WO2011138991A1 - 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치, 방법 및 그 인체 통신 시스템 - Google Patents

인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치, 방법 및 그 인체 통신 시스템 Download PDF

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WO2011138991A1
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human body
generator
frequency
signal
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PCT/KR2010/002935
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황상윤
김철진
박장순
이종림
최현국
허창룡
송성준
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삼성전자 주식회사
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B13/00—Transmission systems characterised by the medium used for transmission, not provided for in groups H04B3/00 - H04B11/00
    • H04B13/005—Transmission systems in which the medium consists of the human body

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for transmitting data in a low frequency band, and more particularly, to an apparatus and method for transmitting data in a low frequency band in a human body communication system.
  • electric field communication refers to a communication method capable of transmitting and receiving data by inducing an electric field at a transmitting end, forming an electric field in dielectric material, and sensing an electric field at a receiving end.
  • the method of communicating considering the human body as a dielectric material is called human body communication.
  • the human body communication has a high noise in the band of several MHz due to user interference, and has the characteristic that the noise is spread over the tens of MHz band.
  • Figure 1 shows the frequency characteristics of such a human body communication channel.
  • the transmission efficiency is maximized by identifying the characteristics of the communicating channel and applying a modulation method suitable for the communication.
  • the band of the transmission data should be loaded on the carrier so as to avoid the band of several MHz where the human noise is concentrated.
  • the frequency band of the signal transmitted through the human body generally has a band within several tens of MHz in consideration of the increase in the radiating component and the noise characteristic.
  • the center frequency f 0 must exist within several tens of MHz, and transmission of the band efficiency at maximum frequency is an important implementation goal in human communication.
  • human body communication is capable of transmitting data through an electric field formed around the human body using the dielectric characteristics of the human body, and the user can intuitively select a terminal device and then transmit the data, thereby providing intuitive convenience to the user.
  • the performance of the high-speed transmission is required because the human body should be able to transmit all necessary data during a short time when the human body is in a non-contact or close contact with the information terminal device.
  • the size of the electric field is reduced to the size of 1 / r 2 , so as the distance increases, the size of the received signal decreases rapidly.
  • the reception sensitivity of the communication is improved by using a sensor technology such as an optical sensor, a magnetic field sensor, or an electrode that improves ground coupling.
  • This limitation of the reception sensitivity is limited to the case of communication by human contact, it is difficult to process the signal for the low signal level of the receiver.
  • non-contact communication it is not determined whether communication is performed by human contact, but the communication system is operated only by the human body in proximity.
  • human body communication should be implemented in a simple structure and in a direction to minimize power consumption in consideration of the complexity and power consumption of a system applied as a kind of connectivity technology.
  • a system that enables communication in consideration of attenuation in a non-contact situation of the human body should be implemented. That is, the device for human body communication should be designed in consideration of the channel environment, system frequency characteristics of the human body communication.
  • the present invention provides a data transmission apparatus, a method and a human body communication system in a low frequency region in the human body communication system to minimize the transmission band to maximize the band efficiency.
  • the present invention provides an apparatus, a method and a human body communication system for high efficiency data transmission while maintaining the reception sensitivity even in a non-contact situation of the human body in a human body communication system.
  • the present invention provides a data transmission apparatus, a method and a human body communication system in a low frequency region for a simple structure and low power consumption in a human body communication system.
  • the center frequency in the data transmission device in the low frequency band for the human body communication can be moved to a simple and various range, and the transmission band can be minimized during low speed data transmission.
  • the present invention implements a system that enables a user to communicate in a non-contact state by using an electric field around the human body, thereby controlling data rate and modulation as well as selecting a center frequency and minimizing a transmission band.
  • 1 is a diagram illustrating frequency characteristics of a general human body communication channel
  • FIG. 2 is a general packet structure diagram transmitted through a data transmission apparatus
  • FIG. 3 is a structural diagram of a general human body communication system
  • FIG. 4 is a structural diagram of a frequency selective spreader in FIG. 3;
  • FIG. 5 is a view showing frequency band characteristics of the frequency selective spreader in FIG. 4;
  • FIG. 6 is a packet structure diagram according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a structural diagram of a human body communication system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a structural diagram of a frequency shifter in FIG. 7;
  • FIG. 9 is a diagram illustrating transmission frequency characteristics of the human body communication system of FIG. 7;
  • FIG. 10 is a structural diagram of a human body communication system according to a second embodiment of the present invention.
  • a data transmission device in a low frequency band in a human body communication system comprising: a preamble generator for generating a preamble signal, a header generator for generating packet header information, and a data generator for generating data; A quadrature transformer for converting data from the data generator into a symbol by orthogonal parallel conversion, an orthogonal modulator for mapping a symbol from the serial to parallel converter to one of sequences having mutually orthogonal characteristics, the preamble generator, and And a multiplexer for time divisionally selecting a signal output from the header generator and the quadrature modulator, and a frequency shifter for shifting the output of the multiplexer to a specific frequency.
  • the present invention in the human body communication system for performing a non-contact communication using the electric field around the human body, a transmission circuit for transmitting data generated according to the packet format defined by the MAC (MAC) transmission and reception processor at a specific frequency, and the transmission signal
  • a transmission circuit for transmitting data generated according to the packet format defined by the MAC (MAC) transmission and reception processor at a specific frequency, and the transmission signal
  • An electrode for outputting the output from the outside, an analog front end circuit for receiving a signal from the electrode, amplifying and removing noise, a received signal strength measuring unit for measuring received signal strength, and a proximity of a human body
  • a proximity sensor for outputting a proximity sensor value according to the detection, a multiplexer for selectively outputting signals to the proximity sensor and the received signal strength measurement unit, and a receiver for processing signals from the multiplexer and the analog-to-digital converter Whether the electrode is in contact with the circuit using the measured value of the received signal strength or the proximity sensor value
  • a microcontroller for outputting
  • the present invention also provides a method for transmitting data in a low frequency band in a human body communication system, the method comprising: generating a preamble signal, packet header information, and data; converting the generated data into a symbol by serial-to-parallel conversion; Mapping a symbol to one of a sequence having mutually orthogonal characteristics, time divisionally selecting the preamble signal, packet header information, and the mapped signal, and transitioning the selected signal to a specific frequency It is characterized by.
  • the present invention proposes a method for transmitting data in consideration of the non-contact situation of the human body while selecting a center frequency of various ranges in the human body communication system.
  • the first embodiment of the present invention proposes a human body communication system that can easily move the center frequency, and in particular, a data transmission apparatus including a frequency shifter for shifting the output of the multiplexer to a specific frequency so that the center frequency can be moved. Suggest.
  • the second embodiment of the present invention proposes a human body communication system capable of stably communicating even in a non-contact situation of the human body by controlling the data rate, modulation, etc., as well as selecting the center frequency and minimizing the transmission band. In this way, not only can the band efficiency be maximized, but also the data can be transmitted considering the non-contact situation of the human body.
  • FIG. 3 is a structural diagram of a general human body communication system.
  • the preamble in FIG. 2 is used to inform the start time of the header included in the packet, the header includes information related to the packet such as the length of the packet, and the data includes information to be actually transmitted.
  • the header since only a preamble exists, it may be difficult to find an accurate time point when restoring headers and data. Therefore, if a packet structure that is stable and minimizes system complexity is also proposed, more efficient data transmission will be possible.
  • the data transmission apparatus primarily configures a packet to be delivered by transferring information to the preamble generator 205, the header generator 210, and the data generator 215 in the MAC transmission processor 200.
  • the outputs of the preamble generator 205 and the header generator 210 are diffused through the diffuser 235 and time-selected by the multiplexer 240 to be transmitted through the signal electrode.
  • the data is transmitted after the header.
  • the data generation process is as follows. First, if the transmission rate of the data transmitted by the data generator 215 is C, the output of the data generator 215 is converted into a symbol by an N: 1 serial-to-parallel converter. The symbol rate at this time can be expressed in C / N. The output of the serial-to-parallel converter 220 is repeated a predetermined number R by the symbol repeater 225 which is the next stage. In this case, the symbol rate of the symbol repeater 225 may be expressed as C ⁇ R / N. The N bits of output of symbol repeater 225 are passed to frequency selective spreader 230.
  • the frequency selective spreader 230 is a kind of orthogonal modulator and is composed of a sequence having a length of 2 N 2 L1 .
  • the frequency selective spreader 230 receives an input of N and outputs a corresponding sequence, and the output rate is (C ⁇ R ⁇ 2 L1 ) / N.
  • the output of the frequency selective spreader 230 is continuously delivered after the header is transmitted by the multiplexer 240. Finally, the output of the multiplexer 240 is transmitted to the outside directly through the electrode 250 via the transmit / receive switch 245 without the analog circuit 270.
