KR20210032126A - 생체신호 검출을 위한 low-IF 레이더 센서, 시스템 및 이를 이용한 생체 신호 검출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이더 생체신호 검출을 위한 센서, 시스템 및 이를 이용한 생체 신호 검출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신호원에 의한 잡음 영향을 상세하면서도 널 감지 지점(Null detection point)이 없는 간단한 구조의 레이더 구조를 갖는 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 생체신호 검출 센서는 생명체를 향해 신호를 송신하는 송신부; 상기 생명체로부터 반사되는 신호를 수신하는 수신부; 및 상기 수신부에 직접 연결되어 스위칭 신호를 인가하는 스위칭 신호 인가부;를 포함할 수 있다.

Description

생체신호 검출을 위한 low-IF 레이더 센서, 시스템 및 이를 이용한 생체 신호 검출 방법{SENSOR, SYSTEM AND METHOD FOR DETECTING RADAR BIOSIGNAL}

본 발명은 생체신호 검출을 위한 low-IF 레이더 센서, 시스템 및 이를 이용한 생체 신호 검출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신호원에 의한 잡음 영향을 상세하면서도 널 감지 지점(Null detection point)이 없는 간단한 구조의 레이더 구조를 갖는 생체신호 검출 센서, 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근 레이더(radar)를 이용하여 사람의 생체신호를 검출하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적인 레이더 시스템은 송신 신호를 생명체에 전송하여 반사됨으로써 변조된 신호를 수신하는 시스템이다. 변조된 위상 신호는 시간에 따른 물체의 움직임에 대한 변위 정보를 포함한다. 이러한 효과를 이용한 레이더 생체신호 검출 장치는 사람의 심장박동과 호흡으로 야기되는 생리학적 움직임에 의해 변조된 신호를 수신하여 심장박동 수 또는 호흡 주기 등을 검출한다.

레이더는 비접촉 방식으로 멀리서 사람의 생체신호를 측정 할 수 있고 외부 환경에 영향을 받지 않는다는 장점이 있다. 따라서, 레이더를 활용한 생체신호 검출 센서는 환자의 심장박동 모니터링, 홈 헬스케어, 차량 운전자의 심장박동 상태 측정, 스마트 홈 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

사람의 생체 신호는 기본적으로 아주 낮은 주파수 0.1 Hz 내지 3Hz의 주파수를 가진 신호인데 레이더 수신기에서 깜빡임에 의한 노이즈(flicker noise), DC 오프셋(DC offset) 등 저주파 잡음에 영향을 매우 크게 받는다. 이러한 저주파 잡음은 일반적인 열 소음(thermal noise)에 비해 매우 높은 파워 스펙트럼 밀도(power spectral density)를 갖기 때문에 생체신호 레이더의 검출 가능 거리를 제한하는 문제점이 있다.

따라서, 먼 거리에서 생체신호를 검출하거나 신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio, SNR)를 증가시키기 위해서는 레이더 수신기의 저주파 잡음을 줄여야 한다. 일반적으로 하드웨어 구조가 간단하여 많이 사용되는 직접 변환 구조의 레이더 송수신기 구조는 DC 오프셋에 대한 영향을 크게 받는다는 점과 믹서와 기저 대역 증폭기의 깜빡임 노이즈 영향에 취약하다는 문제점이 존재한다.

이러한 직접 변환 구조의 단점을 극복하기 위해, 레이더 수신기의 저주파 대역 잡음을 줄이는 수신기 구조가 제안되어 왔다. 예를 들어, 생체신호 검출 레이더에 헤테로다인(heterodyne) 수신기 구조를 도입하거나, 코히어런트(coherent) low-IF 구조를 이용하여 레이더 수신기의 저주파 잡음을 피하고자 하였다. 하지만, 헤테로다인(heterodyne) 수신기 구조는 신호원의 위상 잡음을 상쇄하는 범위 상관관계(range-correlation) 효과를 적용할 수 없다는 단점이 있으며, 코히어런트(coherent) low-IF 구조는 하드웨어 구조가 매우 복잡하다는 단점이 있다.

이러한 구조들의 단점을 극복하기 위해, 간단한 구조로 중간 주파수 (Intermediate frequency, 이하 IF로 지칭함)를 이용하고자 송신부의 신호를 변조하는 방법이 제안되었다. 송신부의 신호를 변조하는 방법은 양면 밴드(double-side band)의 신호를 송신하게 되는데, 이로 인하여 피 측정자의 거리에 따라 신호가 검출되지 않는 널 감지 지점(null detection point)가 생기는 문제점이 발생한다. 이 문제점을 해결하기 위해 송신단에 추가적인 RF 필터를 사용하거나 IF 주파수를 조정해야하는 추가적인 문제점이 존재한다.

이하, 널 감지 지점(null detection point) 문제에 대하여 자세히 설명한다.

종래에 제안되었던 송신 신호를 변조하는 low-IF 레이더는 IF 주파수와 피 측정자의 거리에 따라 피 측정자의 생체신호가 검출되지 않는 널 감지 지점이 발생한다. 이러한 널 감지 지점이 발생하는 이유는 송신 신호를 변조하는 경우 양면 밴드(double-side band) 신호가 송신되기 때문이다.

레이더 송신부의 신호를 변조하는 경우,

,

주파수의 신호가 각각 물체의 움직임에 의해 위상 변조된다. 각각 위상 변조된 신호(

)를 레이더 수신부에서 수신하게 되는데 이는 다음과 같이 표현할 수 있다.

과

는 각각 양면 밴드(upper-side band 및 lower-side band)의 신호에 의해 변조된 위상 신호이며,

와

는 각각 피 측정자 거리에 따른 위상 오프셋이다.

이때, 두 위상 오프셋의 차이가 180도의 배수가 되면 어떤 신호도 검출되지 않는 널 지점이 된다. 즉, 양면 밴드를 송신하는 시스템에서는 레이더 및 물체의 거리에 따라 측정 민감도가 변하게 되는 문제점이 있으며, 이를 해결하기 위해서는 매 측정시 IF의 주파수를 조정해주어야 한다.

