.
고역 통과 필터(120)(HPF;High Pass Filter)는 상기 수신된 가시광 신호로부터 디지털 신호를 분리하는 부분으로서, 태양광 등의 간섭 요소인 노이즈를 제거한다. 이러한 간섭 요소의 제거에 따르면 수신 장치(100)의 성능을 향상시킬 수 있다.
에지 검출부(130)는 상기 필터링된 디지털 신호의 에지(edge)를 검출한다. 더 상세하게는 디지털 신호가 펄스 형태이므로 펄스의 에지 부분을 검출한다. 이에 따라, 수신된 신호는 에지 부분에서만 크기를 가진다.
자동 이득 제어부(140)는 상기 에지가 검출된 신호의 크기를 자동 이득 제어(AGC;Auto Gain Control)하는 부분이다. 이에 따르면, 수신된 신호의 크기에 따라 신호의 증폭률을 변화시킨다. 여기서, 증폭률은 음 또는 양의 값을 포괄하는 의미이다. 양의 증폭률인 경우에는 신호 크기를 증가시키고 음의 증폭률인 경우에는 신호 크기를 감소시키는 것을 의미한다.
이러한 자동 이득 제어부(140)는 AGC 기능을 위한 OP-AMP를 포함한다. OP-AMP를 통해 증폭률을 높이면서 OP-AMP의 출력신호가 포화영역에 도달하는 지점에 대응되는 증폭률을 초기 증폭률로 설정할 수 있는데, 본 발명이 반드시 이에 한정되지는 않는다.
샘플링부(150)는 상기 자동 이득 제어된 신호를 시간에 따라 샘플링한다. 예를 들면, 상기 자동 이득 제어된 신호를 구성하는 개별 주기 내에서 복수의 샘플링 신호들을 시간에 따라 샘플링하여 획득한다. 이에 따라, 한 주기당 여러 샘플링 신호들을 얻을 수 있다.
증폭률 결정부(160)는 상기 샘플링된 신호들의 크기를 분석하여 상기 자동 이득 제어를 위한 증폭률을 최종 결정한다. 이러한 증폭률 결정부(160)는, 자동 이득 제어부(140)에 의해 이득 조절되어 샘플링부(150)에서 샘플링된 신호들이 기 설정된 기준에 해당되면 상기 기 설정된 기준을 만족시킨 증폭률을 최종 증폭률로 결정한다. 그렇지 않은 경우에는 기 설정된 기준을 만족할 때까지 자동 이득 제어부(140)의 증폭률을 변경시켜서 증폭률을 최종적으로 결정한다.
그리고, 복원부(170)는 상기 결정된 증폭률에 대응되는 자동 이득 제어부(140)의 출력 신호로부터 상기 디지털 신호를 복원한다. 이러한 복원부(170)는 히스테리시스 비교기(Hysteresis comparator)를 사용할 수 있는데, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 도 1을 이용한 가시광 수신 방법의 흐름도이다. 상기의 가시광 수신 장치(100)를 이용한 가시광 수신 방법을 간단히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 수광부(110)에서 가시광 신호를 수신한다(S210). 그리고, 고역 통과 필터(120)를 사용하여 상기 가시광 신호로부터 상기 디지털 신호를 분리한다(220).
이후, 에지 검출부(130)를 통해 상기 가시광 신호에 포함되어 있는 디지털 신호의 에지를 검출한다(S230). 다음, 자동 이득 제어부(140)에서는 앞서 에지가 검출된 신호의 크기를 자동 이득 제어(AGC;Auto Gain Control)한다(S240).
샘플링부(150)에서는 상기 자동 이득 제어된 신호를 시간에 따라 샘플링한다(S250). 이후, 증폭률 결정부(160)에서는 상기 샘플링된 신호들의 크기를 분석하여 상기 자동 이득 제어를 위한 증폭률을 결정한다(S260). 다음, 상기 복원부(170)에서는 상기 결정된 증폭률에 대응되어 자동 이득 제어부(140)에서 자동 이득 제어된 출력 신호로부터 상기 디지털 신호를 복원한다(S270).