  • the received signal input through the electrode 250 is passed through the transmit / receive switch 245 through the noise canceling filter 255 to remove the unwanted frequency components of the band and the amplifier 260 to have as many analog signals as desired. Will go through.
  • the output of the amplifier 260 is passed to the next stage clock data / reordering unit 265. That is, in general, since the data portion of the packet does not have additional information for the synchronization process of the receiver, there is a separate clock data / realignment unit 265 such as an analog synchronizer. In this case, since there is no additional synchronization information in the data, the clock recovery / data retiming part (hereinafter, referred to as CDR) 265 must extract data while performing a timing synchronization process. However, when the input level is very low, such clock data / reordering unit 265 malfunctions, causing performance degradation. Thereafter, the output of the clock data / reordering unit 265 is transmitted to the next digital receiving unit.
  • CDR clock recovery / data re
  • the frequency selective spreader 230 is as follows. 4 shows a frequency selective spreader structure.
  • the frequency selective spreader 230 receives N inputs and selects one of a sequence having 2 N types and a length of 2 L1 to transmit to the next stage.
  • the sequence used for the frequency selective spreader 230 selects 2 N sequences in which energy is distributed in a relatively high band among (2 L1 , 2 L1 ) Hadamard sequences.
  • the sequence used in the frequency selective spreader should be selected only in a specific code, that is, a Hadamard code, in consideration of bandwidth efficiency. Since the Hadamard code has bad cross-correlation, it is necessary to apply a sequence having good cross-correlation.
  • the frequency band characteristics of the frequency selective spreader 230 are illustrated in FIG. 5. As shown in FIG. 5, the frequency selective spreader 230 of FIG. 4 may spread and transmit data in a desired band, and the center frequency of the transmitted band is (C ⁇ R ⁇ 2 L1 ) / (2 ⁇ N).
  • the transmission rate C of the data to be transmitted is 2Mbps
  • N of the N: 1 serial-to-parallel converter is 4, and R of the symbol repeater is 1, the final output rate is 32MHz when the sequence length of the frequency selective spreader is 64. .
  • the transmission center frequency is 16 MHz.
  • the 16 sequences used in the frequency selective spreader are selected from among (64, 64) Hadamard sequences having a relatively high energy distribution at 16 MHz.
  • the data rate C of the data to be transmitted is 1Mbps
  • N of the serial-to-parallel converter is 4
  • R of the symbol repeater is 1, the final output is 16MHz when the sequence length of the frequency selective spreader is 64.
  • the transmission center frequency is lowered to 8 MHz.
  • the R of the symbol repeater must be 2, in which case the center frequency is maintained at 16MHz, but even in the case of 1Mbps, the transmission bandwidth is the same as 2Mbps transmission.
  • the center frequency can be changed only by a multiple or a reciprocal of 2, there is a limitation in moving the center frequency due to an interference signal.
  • the radiation characteristics are so good that data transmission by radiation may occur rather than data transmission through the human body.
  • the power consumption of the system can also increase. Therefore, there is a need for a method of easily shifting the center frequency.
  • bandwidth efficiency may be reduced. Therefore, there is a need for a method of maximizing the bandwidth efficiency while minimizing the transmission band.
  • the first embodiment of the present invention proposes a human body communication system capable of selecting a center frequency and minimizing a transmission band, and also relates to a data transmission apparatus in the human body communication system.
  • the second embodiment of the present invention proposes a human body communication system capable of controlling the data rate, modulation, etc., as well as selecting a center frequency and minimizing a transmission band.
  • the human body communication system generally includes a data transmission device and a data reception device, among which the structure of the data transmission device will be described with reference to FIG. 7.
  • the present invention proposes a packet structure as shown in FIG. 6 for more efficient transmission of data.
  • the packet structure according to the present invention includes a preamble 600, a start frame delimiter (SFD) 610, a header 620, pilots 640, 660, ..., 680 ), And data (630, 650, 670, ..., 690).
  • SFD start frame delimiter
  • the preamble is repeated several times to determine the starting point of the SFD, and then the SFD to which the sequence is different from the preamble is transmitted to determine the starting point of the header.
  • a simple 1-bit comparator and a digital circuit can compensate for the time error that occurs during data reception.
  • a MAC (Media Access Control) transmitter / receiver 700 is a common component of a data transmitter and a data receiver, and the MAC transceiver 700 is a data transmitter that transmits data in a low frequency band.
  • the data transmission apparatus including the MAC transceiver 700 includes a preamble generator 705, a header generator 715, a data generator 725, a parallel-to-parallel converter 730, an orthogonal modulator 735, and a multiplexer 740. It is configured to include.
  • the data transmission apparatus additionally includes an SFD generator 710 and a pilot generator 720 to make a packet structure as shown in FIG. 6.
  • the present invention further includes a frequency shifter 745 for shifting the output of the multiplexer 740 to a specific frequency.
  • the MAC transmit / receive processor 700 transmits information for constructing a packet to each component 705, 710, 715, 720, and 725.
  • the preamble generator 705 generates a preamble signal
  • the SFD generator 710 generates an SFD for indicating the starting point of the header information
  • the header generator 715 generates the packet header information
  • the generator 720 generates a pilot to enable a synchronization process when receiving data
  • the data generator 725 generates data.
  • the data transmission apparatus transmits the SFD after repeatedly transmitting the same preamble several times, and inserts and transmits a pilot at regular intervals when transmitting data after the header transmission.
  • a pilot By inserting such a pilot, the receiving side can be implemented with only one 1-bit comparator and digital circuit instead of CDR.
  • the quadrature modulator 735 converts the symbols of the parallel-parallel converter 730 into one of the sequences having mutually orthogonal characteristics. Map to.
  • the output rates of the preamble generator 705, the SFD generator 710, and the pilot generator 720 are transmitted in the same manner as the output rates of the quadrature modulator 735, thereby maintaining the transmission bands of all packets.
  • the N: 1 serial-to-parallel converter 730 passes through the N-bit symbol.
  • the transformed symbol is passed to an orthogonal modulator 735 with sequences of type 2N and length 2 L2 .
  • the quadrature modulator 735 maps one of the sequences of 2 N according to the N bits of information and transmits the one to the multiplexer 740. In this case, the output rate of the quadrature modulator 735 becomes (C ⁇ 2 L2 ) / N.
  • orthogonal modulator 735 does not need to consider frequency characteristics, an orthogonal code having a better cross-correlation property than a Hadamard code may be applied as an orthogonal code, thereby ensuring stable performance at the receiver. Can be.
  • the multiplexer 740 selects the signals output from the preamble generator 705, the SFD generator 710, the header generator 715, the pilot generator 720, and the quadrature modulator 735 in time division.
  • the output of the multiplexer is shifted to a specific frequency using a frequency shifting sequence in frequency shifter 745.
  • the output delivered from the multiplexer 740 is delivered to the frequency shifter 745.
  • the frequency shifter 745 is a frequency having an output rate of 2 ⁇ f o when the frequency to be transmitted is f o .
  • the transition sequence is multiplied by the output of the multiplexer 740.
  • a representative example of the frequency shifting sequence is a sequence in which '1' and '0' are repeated, but the present invention is not limited thereto.
  • the frequency shifted signal is transmitted to the outside through the signal electrode 755 via the transmit / receive switch 750.
  • 8 shows the structure of the frequency shifter.
  • the center frequency by the frequency shifter can be set to a natural multiple of the output rate (C ⁇ 2 L2 ) / N of the quadrature modulator 735.
  • the center frequency f o is n ⁇ (C ⁇ 2 L2 ) / N. In this way, the center frequency can be varied, and another spreading gain can be obtained.
  • the data is orthogonalized through a serial-to-parallel converter 730, orthogonally modulated by an orthogonal modulator 735, and then a baseband using a frequency shift sequence.
  • the data receiving apparatus in the human body communication system is an analog receiver and includes a noise canceling filter 765, an amplifier 770, and a 1-bit comparator 775.
  • the 1-bit comparator 775 is a next digital receiving unit. Will be delivered to Since the configuration of the data receiving apparatus other than the above is not related to the first embodiment of the present invention, it is not illustrated and thus detailed description thereof will be omitted.
  • the bandwidth of the transmission band is variable by the output rate of the quadrature modulator ((C ⁇ 2 L2 ) / N), which can reduce the bandwidth when the data rate (C) is lowered.
  • the transmission band BW may be variably adjusted by the data rate C, the length of the quadrature modulator 2 L2 , and the N of the N: 1 parallel-to-parallel converter.
