KR20160116704A - 전력선 통신 장치 - Google Patents

Abstract

반송파 신호와 데이터 신호로 이루어진 변조 신호를 생성 및 전송하고, 다른 노드로부터 신호를 수신하는 마이크로컨트롤러; 상기 마이크로컨트롤러로부터 수신한 신호 중 사용대역 신호는 증폭하고, 그 이외의 신호는 필터링하는 제1 능동형 대역통과필터; 상기 다른 노드로부터 온 신호 중 사용대역 신호는 증폭하고, 그 이외의 신호는 필터링하여 전송하는 제2 능동형 대역통과필터; 상기 제2 능동형 대역통과필터로부터 수신한 신호 중 반송파 신호를 제거하고 데이터 신호를 검출하여 상기 마이크로컨트롤러로 전송하는 기저대역 신호 검출기; 상기 제1 능동형 대역통과필터로부터 수신한 신호를 전송하고, 상기 다른 노드로부터 수신한 신호를 상기 제2 능동형 대역통과필터로 전송하는 트랜스포머; 및 상기 트랜스포머로부터 수신한 신호 중 저주파 신호를 차단하고 상기 다른 노드로 신호를 전송하고, 상기 다른 노드로부터 수신한 신호 중 저주파 신호를 차단하고 상기 트랜스포머로 신호를 전송하는 저주파 차단기를 포함하는 전력선통신 장치가 제시된다.

Description

전력선 통신 장치{APPARATUS FOR POWERLINE COMMUNICATION}

본 발명은 별도의 통신 선로가 없이 전력선으로만 연결된 두 개 이상의 노드 사이에서 데이터를 송수신할 있도록 하는 전력선통신 장치에 연관되며, 보다 특정하게는 기존의 표준에서 PHY/MAC 칩이 제외된 전력선 통신 장치에 연관된다.

전력선 통신은 전력을 공급하는 전력선을 통신 선로로 이용함으로써 별도의 통신 선로를 구비하지 않은 채 전력선 위의 각 노드 사이에서 통신할 수 있도록 하는 기술이다. 이런 전력선 통신에 사용하는 변조 방식은 다양하다. 특히 표준화되고 있는 OFDM(IEEE 1901), DMT(IEC 12139-1) 등의 변조 방식이 있다. 이와 같은 변조 방식은 다소 복잡한 기술을 적용하고 있으며 통신 신호를 전송함에 있어서 수 MHz에서 수십 MHz를 사용한다. 이때, 상기 기술은 OSI 7계층에서 1계층(PHY), 2계층(MAC or data link)를 처리하는 칩을 요구한다.

본 발명은 전술한 기존의 표준에 호환하는 PHY/MAC을 포함하는 전력선통신장치에서 PHY/MAC 칩을 제외함으로써 가격을 낮출 수 있는 전력선 통신장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

일측에 따르면, 반송파 신호를 이용하여 데이터 신호를 변조하여 변조 신호를 생성하는 마이크로컨트롤러; 상기 변조 신호 중 사용대역 신호를 증폭하는 제1 능동형 대역통과필터; 상기 증폭된 상기 사용대역 신호를 전력선 통신에 대응하는 전압으로 변압하는 트랜스포머; 및 상기 변압된 신호의 저주파 대역을 차단하고 전력선에 송신하는 저주파 차단기를 포함하는 전력선 통신장치가 제공된다.

일실시예에 따르면, 상기 전력선 통신장치는 제2 능동형 대역통과필터 및 기저대역 신호 검출기를 더 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 제1 능동형 대역통과필터 및 제2 능동형 대역통과필터는 적어도 하나의 연산증폭기와 복수 개의 저항과 복수 개의 커패시터로 구성될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 상기 제1 능동형 대역통과필터 및 제2 능동형 대역통과필터는 인덕터와 커패시터로 구성된 수동형 대역통과필터를 더 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 기저대역 신호 검출기는 다이오드와 저항과 커패시터로 구성되는 포락선 검출기일 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 상기 기저대역 신호 검출기는 자동 이득 조절 증폭기, 대역통과필터, 적분기를 포함할 수 있다.

