KR100613861B1

KR100613861B1 - 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기

Info

Publication number: KR100613861B1
Application number: KR1020050006062A
Authority: KR
Inventors: 조규민; 오원석; 김영태
Original assignee: 학교법인 유한학원
Priority date: 2005-01-22
Filing date: 2005-01-22
Publication date: 2006-08-17
Also published as: KR20060085095A

Abstract

본 발명은 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기에 관한 것으로, 기준 클록신호에 따라 직렬 데이터를 제공받아 변조하되 소정의 PWM 듀티제어신호에 따라 데이터의 듀티를 조정하여 주파수편이 변조하는 디지털변조수단; 상기 디지털변조수단으로부터 제어된 신호가 게이트 신호로 인가되어 입력전원을 고주파로 스위칭하여 교류신호를 출력하는 인버터; 상기 인버터에서 출력되는 신호를 제공받아 커패시터를 통해 안테나의 인덕턴스와 공진을 유발하는 공진회로부; 및 상기 공진회로부를 통해 출력되는 교류신호를 제공받아 인덕턴스와의 공진을 통해 전력 증폭한 후 무선신호로 전송하는 안테나;를 구비함으로써, 기존의 선형 증폭기 대신 인버터를 채용하여 부하 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기를 만들며, 본 송신기는 스위칭 전력 증폭기를 사용함에 따라 송출 전력뿐만 아니라 정보 전송을 위한 변조회로까지 모두 디지털화를 이룰 수가 있어서 회로가 간단해지고 증폭기의 효율 및 제조비용이 절감되는 이점을 제공한다.

Description

주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기{RESONANT TRANSMITTER USING FSK MODULATION}

도 1은 선형회로로 구성된 종래의 기술을 일 실시예로 도시한 일예시도이고,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 디지털화 된 송신기의 구성에 관한 일예시도이고,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 디지털 FSK 변조수단의 구성에 관한 일예시도이고,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기의 실험을 한 TWC 시스템의 개요도이고,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기의 송신데이터 변화로 인한 안테나 전압, 전류파형을 도시한 도면이고,

도 6a 및 도 6b는 발명의 일실시예에 따른 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기의 PWM 듀티 변화시의 FSK게이트 파형을 도시한 도면이고,

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기의 PWM 듀티 변화시의 안테나 전압,전류 파형을 도시한 도면이고,

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수편이 변조를 이용한 공 진형 송신기의 9600bps의 2진 데이터를 송수신한 실험 결과를 도시한 도면이고,

도 9a는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기의 4800bps의 데이터 전송률의 결과를 도시한 도면이고,

도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기의 19200bps의 데이터 전송률의 결과를 도시한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100: 디지털변조수단 110: 레퍼런스 카운터

120: 가변분주 카운터 130: 토글 플립플롭

140: 듀티 카운터 150: 비교기

200: 인버터 300: 공진회로

400: 루프 안테나

본 발명은 디지털변조수단과 송신기의 구성에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 송신기를 디지털화하여 변조에서부터 전력 증폭까지 디지털로 제어가 가능하도록 하고, 작은 전압의 제어용 전원으로도 큰 전압을 안테나에 공급할 수 있는 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기에 관한 것이다.

종래 송신 방식에 관련해서는 도 1에 도시된 바와 같이, 아날로그로 변조하는 아날로그 변조수단(2), 파워 연산증폭기와 같은 선형증폭기(3), 입력단과 출력단을 연결하여 승압하는 매칭트랜스(4), 그리고 송출용 안테나(5)로 구성되어 있다.

대부분의 원격 통신 및 무선 통신의 경우 데이터를 전송하기 위하여 원정보를 변조하고 송신기를 이용하여 변조된 신호를 증폭 및 전송하는데, 근래의 경우 거의 모든 원정보는 디지털 데이터로 되어 있으나 종래의 송신방식을 이용하여 아날로그 변조수단(2)을 거쳐 모두 아날로그 신호로 변환되어 송신기의 구성도 마찬가지로 선형회로를 이용하여 전송신호를 증폭하는 선형증폭기(3)가 사용되고, 증폭된 신호와 하이 임피던스와의 매칭을 하기 위한 매칭 트랜스(4)가 부가되어 다시 승압한 후 안테나(5)를 통하여 신호를 송출하게 된다.