이와 같은 널 지점은 IF 주파수의 파장에 따라 일정한 간격으로 나타나는데, 저주파 잡음의 영향을 덜 받기 위해 IF 주파수를 증가시키면 널 지점과 최적 지점 사이의 간격이 좁아지게 된다. 따라서, 양면 밴드를 송신하는 시스템에서는 저주파 잡음의 크기와 널 지점 간격 사이에 상충 관계(trade-off)가 존재하기 때문에 IF 주파수를 높일 수 있는 한계가 존재한다.

이하, 종래기술로 사용되는 생체신호 검출을 위한 직접 변환 수신기를 사용하는 레이더 구조에 대하여 도 1을 참조하여 자세히 설명한다.

도 1은 생체신호 검출을 위한 종래기술 중 직접 변환 구조의 레이더를 나타낸다.

레이더는 하나의 수신기(120, RX)와 하나의 송신기(110, TX)로 구성되며, 간단한 구조를 위해 직접 변환 구조를 사용한다. 레이더 구조는 널 감지 지점 (Null detection point)에 대한 문제점을 해결하기 위해, I/Q 신호를 복조하는 구조를 취한다. 레이더의 송신부(110, TX)에서 단일 주파수의 지속파를 전파하고, 수신부(120, RX)에서 위상 변조된 신호를 수신함으로써, 인체의 심장박동과 호흡 신호를 검출한다.

직접 변환 구조를 갖는 레이더의 수신기는 믹서(130)와 기저대역 신호가 통과하는 증폭기, 필터 등에 의해 DC 오프셋과 깜빡임 노이즈 영향을 받는다. 일반적으로 사람의 생체 신호는 3Hz 이하의 낮은 주파수를 갖는 신호이기 때문에 측정의 정확도 또는 거리를 증가시키기 위해서 저주파 잡음을 줄여야 한다. 하지만, 종래 방식의 레이더 구조에서는 저주파 잡음의 영향을 그대로 받기 때문에 생체신호 레이더의 측정 거리에 한계가 존재한다.

도 2는 생체신호 검출을 위한 종래기술 중 Low-IF 구조의 레이더를 나타낸다.

도 2에 의한 Low-IF 구조의 레이더는 도 1에서 설명한 직접 변환 구조의 레이더의 단점을 극복하기 위해 송신 신호 변조를 이용한 양면밴드(double-side band) low-IF 레이더 구조를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 송신단(211)의 송신 신호를 양면 밴드(double-side band) 모듈레이션 하고 송신단(211)에 믹서(210) 하나만을 추가하여 간단하게 low-IF 구조의 레이더를 구현할 수 있다. 이러한 구조는 수신단(221)의 믹서(220)에서 발생하는 깜빡임 노이즈로부터 영향을 받지 않도록 수kHz ~ 수십 kHz의 신호의 IF 주파수를 사용함으로써 저주파 잡음을 피할 수 있다. 또한, 송신단(211)과 수신단(221)에 사용되는 RF 신호원(230)이 하나이기 때문에 도 2에 따른 레이더 구조는 범위 상관관계(range-correlation effect)를 적용하여 신호원의 위상 잡음을 상쇄할 수 있다는 장점이 있다.

하지만, 도 2와 같이 양면 밴드를 송신하는 시스템은 피 측정자의 거리에 따라 생체 신호가 검출되지 않는 널 감지 지점(null detection point)이 생기는 문제점을 갖는다. 이러한 문제점은 IF 주파수를 조절함으로써 조정 할 수 있지만, 실제 어플리케이션에 적용하기는 힘들다. 또한, 널 감지 지점 문제점을 해결하기 위해 송신단(211)에 RF 필터를 사용하여 단일면 밴드(single-side band)만을 송신하는 방법이 제안되었는데, 이 방법은 민감도가 높은 고주파에서 정밀한 필터를 구현하기 힘들기 때문에 비 현실적인 방법이 될 수 있다.

(KR) 특허출원 제 10-2018-0009521호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 레이더 생체신호 검출을 위한 센서, 시스템 및 이를 이용한 생체 신호 검출 방법을 제공하고자 한다.

