KR102324991B1 - 인체 채널 통신 방법 및 이를 수행하는 장치 - Google Patents

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전예슬
정종수
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B13/00—Transmission systems characterised by the medium used for transmission, not provided for in groups H04B3/00 - H04B11/00
    • H04B13/005—Transmission systems in which the medium consists of the human body

Abstract

인체 채널 통신 방법 및 이를 수행하는 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 송신기의 동작 방법은 생체 정보를 포함하는 입력 신호를 획득하는 단계와, 상기 입력 신호를 인코딩하여 인코디드 신호(encoded signal) 및 제어 신호를 생성하는 단계와, 상기 인코디드 신호에 기초하여 이상 파형(biphasic waveform)의 RZ(return-to-zero) 신호를 생성하는 단계와, 상기 RZ 신호를 인체 채널을 통해 송신하는 단계를 포함한다.

Description

인체 채널 통신 방법 및 이를 수행하는 장치{BODY CHANNEL COMMUNICATION METHOD AND APPARTUS PERFORMING THE SAME}
인체 채널 통신 방법 및 이를 수행하는 장치에 관한 것이다.
인체 채널을 활용한 통신이란 전도성을 가지는 인체를 통신 채널로 이용하여 인체의 한 부분에 부착되어 있는 송신기의 전극으로 정보를 보내고, 인체 내의 다른 부분에 부착되어 있는 또는 인체의 외부에 있는 수신기의 전극에 접촉하여 송신된 정보를 복원하는 기술을 말하는 것이다.
인체 채널을 활용한 통신 방법은 개인휴대 정보 단말기(PDA(Personal Digital Assistant)), 휴대용 퍼스널 컴퓨터(Portable Personal Computer), 디지털 카메라(Digital Camera), MP3 플레이어(MP3 player), 휴대폰 등의 다양한 휴대 기기 간의 통신이나, 또는 프린트(프린터와의 통신), 신용카드결제, TV 수신, 출입(출입 시스템과의 통신), 버스 및 지하철 탑승 시 운임 결제 등을 목적으로 하는 '고정 기기와의 통신'이 사용자의 간단한 접촉만으로 수행되도록 하는 기술이다.
실시예들은 환경 변화와 교란으로 인한 영향을 완화할 수 있는 전류 커플링 방식의 고속 인체 채널 통신 기법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 송신기의 동작 방법은 생체 정보를 포함하는 입력 신호를 획득하는 단계와, 상기 입력 신호를 인코딩하여 인코디드 신호(encoded signal) 및 제어 신호를 생성하는 단계와, 상기 인코디드 신호에 기초하여 이상 파형(biphasic waveform)의 RZ(return-to-zero) 신호를 생성하는 단계와, 상기 RZ 신호를 인체 채널을 통해 송신하는 단계를 포함한다.
상기 인코디드 신호는, 상기 RZ 신호의 양의 펄스를 생성하기 위한 제1 인코디드 신호와, 상기 RZ 신호의 음의 펄스를 생성하기 위한 제2 인코디드 신호를 포함할 수 있다.
상기 송신기의 동작 방법은, 상기 RZ 신호를 이용하여 1차 전하 밸런싱(1st order charge balancing)을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 송신기의 동작 방법은, 상기 제어 신호에 기초하여 수동 전하 밸런싱(passive charge balancing)을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 RZ 신호를 생성하는 단계는, 전류원(current source)을 이용하여 상기 RZ 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제어 신호는, 상기 전류원을 활성화 또는 비활성화하기 위한 활성화 신호를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 수신기의 동작 방법은, 인체 채널을 통해 2상 파형(biphasic waveform)의 RZ(return-to-zero) 신호를 수신하는 단계와, 상기 RZ 신호를 제곱 회로에 입력하여 제곱 신호를 생성하는 단계와, 상기 RZ 신호에 대한 에러를 검출하는 단계와, 제곱 신호에 기초하여 복원 데이터를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수신하는 단계는, 종단(termination)을 포함하는 전극을 통해 상기 RZ 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 에러를 검출하는 단계는, 상기 제곱 신호에 기초하여 에러 검출 동작을 활성화하는 단계와, 상기 에러 검출 동작이 활성화된 경우 상기 RZ 신호에 양 또는 음의 펄스가 연속으로 검출되는지 확인하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 송신기는, 생체 정보를 포함하는 입력 신호를 저장하는 메모리와, 상기 입력 신호를 인코딩하여 인코디드 신호(encoded signal) 및 제어 신호를 생성하는 RZ 인코더(RZ encoder)와, 상기 인코디드 신호에 기초하여 이상 파형(biphasic waveform)의 RZ(return-to-zero) 신호를 생성하는 전류 드라이버(current driver)와, 상기 RZ 신호를 인체 채널을 통해 송신하는 전극을 포함한다.
