KR102327449B1 - 컬러 m-fsk에 기반한 광학 무선 통신 방법 및 장치 - Google Patents

컬러 m-fsk에 기반한 광학 무선 통신 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 개시의 일 실시 예에 따른 광학 신호 전송 방법은 프로세서가 각 단계의 적어도 일부를 수행하는 광학 신호 전송 방법으로서, 데이터 스트림을 입력받는 단계, 데이터 스트림의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리하고, 분리된 데이터 스트림을 각각 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 변조하여 FSK 변조 신호를 생성하는 단계, 3개의 채널에서 각각 변조한 복수의 FSK 변조 신호를 합성하고, 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반하여 컬러 변조 신호를 생성하는 단계 및 컬러 변조 신호에 기반하여 동일한 광 채널의 광원을 제어하여 컬러 변조 신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

컬러 M-FSK에 기반한 광학 무선 통신 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR OPTICAL WIRELESS COMMUNICATION BASED ON COLOR M-ARY FREQUENCY SHIFT KEYING}
본 개시는 신호를 컬러 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying)에 기반한 광학 무선 통신으로 전송하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
이하에서 기술되는 내용은 본 발명의 실시 예와 관련되는 배경 정보를 제공할 목적으로 기재된 것일 뿐이고, 기술되는 내용들이 당연하게 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
최근 백열전구와 형광등과 같은 조명이 반도체 LED(Light Emitting Diode) 조명으로 교체되는 인프라를 이용하여 가시광 파장에 통신기능을 부가한 무선 통신 기술인 가시광 통신(Visible Light Communication; VLC) 기술이 활발히 연구되고 있다.
또한, 일반 스마트 폰, 자동차 카메라 등의 사용자 디바이스에 장착된 카메라를 이용하여 수신한 가시광 통신 신호를 복조하는 광학 카메라 통신(Optical Camera Communication: OCC) 기술도 개발되고 있다.
사용자 디바이스에 장착된 카메라는 글로벌 셔터(Global shutter) 방식 또는 롤링 셔터(Rolling shutter) 방식으로 광원을 촬영할 수 있다.
선행기술 1은 롤링 셔터(Rolling-shutter) 방식의 카메라에 기반하여 카메라 기반 M-FSK 방식에 의해 통신하는 기술을 개시하고 있으나, 일반적인 M-FSK 방식은 하나의 광원에서 동일한 시간에 하나의 주파수만 이용할 수 있으므로 고속 데이터의 전송에 어려운 점이 있다.
선행기술 2는 CSK(Color Shift Keying) 방식에 의해 통신하는 기술을 개시하고 있으나, 일반적인 CSK 방식은 수신 장치에서 수신 환경에 의존적인 색상의 인식에 따라 에러의 확률이 높고, 이를 복구할 별도의 기술이 필요한 문제점이 있다. 또한, 포토 디텍터(Photo Detector)에 기반한 CSK 신호 수신 장치는 송신 장치와의 거리가 멀어지는 경우 환경광의 영향으로 신호를 인식하기 어려운 문제점이 있다.
선행기술 1: 한국 등록특허공보 제10-165184호(2016.08.22. 등록) 선행기술 2: 한국 등록특허공보 제10-1728518호(2017.04.13. 등록)
본 개시의 일 실시 예는 카메라에 기반한 가시광 통신에 있어서 고속으로 데이터를 전송 가능한 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시의 다른 실시 예는 가시광 통신 기술을 통해 변조된 M-FSK 변조 및 CSK 변조에 기반하여 강건하게 고속으로 데이터를 전송 가능한 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 과제에 한정되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 광학 신호 전송 방법은 프로세서가 각 단계의 적어도 일부를 수행하는 광학 신호 전송 방법으로서, 데이터 스트림을 입력받는 단계, 데이터 스트림의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리하고, 분리된 데이터 스트림을 각각 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 변조하여 FSK 변조 신호를 생성하는 단계, 3개의 채널에서 각각 변조한 복수의 FSK 변조 신호를 합성하고, 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반하여 컬러 변조 신호를 생성하는 단계 및 컬러 변조 신호에 기반하여 동일한 광 채널의 광원을 제어하여 컬러 변조 신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 광학 신호 전송 장치는 컬러 LED를 포함하는 광원부, 입력되는 신호를 변조하는 변조부 및 광원부를 제어해 변조된 전송 신호를 송신하는 제어부를 포함하고, 변조부는 데이터 스트림을 입력받고, 데이터 스트림의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리하고, 분리된 데이터 스트림을 각각 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 변조하여 FSK 변조 신호를 생성하고, 3개의 채널에서 각각 변조한 복수의 FSK 변조 신호를 합성하고, 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반하여 컬러 변조 신호를 생성하도록 구성되고, 제어부는 광원부를 제어하여 컬러 변조 신호를 동일한 하나의 채널로 전송하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 광학 신호 수신 방법은 카메라를 포함하는 신호 수신 장치의 프로세서가 각 단계의 적어도 일부를 수행하는 광학 신호 수신 방법으로서, 카메라가 컬러 LED를 포함하는 광원을 촬영한 이미지 프레임을 