  • the output data is centered. It has a band characteristic with a frequency of 16 MHz and a bandwidth of 8 MHz. On the other hand, at 1Mbps, the bandwidth is reduced to 4MHz but the center frequency remains at 16MHz. That is, unlike in FIG. 2, when the transmission rate is lowered, the bandwidth efficiency is also improved.
  • the structure as shown in FIG. 2 when a data rate of 2 Mbps is carried on a 16 MHz carrier, and if there is an interference component in this band, the structure as shown in FIG. 2 must move to a frequency twice as high as 16 MHz, that is, 32 MHz.
  • the structure as shown in FIG. 7 according to the present invention not only may it move to 32 MHz as shown in FIG. 2 by multiplying the output rate (8 MHz) of the quadrature modulator, but also transmit data on a carrier of 24 MHz by multiplying 3 times. have. This makes it easy to avoid interference, while suppressing the radiated characteristics of transmitted data, while minimizing the increase in power consumption.
  • FIG. 10 is a structural diagram of a human body communication system according to a second embodiment of the present invention.
  • the human body communication system according to the second embodiment of the present invention should be accompanied by idle control, deep sleep control, security control, etc. for stable operation of the system in a non-contact state.
  • the human body communication system in FIG. 10 also includes a data transmission device and a data reception device, and has a common component that performs both transmission and reception roles.
  • the common transceiver includes a host interface unit 105 that connects a modem with a MAC transceiver 100, a microcontroller (MCU), and a modem to define a packet format for transmitting or receiving data. ), The MCU and the MCU 110 to control various signals.
  • the transmission and reception switch 120 is generally an essential component to configure a human body communication system with one electrode, it serves to adjust the switch during transmission and reception. This signal can be generated at the modem end of the transceiver and can also be generated by S / W operation.
  • the transmission circuit 115 may transmit data generated according to the packet format defined by the MAC transceiver 100 at a specific frequency.
  • the output from the transmitting circuit 115 will be the same as the output from the frequency shifter.
  • the human body communication system according to the second embodiment of the present invention may also include a frequency shifter, thereby enabling selection of a center frequency and minimization of a transmission band.
  • an analog front end (AFE) circuit 130 for amplifying and canceling a weak electric field signal received, and a comparator / analog digital converter for converting the digital signal into a digital signal ( A / D Convertor (ADC) (135), Received signal strength indication (RSI) measurement unit for measuring the magnitude of the input signal and controlling according to the signal magnitude (Automatic Gain Control,
  • AFE analog front end
  • ADC A/ D Convertor
  • RSI Received signal strength indication
  • the signal from the proximity sensor 145 and the RSSI measurement unit / AGC unit 140 is timed by the AGC 140, a proximity sensor 145 that outputs a proximity sensor value according to sensing the proximity of the human body.
  • a receiving circuit 155 for processing the signal received from the multiplexer 150 and the multiplexer 150 which is selected and outputted separately.
  • the signal from the AFE 130 circuit is converted into a digital signal by comparing the signal magnitude, and for this purpose, either a comparator or an analog to digital converter can be selectively used. If the digital signal is converted in the analog-to-digital converter, the RSSI measurement may be performed by the automatic gain adjusting unit. That is, the automatic gain adjusting unit serves as a receiving signal strength measuring unit that can measure the received signal strength and performs automatic gain control based on the measurement result. In FIG. 10, the RSSI measurement unit and the AGC are illustrated as one component for convenience of description, but may be separated. Similarly, the ADC and the comparator can also be separated.
  • the control is controlled through variables such as frequency, bandwidth, and sequential coding so that the electric field communication can be optimized.
  • the weak electric field signal introduced through the electrode 125 is transferred to the comparator / ADC 135 through a process of amplification and filtering to some extent through the AFE 130.
  • the comparator compares the magnitude of the incoming signal and the ADC 135 converts the digital signal according to the magnitude of the signal, and thus RSSI can be measured.
  • the input signal magnitude is measured in a very relevant manner depending on the channel condition, ie, good or bad ground coupling.
  • the ADC unit 135 can measure the received signal strength of the input signal from any position inside the AFE 130, and can generate an input signal for auto gain control based on this. have.
  • the reason why RSSI is measured by ADC 135 at any position of AFE 130 is that when the ground coupling situation is good, that is, when the channel environment is good, the signal is already saturated after the amplifier or after the filter. Saturation).
  • the measured RSSI signal indicates the strength of the signal input, which is an important variable for indicating the channel state of the field communication which is configured as a non-contact. In other words, when the human body is near or the ground coupling is improved by some other factor, the RSSI value increases, which can give channel priority to many devices, and can be used for various purposes such as human body distance detection. Can be.
  • the measured RSSI is used for gain control of the AFE 130 itself.
  • the measured RSSI is used as a basis for selection of a frequency, a filter bandwidth and a gain, a spreading factor, a data rate, and a sequential code in the data receiving apparatus. From the user's point of view, it is necessary to determine whether the electrodes are in contactless contact according to the usage scenario of the technology, and in the case of multi-users, it is used to distinguish the user with the best channel condition.
  • the RSSI value is different for a specific motion of a person, providing this control value to the MCU 110 may provide various input control signals related to the motion of the person.
  • the MCU 110 determines whether or not the electrode 125 is in contact using the RSSI value or the proximity sensor value, and outputs a control signal based on the determination result.
  • the RSSI value can also be configured to some extent under the control of the proximity sensor 145 and the information can be collected only for the human body situation, so that control signals can be transmitted to the receiving circuit 155, the MCU 110, and the AFE 130. It is possible.
  • the control of the entire system is performed by the MCU 110 to control the entire system that belongs to the standby operation.
  • a slotted frame structure is designed and idle timing is controlled based on the slotted frame. Even when the standby state is switched to the wake-up state, the input signal from the RSSI measuring unit 140 and the proximity sensor 145 may be controlled as described above.
  • the second embodiment of the present invention relates to a system itself that enables a user to communicate even in a non-contact state by using an electric field around a human body, and may transmit data in a low frequency band. You can control the selection, transmission band minimization, center frequency, data rate, and modulation.

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Abstract

본 발명은 인체 통신 시스템에서 다양한 범위의 중심주파수를 선택하면서도 인체의 비접촉 상황도 고려하여 데이터를 전송하는 방안을 제안한다. 이를 위해 본 발명의 제1실시예에서는 중심주파수를 간편하게 이동할 수 있는 인체 통신 시스템을 제안하며, 특히 중심주파수의 이동이 가능하도록 다중화기의 출력을 특정 주파수로 천이시키는 주파수 천이기를 포함하는 데이터 전송 장치를 제안한다. 또한 본 발명의 제2실시예에서는 중심 주파수의 선택, 전송 대역의 최소화 뿐만 아니라, 데이터 속도, 변조 등을 제어함으로써 인체의 비접촉 상황에서도 안정적으로 통신할 수 있는 인체 통신 시스템을 제안한다. 이렇게 함으로써 대역 효율을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 인체의 비접촉 상황도 고려한 데이터의 전송이 가능하다.

Description

인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치, 방법 및 그 인체 통신 시스템
본 발명은 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치, 방법 및 그 인체 통신 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 전계 통신은 송신단에서 전계를 유도하고 유전체 물질에 전계를 형성한 후 수신단에서 전계를 감지함으로써 데이터를 송수신할 수 있는 통신 방식을 의미한다. 이러한 전계 통신 방식 중에서도 인체를 유전체 물질로 고려하여 통신하는 방식을 인체통신이라 한다.
일반적으로 인체 통신은 사용자 간섭 등에 의해 수 MHz의 대역에서 높은 노이즈를 가지고 있으며, 수십 MHz 대역에 걸쳐 노이즈가 퍼져있는 특징을 가지고 있다. 도 1에서는 이러한 인체 통신 채널의 주파수 특성을 보여주고 있다. 이러한 통신 방식에서는 통신하는 채널의 특성을 파악하여 이에 맞는 변조방식을 적용함으로써 전송효율을 극대화한다. 이에 따라 인체 통신에서는 전송 데이터의 대역이 인체 노이즈가 밀집해 있는 수 MHz의 대역을 피할 수 있도록 반송파에 실어서 보내주어야 한다. 그러나, 인체 통신에서는 이러한 반송파가 너무 높게 될 경우 인체에서 방사하는 성분이 증가된다. 따라서 인체를 통해 전송되는 신호의 주파수 대역은 방사하는 성분의 증가 및 노이즈 특성을 고려하여 일반적으로 수십 MHz 내의 대역을 갖도록 한다.
