KR102596315B1 - 잡음레벨 적응형 수신장치 - Google Patents

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Abstract

잡음레벨 적응형 수신장치는 제1비교기, 제2비교기, 제어부 및 기준전압 변경부를 구비한다. 제1비교기는 수신신호의 전압을 제1기준전압과 비교하고, 제2비교기는 수신신호의 전압을 제2기준전압과 비교한다. 제어부는 제1비교기의 단위시간당 출력펄스의 개수에 상응하는 전압레벨을 갖는 제어전압을 출력한다. 기준전압 변경부는 제어전압의 전압레벨에 대응하여 제1기준전압과 제2기준전압의 크기를 변경시킨다. 제2비교기에서는 변경된 제2기준전압과 수신신호와의 비교를 통해 잡음이 제거된 전송신호가 출력된다. 잡음레벨에 따라 수신신호로부터 제거될 잡음의 전압레벨이 가변되어, 잡음레벨에 대한 적응적 잡음 제거가 수행된다.

Description

잡음레벨 적응형 수신장치 {Signal Receiver adaptive to Noise Level}
본 발명은 잡음레벨 적응형 수신장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전송신호와 잡음이 포함된 수신신호로부터 잡음레벨에 상응하는 가변적 잡음 제거를 수행하여 전송신호를 추출하는 수신장치에 관한 것이다.
레이저 펄스 수신회로와 같이 외부에서 전송된 전송신호를 수신하는 수신장치는 전송신호에 포함된 잡음을 제거하여 전송신호만을 추출한다.
일반적으로 잡음은 전송신호보다 그 전압레벨이 낮다. 따라서 전송신호와 잡음이 포함된 수신신호에서 일정한 전압레벨 이하의 신호를 잡음으로 간주하여 제거함으로써 잡음이 제거된 전송신호를 추출할 수 있다. 그런데 이러한 방식에서는 제거될 전압레벨이 지나치게 높게 설정되는 경우 수신감도가 저하되어 성능이 떨어지게 되고, 제거될 전압레벨이 지나치게 낮게 설정되는 경우 잡음이 충분히 제거되지 않는다. 따라서 제거될 잡음의 전압레벨의 설정치는 잡음 제거 효과와 전송신호 추출의 두 가지 측면을 모두 고려하여 주의 깊게 설정되어야 한다. 그러나 잡음은 동작 온도와 사용 환경 등에 따라 변화되어 그 레벨이 일정하지 않고 지속적으로 변화하게 된다. 따라서 제거될 잡음의 전압레벨을 실제 잡음의 강도에 상응하여 가변시키는 방안이 필요하다.
이를 위하여 종래에는 잡음의 크기를 측정하고 측정된 크기에 따라 제거될 잡음의 전압레벨을 변화시키는 방법이 사용되었다. 이때 잡음의 크기는 수신신호의 피크전압(peak voltage)을 이용하여 측정하거나 실효전압(rms voltage)을 이용하여 측정하는 것이 일반적이다.
US 8,309,926 B2 : Pulse-Laser Beam Detector with improved Sun and Temperature Compensation
본 발명은 잡음레벨에 따라 수신신호로부터 제거될 잡음의 전압레벨을 가변시킴으로써 잡음레벨에 대한 적응적 잡음 제거를 수행하는 수신장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 외부에서 전송된 전송신호에 잡음이 포함된 수신신호의 전압을 상기 제1기준전압보다 크며 가변되는 제1기준전압과 비교하여 비교 결과에 따른 출력펄스를 출력하는 제1비교기; 상기 수신신호의 전압을 가변되는 제2기준전압과 비교하여 상기 잡음이 제거된 상기 전송신호를 추출하는 제2비교기; 단위시간당 상기 출력펄스의 개수에 상응하는 전압레벨을 갖는 제어전압을 출력하는 제어부; 및 상기 제어전압의 상기 전압레벨에 대응하여 상기 제1기준전압 및 상기 제2기준전압의 크기를 변경시키는 기준전압 변경부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잡음레벨 적응형 수신장치를 제시한다.
