KR102330772B1 - 노이즈 제거 장치 및 이를 구비한 하이패스 과금 시스템 - Google Patents

Abstract

하이패스 과금 시스템에 설치되는 노이즈 제거장치는, 외부 단말기로부터의 통신신호를 수신하는 수신기의 출력신호를 증폭하는 증폭기, 출력신호에 대한 신호강도를 출력하는 RSSI(Received Signal Strength Indicator), 및 증폭기의 이득을 제어하는 제어부를 구비한다. 제어부는 수신기가 상기 통신신호를 수신하지 않는 시구간 동안의 신호강도의 크기에 상응하여, 수신기가 통신신호를 수신하는 시구간 동안의 이득이 변경되도록 상기 증폭기를 제어한다.

Description

노이즈 제거 장치 및 이를 구비한 하이패스 과금 시스템 {Noise Cancelling System, and Hi-pass Fee Collecting System with the same}

본 발명은 노이즈 제거 시스템 및 이를 구비한 하이패스 과금 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 적외선 통신에 있어서 자연광이나 인공광 등의 외부 노이즈와 포토다이오드의 암전류나 전원으로 인한 내부 노이즈 등을 제거하여 통신 성능을 개선하기 위한 장치 및 이를 구비한 하이패스 과금 시스템에 관한 것이다.

하이패스 과금 시스템은 톨게이트를 통과하는 차량에 구비된 하이패스 단말기와의 통신을 통해 차량 통행료를 과금하는 시스템이다. 하이패스 과금 시스템은 통상적으로 적외선(Infrared) 통신 방식을 사용하고 있으며, 특히 다차로 하이패스 시스템의 경우 빠른 속도에서 안정적인 적외선 통신 성능이 요구된다.

적외선 통신 시 태양광과 같은 외란광들이 적외선 수신기로 들어오게 되면 외부 노이즈로 작용하며 정확한 적외선 데이터가 들어오는 것을 방해하는 요소가 된다. 외부 노이즈에 무방비한 적외선 통신은 원활한 데이터를 수신하지 못하게 되고, 정확하게 처리되어야 하는 하이패스 통행료 지불에 큰 영향을 주게 된다. 기존의 적외선 하이패스 안테나의 경우 물리적인 기구로 차양막을 만들거나 적외선 필터를 이용하여 통신 성능을 향상 시켜왔으나, 이 또한 한계가 존재하여 태양광과 같이 에너지가 큰 외란광의 경우 주변 구조물이나 바닥 반사로 인하여 통행료 과금 프로세스 수행의 성능에 영향을 주고 있다.

또한 내부 노이즈로서 암전류가 적외선 통신의 정확성을 저해하는 요소가 되고 있다. 암전류는 적외선 수신 장비에서 발생하는 주요 노이즈 중 하나로 암전류의 특성에 따라 제품의 품질이 차이가 나게 된다. 적외선 수신 장비의 핵심인 Photo-Diode 의 경우 제품에 따라 암전류가 각각 다르며, 같은 제품이라 하여도 생산 시 환경에 따라 암전류가 다르게 형성 되기 때문에 품질 관리가 어렵다. 기존 적외선 수신 장비들은 제품의 수신 성능을 위해 암전류 특성이 좋은 고가의 제품을 사용할 수 밖에 없었으며, 그마저도 암전류 특성이 상대적으로 좋을 뿐 통신에 영향을 주지 않는 것은 아니기 때문에 여전히 적외선 통신 품질을 저하하는 요소로 작용한다.

1. 출원번호: 10-2017-0101389, 명칭: 적외선 신호 처리를 위한 필터링 방법, 그를 이용한 적외선 신호 처리 장치 및 적외선 기반 전자 칠판 시스템, 출원인: 임성현 2. 출원번호: 10-2015-0083178, 명칭: 적외선 통신 장치, 출원인: 인천대학교 산학협력단 3. 출원번호: 10-2008-0095767, 명칭: 대역제거필터를 가지는 적외선 수신기, 출원인: 주식회사 네오디바이스