또한, 인체통신에서는 전송대역의 효율을 극대화하는 것이 중요하다. 왜냐하면, 인체 노이즈는 일반적으로 온도잡음 노이즈 보다 높은 에너지 레벨을 가지기 때문이다. 그러므로 도 1에 도시된 바와 같이 중심주파수(f0)는 수십 MHz 이내에 존재해야 하며, 대역효율을 극대화해서 전송하는 것이 인체통신에서는 중요한 구현 목표이다.
한편, 인체 통신은 인체의 유전체적 특성을 이용하여 인체주변에 형성된 전계를 통하여 데이터 전송이 가능하며 사용자가 직관적으로 단말 장치를 선택한 후 데이터 전송이 되기 때문에 사용자에게 직관적 편의성을 제공할 수 있는 장점을 가진다. 데이터 전송 시 사용자의 직관적 편의성을 극대화하기 위해서는 인체가 정보 단말 장치에 비접촉 또는 근접 접촉되는 짧은 시간 동안에 필요로 하는 데이터를 모두 전송할 수 있어야 하므로 고속 전송의 성능이 요구된다. 이와 같은 비접촉 성능의 경우 사용자 인체에서 거리가 떨어질 경우 전계의 크기가 1/r2 의 크기로 감소하기 때문에 거리가 멀어질수록 수신되는 신호의 크기가 급감하게 된다. 이에 따라 인체에 의한 신호 감쇄를 보상하기 위해 예컨대, 광센서, 자계 센서 등의 센서 기술과 또는 그라운드 커플링(Ground Coupling)을 향상시키는 전극을 사용하는 방식으로 통신의 수신감도를 향상시켰다. 이러한 수신감도의 제약은 인체 접촉에 의한 통신의 경우로 한정되어 있으며, 수신부의 낮은 신호 레벨에 대한 신호 처리가 어렵다. 또한 인체 근접 및 비접촉 상황 또는 기기간 초 근접 상황에 대한 판단이 어렵기 때문에 각 상황에 맞는 통신 방식 및 채널 선택이 어렵게 된다. 또한 인체 비접촉 통신과 같은 경우에 있어서는 인체 접촉에 의해서 통신 여부가 판단되는 것이 아니며 인체가 근접한 자체 만으로 통신 시스템이 가동되기 때문에 이를 고려한 인체 통신 시스템의 설계가 요구된다.
상기한 바와 같은 인체 통신의 특성 때문에 인체 통신은 일종의 접속(connectivity) 기술로서 적용되는 시스템의 복잡도와 전력소모를 고려하여 간단한 구조와 전력 소모를 최소화하는 방향으로 구현되어야 한다. 또한 인체의 비접촉 상황에서는 감쇄를 고려하여 통신이 가능케 하는 시스템이 구현되어야 한다. 즉, 인체 통신을 위한 장치는 인체 통신의 채널 환경, 시스템 주파수 특성 등이 고려되어 설계되어야 한다.
따라서 본 발명은 전송 대역을 최소화하여 대역 효율을 극대화할 수 있도록 하는 인체 통신 시스템에서 저주파 영역에서의 데이터 전송 장치, 방법 및 그 인체 통신 시스템을 제공한다.
또한 본 발명은 인체 통신 시스템에서 인체의 비접촉 상황에서도 수신감도를 유지하면서 높은 효율의 데이터 전송을 위한 장치, 방법 및 그 인체 통신 시스템을 제공한다.
또한 본 발명은 인체 통신 시스템에서 간단한 구조와 저전력 소모를 위한 저주파 영역에서의 데이터 전송 장치, 방법 및 그 인체 통신 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 인체 통신을 위한 저주파수대역에서의 데이터 전송 장치에서 중심 주파수를 간단하면서도 다양한 범위로 이동시킬 수 있으며, 저속 데이터 전송 시에는 전송 대역을 최소화할 수 있다. 게다가 본 발명은 인체 주변의 전계를 이용하여 사용자가 비접촉 상태에서 통신이 가능하도록 하는 시스템을 구현함으로써, 중심 주파수의 선택 및 전송 대역의 최소화 뿐만 아니라 데이터 속도, 변조(modulation) 등도 제어할 수 있다.
도 1은 일반적인 인체 통신 채널의 주파수 특성을 도시한 도면,
도 2는 데이터 전송 장치를 통해 전송되는 일반적인 패킷 구조도,
도 3은 일반적인 인체 통신 시스템의 구조도,
도 4는 상기 도 3에서의 주파수 선택적 확산기의 구조도,
도 5는 상기 도 4에서의 주파수 선택적 확산기의 주파수 대역 특성을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 패킷 구조도,
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 인체 통신 시스템의 구조도,
도 8은 상기 도 7에서의 주파수 천이기의 구조도,
도 9는 상기 도 7에서의 인체 통신 시스템의 전송 주파수 특성을 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 인체 통신 시스템의 구조도.
상기한 바를 달성하기 위한 본 발명은, 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치에 있어서, 프리앰블 신호를 생성하는 프리앰블 생성기와, 패킷 헤더 정보를 생성하는 헤더 생성기와, 데이터를 생성하는 데이터 생성기와, 상기 데이터 생성기로부터의 데이터를 직병렬 변환하여 심볼로 변경하는 직병렬 변환기와, 상기 직병렬 변환기로부터의 심볼을 상호 직교 특성을 가진 시퀀스 중 하나에 맵핑하기 위한 직교 변조기와, 상기 프리앰블 생성기, 상기 헤더 생성기 및 상기 직교 변조기로부터 출력된 신호를 시간분할적으로 선택하는 다중화기와, 상기 다중화기의 출력을 특정 주파수로 천이시키는 주파수 천이기를 포함함을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 인체 주변 전계를 이용한 비접촉 통신을 수행하는 인체 통신 시스템에 있어서, 맥(MAC) 송수신 처리기에서 정의된 패킷 포맷에 따라 생성된 데이터를 특정 주파수로 전송하는 송신 회로와, 상기 송신 신호로부터의 출력을 외부로 출력하는 전극과, 상기 전극로부터 신호를 입력받아 증폭 및 잡음을 제거하는 아날로그 프론트 엔드(Analog Front End) 회로와, 수신신호세기를 측정하는 수신신호세기 측정부와, 인체 근접을 감지함에 따른 근접 센서값을 출력하는 근접 센서와, 상기 근접 센서 및 상기 수신신호세기 측정부로의 신호를 선택적으로 출력하는 다중화부와, 상기 다중화부 및 상기 아날로그 디지털 컨버터로부터의 신호를 처리하는 수신회로와, 상기 수신신호세기의 측정값 또는 상기 근접 센서값을 이용하여 상기 전극의 비접촉 여부를 판단하고, 판단 결과를 근거로 한 제어 신호를 출력하는 마이크로 컨트롤러를 포함함을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 방법에 있어서, 프리앰블 신호, 패킷 헤더 정보 및 데이터를 생성하는 과정과, 상기 생성된 데이터를 직병렬 변환하여 심볼로 변경하는 과정과, 상기 심볼을 상호 직교 특성을 가진 시퀀스 중 하나에 맵핑하는 과정과, 상기 프리앰블 신호, 패킷 헤더 정보 및 상기 맵핑된 신호를 시간분할적으로 선택하는 과정과, 상기 선택된 신호를 특정 주파수로 천이시키는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 인체 통신 시스템에서 다양한 범위의 중심주파수를 선택하면서도 인체의 비접촉 상황도 고려하여 데이터를 전송하는 방안을 제안한다. 이를 위해 본 발명의 제1실시예에서는 중심주파수를 간편하게 이동할 수 있는 인체 통신 시스템을 제안하며, 특히 중심주파수의 이동이 가능하도록 다중화기의 출력을 특정 주파수로 천이시키는 주파수 천이기를 포함하는 데이터 전송 장치를 제안한다. 또한 본 발명의 제2실시예에서는 중심 주파수의 선택, 전송 대역의 최소화 뿐만 아니라, 데이터 속도, 변조 등을 제어함으로써 인체의 비접촉 상황에서도 안정적으로 통신할 수 있는 인체 통신 시스템을 제안한다. 이렇게 함으로써 대역 효율을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 인체의 비접촉 상황도 고려한 데이터의 전송이 가능하다.
본 발명을 설명하기에 앞서, 인체 통신 시스템의 기본적인 구성을 살펴보기로 한다. 이를 위해 일반적인 인체 통신 시스템의 구조도인 도 3을 참조한다. 우선, 이러한 데이터 전송 장치를 통해 전송되는 일반적인 패킷 구조는 도 2에 도시된 바와 같다. 도 2에서의 프리앰블은 패킷에 포함된 헤더의 시작시점을 알려주는 데 사용되며, 헤더는 패킷의 길이 등과 같은 패킷에 관련한 정보를 포함하고 있고, 데이터는 실제 전송하고자 하는 정보를 포함하고 있다. 이와 같은 패킷을 구성할 경우에는 프리앰블만 존재하므로 헤더와 데이터 복원시에는 정확한 시점을 찾기 곤란할 수 있으므로 안정적이면서도 시스템의 복잡도를 최소화할 수 있는 패킷 구조도 함께 제안된다면 보다 효율적인 데이터 전송이 가능할 것이다.