보다 구체적으로, 본 발명은 1) 신호원의 위상 잡음에 대한 영향을 상쇄하는 범위 상관관계(range-correlation) 효과를 적용할 수 있으며, 2) 간단한 구조로 동작이 가능하고, 3) 신호가 검출되지 않는 널 감지 지점(null detection point)이 없는 스위치 기반의 low-IF 레이더 구조를 갖는 생체신호 검출 센서, 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 또한, IF 신호를 디지털 단에서 복조하는 디지털 신호처리 방법을 적용하여 매우 간단한 하드웨어로 레이더의 저주파 잡음에 영향을 받지 않는 생체신호 레이더 센서 및 그 운용방법을 제안한다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 생체신호 검출 센서는 생명체를 향해 신호를 송신하는 송신부; 상기 생명체로부터 반사되는 신호를 수신하는 수신부; 및 상기 수신부에 직접 연결되어 스위칭 신호를 인가하는 스위칭 신호 인가부;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 신호 인가부는 스위치 또는 믹서를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 신호는 중간대역 주파수인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 생체 신호 검출 센서는 신호원 주파수 제거부를 더 포함하고, 상기 신호원 주파수 제거부는, 상기 송신부에 연결된 신호원에 직접 연결되고, 상기 신호원에서 출력되는 신호를 I/Q 실수부-복소부 신호로 변조하는 I/Q 변조기; 상기 I/Q 변조기를 통해 변조된 신호 중 실수부 신호 및 상기 스위칭 신호 인가부를 통해 변조된 신호를 결합하는 제1 믹서; 및 상기 I/Q 변조기를 통해 변조된 신호 중 복소부 신호 및 상기 스위칭 신호 인가부를 통해 변조된 신호를 결합하는 제2 믹서;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 생체 신호 검출 센서는 상기 제1 믹서의 출력을 샘플링하는 제1 아날로그-디지털 변환기 및 상기 제2 믹서의 출력을 샘플링하는 제2 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 생체 신호 검출 센서는 상기 제1 아날로그-디지털 변환기의 출력 및 상기 제2 아날로그-디지털 변환기의 출력에 대하여 각각 반송파(carrier) 신호를 반영하여 기저대역 신호로 변환함으로써 상기 출력을 복조하는 하향 변환 복조부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하향 변환 복조부는, 제1 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 실수부 신호(I_IF)에 대하여 제1 직교 반송파 신호(I_c[n])를 곱하는 제3 믹서; 상기 제1 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 실수부 신호(I_IF)에 대하여 제2 직교 반송파 신호(I_c[n])의 음(-)의 값을 곱하는 제4 믹서; 상기 제2 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 복소부 신호(Q_IF)에 대하여 제2 직교 반송파 신호(Q_c[n])를 곱하는 제5 믹서; 상기 제2 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 복소부 신호(Q_IF)에 대하여 제1 직교 반송파 신호(I_c[n])를 곱하는 제6 믹서; 상기 제3 믹서의 출력과 상기 제5 믹서의 출력을 더하는 제7 믹서; 및 상기 제4 믹서의 출력과 상기 제6 믹서의 출력을 더하는 제8 믹서를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 생체 신호 검출 시스템은 레이더 생체 신호 검출 센서를 포함하고, 상기 생체 신호 검출 센서의 출력 신호를 복소(complex) 신호 복조 알고리즘 또는 아크탄젠트(arctangent) 복조 알고리즘을 이용하여 생체신호를 검출하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검출 방법은, 송신부가 생명체에 레이더 신호를 송신하는 단계; 신부가 상기 생명체로부터 반사된 레이더 신호를 수신하는 단계; 및 상기 수신부에 직접 연결된 스위칭 신호 인가부가 스위칭 신호를 인가하여 상기 반사된 레이더 신호를 변조하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 신호는 중간대역 주파수(Intermediate frequency, IF)인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검출 방법은 신호원 주파수 제거부가 상기 스위칭 신호 인가부를 통해 변조된 신호를 I/Q 변조기, 제1 믹서 및 제2 믹서를 이용하여 신호원 주파수를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 I/Q 변조기는 상기 송신부에 연결된 신호원에 직접 연결되고, 상기 신호원에서 출력되는 신호를 I/Q 실수부-복소부 신호로 변조하고, 상기 제1 믹서는 상기 I/Q 변조기를 통해 변조된 신호 중 실수부 신호 및 상기 스위칭 신호 인가부를 통해 변조된 신호를 결합하고, 상기 제2 믹서는 상기 I/Q 변조기를 통해 변조된 신호 중 복소부 신호 및 상기 스위칭 신호 인가부를 통해 변조된 신호를 결합하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검출 방법은 제1 아날로그-디지털 변환기가 상기 제1 믹서의 출력을 샘플링하고, 제2 아날로그-디지털 변환기가 상기 제2 믹서의 출력을 샘플링하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검출 방법은 하향 변환 복조부가 상기 제1 아날로그-디지털 변환기의 출력 및 상기 제2 아날로그-디지털 변환기의 출력에 대하여 각각 반송파(carrier) 신호를 반영하여 기저대역 신호로 변환함으로써 상기 출력을 복조하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 상기 하향 변환 복조부가 출력을 복조하는 단계는, 제3 믹서가 상기 제1 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 실수부 신호(I_IF)에 대하여 제1 직교 반송파 신호(I_c[n])를 곱하는 단계; 제4 믹서가 상기 제1 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 실수부 신호(I_IF)에 대하여 제2 직교 반송파 신호(Q_c[n])의 음(-)의 값을 곱하는 단계; 제5 믹서가 상기 제2 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 복소부 신호(Q_IF)에 대하여 제2 직교 반송파 신호(I_c[n])를 곱하는 단계; 제6 믹서가 상기 제2 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 복소부 신호(Q_IF)에 대하여 제1 직교 반송파 신호(I_c[n])를 곱하는 단계; 제7 믹서가 상기 제3 믹서의 출력과 상기 제5 믹서의 출력을 더하는 단계; 및 제8 믹서가 상기 제4 믹서의 출력과 상기 제6 믹서의 출력을 더하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검출 방법은 생체 신호 검출 센서의 출력 신호를 복소(complex) 신호 복조 알고리즘 또는 아크탄젠트(arctangent) 복조 알고리즘을 이용하여 생체신호를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 검출을 위한 low-IF 레이더 센서, 시스템 및 이를 이용한 생체 신호 검출 방법은 레이더 수신기 앞 단에 스위치 또는 믹서가 배치되어 있는 구조를 취한다. 이러한 구조를 통해 수신 신호를 변조함으로써, 수신기의 저주파 잡음에 따른 영향을 줄이고자 하였다.

기존의 직접 변환 수신기를 이용하는 레이더는 믹서와 기저대역 증폭기 등의 회로로부터 저주파 잡음에 의한 영향을 크게 받기 때문에, 먼 거리에서의 생체신호 측정이 불가능한 문제점이 있었지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 더 넓은 범위에서의 생체신호 검출이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 스위칭 수신기를 이용한 low-IF 레이더는 종래에 제안된 여러가지의 low-IF 레이더의 단점을 극복 할 수 있다.

