KR101721648B1 - 전원 잡음 주파수 제거 장치 및 방법 - Google Patents

전원 잡음 주파수 제거 장치 및 방법 Download PDF

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박경원
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Abstract

본 발명에 따른 전원 잡음 주파수 제거가 가능한 전원 잡음 주파수 제거 장치는 전원 잡음 주파수가 포함된 신호를 수신하는 통신모듈, 상기 전원 잡음 주파수를 제거하기 위한 프로그램이 저장된 메모리 및 상기 프로그램을 실행시키는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 상기 프로그램을 실행시킴에 따라, 검출하고자 하는 전원 잡음 주파수에 대응하는 타겟 주파수를 RDFT(Recursive Discrete Fourier Transform) 변환하고, 상기 변환된 결과에 기초하여 상기 타겟 주파수에 대한 DFT(Discrete Fourier Transform) 크기와 상기 DFT 크기로 양자화된 주파수 인덱스를 산출하며, 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수를 상기 산출된 주파수 인덱스에 기초하여 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 전원 잡음 주파수에 대응하는 상기 타겟 주파수가 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수 중 어느 것인지 결정한다.

Description

전원 잡음 주파수 제거 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REMOVING POWER NOISE FREQUENCY}
본 발명은 전원 잡음 주파수 제거 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 취득 대상의 신호 크기가 작고 주파수 대역이 낮은 환경에서 주 잡음원으로 작용하는 전원 잡음 주파수가 포함된 신호에서 전원 잡음 주파수를 검출 및 제거하기 위한 전원 잡음 주파수 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.
전원 잡음은 교류 전원 주파수(Line Frequency)에 의해 발생되는 잡음으로, 전원 잡음을 발생시키는 전원 주파수는 한국을 포함한 미국 등은 60Hz, 유럽 등은 50Hz이다.
이와 같은 전원 잡음은 유용한 신호가 저주파에 존재하고, 신호의 크기가 작아 고감도의 취득장치가 필요한 경우에 주 잡음원으로 작용할 수 있다.
특히, 생체 신호는 신호의 크기가 작기 때문에 전원 잡음에 매우 취약하다. 일반적으로 많이 활용되는 생체 신호로는 뇌파 신호인 EEG(electroencephalogram), 심전도 신호인 ECG/EKG(Electrocardiogram), 근전도 신호인 EMG(electromyography) 등이 있다.
이때, 근전도 신호는 수 mV부터 크게는 수십 mV의 신호레벨을 가지며, 심전도 신호는 전극의 부착 위치에 따라 입력 신호 레벨이 크게 차이가 날 수 있어, 수 mV에서 크게는 수 V 레벨로 입력될 수 있다. 반면, 뇌파 신호는 수~수십 μV의 전위를 가지는 신호로, 이를 센싱하기 위해서 민감도는 높이며 잡음의 증가를 억제할 수 있는 기술이 요구된다.
이와 같은 생체 신호를 취득하는 장치에서는 전원 잡음을 제거하는 것이 필수적이다.
도 1은 종래 기술에 따른 전원 잡음 주파수 제거 장치에서의 전원 잡음 제거기의 블록도이다.
종래 기술에 따른 전원 잡음 제거기는 전원 잡음이 포함된 생체 신호를 수신하면, ADC 컨버터(10a, 10b)를 통해 디지털 신호로 변환한 뒤, FIR(Finite Impulse Response) 혹은 IIR(Infinite Impulse Response) 타입의 노치 필터(Notch filter)를 사용하여 전원 잡음을 제거한다.
보통은 판매될 국가 또는 지역이 결정되고 나면, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 고정 전원 주파수에 따라 제품별로 노치 필터(10a)를 결정하여 수정할 수 없도록 고정시킨다. 이러한 경우에, 동일한 제품이더라도 판매 지역에 따라 전원 주파수를 변경해야 하는 과정이 필요하게 된다.
이러한 번거로운 작업을 생략하기 위하여, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 주파수 교류 전원 주파수 검출기(30b)가 포함되어 자동으로 전원 잡음의 주파수를 검출할 수 있고, 이를 제거할 수 있는 노치 필터(20b)를 선택할 수 있다.
한편, 종래의 주파수 검출기는 FFT(Fast Fourier Transform)를 기반으로 하는 스펙트럼 추정 방식이나, 두 개의 BPF(Band Pass Filter)를 통해 50Hz와 60Hz의 잡음을 구별하는 방법이 있다.
