KR20130118119A - 신호 처리 장치 및 신호 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

신호를 처리하여 입력 신호의 포락선으로부터 기울기가 최대가 되는 지점을 추정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 신호 처리 장치는 클리핑(clipping) 된 신호의 포락선을 검출하고, 상기 검출된 포락선의 지점들에서 계산된 기울기를 상기 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 보정하며, 상기 보정된 기울기가 최대가 되는 지점을 추정한다.

Description

신호 처리 장치 및 신호 처리 방법{SIGNAL PROCESS APPARATUS AND SIGNAL PROCESS METHOD}
기술분야는 신호를 처리하여 입력 신호의 포락선으로부터 기울기가 최대가 되는 지점을 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력전송에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선 전력 공급의 불편 증가 및 기존 배터리(battery) 용량의 한계 봉착 등을 극복하기 위해 시작되었다. 그 중에서도 근거리 무선 전력 전송에 대한 연구가 집중되고 있다. 근거리 무선 전력 전송이라 함은 동작 주파수에서 파장의 길이에 비해 송수신 코일간의 거리가 충분히 작은 경우를 의미한다. 공진 특성을 이용하는 무선 전력 송수신 시스템은 전력을 공급하는 소스와 전력을 공급받는 타겟을 포함할 수 있다. 무선 전력을 전송하고 수신하는 과정에서 소스와 타겟은 제어 정보를 공유할 필요가 있다. 또한, 제어 정보를 공유함에 있어서, 소스와 타겟 간에 상호 동기가 필요하다.
일 측면에 있어서, 신호 처리 장치는 클리핑(clipping) 된 신호의 포락선을 검출하는 포락선 검출부, 상기 검출된 포락선의 지점들에서 계산된 기울기를 상기 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 보정하는 보정부 및 상기 보정된 기울기가 최대가 되는 지점을 추정하는 추정부를 포함한다.
상기 포락선 검출부는 입력 신호의 진폭보다 좁게 설정된 아날로그 디지털 변환기(ADC, Analog to Digital Converter)의 다이나믹 레인지에 의해 상기 클리핑 된 신호의 포락선을 추정하는 포락선 추정부 및 상기 추정된 포락선에서 상기 클리핑이 발생하는 구간의 진폭 값을 상기 다이나믹 레인지에 대응하는 클리핑 레벨로 클리핑하는 클리핑부를 포함할 수 있다.
상기 포락선 검출부는 상기 다이나믹 레인지에 의해 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보를 획득하는 정보 획득부를 더 포함할 수 있다.
상기 보정부는 상기 검출된 포락선에서 소정의 간격을 가지는 두 지점 간의 기울기를 계산하는 기울기 계산부를 포함할 수 있다.
상기 보정부는 상기 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 상기 기울기 계산부의 상기 기울기를 계산하는 상기 두 지점 간의 간격을 적응적으로 조절하는 간격 조절부를 더 포함할 수 있다.
상기 간격 조절부는 상기 두 지점 간의 간격을 사전에 정의된 일정 간격 이상으로 조절할 수 있다.
상기 보정부는 상기 클리핑이 발생하지 않는 구간의 길이를 가중치로 하여, 상기 기울기 계산부에서 계산된 기울기 값에 상기 가중치를 적용하는 가중치 적용부를 더 포함할 수 있다.
상기 추정부는 상기 계산된 기울기 값에 상기 가중치가 적용된 결과에 기초하여 기울기 값이 최대가 되는 지점을 추정할 수 있다.
상기 추정부는 심볼 별로, 상기 클리핑이 발생한 구간에서 상기 검출된 포락선의 크기가 피크(peak)가 되는 피크 포인트를 추정하는 피크 포인트 추정부를 포함할 수 있다.
상기 포락선 검출부는 소스 공진기와의 상호 공진을 통하여 타겟 공진기에 저장된 에너지의 파형에서, 심볼 별로, 상기 파형의 진폭보다 좁게 설정된 아날로그 디지털 변환기(ADC, Analog to Digtal Converter)의 다이나믹 레인지에 의해 클리핑(clipping) 된 신호의 포락선을 검출하고, 상기 보정부는 상기 검출된 포락선의 지점들에서 계산된 기울기를 상기 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 보정하며, 상기 추정부는 상기 보정된 기울기가 최대가 되는 지점을 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진 시작점으로 추정할 수 있다.
상기 포락선 검출부는 상기 타겟 공진기에 인가되는 전류 또는 전압의 파형에서 상기 클리핑 된 신호의 포락선을 검출할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 상기 소스 공진기가 에너지를 전송하면 상호 공진을 통하여 바로 에너지를 수신할 수 있도록, 상기 타겟 공진기를 활성화(activate) 된 상태로 유지시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 포락선 검출부는 상기 전압 또는 상기 전류로부터 상기 다이나믹 레인지에서 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 공진 주파수의 특정 신호 파형 중의 하나와 곱하여 하향 변환(down conversion)된 신호를 생성하는 하향 변환부, 상기 하향 변환된 신호를 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환하여 주파수 영역 신호로 변환하는 변환부, 상기 주파수 영역 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성하는 필터링부, 상기 하모닉 성분이 제거된 신호를 이산 푸리에 역변환 또는 고속 푸리에 역변환하여 시간 영역 신호로 변환하는 역변환부 및 상기 시간 영역 신호에서 상기 클리핑이 발생하는 구간의 진폭 값을 상기 다이나믹 레인지에 대응하는 클리핑 레벨로 클리핑하는 클리핑부를 포함할 수 있다.
상기 포락선 검출부는 상기 전압 또는 상기 전류로부터 상기 다이나믹 레인지에서 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환하여 주파수 영역 신호로 변환하는 변환부, 상기 주파수 영역 신호를 소정의 주파수만큼 순환 이동(circular shift)시키는 순환 이동부, 상기 순환 이동된 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성하는 필터링부, 상기 하모닉 성분이 제거된 신호를 이산 푸리에 역변환 또는 고속 푸리에 역변환하여 시간 영역 신호로 변환하는 역변환부 및 상기 시간 영역 신호에서 상기 클리핑이 발생하는 구간의 진폭 값을 상기 다이나믹 레인지에 대응하는 클리핑 레벨로 클리핑하는 클리핑부를 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 신호 처리 방법은 클리핑(clipping) 된 신호의 포락선을 검출하는 단계, 상기 검출된 포락선의 지점들에서 계산된 기울기를 상기 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 보정하는 단계 및 상기 보정된 기울기가 최대가 되는 지점을 추정하는 단계를 포함한다.
상기 포락선을 검출하는 단계는 입력 신호의 진폭보다 좁게 설정된 아날로그 디지털 변환기(ADC, Analog to Digital Converter)의 다이나믹 레인지에 의해 상기 클리핑 된 신호의 포락선을 추정하는 단계 및 상기 추정된 포락선에서 상기 클리핑이 발생하는 구간의 진폭 값을 상기 다이나믹 레인지에 대응하는 클리핑 레벨로 클리핑하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 보정하는 단계는 상기 검출된 포락선에서 소정의 간격을 가지는 두 지점 간의 기울기를 계산하는 단계, 상기 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 상기 기울기를 계산하는 상기 두 지점 간의 간격을 적응적으로 조절하는 단계 및 상기 클리핑이 발생하지 않는 구간의 길이를 가중치로 하여, 상기 계산된 기울기 값에 상기 가중치를 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 추정하는 단계는 상기 계산된 기울기 값에 상기 가중치가 적용된 결과에 기초하여 기울기 값이 최대가 되는 지점을 추정할 수 있다.
