KR20120004494A

KR20120004494A - 신호 복조를 위한 시스템

Info

Publication number: KR20120004494A
Application number: KR1020117025784A
Authority: KR
Inventors: 마르셀 씨. 슈만; 아타나스 펜트쉐브; 카르스텐 하인크스; 앨버트 스테크
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2012-01-12
Also published as: JP2012522449A; BRPI1007078A8; WO2010113074A3; CA2757033C; CN102378952B; CA2757033A1; RU2520357C2; BRPI1007078A2; KR101714769B1; US20120081693A1; EP2414916B1; JP5735483B2; WO2010113074A2; RU2011143731A; CN102378952A; EP2414916A2; US9134813B2

Abstract

위상 변조된 입력 신호(Si)를 복조하기 위한 복조 시스템(100)은, 상기 위상 변조된 입력 신호(Si)를 수신하기 위한 제1 입력(111)을 갖고 이 신호와 상기 위상 변조의 역(inverse)의 근사치의 복소수 곱셈을 수행하도록 설계되어 있는 복소수 복조기(110); 및 상기 복소수 복조기(110)에 의해 생성된 복조된 곱 신호를 수신하고 상기 복조된 곱 신호의 주파수 스펙트럼을 분석할 수 있는 스펙트럼 분석 장치(130)를 포함한다.

Description

신호 복조를 위한 시스템{SYSTEM FOR DEMODULATING A SIGNAL}

본 발명은 일반적으로 위상 변조된 또는 주파수 변조된 신호를 복조하기 위한 시스템에 관한 것이다.

도 1은 레이저 장치(2)를 포함하는 광학 컴퓨터 마우스(1)를 개략적으로 예시한다. 레이저 장치는 그 자체로 알려진 바와 같이 반도체 레이저로서 구현된다. 마우스는 표면(4), 예를 들면 데스크톱 위에서 이동된다. 간결함을 위하여 도시되지 않은 전원으로부터, 레이저 장치(2)는 전류를 수신하고, 그 결과 레이저(2)는 특정한 파장을 갖는 레이저 빔(3)을 방출하고, 그것은 표면(4)에 의해 반사된다. 레이저 광의 일부는 레이저 쪽으로 반사된다. 이 반사된 레이저 광으로부터, 표면에 관하여 마우스(1)의 이동의 속도를 나타내는 신호를 획득하는 것이 가능하다.

도 2는 측정 원리를 예시하는 개략도이다. 레이저(2)는 반투명 전방 미러(11) 및 반투명 후방 미러(12)를 포함하고, 상기 2개의 미러들 사이에 레이저 매체(13)(반도체 바디)가 있다. 미러들(11, 12)은 2차원 구조로서 도시되어 있지만, 실제로는 미러들(11, 12)은 층상 구조(layered structure)를 가질 것이라는 점에 유의한다.

레이저 매체(13) 내의 레이저 광은 메인 레이저 광 L0로서 표시되어 있다. 레이저 광의 일부는 전방 미러(11)를 통과하여 출력 빔(3)을 형성하고; 이 광은 또한 L1으로 표시되어 있다. 마찬가지로, 레이저 광의 일부는 후방 미러(12)를 통과하여 측정 빔(5)을 형성하고, 이 광은 또한 L2로 표시되어 있다.

객체(4)는 확산 특성을 갖는 외부 미러를 구성하는 것으로 간주될 수 있고, 입사 빔 L1을 반사하고, 이것은 반사 빔 L3로서 표시되어 있다. 도면에서, 반사 빔 L3는 입사 빔 L1과 어떤 각도를 이루는 1차원 빔인 것으로 도시되어 있지만, 실제로는 반사 빔 L3는 특정한 공간 분포를 가질 것이고 이 반사 빔 L3의 일부는 전방 미러(11) 쪽으로 향하게 될 것이다. 따라서, 객체(4)는 전방 미러(11)와 함께 외부 공동(external cavity)을 정의하는 것으로 간주될 수 있다.

움직이지 않는 조건에서, 레이저 매체(13) 내의 광 L0는 정상파(standing wave)를 형성한다. 마찬가지로, 외부 공동 내의 광 L1 및 L3는 정상파를 형성하고, 이 정상파는, 전방 미러(11)를 통하여, 레이저 매체(13) 내의 광 L0와 간섭한다. 측정 빔(5)은 일정한 강도를 갖는다.

객체(4)가 레이저(2)로부터 떨어져 이동하고 있다고 가정한다. 이것은 전방 미러(11)와 객체(4) 사이의 간섭 공동의 길이가 증가하고 있다는 것, 즉, 전방 미러(11)와 객체(4) 사이에 피팅하는(fitting) 정상파들의 수가 증가하고 있다는 것을 의미한다. 그 결과, 전방 미러(11)의 위치에서의 간섭 상태는 완전 보강(fully constructive)으로부터 완전 상쇄(fully destructive)로 변화하고 다시 본래 상태로 변화한다. 이것은 레이저 매체(13) 내의 간섭 상태에 영향을 끼치고, 이것은 다시 측정 빔(5)의 광 L5의 강도에 영향을 끼친다. 그 결과, 이 광 L5는 레이저(2)에 관한 객체(4)의 이동의 속도, 즉, 광학 축을 따르는 그것의 성분에 비례하는 주파수 fD의 강도 변동들(intensity fluctuations)을 갖는다. 측정 빔(5)은 광학 센서에 의해 검출될 수 있고, 그것의 출력 신호는 이들 강도 변동들을 처리하고 그로부터 객체 속도를 계산하기 위하여 신호 프로세서에 의해 처리될 수 있다는 것은 명백할 것이다. 상기 주파수 fD는 도플러 주파수와 같다는 것에 유의한다.