그러나, 상기 무선 송신 방식의 경우에는 선형회로를 이용하여 전송신호를 증폭하여 송출하게 되므로 고가의 선형 증폭기와 매칭트랜스를 사용하여 송신기의 부피가 커지고 낮은 효율과 높은 가격 또한 문제점이 있었다.

그리고, 상기 무선 송신 방식은 정보 전송을 위한 변조 회로를 꾸밀 때, 아날로그 주파수편이 변조(FSK)를 하거나 위상편이 변조(PSK) 또는 진폭편이 변조(ASK) 등을 하여 회로 구성을 하면 회로가 복잡해지고 제어하는 데에 용이하지 않은 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존의 선형 증폭기 대신에 인버터라는 스위칭 전원장치를 전력 증폭기로써 사용하여 중량과 부피를 줄이고 저렴한 가격으로 구현이 가능한 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기를 제공하는 것에 있다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은, 인버터를 사용하여 변조의 단계도 디지털화를 이루어 디지털 변조 알고리즘을 제공함으로써 송출 전력뿐이 아니라 정보 전송을 위한 변조 회로까지 모두가 디지털로 제어가 가능하며 회로가 간단해지고 제어가 용이한 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기를 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 안테나를 통해 데이터를 송신하는 시스템에 있어서: 기준 클록신호에 따라 직렬 데이터를 제공받아 변조하되 소정의 PWM 듀티제어신호에 따라 데이터의 듀티를 조정하여 주파수편이 변조하는 디지털변조수단; 상기 디지털변조수단으로부터 제어된 신호가 게이트 신호로 인가되어 입력전원을 고주파로 스위칭하여 교류신호를 출력하는 인버터; 상기 인버터에서 출력되는 신호를 제공받아 커패시터를 통해 안테나의 인덕턴스와 공진을 유발하는 공진회로부; 및 상기 공진회로부를 통해 출력되는 교류신호를 제공받아 인덕턴스와의 공진을 통해 전력 증폭한 후 무선신호로 전송하는 안테나;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

구체적으로 상기 디지털변조수단은, 기준클록신호를 제공받아 카운트하는 레퍼런스 카운터; 상기 레퍼런스 카운터의 출력신호에 따라 직렬데이터를 제공받아 디코딩하는 디코더부; 상기 디코더부에서 인가되는 신호에 따라 안정된 출력을 지속하기 위한 플립플롭; 상기 기준클록신호를 제공받아 기준클록신호의 펄스폭을 카운트하되 플립플롭의 출력신호에 따라 클리어되는 듀티 카운터; 및 상기 듀티 카운터의 출력신호를 제공받되 소정의 PWM 듀티제어신호에 따라 데이터의 듀티를 조정하여 주파수편이 변조하는 비교기;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 레퍼런스 카운터는 디코더부의 출력신호에 따라 기준클록신호의 카운트를 클리어시키도록 구성되어 있으며, 상기 인버터는 단상 풀브리지 인버터인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는 상기 디지털변조수단내의 상기 레퍼런스 카운터에서 인가된 출력클록이 가변 분주되어 주파수의 클록신호가 변환되는바, 디코더부의 주파수비를 결정하기 위한 각 적용 분주비의 선택을 전송 데이터에 의해 제공하게 하는 디코더부는 예측하기 힘든 주파수 성분이 유발되지 않게 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 더욱 바람직하게는 상기 디지털변조수단에서 듀티 카운터와 비교기 부분을 상보로 동작시켜 PWM(Phase Width Modulation)에 의하여 인버터 출력 전압을 제어하는 것을 특징으로 한다.