도 3을 참조하면, 데이터 전송 장치는 MAC 송신 처리기(200)에서 일차적으로 프리앰블 생성기(205)와 헤더 생성기(210) 및 데이터생성기(215)에 정보를 전달하여 전달하고자 하는 패킷을 구성한다. 프리앰블 생성기(205)와 헤더 생성기(210)의 출력은 확산기(235)를 통해 확산하여 다중화기(240)에 의해 시간분할적으로 선택되어 신호전극을 통해 전달하게 된다.
데이터는 헤더 다음에 전송되는데 이러한 데이터 생성과정은 다음과 같다. 먼저 데이터 생성기(215)에 의해 전송되는 데이터의 전송속도가 C라고 하면, 이러한 데이터 생성기(215)의 출력은 N:1 직병렬변환기에 의해 심볼로 변환이 된다. 이 때의 심볼 레이트는 C/N으로 표현할 수 있다. 직병렬 변환기(220)의 출력은 다음단인 심볼 반복기(225)에 의해 정해진 횟수(R)만큼 반복되며 이 경우 심볼 반복기(225)의 심볼 레이트는 CㆍR/N으로 표현할 수 있다. 심볼 반복기(225)의 N 비트의 출력은 주파수 선택적 확산기(230)에 전달된다. 이러한 주파수 선택적 확산기(230)는 일종의 직교 변조기(orthogonal modulator)로서 2N개의 2L1의 길이를 가지는 시퀀스로 구성되어 있다. 주파수 선택적 확산기(230)는 N의 입력을 받아서 이에 해당되는 시퀀스를 출력하게 되며, 출력 레이트는 (CㆍRㆍ2L1)/N이 된다. 주파수 선택적 확산기(230)의 출력은 다중화기(240)에 의해 헤더를 전송하고 난 후 연속적으로 전달되게 된다. 마지막으로 다중화기(240)의 출력은 아날로그 회로(270) 없이 송신/수신 스위치(245)를 거쳐 바로 전극(250)을 통해 외부로 전달하게 된다.
전극(250)을 통하여 입력된 수신신호는 송신/수신 스위치(245)를 거쳐 잡음 제거 필터(255)를 통해 원하지 않는 대역의 주파수 성분이 제거되고 일차적으로 원하는 만큼의 아날로그 신호를 갖도록 증폭기(260)를 거치게 된다. 증폭기(260)의 출력은 다음단인 클럭 데이터/재정렬부(265)로 넘어가게 된다. 즉, 일반적으로 패킷의 데이터 부분은 수신단의 동기 과정을 위한 별도의 정보가 없으므로 별도의 아날로그 동기부와 같은 클럭 데이터/재정렬부(265)가 존재하는 것이다. 이때, 데이터에 추가적인 동기정보가 없으므로 클럭 데이터/재정렬부(Clock recovery & Data Retiming part, 이하 CDR)(265)는 타이밍 동기과정을 수행함과 동시에 데이터를 추출해야 한다. 그러나 입력 레벨이 매우 낮을 경우에는 이러한 클럭 데이터/재정렬부(265)가 오동작하여 성능열하의 원인이 된다. 이후, 클럭 데이터/재정렬부(265)의 출력은 다음 단인 디지털 수신부에 전달되게 된다.
상기와 같은 데이터 전송 장치의 구성 요소 중에서도 주파수 선택적 확산기(Frequency Selective Spreader)(230)를 살펴보면 다음과 같다. 도 4는 주파수 선택적 확산기 구조를 보여주고 있다. 여기서, 주파수 선택적 확산기(230)는 N개의 입력을 받아서 2N개의 종류를 가지며 길이가 2L1인 시퀀스 중에 하나를 선택하여 다음단에 전달하게 된다. 이러한 주파수 선택적 확산기(230)에 사용되는 시퀀스는 (2L1, 2L1) 하다마드(Hadamard) 시퀀스 중에서 상대적으로 높은 대역에 에너지가 분포해 있는 2N개의 시퀀스를 선택한 것이다. 이와 같이 주파수 선택적 확산기에서 사용되는 시퀀스는 대역효율을 고려하여 특정 코드 즉, 하다마드 코드에서만 선택되어져야 한다. 이러한 하다마드 코드는 상호상관특성이 나쁘기 때문에 경우에 따라 상호상관특성이 좋은 시퀀스를 적용할 필요성이 있다.
이러한 주파수 선택적 확산기(230)의 주파수 대역 특성을 살펴보면 도 5와 같다. 도 5에 도시된 바와 같이 도 4의 주파수 선택적 확산기(230)를 통해 전송 데이터를 원하는 대역에 확산하여 전송할 수 있는데, 이때 전송하는 대역의 중심 주파수는 (CㆍRㆍ2L1)/(2ㆍN)이 된다.
만일 전송하고자 하는 데이터의 전송율 C가 2Mbps이고, N:1 직병렬 변환기의 N이 4이며, 심볼 반복기의 R이 1인 경우, 주파수 선택적 확산기의 시퀀스 길이가 64가 되면 최종 출력 레이트는 32MHz가 된다. 이때, 전송 중심주파수는 16MHz가 된다. 또한 주파수 선택적 확산기에 사용되는 16개의 시퀀스는 (64, 64) 하다마드 시퀀스 중에서 상대적으로 16MHz에 많은 에너지를 분포하고 있는 시퀀스로 선택된다. 만일 전송하고자 하는 데이터의 전송율 C가 1Mbps이고, 직병렬 변환기의 N이 4이며, 심볼 반복기의 R이 1인 경우, 주파수 선택적 확산기의 시퀀스 길이가 64될 때에 최종 출력은 16MHz가 된다. 그러나, 이 때 전송 중심주파수는 8MHz로 낮아지게 된다. 전송 주파수가 낮아질 경우 인체 노이즈에 의한 영향이 커지므로 이를 보완하기 위해 심볼 반복기의 R은 2가 되어야하며, 이러한 경우 중심 주파수는 16MHz로 유지되지만 1Mbps의 경우에도 2Mbps 전송과 같은 전송 대역폭을 가지게 된다.
상기한 바와 같이 중심 주파수가 2의 배수 또는 역수로만 변경이 가능하므로 간섭 신호에 의한 중심 주파수 이동시에 제약이 있다. 또한 2의 배수로만 증가할 경우 방사 특성이 너무 좋아져서 인체를 통한 데이터 전달이 아닌 방사에 의한 데이터 전송이 일어날 수 있다. 이러한 경우 시스템의 전력소모도 커질 수 있다. 따라서 간편하게 중심 주파수를 이동할 수 있는 방법이 필요하다. 또한 저속 데이터 전송 시에도 중심 주파수를 유지하기 위해 동일한 대역폭을 유지해야하므로 대역효율이 떨어질 수 있으므로, 이를 고려하여 전송 대역을 최소화하면서도 대역효율을 극대화할 수 있는 방법이 필요하다.
이하의 본 발명의 상세한 설명에 기술된 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 제1실시예는 중심 주파수의 선택, 전송 대역의 최소화가 가능하도록 하는 인체 통신 시스템을 제안하며, 그 인체 통신 시스템에서도 데이터 전송 장치에 관한 것이다. 본 발명의 제2실시예는 중심 주파수의 선택, 전송 대역의 최소화뿐만 아니라 데이터 속도, 변조 등을 제어할 수 있는 인체 통신 시스템을 제안한다.
먼저, 본 발명에 따른 제1실시 예에 해당하는 인체 통신 시스템은 크게 데이터 전송 장치 및 데이터 수신 장치로 이루어지는데, 그 중에서도 데이터 전송 장치의 구조를 도 7을 참조하여 설명한다. 이때, 데이터의 보다 효율적인 전송을 위해 본 발명에서는 도 6에 도시된 바와 같은 패킷 구조를 제안한다. 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 패킷 구조는 프리앰블(600), 프레임 시작 확인자(Start Frame Delimiter, 이하 SFD)(610), 헤더(620), 파일롯(640, 660,...,680), 데이터(630, 650, 670,...,690)로 구성되어 있다. 데이터 사이에 파일롯이라는 동기코드를 삽입함으로써 수신단에 클럭 복원 및 데이터 추출을 위한 CDR이 불필요하게 된다. 프리앰블을 여러번 반복하여 SFD의 시작점을 파악하게 한 후 프리앰블과는 다른 시퀀스가 할당된 SFD를 전달하여 정확하게 헤더의 시작시점을 파악한다. 이에 따라 간단한 1비트 비교기와 디지털 회로만으로도 데이터 수신과정에서 발생하는 시간오차를 보상하는 것이 가능하다.
