KR101389770B1

KR101389770B1 - 가시광 통신에서의 변조 방법 및 복조 장치

Info

Publication number: KR101389770B1
Application number: KR1020130014889A
Authority: KR
Inventors: 오민석
Original assignee: 경기대학교 산학협력단
Priority date: 2013-02-12
Filing date: 2013-02-12
Publication date: 2014-04-28

Abstract

가시광 통신에 있어서 깜빡임 줄이고 효과적인 밝기 제어가 가능한 변조 방법 및 이에 의해 변조된 신호를 복조하는 복조 방법 및 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 가시광 통신 시스템에서 수신 신호를 복조하는 방법은 PDSM 기법에 의해 변조된 변조 신호를 수신하는 단계, 상기 수신된 변조 신호를 제1 샘플링 시점에 제1 샘플링 하여 제1 샘플링 값을 획득하는 단계, 상기 수신된 변조 신호를 제2 샘플링 시점에 제2 샘플링 하여 제2 샘플링 값을 획득하는 단계, 및 상기 제1 샘플링 값 및 상기 제2 샘플링 값을 기반으로 상기 변조 신호로부터 전송기가 전송한 패턴을 판정하는 단계를 포함한다.

Description

가시광 통신에서의 변조 방법 및 복조 장치{Modulation scheme and demodulator in visible light communication}

본 발명은 무선통신에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가시광 통신에 있어서 깜빡임 줄이고 효과적인 밝기 제어가 가능한 변조 방법 및 이에 의해 변조된 신호를 복조하는 복조 방법 및 장치에 관한 것이다.

최근 무선 통신 기술의 비약적인 발전을 통해 다양한 무선 통신 시스템이 도입되어 이용되고 있다. 무선 통신 시스템은 유선 통신 시스템에 비하여 대기를 매체로 하여 전파를 통하여 신호, 부호, 영상, 음성 등의 정보를 전달한다.

무선 통신에 이용할 수 있는 주파수 대역은 물리적 특성, 관련 법규 및 규제 등 다양한 이유에 의해 한정되어 있음에 반하여, 정보화 사회에 들어서면서 무선 통신을 이용한 정보의 전송/수신은 급증하고 있으며 그에 따라 유한한 자원인 주파수 자원을 효율적으로 사용하는 방법에 대한 연구가 이루어지고 있다.

가용 주파수 자원의 부족 현상을 해결할 대안의 하나로 가시광 통신(visible light communication, VLC)이 주목 받고 있다. LED(light emitting diode) 가시광 통신은 LED 조명의 빛에 정보를 실어 무선 통신 하는 기술이다. LED 조명의 디지털 반도체에 의해 발생된 빛으로 켜짐과 꺼짐을 반복하여 빛의 켜짐을 디지털 정보 1로, 빛의 꺼짐을 디지털 정보 0으로 하여 정보를 전달할 수 있다. LED 가시광 통신은 전력 소비 효율이 높고 친환경적인 조명기구로 다양한 분야에서 널리 확산되고 있는 LED 광원을 이용하고, 가시광을 이용하므로 주파수 사용에 대한 특별한 규제가 없고 인체에 무해하다는 장점을 갖는다.

LED는 전기 에너지를 빛으로 전환하며, on-off 스위칭을 통하여 깜빡임을 발생시켜 디지털 정보를 전송할 수 있다. 더불어 전기 에너지를 빛으로 변환하는 LED는 조명기구로서도 기능할 수 있다. 결과적으로 VLC 시스템의 LED는 무선 통신 기능 이외에 조명으로서의 기능 또한 제공할 수 있다.

VLC 시스템의 LED가 조명으로서의 기능을 제공할 때, 데이터 전송 과정에서 평균 광 전력은 변동될 수 있으며 이는 깜빡임을 발생시킬 수 있다. 이러한 깜빡임이 인간의 눈이 인식할 수 있는 수준의 광 출력(밝기) 변동으로 나타난다면 조명기구의 측면에서 문제될 수 있다. 조명기구의 깜빡임은 눈을 빨리 피로하게 할 수 있으며, 오랜 기간 동안 깜빡이는 조명에 노출될 경우 시력 저하를 초래할 수 있다.

따라서, 광통신 과정에서 발생하는 깜빡임을 사람이 눈으로 인식할 수 없는 범위내에서 제어하고 더 나아가 조명의 밝기 제어(dimming)가 가능하도록 하는 가시광 통신 방법에 대한 고려가 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가시광 통신에서 발생하는 LED의 깜빡임을 효과적으로 제거하는 변조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 가시광 통신에 사용되는 LED 광원이 조명으로 이용될 때, 광원의 밝기 제어(dimming) 범위를 효과적으로 확장할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 본 발명의 실시예에 따른 변조 방법에 의해 변조된 신호를 수신하는 광 수신기가 변조된 신호를 효과적으로 복조하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따른 가시광 통신 시스템에서 수신 신호를 복조하는 방법은 PDSM 기법에 의해 변조된 변조 신호를 수신하는 단계, 상기 수신된 변조 신호를 제1 샘플링 시점에 제1 샘플링 하여 제1 샘플링 값을 획득하는 단계, 상기 수신된 변조 신호를 제2 샘플링 시점에 제2 샘플링 하여 제2 샘플링 값을 획득하는 단계 및 상기 제1 샘플링 값 및 상기 제2 샘플링 값을 기반으로 상기 변조 신호로부터 전송기가 전송한 패턴을 판정하는 단계를 포함하며, 상기 PDSM 기법은 펄스의 상승 에지 또는 하강 에지의 기울기를 변경하여 비트 ‘0’의 패턴, 비트 ‘1’의 패턴 및 유휴 패턴을 생성하는 기법이다.

