KR101476240B1

KR101476240B1 - 통과대역 변조를 이용한 고속 캔 통신 시스템

Info

Publication number: KR101476240B1
Application number: KR1020130117684A
Authority: KR
Inventors: 강수원
Original assignee: 강수원
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2014-12-24
Also published as: US20160241418A1; US10721092B2; CN105594160A; EP3054627B1; CN105594160B; EP3054627A1; EP3054627A4; WO2015050375A1

Abstract

본발명은 차량이나 자동화 제어장치의 분산 실시간 통신 및 제어 수단으로 사용되는 캔 인터페이스의 속도를 향상시키기 위한 고속 캔 전송기법에 관한 것이다. 기존 캔 표준과의 호환성을 유지함으로써, 기존의 캔 설비를 그대로 유지하면서 추가적으로 고속의 데이터 전송을 가능케 하는 것이 발명의 가장 큰 장점이다. 고속 전송 기법으로 기존 기저 대역으로 전송되는 캔 신호와 동시에 고속의 통과대역 신호를 같이 전송한다. 본 발명의 고속 캔 통신 시스템은 기존 캔 장치들과 같은 버스에서 동작하면서 기존의 캔 신호의 송신 더불어 동시에 통과대역에는 고속 데이터를 전송한다. 통과대역 신호는 기존 캔 신호의 도미넌트 비트 전송 구간에만 전송이 되고, 통과 대역 신호의 특성은 기존 캔 노드 장치들과 호환성을 보장하기 위해 특정한 조건으로 제한된다.

Description

통과대역 변조를 이용한 고속 캔 통신 시스템{High speed CAN communication system by using pass-band modulation}

본 발명은 캔 통신 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 기존의 표준 캔 송신 비트를 전송할 뿐만 아니라 통과대역에서 변조시켜 얻은 통과대역 캔 신호와 합성하여 데이터 전송량을 증대시킨 고속 캔 통신 시스템에 관한 것이다.

캔(CAN: controller area network) 통신 시스템은 자동차의 각종 계측 제어 장비들 간에 디지털 직렬 통신을 제공하기 위한 차량용 네트워크 시스템이다. 캔 시스템은 차량 내 전자 부품의 복잡한 전기 배선과 릴레이를 직렬 통신선으로 대체하여 지능화함으로써 중량감과 복잡성을 줄인다. 캔 시스템은 1980년에 자동차용 네트워크 프로토콜로 개발이 되었으며, 실시간 제어 성능이 우수하고, 구현이 용이한 프로토콜로, ISO에 의해 시리얼 통신 규약 ISO 11898 국제 표준으로 지정되어, 제조업, 항공, 철도 및 차량 등에 널리 사용되고 있다.

캔 메시지 구조는 도 1과 같이, 1 비트 프레임 시작 필드(start of frame : SOF), 12 비트 중재 필드(arbitration field), 6 비트 제어 필드(control field), 최대 64 비트의 데이터 필드(data field), 16 비트 CRC 필드(cyclic redundancy check field), 2 비트 ACK 필드(acknowledge field), 7 비트 프레임 종료 필드(end of frame field : EOF) 및 3 비트 프레임 간 공백 필드(inter frame space)로 구성된다. 각 필드는 일정한 체계에 따라 비트수가 할당되어 있다. 도 1의 캔 메시지 프레임에서 0과 1로 명시된 비트들은 표준에 근거하여 지정된 값으로 항상 전송되어야 하는 비트들이다. 이와 같은 11 비트 기반의 중재 필드에 추가적으로 18비트를 추가하여 합계 29 비트의 식별자를 이용할 수 있는 표준이 제정되어 현재 이용되고 있다.

프레임 시작 필드는 최초로 전송되어 프레임의 시작을 알린다. 프레임 시작 필드에 뒤따르는 중재 필드는 11 비트의 표준 포맷과 29 비트의 확장 포맷이 있으며, 식별자와 원격 전송 요구(remote transmission request: RTR) 비트를 가진다. 중재 필드는 11 비트로 이루어지는 식별자 필드이며, 캔 통신 시 전송되는 캔 메시지 프레임의 처리 우선순위를 지정한다. 중재 필드는 우선순위를 판단할 수 있도록 각 캔 컨트롤러 내부에서 발생하는 캔 데이터마다 고유의 식별자 또는 식별번호가 할당된다. 또한 RTR 비트가 "0"의 값(디폴트)을 가질 때, 캔 메시지가 데이터 프레임 상태임을 의미하고, RTR 비트가 "1"의 값을 가질 때, 캔 메시지가 원격 프레임(remote frame) 상태임을 의미한다. 원격 프레임은 캔 버스상의 한 노드가 다른 노드에 데이터 전송을 요청할 때 사용되어지며 데이터 필드가 포함되지 않는다.

제어 필드는 6 비트로 구성되며, 데이터 필드의 바이트 수를 가리키는 4 비트의 데이터 길이 코드(data length code: DLC)와 향후 사용을 위해 "0"의 값을 갖는 예비 비트 R1, R2로 구성된다.

데이터 필드는 한 노드로부터 다른 노드로 전하고자 하는 데이터를 포함하며 최대 64 비트로 구성된다. CRC 필드는 순환 중복 검사를 위한 비트로서 15 비트 코드와 끝을 알리는 "1"의 값을 가지는 비트가 이어진다. ACK 필드는 2 비트로 구성되며, 첫 번째 비트는 "0"의 값을 가지는 슬롯(slot) 비트로서 메시지를 성공적으로 수신한 다른 노드로부터 전송된 "1"의 값으로 기록될 수 있다. 두 번째 비트는 "1"의 값을 가진다.

