KR20020079518A - 사인곡선 신호의 순간전력 결정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

사인곡선 신호의 순간전력을 결정하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 일반적으로, 그리고 아래에 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 발명의 장치는 여파를 행할 필요성없이 사인파 신호의 순간전력을 결정한다. 이는 삼각법 항등식 sin2x + cos2x = 1을 바탕으로 달성된다. 유입 신호를 두 신호로 먼저 분할하고 이때 한 신호가 다른 한 신호와 90도 위상차이를 보이게 분할함으로서, 그리고 분리된 신호들을 각각 제곱시키고, 제곱된 신호들을 더함으로서, 원 신호의 교류 성분이 효과적으로 제거되어, 어떤 잔류 교류 성분없이 원 신호의 진폭 제곱의 직류 표현만을 남긴다. 원 신호의 진폭 제곱은 원 신호 순간 전력에 정비례한다.

Description

사인곡선 신호의 순간전력 결정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING THE INSTANTANEOUS POWER OF A SINUSOIDAL SIGNAL}
본 발명은 전력을 감지하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 사인곡선의 순간 전력에 비례하는 사인곡선 신호 진폭의 제곱을 감지하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
사인파 신호를 포함한 여러 장치에서, 사인파 신호의 순간전력을 측정하는 것이 바람직한 경우가 자주 있다. 그러나, 통신 분야나 플라즈마 발생 분야에서처럼 펄스형, 또는 변조형 장치에서 이는 특히 힘들 수 있다.
사인파 신호의 진폭이나 전력을 측정하려는 이전의 시도들은 신호를 정류하고 최종 신호의 잔여 교류 성분을 여파해내는 데 주의를 집중하였다. 그러나 이 접근법은 여러 가지 문제점을 내재하고 있다. 이용되는 필터들은 불필요한 신호를 여파해내기 위해 커패시터같은 반응성 부품을 이용하는 경우가 잦다. 그러나 커패시터의 경우엔 충전에 시간이 소요된다. 이러한 커패시터의 "상승시간(rise time)"이 측정될 신호의 펄스폭보다 길 수도 있다. 따라서, 짧은 펄스폭의 엔빌롭을 가지는 사인파의 진폭이나 순간 전력을 이러한 필터들을 이용하는 시스템이 정확하게 측정할 수 없기 때문에, 이러한 필터들은 바람직하지 못하다. 따라서, 커패시터 충전에 필요한 시간 때문에 필터는 사인파 신호의 치소 펄스폭이나 최대 변조 주파수를 설정한다. 따라서, 이들 문제점 및 그외 다른 문제점을 극복하는 장치에 대한 필요성이 증대되고 있다.
본 발명은 입력 신호의 진폭 제곱이나 순간 전력을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
첫 번째 실시예에 따라, 유입 신호의 진폭 제곱을 측정하기 위한 장치는 유입 신호를 제 1 부분과 제 2 부분으로 분리하는 분리 수단(splitting means), 제 1 부분을 제곱하는 제 1 제곱 수단, 제 2 부분을 제곱하는 제 2 제곱 수단, 그리고 제 1 부분의 제곱과 제 2 부분의 제곱을 더하는 합산 수단을 포함하고, 이때 제 1 부분의 위상은 제 2 부분의 위상과 90도만큼 차이가 나며, 이에 의해, 각 부분의 제곱의 합이 유입 신호의 진폭 제곱에 비례하는 출력 신호를 생성한다.
발명의 또다른 실시예에 따라, 사인파 신호의 진폭 제곱을 측정하기 위한 방법은 1), 사인파 신호를 제 1 부분과 제 2 부분으로 나누고, 이때 제 1 부분의 위상이 제 2 부분의 위상과 90도 차이가 나게 나누며, 2) 제 1 부분을 제곱하고, 3) 제 2 부분을 제공하며, 그리고 4) 제 1 부분의 제곱과 제 2 부분의 제곱을 더하는, 이상의 과정으로 이루어지고, 이에 의해, 두부분의 제곱의 합이 사인파 신호의 진폭 제곱에 비례하는 출력 신호를 생성한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예의 블록도표.
도 2는 본 발명의 한 실시예의 블록도표.
도 3은 본 발명의 한 실시예의 블록도표.
도 4는 본 발명의 방법의 순서도.
발명에 따라, 사인파 신호의 순간 전력을 결정하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 일반적으로, 그리고 아래에 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 발명의 장치는 여파를 행할 필요성없이 사인파 신호의 순간전력을 결정한다. 이는 삼각법 항등식 sin2x + cos2x = 1을 바탕으로 달성된다. 유입 신호를 두 신호로 먼저 분할하고 이때 한 신호가 다른 한 신호와 90도 위상차이를 보이게 분할함으로서, 그리고 분리된 신호들을 각각 제곱시키고, 제곱된 신호들을 더함으로서, 원 신호의 교류 성분이 효과적으로 제거되어, 어떤 잔류 교류 성분없이 원 신호의 진폭 제곱의 직류 표현만을 남긴다. 원 신호의 진폭 제곱은 원 신호 순간 전력에 정비례한다.
도면을 참고해보자. 도 1에서, 발명에 따르는 선호되는 실시예의 시스템 개관이 묘사된다. 도 1에 도시되는 장치(100)는 사인파 신호를 발생시키기 위한 신호 발생기 수단(110), 유입 신호를 90도 이상(out-of phase)의 두 신호로 분리하는 분리 수단(120), 분리된 각 신호를 제곱하는 제곱 수단(130, 140), 그리고 두 신호 제곱을 더하는 합산 수단(150)을 포함한다.
도 2에서, 본 발명의 장치가 보다 상세하게 도시된다. 도시되는 바와 같이,사인파 신호를 발생시킬 수 있는 어떤 장치로부터도 입력을 얻을 수 있다. 가령, 입력 신호는 방향성 커플러나 측정할 신호 발생에 적합한 그외 다른 센서에 의해 발생될 수 있다. 어떤 신호도 사인파의 합으로 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명의 적용이 단일 주파수의 사인파 신호에만 제한되는 것은 아니다.
