KR101864695B1 - 가시광 통신에서 신호를 처리하는 방법 - Google Patents

Abstract

가시광 통신에서 신호를 처리하는 방법은 가시광 채널을 통해 맨체스터 신호를 수신하는 단계, 센서를 통해 주변 광 노이즈를 측정하는 단계, 측정된 주변 광 노이즈에 기초하여 노이즈 파라미터를 결정하는 단계 및 노이즈 파라미터를 변수로 하는 필터를 이용하여 수신된 맨체스터 신호를 필터링하는 단계 및 필터링된 신호를 디코딩하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

가시광 통신에서 신호를 처리하는 방법{SIGNAL PROCESSING METHOD IN VISIBLE LIGHT COMMUNICATION}

본 발명은 가시광 통신에서 신호를 처리하는 방법에 관한 것이다.

가시광 통신(VLC:Visible Light Communication)은 광원인 빛에 데이터를 실어 무선 통신하는 기술로서 반도체에 의해 발생된 빛으로 온(on)과 오프(off)를 반복하여 온/오프에 대응하는 디지털 데이터 1과 0을 전달하는 무선통신기술이다.

최근에는 발광 다이오드(LED)의 가시광 스펙트럼을 이용하여 정보를 전송하는　가시광 통신　기술이 개발되고 있다.

이러한, 가시광 통신을 이용하면, 눈에 보이는 모든 조명장치 및 디스플레이로부터 발생되는 광을 이용하여 쌍방 간에 무선으로 통신할 수 있다.

하지만, 가시광 통신은 가시광선을 이용한 통신이기 때문에 주변의 햇빛이나 내부의 다른 조명 등에 의해 간섭이 발생하는 경우, 통신을 제대로 수행할 수 없다.

선행기술인 한국등록특허 제10-1544036호에는 단말기의 성능에 따라서 단극 NRZ 방식 또는 차분 맨체스터 방식으로 데이터를 변조 및 프레임화하여 단말의 광원을 통해 신호를 전송하는 구성이 개시되어 있다.

주변 광 노이즈의 변화를 측정하고, 측정된 주변 광 노이즈에 기초하여 노이즈 파라미터를 결정하고자 한다. 또한, 결정된 노이즈 파라미터를 변수로 하는 필터를 이용하여 맨체스터 신호를 필터링함으로써 맨체스터 신호에 포함된 노이즈를 제거하고자 한다. 다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 가시광 통신에서 신호를 처리하는 방법은 가시광 채널을 통해 맨체스터 신호를 수신하는 단계; 센서를 통해 주변 광 노이즈를 측정하는 단계; 상기 측정된 주변 광 노이즈에 기초하여 노이즈 파라미터를 결정하는 단계; 및 상기 노이즈 파라미터를 변수로 하는 필터를 이용하여 상기 수신된 맨체스터 신호를 필터링하는 단계; 및 상기 필터링된 신호를 디코딩하는 단계를 포함할 수 있다.

일예에 있어서, 상기 필터의 지연 시간(delay time)은 상기 노이즈 파라미터에 의해 결정될 수 있다.

일예에 있어서, 상기 센서는 상기 맨체스터 신호를 송신하는 송신단에 설치되거나 또는 상기 맨체스터 신호를 수신하는 수신단에 설치될 수 있다.

일예에 있어서, 상기 노이즈 파라미터는 상기 측정된 주변 광 노이즈의 변화에 따라 실시간으로 변화할 수 있다.

일예에 있어서, 상기 주변 광 노이즈는 형광 노이즈를 포함하고, 상기 노이즈 파라미터는 상기 형광 노이즈의 주파수 특성에 기초하여 결정될 수 있다.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 실시간으로 변화하는 주변 광 노이즈를 측정하고, 측정된 주변 광 노이즈에 기초하여 노이즈 파라미터를 결정할 수 있다. 또한, 결정된 노이즈 파라미터를 변수로 하는 필터를 이용하여 맨체스터 신호를 필터링함으로써 맨체스터 신호의 SNR(signal-to-noise ratio)을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가시광 통신 시스템의 구성도이다.
도 2는 NRZ 신호와 맨체스터 신호의 BER(Bit error rate)의 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 주변 광 노이즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 4b는 NRZ 신호와 맨체스터 신호에서의 형광 노이즈 제거를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 개선된 맨체스터 방식을 이용한 신호 처리 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가시광 통신에서 신호를 처리하는 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.

