KR101686969B1 - 대기중 사운드 통신 방법 및 그 시스템 - Google Patents

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KR101686969B1 KR1020160029823A KR20160029823A KR101686969B1 KR 101686969 B1 KR101686969 B1 KR 101686969B1 KR 1020160029823 A KR1020160029823 A KR 1020160029823A KR 20160029823 A KR20160029823 A KR 20160029823A KR 101686969 B1 KR101686969 B1 KR 101686969B1
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Abstract

본 발명은 대기중 사운드 통신 방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 데이터를 싣는 소리에 대한 비트 주파수 함수를 생성하는 비트 주파수 함수 생성 단계; 전송할 데이터를 상기 비트 주파수 함수에 의하여 생성되는 신호에 싣는 데이터 주파수 함수 생성 단계; 상기 데이터 주파수 함수에 따라서 시간에 따라서 변동하는 출력 신호를 생성하는 출력 신호 생성 단계; 생성된 출력 신호를 스피커를 이용하여 출력하는 스피커 출력 단계; 상기 출력 신호를 마이크로폰을 통하여 수신받는 마이크로폰 수신 단계; 상기 수신된 출력 신호로부터 저주파로부터 고주파까지의 주파수를 가지는 캐리어 주파수를 추출하여 상기 출력신호를 복조하는 캐리어 주파수 추출 단계; 상기 복조된 출력신호를 대역필터로 신호 처리하여 데이터 주파수를 추출하는 데이터 주파수 추출 단계; 상기 데이터주파수 추출단계에서 얻은 디지털 주파수의 위상 변화를 디지털 신호로 변환하는 디지털 신호 추출 단계; 상기 변환된 디지털 신호의 매 상승 에지 마다의 시간 간격을 구하는 신호 감지 단계; 상기 매 상승 에지 마다의 시간 간격에 따라서 출력 신호를 디코딩하는 신호 해석 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대기중 사운드 통신 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

Description

대기중 사운드 통신 방법 및 그 시스템{Method for aerial acoustic communication and system therefor}
본 발명은 대기중 사운드 통신 방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 하드웨어를 간결하게 하면서 보다 정확한 통신을 가능하게 하는 대기중 사운드 통신 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 대기중 사운드 통신(Aerial acoustic communication) 기술이란 공기를 매질로 삼아서 전파되는 소리에 정보를 싣는 통신 기술을 가리키며, 주로 스피커와 마이크를 이용하여 신호를 송수신하는 통신 기술이다.
이러한 대기중 사운드 통신의 큰 장점은 별도의 통신 모듈 없이 단지 스피커와 마이크만으로 통신이 가능하다는 점으로서, 최근 스마트 폰(smart phone) 등 스피커와 마이크가 내장된 스마트기기들이 널리 활용되면서 대기중 사운드 통신에 관한 관심이 점차 높아지고 있는 실정이다. 특히, NFC(Near Field Communication, 근거리 무선통신) 하드웨어가 없는 장비에서 보다 효과적으로 활용될 수 있다.
기존의 전자기파를 이용하는 데이터 통신은 신호의 크기에 정보를 싣는 ASK(Amplitude Shifting Keying, 진폭 편이 변조) 방식, 주파수에 정보를 싣는 FSK (Frequency Shifting Keying, 주파수 편이 변조) 방식 및 위상에 정보를 싣는 PSK (Phase Shifting Key, 위상 편이 변조) 방식이 있다.
그러나, 이러한 변조 방식들은 스피커나 마이크의 응답 특성, 주변 노이즈 등으로 인해 직접적으로 대기중 사운드 통신에 적용되기 매우 어렵다.
예를 들어, ASK 방식의 경우 주변 노이즈에 매우 취약한 단점이 있으며, FSK 방식이나 PSK 방식은 물리적으로 움직이는 진동판에 의해 구동되는 스피커나 마이크가 급격한 주파수 변화를 추종하기 힘들며, 데이터를 전송할 경우 캐리어(Carrier) 주파수 외에 데이터의 전송률에 따른 주파수로 인하여 스피커에 의도하지 않은 잡음이 발생할 우려가 있다.
따라서, 종래 대기중 사운드 통신의 구현은 상술한 바와 같은 기존의 전자기파를 이용한 데이터 통신과 상이한 다음과 같은 기술들이 개발된 바 있다.
첫째, 디지털 보이스(Digital Voice) 방식인데, 멀티FSK (MFSK) 방식을 기반으로 주변 음향 환경과 시스템 목표 성능에 따라서 적응적으로 음파 톤의 개수와 심볼 길이를 정하는 가청대역의 통신 방식이며 주로, 12kHz 이하의 가청 대역 주파수를 사용한다.