상기 비트 ‘0’의 패턴, 상기 비트 ‘1’의 패턴 및 상기 유휴 패턴의 심볼 구간 동안의 평균 밝기는 같도록 설정될 수 있다.

상기 비트 ‘0’의 패턴은 펄스의 상승 에지의 기울기가 변경되고, 하강 에지의 기울기는 고정되며, 상기 비트 ‘1’의 패턴의 상승 에지의 기울기는 고정되고, 하강 에지의 기울기는 변경될 수 있다.

상기 비트 ‘0’의 패턴의 변경된 상승 에지의 기울기와 상기 비트 ‘1’의 패턴의 변경된 하강 에지의 기울기는 서로 크기는 같고 부호는 반대일 수 있다.

상기 유휴 패턴의 변경된 상승 에지의 기울기는 상기 비트 ‘0’의 패턴의 변경된 상승 에지의 기울기의 2배로 설정되고, 상기 유휴 패턴의 변경된 하강 에지의 기울기는 상기 비트 ‘1’의 패턴의 변경된 하강 에지의 기울기의 2배로 설정될 수 있다.

상기 제1 샘플링 값 및 상기 제2 샘플링 값을 기반으로 상기 변조 신호로부터 전송기가 전송한 패턴을 판정하는 단계는, 상기 제1 샘플링 값과 상기 제2 샘플링 값의 차이가 기 설정된 임계값보다 크고, 상기 제1 샘플링 값이 상기 제2 샘플링 값보다 크면 상기 전송한 패턴을 비트 ‘1’의 패턴으로 판정하는 단계, 상기 제1 샘플링 값과 상기 제2 샘플링 값의 차이가 상기 임계값보다 크고, 상기 제1 샘플링 값이 상기 제2 샘플링 값보다 작으면 상기 전송한 패턴을 비트 ‘0’의 패턴으로 판정하는 단계, 및 상기 제1 샘플링 값과 상기 제2 샘플링 값의 차이가 상기 임계값보다 작으면, 상기 전송한 패턴을 유휴 패턴으로 판정하는 단계, 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따른 가시광 통신 시스템에서 수신 신호를 복조하는 복조기는 PDSM 기법에 의해 변조된 변조 신호를 제1 샘플링 시점에 제1 샘플링 하여 제1 샘플링 값을 획득하고, 제2 샘플링 시점에 제2 샘플링 하여 제2 샘플링 값을 획득하는 샘플링부 및 상기 제1 샘플링 값 및 상기 제2 샘플링 값을 기반으로 상기 변조 신호로부터 전송기가 전송한 패턴을 판정하는 판정부;를 포함하며, 상기 PDSM 기법은 펄스의 상승 에지 또는 하강 에지의 기울기를 변경하여 비트 ‘0’의 패턴, 비트 ‘1’의 패턴 및 유휴 패턴을 생성하는 기법이다.

본 발명의 실시예에 따르면 광 통신 과정에서 정의된 유휴 패턴을 프레임간 삽입하여 인간의 눈으로 인식할 수 있는 LED의 깜빡임을 제거하여 광 통신 과정에서도 깜빡임 없는 조명기기로 기능할 수 있으며, 광 통신에 미치는 영향을 최소화 하면서 조명의 밝기 제어의 폭을 넓힐 수 있다. 더불어 광 통신의 수신단에 적용될 수 있는 신뢰성 있는 복조 방법을 제공하여 수신기의 구현 비용을 절감하는 동시에 광 통신을 통한 정보 전송의 신뢰성을 높일 수 있다.

도 1은 디밍을 위한 유휴 패턴, 보상 시간(compensation time) 삽입을 예시한 것이다.
도 2는 OOK(on-off keying) 디밍 프레임의 구조를 예시한 블록도이다.
도 3은 VPPM 디밍 제어 방법을 간략히 나타낸 것이다.
도 4는 PSM 기법의 파형을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 PDSM 기법의 변조 파형을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 PDSM 기법을 이용한 광 통신 시스템에서의 디밍 제어 방법을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 PSDM 기법이 적용된 변조 신호를 복조방법을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 복조기의 구조를 간략히 나타낸 블록도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

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.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

VLC 시스템에 있어서, 데이터 전송이 이루어지는 동안 LED 광원의 평균 광 출력(optical power)은 변동될 수 있으며, 이러한 광출력의 변동은 깜박임을 초래할 수 있다. LED 광원의 조명으로서의 기능 측면에서 볼 때, 깜빡임은 눈의 피로를 유발하고 장시간 노출될 경우 시력 저하를 초래하므로 광 통신 시스템에서 이러한 문제점을 제거하기 위한 깜빡임 보상이 필요하다.