본 발명의 구성에 따르면, 직류(DC) 또는 교류(AC) 전원이 흐르는 전력선을 사용하여 데이터를 전송하고자 하는 전력선통신에서 국제표준을 따르는 복잡한 변조 방식을 사용하지 않고 간단하게 PHY/MAC 칩을 제외한 회로를 구성할 수 있다. 따라서 낮은 가격으로 전력선통신장치를 구현할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 일실시예에 따른 전력선 통신장치의 구성과 신호 흐름을 도시한다.
도 2는 일실시예에 따라 마이크로컨트롤러가 출력하는 파형을 도시한다.
도 3은 일실시예에 따른 대역통과필터를 도시한다.
도 4는 도 3에 도시된 대역통과필터에 비해 증가된 Q(quality factor)를 갖는 대역통과필터를 도시한다.
도 5는 일실시예에 따른 트랜스포머와 저주파 차단기의 연결 형태를 나타내고 있다.
도 6a는 일실시예에 따른 포락선 검출기를 도시하고, 도 6b는 상기 포락선 검출기에 의한 검출 파형을 도시한다.

이하에서, 일부 실시예들을, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

아래 설명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다.

또한 특정한 경우는 이해를 돕거나 및/또는 설명의 편의를 위해 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.

도 1은 일실시예에 따른 전력선 통신장치의 구성과 신호 흐름을 도시한다.

일실시예에 따르면 반송파 신호를 이용하여 데이터 신호를 변조하여 변조 신호를 생성하는 마이크로컨트롤러(110); 상기 변조 신호 중 사용대역 신호를 증폭하는 제1 능동형 대역통과필터(120); 상기 증폭된 상기 사용대역 신호를 전력선 통신에 대응하는 전압으로 변압하는 트랜스포머(150); 및 상기 변압된 신호의 저주파 대역을 차단하고 전력선에 송신하는 저주파 차단기(160)를 포함하는 전력선통신 장치가 제공된다.

다른 일측에 따르면, 본 발명의 일실시예에 따른 전력선 통신장치의 구성은 제2 능동형 대역통과필터(140) 및 기저대역 신호 검출기(130)를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 능동형 대역통과필터는 다른 노드로부터 온 신호 중 사용대역 신호는 증폭하고, 그 이외의 신호는 필터링하여 전송할 수 있고, 상기 기저대역 신호 검출기는 상기 제2 능동형 대역통과필터로부터 수신한 신호 중 반송파 신호를 제거하고 데이터 신호를 검출하여 상기 마이크로컨트롤러로 전송할 수 있다.

더욱 자세하게는, 상기 마이크로컨트롤러는 반송파에 데이터 신호를 실어서 출력하고, 상기 제1 대역통과필터를 포함하는 증폭기는 상기 마이크로컨트롤러 컨트롤러에서 생성된 신호에서 주변 대역의 잡음을 제거하도록 필터링하고 사용대역의 신호를 증폭한다. 또한 트랜스포머는 상기 제1 능동형 대역통과필터의 출력을 권선비에 따라서 변환하여 전송하고, 저주파 차단기는 상기 트랜스포머의 출력을 입력 받아 전력선에 인가될 수 있도록 전달하며, 전력선에서 발생하는 DC 또는 (통상 50~60Hz의) AC 전력선 신호를 차단하는 역할을 수행한다. 추가로, 상기 저주파 차단기는 다른 전력선통신장치에서 전송되어 온 전력선통신 신호를 통과시켜 상기 트랜스포머로 입력한다. 이에, 상기 트랜스포머는 입력 받은 수신 신호를 권선비에 따라 변환하여 제2 능동형 대역통과필터에 전송하고, 상기 제2 능동형 대역통과필터는 미약해진 신호를 증폭하고 주변대역 잡음을 제거하기 위하여 필터링을 수행한다. 이렇게 함으로써 상기 제2 능동형 대역통과필터 출력은 잡음이 제거되고 충분히 증폭되어 복원할 수 있는 수준이 된다. 마지막으로, 상기 기저대역 신호 검출기는 반송파를 포함하는 데이터 신호에서 기저대역 신호만을 검출하며, 상기 검출된 기저대역 신호 검출기의 출력 신호는 상기 마이크로컨트롤러에서 데이터 값으로 처리된다. 상기 마이크로컨트롤러의 데이터 처리는 도 2를 참조하여 후술된다.