둘째, 엔티티 도코모(NTT DoCoMo) 방식인데, 주파수 영역에서 같은 크기와 서로 다른 위상을 가진 두 소리는 사람에게 같게 들리게 되는 점에 착안한 것으로서, 오디오 소스의 주파수 영역에서 OFDM (Othogonal Frequency Division Multiplexing, 직교주파수분할다중방식)으로 변조된 데이터를 서브 케리어(subcarrier)의 위상에 삽입하는 방식이다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래 대기중 사운드 통신의 구현 방식은 공통적으로 복잡한 연산이 필요하기 때문에 하드웨어 비용이 증가하는 단점이 있어서 고성능 하드웨어가 탑재된 핸드폰 기반의 용도(TV 광고 인식, 모바일 결재 등)에만 적용되어 왔다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점들을 해소하기 위하여 창안된 것으로서, 위상편이변조(PSK) 방식으로 인코딩된 데이터를 실시간으로 가변되는 캐리어(Carrier) 주파수에 실어서 보내는 방식으로 데이터를 전송하는 대기중 사운드 통신 방법 및 그 시스템의 구성을 제공하는데 본 발명의 기술적 과제가 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 대기중 사운드 통신 방법은, 데이터를 싣는 소리에 대한 비트 주파수 함수를 생성하는 비트 주파수 함수 생성 단계; 전송할 데이터를 상기 비트 주파수 함수에 의하여 생성되는 신호에 싣는 데이터 주파수 함수 생성 단계; 상기 데이터 주파수 함수에 따라서 시간에 따라서 변동하는 출력 신호를 생성하는 출력 신호 생성 단계; 생성된 출력 신호를 스피커를 이용하여 출력하는 스피커 출력 단계; 상기 출력 신호를 마이크로폰을 통하여 수신받는 마이크로폰 수신 단계; 상기 수신된 출력 신호로부터 저주파로부터 고주파까지의 주파수를 가지는 캐리어 주파수를 추출하여 상기 출력신호를 복조하는 캐리어 주파수 추출 단계; 상기 복조된 출력신호를 대역필터로 신호 처리하여 데이터 주파수를 추출하는 데이터 주파수 추출 단계; 상기 데이터주파수 추출단계에서 얻은 디지털 주파수의 위상 변화를 디지털 신호로 변환하는 디지털 신호 추출 단계; 상기 변환된 디지털 신호의 매 상승 에지 마다의 시간 간격을 구하는 신호 감지 단계; 상기 매 상승 에지 마다의 시간 간격에 따라서 출력 신호를 디코딩하는 신호 해석 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 대기중 사운드 통신방법에 있어서, 상기 비트 주파수 함수 생성 단계(S10)는, 상기 비트 주파수 함수가 위상 방식인 경우, 비트 주파수 함수
Figure 112016023944306-pat00001
는 위상 주파수
Figure 112016023944306-pat00002
의 주기를 갖는 sin 함수이고, 하기의 식 1 에 의하여 비트 주파수 함수가 생성될 수도 있다.
(식 1)
Figure 112016023944306-pat00003
상기 대기중 사운드 통신방법에 있어서, 상기 비트 주파수 함수 생성 단계(S10)는, 상기 비트 주파수 함수가 주파수 방식인 경우, 비트 주파수 함수
Figure 112016023944306-pat00004
는
Figure 112016023944306-pat00005
,
Figure 112016023944306-pat00006
,...,
Figure 112016023944306-pat00007
의 주기를 갖는 sin 함수이며, 하기의 식 8 에 의하여 비트 주파수 함수가 생성될 수도 있다.
(식 8)
Figure 112016023944306-pat00008
상기 대기중 사운드 통신방법에 있어서, 상기 데이터 주파수 함수 생성 단계(S20)는, 전송할 데이터의 진법을 변환하고, 시작 신호 및 종료 신호를 전송할 데이터 앞뒤에 추가하는 데이터 생성 단계(S 21); 성할 데이터에 해당하는 위상을 가진 비트 주파수(Bit Frequency)를 연속적으로 이어 붙여 전처리 데이터 주파수를 생성하는 전처리 데이터 주파수 생성단계(S 22); 상기 전처리 데이터 주파수에 필터를 적용하여 부드럽게 연속적으로 처리하는 전처리 데이터 주파수의 필터적용 단계(S23); 데이터 주파수의 함수를 생성하는 데이터 주파수 함수 생성단계(S 24); 를 포함하여 구성될 수도 있다.
상기 대기중 사운드 통신방법에 있어서, 상기 데이터 주파수 함수 생성단계(S 24)는, 상기 전처리 데이터 주파수의 필터적용 단계(S23)에서 획득된 전처리 필터 주파수인 Sin 함수를 하기의 식 11 에 의하여 저주파(
Figure 112016023944306-pat00009
의 범위를 갖는 Sin 함수로 변경할 수도 있다.
(식 11)
Figure 112016023944306-pat00010
상기 대기중 사운드 통신방법에 있어서, 상기 출력 신호 생성 단계(S 30)는, 시간에 따라 주파수가
Figure 112016023944306-pat00011
로 변동하는 출력 신호
Figure 112016023944306-pat00012
를 생성하되 하기의 식 12 에 의하여 산출될 수도 있다.
(식 12)
Figure 112016023944306-pat00013
상기 대기중 사운드 통신방법에 있어서, 상기 출력 신호 생성 단계(S 30)는, 스피커의 팝핑 노이즈(Poping noise) 생성을 방지하기 위하여 출력신호에 평탄 필터(smooth filter)를 적용할 수도 있다.
상기 대기중 사운드 통신방법에 있어서, 상기 데이터 주파수 추출 단계(S 70)는, 비트 주파수 함수가 위상 방식인 경우 중심 주파수가 위상 주파수(fp)이며, 필터링 결과는 fpHz 의 주기를 갖는 sin 함수 형태가 출력될 수도 있다.
상기 대기중 사운드 통신방법에 있어서, 상기 디지털 신호 추출 단계(S 80)는, 상기 데이터주파수 추출단계에서 얻은 디지털 주파수의 위상 변화를 다음의 식 13 을 이용하여 디지털 신호로 변환할 수도 있다.
(식 13)
Figure 112016023944306-pat00014
상기 대기중 사운드 통신방법에 있어서, 상기 신호 감지 단계(S 90)는, 상기 매 상승 에지(Rising edge)의 시간은 원본 신호에서 위상이 0 인 지점이고, 상기 지점을 기준으로 1/fp = 1m sec 마다 리셋(Reset)되는 시간을 만들고, 상기 리셋(Reset)시점부터 에지(Edge)까지의 시간 간격 T'q 을 구하고, 데이터의 오버플로우(Overflow) 방지를 위하여 하기의 식 14 를 이용하여 새로운 시간 간격을 구할 수도 있다.