상기 인코디드 신호는, 상기 RZ 신호의 양의 펄스를 생성하기 위한 제1 인코디드 신호와 상기 RZ 신호의 음의 펄스를 생성하기 위한 제2 인코디드 신호를 포함할 수 있다.
상기 전류 드라이버는, 상기 RZ 신호를 이용하여 1차 전하 밸런싱(1st order charge balancing)을 수행할 수 있다.
상기 전류 드라이버는, 상기 제어 신호에 기초하여 수동 전하 밸런싱(passive charge balancing)을 수행할 수 있다.
상기 RZ 인코더는, 전류원(current source)를 포함할 수 있다.
상기 제어 신호는, 상기 전류원을 활성화 또는 비활성화하기 위한 활성화 신호를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 수신기는, 인체 채널을 통해 2상 파형(biphasic waveform)의 RZ(return-to-zero) 신호를 수신하는 전극과, 상기 RZ 신호를 제곱 회로에 입력하여 제곱 신호를 생성하는 제곱기(squarer)와, 상기 RZ 신호에 대한 에러를 검출하는 에러 검출기(error detector)와, 상기 제곱 신호에 기초하여 복원 데이터를 생성하는 클럭 및 데이터 리커버리 회로(CDR circuit)를 포함한다.
상기 수신기는, 상기 전극에 접속된 종단(termination)을 더 포함할 수 있다.
상기 에러 검출기는, 상기 제곱 신호에 기초하여 활성화되고, 활성화된 경우 상기 RZ 신호에 양 또는 음의 펄스가 연속으로 검출되는지 확인할 수 있다.
일 실시예에 따른 통신 시스템은, 상기 송신기 및 상기 수신기를 포함한다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 바이오닉 암을 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 바이오닉 암에 적용될 수 있는 종래의 통신 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 GC-BCC를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 인체 채널을 통한 통신 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 송신기의 일 예를 보여주는 블록도이다.
도 6a 내지 6c는 도 5에 도시된 송신기가 송신하는 RZ 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 RZ 인코더의 일 예를 보여주는 회로도이다.
도 8은 도 5에 도시된 RZ 인코더의 출력 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 9은 도 5에 도시된 전류 드라이버의 일 예를 보여주는 회로도이다.
도 10a 내지 도 10e는 도 5에 도시된 전류 드라이버의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 4에 도시된 수신기의 일 예를 보여주는 회로도이다.
도 12 및 도 13은 도 11에 도시된 종단의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 11에 도시된 에러 검출기의 일 예를 보여주는 회로도이다.
도 15a 내지 도 15d는 도 11에 도시된 에러 검출기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 도 4에 도시된 통신 시스템을 종합적으로 보여주는 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.
제1 또는 제2등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 실시예의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 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.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 바이오닉 암을 나타내는 도면이다.
바이오닉 암(Bionic Arm)은 사용자의 의도에 따라 동작하는 인공 팔 시스템일 수 있다.
바이오닉 암은 로봇 암(Robotic Arm) 및 이식형 IC(Implantable IC)를 포함할 수 있다.
로봇 암은 사용자의 의도에 따라 동작할 수 있다. 예를 들어, 로봇 암은 사용자의 신경 신호(neural signal)에 기초하여 동작할 수 있다. 이 때, 신경 신호는 근전도 신호(EMG signal)일 수 있다.
이식형 IC는 사용자의 주요 말초 신경에서 발생하는 신경 신호를 감지할 수 있다. 예를 들어, 이식형 IC는 5개의 말초 신경에서 발생하는 신경 신호를 감지할 수 있다.
이식형 IC는 감지한 신경 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이식형 IC는 변환한 디지털 신호를 업링크(uplink)를 통해 로봇 팔로 전송할 수 있다. 예를 들어, IC는 인체 채널을 통해 디지털 신호를 로봇 팔로 전송할 수 있다.
로봇 암은 이식형 IC가 전송한 디지털 신호를 수신할 수 있다. 예를 들어, 로봇 암은 인체 채널을 통해 디지털 신호를 수신할 수 있다.
로봇 암은 디지털 신호에 기초하여 사용자의 의도를 파악하고, 이에 기초하여 사용자의 명령을 수행할 수 있다.
바이오닉 암(또는 인공 팔 시스템)의 업링크에는 세 가지 주요 요구 사항이 있을 수 있다.
(1) 업링크는 높은 데이터 전송률(high data rate(HDR)) 및 낮은 전력 소비가 요구된다. 바이오닉 암의 업링크는 자유도가 높은 로봇 암을 실시간으로 제어하기 위해 96Mb/s 이상의 HDR을 제공할 수 있어야 한다. 또한, 1cm2 크기의 무선 전력 전송 시스템에 의해서 이식형 IC의 에너지가 공급되는 경우, 바이오닉 암의 트랜스 미터(transmitter)는 1mW 미만을 소비해야 한다.