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 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛, 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함한다. 또한, 1 개의 유닛이 2 개 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 2 개 이상의 유닛이 1 개의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.

본 명세서에 있어서 단말 또는 디바이스가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부는 해당 단말 또는 디바이스와 연결된 서버에서 대신 수행될 수도 있다. 이와 마찬가지로, 서버가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부도 해당 서버와 연결된 단말 또는 디바이스에서 수행될 수도 있다.

이하, 첨부된 구성도 또는 처리 흐름도를 참고하여, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가시광 통신 시스템의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 가시광 통신 시스템은 송신단(100)과 수신단(110)을 포함한다.

송신단(100)은 가시광을 이용한 통신을 수행하는데 사용되는 가시광 데이터 신호를 발생시키는 광원을 포함할 수 있다. 여기서, 광원은 발광 다이오드(LED) 등을 포함할 수 있다.

송신단(100)은 맨체스터 코딩 방식에 기초하여 가시광 데이터 신호의 출력을 제어함으로써 맨체스터 신호를 생성하고, 생성된 맨체스터 신호를 가시광 채널을 통해 수신단(110)에게 전송할 수 있다. 예를 들면, 송신단(100)은 가시광 데이터 신호를 +, - 평형신호를 사용해서 변환된 레벨 데이터신호를 한 구간 내에서 '0'과 '1'의 위치로 이루어진 맨체스터 신호로 출력시킬 수 있다.

수신단(110)은 가시광 채널을 통해 맨체스터 신호를 송신단(100)로부터 수신할 수 있다. 수신단(110)에서 수신한 신호는 송신단(100)에서 전송한 맨체스터 신호에 노이즈가 더해진 신호일 수 있다. 이 때 노이즈는 주변 광 노이즈와 열 노이즈 등을 포함할 수 있다.

수신단(110)은 외부광원(120)으로부터 발생되는 주변 광 노이즈를 센서를 통해 측정할 수 있다. 여기서, 외부광원(120)은 예를 들면, 백열등, 형광등과 같은 조명기구뿐만 아니라 태양광을 포함할 수 있다. 예를 들어, 형광등으로부터 발생되는 광은 530나노미터 내지 550나노미터의 파장 및 600나노미터 내지 630 나노미터의 파장에서 그 외의 파장 영역보다 큰 세기를 가질 수 있다. 또한, 주변 광 노이즈는 예를 들면, 형광 노이즈, 백열광 노이즈 등을 포함할 수 있다.

주변 광 노이즈를 측정하는 센서는 맨체스터 신호를 수신하는 수신단(110)에 설치될 수 있고, 맨체스터 신호를 송신하는 송신단(100)에 설치될 수도 있다. 센서가 송신단(100)에 설치된 경우, 송신단(100)은 센서를 통해 주변 광 노이즈를 측정하고, 측정된 주변 광 노이즈의 정보를 수신단(110)으로 전송할 수 있다.

수신단(110)은 측정된 주변 광 노이즈에 기초하여 노이즈 파라미터를 결정할 수 있다. 예를 들면, 수신단(110)은 형광 노이즈의 주파수 특성에 기초하여 노이즈 파라미터를 결정할 수 있다. 이러한 노이즈 파라미터는 측정된 주변 광 노이즈의 변화에 따라 실시간으로 변화할 수 있다.