본 발명은 하이패스 과금 시스템과 같이 외부의 단말기와 통신을 수행하는 장치에서 외부 노이즈 및 내부 노이즈에 의한 통신 품질의 저하를 방지하는 방안을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히 본 발명은 적외선 통신 중 발생하는 자연광, 인공광 등의 외부 노이즈와 Photo-Diod의 암전류 및 전원으로 인한 내부 노이즈로 부터 원활한 통신 성능을 확보하는데 그 목적이 있다. 적외선 통신은 빛을 이용하여 빠르고 정확한 통신 성능을 제공하지만, 적외선 통신 신호와 같은 파장 대의 태양광, 인공광 등의 외부 노이즈로부터 취약한 부분이 있다. 또한 적외선 신호를 수신하는 수신 장비의 Photo-Diode암 전류와 전원으로 인한 내부 노이즈 역시 원활한 통신을 방해하는 원인이 된다. 위와 같이 적외선 통신에 영향을 주는 외부 노이즈 및 내부 노이즈를 제거하여 적외선 수신 장비의 성능을 최대한 활용할 수 있도록 개선하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 외부 단말기로부터의 통신신호를 수신하는 수신기의 출력신호를 증폭하며, 상기 출력신호의 증폭에 대한 이득의 조절이 가능한 증폭기; 상기 출력신호에 대한 신호강도를 출력하는 RSSI(Received Signal Strength Indicator); 및 상기 수신기가 상기 통신신호를 수신하지 않는 시구간 동안의 상기 신호강도의 크기에 상응하여, 상기 수신기가 상기 통신신호를 수신하는 시구간 동안의 상기 이득이 변경되도록 상기 증폭기를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 장치를 제시한다.

상기 RSSI 는 상기 증폭기에 의해 증폭된 상기 출력신호에 대하여 상기 신호강도를 출력한다.

상기 수신기는 적외선 신호를 수신하는 포토 다이오드를 포함하여 구성된다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같은 구성의 노이즈 제거 장치를 구비하며, 도로를 주행하는 차량에 구비된 하이패스 단말기에 대한 통신을 통해 차량에 대한 통행료 과금을 수행하는 하이패스 과금 시스템이 제공된다.

본 발명에 따르면 외부 노이즈는 물론이고 내부 노이즈의 영향에 의한 통신 품질의 저하가 방지된다. 본 발명은 특정 분야가 아닌 외부 단말기와 통신하는 모든 기술에 적용이 가능하며 특히 하이패스와 같은 적외선 통신, 적외선 검지기, 적외선 온도 측정기 등에 적용 시 효과적인 성능 개선을 할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 적외선 노이즈 제거 장치의 블록도.
도 2 는 도 1 의 수신기에 입력되는 데이터의 일 예를 시구간별로 도시한 도면.
도 3 은 도 2 의 데이터를 수신하는 수신기가 노이즈를 포함하여 출력하는 출력신호를 도시한 도면.
도 4 는 도 3 의 다른 예로서 노이즈가 큰 경우에 출력되는 출력신호를 도시한 도면.
도 5 는 도 4 의 출력신호에 대해 본 발명의 노이즈 제거장치에 의해 이득이 조절된 후 출력되는 출력신호를 도시한 도면.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명의 노이즈 제거 장치는 하이패스 과금 시스템에 적용하기에 적합하며, 특히 외부 노이즈와 내부 노이즈가 문제되는 적외선 통신 방식의 하이패스 과금 시스템에 적용하기에 적합하다. 이에 본 발명의 실시예는 노이즈 제거 장치가 하이패스 과금 시스템에 적용된 것을 예시하나, 이하의 설명에서는 하이패스 과금시스템의 구성 중 본 발명의 요지와 직접 관련되어 있지 않은 일반적인 구성에 대해서는 그 도시 및 설명을 생략한다.

도 1 은 본 발명에 따른 적외선 노이즈 제거 장치를 포함하는 시스템의 블록도이다. 하이패스 과금 시스템은 수신기(10), 비교기(30), 통합제어기(50) 등을 포함하여 구성된다. 그리고 본 발명의 하이패스 과금 시스템은 본 발명에 따른 노이즈 제거 장치(20)를 포함하여 구성된다.

수신기(10)는 예컨대 포토다이오드와 같은 수광장치로 구성된다. 수신기(10)는 도로를 주행하는 차량 내에 구비된 하이패스 단말기와의 적외선 통신 시 하이패스 단말기로부터 적외선 신호를 수신하는 기능을 한다. 하이패스 과금 시스템은 적외선 신호를 하이패스 단말기로 송신하는 송신기(도시되지 않음)를 구비하며, 송신기로부터 하이패스 단말기로 적외선 신호를 송신하고 수신기를 통해 하이패스 단말기로부터의 적외선 신호를 수신한다. 이러한 데이터 통신을 통해 하이패스 과금 시스템은 차량에 대한 데이터 통신을 수행하여 도로 통행료에 대한 과금 동작을 수행한다.