상기 포락선을 검출하는 단계는 소스 공진기와의 상호 공진을 통하여 타겟 공진기에 저장된 에너지의 파형에서, 심볼 별로, 상기 파형의 진폭보다 좁게 설정된 아날로그 디지털 변환기(ADC, Analog to Digtal Converter)의 다이나믹 레인지에 의해 클리핑(clipping) 된 신호의 포락선을 검출하고, 상기 보정하는 단계는 상기 검출된 포락선의 지점들에서 계산된 기울기를 상기 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 보정하며, 상기 추정하는 단계는 상기 보정된 기울기가 최대가 되는 지점을 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진 시작점으로 추정할 수 있다.
아날로그 디지털 컨버터(ADC, Analog Digital Converter)의 다이나믹 레인지를 입력 신호의 진폭보다 좁게 설정함으로써, 클리핑이 발생한 신호로부터 포락선을 추정하고, 추정된 포락선에서 클리핑이 발생한 구간에 대한 정보를 고려하여 최대 기울기를 가지는 지점 및 피크 포인트 지점을 추정할 수 있다. 이때, 피크 포인트 지점은 클리핑이 발생하지 않는 경우에, 입력 신호가 최대 진폭을 가지는 지점을 의미한다.
또한, 소스 공진기와 타겟 공진기가 전력을 무선으로 주고 받는 RI 시스템에서, 타겟 공진기에서 수신하는 에너지 파형을 입력 신호로 하여, 상기 추정된 최대 기울기를 가지는 지점을 소스 공진기와 타겟 공진기 간 상호 공진의 시작점으로 추정함으로써, 소스 공진기와 타겟 공진기간의 시간 동기화(time synchronization)가 가능하다.
수신하는 에너지 파형의 진폭보다 좁은 다이나믹 레인지의 ADC를 사용함으로써, 수신단의 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
또한, 기존의 ADC와 동일한 해상도를 가지는 ADC를 사용하는 경우에도, 상대적으로 더 원거리에 있는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 시간 동기화가 가능하다.
도 1은 일실시예에 따른 전력 입력부와 전력 전송부, 수신부와 전력 출력부가 캐패시터 및 스위치에 의하여 물리적으로 분리된 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 전력 충전부와 전송부, 충전부와 전력 출력부가 스위치에 의하여 물리적으로 분리된 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 송신단과 수신단의 스위치의 동작 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 신호 처리 장치의 블록도이다.
도 5는 다른 일실시예에 따른 신호 처리 장치의 블록도이다.
도 6은 아날로그 디지털 컨버터의 다이나믹 레인지가 입력 신호의 진폭 이상인 경우에 신호 처리 장치에서 계산하는 포락선의 기울기들을 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 6의 경우에, 입력 신호의 포락선 및 포락선의 각 지점에서의 기울기 값을 나타낸 그래프이다.
도 8은 일실시예에 따른 신호 처리 장치에서 아날로그 디지털 컨버터의 다이나믹 레인지가 입력 신호의 진폭 보다 작은 경우에, 추정된 포락선을 나타낸 그래프이다.
도 9는 일실시예에 따른 신호 처리 장치에서 클리핑 된 포락선의 지점들에서 계산한 기울기 값을 나타낸 그래프이다.
도 10은 일실시예에 따른 신호 처리 장치에서 클리핑 된 구간을 고려하여, 기울기를 계산하는 두 지점 간의 간격을 적응적으로 조절하는 과정을 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 9의 경우에, 일실시예에 따른 신호 처리 장치에서 기울기를 계산하는 두 지점 간의 간격이 적응적으로 조절된 결과가 반영된 그래프이다.
도 12는 도 11의 경우에, 일실시예에 따른 신호 처리 장치에서 넌-클립드 인덱스 윈도우를 사용하여, 원하지 않는 피크 포인트가 억제된 그래프이다.
도 13은 일실시예에 따른 신호 처리 장치에서 추정한 피크 포인트를 나타낸 그래프이다.
도 14는 일실시예에 따른 신호 처리 방법의 흐름도이다.
이하, 일 측에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
무선 전력을 이용한 통신 시스템은 무선 전력 전송을 필요로 하는 다양한 시스템에 응용될 수 있다. 핸드폰 또는 wireless TV 등 무선 전력 전송을 사용하는 시스템에서, 송수신단 간의 제어 정보 및 기타 정보 교환에 이용될수 있다. 또한, 바이오 헬스 케어(bio health care) 분야에 응용이 가능하여, 인체에 삽입된 디바이스에 원격으로 전력을 전송하거나, 심박수 측정을 위한 붕대 타입의 디바이스에 무선으로 전력을 전송하는데 응용될 수 있다.
또한, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 전원 소스가 없는 정보 저장 장치의 원격 제어에 응용될 수 있다. 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 정보 저장 장치에 원격으로 장치를 구동할 수 있는 전력을 공급함과 동시에, 무선으로 저장 장치에 저장된 정보를 불러오는 시스템에 응용될 수 있다.
무선 전력을 이용한 통신 시스템은 신호의 발생을 위해 전원 공급 장치로부터 에너지를 공급받아, 소스 공진기에 저장하고, 전원 공급 장치와 소스 공진기를 전기적으로 연결하는 스위치를 오프 시킴으로써, 소스 공진기의 자체 공진을 유도할 수 있다. 자체 공진 하는 소스 공진기와 상호 공진을 할 만큼 충분히 가까운 거리에 소스 공진기의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 가지는 타겟 공진기가 존재하는 경우, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진 현상이 발생한다. 소스 공진기는 전원 공급 장치로부터 에너지를 공급받는 공진기를 의미하고, 타겟 공진기는 상호 공진 현상에 의해 소스 공진기로부터 에너지를 전달받는 공진기를 의미한다.
도 1은 일실시예에 따른 전력 입력부와 전력 전송부, 수신부와 전력 출력부가 캐패시터 및 스위치에 의하여 물리적으로 분리된 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다. 위와 같은 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 RI(Resonator Isolation) 시스템이라고 정의될 수 있다.
도 1을 참조하면, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 소스에 해당하는 무선 전력 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다. 일 측면에 있어서, 신호 처리 장치는 타겟의 스위치를 소스의 스위치와 동기화하는데 사용될 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 전력 입력부(110), 전력 전송부(120) 및 스위치부(130)를 포함한다. 전력 입력부(110)는 전원 공급 장치를 이용하여 캐패시터에 에너지를 저장한다. 스위치부(130)는 캐패시터에 에너지가 저장되는 동안에는 전력 입력부(110)에 캐패시터를 연결하고, 캐패시터에 저장된 에너지를 방전하는 동안에는 캐패시터를 전력 전송부(120)에 연결한다. 즉, 스위치부(130)는 캐패시터가 동시에 전력 입력부(110) 및 전력 전송부(120)에 연결되지 않도록 한다.
전력 전송부(120)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신부(140)로 전달(transferring)한다. 보다 구체적으로 전력 전송부(120)의 송신 코일(L1)은 수신부(130)의 수신 코일(L2)과의 상호 공진을 통해 전력을 전달한다. 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2) 간에 발생하는 상호 공진의 정도는 상호 인덕턴스 M의 영향을 받는다.
전력 입력부(110)는 입력 전압(VDC), 내부 저항(Rin) 및 캐패시터(C1)로, 전력 전송부(120)는 기초 회로 소자(R1, L1, C1)로, 스위치부(130)는 복수의 스위치들로 모델링 될 수 있다. 스위치로는 온/오프 기능을 수행할 수 있는 능동소자가 사용될 수 있다. R은 저항 성분, L은 인덕터 성분, C는 캐패시터 성분을 의미한다. 입력 전압(VDC) 중 캐패시터(C1)에 걸리는 전압은 Vin으로 표시될 수 있다.