생성하는 단계, 이미지 프레임에서 광원이 촬영된 영역으로부터 추출한 색정보를 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반해 복조하여 컬러 코드 데이터 신호를 생성하는 단계, 컬러 코드 데이터 신호의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리하고, 분리된 각 채널의 컬러 코드 데이터 신호를 각각 푸리에 변환하여 주파수를 추출하는 단계 및 미리 설정된 비트-주파수 맵핑 테이블 및 상기 주파수에 기반하여 각 채널의 컬러 코드 데이터 신호를 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 복조하여 데이터 스트림을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 광학 신호 수신 장치는 광 신호를 수신하여 영상을 생성하는 카메라, 적어도 하나의 프로세서 및 프로세서와 전기적으로 연결되고, 프로세서에서 수행되는 적어도 하나의 코드(code)가 저장되는 메모리를 포함하고, 메모리는 프로세서를 통해 실행될 때 프로세서가, 카메라를 제어하여 컬러 LED를 포함하는 광원을 촬영한 이미지 프레임을 생성하고, 이미지 프레임에서 광원부가 촬영된 영역으로부터 추출한 색정보를 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반해 복조하여 컬러 코드 데이터 신호를 생성하고, 컬러 코드 데이터 신호의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리하고, 분리된 각 채널의 컬러 코드 데이터 신호를 각각 푸리에 변환하여 주파수를 추출하고, 미리 설정된 비트-주파수 맵핑 테이블 및 주파수에 기반하여 각 채널의 컬러 코드 데이터 신호를 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 복조하여 데이터 스트림을 생성하도록 야기하는 코드를 저장할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 신호 수신 장치 및 방법은 변조된 M-FSK 변조된 신호를 다시 컬러 신호로 변조하여 전송함으로써, 가시광 통신에서 데이터 전송 속도를 향상시킬 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 신호 수신 장치 및 방법은 변조된 M-FSK 변조된 신호를 다시 컬러 신호로 변조하여 전송함으로써, 가시광 통신에서 에러 발생 확률을 낮출 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 신호 전송 장치 및 신호 수신 장치의 통신을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 신호 전송 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 데이터 스트림의 패킷의 일 실시예를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 M-FSK 변조에 사용되는 주파수를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 M-FSK 변조 신호에 기반하여 컬러 변조 신호를 생성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 신호 송신 방법을 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 신호 수신 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 컬러 변조 신호를 복조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 신호 수신 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 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.
도 1을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 신호 전송 장치 및 신호 수신 장치 사이의 통신을 설명한다.
도 1을 참조하면, 신호 송신 장치(100)는 데이터를 입력 받아 M-FSK에 기반하여 변조하고 이를 다시 컬러 신호로 변조한 전송 신호를 컬러 LED를 포함하는 광원부(130)를 통하여 가시광 신호로 전송하도록 구성될 수 있다.
신호 수신 장치(200)는 카메라(210, 롤링 카메라 또는 글로벌 카메라)를 통해서 컬러 LED를 포함하는 광원부(130)를 촬영한 이미지 프레임으로부터 컬러 분할기(220)가 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반하여 컬러 신호를 복조하고, 채널 별로 컬러 신호를 분리한 후, 컬러 M-FSK 디코더(230)가 채널 별 컬러 신호로부터 주파수를 추출한 후 이를 M-FSK에 기반하여 복조함으로써 데이터를 생성할 수 있다.
신호 전송 장치(100)는 데이터를 M-FSK 방식으로 변조하기 위하여, 데이터를 3개의 채널로 분리한 후, 채널별 데이터를 각각 M-FSK 방식으로 변조할 수 있다.
신호 전송 장치(100)는 3개의 채널에서 각각 변조한 복수의 FSK 변조 신호를 합성한 신호에 기반하여 컬러 변조 신호를 생성할 수 있다. 아래에서 도 5에 기반항 자세히 설명한다.
신호 전송 장치(100)는 컬러 변조 신호에 따라 발광하도록 컬러 LED를 포함하는 광원부(130)를 제어함으로써 컬러 변조 신호를 가시광 신호로 전송할 수 있다.
신호 수신 장치(200)는 컬러 LED를 포함하는 신호 전송 장치(100)의 광원을 촬영하여 이미지 프레임을 생성할 수 있다.
신호 수신 장치(200)는 이미지 프레임에서 광원 영역을 결정하고 광원 영역의 이미지 프레임에서 색 정보를 추출할 수 있다.
신호 수신 장치(200)는 추출한 색정보를 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반해 복조하여 컬러 코드 데이터 신호를 생성하는 단계;
상기 컬러 코드 데이터 신호의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리하고, 분리된 각 채널의 컬러 코드 데이터 신호를 각각 푸리에 변환하여 주파수를 추출한 후 이를 미리 설정된 비트-주파수 맵핑 테이블에 기반하여 각 채널의 컬러 코드 데이터 신호를 M-FSK 방식으로 복조하여 데이터 스트림을 생성할 수 있다.