본 발명은 1) 신호원의 위상 잡음에 대한 영향을 상쇄하는 범위 상관관계(range-correlation) 효과를 적용할 수 있으며, 2) 간단한 구조로 동작이 가능하고, 3) 신호가 검출되지 않는 널 감지 지점(null detection point)이 없는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 IF 신호를 디지털 단에서 복조하는 디지털 신호처리 방법은 직접 IF 반송파(carrier)를 생플링하지 않더라도 디지털 단에서 생성된 IF 반송파(carrier)의 위상 오프셋에 의한 영향을 받지않고 수신한 IF 신호를 복조 할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서를 이용하면, 광 범위에서 사람의 존재 유무, 호흡 신호, 그리고 심장박동 신호를 검출 할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서를 이용한 시스템은 기존의 다른 low-IF 레이더에 비해 간단한 하드웨어 구조를 갖기 때문에, 추가적인 전력 소모나 비용이 크지 않아 비용이 효율적인 장점도 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 생체신호 검출을 위한 종래기술 중 직접 변환 구조의 레이더를 나타낸다.
도 2는 생체신호 검출을 위한 종래기술 중 Low-IF 구조의 레이더를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 생체신호 검출 센서의 회로 구조를 나타낸다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 신호 인가부가 스위치로 구성된 것을 나타내고, 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위칭 신호 인가부가 믹서로 구성된 것을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 신호(IF)를 이용하는 원리를 주파수 도메인에서 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하향 변환 복조부의 블록도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 IF 반송파 신호와 수신한 IF 신호 사이의 코히어런스를 나타낸다.
도 8은 도 7에서 나타난 위상 차로 인하여 왜곡된 복조 신호를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 기저대역 신호를 복조한 결과를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더와 종래의 직접변환 수신기 구조의 레이더의 성능을 비교하기 위한 실험 설계를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더의 성능을 측정하는 환경을 나타낸다.
도 12는 사람이 존재하지 않는 경우에서 본 발명과 종래의 레이더 성능을 비교한 실험 결과(주파수 도메인 스펙트럼)를 나타낸다.
도 13은 피 측정자가 3 m 거리에 존재하는 경우에서 검출된 생체신호 파형을 비교한 것으로, 도13a는 종래의 직접변환 수신기 구조의 레이더의 결과이며, 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더의 결과이다.
도 14는 피 측정자가 3 m 거리에 존재하는 경우에서 본 발명과 종래의 레이더 성능을 비교한 실험 결과(주파수 도메인 스펙트럼)를 나타낸다.
도 15는 피 측정자가 6 m 거리에 존재하는 경우에서 검출된 생체신호 파형을 비교한 것으로, 도 15a는 종래의 직접변환 수신기 구조의 레이더의 결과이며, 도 15b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더의 결과이다.
도 16은 피 측정자가 6 m 거리에 존재하는 경우에서 본 발명과 종래의 레이더 성능을 비교한 실험 결과(주파수 도메인 스펙트럼)를 나타낸다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검출 방법의 순서도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, "제 1"및 "제 2"라는 용어는 본 명세서에서 구별 목적으로만 사용되며, 어떠한 방식으로도 서열 또는 우선 순위를 나타내거나 예상하는 것을 의미하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

명세서 전체에서, I는 실수부(real part)을 의미하고, Q는 복소부(imaginary part)을 의미하며, f는 주파수를 의미하며, f_LO는 신호원의 주파수를 의미하는 것으로 지칭될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 생체신호 검출 센서의 회로 구조를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 생체신호 검출 센서의 회로 구조는 수신부(320)에 스위칭 신호를 인가하는 스위칭 신호 인가부(330)가 직접 연결되어 있는 구조를 가진다. 즉, 본 발명은 수신부(320) 앞 단에 스위칭 신호 인가부(330)가 배치되어 있는 점을 특징으로 한다.

본 발명의 수신부(320)는 송신부(310)에서 생명체를 향해 레이더 신호를 송신하면, 생명체로부터 반사되는 신호를 수신할 수 있다.

도 4는 스위칭 신호 인가부의 서로 다른 실시예를 나타낸 것으로, 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 신호 인가부가 스위치(331)로 구성된 것을 나타내고, 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위칭 신호 인가부가 믹서(332)로 구성된 것을 나타낸다.

스위칭 신호 인가부(330)는 중간대역 주파수(Intermediate Frequency, IF)의 신호를 회로에 인가하며, 도 4a와 같이 스위치 형태로 구성되거나, 도 4b와 같이 믹서로 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 생체신호 검출 센서의 회로는 스위칭 신호 인가부(330)의 후단에 신호원 주파수 제거부를 포함할 수 있다. 신호원 주파수 제거부는 중간 주파수(IF)에 의해 변조된 수신 신호로부터 신호원 주파수를 제거할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 신호원 주파수 제거부는 상기 송신부(310)에 연결된 신호원(340), 신호원(340)에 직접 연결된 I/Q 변조기(360), 제1믹서(350), 및 제2믹서(370)를 포함할 수 있다.

I/Q 변조기(360)는 상기 신호원(340)에서 출력되는 신호를 I/Q 실수부-복소부 신호로 변조하고, 제1 믹서(350)는 I/Q 변조기(360)를 통해 변조된 신호 중 실수부 신호와 상기 스위칭 신호 인가부(330)를 통해 변조된 신호를 결합하며, 제2 믹서(370)는 I/Q 변조기(360)를 통해 변조된 신호 중 복소부 신호와 상기 스위칭 신호 인가부(330)를 통해 변조된 신호를 결합할 수 있다.

상기 신호원 주파수 제거부를 통해 신호원 주파수가 제거된 I/Q 신호는 A/D 컨버터(380)를 통해 디지털 신호로 변환된 후, IF-BB 하향 변환 복조 될 수 있다. 하향 변환 복조에 관하여는 도X를 참조하여 후술한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 검출 센서의 회로 구조는 레이더에서 수신부의 저주파 잡음을 피하여 신호 대 잡음 비(SNR)를 향상시킬 수 있다.

먼저, 송신부(310)에서 신호를 전파한 후, 수신부(320)는 물체에 의해 반사된 신호를 수신한다. 반사된 신호는 물체의 움직임에 의해 위상 변조된 신호이며, 변조된 위상으로부터 사람의 호흡, 심박 등의 생체신호 얻을 수 있다. 이와 같이 송신 신호원(340)의 주파수가

일 때 변조된 위상신호를

라고 하면 수신부(320)에서 수신하는 신호

는 아래와 같이 나타낼 수 있다.