프레임 종료(EOF) 필드는 7 비트로 구성되며, 모두 "1"의 값을 가진다. 프레임 종료 필드에 뒤이어 모두 "1"의 값을 가진 3 비트의 프레임간 공백(inter frame space)이 이어진다. 3 비트의 프레임간 공백 이후에 캔 버스는 전송을 원하는 임의의 노드가 사용할 수 있게 된다. 전송을 원하는 노드는 프레임 시작 필드를 전송하면서 버스 확보를 시도할 수 있다. 캔 버스에서 데이터 전송을 하고자하는 노드는 프레임 시작 필드(SOF) 비트를 먼저 전송하고 이후 메시지에 고유한 식별자를 전송하게 된다. 캔 프레임에는 11 비트 혹은 29 비트의 식별자가 전송되며, 이 식별자와 관련된 송신측과 수신측만이 동작을 하고, 나머지 노드들은 특별한 경우 예를 들면, 오류 검출 등이 아니면 버스 구동을 하지 않는다.

또한 두 개 이상의 노드가 동시에 전송을 시작할 수 있는데, 이 경우 캔 표준은 캔 버스 상에서 다중 액세스와 이를 위한 중재 방식을 제공한다. 캔 표준은 다중 통신을 위해 CSMA/BA(carrier sense multiple access with bitwise arbitration) 방식을 이용한다. 각 노드들은 SOF 전송 이후에 식별자를 전송하는데 식별자 값에 따라 캔 버스를 로직 레벨 0이나 1로 구동한다. 로직 레벨 0은 도미넌트(dominant), 로직 레벨 1은 리세시브(recessive)라 칭한다. 예를 들어 제1 노드는 도미넌트로 식별자 비트를 구동하고, 제2 노드는 리세시브로 식별자 비트를 구동한다고 하자. 이와 같이 두 노드가 각각 도미넌트와 리세시브를 같은 시간에 구동할 경우, 버스는 도미넌트 상태가 된다. 따라서 이 경우 리세시브로 버스를 구동한 제2 노드의 경우 전송 비트와 버스에서 수신된 비트가 다르므로 중재에서 우선순위가 밀린 것을 인지하고, 버스 구동을 멈춘다. 결과적으로는 식별자(ID)의 값이 작은 메시지가 우선순위가 높아짐을 알 수 있다.

식별자 경쟁을 통해 버스 사용권을 확보한 노드는 최대 64 비트까지 데이터 구간에 실어서 전송할 수 있다. 비트 구간 내에서 수신기의 샘플링 시점을 정하기 위해서, 수신기는 로직 레벨 0에서 1 또는 로직 레벨 1에서 0의 비트 천이 시점을 이용한다. 비트 천이가 일정 구간 내에 항상 발생하도록 하기 위해 동일 비트가 5개 이상 전송이 될 때는 반드시 1 비트의 다른 비트를 삽입하여 에지가 발생하도록 전송한다. 즉 비트 "1"이 5개가 전송이 되면, 비트 "0" 1개를 삽입하여 전송하고, 수신기는 이렇게 삽입된 비트를 제거한다. 수신기는 비트 변화를 이용하여 에지를 검출하고, 이로부터 일정한 옵셋 시간 이후에, 샘플링을 수행하여 비트 검출을 수행한다. 옵셋은 시스템의 지연 등에 따라 적절한 값으로 설정이 되어야 한다.

최근에 특히 차량에서 멀티미디어 장치 등을 포함하는 고속의 데이터 전송 요구가 늘어나고 있다. 기존 캔 표준 인터페이스를 그대로 두고, 추가로 다른 고속 표준의 전송 방식을 도입하는 것을 생각할 수 있다. 하지만, 이 방식은 새로운 고속 표준을 사용하기 위해 추가로 케이블을 더 설치해야 하므로, 차량 중량의 증가 및 제조 원가 상승의 문제점을 갖고 있다. 따라서 최근에는 캔 표준을 바탕으로 데이터 전송 속도를 높이는 방법들이 제안되고 있다.

먼저, 캔 통신 시스템의 1Mbps 전송 속도를 유지하면서, 데이터 전송 효율을 높이기 위한 노력으로, 채널 지연 분석을 통한 효율적인 스케줄링 방법이 제안되었다. 이와는 달리 오버클로킹(overclocking)을 통해서 고속의 데이터 전송을 하기 위한 방법들도 제안되었는데, 데이터 전송 구간 동안 오버클로킹을 통해 데이터를 짧은 시간에 전송하는 이 방식은 데이터를 오버클로킹을 통해 빨리 전송을 하는 것인데, 데이터 전송 시간이 짧아지나 전체 전송 속도는 크게 늘지 않는 단점이 있다. 이에 대한 개선으로 오버클로킹으로 데이터 전송하는 구간을 늘려서 고속 전송을 이루기 위한 노력으로 CAN-FD(CAN with flexible data-rate)에 관한 기술이 제안되고 있다. 이는 SOF와 식별자 전송을 통해 버스 사용권을 확보한 이후에, 데이터 구간에서 최대 16MHz까지 오버클로킹을 하여 속도를 향상시키는 기술이다. 데이터 전송이 완료된 이후에는 1Mbps의 기존 캔 속도로 회귀한다. CAN-FD 장치가 기존의 캔 장치들과 같이 동작하는 경우, CAN-FD 데이터 구간에서 기존의 캔 수신기들이 1Mbps 클록 복원을 수행할 수 있는데, 이때 CAN-FD 신호 구간에서는 한 개의 1㎲ 비트구간에서 여러 개의 에지가 검출되므로, 기존 캔 수신기와의 호환성을 유지하지 못한다. 따라서 CAN-FD 방식은 CAN-FD 방식을 지원하는 방식 간에만 사용이 가능하다.