도 2를 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 신호 전송 장치의 구성을 설명한다.
도 2를 참조하면, 신호 전송 장치(100)는 컬러 M-FSK 인코더(110), 시리얼 투 패러럴(S2P) 변환부, 프리앰블 삽입부, M-FSK 컬러 S2-PSK 인코더(110), 컬러 변조부(color modulator)를 포함하는 변조부 및 LED 광원을 포함하는 통신 채널인 광원부(130)를 제어하는 제어부(120)을 포함할 수 있고, 클럭(clock) 신호를 발생시키는 클럭 제너레이터를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 데이터 스트림은 전송하고자 하는 신호를 바이너리 신호로 변조한 패킷일 수 있다. 변조부는 FEC(Forward Error Correction) 인코더, 프리앰블 삽입부, 입력 데이터를 바이너리 신호로 변조하는 바이너리 변조부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 컬러 M-FSK 인코더(110)는 바이너리 신호가 패킷 형태로 구성된 데이터 스트림을 컬러 코드 데이터 신호로 변조할 수 있다. 아래에서는, 컬러 M-FSK 인코더(110) 가 바이너리 신호인 데이터 스트림을 컬러 코드 데이터 신호로 변조하는 것으로 전제하여 설명한다.
일 실시 예에서, 컬러 컬러 M-FSK 인코더(110)는 바이너리 신호를 라인 코딩(Line Coding)하여 이진 데이터 신호를 생성할 수 있다. 라인 코딩은 입력 비트 0을 00으로 출력하고, 입력 비트 1을 01로 출력하는 변조일 수 있다.
데이터 스트림은 전송하고자 하는 데이터에 해당하는 페이로드(payload), 헤더에 해당하는 프리앰블(preamble)을 포함한 패킷일 수 있다.
일 실시 예에서, 신호 전송 장치(100)는 패킷에 시퀀스 넘버(Sequence Number)를 포함할 수 있으며, 시퀀스 넘버는 연속한 데이터 패킷에 대해 연속한 번호로 할당될 수 있고, 시퀀스 넘버는 일정한 번호(비트들일 수 있다)를 순서대로 반복하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 시퀀스 넘버는 첫 패킷은 00, 두 번째 패킷은 01, 세번째 패킷은 다시 00일 수 있다. 신호 수신 장치(200)는 시퀀스 넘버를 통해 패킷의 중복 여부를 판단할 수 있다.
도 3을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 컬러 M-FSK 인코더(110)에 입력되는 패킷의 구조의 부분을 설명한다. 다른 실시 예에서, M-FSK 인코더(110)는 입력된 데이터를 도 3과 같은 패킷의 일부로 변환한 후 변조할 수 있다.
입력 데이터를 변환한 패킷들은 복수의 데이터 패킷들(i-1, i, i+1)을 포함할 수 있다.
복수의 데이터 패킷들(i-1, i, i+1)은 각각 복수의 데이터 서브 패킷들(예를 들어, 데이터 패킷(i)는 데이터 서브 패킷들(i1, i2, i3)을 포함하고, 각 데이터 서브 패킷은 입력 데이터의 부분에 대응하는 정보 비트들로 구성된 페이로드(payload)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 수신 측 카메라의 가변적인 프레임 레이트(frame rate)로 인한 패킷 누락을 방지하기 위해, 하나의 데이터 패킷에 포함된 복수의 데이터 서브 패킷들은 동일한 정보 비트들로 구성된 동일한 페이로드(payload)를 포함할 수 있다.
신호 수신 장치(200)의 롤링 카메라는 LED 광원의 점멸을 서로 다른 시간에 연속적으로 복수 회 촬영하고, 각 촬영한 신호를 이미지 센서의 한 칼럼 또는 로우에 저장하여 이미지 프레임을 생성한다. 이 때, 카메라의 프레임 레이트는 디바이스의 설정 등에 따라 가변적이거나 또는 데이터 패킷 전송률에 비해 낮을 수 있다. 따라서, 신호 송신 장치는 롤링 카메라의 프레임 레이트 한계로 인한 패킷 수신의 누락을 방지하기 위해 동일한 페이로드를 포함하는 데이터 서브 패킷을 중복으로 포함하도록 데이터 패킷을 구성할 수 있다. 즉, 데이터 서브 패킷들(i1, i2, i3)는 동일한 페이로드를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 신호 수신 장치(200)에서 패킷 누락을 감지하거나 중복된 패킷의 구분을 위해서 신호 전송 장치(100)는 각각의 데이터 패킷 또는 데이터 서브 패킷에 시퀀스 넘버(Sequence Number)를 부여할 수 있으며, 시퀀스 넘버는 연속한 데이터 패킷에 대해 연속한 번호로 할당될 수 있다.