수신단(110)은 노이즈 파라미터를 변수로 하는 필터를 이용하여 송신단(100)으로부터 수신된 맨체스터 신호를 필터링할 수 있다. 여기서 필터는 노이즈 파라미터에 기초하여 필터의 지연 시간(delay time)을 결정하고, 결정된 필터의 지연 시간에 따라 수신된 맨체스터 신호에서 주변 광 노이즈를 제거할 수 있다.

여기서, 필터의 지연 시간은 주변 광 노이즈에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 필터의 지연 시간은 주변 광이 백열등인 경우와 주변 광이 형광등인 경우에서 각각 다르다. 필터의 지연 시간은 시간에 따라 달라질 수 있다. 주변 광 노이즈는 시간에 따른 조사량의 변화나 주변 조명의 변화에 따라 실시간 변화하는 값이므로, 주변 광 노이즈에 기초한 필터의 지연 시간도 시간에 따라 달라질 수 있다.

필터를 이용하여 맨체스터 신호를 필터링하는 방법에 관하여는 도 5a 및 5b를 참조하여 후술하기로 한다.

수신단(110)은 필터링된 신호를 디코딩할 수 있다.

도 2는 NRZ 신호와 맨체스터 신호의 BER(bit error rate)을 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 도면 부호 20은 1.25Mb/s의 속도로 전송된 NRZ 신호(203) 및 맨체스터 신호(201)의 BER를 도시하고 있다. 도면 부호 20을 살펴보면, 열 노이즈에 대한 형광 노이즈의 파워 비율이 증가할수록, NRZ 신호(203)의 BER은 증가하나, 맨체스터 신호(201)의 경우 BER이 낮게 유지되는 것을 확인할 수 있다.

도면 부호 21은 2.5Mb/s의 속도로 전송된 NRZ 신호(203) 및 맨체스터 신호(201)의 BER을 도시하고 있다. 마찬가지로, 열 노이즈에 대한 형광 노이즈의 파워 비율이 증가할수록, NRZ 신호(203)의 BER은 증가하는 반면, 맨체스터 신호(201)의 BER은 낮게 유지되는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 형광 노이즈를 포함하는 가시광 통신의 경우, NRZ 신호(203)로 변조하여 전송하는 것보다 맨체스터 신호(201)로 변조하여 전송하는 것이 에러율의 발생 빈도를 낮게할 수 있다.

도 3은 주변 광 노이즈를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 도면 부호 30은 열 노이즈의 주파수 스펙트럼을 도시하고, 도면 부호 32는 열 노이즈와 형광 노이즈를 포함하는 노이즈의 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다.

도면 부호 30 및 32를 비교해보면, 열 노이즈는 넓은 주파수 영역에 걸친 브로드밴드(broadband) 노이즈인 반면, 열 노이즈와 형광 노이즈를 포함한 노이즈는 형광등의 특정 주파수(예컨대, 90kHz(301), 180 kHz(303))에서 하모닉(harmonic)을 가지는 형광 노이즈를 포함한다.

따라서, 수신단(110)은 형광 노이즈의 주파수 특성에 기초하여 노이즈 파라미터를 결정하고, 노이즈 파라미터에 따른 필터를 이용해 수신된 맨체스터 신호를 필터링함으로써, 신호에 포함된 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 수신된 맨체스터 신호에서 형광 노이즈를 제거함으로써 통신상의 에러 문제를 대폭 완화할 수 있다.

도 4a 및 4b는 NRZ 신호와 맨체스터 신호에서의 형광 노이즈 제거를 설명하기 위한 도면이다.

도 4a를 참조하면, 클럭 신호(400)는 비트 속도와 동일한 속도를 갖도록 동기신호의 위상과 동기화되어 출력된다.

NRZ 신호(402)는 클럭 신호(400)에 기초하여 클럭 신호가 양(＋)의 전압값에서 부(－)의 전압값으로 또는 부의 전압값에서 양의 전압값으로 반전하면 비트 1로 변환하고, 반전하지 않으면 비트 0으로 변환하는 신호이다. 　

맨체스터 신호(404)는 NRZ 신호(402)와 클럭 신호(400)를 XOR 연산하여 만들어진 신호이다.