무선 전력 수신 장치는 수신부(140), 전력 출력부(150) 및 스위치부(160)를 포함한다. 수신부(140)는 전력 전송부(120)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 수신부(140)는 수신한 전자기 에너지를 연결된 캐패시터들에 저장한다. 스위치부(160)는 캐패시터에 에너지가 저장되는 동안에는 수신부(140)에 캐패시터를 연결하고, 캐패시터에 저장된 에너지를 부하에 전달하는 동안에는 캐패시터를 전력 출력부(150)에 연결한다. 즉, 스위치부(160)는 캐패시터가 동시에 수신부(140) 및 전력 출력부(150)에 연결되지 않도록 한다.
보다 구체적으로 수신부(140)의 수신 코일(L2)은 전력 전송부(120)의 송신 코일(L1)과의 상호 공진을 통하여 전력을 수신할 수 있다. 수신된 전력을 통하여 수신 코일(L2)과 연결된 캐패시터가 충전될 수 있다. 전력 출력부(150)는 캐패시터에 충전된 전력을 배터리로 전달한다. 전력 출력부(150)는 배터리 대신, 부하 또는 타겟 디바이스에 전력을 전달할 수 있다.
수신부(140)는 기초 회로 소자(R2, L2, C2)로, 전력 출력부(150)는 연결되는 캐패시터(C2) 및 배터리로, 스위치부(160)는 복수의 스위치들로 모델링 될 수 있다. 수신 코일(L2)에서 수신되는 에너지 중, 캐패시터(C2)에 걸리는 전압은 Vout으로 표시될 수 있다.
위와 같이 전력 입력부(110)와 전력 전송부(120), 수신부(140)와 전력 출력부(150)를 물리적으로 분리하여 전력을 전송하는 이른바 RI(Resonator Isolation) 시스템은 임피던스 매칭을 사용한 기존의 전력 전송 방식에 비하여 여러 가지의 장점을 가진다. 첫째, DC 전원으로부터 소스 공진기에 직접 전력 공급이 가능하기 때문에, 전력 증폭기를 사용하지 않을 수 있다. 둘째, 배터리의 충전을 위해 수신단의 캐패시터에 충전된 전력에서 에너지를 채득(capture)하기 때문에, 정류기를 통한 정류작업이 필요 없다. 셋째, 임피던스 매칭을 할 필요가 없으므로 전송 효율이 송신단과 수신단 사이의 거리변화에 민감하지 않다. 또한, 복수의 송신단 및 복수의 수신단을 포함하는 무선 전력 전송 시스템으로의 확장이 용이하다.
도 2는 일실시예에 따른 전력 충전부와 전송부, 충전부와 전력 출력부가 스위치에 의하여 물리적으로 분리된 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다. 도 2는 RI(Resonator Isolation) 시스템의 다른 예이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 즉, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 소스에 해당하는 무선 전력 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다. 일 측면에 있어서, 신호 처리 장치는 타겟의 스위치를 소스의 스위치와 동기화하는데 사용될 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 전력 충전부(210), 제어부(220) 및 전송부(230)를 포함할 수 있다. 전력 충전부(210)는 전원 공급 장치(Vin)와 저항(Rin)으로 구성될 수 있다. 소스 공진기는 캐패시터(C1)와 인덕터(L1)로 구성될 수 있다. 전송부(230)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 소스 공진기에 저장된 에너지를 전송할 수 있다. 제어부(220)는 전력 충전부(210)로부터 소스 공진기에 전력을 공급하기 위해 스위치를 온(on) 할 수 있다. 전원 공급 장치(Vin)로부터 캐패시터(C1)에 전압이 인가되고, 인덕터(L1)에 전류가 인가될 수 있다. 소스 공진기가 정상 상태에 도달하게 되면, 캐패시터(C1)에 인가되는 전압은 0이 되고, 인덕터(L1)에 흐르는 전류 는 Vin/ Rin의 값을 가지게 된다. 정상 상태에서는 인덕터(L1)에 인가되는 전류를 통하여 전력이 충전된다.
제어부(220)는 정상 상태에서 소스 공진기에 충전된 전력이 소정 값에 도달하면, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 소정 값에 대한 정보는 제어부(220)에 설정될 수 있다. 전력 충전부(210)와 전송부(230)는 스위치 동작에 의해 분리된다. 스위치가 오프 되면, 소스 공진기는 캐패시터(C1)와 인덕터(L1)간에 자체 공진을 시작한다. 상호 인덕턴스 M(270)를 고려한, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 소스 공진기에 저장된 에너지는 타겟 공진기로 전달될 수 있다. 이때, 소스 공진기의 공진 주파수(f1)와 타겟 공진기의 공진 주파수(f2)는 동일하다. 소스 공진기의 공진 주파수(f1)와 타겟 공진기의 공진 주파수(f2)는 다음의 식을 통해서 계산될 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
무선 전력 수신 장치는 충전부(240), 제어부(250) 및 전력 출력부(260)를 포함할 수 있다. 타겟 공진기는 캐패시터(C2)와 인덕터(L2)로 구성될 수 있다. 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진을 할 때는 소스 공진기는 전원 공급 장치(Vin)와 분리되어 있고, 타겟 공진기는 부하(LOAD) 및 캐패시터(CL)와 분리되어 있다. 타겟 공진기의 캐패시터(C2)와 인덕터(L2)는 상호 공진을 통하여 전력을 충전할 수 있다. 제어부(250)는 타겟 공진기에 전력을 충전하기 위해, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 스위치가 오프인 동안, 타겟 공진기의 공진 주파수와 소스 공진기의 공진 주파수는 일치하여, 상호 공진이 발생할 수 있다. 제어부(250)는 타겟 공진기에 충전된 전력이 소정 값에 도달하면, 스위치를 온(on)할 수 있다. 소정 값에 대한 정보는 제어부(250)에 설정될 수 있다. 스위치가 온 되면, 캐패시터(CL)이 연결되어, 타겟 공진기의 공진 주파수가 다음의 식과 같이 변경된다.
Figure pat00003
따라서, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진이 종료된다. 보다 구체적으로는 타겟 공진기의 Q를 고려하여, f2'이 f2보다 충분히 작다면, 상호 공진 채널이 소멸할 수 있다. 또한, 전력 출력부(260)는 캐패시터(C2)와 인덕터(L2)에 충전된 전력을 부하(LOAD)에 전달할 수 있다. 전력 출력부(260)는 부하(LOAD)의 필요에 적합한 방식으로 전력을 전달할 수 있다.
제어부(250)는 타겟 공진기에 충전된 전력이 소정 값 미만의 값을 갖게 되면, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 충전부(240)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 다시 타겟 공진기에 전력을 충전할 수 있다.
소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진이 발생할 때는 스위치가 연결되지 않는다. 따라서, 스위치의 연결에 따른 전송 효율의 감소를 예방할 수 있다.
도 1의 캐패시터에 충전된 에너지를 전달하는 방식에 비해, 도 2의 방식은 타겟 공진기에 저장된 에너지의 채득(capture) 시점을 제어하는 것이 좀 더 용이하다. 캐패시터에 충전된 에너지를 전달하는 방식은 캐패시터에 충전된 에너지만 채득을 할 수 있지만, 공진 주파수를 변경하여 에너지를 채득하는 방식은 타겟 공진기의 인덕터 및 캐패시터에 저장된 에너지를 채득하므로, 에너지의 채득 시점에 대한 자유도가 향상된다.
RI(Resonator Isolation) 시스템의 송신단은 전력 혹은 데이터의 전송을 위해 스위치의 연결을 통해 소스 공진기에 에너지의 충전과 방전과정을 반복 수행한다. 이러한 한 번의 에너지의 충전과 방전 과정을 하나의 심볼로 정의할 수 있다. 수신단은 송신단으로부터 에너지 또는 데이터를 수신하기 위해, 송신단의 충전 및 방전을 반복하는 스위치의 동작 주기에 맞추어, 수신단의 스위치를 동작시켜야 한다.