또한 일실시예에 따르면, 상기 제1 능동형 대역통과필터 및 제2 능동형 대역통과필터는 적어도 하나의 연산증폭기와 복수 개의 저항과 복수 개의 커패시터로 구성될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 상기 제1 능동형 대역통과필터 및 제2 능동형 대역통과필터는 인덕터와 커패시터로 구성된 수동형 대역통과필터를 더 포함할 수 있다.

도 2는 일실시예에 따라 마이크로컨트롤러가 출력하는 파형을 도시한다.

상기 마이크로컨트롤러는 송신 신호를 생성하여 송출하고 수신 신호를 입력 받아 데이터 값으로 변환한다. 이 때, IEEE 1901, IEC 12139-1 등의 표준을 따르는 전력선통신 방식에서 사용하는 복잡한 변복조 방식을 사용하지 않고 단지 하나의 캐리어 신호에 데이터 신호를 실어서 전송하고, 이는 저가의 전력선통신장치를 구현할 수 있도록 한다.

더욱 자세하게, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로컨트롤러가 하나의 반송파에 전송하고자 하는 데이터를 실어서 출력하는 것을 도시한다. 상기 마이크로 컨트롤러는 특정 주파수의 반송파를 생성하고, 보내고자 하는 데이터 비트를 이 반송파에 실어서 출력한다. 이러한 신호 생성 방법의 한 가지 예는, 상기 마이크로컨트롤러가 특정 주파수의 신호를 발생시키며 보내고자 하는 데이터 신호의 상태(0 또는 1)에 따라서 반송파 생성을 온오프하는 것이다. 다른 방법으로는 마이크로컨트롤러 내부에서 제공하는 먹스(mux)를 사용하여 반송파와 데이터를 혼합하는 단계가 있을 수 있다. 이외에도 마이크로컨트롤러가 제공하는 기능에 따라서 다양한 방법으로 도 2와 같은 신호를 생성할 수 있다. 이 때, 반송파는 구형파(rectangular wave) 또는 사인파(sine wave)일 수 있다. 도 2와 같이 생성된 최종 통신신호는 적외선 리모콘의 경우에 구형파를 사용하고 일반적인 통신에서는 사인파를 많이 사용한다.

도 3은 일실시예에 따른 대역통과필터를 도시한다.

도 4는 도 3에 도시된 대역통과필터에 비해 더 높은 Q(quality factor)를 갖는 대역통과필터를 도시한다.

상기 제1, 제2 능동형 대역통과필터는 사용하고자 하는 통신신호대역에서 사용 대역 이외의 신호를 감쇄시켜 억제하고 미약해진 신호대역의 통신신호를 증폭하는 역할을 담당한다. 더 자세하게는, 제1 능동형 대역통과필터는 송신 신호를 통신신호대역에 맞게 필터링하고 트랜스포머를 통해 전력선에 인가되어 멀리 전송될 때, 감쇄를 충분히 감당할 만한 강한 신호를 생성하는 역할을 한다. 제2 능동형 통과대역필터는 트랜스포머를 통하여 수신된 신호 중, 전력선에서의 전송 과정에서 인입된 잡음을 제거하고 미약해진 신호를 증폭하기 위하여 대역통과필터링과 증폭을 수행한다.