도 7을 참조하면, 맥(Media Access Control, 이하 MAC) 송수신 처리기(700)는 데이터 전송 장치 및 데이터 수신 장치의 공통 구성부이며, 저주파수대역에서 데이터를 전송하는 데이터 전송 장치에서 MAC 송수신 처리기(700)는 데이터를 송신하는 송신 처리기로서 동작한다. 본 발명의 제1실시예에 따른 중심 주파수의 선택은 데이터 전송 장치에서 수행되는 동작이므로, 도 7에서는 본 발명의 제1실시예와 관련이 적은 데이터 수신 장치의 구체적인 구성부들은 도시하지 않았다.
이러한 MAC 송수신 처리기(700)를 포함하는 데이터 전송 장치는 프리앰블 생성기(705), 헤더 생성기(715), 데이터 생성기(725), 직병렬 변환기(730), 직교 변조기(735), 다중화기(740)를 포함하여 구성된다. 도 6에서와 같은 패킷 구조를 만들기 위해 데이터 전송 장치는 추가적으로 SFD 생성기(710) 및 파일롯 생성기(720)를 포함한다. 특히 본 발명에서는 다중화기(740)의 출력을 특정한 주파수로 천이시키기 위한 주파수 천이기(745)를 더 포함한다.
MAC 송수신 처리기(700)는 패킷을 구성하기 위한 정보를 각각의 구성부(705, 710, 715, 720, 725)에 전달한다. 이러한 정보 전달에 따라 프리앰블 생성기(705)는 프리앰블 신호를 생성하며, SFD 생성기(710)는 헤더 정보의 시작점을 알려주기 위한 SFD를 생성하며, 헤더 생성기(715)는 패킷 헤더 정보를 생성하며, 파일롯 생성기(720)는 데이터 수신 시 동기과정이 가능하도록 파일롯을 생성하며, 데이터 생성기(725)는 데이터를 생성한다. 도 6에서와 같은 프리앰블, SFD, 파일럿으로 이루어진 패킷을 전송할 경우, 각 시퀀스의 출력 레이트를 직교 변조기(735)에 맞추도록 함으로써 최종 출력단에서의 전송 대역을 일치시킨다. 데이터 전송 장치는 동일한 프리앰블을 여러번 반복하여 전송하게 한 후에 SFD를 전송하게 하고, 헤더 전송 후 데이터를 전달할 때에 일정한 주기마다 파일럿을 삽입하여 전달한다. 이러한 파일롯을 삽입함으로써 수신측에서는 CDR 대신 하나의 1비트 비교기와 디지털 회로만으로 구현될 수 있다.
이어, 직병렬 변환기(730)은 데이터 생성기(725)로부터의 데이터를 직병렬 변환하여 심볼로 변경하면, 직교 변조기(735)는 직병렬 변환기(730)의 심볼을 상호 직교 특성을 가진 시퀀스 중 하나에 맵핑한다. 이때, 프리앰블 생성기(705), SFD 생성기(710), 파일롯 생성기(720)의 출력 레이트는 직교 변조기(735)의 출력 레이트와 동일하게 전송하도록 함으로써 전체 패킷의 전송대역을 동일하게 유지한다.
구체적으로 데이터 생성기(725)에서 전달되는 데이터 전송율이 C인 경우 N:1 직병렬 변환기(730)를 거치게 되면, N 비트를 가진 심볼로 변환하게 된다. 변환된 심볼은 종류가 2N이고 길이가 2L2인 시퀀스들을 가진 직교 변조기(735)에 전달된다. 직교 변조기(735)에서는 N비트의 정보에 따라 2N의 시퀀스 중에 하나를 맵핑하여 다중화기(740)에 전달하게 된다. 이러한 경우, 직교 변조기(735)의 출력 레이트는 (Cㆍ2L2)/N가 된다. 여기서 사용되는 직교 변조기(735)는 주파수 특성을 고려할 필요가 없으므로, 직교코드로 하다마드 코드 이외에 하다마드 코드보다 상호 상관특성이 좋은 직교코드를 적용할 수 있고, 이를 통해 수신단에서 안정적인 성능을 보장할 수 있다.
그리고 다중화기(740)는 프리앰블 생성기(705), SFD 생성기(710), 헤더 생성기(715), 파일롯 생성기(720), 직교 변조기(735)에서 출력된 신호를 시간 분할적으로 선택한다. 다중화기의 출력은 주파수 천이기(745)에서 주파수 천이 시퀀스를 이용하여 특정한 주파수로 천이된다. 구체적으로, 다중화기(740)에서 전달되는 출력은 주파수 천이기(745)에 전달되게 되는데, 주파수 천이기(745)는 전송하고자 하는 주파수가 fo의 경우 2ㆍfo의 출력 레이트를 가진 주파수 천이 시퀀스를 다중화기(740)의 출력에 곱해주게 된다. 여기서, 주파수 천이 시퀀스의 대표적인 예가 '1'과 '0'이 반복되는 시퀀스이지만 본 발명에서는 이에 한정되지 않는다. 주파수 천이된 신호는 송신/수신 스위치(750)를 거쳐 신호전극(755)을 통해 외부에 전송되게 된다. 이러한 주파수 천이기의 구조를 보이면 도 8과 같다. 도 8에 도시된 바와 같이 주파수 천이기에 의한 중심 주파수는 직교 변조기(735)의 출력 레이트 (Cㆍ2L2)/N의 자연수 배로 설정할 수 있다. 즉, 중심 주파수 fo는 nㆍ(Cㆍ2L2)/N이 된다. 이렇게 함으로써 중심 주파수를 다양하게 가져갈 수 있게 되는 동시에 또 한번의 확산 이득을 얻을 수 있게 된다.
상기한 바와 같이 저주파수 대역에서 특정 중심 주파수로 데이터를 전송하기 위해 데이터를 직병렬 변환기(730)를 통해 직병렬 변환하고, 직교 변조기(735)를 통해 직교 변조한 후 주파수 천이 시퀀스를 이용하여 기저 대역의 데이터를 원하는 주파수 대역으로 이동시킬 수 있다. 이때, 주파수 천이 시퀀스로 '0'과 '1'이 반복되는 시퀀스가 사용된다.
한편, 인체 통신 시스템에서의 데이터 수신 장치는 아날로그 수신기로 잡음 제거 필터(765), 증폭기(770), 1비트 비교기(775)를 포함하여 구성되며, 1비트 비교기(775)는 다음단인 디지털 수신부에 전달되게 된다. 상기한 바 이외의 데이터 수신 장치의 구성은 본 발명의 제1실시예와 관련이 적으므로 도시하지 않았으며 이에 따라 구체적인 설명도 생략하기로 한다.
상기한 바와 같은 구조를 가지는 데이터 전송 장치를 사용했을 경우의 인체 통신 시스템의 전송 주파수 특성은 도 9에 도시된 바와 같이 나타난다. 도 9에 도시된 바와 같이 전송 대역의 대역폭은 직교 변조기의 출력레이트 ((Cㆍ2L2)/N)의 의해 가변적임을 알 수 있으며, 이것은 데이터 전송률(C)을 낮출 경우 대역폭을 줄일 수 있는 기능을 제공한다. 즉, 전송 대역(BW)은 데이터 전송률(C), 직교 변조기의 길이(2L2)와, N:1 직병렬 변환기의 N에 의해 가변적으로 조절될 수 있다.
만일 시스템의 데이터 전송률 C가 2Mbps이고 N이 4인 직병렬 변환기와 16개의 길이가 16인 시퀀스를 가진 직교 변조기와 중심주파수가 16MHz이고 출력 레이트가 32MHz인 주파수 천이 시퀀스를 사용한 경우, 출력 데이터는 중심주파수가 16MHz이고 대역폭이 8MHz인 대역특성을 가지게 된다. 반면 1Mbps의 경우에는 대역폭이 4MHz로 줄어들지만 중심주파수는 16MHz로 유지된다. 즉, 도 2에서와는 달리 전송율이 낮아질 경우 대역효율도 같이 좋아지게 된다.