더 나아가 바람직한 구성을 위해 전력 증폭기의 기능을 갖는 인버터는 변조의 단계인 소용량의 EPLDs로 구현된 디지털변조수단을 가능하게 하고 풀브리지 회 로로 구성된 인버터를 포함하여, 12V 또는 15V정도의 작은 제어용 전원으로도 100Vp 이상의 정현파 전압을 안테나에 공급할 수 있는 것이 특징이 되어 기존의 고가의 선형 증폭기나 매칭 트랜스를 대치할 수 있게 되었다.

그리고, 바람직하게 풀브리지 인버터의 출력단에 루프 안테나의 인덕턴스와 공진을 유발시킬 수 있는 부가 공진 요소를 포함하여 송출 전력이 공진되어 전송될 수 있게 하는 공진회로가 포함된 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기가 되어 본 발명의 목적에 부합하는 구성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기의 구성은 도 2, 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기의 일예시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 디지털 주파수편이 변조(FSK)의 일예시도이다.

상기 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기는 기준 클록신호에 따라 직렬 데이터를 제공받아 변조하되 소정의 PWM 듀티제어신호에 따라 데이터의 단속비(Duty)를 조정하여 주파수편이 변조하는 디지털변조수단(100)과, 상기 디지털변조수단(100)으로부터 제어된 신호가 게이트신호로 인가되어 입력전원을 고주파로 스위칭하여 교류신호를 출력하는 인버터(200)와, 상기 인버터(200)에서 출력되는 신호를 제공받아 커패시터를 통해 안테나의 인덕턴스와 공진을 유발하는 공진회로부(300), 및 상기 공진회로부(300)를 통해 출력되는 교류신호를 제공받아 인덕턴스와 의 공진을 통해 전력 증폭한 후 무선신호로 전송하는 안테나(400)로 이루어져 있다.

상기 디지털변조수단(100)은, 소정의 기준클록신호(reference clock)를 제공받아 카운트하는 레퍼런스 카운터(110)와, 상기 레퍼런스 카운터(110)의 출력신호에 따라 직렬데이터(serial data)를 제공받아 디코딩하는 디코더부(120)와, 상기 디코더부(120)에서 인가되는 신호에 따라 안정된 출력을 지속하기 위한 플립플롭(130)과, 상기 기준클록신호(reference clock)를 제공받아 기준클록신호의 펄스폭을 카운트하되 플립플롭(130)의 출력신호에 따라 클리어되는 듀티 카운터(140), 및 상기 듀티 카운터(140)의 출력신호를 제공받되 소정의 PWM 듀티제어신호(PWM duty)에 따라 데이터의 듀티를 조정하여 주파수편이 변조하는 비교기(150)로 이루어져 있다.

본 실시예에서 레퍼런스 클록이 상기 레퍼런스 카운터(110)에 입력되고 다시 출력된 신호는 디코더부(120)에 신호가 전송되는데 단순히 변조에 소요될 두 주파수의 클록신호를 전송 데이터신호로 멀티 플렉싱할 수도 있으나, 전송 데이터와 변조될 주파수 신호가 비동기일 경우 전송 데이터의 변화 시점에 예측할 수 없는 주파수 성분을 유발하게 되므로 디코더부(120)의 적용 분주 수를 모드를 통해 입력되는 전송 데이터에 의하여 선택함으로써 자연스러운 주파수 이행이 이루어지게 하였고, 이렇게 만들어진 신호는 다시 레퍼런스 카운터(110)의 클리어 단자에 재입력되며 토글 플립플롭(130)에도 전송되어져 반전 출력되어 듀티 카운터(140)의 클리어 단자에 입력된다.

상기 듀티 카운터(140)에서 발진되는 신호와 펄스폭이 변조된 신호(PWM)가 비교기(150)에 입력되면서 듀티 제어된 주파수편이변조 신호가 출력되게 된다. 여기서 인버터(200)의 출력 전압을 제어하기 위하여 펄스폭변조 제어를 함으로써, 인버터(200)의 출력 전압을 제어하여 송출 전력을 조정할 수 있도록 듀티 카운터(140)와 비교기(150) 부분을 2조 설치하고, 이들을 상보로 동작시켜 이들의 출력을 인버터(200)의 게이트 신호로 사용한다. 상기 인버터(200)는 입력전압을 제공받아 제어회로를 구동시키고 그 제어에 따라 입력전원을 고주파로 단속하여 교류신호를 출력하게 된다.