본 발명의 일실시예에 따르면 상기 두 개의 능동형 대역통과필터는 연산증폭기(operational amplifier: op-amp)와 저항, 커패시터, 인덕터를 사용하는 증폭기일 수 있다. 능동형 대역통과필터는 다양한 방법으로 사용될 수 있으며 전력선통신을 사용하고자 하는 환경의 특성에 따라서 다양하게 설계할 수 있으므로 본서에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 도 3 내지 4는 능동형 대역통과필터로 사용될 수 있는 연산증폭기들을 도시하고 있다. 도 3은 일반적인 간단한 대역통과 필터를 나타내며, 앞 부분에 고주파 통과 필터가 있고 뒷 부분에 저주파 통과 필터가 있어서, 전체적으로 대역통과필터를 형성하고 있다. 도 4는 도 3에 비하여 높은 Q(quality factor)를 갖는 대역통과필터를 도시한다. 각 소자들은 요구되는 환경에 따라서 임의의 값을 가질 수 있다. 도 3 내지 4에 도시된 예시 외에도 수동형 필터를 추가하여 사용할 수 있다. 또한 능동형 대역통과필터는 직류전원장치에서 발생하는 스위칭 잡음을 억제할 수 있다.

도 5는 일실시예에 따른 트랜스포머와 저주파 차단기의 연결 형태를 나타내고 있다.

도 5를 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 상기 트랜스포머(510)는 1차 측에 송신포트(513), 수신포트(514)를 포함하고, 2차 측에 전력선 포트(515)를 포함함을 알 수 있다. 송신 신호는 송신포트(513)에서 전력선포트(515)로 전달되고, 수신 신호는 전력선포트(515)에서 수신포트(514)로 전달된다.

상기 트랜스포머는 송신 포트, 수신 포트, 전력선 포트로 구성될 수 있다. 세 개의 포트 사이의 권선비는 요구되는 환경에 따라 임의의 값으로 조절될 수 있다. 일반적으로 송신 포트에서 전력선 포트로 통과할 때 다소 증폭되고, 전력선 포트에서 수신 포트로 통과할 때 다소 증폭되게 조절된다. 그러나, 환경에 따라 다양하게 조절하여 적용할 수 있다.

상기 저주파 신호 차단기는 전력 전달을 위해 전력선이 사용하는 DC 또는 (50~60Hz) AC 전원이 상기 전력선통신장치에 인입되는 것을 차단하기 위해 사용된다. 이 때, 저주파 차단기는 사용 주파수 대역의 통신 신호를 양방향으로 통과시키고 전력선에 흐르고 있는 DC 또는 (50~60Hz의) AC 전력을 차단할 수 있다. 적절한 용량의 커패시터를 사용하면 DC 또는 (50~60Hz의) AC를 제거할 수 있다. 또한 상기 트랜스포머의 전력선 포트의 양쪽에 모두 커패시터를 설치할 수 있고, 한 쪽에만 설치할 수도 있다. 두 경우 모두 용량만 적절히 조절하면 상기의 목적을 달성할 수 있다.

도 6a는 일실시예에 따른 포락선 검출기를 도시하고, 도 6b는 상기 포락선 검출기에 의한 검출 파형을 도시한다.

본 발명의 일실시예에 따른 기저대역 신호 검출기는 상기 제2 능동형 대역통과필터의 출력 신호로부터 반송파 신호를 제거하고 기저대역 데이터 신호만을 복원할 수 있다. 이와 같이 복원된 기저 대역 데이터 신호는 상기 마이크로컨트롤러에 입력되어 데이터 값으로 변환된다

상기 반송파에 실려 있는 데이터 신호만을 검출하는 기능을 실현하기 위한 간단한 방법 중 하나는 포락선 검출(envelop detection) 방법을 사용하는 것이다.