도 3a에서 예시된 바와 같이, 삼각 변조된 레이저 전류를 레이저에 공급하는 것에 의해 이 문제를 해결하는 것은 이미 제안되었다. 레이저 전류는 동일한 부호를 갖는 2개의 극단 값들 I1 및 I2 사이에서 선형 방식으로 변경된다. 전류 주기의 하나의 절반 동안, 레이저 전류 I는 I1으로부터 I2로 증가하고 있고, 변화율 R1 = dI/dt는 실질적으로 일정하다. 전류 주기의 다른 절반 동안, 레이저 전류 I는 I2로부터 I1으로 감소하고 있고, 변화율 R2 = dI/dt는 실질적으로 일정하며; 전형적으로, R2 = -R1이다. 레이저 전류를 증가/감소시키는 것은 (도 3b에서 예시된 바와 같이) 레이저 온도의 증가/감소를 초래하고, 이것은 다시 실질적으로 일정한 변화율 dλ/dt로 (도 3c에서 예시된 바와 같이) 레이저 광의 파장의 증가/감소를 초래하고, 여기서 λ는 레이저 파장이다. 그 결과는 다음과 같이 설명될 수 있다. 객체가 레이저로부터 떨어져 이동하고 있고, 이에 따라 전방 미러(11)와 객체(4) 사이의 간섭 공동의 길이가 증가하고 있다고 가정한다. 만일 전류 크기 및 따라서 레이저 파장이 또한 증가하고 있다면, 측정 광 L5의 강도 변동들의 주파수는 감소되고; 이것은 도 3d의 주파수 스펙트럼에서 피크 f1에 의해 예시되어 있다. 만일 D/λ가 일정하게 유지된다면 감소된 주파수는 심지어 제로와 같아질 수 있으며, 여기서 D는 전방 미러(11)와 객체(4) 사이의 거리를 나타낸다. 반대로, 만일 레이저 파장이 감소하고 있다면, 측정 광 L5의 강도 변동들의 주파수는 증가되고; 이것은 도 3b의 주파수 스펙트럼에서 피크 f2에 의해 예시되어 있다. 시프트(shift)

는 시프트

와 같다는 것에 유의한다. 따라서 측정 광 L5의 강도 변동들의 스펙트럼은, 도 3b에서 개략적으로 예시된 바와 같이, 2개의 피크들 f1 및 f2를 보여준다. 다른 한편으로 객체가 레이저 쪽으로 이동하고 있다면, 2개의 주파수 피크들을 갖는 주파수 스펙트럼이 다시 얻어지지만, 이때 더 낮은 주파수는 전류 크기가 감소하고 있는 기간들 동안에 얻어진다. 따라서, 이동의 방향은 주파수가 전류 크기가 감소하고 있는 기간들 동안에 더 높은지 또는 전류 크기가 증가하고 있는 기간들 동안에 더 높은지를 결정하는 것에 의해 결정될 수 있다. 이 정보는 적당하게 프로그램된 신호 프로세서에 의해 비교적 쉽게 측정 신호로부터 획득될 수 있다는 것은 명백할 것이다.

더 상세한 정보에 대해서는, 미국 특허 7,339,683이 참조되는데, 그 내용은 참고로 여기에 통합된다.

이 점에 있어서 문제점은 전류가 증가하고 있는 기간들 동안에 및 전류가 감소하고 있는 기간들 동안에 주파수가 결정될 필요가 있어, 결국 2개의 개별 주파수들이 생긴다는 것이다. 따라서, 제1 주파수를 측정하기 위한 측정들은 항상 전류가 증가하고 있는 기간들의 처음에 시작되고 그것들은 항상 이들 기간들의 끝에 종료되는 반면, 제2 주파수를 측정하기 위한 측정들은 항상 전류가 감소하고 있는 기간들의 처음에 시작되고 그것들은 항상 이들 기간들의 끝에 종료된다. 따라서, 이들 측정들은 정기적으로 중단되어, 데이터 획득의 중단 및 정보의 일반적으로 손실을 초래한다. 그러나, 고정밀도 센서에 대해서는, 이러한 중단들 없이 변위 신호를 (거의) 연속적으로 추적할 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들면 변위 신호의 위상을 추적하는 것에 의해. 따라서 변위 신호의 연속적인 추적을 허용하면서도 방향 검출을 제공하는 방법이 요구된다.

더 일반적으로 말해서, 신호는 다수의 신호 성분들을 포함할 수 있고, 본 발명은 수신된 신호에서 특정한 신호 성분의 정확한 주파수를 인지할 수 있는 신호 프로세서를 제공하는 것을 목표 삼는다. 통상적으로, PLL(Phase Locked Loop)은 주파수 성분의 주파수가 이미 근사치로 알려져 있는 상황에서 이용된다. PLL이 이 주파수에서 로킹되는(lock in) 것을 허용하기 위하여, 비교적 큰 대역폭을 갖는 PLL에서 시작하여 대역 내에 신호 성분을 유지하면서 대역폭을 감소시키는 것이 알려져 있다. 그러나, 수신된 신호가 실제로 다수의 주파수 성분들을 포함하고, 그 중 주파수 거리가 비교적 작고, 그 중 정확한 주파수가 미리 대략 알려져 있지 않은 경우들이 존재하고; 도입부에서 설명된 상황은 그러한 경우의 예이다. 만일 처음에 큰 대역폭을 갖는 PLL의 종래의 방법이 사용된다면, PLL이 부정확한 주파수에서 로킹될 가능성이 있다.

