KR20210033893A - 비선형 필터 및 방법을 이용하는 근접 센서 - Google Patents

Abstract

필터(30)를 포함하는 휴대용 접속 장치용 센서는 샘플링된 입력 신호의 노이즈 성분을 줄이기 위해 배열되며, 필터는 동일한 방향으로 체계적으로 변화하는 입력 측정 값들만 고려하도록 배열되어 미리 결정된 시간 윈도우의 모든 입력 샘플들이 현재 출력 값보다 높거나 낮을 때 출력 값을 업데이트하고, 시간 윈도우의 입력 샘플들이 현재 출력 값 위아래에 있을 때 현재 출력 값을 반복한다.

Description

비선형 필터 및 방법을 이용하는 근접 센서{PROXIMITY SENSOR WITH NONLINEAR FILTER AND METHOD}

본 발명은 근접 센서의 출력을 처리하기 위한 프로세서 및 인체에 대한 근접과 무생물에 대한 근접을 구별하는 신호를 출력하도록 배열된 프로세서와 결합된 스마트 근접 센서에 관한 것이다. 본 발명은 특히 이러한 스마트 근접 센서가 장착되고 전자파 인체 흡수율(SAR)을 주어진 한계(given limits) 내에서 유지하기 위해 무선 인터페이스에서 방출되는 RF를 조정하도록 배열되는 접속 휴대용 장치(connected portable device)에 관한 것이지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

용량성 근접 검출기(capacitive proximity detectors)는 휴대 전화와 태블릿을 포함한 많은 최신 휴대용 장치에서 상기 장치가 사용자의 신체 부위에 가까이 있는지를 결정하는 데 사용된다. 이러한 정보는 여러 가지 측면들에서 중요하다: 즉, 이러한 정보는 전화기가 사용자에 의해 능동적으로 조작되고 있는지 여부를 검출하는 데 사용되고, 사용자가 디스플레이를 보고 있는지 여부를 검출하는 데 사용되며, 이 경우 디스플레이되는 정보는 조정될 수 있고, 및/또는 상기 장치는 저전력 상태에서 활성 상태로 전환될 수 있다. 중요한 것은, 이러한 정보가 법으로 규정한 SAR 한계를 준수하도록 무선 송신기의 전력 레벨을 조정하는 데 사용된다는 것이다. 용량성 근접 감지는 또한 터치 감지(touch-sensitive) 디스플레이 및 패널에서도 사용된다.

알려진 용량성 감지 시스템은 전극의 용량(capacity)을 측정하고, 장치가 인체(예를 들어, 손, 머리, 또는 무릎)에 근접하게 있을 때 용량 증가를 검출한다. 센서 용량에서의 변동은 비교적 적으며, 대개는 근처에 전도체가 없을 때 센서에 의해 확인되는 "배경" 용량의 일부 비율이 된다. 알려진 용량성 검출 시스템은 드리프트 및 노이즈 기여를 제거하기 위한 디지털 프로세서를 포함할 수 있으며, 넷 사용자 용량(net user's capacity)의 디지털 값을 실시간으로 전달하고 및/또는 프로그램 가능한 임계값에 기초하여 근접 상태를 나타내는 디지털 바이너리 플래그를 전달할 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기의 한계를 극복하는 용량성 근접 검출기에서 무생물에 대한 판별 방법을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적은 하기의 첨부된 청구범위에 기술된 구성들을 통하여 얻어질 수 있다.

본 발명은 예로서 제공되고 도면들에 의해 예시된 실시 예의 설명을 통하여 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1은 휴대용 접속 장치 내의 용량성 근접 센서를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 비선형 필터링 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 실행 평균 필터(running average filter)와 비선형 필터에 의해 처리된 노이즈 신호를 나타낸다.
도 4는 필터 윈도우 크기(filter window size)와 관련된 표준 편차를 나타낸다.