(식 14)
Tq=|T'q - 1/fp/2|
본 발명의 다른 일면에 따르면, 본 발명은 공기를 매질로 삼아서 전파되는 소리에 데이터를 싣는 대기중 사운드 통신 시스템에 있어서, 데이터를 싣는 소리에 대한 비트 주파수 함수를 생성하는 비트 주파수 함수 생성기(110); 전송할 데이터를 상기 비트 주파수 함수에 의하여 생성되는 신호에 싣는 데이터 주파수 함수 생성기(120); 상기 데이터 주파수 함수에 따라서 시간에 따라서 변동하는 출력 신호를 생성하는 출력 신호 생성기(130); 생성된 출력 신호를 출력하는 스피커(140)를 포함하여 구성되는 송신부(100); 및 상기 출력 신호를 수신받는 마이크로폰(210); 상기 수신된 출력 신호로부터 저주파부터 고주파까지의 주파수를 가지는 캐리어 주파수를 추출하여 상기 출력신호를 복조하는 캐리어 주파수 추출기(220); 상기 복조된 출력신호를 대역필터로 신호 처리하여 데이터 주파수를 추출하는 데이터 주파수 추출기(230); 상기 데이터주파수 추출단계에서 얻은 디지털 주파수의 위상 변화를 디지털 신호로 변환하는 디지털 신호 추출기(240); 상기 변환된 디지털 신호의 매 상승 에지 마다의 시간 간격을 구하는 신호 감지기(250); 상기 매 상승 에지 마다의 시간 간격에 따라서 출력 신호를 디코딩하는 신호 해석기(260); 를 포함하여 구성되는 수신부(200);로 구성될 수도 있다.
본 발명의 대기중 사운드 통신 시스템에 있어서, 상기 송신부(100)의 데이터 주파수 함수 생성기(120), 출력 신호 생성기(130) 및 스피커(140)은 모두 아날로그 회로로 구성될 수도 있다.
상기 대기중 사운드 통신방법에 있어서, 상기 수신부(200)의 신호감지기(250)와 신호 해석기(260)는 ADC 변환(Analog to digital converting)이나 곱셈 연산 등 복잡한 연산 기능이 없는 마이크로컨트롤러유닛(MCU)을 이용할 수도 있다. 즉, 수신부(200)의 신호감지기(250)와 신호 해석기(260)는 ADC 변환(Analog to digital converting) 기능이 배제되는 저렴한 마이크로컨트롤러유닛(MCU)이 사용될 수도 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 대기중 사운드 통신 방법 및 시스템은, 비가청 대역인 고주파수 대역(18kHz 이상)을 사용할 수 있으며, 급격한 주파수 변화로 인한 팝핑 노이즈(Poping Noise) 등이 발생하지 않으므로, 사용자가 인지하기 못하게 데이터를 전송할 수 있는 장점이 있다.
또한, 주파수를 스윕(Sweep)하는 방식을 채용하기 때문에, 응답주파수가 제각각 다른 여러 종류의 마이크, 스피커에 폭넓게 호환될 수 있다.
또한, 수신부 대부분의 단계가 오피 앰프(OP-AMP) 등을 활용한 아날로그 회로로 매칭되고, 아날로그 회로가 높은 오더(order)의 필터가 필요하지 않으므로, 수신측 장치는 저렴한 오피 앰프(op-amp)로 구현 가능하다.
또한, 최종 출력 신호가 디지털 신호이기 때문에 아날로그 신호를 해석하지 않아도 되므로, 아날로그/디지털(A/D) 변환 기능이 없고 저성능을 가진 값싼 마이크로콘트롤러유닛(MCU)으로 구성될 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명의 방법은 아날로그 방식뿐만 아니라 디지털 방식으로도 용이하게 변환시킬 수 있어 폭넓은 용도에 적용 가능한 장점이 있다.
도 1 내지 도 17 은 본 발명의 대기중 사운드 통신방법에 따른 신호의 그래프,
도 18 은 본 발명의 대기중 사운드 통신방법의 플로우챠트,
도 19 는 본 발명의 대기중 사운드 통신시스템의 구성도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 대기중 사운드 통신 방법 및 그 시스템의 구성 및 작동을 설명한다.
단, 개시된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분하게 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 태양으로 구체화될 수도 있다.
또한, 본 발명 명세서에서 사용되는 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명 대기중 사운드 통신방법의 송신방법은 하기의 단계들을 포함하여 구성되며, 이하, 각 단계별 상세 구성을 개조식으로 설명한다.
1) 비트 주파수(Bit Frequency) 함수 생성 단계(S10)
상기 비트 주파수 함수 생성단계는 데이터를 싣는 소리에 대하여 비트 주파수 함수를 생성하는 단계이다.
일반적으로, 주파수가 근접한 두 주파수의 진동을 겹칠때 양 주파수의 차로 진동하는 파가 발생되며, 이러한 진동하는 파를 비트(bit)라 칭하고, 비트의 진동수를 비트 주파수(bit frequency)라 칭한다.
상기 비트 주파수 함수는 위상(phase) 방식 또는 주파수(frequency) 방식으로 구현될 수 있다.
상기 위상 방식은 반향음 등에 영향을 받으므로, 근거리에서만 인식될 수 있어 보안이 중요시되는 모바일 결제 등에 사용되는 것이 바람직하다.
반면, 상기 주파수 방식은 비교적 장거리에서도 인식이 가능하므로, 콘서트장용 응원봉이나, TV 에 반응하는 유아용 장난감, 커피숍의 알람벨 등에 적용될 수 있다.
이에 본 발명의 구성을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 발명 명세서에서 수식에 이용되는 기호를 하기와 같이 정의한다.
비트 주파수 (Bit Frequency) 함수: fb(t)
비트 주파수 지속시간(Bit Frequency Duration): tb
위상 주파수(Phase Frequency): fp
전처리 필터 주파수(Pre-filtered Frequency) 함수: fpd(t)
데이터 주파수(Data Frequency) 함수: fd(t)
저주파(Low Frequency): fl
고주파(High Frequency): fh
최종출력신호: yt(t)
출력신호를 수신한 신호: yr(t)
먼저, 본 발명의 비트 주파수 함수 생성 단계(S10)에 있어서, 상기 비트 주파수 함수가 위상(phase) 방식일 경우를 설명하면 다음과 같다.