본 발명의 특정한 목적은 그러한 상황의 수신된 신호를 확실하게 복조할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 위상 변조 신호를 복조하기 위한 복조 시스템이 제공되고, 그 복조 시스템은,

1) 제어 가능한 기준 주파수 발생기를 포함하는, 디지털 FLL(Frequency Locked Loop)을 포함하는 디지털 복조기 - 상기 디지털 복조기는 복소수 복조를 수행할 수 있음 -;

2) 복소수 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행할 수 있는 디지털 FFT 장치;

3) 상기 위상 변조 신호의 예상 주파수 특성을 정의하는 정보를 포함하는 메모리;

4) 분석 장치를 포함한다.

상기 정보는 수신된 위상 변조 신호가 알려진 프로세스에 의해 생성되고, 알려진 프로세스는 미리 결정된 공식에 의해 기술될 수 있는 주파수 특성을 갖는 신호들로 귀결된다는 사실을 반영한다. 위에 설명된 것과 같은 광학 변위 센서의 경우에, 주파수 특성은 베셀 시리즈(Bessel series)에 의해 기술될 수 있다.

상기 복조 시스템의 입력 신호는 상기 디지털 복조기에 의해 복소수 복조를 겪는다. 복조기 출력 신호는 일차 피크(primary peak) 및 적어도 하나의 그러나 전형적으로 복수의 이차 피크들(secondary peaks)을 포함하는 주파수 스펙트럼을 갖는다. 상기 일차 피크는 복조기가 주 신호 성분(들)인 것으로서 인지한 주파수에 대응하는 주파수를 갖는다. 그러나 복조기는 틀린 주파수에 로킹되었을 수 있고, 이는 기준 주파수 발생기가 틀린 주파수로 설정되어 있다는 것을 의미한다.

상기 디지털 FFT 장치는 상기 메모리로부터 상기 정보를 수신하고, 따라서, 예상될 주파수 특성에 기초하여, 상기 디지털 FFT 장치는 복조기 출력 신호에 대해 복소수 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행한다.

상기 FFT 장치의 출력 신호는 상기 분석 장치에 제공된다. 상기 FFT 장치의 출력 신호에 포함된 정보는 상기 분석 장치가 상기 FFT 장치의 입력 신호 내의 일차 피크가 예상된 주파수 특성에 따라 정확한 피크인지 여부를 결정하는 것을 허용한다. 만일 일차 피크가 정확하지 않다고 판명되면, 상기 FFT 장치의 출력 신호에 포함된 정보는 또한 상기 분석 장치가 상기 일차 피크의 현재 주파수와 정확한 주파수 사이의 차이 Δf를 결정하는 것을 허용한다. 이 정보에 기초하여, 상기 분석 장치는 상기 디지털 복조기에 에러 신호를 제공하고, 상기 디지털 복조기는 응답으로 그것의 기준 주파수 발생기의 주파수를 예를 들면 상기 정확한 주파수에 맞추어지도록 상기 차이 Δf만큼 적응시킨다.

따라서, 매우 신속하게, 상기 디지털 복조기는 상기 정확한 주파수에 로킹된다. 이제 그것의 출력 신호는 또한 제2 분석 장치에 제공된다. 상기 복조기의 출력 신호에 포함된 정보는 상기 제2 분석 장치가 운동의 속도 및 방향을 계산하는 것을 허용한다.

추가의 유리한 상세들은 종속 청구항들에서 언급된다.

본 발명의 이들 및 다른 양태들, 특징들 및 이점들은 도면들을 참조하여 하나 이상의 바람직한 실시예들에 대한 다음의 설명에 의해 더 설명될 것이고, 도면들에서 동일한 참조 번호들은 동일한 또는 유사한 부분들을 나타낸다.
도 1은 표면에 관하여 마우스의 이동을 검출하기 위한 레이저 검출기를 갖는 광학 컴퓨터 마우스를 개략적으로 보여준다.
도 2는 레이저 이동 검출기의 기초가 되는 측정 원리를 개략적으로 예시하는 도면이다.
도 3a는 삼각 변조된 레이저 전류를 개략적으로 예시한다.
도 3b는 변조된 레이저 전류에 의해 야기된 레이저 온도를 개략적으로 예시한다.
도 3c는 변조된 레이저 온도로부터 생기는 레이저 파장을 개략적으로 예시한다.
도 3d는 이동의 경우에 레이저 검출기 출력 신호의 주파수 스펙트럼을 개략적으로 예시한다.
도 4 및 5는 위상 변조를 예시하는 그래프들이다.
도 6-7은 위상 변조 신호의 주파수 스펙트럼들을 예시하는 그래프들이다.
도 8은 본 발명에 따른 복조 시스템을 예시하는 블록도이다.
도 9-14는 본 발명에 따른 복조 후의 주파수 스펙트럼들을 예시하는 그래프들이다.