이와 달리 2Mbps의 데이터 레이트를 16MHz 반송파에 실어서 전달할 경우, 이 대역에 간섭성분이 존재할 경우에는 도 2에서와 같은 구조에서는 16MHz의 2배로 높은 주파수 즉, 32MHz로 이동해야된다. 본 발명에 따른 도 7에서와 같은 구조에서는 직교 변조기의 출력 레이트(8MHz)의 4배를 해줌으로써 도 2에서와 같이 32MHz로 이동할 수도 있을 뿐만 아니라, 3배 해줌으로써 24MHz의 반송파로 데이터를 전송할 수도 있다. 이를 통해 간섭을 쉽게 회피할 수 있으며, 전송 데이터의 방사 특성을 억제할 수 있는 것과 동시에 전력소모 증가도 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 인체 주변 전계를 이용한 비접촉 데이터 전송이 가능한 인체 통신 시스템의 구조를 도 10을 참조하여 설명한다. 도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 인체 통신 시스템의 구조도이다. 이러한 본 발명의 제2실시예에 따른 인체 통신 시스템은 비접촉 상태에서 그 시스템의 안정적인 운용을 위해서는 대기(Idle) 제어, 딥 슬립(deep sleep) 제어, 보안(security) 제어 등이 동반되어야 하며, 이하에서는 이러한 다양한 정보등을 포함한 시스템 설계를 제안하는 것이다.
도 10에서의 인체 통신 시스템도 데이터 전송 장치와 데이터 수신 장치로 이루어지며, 전송 및 수신 역할을 둘다 수행하는 공통 구성부를 가진다. 이러한 공통 구성부인 송수신부로써는 데이터를 송신 또는 수신하기 위해 패킷 포맷을 정의해주는 MAC 송수신 처리기(100), 마이크로컨트롤러(Micro Controller Unit, 이하 MCU)와 모뎀을 연결해주는 호스트 인터페이스부(Host Interface)(105), 모뎀 및 각종 신호를 제어하는 MCU(110)가 포함된다.
데이터 전송 장치의 경우 MAC 송수신 처리기(100)에서 생성된 통신 신호를 전달해 주는 송신회로(115), 그 송신회로(115)로부터의 출력을 외부에 전달하기 위한 송수신 스위치(120) 및 전극(125)으로 구성된다. 송수신 스위치(120)의 경우 일반적으로 하나의 전극으로 인체 통신 시스템을 구성하기 위해서 반드시 필요한 구성 요소로서, 송신과 수신시의 스위치를 조절하는 역할을 한다. 이 신호는 송수신부의 모뎀단에서 생성할 수 있으며 S/W의 조작에 의해서도 생성할 수 있다.
한편, 도 10에서는 송신회로(115)의 구체적인 구성부들을 도시하지 않았지만, 도 7의 구성부인 프리앰블 생성기(705)부터 주파수 천이기(745)까지의 구성부들로 대체될 수 있음은 물론이다. 이에 따라 송신회로(115)는 MAC 송수신 처리기(100)에서 정의된 패킷 포맷에 따라 생성된 데이터를 특정 주파수로 전송할 수 있게 된다. 이러한 경우 송신회로(115)로부터의 출력은 주파수 천이기로부터의 출력과 동일해질 것이다. 이에 따라 본 발명의 제2실시예에 따른 인체 통신 시스템도 주파수 천이기를 포함함으로써 중심 주파수의 선택 및 전송 대역의 최소화가 가능해질 수 있다.
데이터 수신 장치의 경우 수신된 미약한 전계 신호를 증폭 및 잡음 제거를 하기 위한 아날로그 프론트 엔드(Analog Front End, 이하 AFE) 회로(130), 디지털 신호로 변환하기 위한 비교기(Comparator)/아날로그 디지털 컨버터(A/D Convertor, 이하 ADC)(135), 입력 신호의 크기를 측정하고 신호 크기에 따른 제어를 하기 위한 수신신호세기(Received signal strength indication, 이하 RSSI) 측정부/자동이득제어부(Automatic Gain Control, 이하 AGC)(140), 인체 근접을 감지함에 따른 근접 센서값을 출력하는 근접 센서(proximity sensor)(145)와, 근접 센서(145)와 RSSI 측정부/AGC부(140)로부터의 신호를 시간 분할적으로 선택하여 출력하는 다중화기(150), 비교기/ADC(135)를 통해 입력된 수신신호와 다중화기(150)로부터의 신호를 처리하는 수신회로(155)로 구성되어 있다. AFE(130) 회로로부터의 신호는 신호 크기를 비교하여 디지털 신호로 변환되는데, 이를 위해 비교기 또는 아날로그 디지털 컨버터 둘 중 하나를 선택적으로 사용할 수 있다. 만일 아날로그 디지털 컨버터에서 디지털 신호의 변환이 이루어질 경우 RSSI 측정도 자동이득조정부에서 수행될 수 있다. 즉, 자동이득조정부는 수신신호세기도 측정할 수 있는 수신신호세기 측정부로서의 역할을 하며 그 측정 결과로 자동 이득 제어를 수행한다. 도 10에서는 RSSI 측정부와 AGC는 설명의 편의를 위해 하나의 구성부로 도시하였으나, 분리될 수 있음은 물론이다. 마찬가지로 ADC와 비교기도 분리될 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 데이터 전송 장치의 경우 전계통신이 최적화될 수 있도록 주파수 및 대역폭(Bandwidth), 시퀀셜 코딩(Sequential Coding) 등의 변수를 통하여 제어하는데 이것은 채널 상황에 따라서 매우 다른 구조를 띄게 된다. 데이터 수신 장치의 경우 전극(125)을 통하여 유입된 미약한 전계신호는 AFE(130)를 거쳐 일정정도 증폭 및 필터링(Filtering)의 과정 거쳐 비교기/ADC(135)로 전달된다. 이때, 비교기는 유입된 신호의 크기를 비교하고 ADC(135)는 그 신호의 크기에 따라 디지털 신호로 전환해 주게 되며, 이에 따라 RSSI가 측정될 수 있다. 입력된 신호 크기는 채널 상황 즉, 그라운드 커플링(Ground Coupling)의 좋고 나쁨에 따라서 매우 연관성 있게 측정이 된다.
여기서, ADC부(135)의 경우 AFE(130) 내부의 어떤 위치에서도 들어오는 입력신호의 수신신호강도를 측정할 수 있으며 이를 근거로 자동이득조정(Auto Gain Control)을 하기 위한 입력 신호를 생성할 수 있다. AFE(130)의 어느 위치에도 ADC(135)로 RSSI를 측정하는 이유는 그라운드 커플링 상황이 좋은 경우 즉, 채널 환경이 좋은 경우 증폭기(Amplifier, 이하 AMP) 뒷단 혹은 필터 뒷단에서 신호가 이미 포화(Saturation)될 수 있기 때문이다. 측정된 RSSI 신호는 신호입력의 세기를 나타내는데 이것은 비접촉으로 구성되어 있는 전계통신의 채널 상태를 알려주는 중요한 변수이다. 즉, 사람의 인체가 가까이 있거나 또한 다른 어떤 요소로 그라운드 커플링 상태가 좋아졌을 때 이 RSSI 값은 커지게 되며 이것을 이용하면 다수 디바이스에 채널 우선권을 줄 수도 있으며 인체 거리 감지 등의 여러 가지 용도로 활용할 수 있다.
이렇게 측정된 RSSI는 AFE(130) 자체의 이득 컨트롤(Gain Control)에 사용된다. 또한 측정된 RSSI는 데이터 수신 장치에서의 주파수, 필터 대역폭 및 이득, 스프레딩 요소(Spreading Factor), 데이터율(Data Rate), 시퀀셜 코드(Sequential Code) 등의 선택의 근거로 사용된다. 사용자 측면에서는 기술의 사용 시나리오에 따라서 전극의 접촉 비접촉 여부를 판단해야 하며 또한 멀티 사용자의 경우 가장 채널 상태가 좋은 사용자를 구분하는데 사용된다. 또한 사람의 특정 모션에 대해서 이러한 RSSI 값은 차이를 보이므로 MCU(110)에 이 제어값을 제공하면 사람의 모션에 연관된 다양한 입력 제어 신호를 제공할 수 있다. 즉, MCU(110)는 RSSI 값 또는 근접 센서값을 이용하여 전극(125)의 비접촉 여부를 판단하고, 판단 결과를 근거로 한 제어 신호를 출력한다. 이러한 RSSI 값은 또한 근접센서(145)의 제어로도 어느 정도 구성이 가능하며 인체 상황에 대해서만 정보의 수집이 가능하여 수신회로(155) 및 MCU(110), AFE(130)에 제어 신호 전달이 가능하다.