도 1은 휴대용 전화, 랩톱 컴퓨터, 또는 태블릿과 같은 접속 휴대용 장치(connected portable device)의 용량성 근접 검출기를 개략적으로 보여 주지만, 본 발명의 필터 및 방법은 다양한 분야들에 적용될 수 있음을 이해해야 한다.

상기 검출기는 사용자의 손, 얼굴, 또는 신체의 접근 시에 다소 증가할 전극(20)의 용량 Cx에 민감하다. 신체 근접으로 인한 변화는 전극(20)의 자체 용량에 의해 가려지며, 이는 결과적으로 안정적이지 않게 된다. 용량 신호는 바람직하게 아날로그 프로세서(23)에 의해 증폭되고 처리되며, 이는 프로그램 가능한 오프셋을 제거하고 A/D 변환기(25)에 의해 원시 디지털 값들로 변환될 수 있다. 샘플들 R(n)은 16 비트 정수들로서 또는 임의의 다른 적절한 형식으로 인코딩될 수 있다.

원시 샘플들 R(n)은 또한 비 이상적 세계(non-ideal would)에서 필터(30)에 의해 감쇠되는 노이즈 및 원치 않는 방해들을 포함한다. 다음에서 더 자세히 설명될 필터(30)는 후속하는 단계들에서 프로세싱에 유용한 일련의 샘플들 U(n)을 제공한다.

유닛(60)은 드리프트를 고려하여 베이스라인의 순간 값에 근접하는 일련의 샘플들 A(n)을 생성하는 베이스라인 추정기(baseline estimator)이다. 이것은 차 유닛(difference unit)(40)에서 U(n) 샘플들로부터 제거되고 드리프트 보정 샘플(drift-corrected samples) D(n)을 제공한다. 그 다음, 판별기 유닛(50)은 사용자의 손, 얼굴 ,또는 신체의 근접을 나타내는 이진 값 'PROX'를 생성한다. 그러나 본 발명은 이진 출력에 제한되지 않으며 다중 비트 근접 값들을 생성하는 검출기도 포함한다.

용량성 근접 센서가 SAR 제어를 위한 접속 휴대용 장치의 일부인 경우, 바람직하게 센서 전극(20)이 무선 소스로부터의 거리를 정확하게 결정하기 위해 RF 송신기의 송신 안테나에 가깝게 배치될 것이다. 센서 전극(20)은 인쇄 회로 기판 또는 연성 회로 기판 상의 도체에 의해 실현될 수 있으며, 장치의 뒷면에서 또는 측면들 상에서 신체 및 물체의 감지를 억제하기 위해 뒷면과 측면들에 보호 전극들(guard electrodes)을 가질 수 있다.

동일한 응용에서, 용량성 전극(20)은 RF 안테나 또는 그 일부로도 작용할 수 있다. 도 1은 본 발명의 이러한 특징을 보여준다. 전극(20)은 디커플링 커패시터(Cd)를 통해 무선 송신기 및 수신기 유닛(90)에 접속되고, 무선 주파수 신호를 차단하기 위해 인덕터(Ld) 또는 다른 RF 차단 요소(RF-blocking element)를 갖는다. 그렇지 않으면, 무선 유닛(90)은 감지 전극(20)과 분리된 독립적인 안테나에 접속될 수 있으며, 이 경우에는 디커플링 인덕터(Ld) 없이 아날로그 인터페이스(23)에 직접 접속될 수 있다.

바람직하게, 필터(30)가 이제 도 2를 참조하여 설명될 비선형 노이즈 억제 알고리즘을 구현한다. 시작점(305)은 ADC(25)에 의해 생성된 모든 원시 샘플들 R(k)에 대해 실행된다. 필터 유닛은 고정화된 로직 블록(hardwired logic blocks), 프로그램된 로직, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

필터(30)는 동일한 방향으로 체계적으로 이동하는 원시 측정 값들 R(k)만을 고려하도록 배열되어, 미리 결정된 시간 윈도우에서의 모든 입력 샘플들 R(k)가 현재 출력 값 U(k-1)보다 높거나 또는 낮을 때 출력 값 U(k)를 업데이트한다. 반면, 동일한 시간 윈도우에서의 입력 값들 R(k)가 U(k-1) 위아래에 있다면 출력값은 변경되지 않는다.