이하에서는, 반송파 주파수 및 반송파 주파수 부호를 결정하기 위한 위상 변조된 반송파의 복조에 대한 설명이 주어질 것이다. 주파수의 부호를 포함하여, 신호 주파수 및 대략 알려진 위상 변조를 갖는 신호의 신호 주파수가 결정될 수 있고, 주파수 값들은 임의로 제로에 가깝다는 것이 밝혀질 것이다. 이것은 신호 위상 변조와 반대인 위상을 갖는 신호들의 복소수 복조에 의해 달성된다. 복조 함수 및 진폭은 특정한 신호 주파수 범위들에 대하여 특정하게 선택될 수 있다. 변조 및 복조 위상 함수들 사이의 불일치에 대한 허용 오차가 있지만, 이 불일치는 일반적으로 변조 함수 또는 진폭이 또한 상이한 신호 주파수 범위들에 대하여 적응될 수 있도록 제한되어야 한다. 신호 주파수는 복조 후에, 예를 들면 FLL(frequency locked loop)를 이용하여 및/또는 CFFT를 이용하여 결정될 수 있다. CFFT는 FLL의 로킹 프로세스(locking process)를 지원하는 대략의 신호 주파수를 결정하고 변조 및 복조 위상 진폭들이 일치되는지를 결정하는 데 특히 유용하다.

위상 변조 신호

반송파 주파수 ω를 갖는 반송파 신호로 이루어지고 그 위상이 p(t)=P*cos(ωm*t)에 따라서 변조되어 있는 위상 변조 신호를 가정한다(여기서 P는 라디안 단위의 변조 진폭이고, ωm은 변조 주파수이다).

도 4는 큰 위상 변조에 대한 그러한 위상 변조의 예를 보여주는 그래프이고, 여기서 P = π 및 fm = ωm/2π = 1 MHz이다.

결과로서의 위상 변조 신호는 공식: f(t)=cos(ω*t+p(t))에 의해 기술될 수 있다.

이 신호의 예가 도 5에 도시되어 있고, 반송파 주파수 f = ω/2π = 300 kHz이다.

통신 이론으로부터 알려져 있는 바와 같이, 그러한 위상 변조 신호는 일련의 베셀 함수들에 의해 결정되는 스펙트럼을 갖고, 위에 주어진 예에 대하여 그 스펙트럼은 복소수 푸리에 변환으로부터 확인된 바와 같이 도 6에 도시되어 있다. 복수수 FFT 스펙트럼은 도 6의 왼쪽 그래프에 도시되어 있는 반면, 도 6의 오른쪽 그래프는 FFT 스펙트럼을 보여준다. 복소수 FFT 스펙트럼은 양 및 음의 주파수들을 포함하고; 실수 도메인에서는, 양의 주파수들만이 측정되어, 오른쪽에 도시된 스펙트럼으로 귀결된다는 것에 유의한다.

스펙트럼에서 상이한 피크들의 높이는 위상 변조 깊이 P에 의해 결정된다. 도 7은 각각 P=0.5*π 및 ω=300 kHz(왼쪽) 및 ω=-300 kHz(오른쪽)를 갖는 예에 대한 FFT 스펙트럼을 보여준다. 이들 스펙트럼들은 도입부에서 논의된 예에서 객체의 이동의 방향에 대응하는, 주파수의 부호에 관한 어떤 정보도 생성하지 않는다는 것이 확인될 수 있다. 이것은 또한 도 6의 CFFT 스펙트럼에서도, 이 스펙트럼이 제로에 관하여 대칭적이라는 점에서, 인지될 수 있다는 것에 유의한다. 또한, 가장 강한 피크들은 보다 작은 피크들 중 하나로서 인지 가능한, 300 kHz의 도플러 주파수와는 다른 주파수들에서 발생할 수 있다는 것이 확인될 수 있다.

본 발명은 위에 설명한 것과 같은 스펙트럼들과 유사한 주파수 스펙트럼들을 갖는, 위에 설명한 것과 같은 유형의 위상 변조 신호들을 수신할 수 있고, 그 주파수 스펙트럼이 반송파 주파수에서 명백한 신호를 갖고 양의 변조 주파수와 음의 변조 주파수를 명백히 구별하는, 변조된 신호로 표시되기도 하는, 출력 신호를 제공하는 것과 같은 동작을 수행할 수 있는 복조 시스템을 제공하는 것을 목표 삼는다. 본 발명에 의해 제안된 그러한 복조 시스템(100)의 블록도가 도 8에 도시되어 있다. 이 복조 시스템(100)은 위상 변조된 입력 신호 Si를 수신하는 입력(101)을 갖는다.

위상 복조

복조 시스템(100)은, 제1 입력(111) 및 제2 입력(112)을 갖는, 복소수 복조기(110)를 포함한다. 그것의 제1 입력(111)에서, 복소수 복조기(110)는 위상 변조된 입력 신호 Si를 수신한다. 그것의 제2 입력(112)에서, 복소수 복조기(110)는 입력 신호 Si의 위상 변조에 관한 정보를 포함하는 신호 S_PMI를 수신한다. 복소수 복조기(110)는 이 정보를 이용하여, g(t)=f(t)*exp(-i*p(t)*u)에 따라서, 입력 신호 Si와 위상 변조의 역(inverse)의 근사치의 복소수 곱셈을 수행하도록 설계되어 있고, 여기서 u는 1과 같은 또는 1과 거의 같은 인수이다.

위에 주어진 f(t)의 예에 대하여, 이것은 다음으로 귀결된다:

또는

도 9는 반송파 주파수가 300 kHz이고 u = 0.75(u의 추정에서 25% 오차를 나타냄)인 예에 대하여, 3개의 상이한 P의 값들에 대한, 결과로서의 g(t)의 스펙트럼들을 보여준다. 변조 주파수 fm은 1 MHz이다. 샘플링 주파수는 16 MHz이고, 이에 따라 푸리에 변환은 -8 내지 8 MHz 범위의 출력을 제공하지만, 도면은 -4 내지 4 MHz 범위만을 보여준다.