CAN-FD 방식과 같이 오버클로킹으로 고속 전송을 하면서, 기존 캔 수신기와의 호환성을 유지하기 위한 방식이 제안되었다. 이 방식은 고속의 클록을 1㎲ 비트 구간 전체에 걸쳐서 전송하지 않고, 기존 캔 노드들이 에지 검출이나 샘플링을 하는 구간을 제외한 회색구간(gray zone)에서만 클록을 높여서, 기존 캔 노드들이 에지 오검출이나 데이터 오검출을 하지 않도록 하여 호환성을 유지하는 것이다. 하지만, 비트 구간 전체에 고속 데이터를 전송하지 못하므로, CAN-FD 방식보다 속도가 낮은 단점이 존재한다.

앞에서 제안한 모든 개선 방식은 오버클로킹을 통해 속도를 높이는 공통점이 있다. 하지만, 캔 표준에 따른 에지검출과 샘플링을 통한 전송방식은 클록을 높이는데 한계가 있으며, 일반적인 채널의 주파수 특성상 고주파 대역이 응답이 제한되므로 고속 클록 사용시 안정적인 수신을 보장하기 어렵다. 에지검출과 샘플링을 수신기가 수행하려면 사각파형에 근사한 파형이 수신기에 수신되어야 하는데, 고속 클록을 사용할 경우, 사각파형을 수신기에서 온전히 수신하기 어렵게 되어 에지 검출 및 비트 검출 성능이 떨어지는 것이다. 따라서 현재 제안되고 있는 CAN-FD의 속도도 16Mbps 정도가 최대 속도이다.

본 발명은 캔 데이터 구간에서 캔 신호는 그대로 전송하면서, 이와 동시에 고속의 송수신을 위한 통과 대역 변조 신호를 기존의 신호에 더하여 전송함으로써, 기존 캔과의 호환성을 유지함과 동시에 추가적인 고속의 데이터 전송을 가능케 하는 방식이다.

차량과 제어기에 필요한 대역폭이 늘어남에 따라 기존 캔 통신 시스템으로는 감당하기 어려운 멀티미디어 응용이 증가하고 있으며, 이를 해결하기 위해 별도의 고속 네트워크를 설치하는 것은 비용이 많이 소요되며, 특히 차량의 경우 별도의 케이블을 추가적으로 설치하는 것은 차량의 무게와 단가가 높아지는 문제점이 있다.

고급 차량으로 갈수록 차량 내 전자 제어 장치 및 멀티미디어 장비가 증가되고, 이러한 분리 시스템들을 상호 연결하기 위해서 일반적으로 사용되는 배선 장치는 믿어지지 않을 정도의 엄청난 케이블을 필요로 한다. 이것은 전체적인 차량의 무게와 제조비용에서 상당한 부분을 차지하며 신뢰성 저하 및 품질 문제 발생 요소의 증가를 가져와 근본적인 대책이 필요하게 되었다.

도 2는 종래의 차량의 캔 통신 시스템을 나타낸다. 캔 통신 시스템 상의 각 노드는 각각의 캔 컨트롤러를 구비하고 있고, 캔 컨트롤러는 송신과 수신을 각각 수행할 수 있으며, 캔 컨트롤러는 캔 프레임 작성, 식별자 처리, 데이터 전달 및 에러 처리를 담당하며, 캔 트랜시버는 비트를 도미넌트와 리세시브 비트로 실제 캔버스에 싣는 역할을 담당한다. 일반적으로 에러에 강인하도록 차동(Differential) 신호를 사용한다. 리세시브 비트의 전송은 일반적으로 해당 노드가 버스를 구동하지 않아, 버스 상태가 기본값으로 회귀하도록 설정된다. 이 상태에서 다른 노드가 버스를 구동할 경우, 버스 상태를 이를 그대로 따라가게 된다.

도 3은 도 2에 도시된 캔 트랜시버의 버스 구동 신호를 나타낸다. 도미넌트 신호는 비트 0, 리세시브 신호는 비트 1에 해당된다. 도미넌트 신호일 때는 해당 노드에서 버스로 신호를 전송하고, 리세시브 신호일 때는 해당 노드는 신호를 수신한다. 동일한 비트 구간 내에 캔 노드들이 동시에 도미넌트와 리세시브를 구동할 때 캔 버스는 도미넌트 상태가 되고 도미넌트 비트를 전송한 노드는 캔 트랜시버를 통해 버스에 데이터를 송신하고, 리세시브 비트를 전송한 노드는 버스가 사용 가능할 때까지 대기한다.

1. 유럽공개특허 제2521319호(2012년 11월 07일 공개)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 기존의 캔 송신 비트를 전송할 뿐 아니라 통과대역에서 변조시켜 얻은 통과대역 캔 신호와 합성한 신호를 캔 버스에 전달함으로써 기존의 캔 통신 시스템과 호환성을 유지하면서 데이터 전송 속도를 향상시키는 고속 캔 통신 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 통과대역 변조를 이용한 고속 캔 통신 시스템은 기존의 캔 통신 시스템과 호환이 가능한 고속 캔 통신 시스템에 있어서, 캔 송신 비트열와 고속 캔 송신 비트열을 제공하는 캔 제어기 및 상기 고속 캔 송신 비트를 통과대역으로 변조시켜 얻은 통과대역 캔 신호와 상기 캔 송신 비트열을 기저대역으로 변환하여 얻은 기저대역 캔 신호를 합성하여 캔 버스에 전달하는 캔 송신기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 기존 캔 시스템에 비해 데이터 전송 속도를 획기적으로 향상시키면서 기존의 시스템과 호환이 가능하여 비용이 크게 추가되지 않고, 캔 통신 시스템을 경량화 및 고속화시킬 수 있다.

본 발명의 고속 캔 통신 시스템은 기존에 설치되어 운용중인 캔 통신 장치들과 호환이 가능하므로 기존의 운용중인 캔 시스템을 그대로 유지하면서 멀티미디어와 같은 고속 통신이 필요한 응용을 점진적으로 추가할 수 있어서 자동차 제조사와 같은 제조업체가 도입을 하여 사용하기에 아주 용이한 발명이다.