일 실시 예에서, 각각의 데이터 서브 패킷(i1, i2, i3)은 해당 데이터 패킷(i)의 시퀀스 넘버 및 해당 데이터 패킷(i)에 할당된 정보 비트들인 동일한 페이로드를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 시퀀스 넘버는 패킷의 전단에 삽입되거나, 다른 실시 예에서 패킷의 전단 및 후단 양쪽에 삽입될 수 있다. 도 4는 패킷의 전단 및 후단 양쪽에 시퀀스 넘버가 삽입되는 실시 예를 도시한다. 시퀀스 넘버가 패킷의 전단 및 후단 양쪽에 삽입되는 경우, 신호 수신 장치(200)는 촬영한 이미지 프레임 한 장에서 프리앰블 한 개를 발견하는 경우 프리앰블 전 후의 시퀀스 넘버를 고려하여 포워드 디코딩(forward decoding) 및 백워드 디코딩(backward decoding)으로 패킷을 구성할 수 있다.
일 실시 예에서, 변조된 패킷 또는 데이터 서브 패킷은 패킷의 사이즈 등의 메타 정보를 포함하는 프리앰블(preamble)인 헤더부를 포함할 수 있다.
다른 실시 예에서, 프리앰블은 패킷의 시작(Start Frame: SF)을 알리는 비트 코드로서 신호 전송 장치 및 신호 수신 장치에 미리 알려진 비트 코드일 수 있다.
다른 실시 예에서, 신호 전송 장치(100)는 FEC(Forward Error Correction) 인코더, Ab 비트(asynchronous bits) 삽입부를 포함할 수 있다. 프리앰블은 Ab 비트를 포함할 수 있다.
신호 전송 장치(100)의 컬러 M-FSK 인코더(110)는 시리얼(serial) 형태의 패킷 또는 프리앰블이 삽입된 패킷의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리한 후 각각 M-FSK 방식으로 변조할 수 있다.
예를 들어, 패킷의 페이로드의 비트 코드가 도 3과 같은 경우 신호 전송 장치(100)는 페이로드의 비트 코드 '00 01 10'을 일정한 개수의 비트 마다 3개의 채널로 분리하여 각각 '00', '01', '10'으로 분리한 후 각 분리된 비트 코드를 M-FSK 방식으로 변조할 수 있다.
일 실시 예에서, 프리앰블은 각 채널마다 M-FSK 변조할 수도 있고, 이 경우 프리앰블은 분리하여 각 채널에 입력하지 않고 M-FSK 변조 신호 중 프리앰블을 변조한 펄스파에 기반하여 컬러 변조하고, 페이로드의 비트 코드만 분리하여 각 채널에 입력할 수 있다.
도 4을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 컬러 M-FSK 인코더(110)가 각 채널별로 입력된 비트 코드를 미리 설정된 비트 주파수 맵핑 테이블에 기반하여 변조하는 방법을 설명한다.
컬러 M-FSK 인코더(110)는 각 채널별로 입력된 비트 코드를 아래의 <표 1>과 같은 테이블에 기반하여 주파수를 맵핑할 수 있다.
Figure 112021052494810-pat00001
비트 코드에 맵핑되는 각 주파수의 대역은 도 4와 같을 수 있다.
일 실시 예에서 프리앰블에 맵핑되는 주파수(f0, f5)는 비트-주파수 맵핑 테이블에서 가장 낮은 대역의 주파수 또는 가장 높은 대역의 주파수일 수 있다. 또한, 페이로드의 비트 코드는 비트-주파수 맵핑 테이블에서 가장 낮은 대역의 주파수와 가장 높은 대역의 주파수, 즉 프리앰블에 맵핑되는 주파수들의 대역 사이에서 균등한 대역 간격으로 위치한 주파수들(f1, f2, f3, f4)일 수 있다. 도 4에서는 페이로드의 비트 코드에 맵핑되는 주파수들이 대역을 4개로 도시하였지만, 변조하고자 하는 비트 코드의 개수 및 프리앰블에 맵핑되는 주파수(f0, f5)의 대역에 따라 페이로드의 비트 코드에 맵핑되는 주파수들을 변경 가능함을 통상의 기술자는 이해할 수 있다.
일 실시 예에서, 신호 전송 장치(100)는 데이터를 변조한 컬러 광 신호를 전송할 때, 프리앰블을 변환한 광 신호를 먼저 전송할 수 있다.
따라서, 신호 수신 장치(200)는 수신한 광 신호로부터 프리앰블을 복조하여 해당 주파수를 추출함으로써, 각 페이로드의 비트 코드에 대응하는 주파수의 대역을 결정할 수 있다. 예를 들어, 신호 수신 장치(200)는 프리앰블을 복조하여 추출한 주파수들(f0, f5) 대역의 사이를 미리 알고 있는 개수로 균등하게 분할하여 각 페이로드의 비트 코드에 대응하는 주파수의 대역을 결정할 수 있다.
즉, 신호 전송 장치(100)는 가장 낮은 대역의 주파수 및 가장 높은 대역의 주파수가 맵핑된 FSK 변조 신호가 변조된 컬러 변조 신호를 전송한 후, 페이로드에 기반하여 변조된 컬러 변조 신호를 전송함으로써, 신호 전송 장치(100)가 비트 주파수 맵핑 테이블의 주파수 대역을 변경하여 M-FSK 방식으로 변조하더라도 신호 수신 장치(200)는 테이블을 별도로 전송받지 않아도 비트 주파수 맵핑 테이블의 각 주파수 대역을 결정할 수 있다.
