KR102234177B1 - 무선 기반의 전력 및 정보 동시 송수신 방법 및 그 장치 - Google Patents

무선 기반의 전력 및 정보 동시 송수신 방법 및 그 장치 Download PDF

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강영훈
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 장치는 소정의 반송주파수에 대응되는 반송파를 생성하는 반송파생성부; 아날로그 통신 신호와 상기 반송파를 이용하여, 변조 통신 신호를 생성하는 통신신호생성부; 상기 반송파를 이용하여, 상기 반송주파수에 대응되는 전력 신호를 생성하는 전력신호생성부; 및 상기 변조 통신 신호 및 상기 전력 신호를 결합한 결합 신호를 외부로 방사하는 방사부를 포함한다.

Description

무선 기반의 전력 및 정보 동시 송수신 방법 및 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TRANSMITTING AND RECEIVING WIRELESS INFORMATION AND POWER}
본 발명은 무선으로 전력과 정보를 동시에 전송 및 수신하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근에 IoT 장치에 RF 신호를 이용하여 무선으로 전력을 공급하는 기술이 각광 받고 있다. 기존의 유선으로 전력을 공급하던 방식은 IoT 장치의 수가 급격하게 늘어남에 따라 배터리 교체비용, 전선 교체 및 유지 비용도 늘어나는 문제점이 있기 때문이다. 여기서 무선 전력 전송(WPT: Wireless Power Transfer)을 사용하면 IoT 장치에 필요한 전력을 공급하기 위해 배터리를 교체를 할 필요가 없게 되고, 전선 연결에 의한 교체 및 유지비용이 소모되지 않게 된다. WPT 기술 중에서 RF 신호로 전력을 전송하는 RF WPT 기술은 낮은 전력을 먼 곳으로 전송할 수 있는데, 이는 저전력 IoT 장치에 전력을 공급할 때 아주 효과적이다.
SWIPT (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 는 RF WPT 를 확장한 기술로써, 통신 신호와 전력을 하나의 신호로 동시에 전송을 하는 기술이다. 전력과 통신 신호를 동시에 전송함으로써 송신부와 수신부를 각각 하나의 회로로 동작하게 할 수 있다. 두 신호를 같은 주파수로 전송하기 때문에 보다 적은 대역폭을 사용하게 되고, 다른 통신 시스템과의 간섭을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 SWIPT 신호 전송 시 적은 대역폭으로 효율적으로 전송하는 전송 방법 및 장치와, 그 전송된 신호를 간단한 회로 구성으로 적은 전력을 소모하면서 수신하는 새로운 수신 방법 및 장치를 제안한다
한국등록특허 제10-1972397호(2019년 4월 19일 공개)
본 발명은 반송주파수에 맞추어 생성된 전력 신호와 반송주파수 주변의 주파수로 변조된 통신 신호를 전송함으로써, 전력 신호의 대역폭이 0이 되어 기존의 SWIPT 기법과 비교해서 다른 통신 시스템과의 간섭이 현저히 줄어든 무선 기반의 전력 및 정보 동시 송수신 방법 및 그 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 전력 신호가 주파수가 0에 가까운 구간에만 형성되므로 저주파 성분인 전력 신호와 상대적으로 높은 주파수 대역에 있는 통신 신호의 분리가 용이하며, 복조과정에서 외부 전력이 필요한 소자를 사용하지 않아도 되므로 수신회로의 복잡성과 전력소모가 감소된 무선 기반의 전력 및 정보 동시 송수신 방법 및 그 장치를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 장치는 소정의 반송주파수에 대응되는 반송파를 생성하는 반송파생성부; 아날로그 통신 신호와 상기 반송파를 이용하여, 변조 통신 신호를 생성하는 통신신호생성부; 상기 반송파를 이용하여, 상기 반송주파수에 대응되는 전력 신호를 생성하는 전력신호생성부; 및 상기 변조 통신 신호 및 상기 전력 신호를 결합한 결합 신호를 외부로 방사하는 방사부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 반송파생성부는 상기 반송파를 생성하는 로컬 오실레이터(Local Oscillator); 및 상기 생성된 반송파를 분배하는 분배기(RF Splitter)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 통신신호생성부는 상기 아날로그 통신 신호와 상기 반송파를 이용하여, 상기 반송주파수에 기반하여 변조된 통신 신호인 제1 통신 신호를 생성하는 믹서(Mixer); 상기 제1 통신 신호의 대역폭을 제한하는 밴드패스필터(Band-Pass Filter); 및 상기 대역폭이 제한된 제1 통신 신호를 증폭하여 상기 변조 통신 신호를 생성하는 증폭기(Amplifier)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 믹서는 DC-Biased OFDM(orthogonal frequency division multiplexing), PPM(pulse