(2) 업링크는 분리성(detachability) 및 견고성(robustness)이 요구된다. 바이오닉 암은 사용자의 편의와 안전을 위해 분리 가능한 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 바이오닉 암은 반복되는 재부착으로 인한 다양한 조건 변화에서도 견고한 통신이 유지될 수 있어야 한다. 특히, 재부착으로 인해 전극 또는 안테나의 위치가 달라지거나 정렬 문제가 생기라도 원활한 통신을 보장할 수 있어야 한다. 또한, 바이오닉 암은 로봇 암의 의도하지 않은 동작을 방지하기 위해 에러 검출 기능을 수행할 수 있어야 한다.
(3) 바이오닉 암은 인체 안전성(human-body safety)를 고려하여 설계되어야 한다. 바이오닉 암은 이식 가능하고 반영구적인 장치로서 바이오닉 암 및 바이오닉 암의 업링크는 인체 안전을 고려하여 설계되어야 한다.
도 2a 내지 도 2c는 바이오닉 암에 적용될 수 있는 종래의 통신 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 MICS/ISM(Medical Implant Communication Service/The Industrial, Scientific and Medical)를 나타낸다. MICS/ISM은 견고한 무선 통신을 제공할 수 있지만, 데이터 전송률이 낮고 에너지 효율성이 부족할 수 있다.
도 2b는 유도 결합(inductive-coupling)을 나타낸다. 유도 결합을 이용한 통신 시스템은 높은 데이터 전송률 및 에너지 효율성을 제공할 수 있지만, 정렬 문제로 인해 성능이 저하될 수 있다. 유도 결합을 이용한 통신 시스템의 정렬 문제를 완화하기 위해서는 인덕터 크기를 증가시켜야 할 수 있다.
도 2c는 용량성 BCC(Capacitive Coupled Body Channel Communication(CC-BCC))을 나타낸다. CC-BCC는 채널 특성이 환경이 크게 영향받을 수 있다. 바이오닉 암의 주변 환경 조건은 일정하지 않기 때문에, 바이오닉 암의 통신 방법으로 CC-BCC는 적합하지 않을 수 있다. 또한, CC-BCC의 트랜스미터는 전압 모드 채널 드라이버(voltage-mode channel driver)로 구현되므로, 인체 안전을 보장하지 않을 수 있다.
즉, 종래의 통신 시스템은 인체 안전을 보장하면서, 바이오닉 암의 견고하고 고속이며 에너지 효율적인 업링크를 구현하기 위한 요구 사항을 충족할 수 없다.
도 3a 및 도 3b는 GC-BCC를 설명하기 위한 도면이다.
갈바닉 BCC(Galvanic-Coupled Body Channel Communication(GC-BCC))는 두 쌍의 전극을 통해 차동 신호를 사용하는 인체 채널 통신이다.
GC-BCC의 송신기(TX)의 두 전극 사이에 전류가 흐르면 인체 조직에서 전기장이 유도될 수 있고, 수신기(RX)의 두 전극 사이의 전압이 유도될 수 있다. 즉, GC-BCC에서 생체 임피던스(Zbio)가 채널 응답일 수 있다.
수신기(RX)에서 유도되는 전압(VRX)은 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112020002384665-pat00001
여기서, ITX는 송신기(TX)의 두 전극 사이 흐르는 전류일 수 있다.
GC-BCC는 CC-BCC와 비교해 다음과 같은 장점이 있을 수 있다.
(1) GC-BCC는 바이오 임피던스(bio impedance)를 통신 채널로 사용하기 때문에 채널이 더 견고하고 환경 변화의 영향을 거의 받지 않을 수 있다.
(2) GC-BCC는 차동 신호를 이용하기 때문에 공통 모드 간섭(CM-interference)을 처리할 수 있다. 반면, CC-BCC는 단일 신호 전극을 이용하기 때문에 공통 모드 간섭을 처리할 수 없다.
(3) GC-BCC는 인체에 인가되는 전류를 조절할 수 있어서 인체 안전을 보장할 수 있다.
고주파의 전기장(electric field)은 세포막을 관통할 수 있지만, 저주파의 전기장은 통과할 수 없기 때문에 생체 임피던스는 저역 통과 필터(low-pass filter) 특성을 가질 수 있다. 따라서, GC-BCC는 대역폭이 제한될 수 있다. 종래의 GC-BCC는 10MHz 미만의 좁은 채널 대역폭을 가지며 수십 Mb/s를 초과하여 데이터 전송률을 증가시키기 어려울 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 인체 채널을 통한 통신 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다.
바이오닉 암은 GC-BCC로 구현된 인체 채널을 통한 통신 시스템(10)이 적용될 수 있다.
통신 시스템(10)의 업링크는 생체 임피던스를 통신 채널로 이용할 수 있다. 따라서, 통신 시스템(10)은 정렬(alignment)이 간편할 수 있다.