지연 신호(406)는 맨체스터 신호(404)를 T/2(40, T: bit period)만큼 지연한 신호이다.

차등 신호(408)는 맨체스터 신호(404)에서 지연된 맨체스터 신호(406)를 차감한 신호이다. 차등 신호(408)는 맨체스터 신호(404)를 필터링한 신호일 수 있다. 이 때 사용되는 필터의 임펄스 응답은 수학식 1과 같이 표현되고, 필터(414)의 지연 시간(')은 T/2(40)로 고정되어 있다.

[수학식 1]

도 4b를 참조하면, 도 4b의 도면 부호 410은 수신단에서 수신한 NRZ 신호의 주파수 스펙트럼을 나타내고, 도면 부호 412는 수신단에서 수신한 맨체스터 신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸다. 각각의 신호는 0.08/T에서 광 노이즈를 포함하고 있다.

NRZ 신호의 스펙트럼(410)을 살펴보면, 저주파 대역에서 신호의 왜곡(418)이 발생한 것을 관측할 수 있다. NRZ 신호는 저주파 성분을 포함하고 있는데, 형광등으로부터 발생되는 형광 노이즈 역시 저주파 성분을 가지고 있기 때문에 저주파 대역에서 NRZ신호와 형광 노이즈가 섞여 신호의 왜곡이 발생한다. 따라서, NRZ 신호에서 형광 노이즈를 제거하기 어렵다.

맨체스터 신호의 스펙트럼(412)을 살펴보면, 맨체스터 신호는 저주파 성분을 포함하고 있지 않다. 따라서, 데이터를 맨체스터 신호로 변조할 경우, 맨체스터 신호에서 형광 노이즈(420)를 제거하는 것이 용이해진다.

도면 부호 414는 형광 노이즈(420)을 제거하기 위한 밴드 패스 필터(band pass filter)의 주파수 특성을 도시한 것이다. 필터의 주파수 특성(414)은 수학식 2의 절대값을 도시한 것으로, 수학식 2는 수학식 1의 푸리에 변환식이다.

[수학식 2]

도면 부호 416은 필터를 통과하여 형광 노이즈가 제거된 맨체스터 신호의 스펙트럼을 나타낸다. 형광 노이즈가 제거된 맨체스터 신호의 스펙트럼(416)을 살펴보면, 필터를 이용하여 맨체스터 신호를 필터링함으로써 맨체스터 신호의 스펙트럼(412)에서의 저주파 성분의 형광 노이즈가 제거됨을 확인할 수 있다.

도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 보다 개선된 맨체스터 방식을 이용한 신호 처리 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5a를 참조하면, 지연 시간(τ)은 고정되어 있지 않고 실시간으로 변화하는 주변 광 노이즈의 노이즈 파라미터에 따라 달라질 수 있다. 여기서, 주변 광 노이즈는 송신단(100) 또는 수신단(110)에서 센서에 의해 수집될 수 있다.

노이즈 파라미터가

일 때, 필터(506)의 임펄스 응답은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3]

지연된 맨체스터 신호(500)는 맨체스터 신호(404)를

(504)만큼 지연한 신호이다.

차등 신호(502)는 맨체스터 신호(404)에서 지연된 맨체스터 신호(500)를 차감한 신호이다. 차등 신호(502)는 맨체스터 신호(404)를 수학식 3의 임펄스 응답을 가지는 필터로 필터링한 신호를 나타낼 수 있다.

도 5b를 참조하면, 주변 광 노이즈의 변화에 따라 필터의 주파수 특성(506)을 변경할 수 있다. 예를 들면, 주변 광이 백열등일 때의 필터의 주파수 특성과 주변 광이 형광등일 때의 필터의 주파수 특성은 서로 다를 수 있다. 또한, 주변 광 노이즈는 시간에 따라 변하기 때문에 필터의 주파수 특성(506)도 시간에 따라 변경될 수 있다.