도 1은 표준 캔 메시지 프레임.
도 2는 종래의 차량의 캔 통신 시스템의 개략도.
도 3은 캔 신호의 버스 신호 특성 그래프.
도 4는 본 발명에 의한 고속 캔 통신 시스템의 구성도.
도 5는 도 4에 도시된 통과대역 캔 신호 발생기.
도 6은 도 4에 도시된 기저대역 캔 신호 발생기.
도 7은 기저대역 캔 대역 제한 필터 주파수 응답 특성 그래프.
도 8은 신호 변환기에 의해 변환된 차동신호 파형 그래프.
도 9는 보호구간 동안 통과대역 신호를 전송하지 않는 경우 통과대역 캔 신호 특성 그래프.
도 10은 보호구간 동안 고정된 신호를 전송하는 경우 통과대역 캔 신호 특성 그래프.
도 11은 보호구간 동안 통과대역 캔 신호를 반복하여 전송하는 경우 통과대역 캔 신호 특성 그래프.
도 12는 기저대역 캔 신호, 통과대역 캔 신호 및 송신 신호 파형 그래프.
도 13은 통과대역 캔 신호 발생기의 출력 신호 파형도.
도 14는 가변 진폭 변조 기법 사용 시 개선된 캔 신호 파형도.
도 15는 통과 대역 신호의 클리핑 방식 설명도.
도 16은 통과 대역 신호의 클리핑 방식 설명도.
도 17은 통과대역 캔 신호와 기저대역 캔 신호의 주파수 스펙트럼.
도 18은 대역 제한 필터를 통과한 기저대역 캔 신호와 통과대역 캔 신호의 주파수 스펙트럼.
도 19는 표준 프레임 사용 시 기저대역 캔 신호 비트에 따른 통과 대역 캔 신호 전송 비트 프레임.
도 20은 확장 프레임 사용 시 기저대역 캔 신호 비트에 따른 통과 대역 캔 신호 전송 비트 프레임.
도 21은 중재과정에서 우선순위에서 밀려 버스 사용권을 잃은 경우 통과대역 신호 송신 방법의 설명도.
도 22는 64비트 전송 시 통과대역 캔 신호 전송이 가능한 비트 프레임.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시 예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.

도 4는 본 발명에 의한 고속 캔 통신 시스템으로서, 고속 캔 제어기(1)와 고속캔 송신기(6)를 포함한다. 고속 캔 제어기(1)는 고속캔 송신기(6)에 기존의 캔 메시지 프레임인 캔 송신 비트열뿐만 아니라 본 발명에 의한 고속 캔 송신 비트열을 전송한다. 캔 송신 비트는 기저대역 캔 신호 발생기(2) 뿐만 아니라 통과대역 캔 신호발생기(3), 신호 합성기(4) 및 신호 변환기(5)의 구동을 제어하는데 입력된다.

고속 캔 송신기(6)는 기저대역 캔 신호 발생기(2), 통과대역 캔 신호발생기(3), 신호 합성기(4) 및 신호 변환기(5)를 포함한다.

통과대역 캔 신호발생기(3)는 고속 캔 송신 비트열을 입력받아 통과대역 캔 신호로 변환한다. 통과대역 캔 신호발생기(3)는 도미넌트 비트, 즉 비트 0일 때만 캔 버스(7)를 구동시키므로, 캔 송신 비트열을 입력으로 받아서, 도미넌트 비트가 전송될 때에만 통과대역 캔 신호 발생기(3)가 동작한다. 기저대역 캔 신호 발생기(2)는 1Mbps의 기존 캔 송신 비트열을 입력받아 기저대역에서 캔 표준 신호에 적합하도록 변환한다. 신호 합성기(4)는 통과대역 캔 송신 신호와 기저대역 캔 송신 신호에 가중치를 곱하여 합한다. 신호 합성기(4)는 캔 송신 비트열이 도미넌트 비트일 때는 동작하고, 리세시브 비트일 때는 동작을 하지 않는다. 신호 변환기(5)는 캔 송신 비트열이 도미넌트 비트일 때만 동작하고, 비대칭신호(singled-ended signal)를 차동 신호(differential signal)로 변환하여 캔 버스(7)에 전달한다. 신호 변환기(5)는 송신 비트열이 리세시브 비트일 때는 캔 버스(7)의 구동을 멈춘다.

도 5는 도 4에 도시된 본 발명에 의한 통과대역 캔 신호 발생기(3)로서, 직병렬 변환기(8), I 신호 매핑기(9), Q 신호 매핑기(10), 제1 펄스성형필터(11), 제2 펄스성형필터(12), 변조기(13) 및 반송파 발생기(14)를 포함한다.

신호 발생기의 입력인 고속 캔 비트열은 표준 캔 비트 속도 1Mbps보다 높은 속도인 R로 입력된다. 직병렬변환기는 고속 캔 비트열을 통과 대역 전송을 위해 두개의 스트림으로 변환하여, 1열은 I(In-phase) 신호 매핑, 2열은 Q(Quadrature) 신호 매핑을 수행한다. 통과 대역 변조 방식에 따라 I 신호와 Q 신호에 1비트 이상의 비트를 실을 수 있다. 예를 들어, QPSK 변조 방식을 사용할 경우, I 신호와 Q 신호에 각각 1비트씩을 실을 수 있고, 16QAM을 이용할 시에는 각각 2비트씩을 실을 수 있다. 이 경우, I 신호와 Q 신호의 심볼율 f_s는 QPSK시 R/2 , 16QAM 신호 사용 시 R/4가 된다. 기저대역 캔 비트구간에서 정수개의 통과대역 심볼이 전송되도록 하는 것이 전송 시스템을 단순화하는데 도움이 되므로, f_s는 n1 MHz (n1은 2 이상의 정수)로 설정한다. 비트 매핑 시, QPSK의 경우 비트 0은 1로, 비트 1은 -1로 매핑한다. 16QAM의 경우, 비트 00는 -1, 비트 01은 -1/3, 비트 10는 1/3, 비트 11은 1로 매핑한다.