선호되는 실시예에서, 분리 수단(120)은 직각 분리기(220)이다. 직각 분리기(220)는 공지된 회로 요소로서, 한 신호를 서로에 대해 동일한 진폭이자 90도 이상(out-of phase)의 두 신호로 분리하는 회로 요소이다. 본질적으로는, 직각 분리기(220)가 유입 신호를 입력 신호의 코사인부분과 사인 부분으로 나누는 것이다. 왜냐하면, sin(x + π/2) = cos(x)이기 때문이다.
입력(210)은 직각 분리기(220)에 연결된다. 입력은 통상적으로 고주파 성분을 가지는 사인파 형태의 고주파 신호이다. 고주파 신호는 통상적으로 2msinθ 형태로 일반화될 수 있고, 이때 2m은 사인파 신호의 진폭이다. 따라서 직각 분리기(220)의 출력은 msinθ와 mcosθ이다. 제 1 분리 신호는 msinθ이고, 제 1 분리 신호의 위상과 90도 차이를 보이는 제 2 분리 신호는 mcosθ이다. 두 신호는 개별적으로 제곱 수단(230, 240)에 각각 전송된다. 제곱 수단으로부터의 출력은 각각 m2sin2θ와 m2cos2θ이다. 합산 회로(250)에서 두 신호를 더할 때, 최종 출력 신호는 2m2(sin2θ+cos2θ)이다. 삼각법 항등식 sin2θ+cos2θ = 1 때문에, 출력 신호는 2m2이라는 일정한 직류 출력이 된다. 따라서, 출력 신호는 입력 신호의 전력에 정비례한다.
제곱 회로(230, 240)는 사인 신호와 코사인 신호를 각각 수신하고, 각 개별 신호의 진폭을 제곱한다. 제곱 회로(230, 240)는 예를 들어, 미국, 메사츄세츠주, Norwood 소재 Analog Devices, Inc. 제품인 모델명 AD835처럼 4분 전압 출력 아날로그 멀티플라이어일 수 있다. 물론 다른 제곱 회로도 마찬가지로 사용될 수 있다.
합산 회로(250)는 두 개의 신호를 함께 더하며, 어떤 잔류 교류 성분없이 원 신호 진폭의 제곱(전력)의 직류 표현이다. 합산 회로는 여러 가지 다른 방식으로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 신호 라인을 함께 간단히 묶거나 그외 다른 복소 고-분리 방법이 합산 회로(250)를 만드는 데 사용될 수 있다.
도 3에서, 본 발명의 회로가 한 실시예를 들어 묘사된다. 도시되는 바와 같이, 직각 분리기(220)는 병렬 연결된 두 개의 저항-커패시터 쌍을 포함한다. 제 1 분리 신호는 저항(310)으로부터 나온다. 제 2 분리 신호는 커패시터(314)로부터 나온다. 분리 신호는 Analog Devices 사에서 가용한 AD835 유닛같은 제곱 회로의 입력 포트에 전달된다. AD835 유닛 중 하나(240)의 출력 포트는 본 발명의 출력 직류 신호를 포함한다. AD835 유닛의 동작은 아래에 보다 상세하게 설명된다.
도 3의 장치의 동작은 여기서 설명된다. 입력 신호는 입력 신호 발생기(210)에 의해 발생된다. 입력 신호는 2m의 진폭을 가지는 통상적으로 사인파 신호이다. 직각 분리기는 (220)으로 도시된다. 직각 분리기는 커패시터(312)와 직렬 연결된 저항(310)을 포함하는 것이 선호된다. 저항-커패시터 쌍(310, 312)은 부합하는 저항-커패시터 쌍(314, 316)과 병렬로 배열된다. 입력 신호가 13.56MHz의 주파수를 가지는 한 실시예에서, 직각 분리기는 저항(310, 316)에서 51.1 오옴의 값을 가진다. 이에 부합하는 커패시터(312, 314)의 정전용량은 각각 230pF이다. 직각 분리기(220)로부터의 출력 신호는 두 개의 서로 다른 제곱 회로(230, 240)에 입력될 두 개의 신호이다. 제 1 분리 신호는 msinθ이고 제 2 분리 신호는 mcosθ이다. 왜냐하면, 본 구현의 직각 분리기가 최종 분리 신호들의 크기에 반영되는 손실을 삽입시키기 때문이다.
제곱 회로로는 Analog Devices 사의 AD835 유닛(230, 240)이 선호된다. AD835 유닛은 일체형 합산기를 갖춘 제곱 회로이다. AD835 유닛은 곱셈 기능 실행을 위한 두 개의 입력 포트 x1과 y1을 가진다. 추가 입력 포트 z는 x1 및 y1 포트의 벡터적(product)에 추가 입력을 더하기 위해 제공된다. 따라서 출력 포트 w는 z+(x1·y1)의 논리 함수를 제공한다. 도시되는 바와 같이, 제 1 AD835 유닛(230)의 출력 포트는 msinθㆍmsinθ의 논리 함수를 나타낸다.
도시되는 바와 같이, 제 1 AD835 유닛(230)의 출력 포트 w는 제 2 AD835 유닛(240)의 입력 포트 z에 연결된다. 따라서, 제 2 AD835 유닛(240)의 출력 포트 w는 m2sin2θ+(mcosθ·mcosθ)의 논리 함수를 나타낸다. 제 2 AD835 유닛(240)의 출력 포트 w는 따라서 2m2이다.
도 4에서, 사인파 신호의 순간 전력을 측정하기 위한 본 발명의 처리과정이 나열된다. 단계 410에서, 신호가 서로 동일한 진폭을 가지는 두 개의 신호로 나누어지며, 이때 한 신호가 다른 한 신호와 90도의 위상차를 가진다. 단계 420에서, 각 신호가 제곱된다. 마지막으로, 단계 430에서, 제곱된 신호가 더해진다. 제곱된신호의 교류 성분은 제곱되지 않은 신호의 주파수의 두배이고, 따라서 위상차도 두배(180도)이다. 제곱 과정은 직류 성분을 제곱 신호로 나눈다. 이 신호들을 함께 더할 때, 제곱 신호의 교류 성분이 서로에 대해 180도 위상차를 가지기 때문에 교류 성분이 소거된다. 따라서, 원신호에 존재하지 않았으나 제곱의 결과로 나타나는 직류 성분이 출력에 도달한다.
앞서 언급한 발명은 여러 장점을 가진다. 먼저, 출력이 바로 2m2이어서, 입력 신호의 전력을 본 발명의 회로의 출력 신호로부터 직접 얻을 수 있다. 두 번째로, 어떤 저역 통과 필터도 필요하지 않아서, 입력 신호에 대해 임의적으로 고속 변조된 기능도 전력 측정을 위해 회복될 수 있다.