주변 광 노이즈의 상황에 따라 노이즈 파라미터 및 지연 시간을 조정함으로써, 필터의 주파수 특성(506)을 변경하여 수신된 맨체스터 신호에서 주변 광 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다.

필터(506)는 수학식 4의 절대값에 기초하여 도출되며, 수학식 4는 수학식 3의 푸리에 변환식이다.

[수학식 4]

주변 광 노이즈가 제거된 맨체스터 신호의 스펙트럼(508)을 살펴보면, 필터(506)를 이용하여 맨체스터 신호를 필터링하게 되면 맨체스터 신호의 스펙트럼(412)에서의 주변 광 노이즈가 제거됨을 확인할 수 있고, 이를 통해 신호대잡음비(SNR)가 한층 개선됨을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가시광 통신에서 신호를 처리하는 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 단계 S601에서 수신단(110)은 송신단(100)로부터 가시광 채널을 통해 맨체스터 신호를 수신할 수 있다.

단계 S603에서 송신단(100) 또는 수신단(110)은 센서를 통해 주변 광 노이즈를 측정할 수 있다. 여기서, 주변 광 노이즈는 형광 노이즈 등을 포함할 수 있다.

단계 S605에서 수신단(110)은 단계 S603에서 측정된 주변 광 노이즈에 기초하여 노이즈 파라미터를 결정할 수 있다. 여기서, 노이즈 파라미터는 측정된 주변 광 노이즈의 변화에 따라 실시간으로 변화할 수 있다. 노이즈 파라미터는 주변 광 노이즈의 주파수 특성에 기초하여 결정될 수 있다.

단계 S607에서 수신단(110)은 단계 S605에서 결정된 노이즈 파라미터를 변수로 하는 필터를 이용하여 수신된 맨체스터 신호를 필터링할 수 있다. 여기서, 필터의 지연 시간은 노이즈 파라미터에 의해 결정될 수 있다.

단계 S609에서 수신단(110)은 필터링된 신호를 디코딩할 수 있다.

상술한 설명에서, 단계 S601 내지 S609는 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.

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 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.

100: 송신단
110: 수신단

Claims (5)

1. 가시광 통신에서 신호를 처리하는 방법에 있어서,
   가시광 채널을 통해 맨체스터 신호를 수신하는 단계;
   센서를 통해 주변 광 노이즈를 측정하는 단계;
   상기 측정된 주변 광 노이즈에 기초하여 노이즈 파라미터(

   

   )를 결정하는 단계;
   상기 노이즈 파라미터에 의해 결정된 지연 시간(

   

   , delay time)만큼 상기 맨체스터 신호를 지연한 지연 멘체스터 신호를 생성하는 단계; 및
   상기 노이즈 파라미터를 변수로 하는 필터를 이용하여 상기 수신된 맨체스터 신호를 필터링하여, 상기 수신된 맨체스터 신호에서 상기 지연 멘체스터 신호를 차감한 필터링된 신호를 생성하는 단계; 및
   상기 필터링된 신호를 디코딩하는 단계
   를 포함하고,
   상기 주변 광 노이즈는 형광 노이즈를 포함하고,
   상기 노이즈 파라미터는 상기 형광 노이즈의 주파수 특성에 기초하여 결정되고,
   상기 가시광 채널을 통해 수신한 맨체스터 신호는 저주파 성분을 포함하지 않는 맨체스터 신호와 저주파 성분을 가지는 형광 노이즈를 포함하고,
   상기 필터의 임펄스 응답은

   

   (

   

   = 임펄스 응답 함수,

   

   = 임펄스 입력 함수)로 표현되는 것인, 신호 처리 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 센서는 상기 맨체스터 신호를 송신하는 송신단에 설치되거나 또는 상기 맨체스터 신호를 수신하는 수신단에 설치되는 것인, 신호 처리 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 노이즈 파라미터는 상기 측정된 주변 광 노이즈의 변화에 따라 실시간으로 변화하는 것인, 신호 처리 방법.
   
5. 삭제

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