도 2의 흐름도에 의해 나타낸 가능한 구현에서, 필터(30)는 R(k)의 최근 값 또는 값들로부터 유도된 상한 변수(upper limit variable) L_t(k) 및 하한 변수(lower limit variable) L_b(k)를 계산하고 유지한다. L_t(k) 및 L_b(k)는 이들 사이에, 적어도 양호한 통계적 근사치를 사용하여 N 개의 이전 샘플들의 윈도우에서 R(k) 값들의 값들을 포함하도록 결정된다(단계 320).

가능한 실시 예에서, L_t(k) 및 L_b(k)는 N 개의 이전 샘플들의 윈도우에서 R(k)의 최소 및 최대 값들이다.

여기서 N은 필터링 윈도우의 폭을 느슨하게 결정하는 선택 가능한 파라미터이다. N은 일반적인 구현에서 4에서 20 사이로 구성될 수 있다. N = 8인 시뮬레이션은 노이즈 감소와 작은 거리 변화들에 대한 민감도 모두에서 만족스러운 결과를 제공한다. N은 필터 내에 고정화된 미리 결정된 값, 호스트 시스템에 의해 설정 가능한 프로그램 가능한 수량, 또는 동적 값일 수 있다.

단순성과 속도를 위해 약간의 정밀도를 교환하는 또 다른 가능한 변형에서, L_t(k) 및 L_b(k)는 입력 값 플러스 또는 마이너스 미리 결정된 값 σ으로부터 유도되며, 미리 결정된 값 σ는 상기 입력 신호에 중첩된 노이즈 레벨과 관련하여 선택된다. σ가 충분히 크다면, 적어도 양호한 통계적 근사치를 사용하여 입력의 이전 값들 R(k)가 적어도 현재 샘플의 근방에서 L_t(k)와 L_b(k) 사이에 구성된다.

필터(30)는 또한 필터링 윈도우에서 원시 입력 샘플들 R(k)의 중심 값을 포함하는 변수 C(k)를 계산한다. 중심 값 C(k)는 L_b(k)와 L_t(k) 사이에 구성되며, 예를 들어 L_b(k) 및 L_t(k)의 평균, 필터링 윈도우에서 입력 샘플들 R(k)의 실행 평균, 또는 필터링 윈도우에서 입력 샘플들 R(k)의 실행 중간 값을 포함하여 다양한 방식으로 계산될 수 있다.

도 2의 흐름도에서 변수들 L_t(k), L_b(k), 및 C(k)는 각각의 새로운 샘플 R(k)를 수신할 때 업데이트된다. 그러나 최적화된 실시 예에서, 이러한 변수들은 필요할 때만 업데이트될 수 있다.

단계 350 및 단계 370에서, L_t(k) 및 L_b(k)의 값들은 필터 출력 U(k-1)의 마지막 결정과 비교되며, U(k-1)이 하한 L_b(k)보나 낮거나 또는 상한 L_t(k)보다 크다면, 출력의 값 U(k)는 각각, 하한 쪽으로(단계 362), 상한 쪽으로 시프트된다(단계 364).

도 2의 차트(블록 350 및 블록 370)에서와 같이, 그 출력은 결정된 분수량(determined fractional amount) α만큼 적절한 상한 또는 하한 쪽으로 시프트될 수 있다: 출력 값 U(k)는 이전 출력 값 U(k-1) 및 적절한 한계(appropriate limit)의 선형 조합이며, 여기서 상기 이전 값에는 가중치 α가 주어지고, 상기 한계에는 가중치(1-α)가 주어지며, α은 0과 1 사이의 숫자다. 가중치 a의 값은 미리 결정될 수 있거나, 또는 예를 들어, 노이즈 레벨 또는 입력 값의 분산(variance)에 기초하여 동적으로 결정된다.