도 5를 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 컬러 M-FSK 인코더(110)가 각 채널별로 입력된 FSK 변조 신호(510, 520, 530)를 미리 설정된 비트 컬러 맵핑 테이블에 기반하여 변조하는 방법을 설명한다.
도 5는 M-FSK 인코더가 프리앰블을 각 채널마다 M-FSK 변조한 경우에 대해서 컬러 변조부를 설명하지만, 앞에 언급한 것처럼 프리앰블은 분리하여 각 채널에 입력하지 않고 M-FSK 변조 신호 중 프리앰블을 변조한 펄스파에 기반하여 컬러 변조할 수 있다. 이 경우, 프리앰블을 변조한 펄스파가 동일하게 3개 있는 것으로 가정한 후 미리 설정된 비트 컬러 맵핑 테이블에 기반하여 컬러 변조할 수 있다.
컬러 변조부는 각 채널에서 변조한 FSK 변조 신호(510, 520, 530)에서 시간 축으로 동일한 위치의 레벨 신호에 기반하여 상기 컬러 변조 신호를 생성할 수 있고, FSK 변조 신호(510, 520, 530)는 펄스파 형태일 수 있다.
예를 들어, 컬러 변조 신호(541)는 각 채널별 FSK 변조 신호(510, 520, 530)의 동일한 시간 위치의 레벨 신호인 '000'을 아래의 <표 2>와 같은 비트 컬러 맵핑 테이블에 기반하여 생성된 '검정' 색상에 해당하는 컬러 변조 신호(컬러 LED의 색상을 제어하기 위한 전압 신호 등의 제어 신호 형태일 수 있다)일 수 있다.
Figure 112021052494810-pat00002
마찬가지로, 컬러 변조 신호(543)는 각 채널별 FSK 변조 신호(510, 520, 530)의 동일한 시간 위치의 레벨 신호인 '111'이 비트 컬러 맵핑 테이블에 기반하여 생성된 '하양' 색상에 해당하는 컬러 변조 신호이고, 컬러 변조 신호(545)는 각 채널별 FSK 변조 신호(510, 520, 530)의 동일한 시간 위치의 레벨 신호인 '000'이 비트 컬러 맵핑 테이블에 기반하여 생성된 '하양' 색상에 해당하는 컬러 변조 신호이고, 컬러 변조 신호(547)는 각 채널별 FSK 변조 신호(510, 520, 530)의 동일한 시간 위치의 레벨 신호인 '100'이 비트 컬러 맵핑 테이블에 기반하여 생성된 '빨강' 색상에 해당하는 컬러 변조 신호이고, 컬러 변조 신호(549)는 각 채널별 FSK 변조 신호(510, 520, 530)의 동일한 시간 위치의 레벨 신호인 '110'이 비트 컬러 맵핑 테이블에 기반하여 생성된 '노랑' 색상에 해당하는 컬러 변조 신호일 수 있다.
즉, 신호 전송 장치(100)는 각 채널별 FSK 변조 신호(510, 520, 530)의 동일한 위치의 레벨 신호들 신호 크기에 따라 비트로 변환한 후, 변환된 비트들을 연결(concatenate)한 비트 코드를 비트 컬러 맵핑 테이블에 기반하여 맵핑된 색상에 해당하는 컬러 변조 신호를 생성할 수 있다.
비트 컬러 맵핑 테이블의 색상은 각 레벨 신호의 비트를 빨강, 녹색, 파랑으로 간주한 테이블일 수 있고, 즉, FSK 변조 신호(510, 520, 530)를 생성한 각 채널을 삼원색 채널로 간주한 것일 수 있다.
신호 전송 장치(100)의 제어부는 생성된 컬러 변조 신호에 기반하여 광원부(130)의 컬러 LED 발광 색상을 제어함으로써, 컬러 변조 신호를 가시광 신호로 전송할 수 있다.
신호 전송 장치(100)는 컬러 변조 신호를 전송할 때, 광원부(130)에 포함된 모든 컬러 LED들이 컬러 변조 신호에 따라 동일한 시간에는 하나의 색으로만 발광하도록 컬러 LED를 제어할 수 있다.
도 6을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 신호 전송 장치의 신호 전송 방법을 설명한다.
신호 전송 장치는 바이너리 신호 형태의 패킷을 입력 받거나 또는 전송 신호를 입력 받아 이를 바이너리 신호 형태의 패킷으로 변환할 수 있다(S110).
신호 전송 장치는 패킷의 적어도 일부를 정해진 비트 개수만큼 분리하여 복수의 채널로 입력하고, 각 채널 별로 입력된 비트 코드들을 미리 설정된 비트 주파수 맵핑 테이블에 기반하여 FSK 변조 신호를 생성할 수 있다(S120).