펄스성형필터는 통과 대역 신호의 대역 외 방사를 제한하기 위해 사용되는데, RRC 필터(root raised cosine filter) 또는 버스의 주파수 특성 및 통과대역 캔 표준 변조 방식에 따라 다양한 펄스성형필터가 사용될 수 있다. 매핑된 신호는 필터를 통과한 후 먼저 기저대역 신호 S_I(t)와 S_Q(t)를 생성한다. 캔 표준에 따르면 캔 버스(7)상의 모든 노드들은 도미넌트 신호 전송 시에만 버스를 구동할 수 있으므로, 통과대역 캔 신호는 기저대역 캔 신호의 도미넌트 비트 전송 구간에만 생성하여 전송토록 한다.

반송파 발생기(14)는 통과대역 캔 신호의 통과대역 주파수 f_c에 맞는 반송파 신호를 발생하고. 통과대역 주파수 f_c의 설정을 높게 할수록 기저대역 캔 신호에 의한 간섭이 작아지나, 너무 높게 설정할 경우, 채널의 고주파 감쇄 효과로 인해 신호 크기가 작아지게 되므로, 시스템의 요구에 따라 적절한 값으로 정한다.

변조기(13)는 수학식 1과 같은 변조를 수행한다. Φ는 반송파의 위상을 나타낸다. f_c는 반송파의 동작 주파수로서 임의의 값으로 설정될 수 있으나, 시스템의 단순화를 위해서는 n2 MHz로 (n2는 2 이상의 정수) 설정하는 것이 유리하다. 이 경우 기저대역 캔 한 비트구간에 n2 주기의 반송파가 실리게 된다.

도 6은 도 4에 도시된 기저대역 캔 신호발생기(2)로서, 신호 매핑기(15)는 캔 송신비트를 전송을 위해 비트 0(도미넌트)는 1로, 비트 1(리세시브)은 0으로 매핑한다. 기저대역 캔 신호의 비트 구간을 T_CAN이라 하고,

구간에서의 비트를 b_k라 할 때, 신호 매핑기(15)의 출력 S_CAN(t)는 수학식 2와 같이 표현된다.

매핑된 신호 S_CAN(t)는 통과대역 캔 신호에의 간섭 억제를 위해 수학식 3과 같이 저대역필터(16)에 통과한다.

저대역필터(16)의 주파수 응답 특성은 캔 신호 성분이 고속 캔 신호의 통과대역에서의 억제 정도를 고려하여 설계된다. 도 7은 본 발명에 의한 저대역필터(16)의 응답 특성 그래프의 한 예시로서, 통과대역 캔 신호의 반송파 주파수 f_c는 8MHz 이고, 통과대역 캔 심볼율 f_s가 4M 심볼/초일 때의 기저대역 캔 신호의 통과대역 간섭을 억제할 수 있음을 보여준다.

신호 합성기(4)는 통과대역 캔 신호와 기저대역 캔 신호에 가중치를 곱하여 수학식 4와 같이 합성한다.

A_CAN과 A_SS는 각각 기저대역 캔 신호와 통과대역 캔 신호의 가중치를 나타낸다. 간략히 A_CAN=1을 가정한다. 기저대역 캔 신호와 통과대역 캔 신호의 합인 개선된 캔 신호를 버스상의 기존 캔 노드들이 문제없이 수신할 수 있도록 A_CAN > A_SS 인 조건을 만족하는 적절한 A_SS를 선택하여야 한다.

신호 변환기(5)는 도 8과 같이 일반신호(single-ended)를 차동신호(differential)로 변환하여 버스에 싣는다. 도 8의 예는 통과대역 변조 방식으로 QPSK 변조를 사용하고, 기저대역 캔 신호의 가중치(A_CAN)는 1 V인 경우를 보여준다.

캔 표준 신호의 진폭은 일반적으로 수 V에 달하나, 본 발명의 통과대역 캔 신호의 진폭 A_SS는 이보다 작은 값(수십 mV ~ 수백 mV)을 갖게 함으로써, 캔 버스(7)의 기존 캔 노드들이 통과대역 캔 변조 신호에 방해받지 않고, 기저대역 캔 신호를 검출할 수 있도록 한다. 캔 표준에 따라 도미넌트 비트인 경우에만 버스를 구동하므로, 이때에만 통과대역 캔 신호를 싣도록 하고, 캔 신호가 리세시브인 경우에는 통과대역 캔 신호를 싣지 않는다. 상기 신호 합성기(4)는 캔 표준 노드들과의 호환성을 위해 도미넌트 비트에만 통과대역 캔 신호를 합성하고, 리세시브 구간에서는 통과대역 캔 신호를 합성하지 않는다.

본 발명의 고속 캔 송신기(6)는 통과대역 캔 신호의 연속적인 전송 구간의 시작이나 끝부분에 보호구간을 설정하고, 이 보호구간에는 도 9의 예시와 같이 통과대역 캔 신호를 전송치 않거나, 도 10의 예시와 같이 고정신호를 전송하거나, 도 11의 예시와 같이 전송신호의 일부분을 반복하여 전송한다. 이와 같이 보호구간을 설정한 이유는 통과대역 캔 신호를 리세시브 비트 구간에는 전송하지 않다가, 도미넌트 비트 구간에 불연속적으로 전송 시작 및 종료를 함으로써 생기는 신호 왜곡으로부터 통과대역 캔 신호를 보호하기 위함이다. 보호구간의 길이는 채널의 지연 특성에 따라 변화할 수 있다. 도 9는 보호구간 동안 통과대역 캔 신호를 전송하지 않는 경우이다. 도 10은 보호구간 동안 고정된 신호를 전송하는 경우를 나타낸다. 도 11은 통과대역 캔 신호가 신호 1, 신호 2 및 신호 3의 순으로 구성될 때, 신호 3을 시작 부분에, 신호 1을 끝부분에 반복하여 전송하는 경우를 보인다. 보호구간은 시작과 끝부분에 모두 존재할 수도 있고, 어느 한 부분에만 존재할 수도 있다.