VLC 시스템에서의 깜빡임은 프레임내(intra-frame) 깜빡임과 프레임간(inter-frame) 깜빡임으로 구분될 수 있다. 프레임내 깜빡임은 어느 데이터 프레임에서 비트 패턴 0과 1간의 밝기 차이에 의해 나타나는 깜박임이며, 프레임간 깜빡임은 데이터 프레임이 전송될 때와 전송되지 아니할 때-유휴 기간-의 평균 밝기의 불일치에 의해 나타나는 깜박임이다. 이러한 깜빡임들은 높은 데이터율(data rate)에 의한 전송에 비하여 상대적으로 낮은 데이터율(data rate)에 의한 전송에 의할 때 더 문제될 수 있다.

VLC 시스템은 깜빡임 보상를 위하여 데이터 전송이 이루어지지 아니하는 기간(이하 ‘유휴 기간’이라 함)에 유휴 패턴(idle pattern)을 전송할 수 있다. 유휴 패턴은 밝기 제어를 위해 데이터 프레임들 사이에 삽입되어 전송될 수 있다. 밝기 제어는 사용자의 필요에 따라 광원의 밝기를 조절하는 것을 말하며, 광 디밍(light dimming)이라고도 불린다. 광 통신 측면에서 디밍은 전송되는 빛의 컬러를 유지하면서 전송기의 방사 출력(radiant power)을 조정하는 것을 의미한다. 이하에서 특별한 언급이 없는 한, 광 통신 측면의 방사 출력 제어와 조명으로서의 밝기 제어를 통틀어 디밍으로 표현한다.

도 1은 디밍을 위한 유휴 패턴, 보상 시간(compensation time) 삽입을 예시한 것이다.

유휴 패턴(110)은 광 통신 중 데이터 프레임을 전송하지 아니하거나 수신기로 동작하는 유휴 기간과 데이터 프레임을 전송하는 기간 사이의 밝기의 불일치로 인한 깜빡임을 완화하기 위해 전송될 수 있다. 보상 시간은 광원의 평균 밝기를 증가시기거나 감소시켜 요청되는 밝기에 부합하도록 데이터 프레임(120) 또는 유휴 패턴(110)에 삽입될 수 있다. 보상 시간은 광원을 On 또는 off 시켜 유휴 패턴(110) 또는 데이터 프레임(120)의 평균 밝기를 사용자의 요구에 따른 평균 밝기에 맞추어 디밍 제어되도록 한다.

유휴 패턴(110)의 듀티 사이클은 밝기의 조정을 통한 디밍 제어를 위해 가변적일 수 있다. 유휴 패턴은 대역 내(in-band) 전송되거나 대역 외(out of band) 전송될 수 있다. 대역 내 전송에 의할 경우 유휴 패턴은 클럭(clock)의 변경을 요하지 아니하며 수신기에 의해 인식될 수 있다. 유휴 패턴이 대역 외 전송에 의할 경우 일반적으로 낮은 광학 클럭으로 보내질 수 있으며 이때 수신기는 이를 인식할 수 없다.

깜빡임의 완화 및/또는 디밍 제어를 대역 내 전송되는 유휴 패턴으로 가시성 패턴(visibility pattern)이 사용될 수 있는데, 가시성 패턴은 CVD(color visibility dimming) 프레임의 페이로드에 사용된다. CVD 프레임은 다양한 색상을 통해 사용자에게 통신 상태 및 채널 품질 등의 정보를 제공할 수 있다. CVD 프레임은 가시성을 지속시키고 디밍 지원을 위해 송신기가 유휴 모드 또는 수신 모드로 동작할 때에도 전송될 수 있다. 프레임의 페이로드는 적절한 강도와 색상의 가시성 패턴으로 구성될 수 있다.

CSK(Color-Shift Keying) 기법은 다중 컬러 광원 및 광 탐지기를 사용하여 VLC를 지원할 수 있다. CSK 기법은 색상좌표를 이용하여 정보를 제공할 수 있다. CSK 채널은 색 좌표 평면(color coordinate plane)에 위치한 혼합 색상에 의해 정의될 수 있으며, 따라서 컬러 코딩에 의해 광 통신 연결이 지원될 수 있다. CSK 기법에서 총 평균 출력은 상수이다(일정하다).

도 2는 OOK(on-off keying) 디밍 프레임의 구조를 예시한 블록도이다.

OOK(on-off keying)는 신호의 존재와 부재를 각각 ON, OFF로 하여 디지털 데이터를 표현하는 간단한 변조 기법이다. 일례로 ON과 OFF로 각각 비트 ‘1’, 비트 ‘0’을 표현할 수 있다. OOK 변조는 항상 대칭 맨체스터 심볼(Manchester symbol)로 전송되기 때문에, 보상 시간 데이터 프레임에 삽입되어야 할 수 있다. 도 2의 예에서 볼 수 있듯이 OOK 디밍 프레임 구조에서 데이터 프레임은 서브 프레임으로 분할되고 각 서브 프레임에 compensation symbols 필드와 resync 필드가 삽입된다. 즉, compensation symbols 필드로 삽입되는 보상 시간에 해당하며 resync 필드는 보상 시간 이후의 데이터 클럭을 재조정(재동기화)하기 위해 삽입되는 필드이다.