가장 강한 피크는 300 kHz의 양의 반송파 주파수에 대응하고; 수직 점선들은 이 가장 강한 피크에 속하는 베셀 시리즈 주파수들의 피크들을 나타낸다는 것이 명백히 확인될 수 있다. 수직 화살은 -300 kHz의 음의 반송파 주파수를 갖는 주파수 피크를 나타내고; 이 주파수는 반대 반송파 주파수로서 표시될 것이다. 나머지 (마킹되지 않은) 피크들은 이 반대 반송파 주파수 주위의 베셀 시리즈 주파수들이다.

모든 스펙트럼들은, 입력 신호가 복소수 신호이므로, 복소수 푸리에 변환들의 결과이다. 스펙트럼들에서 최고 피크는 도플러 주파수(위상 변조된 입력 신호의 반송파 주파수)에 대응한다. 잔여 위상 변조 (1-u)*p(t)에 의해 생성된 사이드-피크들이 존재하고, 주 피크에 대한 이들 사이드-피크들의 상대적인 레벨은 (1-u)*P에 의해 결정된다. u=1일 때, 사이드밴드들은 없다. (1-u)*P의 부호는 사이드-피크들의 위상을 결정한다. 따라서 스펙트럼은 u 및/또는 P를 결정하고 제어하는 데 이용될 수 있다. 최고 피크의 반대편에는 반대(음의) 주파수에서 제2 피크가 존재하고; 이 피크는 더 약하고, 위상 진폭 (1+u)*P를 갖는 이 피크의 더 깊은 위상 변조로 인해, 더 많은 사이드-피크들을 갖는다. P를 증가시키는 것에 의해, 제2 피크는 완전히 억제될 수 있고 스펙트럼은 더 넓은 범위에 걸쳐 산재된다.

도 10은 동일한 예에 대한 것이지만 u=1(완벽 변조) 및 P=π에서의, 결과로서의 g(t)의 스펙트럼들을 보여준다. 도플러 피크는 가장 강하고 어떠한 사이드밴드(sidebands)도 초래하지 않는다. 반대 도플러 피크는 10 dB 이상 더 약하고 큰 주파수 범위에 걸쳐서 산재된 다수의 사이드밴드들을 갖는다. 따라서 반대 도플러 피크 주위의 스펙트럼은 또한 위상 변조 깊이를 결정하는 데 이용될 수 있다.

저주파수 신호들의 복조

반송파 주파수가 거의 제로인 특별한 경우가 발생한다. 이 경우 반송파 주파수 및 반대 반송파 주파수는 사실상 겹치고 따라서 그들의 사이드밴드도 겹친다. 그러나, 반대 주파수의 넓은 스펙트럼은 변조 깊이의 추정을 허용한다. 도 11은 예를 들면 반송파 주파수(도플러 주파수)가 50 kHz인 경우의, 도 10에 필적하는 그래프이다. 동일한 상황에 대하여, 도 11은 범위 -1 내지 +1 MHz에 대한, 이 스펙트럼의 줌인된(zoomed-in) 버전을 보여준다. 낮은 해상도를 갖는 CFFT는 반송파 주파수(즉, 속도)가 낮다는 것만을 결정할 수 있지만, 충분한 해상도를 갖는 CFFT는 또한 주파수의 부호(즉, 이동의 방향)를 결정할 수 있다.

따라서 변조 위상의 역, 또는 그것의 근사치와 함께 복소수 회전을 이용한 위상 변조 신호의 복조는 신호 주파수 및 주파수 부호 양쪽 모두가 결정되는 것을 허용한다는 것이 밝혀졌다. 레이저 자기 혼합 센서의 경우에, 이 주파수는 도플러 주파수일 것이다. 위상 변조는 크도록, 복소수 복조 전에 신호 스펙트럼을 보는 것에 의해 더 이상 신호 주파수가 결정될 수 없을 정도로 크도록 허용될 수 있다. 주파수 부호는 실수 신호의 스펙트럼으로부터 결정될 수 없지만, 복소수 복조에 의해 결과로서의 스펙트럼은 주파수 부호의 결정을 허용한다는 것이 잘 알려져 있다.

따라서, 복조 장치(100)는 복소수 복조기(110)로부터 출력 신호를 수신하고, 출력으로서, 제1 출력(131)에서, (입력 신호 Si의 반송파 주파수에 대응하는) 복조된 신호의 주 주파수 및 주파수 부호를 제공하는 스펙트럼 분석 장치(130)를 포함한다. 이 스펙트럼 분석 장치(130)는 CFFT(Complex Fast Fourier Transform) 장치로서 구현될 수 있지만, 이것은 적용 가능한 유일한 도구가 아니다. PLL 또는 FLL은 대안으로서 또는 CFFT와 병행하여 사용될 수 있는 다른 옵션이다. PLL 또는 FLL은 입력에서 신호와 예상된 신호 주파수(자기 혼합 센서의 경우에 도플러 주파수)를 곱하는 믹서(복소수 회전)를 갖는다. 이 단계에서 그 주파수의 반대와의 곱셈을 포함하는 것은 간단하다. 그 후 양쪽 결과들은 예상된 주파수(예를 들면 상기 도면에서 +/- 10 kHz)에서 멀리 떨어진 주파수들을 제거하기 위해 로우 패스 필터링될 수 있다. 그 후 양쪽 신호들의 진폭들이 비교되고 주 신호는 불필요한 역 신호보다 훨씬 더 강하므로 약한 불필요한 신호에의 임의의 로크(lock)가 즉시 검출되고 방지될 수 있다.