상기 제어부는, 상기 출력펄스의 개수와 소정의 기준 개수와의 오차(error)를 이용하여 제어신호를 출력하는 MCU, 및 상기 제어신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 제어전압을 출력하는 DAC 를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 MCU 는 상기 오차에 대한 비례제어를 통해 상기 제어신호를 생성할 수 있다.
상기 MCU 는 상기 오차에 대한 비례적분제어를 통해 상기 제어신호를 생성할 수 있다.
상기 기준전압 변경부는 상기 제어전압을 분배하여 상기 제1기준전압 및 상기 제2기준전압을 생성하는 전압분배기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 잡음레벨에 따라 수신신호로부터 제거될 잡음의 전압레벨을 가변시킴으로써 잡음레벨에 대한 적응적 잡음 제거가 수행된다.
도 1 은 본 발명에 따른 잡음레벨 적응형 수신장치의 회로도.
도 2 는 도 1 의 제1비교기를 도시한 도면.
도 3 은 도 2 의 제1비교기에 입력되는 수신신호의 일 예를 도시한 도면.
도 4 는 도 3 의 수신신호에 대하여 제1기준전압이 높게 설정된 경우 도 2 의 제1비교기의 출력을 도시한 도면.
도 5 는 도 3 의 수신신호에 대하여 제1기준전압이 낮게 설정된 경우 도 2 의 제1비교기의 출력을 도시한 도면.
도 6 은 도 1 의 실제 구현예를 도시한 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 잡음레벨 적응형 수신장치의 회로도이다.
본 발명의 수신장치는 제1비교기(10), 제2비교기(20), 제어부(30), 및 기준전압 변경부(40)를 포함하여 구성된다.
제1비교기(10)는 수신신호(VIN)와 제1기준전압(VR1)을 비교하여 비교 결과에 따른 출력펄스를 출력한다. 여기에서 수신신호(VIN)는 외부의 송신장치가 전송한 전송신호에 전송 및 수신 과정에서 발생되는 잡음이 포함된 신호이다. 제1기준전압(VR1)은 후술되는 바와 같이 잡음레벨에 대해 적응적으로 가변된다.
제2비교기(20)는 수신신호(VIN)의 전압을 제2기준전압(VR2)과 비교하여 잡음이 제거된 전송신호를 추출한다. 제2기준전압(VR2)은 후술되는 바와 같이 잡음레벨에 대해 적응적으로 가변된다.
제어부(30)는 제1비교기(10)가 출력하는 출력펄스에 대응되는 제어전압을 출력한다. 이때 제어부(30)는 단위시간당 출력펄스의 개수에 상응하는 전압레벨을 갖는 제어전압을 출력한다. 구체적으로, 제어부(30)는 마이크로 프로세서로 구성된 MCU(32), 및 디지털-아날로그 컨버터로 구성된 DAC(34)를 포함한다. MCU(32)는 제1비교기(10)의 출력펄스의 개수와 소정의 기준 개수와의 오차(error)를 이용하여 제어신호를 출력한다. 일 예로서 MCU(32)는 100㎲ 동안의 출력펄스의 개수를 카운팅하여, 카운팅한 개수에 해당되는 디지털 신호를 제어신호로서 출력한다. DAC(34)는 MCU(32)가 출력한 제어신호를 아날로그 신호로 변화하여 제어전압을 출력한다.
기준전압 변경부(40)는 제어전압의 전압레벨에 대응하여 제1기준전압(VR1) 제2기준전압(VR2)의 크기를 변경시킨다. 바람직하게는, 기준전압 변경부(40)는 DAC(34)가 출력하는 제어전압을 분배하여 제1기준전압(VR1) 및 제2기준전압(VR2)을 생성하는 전압분배기(Voltage Divider)로 구성된다.(이하, 기준전압 변경부와 전압분배기는 동일한 참조부호를 사용하여 인용한다.)
후술되는 바와 같이, 제1기준전압(VR1)은 현재 수신되는 신호 내에 포함된 잡음의 전압레벨을 측정하는 데에 사용되는 전압이고, 제2기준전압(VR2)은 측정된 전압레벨의 잡음을 제거하는 데에 사용되는 전압이다. 따라서, 제2기준전압(VR2)은 제1기준전압(VR1)보다 크다. 일 예로서, 제2기준전압(VR2)은 제1기준전압(VR1)보다 20% 정도 높은 전압으로 설정될 수 있다. 전압분배기(40)는 제어전압을 이와 같이 분배하도록 구성된다.