비트 주파수 함수 fb (t) 는 위상 주파수 fp 의 주기를 갖는 sin 함수이다. 그러므로, 위상에 따라서 하기의 식 1 과 같이 여러 종류의 비트 주파수 함수가 생성될 수 있다. 이 경우, 데이터 전송시 사용할 진법을 N 이라 하면,
(식 1)
Figure 112016023944306-pat00015
비트 주파수 함수는 상기 식 1 과 같이 다양한
Figure 112016023944306-pat00016
가 생성될 수 있다. 일례로 2진수(N=2)로 데이터를 전송할 때 사용될 비트 주파수는 하기의 식 2 및 식 3 과 같이
Figure 112016023944306-pat00017
,
Figure 112016023944306-pat00018
두 종류의 함수를 갖는다.
(식 2)
Figure 112016023944306-pat00019
,
(식 3)
Figure 112016023944306-pat00020
따라서, 본 발명의 실시예에서 비트 주파수가 1KHz 이고, 전송할 데이터의 진법이 이진법(N=2) 인 경우, 도 1 과 같은 비트 주파수 함수가 생성된다.
또한, 비트 주파수 함수의 위상을 보다 세분화하게 되면, 2진법 이상으로 데이터를 전송할 수도 있다. 그 일례로서 식 4 내지 식 7 은 4진수(N=4)로 비트 주파수를 구성한 예이다.
(식 4) N=0 일 경우,
Figure 112016023944306-pat00021
(식 5) N=1 일 경우,
Figure 112016023944306-pat00022
(식 6) N=2 일 경우,
Figure 112016023944306-pat00023
(식 7) N=3 일 경우
Figure 112016023944306-pat00024
따라서, 본 발명의 실시예에서 비트 주파수가 1KHz 이고, 사진법(N=4) 인 경우, 도 2 에 도시된 바와 같은 비트 주파수 함수가 생성된다.
다음으로, 상기 비트 주파수 함수가 주파수(Freqeuncy) 방식일 경우를 설명하면 다음과 같다.
비트 주파수 함수
Figure 112016023944306-pat00025
는
Figure 112016023944306-pat00026
,
Figure 112016023944306-pat00027
,...,
Figure 112016023944306-pat00028
의 주기를 갖는 sin 함수이며, 위상에 따라 식 8 과 같이 여러 종류의 비트 주파수 함수가 생성될 수 있다. 이때, 데이터 전송시 사용할 진법을 N이라 하면,
(식 8)
Figure 112016023944306-pat00029
일례로 2진수(N=2)로 데이터를 전송할 때 사용될 비트 주파수 함수는 하기의 식 10 및 식 11 과같이
Figure 112016023944306-pat00030
,
Figure 112016023944306-pat00031
의 두 종류의 함수를 가진다.
(식 9)
Figure 112016023944306-pat00032
,
(식 10)
Figure 112016023944306-pat00033
본 발명의 실시예는 상기 비트 주파수 함수 생성시 위상(phase) 방식을 이용하며 이진법(N=2)을 적용하였다.
2) 데이터 주파수(Data Frequency) 함수 생성 단계(S20)
상기 본 발명 송신 방법의 데이터 주파수 함수 생성단계는, 하기의 각 단계를 포함하여 구성되며, 각 단계별 구성을 개조식으로 설명한다.
2-1) 데이터 생성 단계(S 21)
상기 데이터 생성 단계는 전송할 데이터를 시스템에서 사용할 진법에 맞게 변환하고, 시작 신호 및 종료 신호를 전송할 데이터 앞뒤에 추가하는 단계이다.
상기 시작 신호는 임의로 수신되는 신호가 의미있는 신호인지 잡음인지 구분하고 수신될 데이터를 해석할 때 기준 위상을 구하기 위하여 사용되며, 동일한 위상을 갖는 신호와 반대 위상을 갖는 신호로 구성된다.
예를 들어, '01' 과 같은 신호로 구성되는데 '0'은 의미 있는 신호가 전송됨을 찾는데 사용되며, '1'은 이후부터 데이터가 전송되되 해당 데이터의 기준 위상을 판단하는데 사용된다.
또한, 시작 신호는 갑작스러운 스피커 출력으로 인한 팝핑 노이즈(Poping noise)를 제거하기 위한 평탄필터(Smooth filter)로서 윈도우(Window)가 사용되므로, 해당 윈도우(Window)의 크기만큼 종료 신호를 추가할 수 있다.
예를 들어 종료 신호로서 '00' 을 추가한다면, 만일 '0101' 이라는 데이터를 보내기 위해서는 '0001' + '0101' + '00'이라는 데이터를 생성하며, 이 경우, 시작 신호는 '0001' 이고, 종료 신호는 '00' 이다.
2-2) 전처리 데이터 주파수 생성단계(S 22)
상기 전처리 데이터 주파수 생성단계는 생성할 데이터에 해당하는 위상을 가진 비트 주파수(Bit Frequency)를 연속적으로 이어 붙이는 단계이다.
이때, 각각의 비트 주파수는 비트 주파수 지속시간(Bit Frequency Duration,
Figure 112016023944306-pat00034
만큼의 길이를 가진다. 도 3 은 3bit 데이터 [0,1,0]에 해당하고 비트주파수지속시간 tb=10msec로 구성된 연속된 비트 주파수를 도시한 것이다.
2-3) 전처리 데이터 주파수의 필터적용 단계(S23)
데이터의 불연속을 방지하기 위하여 적절한 필터를 적용하여 부드럽게 연속된 전처리 필터 주파수(Pre-filtered Frequency)를 생성하는 단계이다.
이때, 적절한 필터로서는 위상 주파수(Phase Frequency)(fp)를 중심 주파수로 가지는 대역필터(Band pass filter)나 위상 주파수(fp)를 차단 주파수로 가지는 저역필터(Low pass filter) 등으로 구성될 수 있다.