position modulation) 및 OOK(on-off keying) 중 하나의 방법을 이용하여 상기 제1 통신 신호를 생성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전력신호생성부는 상기 반송파의 전력량을 조절하는 가변 감쇄기(Variable Attenuator); 및 상기 전력량이 조절된 반송파를 증폭하여 상기 전력 신호를 생성하는 고전력 증폭기(High Power Amplifier)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 방법은 소정의 반송주파수에 대응되는 반송파를 생성하는 단계; 아날로그 통신 신호와 상기 반송파를 이용하여, 변조 통신 신호를 생성하는 단계; 상기 반송파를 이용하여, 상기 반송주파수 대응되는 전력 신호를 생성하는 단계; 상기 변조 통신 신호 및 상기 전력 신호를 결합한 결합 신호를 외부로 방사하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 장치는 소정의 반송주파수에 대응되는 반송파에 기반하는 변조 통신 신호 및 전력 신호가 결합된 결합 신호를 수신하는 안테나부; 상기 결합 신호의 주파수 대역을 중심주파수가 0인 기저대역으로 이동시킨 기저대역 결합 신호를 생성하는 정류부; 상기 기저대역 결합 신호에서 상기 기저대역의 중심주파수에 해당하는 신호인 상기 전력 신호를 획득하는 전력부; 및 상기 기저대역 결합 신호에서 상기 기저대역의 중심주파수를 제외한 나머지 대역에 해당하는 신호인 상기 변조 통신 신호를 획득하는 통신부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 안테나부와 상기 정류부 사이의 임피던스를 조정하는 매칭부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 결합 신호에 포함된 고주파 대역의 노이즈를 제거하는 저역통과필터부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 정류부는 딕슨차지펌프(Dickson charge pump)를 이용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전력부는 인덕터를 포함하고, 상기 통신부는 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 방법은 소정의 반송주파수에 대응되는 반송파에 기반하는 변조 통신 신호 및 전력 신호가 결합된 결합 신호를 수신하는 단계; 상기 결합 신호의 주파수 대역을 중심주파수가 0인 기저대역으로 이동시킨 기저대역 결합 신호를 생성하는 단계; 상기 기저대역 결합 신호에서 상기 기저대역의 중심주파수에 해당하는 신호인 상기 전력 신호를 획득하는 단계; 및 상기 기저대역 결합 신호에서 상기 기저대역의 중심주파수를 제외한 나머지 대역에 해당하는 신호인 상기 변조 통신 신호를 획득하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 송신 신호를 만드는 과정에서 전력 신호는 반송주파수에 맞춰서 보내고 통신 신호를 반송주파수 주변으로 변조하기 때문에, 대부분의 전력을 차지하는 전력 신호의 대역폭이 0이 되므로 기존의 SWIPT 기법과 비교해서 다른 통신 시스템과의 간섭이 현저히 줄어드는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 송신 신호가 정류기를 먼저 거치기 때문에 전력 신호가 주파수가 0에 가까운 구간에만 형성되므로, 저주파 성분인 전력 신호와 상대적으로 높은 주파수 대역에 있는 통신 신호의 분리가 용이한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 정류기를 통과하면서 통신 신호가 envelope detection 방식으로 복조가 되기 때문에 기존에 복조과정에서 필요했던 Oscillator 및 Mixer 등의 외부 전력이 필요한 소자를 사용하지 않아도 되므로, 회로가 단순해지고 수신단의 전력 소모가 줄어서 수신된 전력을 IoT 장치에서 보다 효율적으로 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 장치를 나타내는 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 장치를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 장치를 나타내는 구조도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 장치를 나타내는 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 신호의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예를 기존기술(PS)과 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 장치를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 장치(100)는 반송파생성부(110), 통신신호생성부(120), 전력신호생성부(130) 및 방사부(140)를 포함한다.