상기 PWM의 방식은 리니어 레귤레이터나 선형영역에서 동작하는 트랜지스터를 사용하는 방식에 비해 높은 효율로 전력변환을 가능하게 함으로써 상기의 구성에서 역할을 하게 되고, 인버터(200)의 출력 전압을 PWM(Phase Width Modulation)으로 제어하는 것 이외에 송신 전력의 제어를 PSM(Phase Shift Modulation)으로 구현하여 송신 시스템에 응용할 수 있다.

또한, 상기 인버터(200)는 전력 증폭기로 사용되는 것으로써, 기존에 증폭기로 수 A의 출력이 가능한 고가의 파워 연산 증폭기(500)를 사용하기도 하는데 그에 따라서 큰 방열판과 매칭 트랜스(600)로 인하여 송수신기의 중량과 부피가 커지고 낮은 효율과 경제성 측면에서 단점이 있었는바, 이런 단점을 보완하기 위한 방편으로 송신기 전력 증폭을 위해 스위칭 전원 장치인 인버터(200)를 활용하여 대체하였다.

변조수단(100)에서 만들어진 듀티 제어된 주파수편이 변조 신호로 인버터 (200)의 출력 전압이 제어되며, 송출 전력의 제어를 위해서는 두 개의 스위치만 사용하는 통상의 공진형 인버터 대신 풀브리지 인버터(200)가 주로 사용된다.

여기에서, 송신기 전력 증폭기로써 인버터(200)를 활용하였고 변조 단계의 디지털화나 공진이 유발되어 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기로써 상기의 목적 달성이 가능하다면 이에 상응하는 다른 소자의 활용도 가능하다.

또한, 상기의 공진회로(300)는 일실시예로써 단상 풀브리지 인버터(200)의 출력단에 루프 안테나(400)의 인덕턴스와 공진을 유발시킬 수 있는 안테나 임피던스에 적당한 커패시터를 부가함으로써 공진회로(300)를 구성한다.

그리고, 상기의 안테나는 일례로 지하철에 있어 간단한 차량 정보 및 역사 정보 등을 교환하는 TWC(Train to Way-side Communication)에 FSK 송수신기가 사용되고 있는데 플랫폼에 부설된 지상 안테나는 선로 안쪽에 긴 길이로 분포된 상당히 큰 루프 안테나(400)를 사용하며, 통신실에서 플랫폼까지의 왕복 길이가 수백 미터이상이 되기도 하기 때문에 안테나의 선로 인덕턴스를 최소화시키기 위하여 연장부에는 동축 케이블 등을 사용하여도 많은 인덕턴스를 가지게 되어 기존의 선형회로로 짜여진 송신기로 구성되어 있는바, 유발되는 인덕턴스를 공진회로(300)의 부가와 함께 상기의 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기로의 전환이 가능하다.

여기서, 상기의 일실시예의 하나로 소용량의 EPLDs로 구현된 디지털 변조회로(100) 및 개선된 송신기를 모의로 설치된 TWC용 루프 안테나(400)를 이용하여 실험한 결과로써 12V 또는 15V의 제어용 전원으로도 100Vp이상의 정현파 전압을 안테나(400)에 공급하는 것이 입증된 바가 있으므로 선형 증폭기(500)와 매칭 트랜스 (600)를 대치할 수 있음이 확인되었다.

또한, 도 5는 전송 데이터가 0인 경우와 1인 경우에 있어서 송신용 안테나 양단의 전압 파형 및 송수신 안테나의 전류 파형을 나타낸 것으로서, 인버터라는 구형파 전원을 송신기의 전력 증폭기로 사용하였지만, 공진에 의하여 전압, 전류 파형이 정현파로 유지되는 것을 알 수 있다.