수신단은 송신단으로부터 오류 없이 전력 또는 데이터를 수신하기 위해, 송신단의 스위치가 언제 오프(off)되고 언제 온(on)되는지, 그리고 언제 상호 공진을 시작하고, 언제 타겟 공진기에 저장된 에너지가 피크 값을 가지는지 알 필요가 있다. 송신단 스위치의 온/오프 타임에 대한 정보를 알아내고, 수신단의 온/오프 타임을 송신단 스위치의 온/오프 타임에 대한 정보에 맞게 조절하는 과정을 시간 동기화 과정이라고 정의할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 송신단과 수신단의 스위치의 동작 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 송신단은 충전(charging)과 방전(discharging) 과정의 반복을 통해 수신단으로 에너지를 전송한다. 이러한 한 번의 에너지의 충전과 방전 과정은하나의 심볼로 정의될 수 있다.
수신단은 송신단에서 전송하는 에너지를 수신하기 위해 송신단의 SW1이 오프(off)되어, 방전단계로 전환하기 소정의 시간(Sync. Margin) 이전에, SW2를 오프(off)하여 송신단과의 상호 공진을 준비한다.
상호 공진이 시작되면, 수신단의 타겟 공진기에 에너지가 충전된다. 상호 공진은 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 커플링(coupling)으로 표현될 수도 있다. 수신단은 타겟 공진기에 저장되는 에너지가 피크 값을 가지는 시점에, SW2를 온(on)하여, 타겟 공진기의 공진 주파수를 소스 공진기의 공진 주파수와 다르게 변경함으로써, 타겟 공진기에 저장된 에너지의 채득(capturing)과정을 수행한다.
위와 같이 수신단은 송신단과의 상호 공진 및 채득 과정의 수행을 위해 송신단의 스위치 동작에 대한 정보를 알 필요가 있다.
도 4는 일실시예에 따른 신호 처리 장치의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 신호 처리 장치는 포락선 검출부(410), 보정부(420) 및 추정부(430)를 포함한다.
포락선 검출부(410)는 클리핑(clipping) 된 신호의 포락선을 검출한다. 이때의 포락선은 아날로그 디지털 변환기(ADC, Analog to Digital Converter 이하 ADC라 함)의 샘플링 시, 클리핑이 발생한 입력신호의 포락선을 의미한다. ADC의 다이나믹 레인지(Dynamic range)가 입력 신호의 진폭의 폭보다 좁은 경우, 샘플링 시, 클리핑이 발생한다.
입력신호로는 RI 시스템의 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 주고 받는 에너지의 파형이 포함될 수 있다. 또는 음성신호, 영상신호, 생체신호 등이 포함될 수 있다.
포락선 검출부(410)는 포락선 추정부(411), 클리핑 부(413)를 포함할 수 있다. 포락선 추정부(411)는 입력 신호의 진폭보다 좁게 설정된 ADC의 다이나믹 레인지에 의해 클리핑 된 신호의 포락선을 추정한다. 클리핑 부(413)는 포락선 추정부(411)에서 추정된 포락선에서 클리핑이 발생하는 구간의 진폭 값을 다이나믹 레인지에 대응하는 클리핑 레벨로 클리핑 할 수 있다.
포락선 추정부(411)에서 추정된 포락선은 클리핑이 발생한 구간에서 클리핑 레벨보다 큰 진폭 값을 가질 수 있기 때문에, 클리핑 부(413)는 추정된 포락선에서 클리핑이 발생하는 구간의 진폭 값을 상기 클리핑 레벨로 클리핑 한다.
다른 일 측면에 있어서, 포락선 검출부(410)는 정보 획득부(415)를 더 포함할 수 있다. 정보 획득부(415)는 ADC의 다이나믹 레인지에 의해 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보를 획득할 수 있다. 클리핑 부(413)는 정보 획득부(415)로부터 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보를 획득하여, 클리핑을 수행할 수 있다.
또한, 보정부(420)도 정보 획득부(415)로부터 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보를 획득하여 검출된 포락선의 지점들에서 기울기를 계산하거나, 계산된 기울기를 보정할 수 있다.
보정부(420)는 포락선 검출부(410)에서 검출된 포락선의 지점들에서 계산된 기울기를 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 보정한다. 클리핑을 고려하지 않고, 계산된 기울기는 하나의 심볼에서 여러 번 비슷한 크기의 값을 가지기 때문에 보정이 필요하다. 클리핑을 고려하지 않은 경우에 계산된 기울기는 도 9에서 좀 더 자세하게 도시되어 있다.
보정부(420)는 기울기 계산부(421), 간격 조절부(423) 및 가중치 적용부(425)를 포함할 수 있다.
기울기 계산부(421)는 포락선 검출부(410)에서 검출된 포락선에서 소정의 간격을 가지는 두 지점 간의 기울기를 계산할 수 있다. 이때, 소정의 간격은 일정한 간격일 수도 있고, 두 지점 중 어느 하나의 지점이 클리핑이 발생한 구간에 위치하는 경우 적응적으로 조절되는 간격일 수도 있다. 또한, 기울기 계산부(421)는 검출된 포락선의 지점들에서 접선의 기울기를 계산할 수 있다. 계산된 기울기 값들은 도 6의 Start Point Metric과 같이 그래프로 표시될 수 있다.
간격 조절부(423)는 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 기울기 계산부(421)의 기울기를 계산하는 두 지점 간의 간격을 적응적으로 조절할 수 있다. 간격 조절부(423)는 기울기를 계산하는 두 지점 중 적어도 하나의 지점이 클리핑이 발생하는 구간에 위치하는 경우, 그 하나의 지점이 다른 하나의 지점과 가까워지도록 간격을 조절할 수 있다. 즉, 간격 조절부(423)는 기울기를 계산하는 두 지점이 클리핑이 발생하는 구간에 가능한 포함되지 않도록 두 지점 간의 간격을 조절할 수 있다.
간격 조절부(423)는 기울기 계산부(421)의 기울기를 계산하는 두 지점 간의 간격을 사전에 정의된 일정 간격 이상으로 조절할 수 있다. 이때, 일정 간격은 검출된 포락선에서 발생하는 노이즈(Noise)로부터 받는 성능열화의 정도를 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 일정 간격은 노이즈로 인하여 발생하는 성능열화가 가장 심한 경우의 10프로 정도의 성능열화가 발생하는 간격으로 설정될 수 있다. 두 지점 간의 간격이 너무 좁아지면 노이즈에 너무 민감하게 되어 성능열화가 발생하기 때문이다. 예를 들면, 간격 조절부(423)는 초기 설정된 두 지점 간의 간격(gap)의 50프로 이상으로 두 지점 간의 간격을 조절할 수 있다.
가중치 적용부(425)는 클리핑이 발생하지 않는 구간의 길이를 가중치로 하여, 기울기 계산부(421)에서 계산된 기울기 값에 상기 가중치를 적용할 수 있다. 클리핑이 발생한 입력 신호의 포락선에서 임의의 두 지점 간에 기울기를 계산하면, 원하지 않는 시점에서 큰 피크 값이 발생할 수 있다. 가중치 적용부(425)는 클리핑이 발생하지 않는 구간의 길이와 기울기 계산부(421)에서 계산된 기울기 값을 곱하여, 원하지 않는 시점에서 발생하는 큰 피크 값을 작아지게 할 수 있다. 예를 들면, 클리핑이 발생하지 않는 구간의 길이가 짧은 경우, 그 짧은 구간에서 큰 피크 값이 발생하였으면, 짧은 길이와 큰 피크 값의 곱에 의해, 피크 값이 작아질 수 있다.