도 4 는 도 3 에 도시된 전처리 데이터 주파수 신호를 본 단계의 전처리 데이터 주파수에 필터를 적용하여 부드럽게 연속적으로 처리한 주파수 신호를 도시한 것이다. 이를 전처리 필터 주파수(Pre-filtered Frequency) 함수 fpd(t)라 칭한다.
2-4) 데이터 주파수 함수 생성단계(S 24)
데이터 주파수(Data Frequency) 함수 fd(t)를 생성하는 단계로서, 상기 전처리 데이터 주파수의 필터적용 단계(S23)에서 획득된 전처리 필터 주파수(Pre-filtered Frequency)는 -1에서 1의 값을 갖는 Sin 함수이다. 따라서, 이 함수를 하기의 식 11 에 의하여 저주파로부터 고주파의 범위를 갖는 Sin 함수로 변경한다.
(식 11)
Figure 112016023944306-pat00035
도 5 는 상기 식 11 에 의하여 데이터 주파수 함수 fd(t)의 신호로서, 위상주파수가 1KHz 이고, 저주파 주파수가 18KHz 이고, 고주파 주파수가 20 KHz 인 경우를 도시한 것이다.
3) 출력 신호 생성 단계(S 30)
시간에 따라 주파수가 fd(t)로 변하는 출력신호 yt(t)를 생성하는 단계이다. 상기 출력 신호는 다음의 식 12 에 의하여 산출된다.
(식 12)
Figure 112016023944306-pat00036
도 6 은 비트주파수(fb)가 1KHz이고, 시간에 따라 주파수가 fl = 18KHz 에서 fh=20KHz 로 가변되는 주파수를 가진 출력신호 yt(t)를 도시한 것이다.
이때, 상기 출력 신호가 갑자기 스피커에서 출력되면 팝핑 노이즈(Poping noise)가 생성될 수 있으므로 적당하게 평탄 필터(smooth filter)를 적용하는 것이 바람직하며, 도 7 은 출력 신호에 헤닝 윈도우(Hanning window)를 적용한 결과를 나타낸다.
4) 스피커 출력 단계(S 40)
상기 출력 신호 생성 단계(S 30)에서 생성된 출력신호를 스피커를 통하여 공기중으로 출력하는 단계이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 대기중 사운드 통신 방법의 송신 방법에 따라서 신호가 스피커를 통하여 출력되면, 수신측에서 마이크로폰(microphone)를 통하여 이의 신호를 수신하고 본 발명의 대기중 사운드 통신 방법의 수신 방법에 따라서 데이터를 수신한다.
이하, 본 발명 대기중 사운드 통신방법의 수신방법의 각 단계별 상세 구성을 개조식으로 설명한다.
1) 마이크로폰 수신 단계(S 50)
상기 스피커 출력 단계(S 40)를 통하여 출력된 신호를 마이크로폰을 통하여 수신받는 단계이다.
2) 캐리어 주파수(Carrier frequency) 추출 단계(S 60)
출력 신호를 마이크로폰을 통하여 수신한 출력신호
Figure 112016023944306-pat00037
에서
Figure 112016023944306-pat00038
부터
Figure 112016023944306-pat00039
의 주파수를 갖는 캐리어 주파수(Carrier Frequency)를 추출하는 단계이다.
이때, 중심 주파수가
Figure 112016023944306-pat00040
인 대역필터(band pass filter)나 중심 주파수가
Figure 112016023944306-pat00041
인 대역 필터(band pass filter)를 적용하고, 해당 필터가 낮은 오더(order)를 가지면, 중심 주파수에 가까울 수록 신호 크기가 증폭(응답성이 높음)되고, 멀수록 신호 크기가 감소(응답성이 낮음)하게 된다. 도 8 은 중심주파수가
Figure 112016023944306-pat00042
인 대역 필터(band pass filter)를 적용한 신호이고, 도 9 는 중심주파수가
Figure 112016023944306-pat00043
인 대역필터(band pass filter)를 적용한 신호이다.
이때, 스피커나 마이크로폰은 가청 주파수에서 응답성이 크고 비가청 대역에서는 응답성이 낮으므로, 비가청대역 이후에서는 저역필터(low pass filter)처럼 동작하게 된다. 이를 고려하여 단순히 고역필터(high pass filter)로 구성할 수도 있다.
상기 필터링된 신호
Figure 112016023944306-pat00044
는
Figure 112016023944306-pat00045
에서
Figure 112016023944306-pat00046
범위를 갖는 캐리어 주파수(carrier frequency)로 구성되어 있으며, 위상주파수 (fp)의 주기로 진폭이 변하는 신호이다.
이때, 캐리어 주파수 성분의 제거를 위하여, 도 8 또는 도 9 에 도시된 바와 같이 필터링된 신호를 복조하게 된다.
상기의 복조는 비교기와 저역 필터(Low pass filter)의 혼합 형태로 구할 수 있다. 이때, 저역필터의 컷-오프 주파수(cut-off frequency)는 하기 식 12 의 변수
Figure 112016023944306-pat00047
와 관련이 있으며, 캐리어 주파수의 범위
Figure 112016023944306-pat00048
,
Figure 112016023944306-pat00049
를 적절하게 고려하여 결정함이 바람직하다.
(식 12)
Figure 112016023944306-pat00050
상기의 식 12 는 아날로그 회로의 포락선 회로(Envelope circuit)로 구현될 수도 있다. 도 10 은 필터링된 신호를 복조한 신호를 도시한 일례를 나타낸다.
3) 데이터 주파수 추출 단계(S 70)
Figure 112016023944306-pat00051
의 주기를 갖는 sin 함수인 데이터 주파수(Data Frequency)를 얻기 위하여 상기 복조된 신호를 대역 필터(Band pass filter)로 신호 처리한다. 그러면, 해당 대역 필터의 중심 주파수는 위상주파수 (fp), 필터링 결과는 fp Hz의 주기를 갖는 sin 함수 형태가 출력되게 된다.