도 3은 도 2의 S240 내지 S260 단계를 보다 구체적으로 설명하는 흐름도이다. 이하에서는 S240 내지 S260 단계에 관하여 도 3을 참조로 하여 보다 상세히 알아본다.
우선, 도 3의 S310 내지 S320단계는 도 2의 S240 단계에 대응된다. 우선, 자동 이득 제어부(140)에서는 에지가 검출된 신호의 크기를 자동 이득 제어하여 증가시킨다(S310). 이러한 이득 조절에 따라 자동 이득 제어부(140)를 구성하는 OP-Amp의 출력 전압이 증가하게 된다. 이후, 자동 이득 제어부(140)는 그 출력 전압이 OP-Amp의 포화 영역에 도달하였는지를 판단한다(S320).
만약, 자동 이득 제어부(140)의 출력 전압이 포화 영역에 도달하지 않은 경우에는 S310 단계를 반복함으로써 출력 전압의 크기가 포화 영역에 도달할 때까지 신호의 크기를 계속 증가시킨다. 반대로, 자동 이득 제어부(140)의 출력 전압이 포화 영역에 도달한 경우에는, 상기 자동 이득 제어된 출력 신호를 샘플링부(150)에서 시간 흐름에 따라 샘플링한다(S330). 이러한 S330 단계는 도 2의 S250 단계에 대응된다.
도 4는 도 3의 S330 단계에서 샘플링된 신호의 예를 나타낸다. 이러한 샘플링 단계에서는 상기 자동 이득 제어된 신호를 구성하는 개별 주기 내에서 샘플링 신호들을 시간에 따라 샘플링한다. 따라서, 한 주기 내에 여러 개의 샘플링 신호들이 얻어진다.
도 4의 경우는 한 주기에 대해 3개의 신호가 샘플링된 경우의 예를 나타낸다. 물론, 도 4의 예는 본 발명의 설명을 위한 하나의 실시예에 불과하며 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이하의 S340 단계 내지 S370 단계는 도 2의 S250 단계에 대응된다. 상기 신호의 샘플링 이후, 증폭률 결정부(160)에서는, 상기 샘플링된 신호의 크기가 제1 임계범위(ex, 도 4의 a 지점)를 이내인지 혹은 제1 임계범위를 벗어나는지를 판단한다(S340). 이러한 제1 임계범위는 미리 설정되어 있는 포화 점(saturation point) 범위에 해당될 수 있다.
만약, 증폭률 결정부(160)에서는 샘플링된 신호의 크기가 제1 임계범위를 벗어난 경우에는 상기 S310 단계를 재수행한다. 즉, 증폭률 결정부(160)에서는 샘플링된 신호의 크기가 제1 임계범위보다 작다고 판단되면 해당 샘플링 신호의 구간의 이득이 증가하도록 조절한다. 반대로 샘플링된 신호의 크기가 제1 임계범위보다 크다고 판단되면 해당 샘플링 신호의 구간의 이득이 감소하도록 조절한다. 이러한 이득 증가 또는 감소 조절을 위해 증폭률 결정부(160)는 자동 이득 제어부(140)와 서로 정보를 주고 받으며 연동하여 동작한다. 이러한 과정들은 각각의 샘플링 신호들에 대해 개별적으로 수행하게 된다.
이후, 증폭률 결정부(160)에서는 포화 점에 도달한 샘플링 신호들의 개수를 카운트 한다(S350). 더 상세하게는 상기 증폭률 결정부(160)는 상기 S340 단계 이후의 복수의 샘플링 신호들 중에서 제2 임계범위의 크기에 속하는 샘플링 신호의 개수를 카운트 한다. 여기서, 제2 임계범위는 제2 임계범위와 동일할 수도 있고, 제2 임계범위 보다 좁은 범위 또는 넓은 범위에 해당될 수도 있다. 이러한 제1 임계범위와 제2 임계범위는 전압의 범위에 해당될 수도 있고 특정 전압 값에 해당될 수 있음은 자명하다.