통신 시스템(10)은 업링크를 고속 데이터 통신을 수행할 수 있는 광대역 GC-BCC(wide-band galvanic BCC)으로 구현할 수 있다. 예를 들어, 통신 시스템(10)는 수신기(200)에 종단(termination)을 부가하여 광대역 통신을 수행할 수 있다.
통신 시스템(10)은 바이폴라 RZ 코딩(bipolar RZ coding)을 통한 기저 대역 시그널링(baseband signaling)으로 저전력으로 구현할 수 있다.
또한, 통신 시스템(10)은 인체 안전을 고려할 수 있고, 실시간 에러 검출을 수행할 수 있다.
통신 시스템(10)은 송신기(100) 및 수신기(200)를 포함할 수 있다.
송신기(100)는 바이폴라 RZ 코딩을 수행하여 이상 파형(biphasic wave form)의 RZ(return-to-zero) 신호를 수신기(200)로 전송할 수 있다. 예를 들어, 송신기(100)는 GC-BCC로 구현된 업링크를 통해 이상 파형의 RZ 신호를 수신기(200)로 전송할 수 있다.
송신기(100)는 이식형 IC로 구현될 수 있고, 한 쌍의 전극(110-1 및 110-2)를 통해 수신기(200)로 신호를 전송할 수 있다.
수신기(200)는 송신기(100)에서 전송한 이상 파형의 RZ 신호를 수신할 수 있다. 예를 들어, 수신기(200)는 GC-BCC로 구현된 업링크를 통해 이상 파형의 RZ 신호를 수신할 수 있다.
수신기(200)는 입력에 종단(termination)을 포함할 수 있고, 이를 통해 채널 대역폭은 확장할 수 있다.
수신기(200)는 송신기(100)로부터 수신한 신호의 데이터 및/또는 클럭 신호를 복원할 수 있다. 예를 들어, 수신기(200)는 이상 파형의 RZ 신호에 기초하여 데이터 및/또는 클럭 신호를 복원할 수 있다.
수신기(200)는 송신기(100)로부터 수신한 신호에 대한 에러를 검출할 수 있다. 예를 들어, 이상 파형의 RZ 신호의 에러를 검출할 수 있다.
수신기(200)는 사용자에게 탈부착 가능한 로봇 암에 구현될 수 있고, 한 쌍의 전극(210-1 및 210-2)를 통해 송신기(100)로부터 신호를 수신할 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 송신기의 일 예를 보여주는 블록도이다.
송신기(100)는 한 쌍의 전극(110-1 및 110-2), 클럭 생성기(130), 메모리(150), RZ 인코더(300) 및 전류 드라이버(400)을 포함할 수 있다.
전극(110-1 및 110-2)은 전류 드라이버(400)에서 출력한 신호를 전송할 수 있다. 예를 들어, 전극(110-1 및 110-2)은 인체 채널을 통해 신호를 전송할 수 있다.
클럭 생성기(130)는 클럭 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어 클럭 생성기(130)는 100MHz 클록 신호를 제공하는 주파수 더블러(frequency doubler)로 동작하는 ILRO(Injection Locked oscillator)를 포함할 수 있다. 클럭 생성기(130)는 클럭 신호를 메모리(150) 및 RZ 인코더(300)로 출력할 수 있다.
메모리(150)는 입력 신호를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(150)는 생체 정보를 포함하는 입력 신호를 저장할 수 있다.
또한 메모리(150)는 저장된 입력 신호를 RZ 인코더(300)로 출력할 수 있다. 예를 들어, 메모리(150)는 입력 신호를 클럭 신호와 동기화하여 RZ 인코더(300)로 출력할 수 있다. 즉, 메모리(150)는 클럭 신호에 응답하여 입력 신호를 RZ 인코더(300)로 출력할 수 있다.
예를 들어, 메모리(150)는 생체 정보를 포함하는 입력신호를 일시적으로 저장하는 버퍼일 수 있다.
RZ 인코더(300)는 클럭 신호에 응답하여 입력 신호를 바이폴라 RZ 형태로 인코딩할 수 있다. 예를 들어, RZ 인코더(300)는 이상 형태의 RZ 신호를 생성하기 위한 인코디드 데이터(encoded data; 또는 인코디드 신호) 및/또는 제어 신호를 생성할 수 있다.
전류 드라이버(400)는 인코디드 데이터 및/또는 제어 신호에 기초하여 이상 파형(biphasic wave form)의 RZ(return-to-zero) 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 전류 드라이버(400)는 RZ 신호를 조절된 전류의 형태로 전극(110-1 및 110-2)을 이용하여 인체 채널을 통해 전송할 수 있다.
전류 드라이버(400)는 차지 밸런싱(charge balancing)을 수행할 수 있다. 이에, 전류 드라이버(400)는 차지 밸런싱(charge balancing)을 수행하여 인체 안전을 보장할 수 있다.