만일, 상기 비트 주파수가 주파수(Frequency) 방식을 사용하였을 경우, 대역 필터는 fb,0 ~ fb,n의 범위를 갖도록 설정한다.
도 11 은 복조된 신호를 대역필터로 신호 처리하여 데이터 주파수를 추출한 상태의 신호를 나타낸 것이다.
4) 디지털 신호 추출 단계(S 80)
상기 데이터주파수 추출단계에서 얻은 디지털 주파수의 위상 변화를 다음의 식 13 을 이용하여 디지털 신호로 변환하는 단계이다. Digital 신호
Figure 112016023944306-pat00052
는 아래의 식 13 과 같이 1 또는 0으로 구성된다.
(식 13)
Figure 112016023944306-pat00053
상기의 디지털 신호 추출 단계(S 80)는 아날로그 회로의 비교기로도 구현가능하다.
도 12 은 디지털 신호로 추출된 복조된 신호를 대역필터로 신호 처리하여 데이터 주파수를 추출한 상태의 신호를 도시하고 있다. 이러한 상기 단계는 아날로그 회로의 비교기로 구현될 수도 있다.
5) 신호 감지 단계(S 90)
도 13 은 상기 데이터 생성 단계(S 21)에서 '00010110100' 이라는 데이터('0001' : 시작 신호, '01101' : 전송할 데이터, '00' : 종료 신호)를 0.1sec부터 출력한 일례를 나타낸다. 이때, 데이터는 0.2 크기의 화이트 노이즈(white noise)를 가지도록 하였다.
하기 도 14 에 도시된 신호는 캐리어 주파수 추출단계(S 60)로부터 디지털 위상 신호 추출단계(S 80)를 거쳐서 얻어진 신호를 나타낸다.
상기에서 구한 디지털 신호의 매 상승 에지(rising edge)마다의 시간 간격을 구한다. (시간 간격은 phase와 일치하는 개념이다.)
이때, 위상 주파수는 fp=1kHz의 주기를 가지므로, 신호가 감지되는 구간에서는 1/fp=1msec 의 시간 간격을 가진다. 반면, 신호가 없는 구간에서는 어느 정도의 시간적 오차를 가지게 된다.
한편, 비트주파수가 주파수 방식을 사용하였을 경우, 신호가 감지되는 구간에서는 1/fb,1 … 1/fb,n 의 시간 간격을 가진다.
6) 신호 해석 단계(S 100)
먼저, 비트주파수가 위상 방식인 경우에는 도 15 에서 0.1초부터 1msec의 간격을 가지는 것을 볼 수 있다. 따라서, 시간 간격이 1/fp sec에서 Tp sec 만큼의 오차 내로 Tt sec 만큼 지속된다면 신호가 잡힌 것으로 볼 수 있다.
이때, Tt sec 는 데이터 생성단계에서 생성한 시작 신호(‘0001’)중 반전되기 전 신호의 길이(‘000’)와 같거나 작아야 한다. 도 15 에서 그래프에서 빨간 점은 Tp=0.1msec, Tt=10msec일 때, 감지된 시간Td이다.
신호가 감지된 후 상승 에지(Rising edge)의 시간은 원본 신호에서 위상이 0 인 지점이다.
따라서, 이 시점을 기준으로 1/fp=1msec 마다 리셋(Reset)되는 시간을 만들고, 도 16 의 2번째 그래프처럼 리셋(Reset)시점부터 에지(Edge)까지의 시간 간격 Tq'을 구한다.
이때, 상승 에지가 보다 약간 일찍 시작되면 0.14~0.15초 데이터처럼 오버플로우(Overflow)가 될 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 다음의 식 14 를 이용하여 새로운 시간 간격을 구한다.
(식 14)
Tq=|T'q - 1/fp/2|
이때, 상기 도 16 에서 0.13초 까지는 시작 신호(‘0001’)중 ‘000’에 해당하는 신호이다. 싱크(sink)를 맞추기 위하여 ‘1’에 해당하는 0.13~0.14초 사이의 하강 에지(Falling edge)와 0.14초 이후의 상승 에지(Rising edge)를 차례로 감지한 후 해당 시점부터 데이터를 출력하면 도 17 에 도시된 바와 같다.
따라서, 해당 시점부터 tb=10msec 동안 데이터가 250보다 크면 '0'이고, 작으면 '1'인 방식으로 디코딩하게 되면, 최초 인코딩한 데이터 '01101'을 구할 수 있다.
한편, 비트주파수가 주파수 방식인 경우에는 상기 취득된 상승 에지마다의 시간 간격을 구하면, 1/Fb,1 or 1/Fb,2 , … sec 등으로 나뉠 수 있게 되므로, 해당 시간간격으로부터 최초 인코딩한 데이터 '01101'을 구할 수 있게 된다.
도 18 은 상술한 바와 같이 설명한 본원발명의 대기중 사운드 통신 방법의 플로우챠트를 나타낸다.
도면을 참조하면, 본원발명의 대기중 사운드 통신방법은, 데이터를 싣는 소리에 대한 비트 주파수 함수를 생성하는 비트 주파수 함수 생성 단계(S10); 전송할 데이터를 상기 비트 주파수 함수에 의하여 생성되는 신호에 싣는 데이터 주파수 함수 생성 단계(S20); 상기 데이터 주파수 함수에 따라서 시간에 따라서 변동하는 출력 신호를 생성하는 출력 신호 생성 단계(S 30); 생성된 출력 신호를 스피커를 이용하여 출력하는 스피커 출력 단계(S 40); 상기 출력 신호를 마이크로폰을 통하여 수신받는 마이크로폰 수신 단계(S 50); 상기 수신된 출력 신호로부터 저주파(fl)로부터 고주파(fh)까지의 주파수를 가지는 캐리어 주파수를 추출하여 상기 출력신호를 복조하는 캐리어 주파수 추출 단계(S 60); 상기 복조된 출력신호를 대역필터로 신호 처리하여 데이터 주파수를 추출하는 데이터 주파수 추출 단계(S 70); 상기 데이터주파수 추출단계에서 얻은 디지털 주파수의 위상 변화를 디지털 신호로 변환하는 디지털 신호 추출 단계(S 80); 상기 변환된 디지털 신호의 매 상승 에지 마다의 시간 간격을 구하는 신호 감지 단계(S 90); 상기 매 상승 에지 마다의 시간 간격에 따라서 출력 신호를 디코딩하는 신호 해석 단계(S 100); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 19 는 상술한 바와 같은 대기중 사운드 통신 방법을 구현하기 위한 대기중 사운드 통신 시스템의 구성도이다.
