가시광 무선인식장치에서 가장자리 펄스변조를 이용한 플리커 방지

2.1 가장자리 펄스 변조 방법

가시광 송신부에서 가장자리 펄스 변조방식을 도식적으로 나타내면 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.

Edge-pulse modulation in the transmitter.

Fig. 1(a)는 임의의 non-return-to-zero(NRZ) 전송데이터 파형의 예를 들어 도식적으로 표현한 것이다. Fig. 1(b) 는 NRZ 전송데이터에서 “low-to-high” 천이가 발생하는 가장자리 지점에서 전송되는 (+) 펄스를 나타내며, 펄스의 기저레벨은 0V 이고, 꼭지점의 전압은 +V₀이다. Fig. 1(c) 는 NRZ 전송데이터의 “high-to-low” 천이가 발생하는 지점에서 전송되는 (-)펄스를 나타내며, 펄스 상부의 평탄한 레벨의 전압은 +V₀ 이고, 펄스 하부의 꼭지점은 0V에 해당한다. Fig. 1(d) 는 (b)의 (+) 펄스와 (c)의 (-) 펄스 전압이 합해져 LED를 구동할 때 나타나는 3-레벨의 광출력 신호로서, 최상위 레벨은 2P₀, 중간 레벨은 P₀, 그리고 최하위 레벨은 0에 해당한다. 이와 같이 3-레벨의 펄스로 변조된 상태에서 LED의 평균 광전력을 계산하면 다음과 같다. NRZ전송 데이터의 파형에서 임의의 관측시간 T 동안 n개의 “low-to-high” 천이가 발생한다면, 같은 수 n개의 “high-to-low” 천이가 발생한다. 따라서 관측시간 T내에는 n 번의 (+) 펄스와 n번의 (-) 펄스가 발생한다.

Fig. 1(d)에서 n개의 (+) 펄스에 의한 빛 에너지를 계산하는 경우, 1 비트 시간(t_b) 중에서 펄스 지속시간 (Δt)에서는 2P₀의 광전력이 발생하고, 펄스폭을 제외한 나머지 시간 (t_b-Δt) 동안은 계속 P₀의 광전력이 유지되므로, 관측시간 T동안에 발생한 n 번의 (+)광펄스에 의한 빛 에너지는

이 된다. 여기에서 P₀는 광펄스의 진폭이며, Δt는 펄스폭, t_b는 NRZ 데이터에서 1 비트시간(bit time)을 나타낸다.

같은 방법으로 Fig. 1(d)에서 n개의 (-) 펄스에 의한 빛 에너지를 계산할 때, 1 비트 시간(t_b) 중에서 펄스 지속 시간(Δt) 동안은 광전력이 없고, 펄스폭을 제외한 나머지 시간(t_b-Δt) 에는 P₀의 광전력이 유지되므로, 관측시간 T동안에 발생하는 n 번의 (-) 펄스에 의한 빛 에너지는

이 된다. 관측시간 T 내에서 NRZ데이터에 동일한 high(H) 또는 동일한 low(L)가 연속 발생하여 천이가 발생하지 않는 시간이 i개의 비트시간이라면, 이 구간에서는 연속하여 P₀의 광전력이 계속 유지되므로, 이 시간 동안 발생하는 빛 에너지는

이다. 식(1)-(3)을 합하여 임의의 관측시간 T동안에 발생하는 LED의 평균 광전력을 계산하면

이 된다. 여기에서 관측시간 T는 n번의 (+) 천이가 발생하는 비트시간 (nt_b)과 n번의 (-) 천이가 발생하는 비트시간 (nt_b), 그리고 천이가 발생하지 않은 비트시간 (it_b)의 합에 해당된다. 즉

이다. 이 값을 식(4) 에 대입하면 LED의 평균 광전력은

가 되어 데이터의 전송여부에 관계 없이 LED의 평균 광전력이 항상 P₀ 로 일정한 상태로 유지된다. 그 결과, 전송과정에서 LED 출력광에는 평균 광전력의 변화에 의한 플리커가 발생하지 않고 항상 균일한 조명상태를 이루게 된다.