가중치 적용부(425)는 Non-clipped index window의 폭을 가중치로 이용할 수 있다. Non-clipped index window는 클리핑이 발생하는 구간은 0으로, 클리핑이 발생하지 않는 구간은 1로 표시되는 윈도우를 의미한다. Non-clipped index window의 폭은 클리핑이 발생하지 않는 구간의 길이를 의미할 수 있다.
추정부(430)는 보정된 기울기가 최대가 되는 지점을 추정한다. 보정된 기울기를 나타내는 Start Point Metric은 하나의 심볼에서 하나의 피크 값을 가질 수 있다. 추정부(430)는 하나의 피크 값을 가지는 지점을 추정할 수 있다. 추정부(430)는 계산된 기울기 값에 가중치가 적용된 결과에 기초하여 기울기 값이 최대가 되는 지점을 추정할 수 있다.
추정부(430)는 피크 포인트 추정부(431)를 포함할 수 있다. 피크 포인트 추정부(431)는 심볼 별로, 클리핑이 발생한 구간에서 검출된 포락선의 크기가 피크(peak)가 되는 피크 포인트를 추정할 수 있다. 이때, 피크 포인트는 클리핑이 발생하지 않는 경우에, 피크 값을 가질 것으로 추정되는 지점을 의미한다. RI 시스템에서, 수신단은 피크 포인트에 타겟 공진기와 연결된 스위치를 제어하여, 송신단과의 상호 공진 여부 및 채득 여부를 결정할 수 있다.
입력 신호에 클리핑이 발생하지 않았다면, 클리핑이 발생한 구간에서 입력 신호가 피크 값을 가질 확률이 높으므로, 피크 포인트 추정부(431)는 클리핑이 발생한 구간 중 임의의 지점을 피크 포인트로 추정할 수 있다. 예를 들면, 피크 포인트 추정부(431)는 클리핑이 발생한 구간의 반이 되는 지점을 피크 포인트로 추정할 수 있다. 또는 피크 포인트 추정부(431)는 클리핑이 발생한 구간의 반으로부터 소정 시간만큼 빠른 지점을 피크 포인트로 추정할 수 있다.
도 5는 다른 일실시예에 따른 신호 처리 장치의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 신호 처리 장치는 포락선 검출부(510), 제어부(520), 보정부(530) 및 추정부(540)를 포함한다. 신호 처리 장치는 RI 시스템의 수신단에 사용되어, 수신단의 스위치를 송신단의 스위치와 시간 동기화하는데 사용될 수 있다. 포락선 검출부(510), 보정부(530) 및 추정부(540)는 도 4의 신호 처리 장치가 RI 시스템의 수신단에 적용되는 예이다.
포락선 검출부(510)는 소스 공진기와의 상호 공진을 통하여 타겟 공진기에 저장된 에너지의 파형에서, 심볼 별로, 상기 파형의 진폭보다 좁게 설정된 아날로그 디지털 변환기(ADC, Analog to Digtal Converter)의 다이나믹 레인지에 의해 클리핑(clipping) 된 신호의 포락선을 검출할 수 있다.
포락선 검출부(510)는 ADC의 다이나믹 레인지에 의해 클리핑 된 신호의 포락선을 추정하고, 추정된 포락선에서 클리핑이 발생하는 구간의 진폭 값을 다이나믹 레인지에 대응하는 클리핑 레벨로 클리핑 할 수 있다.
보정부(530)는 포락선 검출부(510)에서 검출된 포락선의 지점들에서 계산된 기울기를 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 보정할 수 있다. 보정부(530)는 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 기울기를 계산하는 두 지점 간의 간격을 적응적으로 조절할 수 있다. 보정부(530)는 클리핑이 발생하지 않는 구간의 길이를 가중치로 하여, 계산된 기울기 값에 상기 가중치를 적용하는 보정을 수행할 수 있다.
추정부(540)는 보정된 기울기가 최대가 되는 지점을 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진 시작점으로 추정할 수 있다. 무선 전력을 전송하는 송신단과 무선 전력을 수신하는 수신단 간에 상호 공진이 시작되는 시점에서 포락선의 기울기가 최대가 될 수 있다. 추정부(540)는 다음의 식을 이용하여 상호 공진 시작점을 추정할 수 있다.
Figure pat00004
여기서, signal_start_point는 상호 공진 시작점을 의미하고, i는 포락선의 지점을 의미하며, gap은 포락선의 두 지점 간의 간격을 의미한다. gap에 의하여 두 지점 중 어느 하나가 클리핑이 발생하는 구간에 위치하는 경우, 상기 어느 한 지점이 클리핑이 발생하는 구간에 위치하지 않도록 gap이 조절될 수 있다. signal_start_point는 포락선에서 소정의 간격을 가지는 두 지점 간의 기울기가 최대가 되는 경우의 i로 추정될 수 있다.
포락선 검출부(510)는 타겟 공진기에 인가되는 전류 또는 전압의 파형에서 ADC의 다이나믹 레인지에 의해 클리핑 된 신호의 포락선을 검출할 수 있다. 타겟 공진기에 저장되는 에너지의 파형은 타겟 공진기에 인가되는 전류의 파형 또는 전압의 파형으로 표시될 수 있다.
포락선 검출부(510)는 타겟 공진기에 인가되는 전류 또는 전압을 입력으로 하여 포락선 검출용 아날로그 회로의 출력으로부터 포락선을 획득할 수 있다.
타겟 공진기에 저장된 에너지 양의 검출은 타겟 공진기에 인가되는 전류 또는 전압에서 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링을 통해 이루어질 수 있다. 그런데 정확한 에너지 양의 검출을 위해서는 아날로그-디지털 변환 샘플링 레이트(sampling rate)가 타겟 공진기의 공진 주파수보다 충분히 빨라야 한다. 아날로그-디지털 변환 샘플링 레이트가 빨라지면, 아날로그-디지털 변환기 자체의 전력 소모가 크고, 에너지 전송 효율과 데이터 전송 효율이 아날로그-디지털 변환 샘플링 레이트 및 양자화 비트(quantization bit) 수의 영향을 받게 된다. 양자화 비트 수는 다른 말로 해상도로 표현될 수 있다. 포락선 검출부(510)는 적정한 빠르기의 아날로그-디지털 변환 샘플링 레이트를 사용하면서도, 정확하게 타겟 공진기에 저장된 에너지의 양을 검출할 수 있다.
포락선 검출용 아날로그 회로는 다이오드, 캐패시터 및 부하(LOAD)로 구현될 수 있다. 이때, 포락선 검출용 아날로그 회로는 타겟 공진기에 인가된 전류 또는 타겟 공진기에 인가된 전압을 입력으로 하여, 타겟 공진기에 인가된 전류 또는 타겟 공진기에 인가된 전압의 포락선을 출력할 수 있다.
포락선 검출부(510)는 타겟 공진기에 인가되는 전류 또는 전압에 대하여 신호 처리를 함으로써, 포락선을 검출할 수도 있다. 이때, 포락선 검출부(510)는 하향 변환부(511), 변환부(512), 순환 이동부(513), 필터링부(514), 역변환부(515) 및 클리핑 부(516)를 포함할 수 있다.