일실시예에 따르면, 상기 기저대역 신호 검출기는 다이오드와 저항과 커패시터로 구성되는 포락선 검출기일 수 있다. 도 6a는 일반적인 포락선 검출기를 나타낸다. 다이오드를 통과시키고 저항과 커패시터로 구성된 저주파 필터를 사용하면 반송파를 제거하고 데이터 신호만을 검출할 수 있다. 다이오드를 사용하여 (+) 영역의 신호만 통과하고, 여기에 저주파 필터를 통과시키면 리플(ripple)이 생기지만 데이터 신호를 복원할 수 있다. 예시적이며 국한하지 않는 방법으로 도 6a 내지 도 6b는 포락선 검출기를 사용하는 일반적인 일례를 나타낸 것이며 이외에도 다양한 방법과 보강 회로를 통하여 데이터 신호를 검출할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 상기 기저대역 신호 검출기는 자동 이득 조절 증폭기, 대역통과필터, 적분기를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 통상 적외선 리모콘 신호를 검출하기 위해 쓰이는 전치증폭기(preamplifier)의 응용이, 반송파로부터 데이터 신호를 검출할 수 있다. 즉, 상기 전치증폭기의 구조는 전력선 통신신호 검출기로서 사용될 수 있고, 이를 위해 증폭기, 대역통과필터, 적분기 등을 포함하여 반송파를 제거하고 데이터 신호를 검출할 수 있는 기능을 제공할 수 있다. 또한 단일 칩으로 생산되고 있고 부피도 작아 구현에 유리한 장점을 가지고 있다.

본 명세서의 청구항들에서, 특정 기능을 수행하기 위한 수단으로서 표현된 요소는 특정 기능을 수행하는 임의의 방식을 포괄하고, 이러한 요소는 특정 기능을 수행하는 회로 요소들의 조합, 또는 특정 기능을 수행하기 위한 소프트웨어를 수행하기 위한 적합한 회로를 포함할 수 있다.

본 명세서에서 본 발명의 원리들의 '일실시예' 등과 이런 표현의 다양한 변형들의 지칭은 이 실시예와 관련되어 특정 특징, 구조, 특성 등이 본 발명의 원리의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 표현 '일실시예에서'와, 본 명세서 전체를 통해 개시된 임의의 다른 변형례들은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.

본 명세서를 통해 개시된 모든 실시예들과 조건부 예시들은, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자가 독자가 본 발명의 원리와 개념을 이해하도록 돕기 위한 의도로 기술된 것으로, 당업자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 전력선 통신장치
110: 마이크로 컨트롤러
120: 제1 능동형 대역통과필터
130: 기저대역 신호 검출기
140: 제2 능동형 대역통과필터
150: 트랜스포머
160: 저주파 차단기
170: 전력선
210: 반송파의 파형
220: 데이터의 파형
230: 통신신호의 파형
300, 400: 대역통과필터
301, 401: 입력전압
302, 402: 출력전압
310, 410: 연산증폭기(OP AMP)
311, 411: 비반전 신호입력단자
312, 412: 반전 신호입력단자
320, 321, 421, 422: 커패시터
330, 331, 431, 432, 433: 저항
340, 441, 442: 접지
500: 트랜스포머와 저주파 차단기의 연결부
510: 트랜스포머
511: 제1 능동형 대역통과필터 연결부
512: 제2 능동형 대역통과필터 연결부
513: 송신포트
514: 수신포트
515: 전력선포트
520: 저주파 차단기
521, 522: 커패시터
530: 전력선 연결부

Claims (1)

1. 반송파 신호를 이용하여 데이터 신호를 변조하여 변조 신호를 생성하는 마이크로컨트롤러;
   상기 변조 신호 중 사용대역 신호를 증폭하는 제1 능동형 대역통과필터;
   상기 증폭된 상기 사용대역 신호를 전력선 통신에 대응하는 전압으로 변압하는 트랜스포머; 및
   상기 변압된 신호의 저주파 대역을 차단하고 전력선에 송신하는 저주파 차단기
   를 포함하는 전력선통신 장치.

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