도면을 참조하면, 본원발명의 대기중 사운드 통신 시스템은, 비트 주파수(Bit Frequency) 함수 생성기(110), 데이터 주파수(Data Frequency) 함수 생성기(120), 출력 신호 생성기(130) 및 스피커(140)를 포함하는 송신부(100)와, 마이크로폰(210), 캐리어 주파수(Carrier frequency) 추출기(220), 데이터 주파수 추출기(230), 디지털 신호 추출 기(240), 신호 감지기(250) 및 신호 해석기(260)를 포함하는 수신부(200)을 포함하여 구성된다.
보다 상세하게는, 상기 대기중 사운드 통신 시스템의 송신부(100)는, 데이터를 싣는 소리에 대한 비트 주파수 함수를 생성하는 비트 주파수 함수 생성기(110); 전송할 데이터를 상기 비트 주파수 함수에 의하여 생성되는 신호에 싣는 데이터 주파수 함수 생성기(120); 상기 데이터 주파수 함수에 따라서 시간에 따라서 변동하는 출력 신호를 생성하는 출력 신호 생성기(130); 생성된 출력 신호를 출력하는 스피커(140)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 대기중 사운드 통신 시스템의 수신부(200)는, 상기 출력 신호를 수신받는 마이크로폰(210); 상기 수신된 출력 신호로부터 저주파(fl)로부터 고주파(fh)까지의 주파수를 가지는 캐리어 주파수를 추출하여 상기 출력신호를 복조하는 캐리어 주파수 추출기(220); 상기 복조된 출력신호를 대역필터로 신호 처리하여 데이터 주파수를 추출하는 데이터 주파수 추출기(230); 상기 데이터주파수 추출단계에서 얻은 디지털 주파수의 위상 변화를 디지털 신호로 변환하는 디지털 신호 추출기(240); 상기 변환된 디지털 신호의 매 상승 에지 마다의 시간 간격을 구하는 신호 감지기(250); 상기 매 상승 에지 마다의 시간 간격에 따라서 출력 신호를 디코딩하는 신호 해석기(260); 를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성되는 본원발명의 공기중 사운드 통신 시스템의 송신부(100)의 데이터 주파수 함수 생성기(120), 출력 신호 생성기(130) 및 스피커(140)은 모두 아날로그 회로로 대치가능하고, 본원발명의 공기중 사운드 통신 시스템의 수신부(200)의 신호감지기(250)와 신호 해석기(260)는 ADC 변환(Analog to digital converting)이나 곱셈 연산 등 복잡한 연산이 필요 없기 때문에 상대적으로 저렴한 마이크로컨트롤러유닛(MCU)을 이용할 수 있다.
100; 송신부
110; 비트주파수 함수 생성기
120; 데이터주파수 함수 생성기
130; 출력신호 생성기
140; 스피커
200; 수신부
210; 마이크로폰
220; 캐리어주파수 추출기
230; 데이터주파수 추출기
240; 디지털신호 추출기
250; 신호 감지기
260; 신호 해석기

Claims (13)

  1. 공기를 매질로 삼아서 전파되는 소리에 데이터를 싣는 대기중 사운드 통신 방법에 있어서,
    데이터를 싣는 소리에 대한 비트 주파수 함수를 생성하는 비트 주파수 함수 생성 단계(S10);
    전송할 데이터를 상기 비트 주파수 함수에 의하여 생성되는 신호에 싣는 데이터 주파수 함수 생성 단계(S20);
    상기 데이터 주파수 함수에 따라서 시간에 따라서 변동하는 출력 신호를 생성하는 출력 신호 생성 단계(S 30);
    생성된 출력 신호를 스피커를 이용하여 출력하는 스피커 출력 단계(S 40);
    상기 출력 신호를 마이크로폰을 통하여 수신받는 마이크로폰 수신 단계(S 50);
    상기 수신된 출력 신호로부터 저주파부터 고주파까지의 주파수를 가지는 캐리어 주파수를 추출하여 상기 출력신호를 복조하는 캐리어 주파수 추출 단계(S 60);
    상기 복조된 출력신호를 대역필터로 신호 처리하여 데이터 주파수를 추출하는 데이터 주파수 추출 단계(S 70);
    상기 데이터주파수 추출단계에서 얻은 디지털 주파수의 위상 변화를 디지털 신호로 변환하는 디지털 신호 추출 단계(S 80);
    상기 변환된 디지털 신호의 매 상승 에지 마다의 시간 간격을 구하는 신호 감지 단계(S 90);
    상기 매 상승 에지 마다의 시간 간격에 따라서 출력 신호를 디코딩하는 신호 해석 단계(S 100);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대기중 사운드 통신 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비트 주파수 함수 생성 단계(S10)는,
    상기 비트 주파수 함수가 위상 방식인 경우,
    비트 주파수 함수
    Figure 112016023944306-pat00054
    는 위상 주파수
    Figure 112016023944306-pat00055
    의 주기를 갖는 sin 함수이고, 하기의 식 1 에 의하여 비트 주파수 함수가 생성되는 것을 특징으로 하는 대기중 사운드 통신방법.