도 12는 기저대역 캔 신호와 통과대역 캔 신호의 합으로 생성된 개선된 캔 신호를 구성하는 방법을보인 것이다.

통과대역 캔 신호의 변조 방식은 고정 진폭 변조 방식과 가변 진폭 변조 방식이 모두 사용 가능하다. 하지만, 통과대역 캔 신호와 기저대역 캔 신호를 합한 고속 캔 신호가 캔 비트 구간 1us내에서 기존 캔 노드들이 기저대역 캔 비트를 판독하고, 에지를 검출하는 데에 장애를 주지 않도록 제한되어야 한다. 도미넌트 비트 전송 구간에서 통과대역 캔 신호와 기저대역 캔 신호 합의 최저값(S_min)은 도 13에서와 같이 1-A_SS로 제한된다. 이 경우 A_SS가 작아져서 최저값(S_min)과 0과의 격차가 클수록 기존 캔 노드 수신기측에서 도미넌트 비트를 리세시브 비트로 오검출하는 가능성이 낮아지게 된다. 또한, 기저대역 캔 비트 천이구간 동안 에지 오검출 가능성도 낮게 된다. 반대로 통과대역 캔 신호의 가중치(A_SS)를 크게 하면 통과대역 캔 신호의 신호 대 잡음비가 높아지는 장점이 있으나, 최저값(S_min)이 작아지게 되어, 개선된 캔 신호를 수신한 기존 캔 노드들의 비트 오검출 및 에지 오검출 가능성이 높아지게 된다. 통과대역 캔 신호의 가중치(A_SS)는 통과대역 캔 신호발생기의 변조 방식, 채널 특성 및 전송율에 따라 조정이 가능한 시스템 파라미터이다. 가중치(A_SS)는 동일한 캔 프레임 내에서도 기저대역 캔 신호 필드 및 전송되는 통과대역 데이타에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 프레임 시작 필드와 중재 필드 구간에서는 기존 캔 노드들과의 상호 운용을 원활히 하게 위해 A_SS를 작게 설정하여 작은 진폭으로 전송하고, 나머지 구간에서는 A_SS를 크게 설정할 수 있다.

상기 통과대역 캔 신호발생기가 사용하는 가변 진폭 변조 방식은 주파수 대역의 사용 효율을 높여서 고속 전송이 가능한 장점이 있다. 사용가능한 변조 방식은 16QAM, 32QAM, 64QAM 등이 모두 가능하고, 실제 적용 여부는 채널의 특성에 따라 결정되어야 한다. 가변진폭 변조 방식은 전송되는 데이터에 따라 도 14와 같이 통과대역 캔 신호는 전송 비트열에 따라 다양한 진폭 꼭지점 값이 발생되는데, 모든 꼭지점 값 중에서 최대치를 찾고, 이를 바탕으로 최대 진폭을 제한하여 기존 캔 전송장치와의 호환성을 확보하도록 한다.

상기 통과대역 캔 신호발생기가 사용하는 고정 진폭 변조 방식으로는 주파수 변조와 위상 변조 기법이 모두 사용가능하다. 위상 변조 방식으로는 BPSK, QPSK, OQPSK 또는 R/4-DQPSK 방식을 사용할 수 있으며, 주파수 변조 방식으로는 FSK 또는 CPM등이 사용가능하다.

상기 통과대역 캔 신호 발생기(3)가 고정 진폭 변조 방식을 사용할 경우, 통과 대역 신호의 진폭에는 정보가 실리지 않으므로, 통과 대역 신호를 도 15와 도 16과 같이 제한(clipping)하여 전송하는 것이 가능하며, 이 경우 신호 합성기(4) 및 신호 변환기(5)의 복잡도를 감소시킬 수 있다. 통과 대역 신호의 클리핑은 펄스성형필터(11, 12)의 출력을 이용하며, 통과 대역 캔 신호를 위한 펄스성형필터가 없을 때는 신호 매핑기(9, 10)의 출력을 도 15 또는 도 16과 같이 클리핑한다. 도 15는 통과대역 캔 신호를 0보다 큰 경우는 1, 0보다 작은 경우는 -1로 단순화함으로써 캔 신호 발생기(3), 신호 합성기(4) 및 신호 변환기(5)를 단순화할 수 있다. 또는 도 16과 같이, 도 15의 클리핑 방식을 더 단순화하여 통과 대역 신호가 0보다 클 때는 1, 0보다 작을 때는 0으로 고정하여, 통과대역 캔 신호 발생기(3)의 출력은 1과 0의 두 가지 값 중에 하나만을 갖게 되고, 통과 대역 캔 신호는 항상 양의 값만 갖게 되므로, 통과대역 캔 신호 발생기(3)를 도 5보다 단순화시킬 수 있을 뿐 아니라 신호 합성기(4) 및 신호 변환기(5)를 더 단순화할 수 있다.

도 17은 기저대역 캔 신호에 기저대역 필터(16)를 사용하지 않았을 경우의 고속 캔 신호의 주파수 스펙트럼의 예시를 나타낸다. 통과대역 캔 신호의 펄스성형필터로 롤오프 계수(roll-off factor)가 0.3인 RRC 필터(Root Raised Cosine filter)가 사용되었다. 기저대역 캔 신호의 진폭은 기저대역 캔 신호의 가중치(A_CAN)은 일반 신호 기준 1V이며, 차동 신호 기준으로 2V이다. 통과대역 캔 신호는 반송파 주파수 f_c = 24MHz, 심볼율 f_s =16MHz이고, 진폭 A_SS는 100mV이며, 변조 방식은 QPSK일 경우이다. 통과대역 캔 신호의 주파수에 따른 방사 특성은 펄스성형필터에 따라 변화할 수 있으며, 방사 조건과 변조 기법에 따라 적절한 펄스성형필터를 사용함으로써 최적화가 가능하다.