특정 실시 예에서, 선택 α= 0에 대응하여, 출력 값 U(k)는 각각 적절한 한계 L_t(k), L_b(k)와 동일하게 설정된다.

단계 350 및 단계 370 중 어느 것도 만족되지 않으면, 출력은 중심값 C(k) 쪽으로 시프트된다(단계 368). 그리고, 상기 사이클은 R(k)의 새로운 연속 값이 생성될 때 반복된다(단계 305). 당 기술분야에 숙련된 독자는 U의 초기 값이 이러한 반복적인 단계들에 의해 결정되지 않으며, 하지만 필터가 초기화될 때 예를 들어, U(0)을 R(0)과 동일하게 설정하거나 임의의 값으로 설정하거나, 또는 단순히 0으로 설정함으로써 다양한 방식들로 생성될 수 있음을 인식할 것이다.

도 2의 차트에서와 같이, 그 출력은 결정된 분수량 b만큼 중심 값 쪽으로 시프트될 수 있다: 출력 값 U(k)는 이전 출력 값 U(k-1) 및 중심 값 C(k)의 선형 조합이며, 여기서 이전 값에는 가중치 b가 주어지고, 중심 값에는 가중치(1-b)가 주어지며, b는 0과 1 사이의 숫자다. 가중치 b의 값은 미리 결정되거나, 예를 들어 입력 값의 분산에 기초하여 동적으로 결정될 수 있으며, 일반적으로 출력을 상한 쪽으로 또는 하한 쪽으로 시프트할 때 적용되는 가중치 α와는 다르다.

도 3은 본 발명의 비선형 필터의 시뮬레이션을 나타낸다. 라인(145)은 상당한 양의 백색 노이즈가 중첩되는 시뮬레이션된 신호(직사각형 펄스)를 나타낸다. 라인(149)은 선형 필터(윈도우 길이 N = 8 인 실행 평균 필터)로 처리한 후 동일한 신호를 나타낸다. 마지막으로, 라인(147)은 역시 윈도우 길이 N = 8 인 본 발명의 필터의 출력을 보여준다. 선형 필터와 본 발명 모두 신호가 노이즈에서 벗어나 있게 하지만, 신호(147)의 가변성은 선형 필터(149)의 가변성보다 상당히 낮다는 것을 알 수 있을 것이다.

이러한 것은 선형 필터 출력의 표준 편차가 윈도우 길이(또는 통과 대역폭)의 제곱근으로만 감소한다는 것을 상기하면서 설명될 수 있다. 본 발명의 필터는 통계적 변동으로 인한 출력 변화들의 확률을 크게 감소시키도록 배열된다. 본 발명의 필터의 특징은 작은 일시적인 변화들이 선형 필터의 출력과 대조적으로 출력에 거의 또는 전혀 영향을 주지 않을 수 있다는 것이다.

본 발명의 필터의 장점은 단순한 알고리즘으로 노이즈 변동의 강력한 감소를 제공한다는 것이다. 필터가 도 1의 근접 검출기에 적용될 때, 최소한의 잘못된 신호로 신뢰할 수 있는 근접 트리거를 제공하는 판별기(50)에 대한 임계값을 찾는 것이 비교적 간단하다. 이러한 것은 단순한 평균으로는 더 어려울 것이다. 선형 평균 필터는 동일한 결과를 얻으려면 N을 늘려야 하고 윈도우의 확장을 늘려야 한다. 그러나, 이러한 조치는 계산 부담을 증가시키고 대역폭을 감소시켜 빠른 과도 현상(fast transients)에 대한 민감도를 감소시킨다.

도 1의 근접 검출기의 프레임에서, 본 발명의 비선형 필터링 프로세서는 저역 통과 필터 블록(30)을 완전히 대체하거나 선형 디지털 필터와 그 전후에서 결합하여 사용될 수 있다. 이는 나타낸 바와 같이 베이스라인 보정 유닛(40, 60) 앞 또는 뒤에 삽입될 수 있다.