도 6a 내지 6c는 도 5에 도시된 송신기가 송신하는 RZ 신호를 설명하기 위한 도면이다.
바이폴라 RZ 신호(또는 이상 형태의 RZ 신호)는 각 펄스 사이에서 신호가 0으로 떨어지는 라인 코드(line code)일 수 있다.
바이폴라 RZ 신호는 1값을 가지더라도 단위 인터벌(unit interval)의 절반 동안 0값을 가지고 다른 절반 동안 1값을 가질 수 있다. 즉, 단위 인터벌(unit interval)의 절반은 항상 0으로 유지될 수 있다.
도 6b는 NRZ(non-return-to-zero) 신호를 바이폴라 RZ 신호로 변환하는 알고리즘을 나타낸다. NRZ 신호의 바이너리 0(binary zero)은 0으로 인코딩되고, 바이너리 1(binary one)은 양의 전압 또는 음의 전압으로 인코딩될 수 있다. NRZ 신호의 바이너리 1은 각각 이전 바이너리 1의 부호를 확인하여, 이와 반대 부호를 가질 수 있다.
통신 시스템(10)이 100Mb/s 데이터 전송률을 가지기 위하여 필요한 채널 대역폭은 100MHz일 수 있다. 이 때, 바이폴라 RZ 코딩과 같은 라인 코딩을 사용하면 높은 반송 주파수(high carrier frequency)를 생성할 필요가 없으며, 저전력 시스템을 설계할 수 있다.
도 7은 도 5에 도시된 RZ 인코더의 일 예를 보여주는 회로도이고, 도 8은 도 5에 도시된 RZ 인코더의 출력 신호를 설명하기 위한 도면이다.
RZ 인코더(300)은 입력 신호(예를 들어, NRZ Data)를 인코딩하여 인코디드 신호(encoded signal) 및/또는 제어 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, RZ 인코더(300)는 입력 신호 및 클럭 신호(CLK)에 기초하여 인코디드 신호(encoded signal) 및/또는 제어 신호를 생성할 수 있다.
인코디드 신호는 제1 인코디드 신호(
Figure 112020002384665-pat00002
) 및 제2 인코디드 신호(
Figure 112020002384665-pat00003
)를 포함할 수 있다.
제1 인코디드 신호(
Figure 112020002384665-pat00004
)는 RZ 신호의 양의 펄스에 대응될 수 있다. 예를 들어, RZ 신호에 있어서 양의 전류로 인코딩된 이진 1은 제1 인코디드 신호(
Figure 112020002384665-pat00005
)에 기초하여 생성될 수 있다.
제2 인코디드 신호(
Figure 112020002384665-pat00006
)는 RZ 신호의 음의 펄스에 대응될 수 있다. 예를 들어, RZ 신호에 있어서 음의 전류로 인코딩된 이진 1은 제2 인코디드 신호(
Figure 112020002384665-pat00007
)에 기초하여 생성될 수 있다.
제어 신호는 제1 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00008
) 및/또는 제2 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00009
)을 포함할 수 있다.
전류 드라이버(400)는 제1 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00010
)에 기초하여 수동 전하 밸런싱(passive charge balancing)을 수행할 수 있다. 예를 들어, 전류 드라이버(400)는 제1 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00011
)를 이용하여 생체 조직에 남은 전하를 제거할 수 있다.
제2 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00012
)는 전류 드라이버(400)의 전류원(Current Source)를 활성화 또는 비활성화할 수 있다. 예를 들어, 제2 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00013
)는 필요한 상황에만 전류원을 활성화시켜 전력을 효율적으로 이용할 수 있다. 제2 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00014
)는 전류원(Current Source)에 대한 활성화 신호일 수 있다.
도 9은 도 5에 도시된 전류 드라이버의 일 예를 보여주는 회로도이다.
도 9에는 전류 드라이버(400)가 복수개의 PMOS 및 전류원(Current Source)로 구현되었지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 전류 드라이버(400)는 PMOS를 대신하여 NMOS를 이용하여 구현될 수도 있다.
전류 드라이버(400)는 제1 인코디드 신호(
Figure 112020002384665-pat00015
), 제2 인코디드 신호(
Figure 112020002384665-pat00016
), 제1 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00017
) 및/또는 제2 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00018
)에 기초하여 이상 파형의 RZ 신호(
Figure 112020002384665-pat00019
)를 생성할 수 있다.
전류 드라이버(400)는 인체 안전을 위한 기능을 제공할 수 있다.
전류 드라이버(400)는 인체에 주입되는 전류의 크기를 조절할 수 있다. 또한, 전류 드라이버(400)는 이상 파형인 RZ 신호(
Figure 112020002384665-pat00020
)를 이용하여 생체 조직에 남아 있는 전하량을 줄이기 위한 1차 전하 밸런싱(1st-order charge balancing)을 수행할 수 있다. 나아가, 전류 드라이버(400)는 제1 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00021
)를 이용한 수동 전하 밸런싱(passive charge balancing)을 수행하여 생체 조직에서 나머지 전하를 제거할 수 있다.