이때,

는 신호원의 위상 잡음을 나타내며

는 송수신 거리에 의한 시간지연을 나타낸다. 또, 심장박동신호

, 호흡신호

, 그리고 신호원의 파장을

라고 할 때,

는 아래와 같이 나타낼 수 있다.

선술한 바와 같이, 종래의 기술에서는 수신부(320)인 안테나로부터 수신되는 신호

를 직접 변환하게 되면 저주파 잡음의 영향을 그대로 받는 문제가 있다. 도 3과 같이 본 발명의 일 실시예에 따라 제안하는 회로 구조는 수신기 앞 단에 스위칭 신호 인가부(330)를 배치함으로써, 스위칭 신호 인가부(330)의 스위칭 동작을 통해 수신 신호를 변조할 수 있다. 스위칭 신호(IF)의 주파수와 초기 위상을 각각

,

라고 할 때, 스위치(331)를 통과한 신호

는 다음 수학식 3과 같이 표현된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 신호(IF)를 이용하는 원리를 주파수 도메인에서 나타낸 것이다.

스위칭 신호(IF, 51)의 의해 변조된 수신 신호(52)는

,

에 위치하게 된다. 본 발명은 LO 신호원 주파수(53, 54)에 의한 널 감지 지점을 피하기 위해, I/Q 믹서인 제1 믹서(350) 및 제2 믹서(370)를 이용하여, 상기 수신 신호(52)를 IF 신호로 변환한다.

I/Q 믹서인 제1 믹서(350) 및 제2 믹서(370)를 거쳐 하향 변환된

,

신호는 각각 아래 수학식 4로 나타낼 수 있다.

LO 신호원의 잔여 위상잡음인

는 범위 상관 관계(range-correlation) 효과에 의해 상쇄 될 수 있기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 회로 구조는 고주파 신호원의 위상잡음에 영향을 받지 않는다.

상기 수학식 4와 같이 하향 변환된

,

신호는 IF 주파수(51)에 위치해 있기 때문에 믹서와 기저대역 증폭기의 저주파 잡음의 영향을 받지 않는다.

제1 믹서(350) 및 제2 믹서(370)에 의해 변환된 신호는 도 3과 같이, 아날로그-디지털 변환기(380)를 통해 샘플링하여 처리하게 되고, 이를 통해 레이더 수신기 잡음(5a)으로부터의 영향을 최소화 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 레이더 생체신호 검출 센서의 회로 구조는 레이더의 수신부(320)에서 변조를 통해 주파수

,

를 갖는 신호가 생성되기 때문에 IF 주파수에 의해 널 감지 지점이 발생하지 않는 효과가 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하향 변환 복조부의 블록도를 나타낸다.

도 6을 참고하여, 아날로그-디지털 변환기(380)를 통해 샘플링된 IF 신호(I_IF, Q_IF)를 기저대역 신호로 복조하는 비-동기 복조 방법(unsynchronized demodulation)을 설명한다.

도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하향 변환 복조부(390)는 대역 통과 필터, 반송파 신호(carrier)를 곱하는 복수의 믹서들(391, 392, 393, 394), 믹서들의 출력값들을 결합하는 복수의 믹서들(395, 396)을 포함할 수 있다.

반송파 신호(carrier)를 곱하는 복수의 믹서들(391, 392, 393, 394)은 제1 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 실수부 신호(I_IF)에 대하여 제1 직교 반송파 신호(I_c[n])를 곱하는 제3 믹서(391); 상기 제1 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 실수부 신호(I_IF)에 대하여 제2 직교 반송파 신호(I_c[n])의 음(-)의 값을 곱하는 제4 믹서(392); 상기 제2 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 복소부 신호(Q_IF)에 대하여 제2 직교 반송파 신호(I_c[n])를 곱하는 제5 믹서(393); 상기 제2 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 복소부 신호(Q_IF)에 대하여 제1 직교 반송파 신호(I_c[n])를 곱하는 제6 믹서(394)를 포함할 수 있다.

믹서들의 출력값들을 결합하는 복수의 믹서들은 상기 제3 믹서(391)의 출력과 상기 제5 믹서(393)의 출력을 더하는 제7 믹서(395); 및 상기 제4 믹서(392)의 출력과 상기 제6 믹서(394)의 출력을 더하는 제8 믹서(396)를 포함할 수 있다.

이하, 도 6을 참조하여, 하향 변환 복조부에서 샘플링된 신호를 복조하는 디지털 신호처리 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

생체신호의 움직임에 의해 변조된 위상 신호를 얻기 위해서는 아날로그-디지털 변환기를 거쳐 샘플링된 신호를 디지털 단에서 복조해야 한다. 즉, IF 변조된 신호로부터 IF 신호를 제거한 후 원하는 생체신호 신호만을 얻는 방법이 필요하다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 IF 반송파 신호와 수신한 IF 신호 사이의 코히어런스를 나타내고, 도 8은 도 7에 나타난 위상 차(

)로 인하여, 왜곡된 복조 신호를 나타낸다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반송파 신호(IF carrier)를 반영하여 샘플링된 신호를 복조하는데, 하향 변환 복조부는 도 7에서 나타난 바와 같이, 수신한 IF 신호(71)와 디지털단에서 생성된 IF 반송파 신호(72) 사이의 코히어런시(coherency)가 맞지 않아도(

발생) 왜곡없이 원하는 신호를 복조할 수 있다.

수신된 IF 신호의 실수부(in-phase) 신호와 IF 반송파(carrier) 신호 사이의 coherency가 맞지 않으면(), 도 8과 같이

만큼 신호의 감쇄가 일어나게 된다. 보다 구체적으로,

가 0°인 경우(81)는 신호 감쇄가 일어나지 않고,

가 45°인 경우(82), 60°인 경우(83) 각각 신호 감쇄가 순차적으로 감쇄된 것을 확인할 수 있으며,

가 90°인 경우(84)에는 신호가 완전히 감쇄되어 복조되지 않는다. 즉,

가 π/2+kπ 만큼 차이가 나면 원하는 신호가 복조 되지 않는 문제가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 신호를 복조하는 방법을 구체적으로 설명하면, 먼저 샘플링된

,

신호는 각각 대역 통과 필터를 거쳐 아웃 밴드(out-band) 주파수에 존재하는 잡음들이 제거된다.