수신기(10)는 예컨대 도 2 와 같은 데이터를 외부 단말기인 하이패스 단말기로부터 수신한다. 이러한 데이터를 수신한 수신기(10)는 도 3 과 같은 출력신호를 출력한다. 수신기(10)에 수신되는 적외선 신호에는 태양광과 같은 외부 요인에 의한 외부 노이즈가 혼합되어 있다. 또한 수신기(10)가 수신하는 출력신호에는 포토다이오드 소자 자체에 기인하는 암전류와 같은 내부 노이즈가 혼합되어 있다. 따라서 도 3 과 같이 수신기(10)의 출력신호는 도 2 의 1, 0 의 데이터가 0 볼트를 기준으로 각각 (+) 및 (-) 전압을 갖는 신호로 표현되면서, 이에 노이즈가 더해진 신호가 된다.

수신기(10)의 동작과 송신기(미도시)의 동작은 통합 제어기(50)에 의해 제어된다. 통합제어기(50)는 하이패스 과금 시스템 내에 마련되어 있는 주 제어장치로서, 과금 동작 전반을 제어하는 제어장치로 구성될 수도 있고 차량과의 통신만을 제어하는 제어장치로 구성될 수도 있다. 본 발명에서 통합 제어기(50)는 적어도 차량과의 데이터 통신에서 송신과 수신의 동작이 시구간별으로 나누어 수행되도록 제어하는 기능을 수행하는 제어장치를 의미한다. 즉 통합 제어기(50)는 특정 시구간에서는 송신기를 제어하여 차량 내의 하이패스 단말기로 적외선 신호를 송신하며, 다른 특정 시구간에서는 수신기(10)를 제어하여 차량 내의 하이패스 단말기로부터 적외선 신호를 수신한다.

비교기(30)는 수신기(10)의 출력신호를 소정의 기준전압과 비교하여 디지털 신호를 생성한다. 수신기(10)의 출력신호가 비교기(30)에 입력되면 비교기(30)는 기준 신호보다 높은 전압을 갖는 부분은 '1'로, 낮은 전압을 갖는 부분은 '0'으로 판단하며, 이에 따라 비교기(30)는 도 2 와 같은 동일한 데이터 신호를 생성함으로써 차량의 하이패스 단말기가 전송한 데이터를 복원한다.

한편, 비교기(30)의 기준 전압은 예컨대 0 볼트로 설정될 수 있다. 이 경우 도 3 의 출력신호에서 0 볼트보다 전압이 큰 부분에서는 '1' 의 데이터가, 0 볼트보다 전압이 낮은 부분에서는 '0' 의 데이터가 출력된다. 그런데, 비교기(30)의 기준 전압이 0 볼트로 설정되는 경우에는 노이즈 등의 영향으로 수신기(10) 출력신호의 왜곡이 발생했을 경우 이 왜곡에 매우 민감하게 반응하게 된다. 따라서, 예컨대 기준전압은 통상적으로 도 3 과 같이 Vr 또는 -Vr (여기에서 Vr 은 예컨대 2 볼트의 전압)으로 설정된다. 따라서 비교기(30)는 Vr 이상의 전압 부분은 '1'로, -Vr 이하의 전압 부분은 '0'으로 출력한다. Vr 의 값은 비교기(30) 제작 시 의도적으로 설정되는 값일 수도 있고, 비교기(30)를 구성하는 회로의 물리적 특성에 기인하여 자연스럽게 존재하는 값일 수도 있다.

위와 같은 수신기(10)와 비교기(30)를 갖는 구성에서, 어떤 이유로 노이즈가 매우 커지는 경우 비교기(30)의 출력이 달라질 수 있다. 본 발명에서는 노이즈 제거 장치(20)를 통해 이러한 문제점을 개선한다.

본 발명의 노이즈 제거장치(20)는 PGA(22), RSSI(24), 및 제어부(26)를 포함하여 구성된다.

PGA(Programmable Gain Amplifier)(22)는 증폭 이득의 조절이 가능한 증폭기이다. PGA(22)는 수신기(10)로부터 출력신호를 제공받아 출력신호를 증폭한다. PGA(22)의 이득은 제어부(26)에 의해 제어된다.