필터 대역폭이 양쪽 피크들을 통과시킬 만큼 충분히 큰 경우(즉 예상된 도플러 주파수가 필터 대역폭의 아래에 있는 경우) 양쪽 피크들은 각각의 출력에서(즉 양의 도플러 복조 주파수를 갖는 출력에서 및 음의 도플러 복조 주파수를 갖는 출력에서) 검출될 것이다. 도플러 주파수들의 범위에 대하여 필터 출력들 사이의 진폭 차이는 여전히 어느 부호가 정확한지를 결정하기에 충분할 것이다. 보다 낮은 도플러 주파수들에 대하여 출력들은 구별할 수 없고 출력들 중 하나, 예를 들면 양의 도플러 주파수 복조를 갖는 출력이 선택될 수 있다. 그 후 그 출력에서의 복소수 신호의 위상이 추적될 수 있다. 이 위상은 입력 신호의 총 신호 위상으로 귀결되도록 도플러 주파수 복조의 위상에 추가된다. 복조 출력을 위해 양의 또는 음의 도플러 주파수를 선택함에 있어서 에러는 이 방법에 의해 자체 소거(self-cancel)될 수 있고 이에 따라 음으로부터 양까지 모든 신호 주파수들에 대하여 PLL 또는 FLL은 정확하게 위상을 추적할 수 있다.

신호(도플러 주파수)가 매우 높은 경우, FLL은 또한 오류로 사이드-피크에 로킹할 수 있다. 이를 방지하기 위해, FLL과 병행하여 CFFT를 사용하는 것은 정확한 신호 주파수를 결정하고 정확한 피크에 로킹하도록 FLL을 지원하는 데 유용하다. 버스트 동작에서 FLL 복조 주파수의 양호한 추정이 버스트 이전에 알려져 있지 않은 경우 CFFT는 이 복조 주파수를 푸시(push)하는 데 특히 유용하다.

복소수 복조는 복조 위상 진폭의 에러들에 대해 내성이 있지만, 복조 위상 진폭이 변조된 신호의 위상 진폭에 가까운 경우에만 최적의 결과들이 얻어진다. 그러므로, 스펙트럼 분석 장치(130)는 변조된 신호의 실제 위상 진폭과 복조 위상 진폭 사이의 차이의 추정치를 나타내는 에러 신호 Se를 제공하는 제2 출력(132)을 갖는다. 복조 위상 진폭의 에러는 주 주파수의 불필요한 음 이미지(negative image) 주위의 스펙트럼의 사이드밴드 위상 및 진폭으로부터 추정될 수 있다. 주 주파수 피크에 관한 불필요한 반전된 주파수 피크의 진폭도 복조 정보를 얻기 위해 이용될 수 있다. 변조 제어기(140)는 에러 신호 Se를 수신하고 이 신호를 이용하여 복소수 복조기(110)를 위한 위상 변조 정보 신호 S_PMI를 생성한다.

복조 위상 진폭은 변조 위상 진폭에 얼마간 일치되어야 하지만, 이것은 복조 위상 진폭을 제어하는 것에 의해 달성될 필요는 없다는 것에 유의해야 한다. 대안으로서, 변조 위상 진폭이 제어될 수 있다. 실제 구현에서, 센서 모듈은 송신하는 레이저뿐만 아니라 수신하는 센서를 포함할 수 있고, 따라서 그러한 모듈은 레이저 구동 및 신호 분석 기능들 양쪽 모두를 통합한다. 레이저 구동을 통하여, 변조 위상 진폭은, 대개의 경우에 레이저 바이어스 전류 위에 겹친 AC 전류의 진폭을 제어하는 것에 의해, 제어될 수 있다.

따라서, 일반적으로 다음과 같은 제어 루프가 있을 것이다:

스펙트럼 분석 => 복조 진폭 => 스펙트럼 => 스펙트럼 분석

스펙트럼 분석 => 변조 진폭 => 스펙트럼 => 스펙트럼 분석

불필요한 신호 성분들에의 로킹 회피

자기 혼합 센서에서의 응용을 위해, 실제로는, 자기 혼합 레이저 센서가 위상 변조될 때, 통상적으로 레이저 광에 진폭 변조된 성분도 있다. 이 신호는 위상 변조 주파수에서 발생한다. 도 13은 주어진 예에 대한 대응하는 주파수 스펙트럼을 보여준다(300 kHz 신호 주파수, 1 MHz 변조 주파수, π/2 위상 변조 및 복조).

스펙트럼은 0에서 및 1 MHz의 변조 주파수의 정수배들에서 강한 불필요한 피크들을 보여준다. FLL은 신호 변조로 인한 불필요한 피크의 근접에 의해 해롭게 영향을 받을 수 있다. 이것은 도플러 주파수가 불필요한 피크에 가까이 있지 않도록 도플러 주파수에 의존하여 위상 변조 주파수(및 따라서 그것의 스펙트럼)를 시프트시키는 것에 의해 완화될 수 있다. (고속으로 이동하는 객체를 갖는 센서의 경우와 같이) 신호 주파수의 부호가 알려져 있는 경우 변조는 모두 함께 오프될 수도 있다.

따라서, 스펙트럼 분석 장치(130)는 CFFT로 분석하기 쉬운 스펙트럼을 획득하고 FLL에 대하여 로킹하기 위해 어떤 위상 변조 주파수가 바람직한지를 결정하기 위해 신호 주파수를 이용하도록 설계될 수 있다. CFFT는 또한 적합한 변조 주파수가 선택될 수 있도록 신호 주파수 변위를 결정하기 위해 이용될 수 있다. 제3 출력(133)에서, 스펙트럼 분석 장치(130)는 원하는 위상 변조 주파수를 나타내는 신호 Sf를 제공하고, 이것은 또한 변조 제어기(140)에 의해 수신되어 복소수 복조기(110)를 위한 위상 변조 정보 신호 S_PMI를 생성하는 데 이용된다. 따라서, 위상 변조 정보 신호 S_PMI는 위상 변조 주파수 및/또는 위상 변조 진폭을 설정하기 위한 정보를 포함할 수 있다.