전류 드라이버(400)는 제2 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00022
)를 이용하여 소비 전력을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00023
)는 전류원을 필요한 경우에만 활성화시켜 전력 소모를 감소시킬 수 있다. 전류 드라이버(400)는 종래의 전류 드라이버에 비해 전력 소모를 36.8% 감소시킬 수 있다.
도 10a 내지 도 10e는 도 5에 도시된 전류 드라이버의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 각 도면을 참조하여 전류 드라이버의 동작을 상세히 설명하도록 한다.
도 10a는 입력 신호(NRZ Data)가 바이너리 0인 경우 전류 드라이버(400)의 동작을 설명한다.
입력 신호(NRZ Data)가 바이너리 0인 경우, 전류 드라이버(400)는 전류원을 비활성화하여 전력을 절약할 수 있다. 또한, 전류 드라이버(400)는 제1 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00024
)를 이용한 전하 밸런싱을 수행하여 잔류 전하를 제거하고, 생체 조직 손상 가능성을 감소시킬 수 있다.
도 10b는 입력 신호(NRZ Data)의 바이너리 1의 선행 반주기(preceding half cycle; 이하, 페이즈 I(phase I))에서 전류 드라이버(400)의 동작을 설명한다.
페이즈 I에서 전류 드라이버(400)는 다음 반주기(following half cycle; 이하, 페이즈 II(phase II)) 동안 정확한 전류를 인가하기 위하여, 전류원의 드레인을 사전 충전할 수 있다. 예를 들어, 전류 드라이버(400)는 제2 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00025
)에 기초하여 전류원을 충전할 수 있다.
전류 드라이버(400)는 아직 전류를 인가하지 않는 상태이므로 전하 밸런싱을 여전히 수행할 수 있다.
도 10c는 페이즈 II에서 전류 드라이버(400)의 동작을 설명한다.
페이즈 II에서 전류 드라이버(400)는 양의 전류 경로를 연결할 수 있다. 예를 들어, 전류 드라이버(400)는 제1 인코디드 신호(
Figure 112020002384665-pat00026
)를 전극에 인가하여 RZ 신호(
Figure 112020002384665-pat00027
)가 양의 바이너리 1이 되도록 할 수 있다. 즉, 전류 드라이버(400)는 제1 인코디드 신호(
Figure 112020002384665-pat00028
)에 기초하여 인체 채널로 양의 전류를 인가할 수 있다.
RZ 신호(
Figure 112020002384665-pat00029
)는 이상 파형이므로, 양의 바이너리 1 이후 입력 신호(NRZ Data)가 바이너리 1일 때, 음의 바이너리 1이 되어야한다. 즉, 전류 드라이버(400)는 음의 전류를 인체 채널에 인가하여야 한다.
도 10d는 음의 전류를 인가하는 경우 페이즈 I에서 전류 드라이버(400)의 동작을 설명한다.
전류 드라이버(400)는 양의 전류를 인가하기 전 페이즈 I에서와 마찬가지로 제2 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00030
)에 기초하여 전류원을 충전할 수 있다. 또한, 전류 드라이버(400)는 제1 제어 신호(
Figure 112020002384665-pat00031
)를 이용하여 전하 밸런싱을 수행할 수 있다.
도 10e는 음의 전류를 인가하는 경우 페이즈 II에서 전류 드라이버(400)의 동작을 설명한다.
전류 드라이버(400)는 제2 인코디드 신호(
Figure 112020002384665-pat00032
)에 기초하여 RZ 신호(
Figure 112020002384665-pat00033
)가 음의 바이너리 1을 갖도록 할 수 있다. 예를 들어, 전류 드라이버(400)는 제2 인코디드 신호(
Figure 112020002384665-pat00034
)를 전극에 인가하여 인체 채널로 음의 전류를 인가할 수 있다.
도 11은 도 4에 도시된 수신기의 일 예를 보여주는 회로도이다.
수신기(200)는 한 쌍의 전극(210-1 및 210-2), 종단(termination; 230), 클럭 데이터 리커버리 회로(Clock and Data Recovery(CDR); 250), 제곱기(Squarer; 270), LNA(low noise amplifier; 291), VGA(variable gain amplifier; 293), 및 에러 검출기(500)을 포함할 수 있다.
한 쌍의 전극(210-1 및 210-2)은 송신기(100)에서 인체 채널을 통해 송신한 신호를 수신할 수 있다. 예를 들어 한 쌍의 전극(210-1 및 210-2)는 이상 파형의 RZ 신호를 수신할 수 있다.
종단(230)은 채널 응답을 평평하게(flatten) 할 수 있다. 예를 들어, 종단(230)은 채널 응답을 평평하게 하여 대역폭을 넓힐 수 있다.