하향 변환부(511)는 타겟 공진기에 인가되는 전압 또는 전류로부터 다이나믹 레인지에서 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 공진 주파수의 특정 신호 파형 중의 하나와 곱하여 하향 변환(down conversion)된 신호를 생성할 수 있다. 이때, 특정 신호 파형들에는 공진 주파수의 사인(sine) 파형, 코사인(cosine) 파형 및 지수형(exponential) 파형이 포함될 수 있다. 하향 변환 방식은 일반적으로 통신에서 사용하는 방식이 사용될 수 있다. 예를 들면, 하향 변환부(511)는 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 기저대역으로 하향 변환할 수도 있다. 변환부(512)는 하향 변환된 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT) 또는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)하여 주파수 영역 신호로 변환할 수 있다. 필터링부(514)는 주파수 영역 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성할 수 있다. 하모닉 성분은 주파수 영역 신호에 포함된 노이즈 성분을 의미할 수 있다. 역변환부(515)는 하모닉 성분이 제거된 신호를 이산 푸리에 역변환(Inverse DFT, IDFT) 또는 고속 푸리에 역변환(Inverse FFT, IFFT)하여 시간 영역 신호로 변환할 수 있다. 이때, 변환된 시간 영역 신호는 타겟 공진기에 인가되는 전류 파형 또는 전압 파형의 포락선을 나타낸다. 클리핑 부(516)는 시간 영역 신호에서 클리핑이 발생하는 구간의 진폭 값을 ADC의 다이나믹 레인지에 대응하는 클리핑 레벨로 클리핑 할 수 있다.
변환부(512)는 타겟 공진기에 인가되는 전압 또는 전류로부터 다이나믹 레인지에서 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환하여 주파수 영역 신호로 변환할 수 있다. 순환 이동부(513)는 주파수 영역 신호를 소정의 주파수만큼 순환 이동(circular shift)시킬 수 있다. 예를 들면, 순환 이동부(513)는 주파수 영역 신호를 기저대역으로 순환 이동시킬 수 있다. 순환 이동부(513)는 주파수 영역 신호를 소정 주파수만큼 순환 이동함으로써, 필터링부(514)가 필터링을 수월하게 할 수 있다. 필터링부(514)는 순환 이동된 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성할 수 있다. 역변환부(515)는 하모닉 성분이 제거된 신호를 이산 푸리에 역변환 또는 고속 푸리에 역변환하여 시간 영역 신호로 변환할 수 있다. 이때, 변환된 시간 영역 신호는 타겟 공진기에 인가되는 전류 파형 또는 전압 파형의 포락선을 나타낸다. 클리핑 부(516)는 시간 영역 신호에서 상기 클리핑이 발생하는 구간의 진폭 값을 ADC의 다이나믹 레인지에 대응하는 클리핑 레벨로 클리핑 할 수 있다.
또한, 하향 변환부(511)는 타겟 공진기에 인가되는 전압 또는 전류로부터 다이나믹 레인지에서 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 공진 주파수의 특정 신호 파형 중의 하나와 곱하여 하향 변환(down conversion)된 신호를 생성할 수 있다. 필터링부(514)는 시간 영역에서 컨볼루션(convolution)을 통해 상기 하향 변환된 신호에 저역 통과 필터링을 수행할 수 있고, 이로부터 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성할 수 있다. 필터링부(514)는 주파수 영역뿐만 아니라 시간영역에서도 저역 통과 필터링을 수행할 수 있다. 이때, 하모닉 성분이 제거된 신호는 타겟 공진기에 인가되는 전류 파형 또는 전압 파형의 포락선을 나타낸다.
그 밖에, 포락선 검출부(510)는 디지털 영역(digital domain)에서의 다양한 신호 처리 기법을 이용하여 타겟 공진기에 인가되는 전류 또는 전압의 파형에서 포락선을 검출할 수 있다.
타겟 공진기와 소스 공진기 간에 상호 공진하기 이전의 상태를 아이들 리슨(Idle listen)상태라고 정의할 수 있다. 상호 공진을 준비하는 상태를 의미한다. 제어부(520)는 아이들 리슨 상태에서, 소스 공진기가 에너지를 전송하면 상호 공진을 통해 타겟 공진기에서 바로 에너지를 수신할 수 있도록, 타겟 공진기를 활성화(active)된 상태로 유지시킬 수 있다. 타겟 공진기를 활성화 된 상태로 유지시킨 다는 것은 타겟 공진기를 자기 공진 상태로 유지시킨 다는 것을 의미할 수 있다. 도 1의 RI 시스템에서는 스위치를 온 시키는 경우를 의미하고, 도 2의 RI 시스템에서는 스위치를 오프 시키는 경우를 의미한다.
제어부(520)는 추정된 상호 공진 시작점에서 타겟 공진기가 상호 공진을 시작하도록 할 수 있고, 검출된 피크 포인트에서 타겟 공진기에 저장된 에너지를 채득하여 부하에 에너지를 전달하도록 할 수 있다.
보다 구체적으로 제어부(520)는 상호 공진 시작점을 타겟 공진기와 소스 공진기 간의 시간 동기화 시점으로 하여 타겟 공진기에 연결된 스위치를 제어할 수 있다. 도 1의 RI 시스템에서는 제어부(520)에 의해 스위치가 온(on) 되는 경우이고, 도 2의 RI 시스템에서는 제어부(520)에 의해 스위치가 오프(off) 되는 경우이다. 시간 동기화 시점 이후부터 타겟 공진기에 저장되는 에너지를 통하여 수신단은 정보를 수신할 수 있다.
또한, 제어부(520)는 피크 포인트에 타겟 공진기에 연결된 스위치를 제어하여, 타겟 공진기에 저장된 에너지가 부하로 전달되도록 할 수 있다. 도 1의 RI 시스템에서는 제어부(520)에 의해 스위치가 오프(off)되는 경우이고, 도 2의 RI 시스템에서는 제어부(520)에 의해 스위치가 온(on)되는 경우이다.
제어부(520)는 신호 처리 장치의 전반적인 제어를 담당하고, 포락선 검출부(510), 보정부(530) 및 추정부(540)의 기능을 수행할 수 있다. 도 5의 실시 예에서 이를 별도로 구성하여 도시한 것은 각 기능들을 구별하여 설명하기 위함이다. 따라서 실제로 제품을 구현하는 경우에 이들 모두를 제어부(520)에서 처리하도록 구성할 수도 있으며, 이들 중 일부만을 제어부(520)에서 처리하도록 구성할 수도 있다.
도 6은 아날로그 디지털 컨버터(ADC)의 다이나믹 레인지가 입력 신호의 진폭 이상으로 설정된 경우에 신호 처리 장치에서 계산하는 포락선의 기울기들을 나타낸 그래프이다.
ADC의 다이나믹 레인지가 입력 신호의 진폭 이상으로 설정된 경우에는, 입력 신호의 샘플링 시, 클리핑이 발생하지 않는다. 도 6을 참조하면, 신호 처리 장치는 입력 신호의 파형에서 검출된 포락선(600)에서, 일정한 간격을 가지는 두 지점 간의 기울기를 계산할 수 있다. 도 6에는 네 가지의 기울기가 도시되어 있다. 네 가지 경우의 기울기들(610,620,630,640)을 비교해 보면, RI 시스템 상의 소스 공진기와 타겟 공진기가 상호 공진하기 시작하는 지점(start point)에서 기울기가 최대 값을 가짐을 알 수 있다. 즉, 포락선의 기울기가 최대인 경우, 일정한 간격을 가지는 두 지점 중 앞선 지점을 상호 공진 시작점으로 추정할 수 있다.
타겟 공진기에 저장된 에너지가 피크 값을 가지는 지점(Peak point)에서 저장된 에너지는 채득될 수 있다. 상호 공진 시작점과 피크 포인트 사이에서 타겟 공진기는 소스 공진기와 상호 공진할 수 있다.
도 7은 도 6의 경우에, 입력 신호의 포락선 및 포락선의 각 지점에서의 기울기 값을 나타낸 그래프이다.