도 2 는 도 1 의 제1비교기(10)를 도시한 도면이다. 제1비교기(10)는 수신신호(VIN)와 제1기준전압(VR1)을 비교하여 수신신호(VIN)의 전압레벨이 제1기준전압(VR1)보다 높은 경우 펄스를 출력한다. 이때 제1기준전압(VR1)의 크기는 제어부(30)와 전압분배기(40)에 의해 변화된다.
도 3 은 도 2 의 제1비교기(10)에 입력되는 수신신호(VIN)의 일 예를 도시한 도면이고, 도 4 및 도 5 는 각각 도 3 의 수신신호(VIN)에 대하여 제1기준전압(VR1)이 높게 설정된 경우 및 낮게 설정된 경우의 제1비교기(10)의 출력의 예들을 도시한 도면이다. 제1기준전압(VR1)이 상대적으로 높게 설정된 경우(도 3 의 VTH 1)에는 도 4 와 같이 제1비교기(10)의 출력펄스의 개수는 적어지며, 제1기준전압(VR1)이 상대적으로 낮게 설정된 경우(도 3 의 VTH 2)에는 도 5 와 같이 제1비교기(10)의 출력펄스의 개수는 많아진다. 도 1 에서는 제1비교기(10)의 출력이 "Noise Pulse" 라고 표기되어 있으나, 신호의 전압은 잡음의 전압보다 크므로 실제로는 제1비교기(10)의 출력에는 Noise Pulse 와 Signal Pulse 가 포함되어 있다. 그러나, 신호는 잡음에 비해 단위 시간당 개수가 매우 적으므로, 제1비교기(10)의 출력은 Noise Pulse 로 간주해도 무방하다.
MCU(32)는 먼저 통상적인 상태에서의 잡음의 전압레벨을 가정하고, 이와 같이 가정된 전압레벨에 상응하는 제어신호를 설정한다. 이때의 전압레벨은 예컨대 도 3 의 VTH 1 과 VTH 2 사이의 값을 갖는다. 이와 같이 설정된 제어신호가 DAC(34)에 의해 소정의 전압레벨을 갖는 제어전압으로 변화되어 전압분배기(40)에 공급되며, 전압분배기(40)는 이 제어전압을 분배하여 제1기준전압(VR1)과 제2기준전압(VR2)을 생성한다. 이때 생성되는 제1기준전압(VR1)의 크기는 최초에 가정한 통상적인 상태에서의 잡음레벨과 동일하다. 제1비교기(10)는 이와 같이 설정된 제1기준전압(VR1)보다 크기가 큰 수신신호(VIN) 입력 시 펄스를 출력한다. 그리고, 제2기준전압(VR2)은 제1기준전압(VR1)보다 크다. 제2비교기(20)는 수신신호(VIN)로부터 제2기준전압(VR2)보다 크기가 작은 신호를 제거하여 잡음의 대부분이 제거된 전송신호를 추출한다.
이러한 상태에서 어떤 원인으로 잡음이 증가하면 수신신호(VIN) 내에서 현재의 제1기준전압(VR1)보다 높은 전압의 신호가 증가하고, 이에 따라 제1비교기(10)의 출력펄스의 개수가 증가한다. MCU(32)는 이와 같이 증가한 하이 출력펄스의 개수에 대응되는 제어신호를 출력하고, DAC(34)는 이 제어신호를 아날로그 신호로 변화시킴으로써 높아진 전압레벨의 제어전압을 출력한다. 높아진 전압레벨의 제어전압이 전압분배기(40)에 의해 분배됨에 따라 전압분배기(40)가 출력하는 제1기준전압(VR1)과 제2기준전압(VR2)이 예컨대 도 3 의 VTH 1 과 같이 높아진다. 따라서 제2비교기(20)는 수신신호(VIN)에서 높아진 전압레벨의 신호를 제거하게 된다. 이때 제1기준전압(VR1)이 높아짐에 따라 제1비교기(10)의 출력펄스의 개수는 감소하게 되고, 이에 따라 MCU(32)는 감소한 출력펄스의 개수에 대응되는 제어신호를 출력하고 DAC(34)는 낮아진 전압레벨의 제어전압을 출력한다. 따라서 제1기준전압(VR1)과 제2기준전압(VR2)이 예컨대 최초 설정된 전압레벨로 낮아진다. 이와 같은 과정이 상기한 단위시간마다 일정한 주기로, 예컨대 100㎲ 마다 반복된다.