2.2 가장자리 펄스로부터 데이터 복구 방법

트랜스폰더에서는 가장자리 펄스로 변조하여 전송돤 신호를 받아 원신호에 해당하는 NRZ데이터를 복구한다. 수신된 신호로부터 원신호를 복구하는 과정을 도식적으로 나타내면 Fig. 2와 같다.

Fig. 2.

Data recovery process in the transponder.

Fig. 2(a)는 포토다이오드에서 검출된 전압신호의 예를 도식적으로 나타낸 것이다. 가시광 시스템을 구성하는 경우 그 주변에는 가시광 전송과 관계가 없는 다른 LED 램프, 또는 형광등이나 백열등의 조명이 존재하는 경우가 많다. 이와 같은 환경에서는 송신부에서 보내온 신호 이외에도 인접된 다른 조명장치로부터 유입되는 잡음광이 존재할 수 있다. 이러한 잡음은 대부분 60 Hz의 전력선으로 구동되는 조명장치에서 전력선 주파수의 2배에 해당하는 120 Hz의 잡음광인 경우가 많다. 포토다이오드에 유입되는 잡음광의 세기가 신호광에 비하여 매우 약할 때는 이를 무시할 수 있지만, 잡음이 신호광의 세기에 근접하는 경우에는 이러한 잡음을 소거하기 위한 대책이 마련되어야 한다.

송신부에서 가장자리 펄스변조 방식으로 수 us의 짧은 광펄스를 전송하면, 수신부에서는 간단한 RC-고역통과 필터를 사용하여 120 Hz의 잡음을 소거하고 펄스 신호만 수신할 수 있다. Fig. 2(b)는 이러한 RC-고역통과필터를 사용할 때 나타나는 수신파형을 도식적으로 표현한 것이다. 여기에서 수신된 가장자리 펄스파형은 3-레벨의 전압신호로서 중간레벨이 접지에 해당하는 0V 이고, (+) 펄스의 진폭은 +V₀이며, (-) 펄스의 진폭은 -V₀의 전압이 된다. 이 상태에서 다이오드 회로를 사용하여 (+) 펄스와 (-) 펄스를 따로따로 분리할 수 있다. Fig. 2(c)는 수신된 (±) 펄스 중에서 다이오드를 통하여 (+) 펄스만 추출된 상태이며, Fig. 2(d)는 반전 증폭기를 사용하여 반전된 (-) 펄스만 다이오드를 통하여 검출되는 상태를 도식적으로 나타낸 것이다.

Fig. 2(e)는 (c)와 (d)의 펄스신호를 각각 마이크로프로세서의 입터럽트 INT0와 IN1단자에 인가하여 (+) 펄스의 위치에서는 “low-to-high”천이를 발생하고, (-) 펄스의 위치에서는 “high-to-low” 천이를 발생할 때 복구되는 NRZ데이터 파형으로서 이 신호는 송신부에서 보낸 NRZ 데이터와 동일한 파형이 된다. 이와 같이 송신부에서는 NRZ데이터의 천이 지점에서 가장자리 펄스를 전송함으로써 LED출력광의 플리커를 방지하고, 수신부에서는 잡음광을 차단하면서 원신호를 복구하는 과정이 반복적으로 이루어진다. 본 논문에서는 이러한 전송방법을 사용하여 가시광 인식장치의 송신부와 트랜스폰더를 구성하였다.

3.1 가시광 인식장치의 구성

가시광 인식장치의 전체 시스템 구조는 Fig. 3와 같다.

Fig. 3.

Visible light identification (VLID) system.