도 4는 입력 R이 중첩된 노이즈가 있는 상수 값으로 구성된다고 가정하여 샘플들의 수에 대한 노이즈 감소를 나타낸다. 노이즈는 출력 신호의 표준 편차로 표시된다. 독자는 본 발명(430)의 비선형 필터에서 σ가 평균 필터(410)에서보다 더 빠르게 감소한다는 것을 인식할 것이다.

20: 전극
23: 아날로그 프로세서
25: A/D 컨버터
30: 필터
40: 차 유닛
50: 판별기
60: 베이스라인 추정기
90: 수신기
147: U(x)
145: R(x)
149: 선형 LPF의 출력
220: 필터링된 출력 U(x)
240: 베이스라인 보정 신호 D(x)
305: 새로운 R(x) 값
320: 최대 최소 및 중심 값 계산
350: min(k)에 대한 필터 출력 테스트
362: 최소값으로 설정
364: 최대값으로 설정
368: 출력 시프트
370: max(k)에 대한 필터 출력 테스트
410: 실행 평균 필터의 분산
430: 본 발명 필터의 분산

Claims (8)

1. 휴대용 접속 장치로서, 사용자가 상기 휴대용 접속 장치에 근접했는지 여부를 결정하도록 배열된 센서를 포함하는 상기 휴대용 접속 장치에 있어서,
   상기 센서는 일련의 디지털 입력 값들을 수신하고 일련의 디지털 출력 값들을 생성하는 노이즈 감소 필터를 포함하며, 여기서 상기 필터는 미리 결정된 길이의 시간을 갖는 윈도우에서 입력 값들을 처리하도록 배열되고,
   상기 필터는:
   - 상기 윈도우의 입력 샘플들에 기초하여 상한(upper limit) 및 하한(lower limit)을 계산하고, 상기 윈도우의 입력 샘플들의 중심 값으로서, 상기 상한과 상기 하한 사이에 구성되는 상기 중심 값을 계산하고,
   - 현재 입력 값이 상기 상한보다 높을 때 상기 출력 값을 상기 상한 쪽으로 시프트하거나,
   - 상기 현재 입력 값이 상기 하한보다 낮을 때 상기 출력 값을 상기 하한 쪽으로 시프트하거나, 또는
   - 다른 모든 경우에서는 상기 출력 값을 상기 중심 값 쪽으로 시프트하도록,
   배열되는, 휴대용 접속 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 중심 값은 최소 값 및 최대 값의 평균과 동일하게 계산되거나, 상기 중심 값은 상기 윈도우의 입력 샘플들의 중간 값과 동일하게 계산되는, 휴대용 접속 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 값을 상기 중심 값 쪽으로 시프트하는 동작은 이전 출력 값과 상기 중심 값의 선형 조합을 포함하며, 상기 이전 값에는 가중치 b가 주어지고 상기 중심 값에는 가중치 (1-b)가 주어지며, b는 0과 1 사이의 숫자인, 휴대용 접속 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 값을 상기 상한 또는 상기 하한 쪽으로 시프트하는 동작은 이전 출력 값 및 대응하는 한계의 선형 조합을 포함하며, 상기 이전 값에는 가중치 a가 주어지고 상기 중심 값에는 가중치 (1-a)가 주어지며, a는 0과 1 사이의 숫자인, 휴대용 접속 장치.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 선형 저역 통과 필터를 포함하는, 휴대용 접속 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 베이스라인 보정 유닛 및 판별기를 포함하는, 휴대용 접속 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 센서는 감지 전극에 의해 확인되는 용량에 기초하여 사용자가 상기 휴대용 접속 장치에 근접하는지를 결정하도록 배열된 용량성 근접 센서인, 휴대용 접속 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 감지 전극은 또한 전파의 방출기인, 휴대용 접속 장치.

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