이때, BPF를 이용하는 방법은 두 주파수가 10Hz의 좁은 간격으로 이격되어 있기 때문에 샤프한 필터 응답을 생성하기 위해서는 복잡한 필터가 사용되어야만 한다.
FFT 기반의 추정 방식들은 기본적으로 50Hz와 60Hz 두 주파수 신호만 관측하고자 하나, 샘플링 주파수에 의해 대역제한(Band-limited)된 전대역의 신호가 계산된다. 그리고 모든 주파수 성분에 대해 동일한 크기의 FFT 크기가 적용되며, 연산량을 줄이기 위해 FFT 크기가 항상 2의 제곱으로 표현되어야 하기 때문에, 정확히 원하는 주파수 성분을 관측하기 어려운 문제가 있다.
이 경우 관측하고자 하는 주파수 성분의 전력이 인접 주파수 성분으로 퍼지는 누설 전력(leakage power) 또는 fence effect라고 불리는 현상이 발생하며, 이러한 현상으로 인하여 백그라운드 잡음 환경이 좋지 않은 경우에 추정 성능이 열화되는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, FFT 기반의 주파수 추정기의 성능을 개선하기 위해 FFT의 크기를 증가시켜 누설전력을 줄일 수 있으나, FFT의 크기가 증가할수록 복잡도 역시 증가한다는 단점이 있다.
이와 관련하여, 한국공개특허공보 제10-2014-0060737호(발명의 명칭: 생체 신호 전송기, 생체 신호 수신기, 및 생체 신호 송수신 방법)는 생체 신호와 관련된 패턴과 생체 신호에 포함된 특징점에 기초하여 생체 신호를 송수신하는 기술을 개시하고 있다.
본 발명의 실시예는 취득 대상의 신호크기가 작고 주파수 대역이 낮은 환경에서 주 잡음원으로 작용하는 전원 잡음 주파수가 포함된 생체신호에서, FFT 방식 대신 RDFT(Recursive Discrete Fourier Transform)를 적용하여 전원 잡음 주파수를 검출 및 제거할 수 있는 전원 잡음 주파수 제거 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 전원 잡음 주파수 제거 장치는 전원 잡음 주파수가 포함된 신호를 수신하는 통신모듈, 상기 전원 잡음 주파수를 제거하기 위한 프로그램이 저장된 메모리 및 상기 프로그램을 실행시키는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 상기 프로그램을 실행시킴에 따라, 검출하고자 하는 전원 잡음 주파수에 대응하는 타겟 주파수를 RDFT(Recursive Discrete Fourier Transform) 변환하고, 상기 변환된 결과에 기초하여 상기 타겟 주파수에 대한 DFT(Discrete Fourier Transform) 크기와 상기 DFT 크기로 양자화된 주파수 인덱스를 산출하며, 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수를 상기 산출된 주파수 인덱스에 기초하여 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 전원 잡음 주파수에 대응하는 상기 타겟 주파수가 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수 중 어느 것인지 결정한다.
또한, 본 발명의 제 2 측면에 따른 전원 잡음 주파수 제거 장치에서의 전원 잡음 주파수 제거 방법은 검출하고자 하는 전원 잡음 주파수에 대응하는 타겟 주파수를 RDFT(Recursive Discrete Fourier Transform) 변환하는 단계; 상기 변환된 결과에 기초하여 상기 타겟 주파수에 대한 DFT(Discrete Fourier Transform) 크기와, 상기 DFT 크기로 양자화된 주파수 인덱스를 산출하는 단계; 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수를 상기 산출된 주파수 인덱스에 기초하여 비교하는 단계 및 상기 비교 결과에 기초하여 상기 전원 잡음 주파수에 대응하는 상기 타겟 주파수가 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수 중 어느 것인지 결정하는 단계를 포함한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 국가 및 지역에 대한 정보없이 낮은 연산량으로 전원 잡음 주파수를 자동으로 검출할 수 있다.
또한, 종래 기술에 비하여 연산량을 줄임으로써 연산 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전원 잡음 주파수 제거 장치에서의 전원 잡음 제거기의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 장치에서의 전원 잡음 주파수를 검출하기 위한 검출기의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 방법의 순서도이다.