또한 인체 주변 전계를 이용한 비접촉 인체 통신 시스템에 있어서, 전체적인 시스템의 제어는 MCU(110)가 하게 되며 이것은 대부분 대기 동작에 속해 있는 시스템 전체를 제어하기 위해서이다. 일반적으로 위와 같은 시스템을 구현하기 위해서는 슬롯 프레임(Slotted Frame) 구조로 설계되어 있으며 이러한 슬롯 프레임을 바탕으로 대기 타이밍(Idle Timing)을 제어하게 된다. 대기 상태에서 웨이크업 상태로 전환되는 경우에도 위와 같은 RSSI 측정부(140)로부터의입력 신호와 근접 센서(145)를 통해 입력을 제어할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 제2실시예는 인체 주변의 전계를 이용하여 사용자가 비접촉 상태에서도 통신이 가능하게 하는 시스템 자체에 관한 것으로써 저주파수대역에서 데이터를 전송할 수 있으며, 인체통신의 경우 중심 주파수의 선택, 전송 대역의 최소화, 중심 주파수, 데이터 속도, 변조 등을 제어할 수 있다.

Claims (19)

  1. 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치에 있어서,
    프리앰블 신호를 생성하는 프리앰블 생성기와,
    패킷 헤더 정보를 생성하는 헤더 생성기와,
    데이터를 생성하는 데이터 생성기와,
    상기 데이터 생성기로부터의 데이터를 직병렬 변환하여 심볼로 변경하는 직병렬 변환기와,
    상기 직병렬 변환기로부터의 심볼을 상호 직교 특성을 가진 시퀀스 중 하나에 맵핑하기 위한 직교 변조기와,
    상기 프리앰블 생성기, 상기 헤더 생성기 및 상기 직교 변조기로부터 출력된 신호를 시간분할적으로 선택하는 다중화기와,
    상기 다중화기의 출력을 특정 주파수로 천이시키는 주파수 천이기를 포함함을 특징으로 하는 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 데이터 전송 장치는,
    프리앰블, SFD(Start Frame Delimiter), 헤더 및 데이터로 이루어진 패킷을 전송하는 경우 헤더 정보의 시작을 알려주기 위한 SFD를 생성하는 SFD 생성기와,
    데이터 수신 시 동기 과정이 가능하도록 하는 파일롯을 생성하는 파일롯 생성기를 더 포함함을 특징으로 하는 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 주파수 천이기는,
    상기 다중화기의 출력을 주파수 천이 시퀀스를 이용하여 특정 주파수로 천이시킴을 특징으로 하는 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 주파수 천이기는,
    상기 주파수 천이 시퀀스로 '0'과 '1'이 반복되는 시퀀스를 사용함을 특징으로 하는 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 데이터 전송 장치의 전송 대역(BW)은,
    데이터 전송률(C), 상기 직교 변조기의 길이(2L2)와, N:1의 상기 직병렬 변환기의 N에 의해 가변적으로 조절되는 것임을 특징으로 하는 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 주파수 천이기에 의한 중심 주파수는,
    상기 직교 변조기의 출력 레이트 (Cㆍ2L2)/N의 자연수 배로 설정됨을 특징으로 하는 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 데이터 전송 장치는,
    상기 프리앰블, SFD(Start Frame Delimiter), 헤더, 파일롯 및 데이터로 이루어진 패킷을 전송하는 경우 최종 출력단에서의 전송 대역을 일치시키기 위해 상기 각 시퀀스의 출력 레이트를 상기 직교 변조기에 맞도록 함을 특징으로 하는 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 데이터 전송 장치는,
    상기 프리앰블 생성기로부터의 상기 프리앰블을 한번 이상 반복하여 전송한 후 상기 SFD 생성기로부터의 상기 SFD를 전송하고, 상기 헤더 생성기로부터의 생성된 헤더 전송 후에 상기 데이터 생성기로부터의 생성된 데이터를 전송할 때 미리 정해진 주기마다 상기 파일럿 생성기로부터 생성된 파일롯을 삽입하여 전송함을 특징으로 하는 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 장치.
  9. 인체 주변 전계를 이용한 비접촉 통신을 수행하는 인체 통신 시스템에 있어서,
    맥(MAC) 송수신 처리기에서 정의된 패킷 포맷에 따라 생성된 데이터를 특정 주파수로 전송하는 송신 회로와,
    상기 송신 신호로부터의 출력을 외부로 출력하는 전극과,
    상기 전극로부터 신호를 입력받아 증폭 및 잡음을 제거하는 아날로그 프론트 엔드(Analog Front End) 회로와,
    수신신호세기를 측정하는 수신신호세기 측정부와,
    인체 근접을 감지함에 따른 근접 센서값을 출력하는 근접 센서와,
    상기 근접 센서 및 상기 수신신호세기 측정부로의 신호를 선택적으로 출력하는 다중화부와,
    상기 다중화부 및 상기 아날로그 디지털 컨버터로부터의 신호를 처리하는 수신회로와,
    상기 수신신호세기의 측정값 또는 상기 근접 센서값을 이용하여 상기 전극의 비접촉 여부를 판단하고, 판단 결과를 근거로 한 제어 신호를 출력하는 마이크로 컨트롤러를 포함함을 특징으로 하는 인체 통신 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 수신신호세기의 측정값은,
    상기 아날로그 프론트 엔드 회로의 이득 제어, 주파수 선택, 필터 대역폭, 이득, 스프레딩 요소, 데이터율, 시퀀셜 코드 중 적어도 하나의 선택 근거로 사용되는 것을 특징으로 하는 인체 통신 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러와 상기 모뎀을 연결하는 호스트 인터페이스와,
    데이터를 송수신하기 위한 패킷 포맷을 정의하는 상기 맥 송수신 처리기를 더 포함함을 특징으로 하는 인체 통신 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 송신 회로는,
    프리앰블 신호를 생성하는 프리앰블 생성기와,
    패킷 헤더 정보를 생성하는 헤더 생성기와,
    데이터를 생성하는 데이터 생성기와,
    상기 데이터 생성기로부터의 데이터를 직병렬 변환하여 심볼로 변경하는 직병렬 변환기와,
    상기 직병렬 변환기로부터의 심볼을 상호 직교 특성을 가진 시퀀스 중 하나에 맵핑하기 위한 직교 변조기와,
    상기 프리앰블 생성기, 상기 헤더 생성기 및 상기 직교 변조기로부터 출력된 신호를 시간분할적으로 선택하는 다중화기와,
    상기 다중화기의 출력을 특정 주파수로 천이시키는 주파수 천이기를 포함함을 특징으로 하는 인체 통신 시스템.
  13. 제9항에 있어서, 상기 아날로그 프론트 엔트 회로로부터의 신호 크기를 비교하여 상기 신호 크기에 따라 디지털 신호로 변환하는 비교기를 더 포함하고,
    상기 수신신호세기 측정부는 상기 비교기로부터의 신호의 수신신호세기를 측정함을 특징으로 하는 인체 통신 시스템.
  14. 제9항에 있어서, 상기 아날로그 프론트 엔트 회로로부터의 상기 신호 크기에 따라 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터를 더 포함하고,
    상기 수신신호세기 측정부는 상기 아날로그 디지털 컨버터로부터의 신호의 수신신호세기를 측정함을 특징으로 하는 인체 통신 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 수신신호세기 측정부는,
    상기 아날로그 디지털 컨버터로부터의 신호의 수신신호세기를 측정하여 자동 이득 제어를 수행하는 자동 이득 제어부인 것을 특징으로 하는 인체 통신 시스템.
  16. 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 방법에 있어서,
    프리앰블 신호, 패킷 헤더 정보 및 데이터를 생성하는 과정과,
    상기 생성된 데이터를 직병렬 변환하여 심볼로 변경하는 과정과,
    상기 심볼을 상호 직교 특성을 가진 시퀀스 중 하나에 맵핑하는 과정과,
    상기 프리앰블 신호, 패킷 헤더 정보 및 상기 맵핑된 신호를 시간분할적으로 선택하는 과정과,
    상기 선택된 신호를 특정 주파수로 천이시키는 과정을 포함함을 특징으로 하는 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 특정 주파수로 천이시키는 과정은,
    주파수 천이 시퀀스를 이용함을 특징으로 하는 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    프리앰블, SFD(Start Frame Delimiter), 헤더, 파일롯 및 데이터로 이루어진 패킷을 전송하는 경우 헤더 정보의 시작을 알려주기 위한 SFD를 생성하는 과정과,
    데이터 수신 시 동기 과정이 가능하도록 하는 파일롯을 생성하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 주파수 천이에 따른 중심 주파수는,
    상기 맵핑된 신호의 출력 레이트 (Cㆍ2L2)/N의 자연수 배로 설정됨을 특징으로 하는 인체 통신 시스템에서 저주파수 대역에서의 데이터 전송 방법.
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