반송파생성부(110)는 소정의 반송주파수에 대응되는 반송파를 생성한다.
즉, 반송파생성부(110)는 소정의 반송주파수(fc)를 갖는 반송파를 생성하여 통신신호생성부(120)와 전력신호생성부(130) 각각에게 전송할 수 있다.
다른 실시예에서는, 도 2를 참조하면, 반송파생성부(110)는 로컬 오실레이터(Local Oscillator)와 분배기(RF Splitter)를 포함할 수 있다.
즉, 반송파생성부(110)는 로컬 오실레이터(Local Oscillator)에서 생성된 반송파가 분배기(RF Splitter)를 거쳐 통신신호생성부(120)와 전력신호생성부(130)에게 전송할 수 있다.
이때, 반송파생성부(110)는 반송파가 고주파수이기 때문에 안정적인 분배 및 전송을 위해 분배기를 사용할 수 있다.
통신신호생성부(120)는 아날로그 통신 신호와 반송파를 이용하여, 변조 통신 신호를 생성한다.
여기서, 통신신호생성부(120)는 아날로그 통신 신호와 반송파를 믹서를 이용하여 변조함으로써 변조 통신 신호를 생성할 수 있다. 즉, 통신신호생성부(120)는 반송주파수를 중심주파수로 하는 기저대역에서 변조 통신 신호를 생성할 수 있다.
다른 실시예에서는, 도 2를 참조하면, 통신신호생성부(120)는 믹서(Mixer), 밴드패스필터(Band-Pass Filter) 및 증폭기(Amplifier)를 포함할 수 있다.
믹서는 그 아날로그 통신 신호와 반송파를 이용하여, 반송주파수에 기반하여 변조된 통신 신호인 제1 통신 신호를 생성할 수 있다.
밴드패스필터는 제1 통신 신호의 대역폭을 제한할 수 있다.
이때, 통신 신호의 대역폭을 M이라고 할 때, 밴드패스필터에 의해 제한된 대역폭은
Figure 112019110964443-pat00001
로 나타낼 수 있으며, 밴드패스필터를 이용하여 대역폭을 제한하는 것은 다른 통신 시스템과의 간섭을 줄이기 위한 목적일 수 있다.
증폭기는 그 대역폭이 제한된 제1 통신 신호를 증폭하여 변조 통신 신호를 생성한다.
이때, 증폭기가 제1 통신 신호를 증폭하는 것은 수신기로 신호가 보다 잘 전달되도록 하기 위한 목적일 수 있다.
또 다른 실시예에서는, 믹서는 DC-Biased OFDM(orthogonal frequency division multiplexing), PPM(pulse position modulation) 및 OOK(on-off keying) 중 하나의 방법을 이용하여 상기 제1 통신 신호를 생성할 수 있다.
이때, DC-biased OFDM 은 무선 채널 및 수신기와 송신기 회로에서 주파수 선택적인 선형 왜곡에 강한 특징이 있다. 즉, DC-biased OFDM에서는 0번째부터 2K + 1 번째까지 총 2K + 2 개의 서브캐리어가 있다고 가정할 때, i 번째 서브캐리어를 s(i) 라고 둔다. 0번째와 K + 1 번째 서브캐리어는 통신 신호에 사용하지 않으므로 s(0), s(K + 1) = 0으로 둔다. s(1) ~ s(K) 는 각각 Quadrature Phase Shift Keying(QPSK) 신호나 Quadrature Amplitude Modulation(QAM) 신호를 전송하는 데에 쓰인다. 여기서 DC-biased OFDM 은 시간 영역에서 실수인 신호를 만들기 위해 주파수 영역의 신호는 Hermitian 대칭으로 제한된다. 따라서 (K + 2) 번째부터 (2K + 1) 번째의 서브캐리어는 각각 1번째부터 K번째까지의 서브캐리어의 컨쥬게이트 형태여야 한다. 즉,
Figure 112019110964443-pat00002
가 k = 1, 2, 3 ... K 에서 성립하여아 한다. 그 다음 수신기는 고속 푸리에 역변환(IFFT)를 수행하여 주파수 영역의 신호를 시간 영역의 신호로 변환한다. 이후 매 신호 사이에 순환 확장(CP : Cyclic Prefix)을 덧붙여서 신호간 간섭을 피한다. 그리고 DAC 에 의해 시간 영역의 신호는 아날로그 기저대역의 신호로 변환된다.