LNA(291) 및 VGA(293)는 입력 신호를 증폭시킬 수 있다. 예를 들어, LNA(291) 및 VGA(293)는 RZ 신호를 증폭시킬 수 있다.
제곱기(270)는 입력되는 신호를 제곱하여 출력할 수 있다. 예를 들어, 제곱기(270)는 이상 파형(biphasic waveform)을 일상 파형(monophasic waveform)으로 변환하여 비교기가 단일 임계 전압(single threshold voltage)으로 결정할 수 있도록 한다.
CDR(250)은 클럭을 복구하고 데이터를 디코딩할 수 있다. 예를 들어, CDR(250)는 송신기(100)로부터 수신한 RZ 신호에 기초하여 클럭을 복구하고 데이터를 복원할 수 있다.
CDR(250)은 바이폴라-RZ 신호의 바이너리 1의 전이(transition)에 기초하여 클럭 정보를 추출할 수 있다. 또한, 데이터 정보는 반주기(half cycle)동안 나타나므로, CDR(250)는 Half-rate Bang-bang CDR을 이용하여 100MHz 클럭 신호를 복구할 수 있다.
CDR(250)는 복원한 클럭 신호에 기초하여 데이터를 해독할 수 있다. 잠긴 상태(locked condition)에서, 90도 위상의 클럭 신호는 데이터 전환(data transition)의 위치에 정렬되므로 CDR(250)은 0도 및 180도의 위상에서 2개의 비교기 출력을 X-OR 게이팅하여 데이터를 디코딩할 수 있다.
에러 검출기(500)는 수신한 바이폴라-RZ 신호의 에러를 검출할 수 있다. 에러 검출기(500)는 오류 발생 빈도(frequency of error occurrence)를 검출할 수 있고, 로봇 암은 오류 발생 빈도에 기초하여 채널 상태를 확인하고, 더 높은 전력과 더 낮은 유효 데이터 속도의 비용으로 추가 채널 코딩이 필요한지 여부를 결정할 수 있다.
도 12 및 도 13은 도 11에 도시된 종단의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
수신기(200)의 입력에 종단(termination, RRX)을 적용하면, 채널 임피던스는 생체 임피던스와 종단 임피던스의 병렬 값으로 계산될 수 있다.
병렬화(Paralleling)를 통해 저주파수 및 고주파수에서 채널 게인(channel gain)의 차이를 줄일 수 있다. 예를 들어, 종단(RRX)을 적용하여 더 평평한 채널 응답(flatter channel response)을 얻을 수 있다.
수신기(200)는 50 내지 100ohm의 종단(RRX)을 이용하여 100MHz 채널 대역폭을 획득할 수 있다.
도 14는 도 11에 도시된 에러 검출기의 일 예를 보여주는 회로도이고, 도 15a 내지 도 15d는 도 11에 도시된 에러 검출기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 에러 검출기(500)의 일 예이고, 동일한 기능을 수행하도록 다양한 방법으로 구현될 수 있다.
송신기(100)에서 전송한 RZ 신호의 연속된 바이너리 1은 서로 다른 부호를 가져야한다. 따라서, 수신기(200)에서 수신한 RZ 신호 역시 연속된 바이너리 1은 서로 다른 부호이어야 한다.
즉, 수신기(200)가 수신한 RZ 신호의 인접 펄스는 데이터가 채널에서 손상되지 않는 한 동일한 부호를 갖지 않는다.
따라서, 에러 검출기(500)는 입력 신호의 이전 및 현재 펄스를 비교하여 에러를 검출할 수 있다.
에러 검출기(500)는 입력 신호에서 바이너리 1이 감지될 경우에만 동작할 수 있다. 예를 들어, 에러 검출기(500)는 제곱기(270)의 출력 신호에 기초하여 입력 신호의 펄스를 검출할 수 있고, 펄스가 검출되는 경우에만 동작할 수 있다. 따라서, 에러 검출기(500)는 60uW만 소비할 수 있다.
도 16은 도 4에 도시된 통신 시스템을 종합적으로 보여주는 도면이다.
바이오닉 암은 탈부착 가능한 로봇 암(Robotic Arm) 및 사용자의 인체에 이식되는 이식형 IC(Implantable IC)를 포함할 수 있다.
이식형 IC(Implantable IC)는 송신기(100)를 포함할 수 있다. 송신기(100)는 주요 말초 신경에서 발생하는 신경 신호를 디지털화한 신호를 바이폴라-RZ 신호로 인코딩하여 인체 채널을 통해 수신기(200)로 전송할 수 있다.
로봇 암은 수신기(200)를 포함할 수 있다. 수신기(200)는 송신기(100)가 전송한 바이폴라-RZ 신호를 수신하여 디코딩할 수 있다. 로봇 암은 디코딩된 데이터에 기초하여 동작할 수 있다.