상기의 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기는 제어용 15V 전원을 공급하여 도 6a와 도 6b에 나타난 변화와 같이 변화된 PWM 듀티를 적용한 경우의 안테나 전압, 전류 파형을 도 7a와 도 7b에 나타낸 것으로, 송신 데이터의 변화에 따라 송신 주파수가 급 가변됨에 따라 일시적인 과도 상태가 있는 것이 확인되는데, 이 과도상태 기간이 길거나 그 크기가 클 경우 수신기의 복조회로가 원 정보를 추출하는데 영향을 미칠 수도 있을 것이므로 공진 정수를 적절하게 선택하고 필요시에는 다소의 저항의 삽입도 필요하다.

그리고, 송수신 안테나 사이를 실제 TWC시스템의 경우보다 큰 60cm의 이격거리에서 수행된 송수신 실험 결과로, 공진에 의하여 충분한 전류를 안테나에 공급할 수가 있으므로 PWM 듀티가 작은 경우에 있어서도 데이터의 송수신이 원활하게 이루어지는 것이 도 8a와 도 8b에서 확인되었으며, 데이터 전송률을 각각 4800bps와 19200bps로 설정한 데이터 송수신 결과로 19200bps의 경우에는 캐리어와의 주파수 비율이 작아 간혹 에러가 발생하기도 하였으나, 4800bps의 경우에는 매우 완벽한 데이터 송수신이 가능하다는 것이 확인되어 안정된 시스템임을 입증한다.

상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명이 당업 자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

따라서, 본 발명에서는 선형 증폭기와 매칭 트랜스의 대치가 가능하여 스위칭 전원장치인 인버터를 전력 증폭기로 채용함으로써 변조의 단계도 디지털화하는 그 유용성이 증대하고 생산 단가를 낮추며 효율을 높이는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에 따르면, 변조 단계도 디지털 변조 알고리즘을 구현할 수가 있어서 정보 전송을 위한 회로 구성이 간단해지고 용이하게 제어할 수 있는 할 수 있는 이점이 있다.

Claims

안테나를 통해 데이터를 송신하는 시스템에 있어서:

기준 클록신호에 따라 직렬 데이터를 제공받아 변조하되 소정의 PWM 듀티제어신호에 따라 데이터의 듀티를 조정하여 주파수편이 변조하는 디지털변조수단;

상기 디지털변조수단으로부터 제어된 신호가 게이트 신호로 인가되어 입력전원을 고주파로 스위칭하여 교류신호를 출력하는 인버터;

상기 인버터에서 출력되는 신호를 제공받아 커패시터를 통해 안테나의 인덕턴스와 공진을 유발하는 공진회로부; 및

상기 공진회로부를 통해 출력되는 교류신호를 제공받아 인덕턴스와의 공진을 통해 전력 증폭한 후 무선신호로 전송하는 안테나;로 이루어진 것을 특징으로 하는 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기.
청구항 1에 있어서, 상기 디지털변조수단은,

기준클록신호를 제공받아 카운트하는 레퍼런스 카운터; 상기 레퍼런스 카운터의 출력신호에 따라 직렬데이터를 제공받아 디코딩하는 디코더부; 상기 디코더부에서 인가되는 신호에 따라 안정된 출력을 지속하기 위한 플립플롭; 상기 기준클록신호를 제공받아 기준클록신호의 펄스폭을 카운트하되 플립플롭의 출력신호에 따라 클리어되는 듀티 카운터; 및 상기 듀티 카운터의 출력신호를 제공받되 소정의 PWM 듀티제어신호에 따라 데이터의 듀티를 조정하여 주파수편이 변조하는 비교기;로 이루어진 것을 특징으로 하는 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기.
청구항 2에 있어서,

상기 레퍼런스 카운터는 디코더부의 출력신호에 따라 기준클록신호의 카운트를 클리어시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기.
청구항 1에 있어서,

상기 인버터는 단상 풀브리지 인버터인 것을 특징으로 하는 주파수편이 변조를 이용한 공진형 송신기.