샘플링된

,

신호는 상술한 수학식 4로부터 아래 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

IF 신호를 하향 변환하기 위해 사용하는 직교 IF 반송파(quadrature IF carrier)는 디지털단에서 생성되고, 아래 수학식 6과 같이

,

로 표현될 수 있다.

상기 IF 반송파의 실수부

는 제3믹서(391) 및 제6믹서(394)에 인가되고, 상기 IF 반송파의 복소부

는 제4믹서(392) 및 제5 믹서(393)에 인가될 수 있다.

이때, 수신된 IF 신호의 실수부(in-phase) 신호인

와 IF 반송파 신호

를 곱하여 신호를 복조하면, 아래 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.

상술한 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 디지털 IF carrier 신호와 수신된 IF 신호 사이의 coherency 문제는, 직교 IF 반송파 신호 사이의 곱을 이용하여 해결될 수 있다. 수신된 IF 신호의 실수부(in-phase) 신호와 복소부(quadrature phase) 신호

,

각각을

,

사이의 곱으로 표현하면, 아래와 같다.

수학식 8은 도 6의 제3 믹서(391)에서 얻을 수 있고, 수학식 9는 제4 믹서(392)에서, 수학식 11은 제5믹서(393), 수학식 10은 제6 믹서(394)에서 얻을 수 있다.

위의 결과를 이용하여 두 신호 사이의 위상 오프셋에 영향을 받지 않는 기저대역 신호

와

는 각각 도 6의 제7믹서(395) 및 제8 믹서(396)를 통해 아래 수학식 12와 같이 얻을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 기저대역 신호

와

를 복조하면, 도 9에 나타난 바와 같이,

에 의해 신호의 감쇄가 일어나지 않는 기저대역 신호를 얻을 수 있게 된다. 즉,

가 0°인 경우(91),

가 45°인 경우(92),

가 60°인 경우(93) 및

가 90°인 경우(94) 모두에서 신호가 감쇄되지 않을 것을 확인할 수 있다.

상술한 복조 과정을 거쳐 얻은 신호를 기존의 생체신호 검출 레이더에서 사용되는 complex signal demodulation (CSD) 또는 arctangent demodulation (AD)에 이용하면 생체 신호

를 검출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 IF 복조 방법은 실제 수신된 IF 신호와 IF 신호를 하향 변환하는데 사용되는 carrier 신호 사이에 동기화를 필요로 하지 않는다. 따라서, 실제 조정에 사용되는 IF 반송파를 추가적인 아날로그-디지털 변환기를 통해 샘플링할 필요가 없다. 또한, 종래에 사용되었던 envelope detection을 이용하는 복조 방법은 harmonic frequency가 생성되는 문제가 있지만, 본 발명에 따른 IF 복조 방법은 종래에 발생하였던 harmonic frequency로부터 자유롭다는 장점이 있다.

이하 본 발명의 효과를 입증하는 실험을 수행하고, 그 실험 결과에 대하여 설명한다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더와 종래의 직접변환 수신기 구조의 레이더의 성능을 비교하기 위한 실험 설계를 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 구조(1000)와 종래의 직접변환 수신기 구조(2000)를 병렬 설계하여 비교하였다.

측정방법

본 발명의 일 실시예에 따라 제안한 스위칭 수신기(330)를 이용한 low-IF 레이더의 동작을 검증하기 위해, 여러 번의 측정과 시뮬레이션을 진행하였다. 동등한 비교를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 구조(1000)의 레이더와 종래의 직접변환 구조의 레이더(2000) 각각을 이용하여 동시에 측정을 진행하였다. 실험에서 하나의 송신부를 이용하고, 하나의 수신부 안테나로부터 입력되는 레이더 신호를 파워 분류기(power splitter)를 이용하였다.

실험에 사용된 레이더 센서로 상용 24GHz RF 송신 모듈 및 수신 모듈 BGT24MTR12를 사용하였으며, 제안된 스위칭 수신기(330)에 사용되는 스위치는 ADRF5020로 24GHz에서 약 2dB의 손실을 갖는다. 송신 신호의 파워는 3dB, 송신, 수신 안테나의 이득은 14dBi, 수신기의 잡음 지수는 12dB 이며 수신기 전체의 이득은 36 dB이다. 또, IF 주파수의 경우 1kHz 또는 10kHz를 사용하였으며, 아날로그-디지털 변환기의 샘플링 주파수는 50kHz이고 한번 측정 시 20초 동안 측정을 진행하였다.

측정 장면의 예시는 도 11와 같으며, 레이더 성능을 검증하기 위해 사람이 존재하지 않는 경우(i), 사람이 3 m 거리에 존재하는 경우(ii), 그리고 사람이 6 m 거리에 존재하는 경우(iii)에 대하여 각각 측정하여 비교하였다. 도 11에서 피 측정자(300)는 가만히 서있는 상태에서 안정된 호흡을 유지 하였다.

측정결과

먼저 어떤 사람도 존재 하지 않을 때(i) 측정을 진행하였다. 이때, 어떤 물체의 움직임도 검출되지 않기 때문에 레이더 수신기와 신호원의 잔여 위상잡음만 측정된다.

도 12는 사람이 존재하지 않는 경우에서 본 발명과 종래의 레이더 성능을 비교한 실험 결과(주파수 도메인 스펙트럼)를 나타낸다.

검출되는 타겟 신호가 존재하지 않기 때문에 도 12에 따른 결과는 정규화 하지 않고 비교한 결과이다. 사람이 존재하지 않는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 사용한 결과(12)는 0Hz 주변의 저주파 잡음의 크기가 직접 변환 수신기를 사용한 결과(11)에 비해 현저히 줄어들었다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 low-IF 레이더는 믹서와 기저대역 증폭기의 저주파 잡음의 영향을 받지 않기 때문에, 측정결과 약 12.8 dBmV/Hz 만큼 줄어든 것을 확인할 수 있다.