도 3은 VPPM 디밍 제어 방법을 간략히 나타낸 것이다.

VPPM(variable pulse-position modulation) 기법은 가시광 통신을 위한 변조 기법으로 펄스 폭을 조정하여 광 디밍을 지원하고 프레임간 깜빡임을 완화할 수 있다. VPPM 기법은 ‘펄스의 위치’와 ‘펄스의 폭’의 두 가지 특성을 이용한 변조 방법이다. 즉, 펄스의 위치 조정에 기반한 변조 방식 PPM(pulse position modulation)과 펄스의 폭 조정에 기반한 변조방식 PWM(pulse width modulation)이 함께 사용된다.

VPPM 기법에서 비트 "1"과 "0"은 단위 구간 내에 펄스 위치에 의해 구별되고, 각각의 단위 구간 내에 동일한 펄스 폭을 갖는다. 도 3의 예에서와 같이 펄스가 단위 구간 내에서 왼편에 위치하는 경우 비트 ‘0’을 나타내며, 오른편에 위치하는 경우 비트 ‘1’을 나타낸다. 단위 구간 내에서 비트 ‘1’과 비트 ‘0’을 나타내는 펄스의 폭은 동일하며 이는 비트 ‘1’과 ‘0’의 평균 밝기가 일정함을 의미한다. 이러한 특성으로부터 VPPM 기법은 깜박임을 완화할 수 있다.

VPPM 기법에서 디밍은 펄스의 폭을 조절하여 이루어질 수 있다. 도 3의 예에서와 같이 단위 구간 내의 펄스 폭을 조절하여 단위 구간의 평균 밝기를 조절할 수 있다.

상술한 바와 같이, 깜빡임은 이간의 눈이 인식하여 생리 변화를 일으킬 수 있는 빛의 밝기의 변동으로 정의될 수 있다. MFTP(maximum flickering time period)는 빛의 세기는 변하나 인간의 눈에 의해 감지되지 아니하는 최대 기간으로 정의된다. 깜빡임을 방지하려면 MFTP 이상 기간에 걸친 밝기 변동은 피하여야 한다.

VLC 시스템은 런 렝스 제한 부호화(run length limiting coding) 기법 및/또는 변조 기법을 적용하여 프레임 내 깜빡임을 줄인다. 이러한 기법들로는 맨체스터 인코딩, 4B6B 인코딩, 8B10B 인코딩, 또는 VPPM 기법 등이 있다. 프레임 간 깜빡임 완화에 사용되는 기법은 데이터 프레임들 사이에 유휴 패턴을 전송하는 방법이 적용될 수 있음은 앞서 기술한 바와 같다.

그런데, 맨체스터 인코딩, 4B6B 인코딩 8B10B, 또는 VPPM 같은 깜빡임 완화를 위한 기법들은 낮은 데이터 속도 조건에서 여전히 깜빡임을 유발할 수 있다. 이것은 데이터 전송에 사용되는 펄스의 파형이 구형파에 가까운 직각이기 때문이다, 즉, 사용되는 펄스 파형의 가장자리는 거의 수직이다.

이하에서는 펄스의 상승 에지와 하강 에지의 기울기를 조정하여 낮은 데이터 속도에서 깜박임을 완화하는, VLC 시스템에 적용될 수 있는 변조 기법으로서의 PDSM(pulse double slope modulation) 기법에 대해 설명하고 PDSM이 적용될 때 깜빡임을 완화하는 방법 및 PDSM 기법에 의해 변조된 신호를 수신한 복조 방법 및 수신기의 구조에 대하여 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 PDSM 기법은 종래의 아날로그 변조 기법인 PSM(pulse slope modulation)을 VLC 시스템에서의 디지털 데이터 통신에 가능하도록 변형한 것이다.

도 4는 PSM 기법의 파형을 나타낸 것이다.

PSM은 과도한 대역폭 제한없이 향상된 신호 대 잡음 비율 성능을 제공하는 펄스 아날로그 변조 기법중 하나이다. PSM 기법에서, 변조 신호는 아날로그 데이터를 펄스의 상승 에지의 기울기(A/Tr)를 변경하여 표현한다. 수신기는 변조된 신호에서 상승 에지의 기울기 정도로부터 데이터를 복조할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 PDSM 기법의 변조 파형을 나타낸 것이다.

상술한 바와 같이 PDSM 기법은 아날로그 변조 방식인 PSM 기법을 디지털 데이터 변조에 적용할 수 있도록 개선한 변조 기법이다. PDSM 기법은 펄스의 상승 에지 및 하강 에지의 기울기를 적절히 조절하여 디밍 제어와 낮은 클럭의 동작에서 종래의 PPM 기법 및 PWM 기법보다 적은 깜빡임을 가진 조명 방법을 제공할 수 있다.