신호 전송 장치는 각 채널 별로 생성한 펄스파 형태의 FSK 변조 신호의 레벨 신호들을 연결한 비트 코드들을 미리 설정된 비트 컬러 맵핑 테이블에 기반하여 맵핑한 색상에 대응하는 컬러 변조 신호를 생성할 수 있다(S130).
컬러 변조 신호를 컬러 LED를 원하는 색상으로 발광할 수 있도록 제어하기 위한 전기적인 신호 또는 명령일 수 있고, 신호 전송 장치는 생성된 컬러 변조 신호에 따라 컬러 LED를 제어하여 가시광 신호를 전송할 수 있다(S140).
도 7을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 신호 수신 장치(200)의 구성을 설명한다.
신호 수신 장치(200)는 광 신호를 수신하는 롤링 셔터(rolling-shutter) 방식으로 이미지 센서에서 획득한 신호에 기반하여 이미지 프레임을 생성하는 롤링 카메라(210), 이미지 프레임에서 컬러 LED가 촬영된 영역을 결정한 후 해당 영역의 영상에 기반하여 컬러 코드 데이터 신호를 생성하고, 컬러 코드 데이터 신호를 각 색상별 채널 신호로 분리하는 색상 분리부(220, RGB separator), 컬러 코드 데이터 신호에서 프리앰블을 분리하고 프리앰블의 주파수를 결정하는 프리앰블 검출부(240) 및 프리앰블의 주파수 및 비트-주파수 맵핑 테이블에 기반하여 각 색상별 채널 신호(분리된 각 채널의 상기 컬러 코드 데이터 신호)를 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 복조하여 데이터 스트림을 생성하는 컬러 M-FSK 디코더(230)를 포함할 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 신호 수신 장치(200)의 신호 수신 방법을 설명한다.
롤링 카메라는 LED 광원의 점멸을 서로 다른 시간에 연속적으로 복수 회 촬영하고, 각 촬영한 신호를 이미지 센서의 한 칼럼 또는 로우에 저장하여 이미지 프레임을 생성한다(S210). 롤링 카메라는 이미지 센서의 각 로우 또는 칼럼을 순차적으로 노출시킴으로써, 롤링 카메라의 이미지 센서의 한 칼럼 또는 로우에서 LED 광원의 점멸에 따라 LED 광원의 색상에 대응하는 신호 값이 획득될 수 있다.
신호 수신 장치(200)는 이미지 프레임에서 컬러 LED가 촬영된 영역의 색상(811, 813, 815, 817)을 미리 설정된 비트 컬러 맵핑 테이블에 기반하여 비트 코드로 변환한 컬러 코드 데이터 신호(827)를 생성할 수 있다(S220).
신호 수신 장치(200)의 색상 분리부(220)는 컬러 코드 데이터 신호를 3개의 채널로 분리하고, 컬러 M-FSK 디코더(230)는 분리된 각 채널의 컬러 코드 데이터 신호(821, 823, 825)를 각각 푸리에 변환하여 주파수를 추출할 수 있다(S230).
예를 들어, 컬러 코드 데이터 신호(821)는 주파수가 f1로 추출되고, 컬러 코드 데이터 신호(823) 및 컬러 코드 데이터 신호(825)는 주파숙 f2로 추출될 수 있다.
컬러 M-FSK 디코더(230)는 미리 설정된 비트-주파수 맵핑 테이블 및 각 채널의 컬러 코드 데이터 신호(821, 823, 825)로부터 추출된 주파수에 기반하여 각 채널의 컬러 코드 데이터 신호(821, 823, 825)를 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 복조하고 이를 시리얼라이즈(serialize)하여 데이터 스트림을 생성할 수 있다. 데이터 스트림은 앞에서 설명한 패킷일 수 있다.
페이로드의 복조에 사용하는 각 비트 코드에 대응하는 주파수들의 대역을 프리앰블 검출부(240)가 검출한 프리앰블들의 주파수 대역 2개의 사이를 균등하게 미리 설정된 개수만큼 분할한 주파수들의 대역으로 결정될 수 있다.
컬러 M-FSK 디코더(230)는 앞서 설명한 <표 1>의 테이블을 이용하여 각 채널의 컬러 코드 데이터 신호(821, 823, 825)를 M-FSK 방식으로 복조하여 대응되는 비트 코드를 결정할 수 있다.
전술한 본 개시는, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 상기 컴퓨터는 각 장치의 프로세서를 포함할 수도 있다.
한편, 상기 프로그램은 본 개시를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.
본 개시의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 개시에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다.