다음으로, 피 측정자가 3 m 거리에 존재하는 경우(ii), 앞선 측정과 같은 방법으로 측정을 진행하였다.

도 13은 피 측정자가 3 m 거리에 존재하는 경우에서 검출된 생체신호 파형을 비교한 것으로, 도13a는 종래의 직접변환 수신기 구조의 레이더의 결과이며, 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더의 결과이다.

도 14는 피 측정자가 3 m 거리에 존재하는 경우에서 본 발명과 종래의 레이더 성능을 비교한 실험 결과(주파수 도메인 스펙트럼)를 나타낸다.

도 14를 참조하면, 피 측정자(300)가 존재하는 경우 피 측정자의 호흡(Breathing)은 0.191Hz에서, 심장박동(Heart beat) 신호는 1.001Hz에서 검출되는 것을 확인 할 수 있다. 이 경우 두 레이더에서 발생하는 잡음 간의 동등한 비교를 위해, 검출된 호흡신호의 크기로 정규화하여 비교를 진행하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 low-IF 레이더와 직접-변환 수신기를 이용하는 레이더에서 모두 같은 생체신호가 검출되는 것을 도 13a, 도 13b 및 도 14를 통해 확인 할 수 있다.

그러나, 도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 low-IF 레이더의 결과(15)는 직접-변환 수신기를 이용하는 레이더의 결과(14)에 비해 생체 신호 주변에 존재하는 저주파 잡음이 훨씬 줄어들었다. 측정된 생체신호 주변에 존재하는 저주파 잡음의 크기는 본 발명에서 약 12.9 dBmV/Hz 정도 감소하였다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따라 스위칭 수신기를 이용한 low-IF 레이더를 이용함으로써, 향상된 신호 대 잡음비로 생체신호를 검출 할 수 있다.

마지막으로 피 측정자가 6 m 거리에 존재하는 경우(iii)에서 실험을 진행하였다. 도 15는 피 측정자가 6 m 거리에 존재하는 경우에서 검출된 생체신호 파형을 비교한 것으로, 도 15a는 종래의 직접변환 수신기 구조의 레이더의 결과이며, 도 15b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더의 결과이다.

도 16은 피 측정자가 6 m 거리에 존재하는 경우에서 본 발명과 종래의 레이더 성능을 비교한 실험 결과(주파수 도메인 스펙트럼)를 나타낸다.

피 측정자가 6 m 거리에 존재하는 경우(iii)는 피 측정자가 3 m에 위치할 때보다 반사되어 수신되는 신호의 크기가 약 12 dB 작아지게 된다. 안테나로부터 수신되는 신호의 크기가 작아지게 되면, 레이더 수신기 잡음에 신호가 묻히기 때문에 신호가 제대로 수신되지 않는 경우가 발생할 수 있다.

도 16을 참조하면, 종래의 직접-변환 수신기를 사용한 결과(16)는 호흡(Breathing)나 심장박동(Heartbeat)과 같은 사람의 생체신호가 제대로 검출되지 않는 걸 보여준다. 반면 본 발명의 일 실시예에 따라 스위칭 수신기를 이용한 low-IF 레이더의 결과(17)는 호흡(Breathing) 신호는 0.238 Hz에서, 심장박동(Heartbeat) 신호는 0.91 Hz에서 검출되는 것을 나타낸다.

또한, 본 발명은 직접변환 레이더에 비해 저주파 잡음의 크기가 약 16 dBmV/Hz 감소하였다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용하면 기존의 직접변환 레이더 구조에 비해 더 넓은 범위에서 사람의 존재 유무를 파악할 수 있으며, 그 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검출 방법의 순서도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검출 방법은 송신부가 생명체에 레이더 신호를 송신하는 단계(S100); 수신부가 상기 생명체로부터 반사된 레이더 신호를 수신하는 단계(S110); 및 스위칭 신호 인가부가 스위칭 신호를 인가하여 상기 반사된 레이더 신호를 변조하는 단계(S120); 신호원 주파수 제거부가 상기 스위칭 신호 인가부를 통해 변조된 신호를 I/Q 변조기, 제1 믹서 및 제2 믹서를 이용하여 신호원 주파수를 제거하는 단계(S130); 제1 아날로그-디지털 변환기가 상기 제1 믹서의 출력을 샘플링하고, 제2 아날로그-디지털 변환기가 상기 제2 믹서의 출력을 샘플링하는 단계(S140); 하향 변환 복조부가 상기 샘플링된 출력에 대하여 각각 반송파(carrier) 신호를 반영하여 기저대역 신호로 변환함으로써 상기 출력을 복조하는 단계(S150) 및 복조된 신호로부터 생체신호를 검출하는 단계(S160)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검출 방법에 관한 설명은 레이더 생체 신호 검출 센서 및 그 시스템에 관한 설명이 동일하게 적용될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

300 : 생명체
310 : 송신부
320 : 수신부
330 : 스위칭 신호 인가부
331 : 스위치
332 : 믹서
340 : 신호원
350 : 제1 믹서
360 : I/Q 변조기
370 : 제2 믹서
380 : 아날로그-디지털 변환기
390 : 하향 변환 복조부

Claims (15)