한편, 최종적으로 한 주기 T 동안의 전송되는 신호는 아래의 수학식 1을 이용해 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019110964443-pat00003
여기서,
Figure 112019110964443-pat00004
는 변조 통신 신호이고, fm은 샘플링주파수이고, c는 상수이다.
전력신호생성부(130)는 반송파를 이용하여, 그 반송주파수에 대응되는 전력 신호를 생성한다.
예컨대, 전력신호생성부(130)는 반송파를 증폭하여 전력 신호를 생성할 수 있다.
이때, 만일 변조 통신 신호에 DC-biased OFDM 기법을 적용하는 경우, 전력 신호
Figure 112019110964443-pat00005
가 DC-bias에 해당할 수 있다.
다른 실시예에서는, 도 2를 참조하면, 전력신호생성부(130)는 가변 감쇄기(Variable Attenuator) 및 고전력 증폭기(High Power Amplifier)를 포함할 수 있다.
가변 감쇄기는 반송파를 전송하는 전력량 조절하며, 고전력 증폭기는 충분한 전력이 전송될 수 있도록, 그 전력량이 조절된 반송파를 증폭하여 전력 신호를 생성한다.
마지막으로 방사부(140)는 그 변조 통신 신호 및 전력 신호를 결합한 결합 신호를 외부로 방사한다.
예컨대, 도 2를 참조하면, 방사부(140)는 결합기(RF Combiner)를 이용하여 그 변조 통신 신호 및 전력 신호를 결합한 결합 신호를 생성한 후, 안테나를 이용하여 외부로 결합 신호를 방사할 수 있다.
다른 실시예에서는, 결합 신호는 수학식 2로 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019110964443-pat00006
여기서, UT(t)는 외부로 방사된 결합 신호이고,
Figure 112019110964443-pat00007
는 전력 신호이고,
Figure 112019110964443-pat00008
는 변조 통신 신호이고, fc는 반송주파수이다.
이때, 수신 장치에서의 전력 소모와 회로 복잡도를 낮추기 위해 Envelope Detection을 사용할 것임을 고려하였을 때, 변조 통신 신호인
Figure 112019110964443-pat00009
는 복소수 형태가 아닌 실수 형태의 신호여야 한다
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 장치는 송신 신호를 만드는 과정에서 전력 신호는 반송주파수에 맞춰서 보내고 통신 신호를 반송주파수 주변으로 변조하기 때문에, 대부분의 전력을 차지하는 전력 신호의 대역폭이 0이 되므로 기존의 SWIPT 기법과 비교해서 다른 통신 시스템과의 간섭이 현저히 줄어드는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 S310에서는, 반송파생성부(110)가 소정의 반송주파수에 대응되는 반송파를 생성한다.
단계 S320에서는, 통신신호생성부(120)가 아날로그 통신 신호와 반송파를 이용하여, 변조 통신 신호를 생성한다.
단계 S330에서는, 전력신호생성부(130)가 반송파를 이용하여, 그 반송주파수 대응되는 전력 신호를 생성한다.
마지막으로 단계 S340에서는, 방사부(140)가 그 변조 통신 신호 및 전력 신호를 결합한 결합 신호를 외부로 방사한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4 내지 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 장치(400)는 안테나부(410), 정류부(420), 전력부(430) 및 통신부(440)를 포함한다. 또한, 선택적으로 매칭부(450) 및 저역통과필터부(460)를 더 포함할 수 있다.