RI시스템의 수신단에서 타겟 공진기에 인가되는 전압의 파형 및 포락선에서 상호 공진이 시작되는 점(710)과 Start Point Metric에서, 포락선의 기울기가 최대가 되는 점(720)이 일치함을 알 수 있다. 즉, 포락선의 기울기가 최대가 되는 점(720)은 상호 공진 시작 점(710)으로 추정될 수 있다. Start Point Metric은 도 6의 포락선(600)에서, 일정한 간격을 가지는 두 지점 간의 기울기 값들을 나타낸 그래프이다.
도 8은 일실시예에 따른 신호 처리 장치에서 아날로그 디지털 컨버터의 다이나믹 레인지가 입력 신호의 진폭 보다 작은 경우에, 추정된 포락선을 나타낸 그래프이다.
(a)는 ADC의 다이나믹 레인지가 입력신호의 진폭보다 작은 경우에, 클리핑 된 입력신호로부터 추정된 포락선을 나타낸 그래프이고, (b)는 (a)의 추정된 포락선에서 클리핑이 발생하는 구간의 진폭을 클리핑 레벨 2V로 클리핑 한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 8의 (a)를 살펴보면, ADC의 다이나믹 레인지는 +2V에서 -2V임을 알 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 신호 처리 장치에서 클리핑 된 포락선의 지점들에서 계산한 기울기 값을 나타낸 그래프이다.
도 8의 (b)의 클리핑 된 포락선에서 일정한 간격을 가지는 두 지점 사이의 기울기 값을 계산하면 도 9의 Start Point Metric과 같이 표시될 수 있다. 도 9의 경우, RI 시스템의 수신단, 즉 RX단에서 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통해 에너지를 수신하는 경우를 나타낸다. 도 9의 Start Point Metric을 살펴보면, 하나의 심볼 내에서 피크(910) 및 피크(920)가 발생한다. 피크(910)는 무뎌진 값을 가지고 있어서, 피크(910)을 가지는 지점이 여러 지점이 발생할 수 있다. 피크(920)의 경우, 원하지 않는 시점에서 발생한 경우이다.
피크(910)는 입력신호의 클리핑으로 인해, 기울기 값이 증가해야 할 시점에서, 증가하지 못함으로써, 값이 무뎌지게 된다. 피크(910)은 도 10과 같이 적응적으로 기울기를 계산하는 두 지점간의 간격을 조절함으로써 해결될 수 있다.
피크(920)는 도 12의 Non-clipped index window를 이용하여 피크(910)보다 작아지도록 할 수 있다.
도 10은 일실시예에 따른 신호 처리 장치에서 클리핑 된 구간을 고려하여, 기울기를 계산하는 두 지점 간의 간격을 적응적으로 조절하는 과정을 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 신호 처리 장치는 기울기를 계산하기 위한 지점(1010) 과 지점(1020) 중 어느 하나인 지점(1020)이 클리핑이 발생하는 구간(1001)에 위치한 경우에, 지점(1010)은 지점(1030)으로 유지한 상태에서, 지점(1020)을 클리핑이 발생하기 이전 지점(1040)으로 조절할 수 있다. 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보는 ADC 샘플링 시 획득될 수 있다.
즉, 지점(1010)과 지점(1020) 사이의 간격이 지점(1030)과 지점(1040) 사이의 간격으로 조절될 수 있다. 기울기를 계산하는 두 지점 간의 간격은 두 지점 중 어느 하나가 클리핑이 발생하는 구간(1001)에 위치하지 않도록 적응적으로 조절될 수 있다.
도 11은 도 9의 경우에, 일실시예에 따른 신호 처리 장치에서 기울기를 계산하는 두 지점 간의 간격이 적응적으로 조절된 결과가 반영된 그래프이다.
도 11을 참조하면, 도 10에 의해 기울기를 계산하는 두 지점 간의 간격이 적응적으로 조절된 결과, 피크(1110)는 샤프(sharp)한 값을 가지게 된다. 그러나, 피크(1120)은 여전히 해결되지 않은 상태로 남아있다. 피크(1120)는 도 12의 과정을 통해 해결될 수 있다.
도 12는 도 11의 경우에, 일실시예에 따른 신호 처리 장치에서 넌-클립드 인덱스 윈도우를 사용하여, 원하지 않는 피크 포인트가 억제된 그래프이다.
도 12를 참조하면, 피크(1210)는 심볼 마다 존재한다. 피크(1210)는 Non-clipped index window의 폭(1220)을 이용하여 값이 감소할 수 있다. 즉, Non-clipped index window의 폭(1220)은 가중치로 사용되어, 피크(1210)와 곱해지면, 값이 감소하여 피크(1230)와 같은 값을 가지게 된다. Non-clipped index window는 클리핑 된 신호에서 클리핑이 발생하는 구간은 0의 값을 가지고, 클리핑이 발생하지 않는 구간은 1을 가지는 윈도우 형태의 시퀀스를 나타낸다.
피크(1210)는 보통 클리핑이 발생하는 구간 사이에 짧은 구간에서 발생하므로, Non-clipped index window의 폭(1220)을 가중치로 적용함으로써, 그 값을 상쇄시킬 수 있다. Non-clipped index window의 형태는 펄스 또는 윈도우의 형태일 수도 있고, 그 밖의 다양한 형태로 정의될 수 있다.
Non-clipped index window는 클리핑이 발생하지 않는 구간을 나타내는 일 예이므로, 가중치로는 클리핑이 발생하지 않는 구간을 나타내는 형태라면, 어떤 형태라도 적용될 수 있다.
도 13은 일실시예에 따른 신호 처리 장치에서 추정한 피크 포인트를 나타낸 그래프이다.
도 13을 참조하면, 클리핑 된 포락선으로부터 기울기를 계산하면, 최대 기울기 값을 가지는 지점(1310)이 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진 시작점(Signal Start Point)로 추정될 수 있다. 입력 신호가 클리핑 되지 않는 경우의 피크(1320) 값을 가지는 지점은 클리핑이 발생하는 구간 중의 어느 지점으로 추정될 수 있다.
예를 들면, 피크(1320)는 클리핑이 발생하는 구간 중 절반에 해당하는 위치에서 발생할 수도 있고, 절반에 해당하는 위치보다 좀 더 앞선 지점에서 발생할 수도 있다. 신호 처리 장치는 피크(1320) 값을 가지는 피크 포인트를 클리핑이 발생하는 구간 중의 임의의 지점으로 추정할 수 있다. 또는 신호 처리 장치는 피크 포인트를 클리핑이 발생하는 구간 중 절반이 되는 지점으로부터 소정 시점 빠른 지점으로 추정할 수 있다.
도 14는 일실시예에 따른 신호 처리 방법의 흐름도이다.
1410단계에서, 신호 처리 장치는 클리핑(clipping) 된 신호의 포락선을 검출한다.
신호 처리 장치는 입력 신호의 진폭보다 좁게 설정된 아날로그 디지털 변환기(ADC, Analog to Digital Converter)의 다이나믹 레인지에 의해 클리핑 된 신호의 포락선을 추정하고, 추정된 포락선에서 상기 클리핑이 발생하는 구간의 진폭 값을 ADC의 다이나믹 레인지에 대응하는 클리핑 레벨로 클리핑 할 수 있다.
신호 처리 장치는 소스 공진기와의 상호 공진을 통하여 타겟 공진기에 저장된 에너지의 파형에서, 심볼 별로, 상기 파형의 진폭보다 좁게 설정된 ADC의 다이나믹 레인지에 의해 클리핑(clipping) 된 신호의 포락선을 검출할 수 있다.
1420단계에서, 신호 처리 장치는 검출된 포락선의 지점들에서 계산된 기울기를 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 보정한다.