도 5는 도 3의 S350단계에서 샘플링 신호의 개수를 카운트하는 실시예를 나타낸다. 이러한 도 5는 제2 임계범위가 앞서 도 4의 제1 임계범위와 동일한 경우의 예이다. 또한, 도 5는 기준 개수 범위가 6개인 경우를 예로 한다. 이러한 도 5의 예는 본 발명의 설명을 위한 하나의 실시예에 불과하며 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5의 (a)는 제2 임계범위에 해당되는 샘플링 신호들이 총 6개인 경우로서, 기준 개수 범위에 해당되는 예이다. 그리고, 도 5의 (b)는 제2 임계범위에 해당되는 샘플링 신호들이 총 8개인 경우로서 기준 개수 범위 이상에 해당되는 경우이며, (c)는 제2 임계범위에 해당되는 샘플링 신호들이 총 3개인 경우로서 기준 개수 범위 미만에 해당되는 경우이다.
상기 증폭률 결정부(160)에서는 상기 카운트된 개수가 기준 개수 범위에 속하는지를 판단한다(S360). 이에 따라, 샘플링 신호들 중에서 제2 임계범위의 크기에 속하는 샘플링 신호의 개수가 기준 개수 범위에 포함되도록 하는 해당 증폭률을 상기 자동 이득 제어를 위한 증폭률로 결정하게 된다(S370).
예를 들어, 도 5의 (a)와 같은 경우에는 제2 임계범위에 해당되는 샘플링 신호의 개수가 기준 개수 범위를 만족하므로, 이러한 결과를 도출한 해당 증폭률을 상기 자동 이득 제어를 위한 증폭률로 결정한다. 이후, 결정된 증폭률에 따른 자동 이득 제어부(140)의 출력 신호로부터 디지털 신호를 복원할 수 있게 된다.
만약, 도 5의 (b)와 같이 제2 임계범위에 해당되는 샘플링 신호의 개수가 기준 개수 이상인 경우는 송신 장치와 본 발명의 수신 장치(100) 사이의 거리가 감소한 경우일 수 있다. 이러한 경우에는 오히려 수신 장치(100)에 수신된 신호의 증폭률을 감소시켜서 이득을 줄일 필요가 있다. 따라서 이러한 경우에는 S310 단계를 재수행한다. 즉, 도 5의 (b)와 같은 경우, 증폭률 결정부(160)에서는 상기 자동 이득 제어부(140)에서의 증폭률이 감소하도록 조절한다.
또한, 도 5의 (c)와 같이 제2 임계범위에 해당되는 샘플링 신호의 개수가 기준 개수를 미달한 경우는 송신 장치와 본 발명의 수신 장치(100) 사이에 거리가 증가한 경우일 수 있다. 이러한 경우에는 오히려 수신 장치(100)에 수신된 신호의 증폭률을 증가시켜서 이득을 증가시킬 필요가 있다. 따라서 이러한 경우에는 S310 단계를 재수행한다. 즉, 도 5의 (c)와 같은 경우, 증폭률 결정부(160)에서는 상기 자동 이득 제어부(140)에서의 증폭률이 증가하도록 조절한다. 이와 같이, 송신 장치와 수신 장치(100) 사이의 거리에 따라서 신호의 증폭도를 보정함에 따라 수신 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 가시광 수신 방법 및 그 장치에 따르면, 가시광 신호에 포함되어 있는 디지털 신호로부터 에지 부분을 검출한 다음 자동 이득 제어를 통해 디지털 신호의 크기를 보정하는 것에 의해 데이터의 수신 및 복원 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 가시광 수신 장치 110: 수광부
120: 고역 통과 필터 130: 에지 검출부
140: 자동 이득 제어부 150: 샘플링부
160: 증폭률 결정부 170: 복원부

Claims (12)

  1. 가시광 신호를 수신하는 수광부;
    상기 가시광 신호에 포함되어 있는 디지털 신호의 에지를 검출하는 에지 검출부;
    상기 에지가 검출된 신호의 크기를 자동 이득 제어(AGC;Auto Gain Control)하는 자동 이득 제어부;
    상기 자동 이득 제어된 신호를 시간에 따라 샘플링하는 샘플링부;
    상기 샘플링된 신호들의 크기를 분석하여 상기 자동 이득 제어를 위한 증폭률을 결정하는 증폭률 결정부; 및