매우 낮은 속도에 대하여, 잔여 진폭 변조는 0 Hz에 가까운 피크를 초래한다. 이 피크는 적절한 복조 위상 진폭을 선택하는 것에 의해 억제될 수 있다. 예를 들면 1.22π 복조 위상 진폭에서 잔여 AM 변조를 갖는 주어진 예(u=1)에 대하여, 잔여 AM 변조로 인한 피크는 소멸될 수 있다. 잔여 AM 변조의 소거를 위한 적당한 위상 복조 진폭은 시스템 설계에 의존한다. 또한, 신호가 복조되기 전에 잔여 AM 변조의 소거와 같은 다른 수단들이 가능하다. 낮은 주파수들에서 잔여 AM 변조의 효과를 제거하기 위해 그러한 수단들의 조합이 이용될 수 있다.

도 14는 입력 신호에서 불필요한 AM 변조의 양호한 억제를 획득하기 위해 복조 위상 진폭 및 함수가 특별히 선택될 경우의 예이다. 위상 변조 및 복조 함수들은 일치해야 하므로, 이것은 위상 복조보다는 이 일치를 획득하기 위해 위상 변조가 제어될 경우의 예이다. 그것은 또한 낮은 신호 주파수(또는 자기 혼합 센서에서 낮은 도플러 주파수)에 대해서는 특정한 위상 변조가 선택되고, 높은 속도에 대해서는(예를 들면 상기 스펙트럼이 강한 불필요한 피크들을 보여주는 1 MHz 주위의 신호에서는) 다른 위상 변조 및 복조 주파수 및/또는 진폭이 선호되는 경우의 예이다.

요약하면, 본 발명은 위상 변조된 입력 신호 Si를 복조하기 위한 복조 시스템(100)을 제공한다. 이 시스템은 상기 위상 변조된 입력 신호 Si를 수신하기 위한 제1 입력(111)을 갖고 이 신호와 상기 위상 변조의 역(inverse)의 근사치의 복소수 곱셈을 수행하도록 설계되어 있는 복소수 복조기(110); 및 상기 복소수 복조기(110)에 의해 생성된 복조된 곱 신호를 수신하고 상기 복조된 곱 신호의 주파수 스펙트럼을 분석할 수 있는 스펙트럼 분석 장치(130)를 포함한다.

본 발명은 도면들 및 전술한 설명에서 상세히 예시되고 설명되었지만, 숙련된 당업자에게는 그러한 예시 및 설명이 제한적인 것이 아니라 예시적인 또는 모범적인 것으로 간주되어야 한다는 것이 명백할 것이다. 본 발명은 개시된 실시예들에 제한되지 않고; 오히려, 부속된 청구항들에 정의된 발명의 보호 범위 내에서 몇몇 변형들 및 수정들이 가능하다.

예를 들면, 변조 제어기(140)는 복소수 복조기 또는 스펙트럼 분석 장치와 통합될 수 있다.

도면, 명세서, 및 부속된 청구항들의 검토로부터, 청구된 발명을 실시함에 있어서 숙련된 당업자들에 의해 개시된 실시예들에 대한 다른 변형들이 이해되고 실행될 수 있다. 청구항들에서, 단어 "comprising"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 부정관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하지 않는다. 단일 프로세서 또는 다른 유닛이 청구항들에서 열거된 몇몇 항목들의 기능들을 이행할 수 있다. 특정한 수단들이 서로 다른 종속 청구항들에서 열거된다는 단순한 사실은 이들 수단들의 조합이 유리하게 이용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 컴퓨터 프로그램은 다른 하드웨어와 함께 또는 그의 일부로서 공급된, 광 저장 매체 또는 솔리드-스테이트 매체와 같은 적합한 매체 상에 저장/배포될 수 있지만, 다른 형태로, 예를 들면 인터넷 또는 다른 유선 또는 무선 통신 시스템을 통해 배포될 수도 있다. 청구항들 내의 임의의 참조 부호들은 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

상기에서, 본 발명은 본 발명에 따른 장치의 기능 블록들을 예시하는 블록도들을 참조하여 설명되었다. 이들 기능 블록들 중 하나 이상은 하드웨어로 구현될 수 있고, 그러한 기능 블록의 기능은 개별 하드웨어 컴포넌트들에 의해 수행될 수 있지만, 이들 기능 블록들 중 하나 이상은 소프트웨어로 구현되고, 이에 따라 그러한 기능 블록의 기능은 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 프로세서 등과 같은 컴퓨터 프로그램 장치 또는 컴퓨터 프로그램의 하나 이상의 프로그램 라인들에 의해 수행된다는 것을 이해해야 한다.