수신기(200)는 수신된 신호의 에러를 검출할 수 있으며, 종단 적용하여 넓은 대역폭을 이용할 수 있다.
송신기(100) 및 수신기(200)는 wideband GC-BCC로 구현된 업링크를 통해 전극이 오정렬되더라도 통신 상태를 유지할 수 있으며, 데이터 전송 속도가 빠르며, 저전력으로 구현 가능하다. 또한, 송신기(100) 및 수신기(200)는 바이폴라-RZ 신호를 이용하여 인체 안전을 보장할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (19)

  1. 생체 정보를 포함하는 입력 신호를 획득하는 단계;
    상기 입력 신호를 인코딩하여 인코디드 신호(encoded signal) 및 제어 신호를 생성하는 단계;
    상기 인코디드 신호에 기초하여 이상 파형(biphasic waveform)의 RZ(return-to-zero) 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 RZ 신호를 인체 채널을 통해 송신하는 단계
    를 포함하고,
    상기 인코디드 신호는,
    상기 RZ 신호의 양의 펄스를 생성하기 위한 제1 인코디드 신호; 및
    상기 RZ 신호의 음의 펄스를 생성하기 위한 제2 인코디드 신호
    를 포함하는, 송신기의 동작 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 RZ 신호를 이용하여 1차 전하 밸런싱(1st order charge balancing)을 수행하는 단계를 더 포함하는 송신기의 동작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 신호에 기초하여 수동 전하 밸런싱(passive charge balancing)을 수행하는 단계를 더 포함하는 송신기의 동작 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 RZ 신호를 생성하는 단계는,
    전류원(current source)을 이용하여 상기 RZ 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는 송신기의 동작 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어 신호는,
    상기 전류원을 활성화 또는 비활성화하기 위한 활성화 신호를 포함하는 송신기의 동작 방법.
  7. 인체 채널을 통해 2상 파형(biphasic waveform)의 RZ(return-to-zero) 신호를 수신하는 단계;
    상기 RZ 신호를 제곱 회로에 입력하여 제곱 신호를 생성하는 단계;
    상기 RZ 신호에 대한 에러를 검출하는 단계; 및
    제곱 신호에 기초하여 복원 데이터를 생성하는 단계
    를 포함하는 수신기의 동작 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수신하는 단계는,
    종단(termination)을 포함하는 전극을 통해 상기 RZ 신호를 수신하는 단계
    를 포함하는 수신기의 동작 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 에러를 검출하는 단계는,
    상기 RZ 신호에 양 또는 음의 펄스가 연속으로 검출되는지 확인하는 단계
    를 포함하는 수신기의 동작 방법.
  10. 생체 정보를 포함하는 입력 신호를 저장하는 메모리;
    상기 입력 신호를 인코딩하여 인코디드 신호(encoded signal) 및 제어 신호를 생성하는 RZ 인코더(RZ encoder);
    상기 인코디드 신호에 기초하여 이상 파형(biphasic waveform)의 RZ(return-to-zero) 신호를 생성하는 전류 드라이버(current driver); 및
    상기 RZ 신호를 인체 채널을 통해 송신하는 전극
    을 포함하고,
    상기 인코디드 신호는,
    상기 RZ 신호의 양의 펄스를 생성하기 위한 제1 인코디드 신호; 및
    상기 RZ 신호의 음의 펄스를 생성하기 위한 제2 인코디드 신호
    를 포함하는, 송신기.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전류 드라이버는,
    상기 RZ 신호를 이용하여 1차 전하 밸런싱(1st order charge balancing)을 수행하는 송신기.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 전류 드라이버는,
    상기 제어 신호에 기초하여 수동 전하 밸런싱(passive charge balancing)을 수행하는 송신기.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 RZ 인코더는,
    전류원(current source)를 포함하는
    를 포함하는 송신기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어 신호는,
    상기 전류원을 활성화 또는 비활성화하기 위한 활성화 신호를 포함하는 송신기.
  16. 인체 채널을 통해 2상 파형(biphasic waveform)의 RZ(return-to-zero) 신호를 수신하는 전극;
    상기 RZ 신호를 제곱 회로에 입력하여 제곱 신호를 생성하는 제곱기(squarer);
    상기 RZ 신호에 대한 에러를 검출하는 에러 검출기(error detector); 및
    상기 제곱 신호에 기초하여 복원 데이터를 생성하는 클럭 및 데이터 리커버리 회로(CDR circuit)
    를 포함하는 수신기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전극에 접속된 종단(termination)
    를 더 포함하는 수신기.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 에러 검출기는,
    활성화된 경우 상기 RZ 신호에 양 또는 음의 펄스가 연속으로 검출되는지 확인하는
    수신기.
  19. 제10항의 송신기; 및
    제16항의 수신기
    를 포함하는 통신 시스템.
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