Claims (19)

  1. 유입 신호의 진폭 제곱을 측정하기 위한 장치로서, 상기 장치는,
    - 상기 유입 신호를 서로에 대해 90도의 위상차를 가지는 제 1 부분 및 제 2 부분으로 분리하는 분리 수단,
    - 상기 제 1 부분을 제곱하기 위한 제 1 제곱 수단,
    - 상기 제 2 부분을 제곱하기 위한 제 2 제곱 수단,
    - 상기 제 1 부분의 제곱과 상기 제 2 부분의 제곱을 더하는 합산 수단
    을 포함하고, 이에 의해, 상기 합하여진 두 제곱 부분이 상기 유입 신호의 진폭 제곱에 비례하는 출력 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분리 수단은 직각 분리기인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유입 신호는 플라즈마 발생기 내에서 발생되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유입 신호는 방향성 커플러에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 유입 신호는 사인곡선 신호인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 유입 신호가 사인곡선 신호의 합인 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 신호가 직류 신호인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 제곱 수단이 AD835 유닛인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 제곱 수단이 AD835 유닛인 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 합산 수단이 상기 AD835 유닛 중 하나 내에 통합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 합산 수단이 합산 연산 증폭기인 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 사인곡선 신호의 진폭 제곱을 측정하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    - 상기 사인곡선 신호를 서로에 대해 90도 위상차를 가지는 제 1 부분 및 제 2 부분으로 분리하고,
    - 상기 제 1 부분을 제곱하며,
    - 상기 제 2 부분을 제곱하고,
    - 제곱한 상기 제 1 부분과 제곱한 상기 제 2 부분을 합산하는,
    이상의 단계로 이루어지고, 이에 의해 제 1 부분의 제곱과 제 2 부분의 제곱의 상기 합은 상기 사인곡선 신호의 진폭 제곱에 비례하는 출력 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 분리 단계는 직각 분리기에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 사인곡선 신호가 플라즈마 발생기 내에서 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 사인곡선 신호가 방향성 커플러에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 제곱 단계가 AD835 유닛에 의해 이루어지는것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제 2 제곱 단계가 AD835 유닛에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 합산 단계가 AD835 유닛에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 12 항에 있어서, 상기 합산 단계가 합산 연산 증폭기에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020020019108A 2001-04-09 2002-04-09 사인곡선 신호의 순간전력 결정 방법 및 장치 KR20020079518A (ko)

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