본 개시에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 개시가 한정되는 것은 아니다. 본 개시에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 개시를 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 개시의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 인자(factor)에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 개시의 사상은 상기 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 개시의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 신호 송신 장치
200: 신호 수신 장치
130: 광원부

Claims (20)

  1. 프로세서가 각 단계의 적어도 일부를 수행하는 광학 신호 전송 방법으로서,
    데이터 스트림을 입력받는 단계;
    상기 데이터 스트림의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리하고, 분리된 상기 데이터 스트림을 각각 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 변조하여 FSK 변조 신호를 생성하는 단계;
    상기 3개의 채널에서 각각 변조한 복수의 FSK 변조 신호를 합성하고, 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반하여 컬러 변조 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 컬러 변조 신호에 기반하여 동일한 광 채널의 광원을 제어하여 상기 컬러 변조 신호를 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 컬러 변조 신호를 생성하는 단계는,
    펄스파 형태인 복수의 상기 FSK 변조 신호에서 시간 축으로 동일한 위치의 레벨 신호에 기반하여 상기 컬러 변조 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는,
    광학 신호 전송 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    복수의 상기 FSK 변조 신호의 상기 레벨 신호를 비트로 변환한 후, 변환된 비트들을 연결(concatenate)하여 상기 컬러 변조 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는,
    광학 신호 전송 방법.
  3. 프로세서가 각 단계의 적어도 일부를 수행하는 광학 신호 전송 방법으로서,
    데이터 스트림을 입력받는 단계;
    상기 데이터 스트림의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리하고, 분리된 상기 데이터 스트림을 각각 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 변조하여 FSK 변조 신호를 생성하는 단계;
    상기 3개의 채널에서 각각 변조한 복수의 FSK 변조 신호를 합성하고, 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반하여 컬러 변조 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 컬러 변조 신호에 기반하여 동일한 광 채널의 광원을 제어하여 상기 컬러 변조 신호를 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 FSK 변조 신호를 생성하는 단계는,
    미리 설정된 비트-주파수 맵핑 테이블에 기반하여 분리된 상기 데이터 스트림을 변조하고, 상기 데이터 스트림의 프리앰블(preamble)은 상기 비트-주파수 맵핑 테이블에서 가장 낮은 대역의 주파수 또는 가장 높은 대역의 주파수를 맵핑하여 상기 FSK 변조 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는,
    광학 신호 전송 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 컬러 변조 신호를 전송하는 단계는,
    상기 비트-주파수 맵핑 테이블에서 가장 낮은 대역의 주파수 및 가장 높은 대역의 주파수가 맵핑된 FSK 변조 신호가 변조된 컬러 변조 신호를 전송한 후, 상기 데이터 스트림의 페이로드(payload)에 기반하여 변조된 컬러 변조 신호를 전송하는 단계를 더 포함하는,
    광학 신호 전송 방법.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 데이터 스트림의 페이로드(payload)는 상기 비트-주파수 맵핑 테이블에서 가장 낮은 대역의 주파수와 가장 높은 대역의 주파수 사이에서 균등한 대역 간격으로 위치한 주파수들을 맵핑하여 상기 FSK 변조 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는,
    광학 신호 전송 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 데이터 스트림의 페이로드는 4개의 주파수들 중 어느 하나의 주파수에 맵핑하여 상기 FSK 변조 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는,
    광학 신호 전송 방법.
  7. 프로세서가 각 단계의 적어도 일부를 수행하는 광학 신호 전송 방법으로서,
    데이터 스트림을 입력받는 단계;
    상기 데이터 스트림의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리하고, 분리된 상기 데이터 스트림을 각각 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 변조하여 FSK 변조 신호를 생성하는 단계;
    상기 3개의 채널에서 각각 변조한 복수의 FSK 변조 신호를 합성하고, 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반하여 컬러 변조 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 컬러 변조 신호에 기반하여 동일한 광 채널의 광원을 제어하여 상기 컬러 변조 신호를 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 컬러 변조 신호를 전송하는 단계는,
    상기 데이터 스트림의 페이로드(payload)를 변조한 상기 컬러 변조 신호를 전송할 때, 상기 광원이 어느 한 시간에 하나의 색으로만 발광하도록 상기 광원을 제어하는 단계를 더 포함하는,
    광학 신호 전송 방법.
  8. 프로세서가 각 단계의 적어도 일부를 수행하는 광학 신호 전송 방법으로서,
    데이터 스트림을 입력받는 단계;
    상기 데이터 스트림의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리하고, 분리된 상기 데이터 스트림을 각각 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 변조하여 FSK 변조 신호를 생성하는 단계;
    상기 3개의 채널에서 각각 변조한 복수의 FSK 변조 신호를 합성하고, 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반하여 컬러 변조 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 컬러 변조 신호에 기반하여 동일한 광 채널의 광원을 제어하여 상기 컬러 변조 신호를 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 3개의 채널은 각각 빨강, 녹색, 파랑의 삼원색 채널인,
    광학 신호 전송 방법.