PSDM 기법에서 입력 비트 ‘0’ 스트림은 펄스 구간내에서 펄스의 상승 에지의 기울기만을 변경하고 하강 에지의 기울기는 고정된 값을 갖는다. 입력 비트 ‘1’은 펄스 구간내에서 펄스의 하강 에지의 기울기만을 변경하고 상승에지의 기울기는 고정된 값을 갖는다. 도 5의 예에서 입력 비트 ‘0’의 하강 에지의 기울기와 입력 비트 ‘1’의 상승 에지의 기울기는 직각으로 도시되어 있으나 이는 일례에 불과하며, 실시예에 따라 다양한 기 설정된 특정 기울기를 가질 수 있다. 즉, PDSM 기법은 입력 비트 ‘0’의 상승 에지의 기울기와 입력 비트 ‘1’의 하강 에지의 기울기를 변경하여 입력 비트를 표현하는 변조 방식이다.

도 5의 예에서, 구간 0<t<T에 도시된 패턴은 펄스의 상승 에지만을 변경한 비트 ‘0’을 나타내는 변조 신호를 도시한 것이며, 구간 T<t<2T에 도시된 패턴은 펄스의 하강 에지만을 변경한 비트 ‘1’을 나타내는 변조 신호를 도시한 것이다.

구간 2T<t<3T에 도시된 패턴은 본 발명의 실시예에 따른 유휴 패턴이다. 상술한 바와 같이 유휴 패턴은 프레임간 깜빡임을 완화하기 위하여 전송되는 패턴으로서 상승 에지와 하강 에지의 기울기를 모두 변경된다는 점에서 비트 ‘0’을 나타내는 패턴 및 비트 ‘1’을 나타내는 패턴과 구별된다.

비트 ‘0’을 나타내는 패턴에서 상승 에지의 기울기의 크기와 비트 ‘1’을 나타내는 패턴의 기울기의 크기는 같고 부호는 서로 다르다. 즉, 도 5에서

이며 따라서 비트 ‘0’ 패턴과 비트 ‘1’ 패턴의 면적은 같다. 도 5에서 각 패턴의 면적이 동일함은 한 펄스 구간에서 평균 빛의 밝기가 동일함을 의미하며, VLC 통신을 통해 데이터가 전송될 때 전송되는 비트 스트림과 무관하게-비트 ‘0’이 전송되고 있는지 비트 ‘1’이 전송되고 있는지 여부와 무관하게- 밝기가 일정하게 유지될 수 있음을 의미한다.

유휴기간 동안 전송되는 유휴 패턴은 깜빡임을 완화하기 위한 것이므로 유휴패턴이 전송되는 구간에서도 평균 밝기는 비트 ‘0’ 패턴과 비트 ‘1’ 패턴의 평균 밝기와 동일하여야 한다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 유휴 패턴에서 상승 에지의 기울기와 하강 에지의 기울기는 식 1과 같이 설정된다.

도 5에서 비트 ‘0’ 패턴, 비트 ‘1’ 패턴, 유휴 패턴은 모두 같은 면적을 갖는다. 이는 데이터 또는 유휴 패턴이 전송중 일 때 단위시간당(T) 평균 밝기는 항상 일정함을 의미한다.

로 정의되는 패턴 에지의 기울기는 빛의 세기에 따라 다양한 값이 선택될 수 있다. 상술한 바와 같이 비트 "0"의 하강 에지의 기울기 및 비트 “1”의 상승 에지의 기울기는 변조되지 아니한다.

PDSM 기법에서 비트 ‘0’ 및 ‘1’은 단위 심볼 구간에서 펄스의 상승 에지 및 하강 에지의 기울기에 의해 구별된다. 비트 ‘0’을 나타내는 상승 에지의 기울기의 크기는 비트 ‘1’을 나타내는 하강 에지의 기울기의 크기와 같기 때문에, 펄스의 형태는 서로 미러 이미지 형태이다. 따라서 비트 0 및 비트 1에서의 평균 밝기는 같다. 그러므로 데이터 전송 동안 비트 ‘0’ 또는 비트 ‘1’이 전송되는지 여부와 무관하게 어떠한 밝기의 불일치도 나타나지 않는다. 이것은 프레임 내의 깜빡임 보상을 충족시킨다.

데이터 전송 시간과 유휴 시간간의 평균 밝기의 불일치는 프레임간 깜빡임을 초래한다. 프레임간 깜빡임을 보상하기 위하여 유휴 패턴의 평균 밝기가 데이터 프레임 평균밝기와 같은 유휴 패턴이 유휴기간 동안 전송된다. 유휴 패턴의 펄스에서 기울기는 비트 ‘0’을 나타내는 펄스의 상승 에지의 기울기의 배이다. 이는 비트 ‘1’을 나타내는 패턴의 하강 에지의 기울기의 배와 같다. 결과적으로 상술한 바와 같이 유휴 패턴의 펄스, 비트 ‘0’의 펄스, 비트 ‘1’의 펄스의 면적은 모두 같다. 즉, 평균 밝기는 데이터 전송 중인 때와 유휴 기간인 때가 같으므로 프레임 간 깜박임 보상도 이루어 질 수 있다.