    (식 1)
    Figure 112016023944306-pat00056

  3. 제 1 항에 있어서, 상기 비트 주파수 함수 생성 단계(S10)는,
    상기 비트 주파수 함수가 주파수 방식인 경우,
    비트 주파수 함수
    Figure 112016023944306-pat00057
    는
    Figure 112016023944306-pat00058
    ,
    Figure 112016023944306-pat00059
    ,...,
    Figure 112016023944306-pat00060
    의 주기를 갖는 sin 함수이며, 하기의 식 8 에 의하여 비트 주파수 함수가 생성되는 것을 특징으로 하는 대기중 사운드 통신방법.
    (식 8)
    Figure 112016023944306-pat00061

  4. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터 주파수 함수 생성 단계(S20)는,
    전송할 데이터의 진법을 변환하고, 시작 신호 및 종료 신호를 전송할 데이터 앞뒤에 추가하는 데이터 생성 단계(S 21);
    생성할 데이터에 해당하는 위상을 가진 비트 주파수(Bit Frequency)를 연속적으로 이어 붙여 전처리 데이터 주파수를 생성하는 전처리 데이터 주파수 생성단계(S 22);
    상기 전처리 데이터 주파수에 필터를 적용하여 부드럽게 연속적으로 처리하는 전처리 데이터 주파수의 필터적용 단계(S23);
    데이터 주파수의 함수를 생성하는 데이터 주파수 함수 생성단계(S 24); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대기중 사운드 통신방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 데이터 주파수 함수 생성단계(S 24)는,
    상기 전처리 데이터 주파수의 필터적용 단계(S23)에서 획득된 전처리 필터 주파수인 Sin 함수를 하기의 식 11 에 의하여 저주파(
    Figure 112016023944306-pat00062
    의 범위를 갖는 Sin 함수로 변경하는 것을 특징으로 하는 대기중 사운드 통신방법.
    (식 11)
    Figure 112016023944306-pat00063

  6. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 신호 생성 단계(S 30)는,
    시간에 따라 주파수가
    Figure 112016023944306-pat00064
    로 변동하는 출력 신호
    Figure 112016023944306-pat00065
    를 생성하되 하기의 식 12 에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 대기중 사운드 통신방법.
    (식 12)
    Figure 112016023944306-pat00066

  7. 제 6 항에 있어서, 상기 출력 신호 생성 단계(S 30)는,
    스피커의 팝핑 노이즈(Poping noise) 생성을 방지하기 위하여 출력신호에 평탄 필터(smooth filter)를 적용하는 것을 특징으로 하는 대기중 사운드 통신방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터 주파수 추출 단계(S 70)는,
    비트 주파수 함수가 위상 방식인 경우 중심 주파수가 위상 주파수(fp)이며,
    필터링 결과는 fpHz 의 주기를 갖는 sin 함수 형태가 출력되는 것을 특징으로 하는 대기중 사운드 통신방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 디지털 신호 추출 단계(S 80)는,
    상기 데이터주파수 추출단계에서 얻은 디지털 주파수의 위상 변화를 다음의 식 13 을 이용하여 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 대기중 사운드 통신방법.
    (식 13)
    Figure 112016023944306-pat00067

  10. 제 1 항에 있어서, 상기 신호 감지 단계(S 90)는,
    상기 매 상승 에지(Rising edge)의 시간은 원본 신호에서 위상이 0 인 지점이고,
    상기 지점을 기준으로 1/fp = 1m sec 마다 리셋(Reset)되는 시간을 만들고, 상기 리셋(Reset)시점부터 에지(Edge)까지의 시간 간격 T'q 을 구하고,
    데이터의 오버플로우(Overflow) 방지를 위하여 하기의 식 14 를 이용하여 새로운 시간 간격을 구하는 것을 특징으로 하는 대기중 사운드 통신방법.
    (식 14)
    Tq=|T'q - 1/fp/2|
  11. 공기를 매질로 삼아서 전파되는 소리에 데이터를 싣는 대기중 사운드 통신 시스템에 있어서,
    데이터를 싣는 소리에 대한 비트 주파수 함수를 생성하는 비트 주파수 함수 생성기(110);
    전송할 데이터를 상기 비트 주파수 함수에 의하여 생성되는 신호에 싣는 데이터 주파수 함수 생성기(120);
    상기 데이터 주파수 함수에 따라서 시간에 따라서 변동하는 출력 신호를 생성하는 출력 신호 생성기(130);
    생성된 출력 신호를 출력하는 스피커(140)를 포함하여 구성되는 송신부(100); 및
    상기 출력 신호를 수신받는 마이크로폰(210);
    상기 수신된 출력 신호로부터 저주파부터 고주파까지의 주파수를 가지는 캐리어 주파수를 추출하여 상기 출력신호를 복조하는 캐리어 주파수 추출기(220);
    상기 복조된 출력신호를 대역필터로 신호 처리하여 데이터 주파수를 추출하는 데이터 주파수 추출기(230);
    상기 데이터주파수 추출단계에서 얻은 디지털 주파수의 위상 변화를 디지털 신호로 변환하는 디지털 신호 추출기(240);
    상기 변환된 디지털 신호의 매 상승 에지 마다의 시간 간격을 구하는 신호 감지기(250);
    상기 매 상승 에지 마다의 시간 간격에 따라서 출력 신호를 디코딩하는 신호 해석기(260); 를 포함하여 구성되는 수신부(200);
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 대기중 사운드 통신 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 송신부(100)의 데이터 주파수 함수 생성기(120), 출력 신호 생성기(130) 및 스피커(140)은 모두 아날로그 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 대기중 사운드 통신 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 수신부(200)의 신호감지기(250)와 신호 해석기(260)는 ADC 변환(Analog to digital converting) 기능이 배제되는 마이크로컨트롤러유닛(MCU)을 이용하는 것을 특징으로 하는 대기중 사운드 통신 시스템.
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