도 5는 종래 기술과 본 발명의 일 실시예서의 전원 잡음 주파수의 검출 성능을 비교한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 전원 잡음 주파수 제거 장치(100) 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 국가 및 지역에 대한 정보가 없는 상태에서도 자동으로 전원 잡음 주파수를 검출할 수 있으며, 검출된 전원 잡음 주파수에 대응하는 노치 필터(Notch filter)를 적용하여 전원 잡음 주파수를 제거할 수 있다.
본 발명의 경우 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수의 2개의 성분을 일정 시간동안 모니터링하여, 전원 잡음 주파수가 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수 중 어느 것인지 결정할 수 있다.
이때, 제 1 타겟 주파수는 50Hz이고, 제 2 타겟 주파수는 60Hz임이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 각 지역에 따라 사용되는 전원 주파수에 따라 상이할 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 4을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 장치(100)에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 장치(100)의 블록도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 장치(100)에서의 전원 잡음 주파수를 검출하기 위한 검출기의 예시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 장치(100)는 통신모듈(110), 메모리(120) 및 프로세서(130)를 포함한다.
통신모듈(110)은 전원 잡음 주파수가 포함된 신호를 수신한다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 통신모듈(110)이 수신하는 신호는 생체 신호일 수 있다.
여기에서, 통신모듈(110)은 유선 통신모듈 및 무선 통신모듈을 모두 포함할 수 있다. 유선 통신모듈은 전력선 통신 장치, 전화선 통신 장치, 케이블 홈(MoCA), 이더넷(Ethernet), IEEE1294, 통합 유선 홈 네트워크 및 RS-485 제어 장치로 구현될 수 있다. 또한, 무선 통신모듈은 WLAN(wireless LAN), Bluetooth, HDR WPAN, UWB, ZigBee, Impulse Radio, 60GHz WPAN, Binary-CDMA, 무선 USB 기술 및 무선 HDMI 기술 등으로 구현될 수 있다.
한편, 통신모듈(110)은 복수 개가 복합적으로 포함되어 동작될 수 있으며, 그 동작 여부는 사용자에 의해 설정될 수 있다.
메모리(120)에는 전원 잡음 주파수를 제거하기 위한 프로그램이 저장된다. 여기에서, 메모리(120)는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 비휘발성 저장장치 및 휘발성 저장장치를 통칭하는 것이다.
예를 들어, 메모리(120)는 콤팩트 플래시(compact flash; CF) 카드, SD(secure digital) 카드, 메모리 스틱(memory stick), 솔리드 스테이트 드라이브(solid-state drive; SSD) 및 마이크로(micro) SD 카드 등과 같은 낸드 플래시 메모리(NAND flash memory), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive; HDD) 등과 같은 마그네틱 컴퓨터 기억 장치 및 CD-ROM, DVD-ROM 등과 같은 광학 디스크 드라이브(optical disc drive) 등을 포함할 수 있다.
또한, 메모리(120)에 저장된 프로그램은 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)와 같은 하드웨어 형태로 구현될 수 있으며, 소정의 역할들을 수행할 수 있다.
프로세서(130)는 메모리(120)에 저장된 프로그램을 실행시킨다. 프로세서(130)는 메모리(120)에 저장된 프로그램을 실행시킴에 따라, 검출하고자 하는 전원 잡음 주파수에 대응하는 타겟 주파수를 RDFT(Recursive Discrete Fourier Transform) 변환하고, 변환된 결과에 기초하여 타겟 주파수에 대한 DFT(Discrete Fourier Transform) 크기와 DFT 크기로 양자화된 주파수 인덱스를 산출한다.
그 다음, 프로세서(130)는 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수를 산출된 주파수 인덱스에 기초하여 비교하고, 비교 결과에 기초하여 상기 전원 잡음 주파수에 대응하는 타겟 주파수가 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수 중 어느 것인지 결정한 뒤, 결정된 전원 잡음 주파수에 대응하는 노치 필터를 적용하여 상기 전원 잡음 주파수를 제거한다.
이때, 노치 필터는 제 1 타겟 주파수에 대응하는 노치 필터 및 제 2 타겟 주파수에 대응하는 노치 필터를 포함하고, 제 1 타겟 주파수 및 제 2 타겟 주파수는 고정된 주파수로서, 본 발명의 경우 제 1 타겟 주파수는 50Hz이고, 제 2 타겟 주파수는 60Hz일 수 있다.