가시광 인식장치는 가시광 송신부와 트랜스폰더, 그리고 리더로 이루어진다. 가시광 송신부에서는 LED array를 광원으로 사용하여 실내의 조명을 제공함과 동시에 LED의 출력광을 문의신호로 변조하여 트랜스폰더에 전달한다. 트랜스폰더는 인식대상물체에 부착되어 있으며, LED array로 부터 문의 신호를 수신하고 자신의 데이터를 RF로 송출한다. 트랜스폰더로부터 가시거리 밖에 멀리 떨어진 리더에서는 트랜스폰더의 응답신호를 수신하여 관리자의 컴퓨터에 전달하여 데이터를 판독한다. 일반적으로 가시광 송신부와 리더가 동일한 위치에 설치되는 경우가 많으나, 본 논문에서는 가시광 조명을 제공하는 송신부와 리더의 위치를 분리하여 가시거리 밖에서도 트랜스폰더의 데이터를 판독할 수 있도록 트랜스폰더와 리더 사이에 RF무선전송을 통하여 응답신호를 전송하였다. 가시광인식장치의 주요 부분별 회로 구성과 동작과정의 관측결과는 다음과 같다.

3.2 가시광 송신부

가시광인식장치의 송신부 구조는 Fig. 4와 같다.

Fig. 4.

Configuration of the VLID transmitter.

가시광 송신부는 1 개의 Atmega8 마이크로프로세서와 2개의 DW8501전류구동 IC, 그리고 1개의 LED array로 구성하였다. LED array는 1W의 백색광 LED 12개를 사용하여 3×4평면 배열구조로 제작하여 사용하였다. 입력 단에 전송데이터에 해당하는 NRZ 신호가 들어오면, 이 신호가 Atmega8의 인터럽트 INT0 단자에 인가되어 NRZ신호의 전압천이가 발생하는 부분에서 펄스를 발생하였다. “Low-to-high” 천이하는 지점에서는 펄스폭이 2us인 (+) 펄스(v₁)를 발생하였고, “high-to-low” 천이지점에서는 같은 펄스폭의 (-) 펄스(v₂)를 생성하였다. (+) 펄스와 (-) 펄스를 출력하는 단자를 따로 분리하여, (+) 펄스로는 DW8501#1을 구동하였고, (-) 펄스로는 DW8501#2을 구동하여 각각 출력되는 전류를 합하여 LED array에 공급하였다. Fig. 5는 오실로스코프를 사용하여 송신부에서 관측한 전압파형을 나타낸다.

Fig. 5.

Voltage waveforms observed in the transmitter. (a) interrogation signal, (b) positive pulses, (c) negative pulses, and (d) sum of positive and negative pulses.

Fig. 5(a)는 송신부에서 발생한 문의신호로서 문자”Q”에 대한 9.6kbps UART 전송규격의 NRZ전압파형을 나타낸다. 문자”Q”의 8비트 ASCII 코드는 “01010001”이며, 최하위 비트를 우선 전송할 때 왼쪽으로부터 오른쪽으로 비트열을 나열하면 “10001010”이 된다. 여기에 start bit “0”와 stop bit “1”을 각각 비트열의 앞과 뒤에 추가하면 “0100010101”의 10비트의 신호가 된다. UART 전송규격에 따라 “0”에 high (H)전압을 지정하고, “1”에 low (L) 전압을 지정하였을 때 전송되는 전압파형은 Fig. 5(a)와 같이 “HLHHHLHLHL”이 된다. Fig. 5(b)는 NRZ 입력파형의 “low-to-high” 천이지점에서 발생한 출력전압 (v₁)으로서 펄스폭이 2us인 (+) 펄스전압이다. Fig. 5(c)는 NRZ 입력파형의 “high-to-low” 천이지점에서 발생한 출력전압 (v₂)으로서 펄스폭이 2us인 (-) 펄스전압이다. Fig. 5(d)는 (b)와 (c)가 합해진 상태를 나타내며, 이 신호에 비례한 전류를 사용하여 LED array 를 구동하였다. LED array에서 출력되는 신호광은 3-레벨의 신호로서 (+)펄스의 광출력 진폭은 2 P₀이고, (-)펄스는 신호광이 없는 0의 상태이며, 펄스가 없는 구간에서는 중간 레벨에 해당하는 P₀의 상태를 유지하였다. LED array로부터 약 2 m 거리에서 광전력밀도는 P₀=0.4 W/m²로 측정되었으며, 이 위치에서 조명은 약 600 Lux 로 측정되었다. LED array의 광전력밀도는 OMM-7810B Optical multimeter를 사용하여 측정하였으며, 조명은 UT382 lux meter를 사용하여 측정하였다. LED array로부터 약 2m의 거리에 트랜스폰더를 설치하고 송신부의 신호를 검출하였다.