안테나부(410)는 소정의 반송주파수에 대응되는 반송파에 기반하는 변조 통신 신호 및 전력 신호가 결합된 결합 신호를 수신한다.
이때, 안테나부(410)가 수신한 결합 신호는 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112019110964443-pat00010
여기서, UA(t)는 수신된 결합 신호이고,
Figure 112019110964443-pat00011
는 수신된 전력 신호이고,
Figure 112019110964443-pat00012
는 수신된 변조 통신 신호이고, fc는 반송주파수이다.
정류부(420)는 그 결합 신호의 주파수 대역을 중심주파수가 0인 기저대역으로 이동시킨 기저대역 결합 신호를 생성한다.
이때, 정류부(420)는 정류기를 포함하고 있으며, 그 정류기를 이용하여 반송주파수로부터 주파수가 0인 기저대역으로 주파수 대역을 이동시킬 수 있다.
예컨대, 도 8을 참조하면, 빨간색 실선으로 표시된 부분이 전력 신호이고, 반송주파수를 기준으로 양 옆으로 퍼져있는 부분이 변조 통신 신호이다. 이때, 정류부(420)는 반송파의 성분이 없어지도록 정류할 수 있으며, 그 결과로 기저대역 결합 신호는 수학식 4로 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112019110964443-pat00013
여기서, U'A(t)는 기저대역 결합 신호이고,
Figure 112019110964443-pat00014
는 수신된 전력 신호이고,
Figure 112019110964443-pat00015
는 수신된 변조 통신 신호이이다.
다른 실시예에서는, 정류부(420)는 딕슨차지펌프(Dickson charge pump)를 이용할 수 있다.
여기서, 정류부(420)는 딕슨차지펌프를 이용하여 정류할 수 있으나, 다른 구조의 정류기를 사용할 수 있음은 물론이다.
전력부(430)는 그 기저대역 결합 신호에서 기저대역의 중심주파수에 해당하는 신호인 전력 신호를 획득한다.
예컨대, 전력부(430)는 고주파신호를 차단하기 위하여 인덕터를 포함할 수 있으며, 주파수가 0인 전력 신호만을 통과시켜 전력 신호를 획득할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 8을 참조하면, 전력부(430)는 주파수가 0인 빨간색 실선으로 표시된 전력 신호를 획득하여 공급할 수 있다.
이때, 획득된 전력 신호는 DC-DC 컨버터 등을 이용하여 관리되며, 수신 장치의 다른 회로에 전력을 공급하거나, 배터리 및 슈퍼커패시터 등의 에너지 저장장치에 전력을 저장하는데 이용될 수 있다.
통신부(440)는 그 기저대역 결합 신호에서 기저대역의 중심주파수를 제외한 나머지 대역에 해당하는 신호인 변조 통신 신호를 획득한다.
예컨대, 통신부(440)는 주파수가 0인 DC 신호를 차단하는 커패시터를 포함할 수 있으며, 나머지 대역에 해당하는 신호인 변조 통신 신호를 획득할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 8을 참조하면, 통신부(440)는 주파수 0을 기준으로 양 옆으로 퍼져있는 푸른색의 변조 통신 신호를 획득하여 공급할 수 있다.
매칭부(450)는 안테나부(410)와 정류부(420) 사이의 임피던스를 조정한다.
예컨대, 매칭부(450)는 수신된 결합 신호가 안테나부(410)에서 정류부(420)까지 이동할 때, 그 신호가 최대의 효율로 전송될 수 있도록 안테나부(410)와 정류부(420) 사이의 임피던스를 조절할 수 있다. 그 결과, 안테나부(410)에서 정류부(420)까지 도달하는 전력의 세기를 최대가 되도록 할 수 있다.
마지막으로 저역통과필터부(460)는 결합 신호에 포함된 고주파 대역의 노이즈를 제거한다.