PDSM 기법에서 디밍은 각 패턴에서 펄스의 기울기를 조정하여 이루어질 수 있다. 즉, 도 5의 예에서 비트 ‘0’ 의 상승 시간

, 비트 ‘1’ 의 하강 시간

, 및 유휴 패턴의 상승 시간

및 하강 시간

를 조정하여 단위 심볼 기간 T 동안의 평균 밝기를 제어할 수 있다. 기울기의 증감에 따라 각 패턴의 펄스 면적은 중감 한다. 기울기가 크기(절대값)이 커지면 펄스의 면적은 증가하며, 기울기의 크기가 작아지면 펄스의 면적은 감소한다. 이때 펄스 면적의 증가는 단위 심볼 기간 동안의 평균 밝기의 증가를, 펄스 면적의 감소는 단위 심볼 기간 동안의 평균 밝기의 감소를 의미한다. 사용자의 요구 수준에 따라 밝기를 조절하는 디밍제어 있어서, 밝기를 감소시키기 위하여 에지의 기울기의 크기를 줄일 때 일정한 한계를 가질 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 PDSM 기법을 이용한 광 통신 시스템에서의 디밍 제어 방법을 나타낸 것이다.

도 6의 상단에서 비트 ‘0’ 패턴, 비트 ‘1’ 패턴 및 유휴 패턴의 모습은 에지의 기울기를 최대한으로 작게 한 경우를 나타낸다. PDSM 기법에 의할 때 도 6의 예에서와 같이 상승 에지 또는 하강 에지의 기울기는 단위 심볼 기간 T 및 펄스의 진폭 A에 의해 제한을 받는다. 즉, 기울기의 최소값은 A/T 보다 작아질 수 없다. 이는 디밍에 있어서 빛의 평균 밝기의 하한에 대한 제한으로 작용한다.

본 발명의 실시예에 따른 PDSM 기법을 적용한 VLC 시스템에서의 디밍제어는 진폭 A를 조정하여 단위 심볼 기간 동안의 평균 밝기의 조절 범위를 확장할 수 있다. 도 6의 하단 그래프는 펄스 진폭 A를 조정하여 Amin으로 낮춘 예를 나타낸다. 도 6의 예는 진폭 A를 감소시키는 예를 도시하고 있으나 실시예에 따라서 A를 증가시키는 것 또한 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 디밍 제어는 PDSM 기법이 적용된 VLC 시스템에서 각 패턴의 펄스 에지의 기울기 조정에 더하여 펄스의 진폭을 조정하여 디밍제어의 범위를 확장할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

A값의 하한인 Amin 값은 수신기가 전송되는 펄스를 인식하여 복조할 수 있는 범위 내에서 설정될 수 있다. Amin 값이 작아짐에 따라 비트 ‘0’ 또는 비트 ‘1’을 나타내는 펄스의 기울기와 유휴 패턴의 기울기의 값이 차이 또한 작아지므로 수신기가 그 차이를 판별해 낼 수 있는 범위 내에서 Amin 값이 조정되어야 한다.

실시예에 따라서는 수신기가 전송기와 P2P 링크 설정 과정에서 자신의 식별 능력을 지시하는 참조 정보를 전송기에 제공하여 전송기가 Amin 값을 결정하는데 참조할 수 있도록 하거나, 전송기가 참조 정보에 따라 Amin 값을 설정하도록 할 수 있다. 일례로, Amin 클럭율(clock-rate) 선택 절차에 부수하여 이루어 질 수 있으며, 참조 정보는 물리 계층 특성 정보와 함께 전송될 수 있다.

상술한 바와 같이, 단위 심볼 구간 동안의 평균 밝기는 패턴의 면적과 상관성을 갖는다. 본 발명의 실시예에 따른 디밍 제어는 펄스 에지의 기울기를 조절하는 방식에 의함은 앞서 설명한 바와 같다(펄스의 진폭 A를 조절하는 것 또한 결과적으로 펄스 에지의 기울기기 조정의 폭을 확대하는 것이다).

밝기 조절을 위해 기울기를 조정할 때, 밝기와 펄스 에지 기울기는 선형적으로 변할 수 없다. 비트 ‘0’을 나타내는 펄스 변조의 경우,

(또는

) 일 때의 기울기 s에 대한 밝기 변화는

일 때의 밝기 변화와 다를 수 있다. 상술한 두 경우에서, 펄스 에지의 기울기 변화에 대한 밝기 변화율(또는 패턴의 면적 변경율)은 디밍 제어 회로를 참조될 수 있다.

비트 ‘0’을 나타내는 패턴을 이용하여 각각의 경우에 대한 밝기 변화율은 다음과 같이 얻어질 수 있다.

비트 ‘0’을 나타내는 패턴의 면적을 p라 한다.

일 때, 즉, 펄스가 상승하여 t=T이전에 펄스 크기 A에 도달하여 평탄한 부분을 갖고 있을 때 패턴은 사다리꼴의 형상을 갖게 되며, 패턴의 면적 p는 수식 2와 같이 얻어진다.