RSSI(Received Signal Strength Indicator)(24)는 출력신호에 대한 신호강도를 출력한다. RSSI(24)는 출력신호를 직접 수신기(10)로부터 입력받아 출력신호 자체의 신호강도를 출력할 수도 있으나, 바람직하게는 PGA(22)에 의해 증폭된 출력신호를 PGA(22)로부터 입력받아 증폭된 출력신호에 대한 신호강도를 출력한다. 후술되는 바와 같이 본 발명의 노이즈 제거 장치(20)는 수신기(10)가 통신신호(적외선 신호)의 수신 동작을 수행하지 않는 시구간에 동작한다. 따라서 RSSI(24)는 이와 같이 적외선 신호를 수신하는 시구간에만 동작하도록 할 수도 있다. 또한 이와는 달리 RSSI(24)는 상시 동작하되 RSSI(24)의 신호강도를 이용한 제어부(26)의 본 발명에 따른 제어 동작만이 이러한 시구간에 수행되도록 구성할 수도 있다.

제어부(26)는 RSSI(24)로부터 신호강도의 값을 제공받는다. 제어부(26)는 신호강도가 클수록 PGA(22)의 증폭 이득이 커지도록 PGA(22)를 제어한다. 이때 신호강도의 크기에 따른 이득의 크기는 비례적으로 제어할 수도 있고, 특정 함수로 표현되는 상관관계를 갖도록 제어할 수도 있고, 신호강도의 크기를 둘 이상의 단계로 구분하여 각 단계에 대해 특정값의 이득을 적용하는 계단상 방식으로 제어할 수도 있다. 즉, 본 발명은 신호강도가 큰 경우 이득이 크도록 제어되고 신호강도가 작은 경우 이득이 작아지도록 제어되는 모든 방식을 포함한다.

제어부(26)는 이러한 이득의 제어를 위해 사용되는 신호강도로서, 수신기(10)가 수신 동작을 수행하지 않는 시구간에 대한 신호강도만을 사용한다. 이를 위하여 제어부(26)는 통합 제어기(50)로부터 현재 시구간이 송신기(미도시)가 동작하는 시구간인지 수신기(10)가 동작하는 시구간인지에 대한 정보를 제공받는다. 즉, 제어부(26)는 수신기(10)가 동작하지 않는 시구간 정보를 통합 제어기(50)로부터 제공받아, 이러한 시구간에서만 신호강도에 따른 이득 제어를 수행한다.

한편, PGA(22)와 RSSI(24) 사이(또는 RSSI(24)가 수신기(10)로부터 직접 출력신호를 제공받는 경우에는 수신기(10)와 RSSI(24) 사이)에는 별도의 정류기 또는 정전압 발생기를 추가로 설치할 수 있다. 정류기는 (+) 와 (-) 신호가 포함되어 있는 출력신호를 모두 (+) 신호로 변환시키고 정전압 발생기는 출력신호를 정전압 신호로 변환시킨다. 이에 따라 RSSI(24)는 (+) 신호만이 포함된 신호의 평균 크기를 출력하는 회로로 구성함으로써 그 구성이 간단해질 수 있다. 정류기나 정전압 발생기는 RSSI(24) 자체에 포함되도록 구성될 수도 있다.

이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 노이즈 제거 장치의 동작을 도 2 내지 도 5 를 참조하여 설명한다.

도 2 는 도 1 의 수신기에 입력되는 데이터의 일 예를 시구간별로 도시한 도면이다. 도 2 내지 도 6 에서 t1 은 수신기(10)가 동작하지 않는 시구간이고 t2 는 수신기(10)가 동작하는 시구간이다. 따라서 t1 에서는 수신기(10)가 노이즈만을 포함하는 신호를 출력신호로서 출력하고, t2 에서는 노이즈와 데이터를 포함하는 신호를 출력신호로서 출력하며, 그 결과 도 3 과 같은 형태의 출력신호가 수신기(10)에 의해 출력된다.

도 3 의 출력신호는 노이즈가 작은 크기를 갖는 경우, 즉 RSSI(24)가 출력하는 신호강도가 작은 값을 갖는 경우이다. 즉 t1 구간에서 RSSI(24)가 출력하는 신호강도가 상대적으로 작은 값을 갖는다. 이 경우, 노이즈가 혼합되어 있음에도 불구하고 (+) 신호 부분은 Vr 의 값 이상을 유지하고 있고 (-) 신호 부분은 -Vr 값 이하를 유지하고 있다. 따라서 이러한 상태에서는 노이즈가 혼합되어 있어도 그 영향이 비교기(30)의 출력에 왜곡을 주지 않게 되며 따라서 비교기(30)는 도 2 와 같은 데이터 신호를 생성하게 된다. 이러한 상태에서는 제어부(26)는 PGA(22)의 증폭 정도, 즉 이득을 낮은 값으로 유지(예컨대 '1'로 유지)한다.