이하에서는 전원 잡음 주파수 제거 장치(100)에서 전원 잡음 주파수를 제거하기 위한 과정을 도 3을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
먼저, 프로세서(130)는 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수 성분을 각각 개별적으로 검출하기 위해 RDFT 방식을 적용한다.
RDFT 방식에서 v 주파수 성분, 즉 fv에 대한 주파수 영역에서의 푸리에 변환은 아래 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016007932844-pat00001
이때, Nv는 v 주파수 성분에 대한 DFT(Discrete Fourier Transform) 크기를 의미하며, kv는 v 주파수 성분에 대한 주파수 인덱스를 의미한다.
수학식 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예의 경우 FFT(Fast Fourier Transform) 방식과는 달리, 하나의 곱셈기와 두 개의 가산기만으로 관측하고자 하는 타겟 주파수 성분만 원하는 DFT 크기로 관측할 수 있다.
또한, FFT 크기만큼 데이터를 모아서 연산을 수행하던 종래 방식과는 달리, 본 발명의 일 실시예의 경우 입력되는 샘플을 바로 처리할 수 있어 실시간 데이터 처리가 가능하다.
한편, 데이터 처리 속도를 향상시키기 위해서 RDFT 방식을 적용하는 본 발명의 경우에도, FFT 기반의 종래 방식에서 발생되던 누설전력(leakage power)을 최소화해야 한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서의 프로세서(130)는 수학식 2를 통해, 검출하고자 하는 타겟 주파수(fv)와 해당 주파수에 대한 DFT 크기(Nv) 및 DFT 크기(Nv)로 양자화된 주파수 인덱스(kv) 사이의 오차를 최소화하는 최적의 DFT 크기(Nv) 및 주파수 인덱스(kv)를 산출해야 한다.
[수학식 2]
Figure 112016007932844-pat00002
수학식 2는 DFT의 크기(Nv)와 샘플링 주파수(fs)의 함수로 표현될 수 있으며, 샘플링 주파수(fs)가 고정된 경우 수학식 2를 결정하는 주요 변수는 DFT 크기(Nv)가 되며, DFT 크기(Nv)가 결정되면 주파수 인덱스(kv)는 DFT 크기(Nv)에 종속적으로 산출된다. 이때, DFT 크기(Nv)와 주파수 인덱스(Kv)는 각각 양의 정수를 가지며, 관측하고자 하는 타겟 주파수 성분에 따라 수학식 2를 만족시키는 DFT 크기(Nv)는 상이할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 장치(100)는 타겟 주파수가 제 1 타겟 주파수인 50Hz와, 제 2 타겟 주파수인 60Hz의 주파수 성분 중 어느 하나를 검출하면 되므로, 수학식 2를 통해 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수 성분에 대하여 최적화된 DFT 크기는 각각 N50, N60, 그리고 주파수 인덱스는 각각 k50, k60으로 정의할 수 있다.
프로세서(130)는 최종적으로 전원 잡음 주파수가 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수 중 어느 것인지를 검출해야 한다. 이를 위해 프로세서(130)는 M개의 샘플을 누적시켜 비교기에 통과시킴으로써 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수를 비교할 수 있으며, 이는 수학식 3을 통해 비교할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112016007932844-pat00003
프로세서(130)는 수학식 3에서 Γ가 1 이상인 경우에는 50Hz의 전원 잡음 주파수라 판단할 수 있고, 이를 제거하기 위하여 50Hz에 대응하는 노치 필터를 구동시킨다.
이와 달리 프로세서(130)는 Γ가 1 미만인 경우에는 60Hz의 전원 잡음 주파수라 판단할 수 있고, 이를 제거하기 위하여 60Hz에 대응하는 노치 필터를 구동시킨다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서의 프로세서(130)는 수학식 1에서 제 1 타겟 주파수인 50Hz와 제 2 타겟 주파수인 60Hz에 대응하는 DFT 크기(N)를 각각 동일하게 설정할 수 있다(N50=N60=N).
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에서의 RDFT 기반의 전원 잡음 주파수를 검출하기 위한 검출기는 도 3과 같이 나타날 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예의 경우 DFT의 크기(N)를 동일하게 설정함으로써, 각 주파수의 추정에 사용되는 지연소자의 수가 동일해지므로, 가산기의 개수를 줄일 수 있어 부가 로직이 단순해질 수 있다. 이에 따라, 각 타겟 주파수 성분별로 계산되던 개별적인 최적화 문제를 결합시켜 하나의 최적화 문제로 단순화시킬 수 있다.