수식 2에서 면적 p를 기울기 s로 미분하면 밝기 감도를 수식 3과 같이 얻을 수 있다.

일 때, 즉 도 6의 예에서와 같이 A 값의 조정을 통해 디밍제어 되는 상황으로 패턴이 삼각형의 형상을 갖는 경우 패턴의 면적 p는 수식 4와 같이 얻어진다.

다시, 수식 4를 면적 s에 관하여 미분하면

일 때의 밝기 감도를 수식 5와 같이 얻을 수 있다.

수식 3과 수식 5를 비교하면 펄스 에지의 기울기가

일 때와

일 때의 밝기 감도는 서로 차이가 있음을 알 수 있다. 발기 제어(디밍)을 위해 펄스의 기울기를 감소시키거나 증가시킬 때,

구간에서는 기울기 감소에 무관하게 일정한 밝기 감도를 갖게 되나,

구간에서는 기울기의 감소에 따라 밝기 감도는 증가함을 보여준다. 이러한 결과는 높은 조명 강도와 낮은 조명강도 사이의 원활한 전환을 제공하기 위해서 밝기 제어는

및

일 때 다르게 수행되어야 함을 나타낸다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 PSDM 기법이 적용된 변조 신호를 복조방법을 나타낸 것이다.

본 발명이 제안하는 PDSM 기법에 의해 변조된 신호를 수신한 수신기가 수신 필터를 거친 변조 신호 v(t)를 획득하면, 수신기는 단위 심볼 기간(T) 동안 최소 2회에 걸친 샘플링을 수행한다. 도 7의 예에서 t_s1, t_s2 는 샘플링이 이루어지는 시점을 나타낸 것이다. 비트 ‘0’의 패턴에서 두 번의 샘플링 결과는 v(t_s1)=v(t)ⅹh(t_s1) 및 v(t_s2)=v(t)ⅹh(t_s2) 로 얻어진다. 수신기는 v(t_s1)와 v(t_s2)로부터 수신한 신호가 비트 ‘0’, 비트 ‘1’ 및 유휴 패턴 중 어느 것인지를 판정한다.

일례로, v(t_s1)와 v(t_s2)를 비교하여 v(t_s1)가 v(t_s2)보다 작고 그 차이가 기 설정된 임계치 δ보다 큰 경우 수신기는 비트 ‘0’이 전송된 것으로 판단할 수 있다. (t_s1)와 v(t_s2)를 비교하여 v(t_s1)가 v(t_s2)보다 크고 그 차이가 기 설정된 임계치 δ보다 큰 경우 수신기는 비트 ‘1’이 전송된 것으로 판단할 수 있다. 만일, (t_s1)와 v(t_s2)를 비교하여 v(t_s1)과가 v(t_s2)의 차이가 기 설정된 임계치 δ보다 작은 경우 수신기는 유휴 패턴이 전송된 것으로 판단할 수 있다. 수신기는 유휴 패턴이 전송된 것으로 판단하는 경우 해당 신호를 폐기할 수 있다. 상술한 복조 방법은 도 8의 복조기를 통해 구현될 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 복조기의 구조를 간략히 나타낸 블록도이다.

본 발명의 실시예에 따른 복조기(800)는 샘플링부(810)와 판정부(820)를 포함한다. 샘플링부(810)는 수신된 신호를 단위 심볼 구간 동안 최소 2회 샘플링한다. 샘플링된 값은 판정부(820)에 전달되어 해당 단위 심볼 구간 동안 전송된 신호가 비트 ‘0’, 비트 ‘1’ 및 유휴 패턴 중 어느 것을 의미하는지 판정된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 복조 방법은 다양한 전자적으로 정보를 처리하는 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 저장 매체에 기록될 수 있다. 저장 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.

저장 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 저장 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 또한 상술한 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 전자적으로 정보를 처리하는 장치, 예를 들어, 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.