즉, 저역통과필터부(460)는 통신 과정에서 넓은 주파수 대역의 노이즈가 포함된 기저대역 결합 신호를 원래 결합 신호의 주파수 대역으로 제한할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 장치(400)는 변조 통신 신호가 envelope detection 방식으로 복조되기 때문에 기존에 복조과정에서 필요했던 Oscillator 및 Mixer 등의 외부 전력이 필요한 소자를 사용하지 않아도 되므로, 회로가 단순해질 수 있고, 전력 소모가 줄어들어서, 수신된 전력을 보다 효율적으로 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 S710에서는, 안테나부(410)가 소정의 반송주파수에 대응되는 반송파에 기반하는 변조 통신 신호 및 전력 신호가 결합된 결합 신호를 수신한다.
단계 S720에서는, 정류부(420)가 그 결합 신호의 주파수 대역을 중심주파수가 0인 기저대역으로 이동시킨 기저대역 결합 신호를 생성한다.
단계 S730에서는, 전력부(430)가 그 기저대역 결합 신호에서 기저대역의 중심주파수에 해당하는 신호인 전력 신호를 획득한다.
마지막으로 단계 S740에서는, 통신부(440)가 그 기저대역 결합 신호에서 기저대역의 중심주파수를 제외한 나머지 대역에 해당하는 신호인 변조 통신 신호를 획득한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예를 기존기술(PS)과 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에서는 반송 주파수 fc는 920MHz를 사용하였으며, 도 6의 회로도를 가지는 수신 장치를 이용하여 실험하였다.
도 9를 참조하면, 똑같은 920MHz 인 반송주파수 조건에서, 본 발명의 방법과 기존 방법으로 만든 송신 신호의 주파수 영역과 시간 영역에서의 차이를 볼 수 있다. 그림 (a) 는 주파수대역에서 신호의 세기 그래프이다. 그래프에 나와있듯이 파란색 점선으로 표시되어있는 기존의 PS 체계는 전력 신호가 넓은 주파수 대역에 걸쳐서 존재하기 때문에 통신 신호와 합성된 송신 신호가 통신 신호의 대역보다 넓은 대역폭에 걸쳐있으며, 실제로는 910MHz ~ 930MHz 보다 훨썬 넓은 영역에 존재한다. 따라서 다른 통신 시스템의 주파수 영역이랑 겹치게 되어 충돌이 발생할 수 있게 된다. 반면 빨간색 실선으로 표시된 본 발명의 방법의 송신 신호는 전력 신호가 반송주파수에 고정되어 있기 때문에 전력 신호로 인하여 넓은 대역폭을 차지하지 않게 된다. 즉, 송신 신호의 주파수 대역이 통신 신호의 주파수 대역만 차지를 하게 되고, 이는 다른 통신 시스템과의 충돌을 피할 수 있다. 그래프를 보면 920MHz 에서 전력 신호가 존재함을 볼 수 있고, 통신 신호의 대역폭인 914MHz ~ 926MHz 를 제외한 부분은 노이즈 레벨과 비슷한 세기인 -100dBm 정도의 세기를 가짐을 알 수 있다. 따라서 다른 통신 시스템과의 간섭이 그만큼 감소할 수 있다.