이 경우, 프로세서(130)는 DFT 크기가 N50=N60=N으로 제한된 환경에서, 수학식 2를 통해 누설전력을 최소로 하는 주파수 인덱스 k50과 k60을 산출해야 한다.
이에 따라, 프로세서(130)는 동일하게 설정된 DFT 크기(N)에 대응하는 샘플링 주파수(fs)에 기초하여 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수에 대응하는 누설전력이 0이 되게 하는 제 1 관측 목표 주파수(f50) 및 제 2 관측 목표 주파수(f60)를 산출할 수 있다. 그리고 프로세서(130)는 산출된 제 1 관측 목표 주파수(f50) 및 제 2 관측 목표 주파수(f60)에 대응하는 제 1 주파수 인덱스(k50) 및 제 2 주파수 인덱스(k60)를 산출할 수 있다.
구체적으로, 수학식 2에서 동일하게 설정된 DFT 크기(N)에서 타겟 주파수인 50Hz와 60Hz에서 누설전력이 0이 되게 하는 제 1 관측 목표 주파수(f50)와 제 2 관측 목표 주파수(f60)는 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112016007932844-pat00004
수학식 4로부터 누설전력이 발생하지 않게 하는 제 1 주파수 인덱스(k50)와 제 2 주파수 인덱스(k60)는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112016007932844-pat00005
이때, 제 1 주파수 인덱스(k50)와 제 2 주파수 인덱스(k60)는 항상 양의 정수값을 갖는다는 제한 조건이 있다. 이와 같은 점을 고려하여, 샘플링 주파수(fs)와 DFT 크기(N) 사이에는 아래 수학식 6과 같은 관계식이 성립될 수 있다. 이때, g는 1보다 크거나 같은 양의 정수이다.
[수학식 6]
Figure 112016007932844-pat00006
수학식 6을 만족하는 DFT 크기(N)를 선택할 경우, 누설전력이 발생하지 않는 주파수 검출기를 구현할 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 DFT 크기(N)가 클수록 지연소자의 수가 증가하기 때문에 DFT 크기(N)가 최소값을 가지면 하드웨어 복잡도 역시 최소가 된다.
이에 따라, g=1인 경우 Nmin=fs/10으로 계산된다. 그러나 g=1인 경우, 동일하게 설정된 DFT 크기(N)이 최소값을 가지기 위해서 샘플링 주파수(fs)는 항상 10의 배수이어야 한다는 제약조건이 있다.
만약, 샘플링 주파수(fs)가 10의 배수가 아닌 경우, DFT 크기(N)가 최소가 되려면 g값을 가변하여 DFT 크기(N)가 정수가 되는 최소값을 탐색해야 한다.
그리고 fsg가 10의 배수가 되는 값을 찾을 수 없는 경우에는, 예를 들어 fs=100Hz인 경우 g=1을 적용할 수 있기 때문에 Nmin=10으로 계산되며, k50=5, k60=6으로 계산된다.
반면, fs=125Hz인 경우 g=1에서 최소값을 찾을 수 없고 g=2를 적용할 수 있으며, 이 경우 Nmin=25, k50=10, k60=20으로 계산된다.
이와 같이, 프로세서(130)는 10의 배수인 샘플링 주파수(fs)를 만족하는 DFT 크기의 최소값을 산출하고, DFT 크기의 최소값에 기초하여 제 1 주파수 인덱스와 제 2 주파수 인덱스를 산출할 수 있다.
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 도 2에 도시된 구성 요소들은 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)와 같은 하드웨어 형태로 구현될 수 있으며, 소정의 역할들을 수행할 수 있다.
그렇지만 '구성 요소들'은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, 각 구성 요소는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
따라서, 일 예로서 구성 요소는 소프트웨어 구성 요소들, 객체지향 소프트웨어 구성 요소들, 클래스 구성 요소들 및 태스크 구성 요소들과 같은 구성 요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다.
구성 요소들과 해당 구성 요소들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성 요소들로 결합되거나 추가적인 구성 요소들로 더 분리될 수 있다.
이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 장치(100)에서의 전원 잡음 주파수 제거 방법을 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 방법의 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 방법은 먼저, 검출하고자 하는 전원 잡음 주파수에 대응하는 타겟 주파수를 RDFT(Recursive Discrete Fourier Transform) 변환한다(S410).