3.3 가시광-RF 트랜스폰더

가시광인식장치의 트랜스폰더 구조는 Fig. 6와 같다.

Fig. 6.

Configuration of the VLID transponder.

트랜스폰더는 1개의 포토다이오드(PD)와 3개의 증폭기, 2개의 다이오드, 2개의 Atmega8 마이크로프로세서, 그리고 1개의 UHF 송신기로 구성하였다. 포토다이오드가 가시광 신호를 수신하여 증폭기(Amp-0)에서 증폭되어 캐퍼시터C와 저항R로 이루어진 RC-고역통과필터(RC-HPF)를 통과한 후 2개의 증폭기의 입력단에 동시에 인가되었다. RC-HPF에서 R=1 kΩ, C=0.1 uF을 사용하였을 때 차단주파수는 약 1.6 kHz이었으며, 필터의 출력을 비반전증폭기 (Amp-1)와 반전증폭기(Amp-2)의 입력단에 공통으로 인가하였다. 비반전증폭기Amp-1의 출력전압이 다이오드D1을 통과하면서 (+)펄스는 나타나고 (-)펄스는 차단되었다. 따라서 다이오드 D1의 출력전압(v_d1)에는 (+) 펄스만 존재하였다.

증폭기Amp-2는 반전증폭기이므로, Amp-2의 출력전압에서는 (-) 펄스가 (+) 펄스로 반전되어 나타난다. 이 전압이 다이오드 D2를 통과하면서 출력전압(v_d2) 에는 반전된 (-) 펄스만 나타난다. 다이오드 D1과 D2의 출력전압을 각각 Atmega8(#1)의 인터럽트 단자 INT0와 INT1에 인가하여, (+) 펄스의 위치에서는 “low-to-high” 천이를 발생하고, (-) 펄스의 위치에서는 “high-to-low” 천이를 발생하여 원신호에 해당하는 NRZ 데이터를 재생하였다. Atmega8(#2)는 Atmega8(#1)의 출력전압을 읽어 들여 문의신호”Q”와 일치할 때 응답신호를 발생하여 UHF 송신기로 전달하였다. 실험에서 사용한 UHF 송신기는 433 MHz의 캐리어를 사용하는 Radiometrix-Tx 모듈을 사용하였다. Fig. 7는 트랜스폰더에서 NRZ데이터의 복구과정을 오실로스코프로 관측한 전압파형이다.

Fig. 7.

Voltage waveforms observed in the transponder. (a) photodiode voltage, (b) RC-HPF output, (c) positive pulses, (d) inverted negative pulses, and (e) the regenerated interrogation signal.

Fig. 7(a)는 트랜스폰더의 포토다이오드에서 검출된 전압파형을 나타낸다. 여기에서는 송신부에서 보낸 가장자리 펄스 신호 이외에도 수신부에 인접한 다른 조명램프로부터 유입된 잡음광과 섞여있는 상태로서 파형에서 보이는 큰 기울기는 120 Hz의 잡음광을 나타낸다. Fig. 7(b)는 포토다이오드 전압이 RC-HPF를 통과한 후에 나타난 전압파형으로서 120 Hz의 잡음은 소거되고, 송신부에서 보낸 (±) 가장자리 펄스만 출력됨을 볼 수 있다.

Fig. 7(c)는 Fig. 6의 트랜스폰더 회로에서 비반전 증폭기인 Amp-1과 다이오드 D1을 통과한 후에 나타난 전압(v_d1)으로서, (±) 가장자리 펄스 신호 중에서 (+) 펄스만 출력되는 상태를 보이고 있다. Fig. 7(d)는 Fig. 6의 트랜스폰더 회로에서 반전 증폭기인 Amp-2와 다이오드D2를 통과한 후에 나타난 전압(v_d2)으로서, (±) 가장자리 펄스 신호 중에서 (-) 펄스만 반전되어 나타난 상태이다.