1. 레이더 생체신호 검출 센서에 있어서,
   생명체를 향해 신호를 송신하는 송신부;
   상기 생명체로부터 반사되는 신호를 수신하는 수신부; 및
   상기 수신부에 직접 연결되어 스위칭 신호를 인가하는 스위칭 신호 인가부;를 포함하는 레이더 생체신호 검출 센서.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 스위칭 신호 인가부는 스위치 또는 믹서를 포함하는 레이더 생체신호 검출 센서.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 스위칭 신호는 중간대역 주파수(Intermediate frequency, IF) 인 것을 특징으로 하는 레이더 생체신호 검출 센서.
4. 제 1항에 있어서,
   신호원 주파수 제거부를 더 포함하고,
   상기 신호원 주파수 제거부는,
   상기 송신부에 연결된 신호원에 직접 연결되고, 상기 신호원에서 출력되는 신호를 I/Q 실수부-복소부 신호로 변조하는 I/Q 변조기;
   상기 I/Q 변조기를 통해 변조된 신호 중 실수부 신호 및 상기 스위칭 신호 인가부를 통해 변조된 신호를 결합하는 제1 믹서; 및
   상기 I/Q 변조기를 통해 변조된 신호 중 복소부 신호 및 상기 스위칭 신호 인가부를 통해 변조된 신호를 결합하는 제2 믹서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 생체 신호 검출 센서.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 제1 믹서의 출력을 샘플링하는 제1 아날로그-디지털 변환기 및
   상기 제2 믹서의 출력을 샘플링하는 제2 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 레이더 생체 신호 검출 센서.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 아날로그-디지털 변환기의 출력 및 상기 제2 아날로그-디지털 변환기의 출력에 대하여 각각 반송파(carrier) 신호를 반영하여 기저대역 신호로 변환함으로써 상기 출력을 복조하는 하향 변환 복조부를 더 포함하는 레이더 생체 신호 검출 센서.
7. 제6항에 있어서,
   상기 하향 변환 복조부는,
   제1 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 실수부 신호(I_IF)에 대하여 제1 직교 반송파 신호(I_c[n])를 곱하는 제3 믹서;
   상기 제1 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 실수부 신호(I_IF)에 대하여 제2 직교 반송파 신호(Q_c [n])의 음(-)의 값을 곱하는 제4 믹서;
   상기 제2 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 복소부 신호(Q_IF)에 대하여 제2 직교 반송파 신호(Q_c[n])를 곱하는 제5 믹서;
   상기 제2 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 복소부 신호(Q_IF)에 대하여 제1 직교 반송파 신호(I_c[n])를 곱하는 제6 믹서;
   상기 제3 믹서의 출력과 상기 제5 믹서의 출력을 더하는 제7 믹서; 및
   상기 제4 믹서의 출력과 상기 제6 믹서의 출력을 더하는 제8 믹서를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 생체 신호 검출 센서.
8. 제1항 내지 제7항에 따른 레이더 생체 신호 검출 센서를 포함하고,
   상기 생체 신호 검출 센서의 출력 신호를 복소(complex) 신호 복조 알고리즘 또는 아크탄젠트(arctangent) 복조 알고리즘을 이용하여 생체신호를 검출하는 레이더 생체 신호 검출 시스템.
9. 생체 신호 검출 방법에 있어서,
   송신부가 생명체에 레이더 신호를 송신하는 단계;
   수신부가 상기 생명체로부터 반사된 레이더 신호를 수신하는 단계; 및
   상기 수신부에 직접 연결된 스위칭 신호 인가부가 스위칭 신호를 인가하여 상기 반사된 레이더 신호를 변조하는 단계를 포함하는 생체 신호 검출 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 스위칭 신호는 중간대역 주파수(Intermediate frequency, IF) 인 것을 특징으로 하는 레이더 생체 신호 검출 검출 방법.
11. 제9항에 있어서,
    신호원 주파수 제거부가 상기 스위칭 신호 인가부를 통해 변조된 신호를 I/Q 변조기, 제1 믹서 및 제2 믹서를 이용하여 신호원 주파수를 제거하는 단계를 더 포함하고,
    상기 I/Q 변조기는 상기 송신부에 연결된 신호원에 직접 연결되고, 상기 신호원에서 출력되는 신호를 I/Q 실수부-복소부 신호로 변조하고,
    제1 믹서는 상기 I/Q 변조기를 통해 변조된 신호 중 실수부 신호 및 상기 스위칭 신호 인가부를 통해 변조된 신호를 결합하고,
    상기 제2 믹서는 상기 I/Q 변조기를 통해 변조된 신호 중 복소부 신호 및 상기 스위칭 신호 인가부를 통해 변조된 신호를 결합하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 검출 방법.
12. 제11항에 있어서,
    제1 아날로그-디지털 변환기가 상기 제1 믹서의 출력을 샘플링하고, 제2 아날로그-디지털 변환기가 상기 제2 믹서의 출력을 샘플링하는 단계를 더 포함하는 생체 신호 검출 방법.
13. 제12항에 있어서,
    하향 변환 복조부가 상기 제1 아날로그-디지털 변환기의 출력 및 상기 제2 아날로그-디지털 변환기의 출력에 대하여 각각 반송파(carrier) 신호를 반영하여 기저대역 신호로 변환함으로써 상기 출력을 복조하는 단계를 더 포함하는 생체 신호 검출 방법.
14. 제13항에 있어서,
    제3 믹서가 상기 제1 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 실수부 신호(I_IF)에 대하여 제1 직교 반송파 신호(I_c[n])를 곱하는 단계;
    제4 믹서가 상기 제1 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 실수부 신호(I_IF)에 대하여 제2 직교 반송파 신호(Q_c[n])의 음(-)의 값을 곱하는 단계;
    제5 믹서가 상기 제2 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 복소부 신호(Q_IF)에 대하여 제2 직교 반송파 신호(Q_c[n])를 곱하는 단계;
    제6 믹서가 상기 제2 아날로그-디지털 변환기에서 샘플링된 복소부 신호(Q_IF)에 대하여 제1 직교 반송파 신호(I_c[n])를 곱하는 단계;
    제7 믹서가 상기 제3 믹서의 출력과 상기 제5 믹서의 출력을 더하는 단계; 및
    제8 믹서가 상기 제4 믹서의 출력과 상기 제6 믹서의 출력을 더하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 검출 방법.
15. 제9항에 있어서,
    생체 신호 검출 센서의 출력 신호를 복소(complex) 신호 복조 알고리즘 또는 아크탄젠트(arctangent) 복조 알고리즘을 이용하여 생체신호를 검출하는 단계를 더 포함하는 생체 신호 검출 방법.

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