    상기 결정된 증폭률에 대응되는 상기 자동 이득 제어부의 출력 신호로부터 상기 디지털 신호를 복원하는 복원부를 포함하는 가시광 수신 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가시광 신호로부터 상기 디지털 신호를 분리하는 고역 통과 필터를 더 포함하는 가시광 수신 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 샘플링부는,
    상기 자동 이득 제어된 신호를 구성하는 개별 주기 내에서 복수의 샘플링 신호들을 시간에 따라 샘플링하여 획득하는 가시광 수신 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 증폭률 결정부는,
    상기 샘플링된 신호의 크기가 제1 임계범위를 벗어나는 경우 해당 샘플링 신호 구간의 이득이 증가 또는 감소하도록 조절하는 가시광 수신 장치.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 증폭률 결정부는,
    상기 복수의 샘플링 신호들 중에서 제2 임계범위의 크기에 속하는 샘플링 신호의 개수가 기준 개수 범위에 포함되도록 하는 해당 증폭률을 상기 자동 이득 제어를 위한 증폭률로 결정하는 가시광 수신 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 증폭률 결정부는,
    상기 제2 임계범위의 크기에 속하는 샘플링 신호의 개수가 기준 개수 범위 미만이면 상기 증폭률이 증가하도록, 상기 기준 개수 범위 이상이면 상기 증폭률이 감소하도록 조절하는 가시광 수신 장치.
  7. 가시광 수신 장치를 이용한 가시광 수신 방법에 있어서,
    가시광 신호를 수신하는 단계;
    상기 가시광 신호에 포함되어 있는 디지털 신호의 에지를 검출하는 단계;
    상기 에지가 검출된 신호의 크기를 자동 이득 제어(AGC;Auto Gain Control)하는 단계;
    상기 자동 이득 제어된 신호를 시간에 따라 샘플링하는 단계;
    상기 샘플링된 신호들의 크기를 분석하여 상기 자동 이득 제어를 위한 증폭률을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 증폭률에 대응되어 자동 이득 제어된 신호로부터 상기 디지털 신호를 복원하는 단계를 포함하는 가시광 수신 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 가시광 신호로부터 상기 디지털 신호를 분리하는 단계를 더 포함하는 가시광 수신 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 자동 이득 제어된 신호를 샘플링하는 단계는,
    상기 자동 이득 제어된 신호를 구성하는 개별 주기 내에서 복수의 샘플링 신호들을 시간에 따라 샘플링하여 획득하는 가시광 수신 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 증폭률을 결정하는 단계는,
    상기 샘플링된 신호의 크기가 제1 임계범위를 벗어나는 경우 해당 샘플링 신호 구간의 이득이 증가 또는 감소하도록 조절하는 가시광 수신 방법.
  11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 증폭률을 결정하는 단계는,
    상기 복수의 샘플링 신호들 중에서 제2 임계범위의 크기에 속하는 샘플링 신호의 개수가 기준 개수 범위에 포함되도록 하는 해당 증폭률을 상기 자동 이득 제어를 위한 증폭률로 결정하는 가시광 수신 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 증폭률을 결정하는 단계는,
    상기 제2 임계범위의 크기에 속하는 샘플링 신호의 개수가 기준 개수 범위 미만이면 상기 증폭률이 증가하도록, 상기 기준 개수 범위 이상이면 상기 증폭률이 감소하도록 조절하는 가시광 수신 방법.
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