상술한 샘플링부(810) 및 판정부(820)는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

110: 유휴패턴
120: VLC 데이터 패턴
800: 복조기
810: 샘플링부
820: 판정부

Claims

가시광 통신 시스템에서 수신 신호를 복조하는 방법에 있어서,
PDSM 기법에 의해 변조된 변조 신호를 수신하는 단계;
상기 수신된 변조 신호를 제1 샘플링 시점에 제1 샘플링 하여 제1 샘플링 값을 획득하는 단계;
상기 수신된 변조 신호를 제2 샘플링 시점에 제2 샘플링 하여 제2 샘플링 값을 획득하는 단계; 및
상기 제1 샘플링 값 및 상기 제2 샘플링 값을 기반으로 상기 변조 신호로부터 전송기가 전송한 패턴을 판정하는 단계;를 포함하되,
상기 PDSM 기법은 펄스의 상승 에지 또는 하강 에지의 기울기를 변경하여 비트 ‘0’의 패턴, 비트 ‘1’의 패턴 및 유휴 패턴을 생성하는 기법인 방법.
제1 항에 있어서,
상기 비트 ‘0’의 패턴, 상기 비트 ‘1’의 패턴 및 상기 유휴 패턴의 심볼 구간 동안의 평균 밝기는 같도록 설정되는 방법.
제1 항에 있어서,
상기 비트 ‘0’의 패턴은 펄스의 상승 에지의 기울기가 변경되고, 하강 에지의 기울기는 고정되며,
상기 비트 ‘1’의 패턴의 상승 에지의 기울기는 고정되고, 하강 에지의 기울기는 변경되는 방법.
제3 항에 있어서,
상기 비트 ‘0’의 패턴의 변경된 상승 에지의 기울기와 상기 비트 ‘1’의 패턴의 변경된 하강 에지의 기울기는 서로 크기는 같고 부호는 반대인 방법.
제4 항에 있어서,
상기 유휴 패턴의 변경된 상승 에지의 기울기는 상기 비트 ‘0’의 패턴의 변경된 상승 에지의 기울기의 2배로 설정되고, 상기 유휴 패턴의 변경된 하강 에지의 기울기는 상기 비트 ‘1’의 패턴의 변경된 하강 에지의 기울기의 2배로 설정되는 방법.
제5 항에 있어서,
상기 제1 샘플링 값 및 상기 제2 샘플링 값을 기반으로 상기 변조 신호로부터 전송기가 전송한 패턴을 판정하는 단계는,
상기 제1 샘플링 값과 상기 제2 샘플링 값의 차이가 기 설정된 임계값보다 크고, 상기 제1 샘플링 값이 상기 제2 샘플링 값보다 크면 상기 전송한 패턴을 비트 ‘1’의 패턴으로 판정하는 단계,
상기 제1 샘플링 값과 상기 제2 샘플링 값의 차이가 상기 임계값보다 크고, 상기 제1 샘플링 값이 상기 제2 샘플링 값보다 작으면 상기 전송한 패턴을 비트 ‘0’의 패턴으로 판정하는 단계, 및
상기 제1 샘플링 값과 상기 제2 샘플링 값의 차이가 상기 임계값보다 작으면, 상기 전송한 패턴을 유휴 패턴으로 판정하는 단계, 중 어느 하나로 수행되는 방법.
PDSM 기법에 의해 변조된 변조 신호를 제1 샘플링 시점에 제1 샘플링 하여 제1 샘플링 값을 획득하고, 제2 샘플링 시점에 제2 샘플링 하여 제2 샘플링 값을 획득하는 샘플링부; 및
상기 제1 샘플링 값 및 상기 제2 샘플링 값을 기반으로 상기 변조 신호로부터 전송기가 전송한 패턴을 판정하는 판정부;를 포함하되,
상기 PDSM 기법은 펄스의 상승 에지 또는 하강 에지의 기울기를 변경하여 비트 ‘0’의 패턴, 비트 ‘1’의 패턴 및 유휴 패턴을 생성하는 기법인, 가시광 통신 시스템에서 수신 신호를 복조하는 복조기.
제7 항에 있어서,
상기 비트 ‘0’의 패턴, 상기 비트 ‘1’의 패턴 및 상기 유휴 패턴의 심볼 구간 동안의 평균 밝기는 같도록 설정되는, 가시광 통신 시스템에서 수신 신호를 복조하는 복조기.
제7 항에 있어서,
상기 비트 ‘0’의 패턴은 펄스의 상승 에지의 기울기가 변경되고, 하강 에지의 기울기는 고정되며,
상기 비트 ‘1’의 패턴의 상승 에지의 기울기는 고정되고, 하강 에지의 기울기는 변경되는, 가시광 통신 시스템에서 수신 신호를 복조하는 복조기.
제9 항에 있어서,
상기 비트 ‘0’의 패턴의 변경된 상승 에지의 기울기와 상기 비트 ‘1’의 패턴의 변경된 하강 에지의 기울기는 서로 크기는 같고 부호는 반대인, 가시광 통신 시스템에서 수신 신호를 복조하는 복조기.
제10 항에 있어서,
상기 유휴 패턴의 변경된 상승 에지의 기울기는 상기 비트 ‘0’의 패턴의 변경된 상승 에지의 기울기의 2배로 설정되고, 상기 유휴 패턴의 변경된 하강 에지의 기울기는 상기 비트 ‘1’의 패턴의 변경된 하강 에지의 기울기의 2배로 설정되는, 가시광 통신 시스템에서 수신 신호를 복조하는 복조기.
제11 항에 있어서, 상기 판정부는
상기 제1 샘플링 값과 상기 제2 샘플링 값의 차이가 기 설정된 임계값보다 크고, 상기 제1 샘플링 값이 상기 제2 샘플링 값보다 크면 상기 전송한 패턴을 비트 ‘1’의 패턴으로 판정하고,
상기 제1 샘플링 값과 상기 제2 샘플링 값의 차이가 상기 임계값보다 크고, 상기 제1 샘플링 값이 상기 제2 샘플링 값보다 작으면 상기 전송한 패턴을 비트 ‘0’의 패턴으로 판정하고,
상기 제1 샘플링 값과 상기 제2 샘플링 값의 차이가 상기 임계값보다 작으면, 상기 전송한 패턴을 유휴 패턴으로 판정하는, 가시광 통신 시스템에서 수신 신호를 복조하는 복조기.