기저대역 캔 신호의 고주파수 성분이 통과대역 캔 신호에 잡음으로 작용하는 것을 방지하기 위해 도 6과 같이 기존 캔 신호의 출력을 저대역필터(16)를 통과시켜 전송할 수 있다. 저대역필터(16)의 억제주파수(stop band) 설정은 통과 대역 캔 신호의 반송파 주파수와 심볼율에 따라 결정되는데, 도 18과 같이 통과 대역 신호의 주봉(main lobe)에 기저대역 캔 신호의 고주파 성분이 최소화되도록 설정하는 것이 유리하다.

통과 대역 송신신호는 변조 방식, 반송파 주파수 및 심볼율에 따라 다양하게 구성할 수 있다. 표 1은 몇 가지 통과대역 캔 송신 시스템 예시를 보여준다.

	변조방식	반송파 주파수	심볼율	통과대역 캔 신호 최대 송신율
구현예 1	QPSK	8MHz	4MHz	8 Mbps
구현예 2	QPSK	32MHz	32MHz	64 Mbps
구현예 3	QPSK	64MHz	64MHz	128 Mbps
구현예 4	16QAM	64MHz	64MHz	256 Mbps

통과대역 캔 신호는 노드가 캔 버스(7)를 구동할 수 있는 도미넌트 비트 전송 구간에는 항상 사용가능하다. 따라서 도 1의 캔 메시지 프레임 구조에서 프레임시작필드, 중재필드, 제어필드, 데이터필드, CRC 필드에서 도미넌트 비트가 전송될 때는 통과대역 캔 변조신호 전송이 가능하다. 다만, ACK 필드, 프레임종료필드 및 프레임간 공백에는 통과대역 캔 신호를 전송하지 않는다.

도 19는 표준 프레임 사용 시 기저대역 캔 신호 비트열과 이에 상응하는 통과 대역 캔 신호 전송 구간의 예시를 보인 것이다. 데이터 전송구간은 32 비트를 가정한다. 도 20은 확장 프레임 사용 시 기저대역 캔 신호 비트열에 따른 통과 대역 캔 신호 전송되는 구간과 전송되지 않는 구간을 예를 들어 보인 것이다. 데이터 전송 구간은 8 비트를 가정한다.

캔 표준에 의한 식별자 중재 과정에서 본 발명에 의한 개선된 캔 노드 A가 식별자 비트를 전송하다가 도 21과 같이, 9번째 비트에서 리세시브 비트 전송을 하는 중에, 다른 노드 B(노드 B는 기존의 캔 노드가 될 수도 있으며, 혹은 본 발명에 의한 개선된 캔 노드가 될 수 있다)가 버스를 도미넌트로 구동하게 되는 경우, 노드 A는 버스 사용권을 잃게 되고, 노드 A의 캔 송신기(6)는 다음 비트 구간에서부터는 기저대역 캔 신호와 통과대역 캔 신호의 전송을 모두 멈추어야 한다.

프레임 내에서 통과대역 캔 전송 구간을 최대화하기 위해서 고정 비트를 제외한 가변 비트 필드들에 도미넌트 비트를 많이 할당하는 것이 필요하다. 가변 필드 중 중재필드는 노드에 고유한 식별자이므로 임의로 수정이 불가능하나 이를 제외한 데이터 필드는 도미넌트 비트수를 최대화하도록 변경하는 것이 가능하다. 이를 위해서는 DLC 비트를 "1000"으로 고정하여 데이터 구간을 최장 구간인 64 비트로 설정하여 데이터 전송 구간길이를 최대화하고, 데이터 구간에서 비트열의 데이터 흐름은 도미넌트 비트 5 비트와 리세시브 비트 1 비트의 반복 패턴으로 설정한다. 특히 이 경우에 데이터 구간에 뒤따르는 CRC의 정합성은 무의미하므로, CRC 구간에도 5 비트 도미넌트 비트와 뒤따르는 1 비트 리세시브 비트 패턴을 그대로 적용하여, 통과 대역 캔 신호의 전송 시간을 늘릴 수 있다. 도 22는 표준 프레임을 이용하여 64 비트 데이터 전송을 하는 경우에, 5 비트 도미넌트와 1 비트 리세시브 비트의 패턴 반복을 이용하여 통과대역 캔 신호가 전송 가능한 구간을 최대화한 예를 보인다. DLC 필드는 8바이트, 즉 64 비트를 표현하는 비트 1, 비트 0, 비트 0 및 비트 0으로 설정되었고, 데이터 필드(64 비트)와 CRC 비트(15 비트)는 최대 도미넌트 비트수를 갖도록 비트를 모두 0으로 설정하였다. 캔 표준에 따라서 연속하는 5개의 비트 0 이후에는 비트 1을 자동적으로 삽입하게 되어 있으므로, 실제 전송되는 비트열은 DLC 필드와 연이어서 "100000"이 된다. 데이타 비트 구간에서 13비트, CRC 구간에서 3비트의 리세시브 비트가 추가됨을 알 수 있다. DLC 필드, 데이터 필드 및 CRC 필드에서 최대 가능한 도미넌트 비트수는 이들의 합인 3+64+15 = 82 비트이다. 이는 캔 프레임 내에서, 82 비트구간, 즉 82㎲ 동안은 캔 노드의 식별자와 무관하게 항상 통과 대역 캔 신호를 전송할 수 있음을 뜻한다.