또한, 그림 (b) 는 본 발명의 방법과 기존 PS 체계로 만든 송신신호의 시간에 따른 신호의 세기를 볼 수 있는데, 파란색 점선으로 이루어진 기존의 PS 체계로 만들어낸 신호는 넓은 주파수 영역에 걸쳐서 존재하기 때문에 진폭이 일정하지 않고 매우 차이가 큼을 알 수 있는데, 이는 최대치 전력 대 평균치 전력의 비(PAPR) 가 높다는 것을 의미하고, 이는 전력의 최대치에 맞춰서 전력을 소비하는 HPA 의 전력 효율을 저하시키는 원인이 된다. 반면 빨간색 실선으로 이루어진 본 발명의 방법은 대역폭이 제한되어 파형이 보다 안정적임을 알 수 있고 송신단의 HPA 전력 효율이 기존의 방법보다 개선될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 실행된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 소정의 반송주파수에 대응되는 반송파를 생성하는 반송파생성부;
    아날로그 통신 신호와 상기 반송파를 이용하여, 상기 반송주파수를 중심주파수로 하는 기저대역의 상기 반송주파수를 제외한 대역에서 변조 통신 신호를 생성하는 통신신호생성부;
    상기 반송파를 이용하여, 상기 반송주파수에 대응되는 전력 신호를 생성하는 전력신호생성부; 및
    상기 변조 통신 신호 및 상기 전력 신호를 결합한 결합 신호를 외부로 방사하는 방사부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반송파생성부는
    상기 반송파를 생성하는 로컬 오실레이터(Local Oscillator); 및
    상기 생성된 반송파를 분배하는 분배기(RF Splitter)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 통신신호생성부는
    상기 아날로그 통신 신호와 상기 반송파를 이용하여, 상기 반송주파수에 기반하여 변조된 통신 신호인 제1 통신 신호를 생성하는 믹서(Mixer);
    상기 제1 통신 신호의 대역폭을 제한하는 밴드패스필터(Band-Pass Filter); 및
    상기 대역폭이 제한된 제1 통신 신호를 증폭하여 상기 변조 통신 신호를 생성하는 증폭기(Amplifier)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 믹서는
    DC-Biased OFDM(orthogonal frequency division multiplexing), PPM(pulse position modulation) 및 OOK(on-off keying) 중 하나의 방법을 이용하여 상기 제1 통신 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력신호생성부는
    상기 반송파의 전력량을 조절하는 가변 감쇄기(Variable Attenuator); 및
    상기 전력량이 조절된 반송파를 증폭하여 상기 전력 신호를 생성하는 고전력 증폭기(High Power Amplifier)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 장치.
  6. 소정의 반송주파수에 대응되는 반송파를 생성하는 단계;
    아날로그 통신 신호와 상기 반송파를 이용하여, 상기 반송주파수를 중심주파수로 하는 기저대역의 상기 반송주파수를 제외한 대역에서 변조 통신 신호를 생성하는 단계;
    상기 반송파를 이용하여, 상기 반송주파수 대응되는 전력 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 변조 통신 신호 및 상기 전력 신호를 결합한 결합 신호를 외부로 방사하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 기반의 전력 및 정보 동시 전송 방법.
  7. 소정의 반송주파수에 대응되는 반송파에 기반하는 변조 통신 신호 및 전력 신호가 결합된 결합 신호를 수신하는 안테나부;
    상기 결합 신호의 주파수 대역을 중심주파수가 0인 기저대역으로 이동시킨 기저대역 결합 신호를 생성하는 정류부;
    상기 기저대역 결합 신호에서 상기 기저대역의 중심주파수에 해당하는 신호인 상기 전력 신호를 획득하는 전력부; 및
    상기 기저대역 결합 신호에서 상기 기저대역의 중심주파수를 제외한 나머지 대역에 해당하는 신호인 상기 변조 통신 신호를 획득하는 통신부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 장치.
  8. 제7항에 있어서
    상기 안테나부와 상기 정류부 사이의 임피던스를 조정하는 매칭부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 결합 신호에 포함된 고주파 대역의 노이즈를 제거하는 저역통과필터부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 정류부는
    딕슨차지펌프(Dickson charge pump)를 이용하는 것을 특징으로 하는 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 전력부는 인덕터를 포함하고, 상기 통신부는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 장치.
  12. 소정의 반송주파수에 대응되는 반송파에 기반하는 변조 통신 신호 및 전력 신호가 결합된 결합 신호를 수신하는 단계;
    상기 결합 신호의 주파수 대역을 중심주파수가 0인 기저대역으로 이동시킨 기저대역 결합 신호를 생성하는 단계;
    상기 기저대역 결합 신호에서 상기 기저대역의 중심주파수에 해당하는 신호인 상기 전력 신호를 획득하는 단계; 및
    상기 기저대역 결합 신호에서 상기 기저대역의 중심주파수를 제외한 나머지 대역에 해당하는 신호인 상기 변조 통신 신호를 획득하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 기반의 전력 및 정보 동시 수신 방법

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