한편, 이와 반대로 어떤 원인으로 잡음이 감소하면 수신신호(VIN) 내에서 현재의 제1기준전압(VR1)보다 높은 전압의 신호가 감소하고, 이에 따라 제1비교기(10)의 출력펄스의 개수가 감소한다. MCU(32)는 이와 같이 감소한 출력펄스의 개수에 대응되는 제어신호를 출력하고, DAC(34)는 이 제어신호를 아날로그 신호로 변화시킴으로써 낮아진 전압레벨의 제어전압을 출력한다. 낮아진 전압레벨의 제어전압이 전압분배기(40)에 의해 분배됨에 따라 전압분배기(40)가 출력하는 제1기준전압(VR1)과 제2기준전압(VR2)이 예컨대 도 3 의 VTH 2 와 같이 낮아진다. 따라서 제2비교기(20)는 수신신호(VIN)에서 낮아진 전압레벨의 신호를 제거하게 된다. 이때 제1기준전압(VR1)이 낮아짐에 따라 제1비교기(10)의 출력펄스의 개수는 증가하게 되고, 이에 따라 MCU(32)는 증가한 출력펄스의 개수에 대응되는 제어신호를 출력하고 DAC(34)는 높아진 전압레벨의 제어전압을 출력한다. 따라서 제1기준전압(VR1)과 제2기준전압(VR2)이 예컨대 최초 설정된 전압레벨로 높아진다.
이와 같은 과정이 반복됨에 따라 잡음이 증가하면 제2비교기(20)에서 필터링하는 기준이 되는 잡음레벨이 높아지고, 잡음이 감소하면 제2비교기(20)에서 필터링하는 기준이 되는 잡음레벨이 낮아진다. 입력되는 잡음의 레벨에 따라 제거될 잡음레벨이 적응적으로 변화되므로, 상시 낮은 잡음레벨 적용 시의 잡음 필터링 효과 저감의 문제 및 상시 높은 잡음레벨 적용 시의 신호 손실의 문제가 해결된다.
이하에서는 본 발명에서 MCU(32)가 제1비교기(10)의 출력펄스의 개수에 상응하는 제어신호를 생성하는 구체적인 방식에 대해 기술한다.
MCU(32)에는 제1비교기(10)의 출력펄스의 개수에 대해 소정의 기준 개수가 사전에 설정된다. 이 기준 개수는 예컨대 전술한 바와 같이 최초의 제1기준전압(VR1)이 설정된 상태에서 통상적인 강도의 잡음이 발생하는 경우에 제1비교기(10)가 출력하는 출력펄스의 개수로서 설정된다. 따라서 기준 개수는 본 발명의 수신장치가 적응적으로 추적하고자 하는, 가장 최적의 잡음 제거 성능을 가져오는 목표치로서 설정된다. 이러한 목표치는 수신장치의 구체적인 구성, 수신장치가 설치되는 장소의 환경, 수신장치가 수신하는 수신신호의 일반적인 S/N 비 상황 등을 고려하여 변경될 수 있다.
MCU(32)는 제1비교기(10)의 출력펄스의 개수와 상기 기준 개수와의 오차(error)를 산출하여, 이 오차에 비례하는 크기의 신호를 제어신호로서 출력할 수 있다. 즉, MCU(32)는 하기 식과 같이 오차에 대한 비례제어를 통해 제어신호를 생성한다.
Sc = Kp * e
(Sc : 제어신호, Kp : 비례상수, e : 오차)
DAC(32)는 이러한 제어신호를 아날로그 신호로 변환하여 제어전압을 출력한다.
이와 같이 제어전압이 오차에 비례한 전압의 신호인 경우, 기준전압 변경부(40)는 최초에 설정된 제1기준전압(VR1)에 DAC(32)의 전압레벨을 생성함으로써 제1기준전압(VR1)과 제2기준전압(VR2)을 생성한다. 이에 따라 제1기준전압(VR1)과 제2기준전압(VR2)의 크기는 증가된 오차에 상응하여 커진다.