이상에서는 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 고속 캔 제어기 2 : 기저대역 캔 신호 발생기
3 : 통과대역 캔 신호 발생기 4 : 신호 합성기
5 : 신호 변환기 6 : 고속 캔 송신기
7 : 캔 버스 8 : 직병렬 변환기
9 : I 신호 매핑기 10 : Q 신호 매핑기
11 : 제1 펄스성형필터 12 : 제2 펄스성형필터
13 : 캔 신호 변조기 14 : 반송파 발생기
15 : 신호 매핑기 16 : 저대역필터

Claims

캔(CAN: controller area network) 통신 시스템과 호환이 가능한 고속 캔 통신 시스템에 있어서,
캔 송신 비트열와 고속 캔 송신 비트열을 제공하는 고속 캔 제어기 및 고속 캔 송신기를 포함하되,
상기 고속 캔 송신기는,
상기 캔 송신 비트열로부터 통과대역의 고주파 성분을 제거하여 기저대역 캔 신호를 발생시키는 기저대역 캔 신호 발생기;
상기 캔 송신 비트열에서 도미넌트(dominant) 비트가 전송될 때, 상기 고속 캔 송신 비트를 신호 매핑하고 변조시켜 통과대역 캔 신호를 발생시키는 통과대역 캔 신호 발생기 및
상기 기저대역 캔 신호와 상기 통과대역 캔 신호에 가중치를 곱하여 합성하고, 상기 캔 송신 비트열에서 리세시브(recessive) 비트가 전송될 때 정지하는 신호 합성기를 포함하고,
상기 신호 합성기는 캔 송신 비트의 도미넌트 구간에는 통과대역 캔 신호를 출력하고, 리세시브 구간에는 기저대역 캔 신호를 출력하여, 기존의 캔 통신 시스템과 호환을 유지하면서 데이터 전송속도를 증대시키는 것을 특징으로 하는 고속 캔 통신 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 통과대역 캔 신호 발생기는,
상기 고속 캔 송신 비트를 다중 스트림으로 변환하는 직병렬 변환기;
상기 다중 스트림의 한 열을 I 신호 매핑하여 I 신호를 생성하는 I 신호 매핑기;
상기 다중 스트림의 나머지 열을 Q 신호 매핑하여 Q 신호를 생성하는 Q 신호 매핑기;
상기 I 신호와 상기 Q 신호를 필터링하여 제1 기저대역 캔 신호와 제2 기저대역 캔 신호를 출력하는 펄스성형필터;
통과대역 주파수를 갖는 반송파를 발생시키는 반송파 발생기 및
상기 제1 기저대역 캔 신호와 상기 제2 기저대역 캔 신호에 상기 반송파 또는 상기 반송파의 위상 지연 신호를 곱하고 합하여 통과대역 캔 신호를 출력하는 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 캔 통신 시스템.
제1항에 있어서,
상기 기저대역 캔 신호 발생기는,
상기 캔 송신 비트를 입력받아 도미넌트 비트는 로직 레벨 1로 매핑하고, 리쎄시브 비트는 로직 레벨 0으로 매핑하는 신호 매핑기 및
통과대역에 따라 억제 주파수를 설정하여, 상기 신호 매핑기의 출력 신호의 고주파 성분을 제거하는 저대역필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 캔 통신 시스템.
제3항에 있어서,
상기 통과대역 캔 신호 발생기는,
상기 펄스성형필터의 출력이 0보다 클 때는 1로, 0보다 작을 때는 0으로 클리핑하여 0 또는 양의 값만을 갖도록 변환하여 상기 신호 합성기 및 상기 신호 변환기를 단순화하는 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 고속 캔 통신 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 고속 캔 제어기는,
상기 캔 송신 비트열 중에서 시작 필드와 식별자 필드를 포함하는 고정 필드와 DLC 필드, 데이터 필드 및 CRC 필드를 포함하는 가변 필드의 도미넌트 비트구간에 통과대역 캔 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 고속 캔 통신 시스템.
제7항에 있어서,
상기 고속 캔 제어기는,
캔 프레임의 데이타 필드와 CRC 필드에 모두 비트 0을 할당하여, 연속된 도미넌트 5 비트와 뒤따르는 리세시브 1 비트의 반복 패턴으로 기저대역 캔 송신 비트열을 생성하여 상기 고속 캔 송신기에 전송하는 것을 특징으로 하는 고속 캔 통신 시스템.
제1항에 있어서,
상기 고속 캔 송신기는,
통과대역 캔 신호 전송 구간에서 상기 통과대역 캔 신호와 상기 기저대역 캔 신호의 합의 최소값을 일정값 이상이 되도록 제한하고, 최소값은 통과대역 캔 신호의 가중치로 조절하여 기존 캔 노드들과의 호환성을 보장하는 것을 특징으로 하는 고속 캔 통신 시스템.
제1항에 있어서,
상기 통과대역 캔 신호 발생기는,
통과대역 캔 신호 변조 기법에 가변 진폭 변조 방법을 적용하여 전송 비트열에 따라 발생하는 다양한 진폭 꼭지점 값 중에서 최대치를 찾고, 최대치를 기준으로 상기 통과대역 캔 신호의 최대 진폭을 제한하여 기존 캔 전송장치와의 호환성을 보장하는 것을 특징으로 하는 고속 캔 통신 시스템.
제1항에 있어서,
상기 통과대역 캔 신호 발생기는,
상기 통과대역 캔 신호의 가중치를 각 필드 또는 전송되는 통과대역 데이터에 따라 동일한 캔 프레임 내에서 다르게 설정하는 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 고속 캔 통신 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 고속 캔 송신기는,
상기 통과대역 캔 신호의 시작 또는 끝부분에 보호구간을 설정하고, 이 보호구간 동안, 데이터를 전송치 않거나, 알려진 데이터를 전송하거나, 데이터의 일부분을 반복 전송하는 것을 특징으로 하는 고속 캔 통신 시스템.