  9. 컬러 LED를 포함하는 광원부;
    입력되는 신호를 변조하는 변조부; 및
    상기 광원부를 제어해 변조된 전송 신호를 송신하는 제어부를 포함하고,
    상기 변조부는 데이터 스트림을 입력받고, 상기 데이터 스트림의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리하고, 분리된 상기 데이터 스트림을 각각 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 변조하여 FSK 변조 신호를 생성하고, 상기 3개의 채널에서 각각 변조한 복수의 FSK 변조 신호를 합성하고, 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반하여 컬러 변조 신호를 생성하도록 구성되고,
    상기 제어부는 상기 광원부를 제어하여 상기 컬러 변조 신호를 동일한 하나의 채널로 전송하도록 구성되고,
    상기 변조부는,
    펄스파 형태인 복수의 상기 FSK 변조 신호에서 시간 축으로 동일한 위치의 레벨 신호에 기반하여 상기 컬러 변조 신호를 생성하도록 더 구성되는,
    광학 신호 전송 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 변조부는 복수의 상기 FSK 변조 신호의 상기 레벨 신호를 비트로 변환한 후, 변환된 비트들을 연결(concatenate)하여 상기 컬러 변조 신호를 생성하도록 더 구성되는,
    광학 신호 전송 장치.
  11. 컬러 LED를 포함하는 광원부;
    입력되는 신호를 변조하는 변조부; 및
    상기 광원부를 제어해 변조된 전송 신호를 송신하는 제어부를 포함하고,
    상기 변조부는 데이터 스트림을 입력받고, 상기 데이터 스트림의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리하고, 분리된 상기 데이터 스트림을 각각 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 변조하여 FSK 변조 신호를 생성하고, 상기 3개의 채널에서 각각 변조한 복수의 FSK 변조 신호를 합성하고, 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반하여 컬러 변조 신호를 생성하도록 구성되고,
    상기 제어부는 상기 광원부를 제어하여 상기 컬러 변조 신호를 동일한 하나의 채널로 전송하도록 구성되고,상기 변조부는,
    미리 설정된 비트-주파수 맵핑 테이블에 기반하여 분리된 상기 데이터 스트림을 변조하고, 상기 데이터 스트림의 프리앰블(preamble)은 상기 비트-주파수 맵핑 테이블에서 가장 낮은 대역의 주파수 또는 가장 높은 대역의 주파수를 맵핑하여 상기 FSK 변조 신호를 생성하도록 더 구성되는,
    광학 신호 전송 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비트-주파수 맵핑 테이블에서 가장 낮은 대역의 주파수 및 가장 높은 대역의 주파수가 맵핑된 FSK 변조 신호가 변조된 컬러 변조 신호를 전송한 후, 상기 데이터 스트림의 페이로드(payload)에 기반하여 변조된 컬러 변조 신호를 전송하도록 더 구성되는,
    광학 신호 전송 장치.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 변조부는,
    상기 데이터 스트림의 페이로드(payload)를 상기 비트-주파수 맵핑 테이블에서 가장 낮은 대역의 주파수와 가장 높은 대역의 주파수 사이에서 균등한 대역 간격으로 위치한 주파수들에 맵핑하여 상기 FSK 변조 신호를 생성하도록 더 구성되는,
    광학 신호 전송 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 변조부는,
    상기 데이터 스트림의 페이로드를 4개의 주파수들 중 어느 하나의 주파수에 맵핑하여 상기 FSK 변조 신호를 생성하도록 더 구성되는,
    광학 신호 전송 장치.
  15. 컬러 LED를 포함하는 광원부;
    입력되는 신호를 변조하는 변조부; 및
    상기 광원부를 제어해 변조된 전송 신호를 송신하는 제어부를 포함하고,
    상기 변조부는 데이터 스트림을 입력받고, 상기 데이터 스트림의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리하고, 분리된 상기 데이터 스트림을 각각 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 변조하여 FSK 변조 신호를 생성하고, 상기 3개의 채널에서 각각 변조한 복수의 FSK 변조 신호를 합성하고, 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반하여 컬러 변조 신호를 생성하도록 구성되고,
    상기 제어부는 상기 광원부를 제어하여 상기 컬러 변조 신호를 동일한 하나의 채널로 전송하도록 구성되고,
    상기 제어부는,
    상기 데이터 스트림의 페이로드(payload)를 변조한 상기 컬러 변조 신호를 전송할 때, 상기 광원이 어느 한 시간에 하나의 색으로만 발광하도록 상기 광원을 제어하도록 더 구성되는,
    광학 신호 전송 장치.
  16. 컬러 LED를 포함하는 광원부;
    입력되는 신호를 변조하는 변조부; 및
    상기 광원부를 제어해 변조된 전송 신호를 송신하는 제어부를 포함하고,
    상기 변조부는 데이터 스트림을 입력받고, 상기 데이터 스트림의 적어도 일부를 3개의 채널로 분리하고, 분리된 상기 데이터 스트림을 각각 M-FSK(M-ary Frequency Shift Keying) 방식으로 변조하여 FSK 변조 신호를 생성하고, 상기 3개의 채널에서 각각 변조한 복수의 FSK 변조 신호를 합성하고, 미리 설정된 비트-컬러 맵핑 테이블에 기반하여 컬러 변조 신호를 생성하도록 구성되고,
    상기 제어부는 상기 광원부를 제어하여 상기 컬러 변조 신호를 동일한 하나의 채널로 전송하도록 구성되고,
    상기 3개의 채널은 각각 빨강, 녹색, 파랑의 삼원색 채널인,
    광학 신호 전송 장치.
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