다음으로, 변환된 결과에 기초하여 타겟 주파수에 대한 DFT(Discrete Fourier Transform) 크기와, DFT 크기로 양자화된 주파수 인덱스를 산출한다(S420).
다음으로, 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수를 산출된 주파수 인덱스에 기초하여 비교하고(S430), 비교 결과에 기초하여 전원 잡음 주파수에 대응하는 타겟 주파수가 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수 중 어느 것인지 결정한다(S440). 이때, 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수는 고정된 주파수를 가지며, 본 발명의 일 실시예에서의 제 1 타겟 주파수는 50Hz이고, 제 2 타겟 주파수는 60Hz인 것이 바람직하다.
이와 같이 전원 잡음 주파수가 결정되면, 결정된 전원 잡음 주파수에 대응하는 노치 필터를 적용하여 전원 잡음 주파수를 제거한다(S450). 이때, 노치 필터는 제 1 타겟 주파수에 대응하는 노치 필터 및 제 2 타겟 주파수에 대응하는 노치 필터를 포함하며, 전원 잡음 주파수가 제 1 또는 제 2 타겟 주파수임에 따라, 이에 대응하는 노치 필터를 적용하여 전원 잡음 주파수를 제거할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 방법은 전원 잡음 주파수를 검출하는 검출기의 제어 로직을 단순화시켜 연산 속도를 더욱 빠르게 할 수 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 방법은 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수의 DFT 크기를 동일하게 설정하고, 동일하게 설정된 DFT 크기에 대응하는 샘플링 주파수에 기초하여, 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수에 대응하는 누설 전력이 0이 되게 하는 제 1 관측 목표 주파수와 제 2 관측 목표 주파수를 산출할 수 있다.
이와 같이 제 1 및 제 2 관측 목표 주파수가 산출되면, 제 1 및 제 2 관측 목표 주파수에 대응하는 제 1 주파수 인덱스와 제 2 주파수 인덱스를 산출할 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S410 내지 S450는 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다. 아울러, 기타 생략된 내용이라 하더라도 도 1 내지 도 3에서의 전원 잡음 주파수 제거 장치(100)에 관하여 이미 기술된 내용은 도 4의 전원 잡음 주파수 제거 방법에도 적용된다.
이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 장치(100) 및 전원 잡음 주파수 제거 장치(100)에서의 전원 잡음 주파수 제거 방법을 종래 기술과 비교한 실험 결과를 설명하도록 한다.
도 5는 종래 기술과 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수의 검출 성능을 비교한 그래프이다.
도 5는 타겟 주파수가 60Hz 정현파로 전원 잡음 주파수가 모델링된 것이며, 원래의 신호는 전대역에 동일한 전력을 가지는 임의의 신호로 모델링되었다. 전원 잡음 주파수의 검출 확률은 NSR(Noise-to-Ratio)가 높을수록 증가한다.
시험 성능 비교에서 사용된 샘플링 주파수(fs)는 500Hz이며, 본 발명의 일 실시예의 경우 DFT 크기는 종래 기술과의 비교를 위해 N=200으로 설정(g=4)되었으며, 전력누설이 없는 50Hz와 60Hz 주파수 인덱스는 각각 k50=20, k60=24로 산출된다.
종래 기술의 경우 FFT 기반의 해밍 윈도우(Hamming Window)가 적용된 STFT(Short-Time Fourier Transform)가 적용되며, FFT 크기는 256이 사용된다.
윈도우의 오버랩 길이는 본 발명과 유사한 환경에서 비교를 위해 255가 적용되었으며, 수학식 2에 따라 50Hz와 60Hz의 주파수 인덱스가 설정되었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 경우와 종래 기술의 경우 동일한 수의 샘플링한뒤, 수학식 3을 기준으로 주파수를 검출하였다.
이에 따라, 60Hz 전원 잡음 주파수가 존재하는 경우 50Hz의 전원 잡음 주파수로 오인할 확률(False Alarm, FA)은 도 5에 도시된 바와 같다.
본 발명의 경우 -16dB NSR에서 1%의 오인 확률이 발생하는 반면, 종래 기술의 경우 10%의 오인 확률이 발생한다.
종래 기술과 같이 오버랩 크기가 255인 경우 1 샘플이 입력되면, 256 크기의 FFT 연산이 발생하기 때문에 동일하게 소요되는 곱셈의 누산기의 연산량을 제외한 연산량은 O(NlogN)으로 계산되지만, 본 발명의 일 실시예의 경우 Q(2) 연산량으로 계산되므로 연산량도 크게 줄일 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 의하면, 국가 및 지역에 대한 정보없이 낮은 연산량으로 전원 잡음 주파수를 자동으로 검출할 수 있다.