이와 같은 과정이 일정 주기로, 예컨대 100㎲ 마다 반복된다. 새로운 주기에서도 여전히 오차가 플러스(+) 값을 갖는 경우에는 상기와 같은 과정에 의하여 제1기준전압(VR1)과 제2기준전압(VR2)의 크기가 오차에 상응하는 만큼 추가로 증가하고, 만약 오차가 마이너스(-) 값을 갖는 경우에는 제1기준전압(VR1)과 제2기준전압(VR2)의 크기가 오차에 상응하는 만큼 감소하게 된다.
한편, MCU(32)는 상기와 같이 비례제어 외에 하기 식과 같이 오차에 대한 비례적분제어를 통해 제어신호를 생성할 수 있다.
Sc = Kp * e + Ki * accumulator
(Sc : 제어신호, Kp : 비례상수, Ki : 적분상수, e : 오차, accumulator : 매 주기마다 산출된 오차의 누적값으로서 accumulator <= accumulator + e)
이와 같은 비례적분제어의 개념을 적용할 경우 제어의 안정성이 증가한다.
한편, 도 1 의 구성에서, 제2비교기(20)의 전단에 수신신호(VIN)에 대해 시간지연을 시키는 별도의 시간지연회로를 추가할 수 있다. 즉, 제2비교기(20)에 입력되는 수신신호(VIN)는 제1비교기(10)에 입력되는 수신신호(VIN)에 비하여 소정의 시간지연을 거친 후 입력되도록 할 수 있다. 이때의 지연 시간은 제1비교기(10)에 입력된 수신신호를 이용하여 종국적으로 기준전압 변경부(40)에서 변경된 제1기준전압(VR1)과 제2기준전압(VR2)이 생성되기까지 소요되는 시간과 동일하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 제1비교기(10)에 입력되는 신호를 토대로 기준전압 변경부(40)가 제1기준전압(VR1)과 제2기준전압(VR2) 변경됨과 동시에 변경된 제2기준전압(VR2)을 토대로 제2비교기(20)에서 잡음 제거 동작이 수행된다. 따라서 제2비교기(20)는 사전에 잡음레벨이 측정된 후에 측정된 잡음레벨을 토대로 잡음 제거 동작이 수행되는 것과 같은 효과를 얻게 된다.
도 6 은 도 1 의 실제 구현예를 도시한 도면이다. 도 6 에서 도 1 과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하였다. 실제 구현에서는 S/N 비의 개선을 위하여 수신신호(VIN)가 Differential Output Amplifier(50)를 거쳐 반전(inverting) 및 비반전(non-inverting) 신호로서 출력되도록 구성되는 것이 바람직하다.
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 (5)

  1. 삭제
  2. 외부에서 전송된 전송신호에 잡음이 포함된 수신신호의 전압을 가변되는 제1기준전압과 비교하여 비교 결과에 따른 출력펄스를 출력하는 제1비교기;
    상기 수신신호의 전압을 상기 제1기준전압보다 크며 가변되는 제2기준전압과 비교하여 상기 잡음이 제거된 상기 전송신호를 추출하는 제2비교기;
    단위시간당 상기 출력펄스의 개수에 상응하는 전압레벨을 갖는 제어전압을 출력하는 제어부; 및
    상기 제어전압의 상기 전압레벨에 대응하여 상기 제1기준전압 및 상기 제2기준전압의 크기를 변경시키는 기준전압 변경부;
    를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 출력펄스의 개수와 소정의 기준 개수와의 오차(error)를 이용하여 제어신호를 출력하는 MCU; 및
    상기 제어신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 제어전압을 출력하는 DAC;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 잡음레벨 적응형 수신장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 MCU 는 상기 오차에 대한 비례제어를 통해 상기 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 잡음레벨 적응형 수신장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 MCU 는 상기 오차에 대한 비례적분제어를 통해 상기 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 잡음레벨 적응형 수신장치.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준전압 변경부는 상기 제어전압을 분배하여 상기 제1기준전압 및 상기 제2기준전압을 생성하는 전압분배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 잡음레벨 적응형 수신장치.
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