도 4 의 출력신호는 노이즈가 큰 크기를 갖는 경우, 즉 RSSI(24)가 출력하는 신호강도가 큰 값을 갖는 경우이다. 즉 t1 구간에서 RSSI(24)가 출력하는 신호강도가 상대적으로 큰 값을 갖는다. 이 경우 출력신호에 혼합된 노이즈는 비교기(30)의 정상적인 데이터 신호 생성에 외곡을 가져온다. 즉, 노이즈에 의하여, (+) 신호 부분에서 Vr 의 값 이하로 떨어지는 부분이 발생하고 (-) 신호 부분에서 -Vr 값 이상으로 상승하는 부분이 발생한다. 이러한 현상은 제어부(26)의 PGA(22) 이득 증가에 의해 해결된다. 즉, 제어부(26)는 t1 구간에서 RSSI(24)가 산출하는 신호강도가 소정 크기 이상이 됨에 따라 PGA(22)의 이득을 예컨대 '2'로 조절한다. 그 결과 PGA(22)의 출력신호는 도 5 와 같이 된다.

도 5 에서, t2 시구간에서 출력신호는 도 4 에 비해 2배로 증폭된다. 이때 데이터에 해당되는 신호와 노이즈에 해당되는 신호 모두 2배로 증폭되나, 신호 레벨의 절대값 자체가 증가됨에 따라 노이즈를 포함하는 증폭된 출력신호는 그 크기 자체가 2배로 스케일링되어 Vr 이상의 값과 -Vr 이하의 값을 갖게 된다. 따라서 t2 구간에서 비교기(30)에 입력되는 신호는 노이즈의 크기가 커짐에도 불구하고 Vr 과 -Vr 사이의 값을 갖지 않도록 조절되고, 이에 따라 비교가(30)가 출력하는 신호가 도 2 의 디지털 신호를 정확하게 복원하게 된다.

한편, t2 시구간은 수신기(10)가 수신 동작을 수행하는 시구간이므로 제어부(26)는 t2 시구간에서는 PGA(22)의 이득 제어 동작을 중지하고 이전에 제어된 이득을 유지시킨다. t2 시구간이 종료되어 다시 수신기(10)가 동작하지 않는 시구간인 t3 구간에 진입하면, 제어부(26)는 RSSSI(24)로부터의 신호강도에 따른 PGA(22)의 이득 조절 동작을 다시 되풀이한다. 만약 t3 구간에서 신호강도가 낮아진다면 제어부(26)는 PGA(22)의 이득을 다시 낮추게 된다.

이와 같은 과정에 의하여, 수신기(10)가 수신 동작을 수행하지 않는 시구간마다 PGA(22)의 이득 조절 제어가 수행되어, 시시각각으로 변하는 노이즈의 증감에 즉각 대응하여 노이즈 제거 동작이 수행된다.

본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 외부 단말기로부터의 통신신호를 수신하는 수신기의 출력신호를 증폭하며, 상기 출력신호의 증폭에 대한 이득의 조절이 가능한 증폭기;
   상기 출력신호에 대한 신호강도를 출력하는 RSSI(Received Signal Strength Indicator); 및
   상기 수신기가 상기 통신신호를 수신하지 않는 시구간 동안의 상기 신호강도의 크기가 클수록, 상기 수신기가 상기 통신신호를 수신하는 시구간 동안의 상기 이득이 증가되도록 상기 증폭기를 제어하는 제어부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 RSSI 는 상기 증폭기에 의해 증폭된 상기 출력신호에 대하여 상기 신호강도를 출력하는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 신호강도의 크기에 따른 상기 이득의 크기를 비례적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 장치.
   
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 신호강도의 크기를 둘 이상의 단계로 구분하여 각 단계에 대해 특정값의 상기 이득을 적용하는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 장치.
   
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 수신기는 적외선 신호를 수신하는 포토 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 장치.
   
6. 제 1 항에 기재된 바와 같은 구성의 노이즈 제거 장치를 구비하며, 도로를 주행하는 차량에 구비된 하이패스 단말기에 대한 통신을 통해 차량에 대한 통행료 과금을 수행하는 하이패스 과금 시스템.

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