또한, 종래 기술에 비하여 연산량을 줄임으로써 연산 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 잡음 주파수 제거 장치(100)에서의 전원 잡음 주파수 제거 방법은 컴퓨터에 의해 실행되는 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램 또는 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10a, 10b: ADC 컨버터 20a, 20b: 노치 필터
30b: 교류 전원 주파수 검출기 100: 전원 잡음 주파수 제거 장치
110: 통신모듈 120: 메모리
130: 프로세서

Claims (8)

  1. 전원 잡음 주파수 제거가 가능한 전원 잡음 주파수 제거 장치에 있어서,
    전원 잡음 주파수가 포함된 신호를 수신하는 통신모듈,
    노치 필터를 통해 상기 전원 잡음 주파수를 제거하기 위한 프로그램이 저장된 메모리 및
    상기 프로그램을 실행시키는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는 상기 프로그램을 실행시킴에 따라, 검출하고자 하는 전원 잡음 주파수에 대응하는 타겟 주파수를 RDFT(Recursive Discrete Fourier Transform) 변환하고, 상기 변환된 결과에 기초하여 상기 타겟 주파수에 대한 DFT(Discrete Fourier Transform) 크기와 상기 DFT 크기로 양자화된 주파수 인덱스를 산출하며, M개의 샘플을 누적시켜 학습시킨 비교기에 기초하여 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수를 상기 산출된 주파수 인덱스에 기초하여 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 전원 잡음 주파수에 대응하는 상기 타겟 주파수가 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수 중 어느 것인지 결정하는 것인 전원 잡음 주파수 제거 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 노치 필터는 상기 제 1 타겟 주파수에 대응하는 노치 필터 및 상기 제 2 타겟 주파수에 대응하는 노치 필터를 포함하고,
    상기 제 1 타겟 주파수 및 제 2 타겟 주파수는 고정된 주파수를 가지는 것인 전원 잡음 주파수 제거 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수의 DFT 크기를 동일하게 설정하고, 상기 동일하게 설정된 DFT 크기에 대응하는 샘플링 주파수에 기초하여, 상기 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수에 대응하는 누설전력이 0이 되는 제 1 관측 목표 주파수 및 제 2 관측 목표 주파수를 산출하며, 상기 산출된 제 1 관측 목표 주파수 및 제 2 관측 목표 주파수에 대응하는 제 1 주파수 인덱스 및 제 2 주파수 인덱스를 산출하는 것인 전원 잡음 주파수 제거 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 동일하게 설정된 DFT 크기에 대응하는 샘플링 주파수는 10의 배수인 것인 전원 잡음 주파수 제거 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 10의 배수인 샘플링 주파수를 만족하는 상기 DFT 크기의 최소값을 산출하고, 상기 DFT 크기의 최소값에 기초하여 상기 제 1 주파수 인덱스 및 제 2 주파수 인덱스를 산출하는 것인 전원 잡음 주파수 제거 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 타겟 주파수는 50Hz이고, 상기 제 2 타겟 주파수는 60Hz인 것인 전원 잡음 주파수 제거 장치.
  8. 전원 잡음 주파수 제거 장치에서의 전원 잡음 주파수 제거 방법에 있어서,
    검출하고자 하는 전원 잡음 주파수에 대응하는 타겟 주파수를 RDFT(Recursive Discrete Fourier Transform) 변환하는 단계;
    상기 변환된 결과에 기초하여 상기 타겟 주파수에 대한 DFT(Discrete Fourier Transform) 크기와, 상기 DFT 크기로 양자화된 주파수 인덱스를 산출하는 단계;
    제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수를 상기 산출된 주파수 인덱스에 기초하여 비교하는 단계 및
    상기 비교 결과에 기초하여 상기 전원 잡음 주파수에 대응하는 상기 타겟 주파수가 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수 중 어느 것인지 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 제 1 타겟 주파수와 제 2 타겟 주파수를 상기 산출된 주파수 인덱스에 기초하여 비교하는 단계는,
    M개의 샘플을 누적시켜 학습시킨 비교기에 기초하여 비교하는 것인 전원 잡음 주파수 제거 방법.
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