신호 처리 장치는 검출된 포락선에서 소정의 간격을 가지는 두 지점 간의 기울기를 계산하고, 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 상기 기울기를 계산하는 두 지점 간의 간격을 적응적으로 조절하며, 클리핑이 발생하지 않는 구간의 길이를 가중치로 하여, 상기 계산된 기울기 값에 상기 가중치를 적용할 수 있다.
1430단계에서, 신호 처리 장치는 보정된 기울기가 최대가 되는 지점을 추정한다. 신호 처리 장치는 계산된 기울기 값에 가중치가 적용된 결과에 기초하여 기울기 값이 최대가 되는 지점을 추정할 수 있다.
신호 처리 장치는 보정된 기울기가 최대가 되는 지점을 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진 시작점으로 추정할 수 있다.
상술한 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (19)

  1. 클리핑(clipping) 된 신호의 포락선을 검출하는 포락선 검출부;
    상기 검출된 포락선의 지점들에서 계산된 기울기를 상기 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 보정하는 보정부; 및
    상기 보정된 기울기가 최대가 되는 지점을 추정하는 추정부
    를 포함하는 신호 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포락선 검출부는
    입력 신호의 진폭보다 좁게 설정된 아날로그 디지털 변환기(ADC, Analog to Digital Converter)의 다이나믹 레인지에 의해 상기 클리핑 된 신호의 포락선을 추정하는 포락선 추정부; 및
    상기 추정된 포락선에서 상기 클리핑이 발생하는 구간의 진폭 값을 상기 다이나믹 레인지에 대응하는 클리핑 레벨로 클리핑하는 클리핑부
    를 포함하는 신호 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 포락선 검출부는
    상기 다이나믹 레인지에 의해 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보를 획득하는 정보 획득부
    를 더 포함하는 신호 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보정부는
    상기 검출된 포락선에서 소정의 간격을 가지는 두 지점 간의 기울기를 계산하는 기울기 계산부
    를 포함하는 신호 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보정부는
    상기 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 상기 기울기 계산부의 상기 기울기를 계산하는 상기 두 지점 간의 간격을 적응적으로 조절하는 간격 조절부
    를 더 포함하는 신호 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 간격 조절부는
    상기 두 지점 간의 간격을 사전에 정의된 일정 간격 이상으로 조절하는
    신호 처리 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 보정부는
    상기 클리핑이 발생하지 않는 구간의 길이를 가중치로 하여, 상기 기울기 계산부에서 계산된 기울기 값에 상기 가중치를 적용하는 가중치 적용부
    를 더 포함하는 신호 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 추정부는
    상기 계산된 기울기 값에 상기 가중치가 적용된 결과에 기초하여 기울기 값이 최대가 되는 지점을 추정하는
    를 포함하는 신호 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 추정부는
    심볼 별로, 상기 클리핑이 발생한 구간에서 상기 검출된 포락선의 크기가 피크(peak)가 되는 피크 포인트를 추정하는 피크 포인트 추정부
    를 포함하는 신호 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 포락선 검출부는 소스 공진기와의 상호 공진을 통하여 타겟 공진기에 저장된 에너지의 파형에서, 심볼 별로, 상기 파형의 진폭보다 좁게 설정된 아날로그 디지털 변환기(ADC, Analog to Digtal Converter)의 다이나믹 레인지에 의해 클리핑(clipping) 된 신호의 포락선을 검출하고,
    상기 보정부는 상기 검출된 포락선의 지점들에서 계산된 기울기를 상기 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 보정하며,
    상기 추정부는 상기 보정된 기울기가 최대가 되는 지점을 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진 시작점으로 추정하는
    신호 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 포락선 검출부는
    상기 타겟 공진기에 인가되는 전류 또는 전압의 파형에서 상기 클리핑 된 신호의 포락선을 검출하는
    신호 처리 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 소스 공진기가 에너지를 전송하면 상호 공진을 통하여 바로 에너지를 수신할 수 있도록, 상기 타겟 공진기를 활성화(activate) 된 상태로 유지시키는 제어부
    를 더 포함하는 신호 처리 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 포락선 검출부는
    상기 전압 또는 상기 전류로부터 상기 다이나믹 레인지에서 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 공진 주파수의 특정 신호 파형 중의 하나와 곱하여 하향 변환(down conversion)된 신호를 생성하는 하향 변환부;
    상기 하향 변환된 신호를 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환하여 주파수 영역 신호로 변환하는 변환부;
    상기 주파수 영역 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성하는 필터링부;
    상기 하모닉 성분이 제거된 신호를 이산 푸리에 역변환 또는 고속 푸리에 역변환하여 시간 영역 신호로 변환하는 역변환부; 및
    상기 시간 영역 신호에서 상기 클리핑이 발생하는 구간의 진폭 값을 상기 다이나믹 레인지에 대응하는 클리핑 레벨로 클리핑하는 클리핑부
    를 포함하는 신호 처리 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 포락선 검출부는
    상기 전압 또는 상기 전류로부터 상기 다이나믹 레인지에서 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환하여 주파수 영역 신호로 변환하는 변환부;
    상기 주파수 영역 신호를 소정의 주파수만큼 순환 이동(circular shift)시키는 순환 이동부;
    상기 순환 이동된 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성하는 필터링부;
    상기 하모닉 성분이 제거된 신호를 이산 푸리에 역변환 또는 고속 푸리에 역변환하여 시간 영역 신호로 변환하는 역변환부; 및
    상기 시간 영역 신호에서 상기 클리핑이 발생하는 구간의 진폭 값을 상기 다이나믹 레인지에 대응하는 클리핑 레벨로 클리핑하는 클리핑부
    를 포함하는 신호 처리 장치.
  15. 클리핑(clipping) 된 신호의 포락선을 검출하는 단계;
    상기 검출된 포락선의 지점들에서 계산된 기울기를 상기 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 보정하는 단계; 및
    상기 보정된 기울기가 최대가 되는 지점을 추정하는 단계
    를 포함하는 신호 처리 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 포락선을 검출하는 단계는
    입력 신호의 진폭보다 좁게 설정된 아날로그 디지털 변환기(ADC, Analog to Digital Converter)의 다이나믹 레인지에 의해 상기 클리핑 된 신호의 포락선을 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 포락선에서 상기 클리핑이 발생하는 구간의 진폭 값을 상기 다이나믹 레인지에 대응하는 클리핑 레벨로 클리핑하는 단계
    를 포함하는 신호 처리 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 보정하는 단계는
    상기 검출된 포락선에서 소정의 간격을 가지는 두 지점 간의 기울기를 계산하는 단계;
    상기 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 상기 기울기를 계산하는 상기 두 지점 간의 간격을 적응적으로 조절하는 단계; 및
    상기 클리핑이 발생하지 않는 구간의 길이를 가중치로 하여, 상기 계산된 기울기 값에 상기 가중치를 적용하는 단계
    를 포함하는 신호 처리 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 추정하는 단계는
    상기 계산된 기울기 값에 상기 가중치가 적용된 결과에 기초하여 기울기 값이 최대가 되는 지점을 추정하는
    신호 처리 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 포락선을 검출하는 단계는 소스 공진기와의 상호 공진을 통하여 타겟 공진기에 저장된 에너지의 파형에서, 심볼 별로, 상기 파형의 진폭보다 좁게 설정된 아날로그 디지털 변환기(ADC, Analog to Digtal Converter)의 다이나믹 레인지에 의해 클리핑(clipping) 된 신호의 포락선을 검출하고,
    상기 보정하는 단계는 상기 검출된 포락선의 지점들에서 계산된 기울기를 상기 클리핑이 발생하는 구간에 대한 정보에 기초하여 보정하며,
    상기 추정하는 단계는 상기 보정된 기울기가 최대가 되는 지점을 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진 시작점으로 추정하는
    신호 처리 방법.
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