Fig. 7(e)는 (+)펄스와 반전된 (-)펄스를 각각 마이크로프로세서 Atmega8(#1)의 인터럽트단자 INT0와 INT1에 입력하여, (+) 펄스의 위치에서 “low-to-high” 전압천이와, (-) 펄스의 위치에서 “high-to-low” 천이를 발생하여 재생된 NRZ 신호를 나타낸다. 이 파형은 송신부에서 보낸 NRZ 데이터 신호인 Fig. 5(a)와 동일한 형태이며, 문자 “Q”에 대한 UART 형식의 ASCII 코드를 나타낸다. 이 신호가 트랜스폰더의 마이크로프로세서 Atmega8(#2)의 입력단자에 인가되었을 때, 응답신호를 발생하였다. Fig. 8은 트랜스폰더에서 발생한 응답신호를 오실로스코프로 관측한 것이다.

Fig. 8.

Voltage waveforms observed in the transponder. (a) edge-pulses, (b) the recovered interrogation signal, (c) response signal.

Fig. 8(a)는 트랜스폰더에서 검출한 가장자리 펄스파형 으로서 앞의 Fig. 7(b)와 동일한 파형이며, 오실로스코프의 시간 축을 2 ms/div 눈금으로 확대하여 관측한 것이다. Fig. 8(b)는 트랜스폰더의 마이크로프로세서 Atmega (#1)에서 복구되어 출력된 파형으로서 Fig. 7(e)에서 보인 문의신호 ”Q”의 NRZ파형과 같다. 이 신호가 Atmega (#2)의 입력단에 가해졌을 때 출력단에서 발생한 응답신호는 Fig. 8(c)와 같다. 이 응답신호는 9.6kbps의 데이터율로 발생한 UART형식의 문자열 “\tCart No=1\r\n”에 해당하는 NRZ전압파형이다. 트랜스폰더는 이 응답신호를 Radiometrix-Tx 모듈을 통하여 리더 쪽으로 무선 전송하였다.

3.4 리더 회로

트랜스폰더로부터 약 5 m떨어진 가시거리 밖의 위치에 리더와 관리자 컴퓨터를 설치하여 응답신호를 수신하였다. 리더의 구조를 도식적으로 나타내면 Fig. 9와 같다.

Fig. 9.

Configuration of the VLID reader.

리더는 트랜스폰더로부터 보내온 RF응답신호를 검출하기 위한 RF 수신 회로이며, 실험에서는 433MHz의 캐리어를 사용하는 UHF 수신기 Radiometrix-Rx모듈을 사용하였다.

리더에서 수신된 트랜스폰더의 응답신호를 관리자 컴퓨터의 직렬포트에 전달하였을 때 모니터 상에 나타난 문자열은 Fig. 10과 같다.

Fig. 10.

Characters displayed on a monitor.

모니터상에 디스플레이 된 문자열은 “Cart No=1” 이었다. 트랜스폰더에서 발생한 응답신호인 문자열 “\tCart No=1\r\n” 중에서 문자열의 위치를 조정하기 위한 3개의 특수문자 “\t”(tab), “\r”(carriage return), “\n” (line feed)를 제외한 나머지 문자열이 화면에 출력되고 있음을 볼 수 있다. 이와 같이 송신부에서 LED 조명을 사용하여 문의신호를 보내면, 트랜스폰더에서는 이를 인식하여 응답신호를 발생하고, 리더에서는 그 응답신호를 검출하는 가시광인식장치의 동작과정을 실험적으로 확인하였다. Fig. 11은 실험에서 사용한 회로의 외관을 나타낸다.

Fig. 11.

Circuits used in experiments.

Fig. 11 (a)는 송신부에서 사용한 마이크로 프로세서 Atmega8 회로, (b)는 광원으로 사용한 LED array 회로이다. Fig. 11 (c), (d), (e) 는 각각 트랜스폰더에서 사용한 PIN 포토다이오드 SFH-203 회로, 2개의 Atmega8 회로, 그리고 Radiometrix-Tx 회로를 나타낸다. Fig. 11(f)는 리더에서 사용한 Radiometrix-Rx 회로의 외관을 나타낸다.