Claims

위상 변조된 입력 신호(Si)를 복조하기 위한 복조 시스템(100)으로서,
상기 위상 변조된 입력 신호(Si)를 수신하기 위한 제1 입력(111)을 갖고, 이 신호와 상기 위상 변조의 역(inverse)의 근사치의 복소수 곱셈을 수행하도록 설계되어 있는 복소수 복조기(110); 및
상기 복소수 복조기(110)에 의해 생성된 복조된 곱 신호를 수신하고 상기 복조된 곱 신호의 주파수 스펙트럼을 분석할 수 있는 스펙트럼 분석 장치(130)
를 포함하는 복조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스펙트럼 분석 장치(130)는 CFFT 장치를 포함하는 복조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스펙트럼 분석 장치(130)는 PLL 장치 또는 FLL 장치를 포함하는 복조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스펙트럼 분석 장치(130)는 CFFT 장치와 병렬로 PLL 장치 또는 FLL 장치를 포함하는 복조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스펙트럼 분석 장치(130)는 상기 변조된 입력 신호(Si)의 실제 위상 진폭과 복조 위상 진폭 사이의 차이의 추정치를 결정할 수 있고, 이 추정치를 나타내는 에러 신호(Se)를 제공하며;
상기 복조 시스템은 상기 에러 신호(Se)를 수신하고, 이 신호를 이용하여 상기 복소수 복조기(110)를 위한 위상 변조 정보 신호(S_PMI)를 생성하는 변조 제어기(140)를 더 포함하고;
상기 복소수 복조기(110)는 상기 위상 변조 정보 신호(S_PMI)를 이용하여 상기 위상 변조의 역의 근사치를 결정하거나 적응시키는 복조 시스템.
제5항에 있어서,
상기 복조 위상 진폭의 에러는 주 주파수 주위의 스펙트럼의 사이드밴드 위상 및 진폭으로부터 추정되는 복조 시스템.
제5항에 있어서,
상기 복조 위상 진폭의 에러는 주 주파수의 원치않는 네거티브 이미지(negative image) 주위의 스펙트럼의 사이드밴드 위상 및 진폭으로부터 추정되는 복조 시스템.
제7항에 있어서,
상기 주 주파수의 피크에 관한 원치않는 반전된 주파수 피크의 진폭은 복조 정보를 도출하기 위해 이용되는 복조 시스템.
제5항에 있어서,
주 주파수와 원치않는 주파수 피크 사이의 거리를 증가시키기 위하여 위상 변조 주파수(및 그에 따른 스펙트럼)는 상기 주 주파수에 의존하여 시프트되는 복조 시스템.
제5항에 있어서,
상기 스펙트럼 분석 장치(130)는 신호 주파수를 이용하여 원하는 위상 변조 주파수를 결정하도록 설계되며;
상기 스펙트럼 분석 장치(130)는 원하는 위상 변조 주파수를 나타내는 신호(Sf)를 제공하도록 설계되며;
이 신호(Sf)는 또한 상기 변조 제어기(140)에 의해 수신되어 상기 복소수 복조기(110)를 위한 상기 위상 변조 정보 신호(S_PMI)를 생성하는 데 이용되는 복조 시스템.
제5항에 있어서,
상기 복조 위상 진폭은 0 Hz에 가까운 피크의 억제를 위해 선택되는 복조 시스템.
제5항에 있어서,
상기 복조 위상 진폭 및 함수는 상기 입력 신호에서 원치않는 AM 변조의 양호한 억제를 획득하도록 선택되는 복조 시스템.
이동 검출기에 관하여 이동하는 객체(4)의 이동 방향을 검출할 수 있는 이동 검출기(1)로서,
반투명 전방 미러(11), 반투명 후방 미러(12), 및 상기 2개의 미러들 사이의 반도체 레이저 바디(13)를 포함하는 레이저(2) - 상기 레이저는 전방 미러(11)에서 레이저 출력 광(L1)을 갖는 출력 레이저 빔(3)을 출력하고 후방 미러(12)에서 측정 광(L2)을 갖는 측정 빔(5)을 출력하도록 설계되어 있고, 상기 레이저는 또한 반사된 광(L3)의 적어도 일부가 상기 레이저 바디(13) 내의 주 광(L0)과 간섭하게 하도록 설계되어 있음 -;
상기 레이저 바디(13) 내에 주 레이저 광(L0)을 생성하도록 상기 레이저에 레이저 전류(I)를 공급하기 위한 제어 가능한 레이저 전류원(51);
상기 레이저 전류원(51)을 제어하기 위한 제어기(52); 및
상기 측정 광(L2)의 적어도 일부를 검출하고 상기 제어기에 측정 신호(Sm)를 공급하기 위한 광 검출기(55)
를 포함하고;
상기 제어기(52)는 상기 레이저 출력 광(L1)의 파장을 변조하기 위하여 상기 레이저 전류원(51)이 상기 레이저 전류(I)를 변조하도록 상기 레이저 전류원(51)을 제어하도록 설계되어 있고;
상기 제어기(52)는 상기 객체(4)의 이동의 속도 및 방향을 결정하기 위하여 상기 변조된 레이저 전류(I)와 관련하여 상기 검출된 광(L2)의 주파수 스펙트럼을 분석하도록 설계되어 있고;
상기 제어기(52)는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 복조 시스템을 포함하는 이동 검출기.
제13항에 있어서,
상기 제어기(52)는 상기 변조된 신호의 변조 깊이를 변조하도록 상기 레이저 전류원(51)을 제어하도록 설계되어 있는 이동 검출기.
제14항에 있어서,
상기 제어기(52)는 원하는 복조 깊이와 일치하도록 상기 변조된 신호의 변조 깊이를 조정하도록 설계되어 있는 이동 검출기.
제13항에 있어서,
상기 제어기(52)는 감지 신호의 위상 변조 깊이를 제어하도록 설계되어 있는 이동 검출기.
제16항에 있어서,
상기 감지 신호의 위상 변조 깊이는 레이저 전류 변조의 진폭을 제어하는 것에 의해 제어되는 이동 검출기.