호흡 및 심박수 측정을 위한 비접촉 방식의 CW 바이오 레이더 시스템의 잡음 분석 및 측정 Noise Analysis and Measurement for a CW Bio-Radar System for Non-Contact Measurement of Heart and Respiration Rate원문보기
본 논문에서는 호흡 및 심박수 측정을 위한 CW 바이오 레이더 시스템의 잡음을 분석하고, 이 중 위상 잡음에 대한 측정 결과를 제시하였다. 바이오 레이더 시스템은 기존의 무선 통신 방식이나 RFID 시스템과 달리, 수신신호의 주파수 및 반송파 주파수간의 차가 수 Hz에 불과하며, 수신 신호의 레벨 역시 매우 작으므로 위상 잡음을 포함한 모든 잡음원의 영향을 분석하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 CW 방식의 바이오 레이더 시스템의 잡음을 시스템의 SNR 측면에서 그 영향을 정량적으로 분석하였고, 분석 결과로부터 송신 안테나와 수신안테나 사이의 누설 전력량에 의한 위상 잡음이 가장 큰 잡음원이 됨을 확인하였으며, 이는 위상 잡음의 거리상관 효과의 함수임을 확인하였다. 따라서 거리 상관 효과에 따른 위상 잡음을 측정하고 이론과 비교하였다. 측정 결과, 본 논문에서 제안한 위상 잡음 측정 방식이 반송파 주파수에 근접한 위상 잡음을 측정할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 50 cm의 인식 거리를 가지며 1 mW의 저출력에서 동작하는 2.4 GHz에서 바이오 레이더 시스템을 PLL 회로 없이 체계적으로 설계할 수 있었다.
본 논문에서는 호흡 및 심박수 측정을 위한 CW 바이오 레이더 시스템의 잡음을 분석하고, 이 중 위상 잡음에 대한 측정 결과를 제시하였다. 바이오 레이더 시스템은 기존의 무선 통신 방식이나 RFID 시스템과 달리, 수신신호의 주파수 및 반송파 주파수간의 차가 수 Hz에 불과하며, 수신 신호의 레벨 역시 매우 작으므로 위상 잡음을 포함한 모든 잡음원의 영향을 분석하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 CW 방식의 바이오 레이더 시스템의 잡음을 시스템의 SNR 측면에서 그 영향을 정량적으로 분석하였고, 분석 결과로부터 송신 안테나와 수신안테나 사이의 누설 전력량에 의한 위상 잡음이 가장 큰 잡음원이 됨을 확인하였으며, 이는 위상 잡음의 거리상관 효과의 함수임을 확인하였다. 따라서 거리 상관 효과에 따른 위상 잡음을 측정하고 이론과 비교하였다. 측정 결과, 본 논문에서 제안한 위상 잡음 측정 방식이 반송파 주파수에 근접한 위상 잡음을 측정할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 50 cm의 인식 거리를 가지며 1 mW의 저출력에서 동작하는 2.4 GHz에서 바이오 레이더 시스템을 PLL 회로 없이 체계적으로 설계할 수 있었다.
In this paper, we present a noise analysis and measurement results of a bio-radar system that can detect human heartbeat and respiration signals. The noise analysis including various phase noise effects is very important in designing the bio-radar system, since the frequency difference between the r...
In this paper, we present a noise analysis and measurement results of a bio-radar system that can detect human heartbeat and respiration signals. The noise analysis including various phase noise effects is very important in designing the bio-radar system, since the frequency difference between the received signal and local oscillator is very small and the received power is very low. All of the noise components in a bio-radar system are considered from the point of view of SNR. From this analysis, it can be concluded that the phase noise due to antenna leakage is a dominant factor and is a function of range correlation. Therefore, the phase noise component with range correlation effect, which is the most important noise contribution, is measured using the measurement setup and compared with the calculated results. From the measurement results, our measurement setup can measure a closed-in phase noise of a free-running oscillator. Based on these results, it is possible to design a 2.4 GHz bio-radar system quantitatively which has a detection range of 50 cm and low power of 1 mW without additional PLL circuits.
In this paper, we present a noise analysis and measurement results of a bio-radar system that can detect human heartbeat and respiration signals. The noise analysis including various phase noise effects is very important in designing the bio-radar system, since the frequency difference between the received signal and local oscillator is very small and the received power is very low. All of the noise components in a bio-radar system are considered from the point of view of SNR. From this analysis, it can be concluded that the phase noise due to antenna leakage is a dominant factor and is a function of range correlation. Therefore, the phase noise component with range correlation effect, which is the most important noise contribution, is measured using the measurement setup and compared with the calculated results. From the measurement results, our measurement setup can measure a closed-in phase noise of a free-running oscillator. Based on these results, it is possible to design a 2.4 GHz bio-radar system quantitatively which has a detection range of 50 cm and low power of 1 mW without additional PLL circuits.
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문제 정의
또한, 참고문헌 [6]에서는 다양한 위상 잡음에 의한 효과 중 인체의 정지된 부분에 의한 clutter 반사에 의한 위상 잡음만을 고려하고 있다. 따라서 본 논문에서 바이오 레이더에서 발생하는 다양한 정량적으로 잡음원을 분석하며, 특히 위상 잡음을 체계적으로 분석하여 이를 SNR 식과 결합하여 실제 시스템 설계 시 필요한 규격을 도출할 수 있도록 하였다.
하지만 아직까지도 바이오 레이더 시스템의 체계적인 잡음 분석이 이루어지지 않고 있었다. 본 논문에서는 바이오 레이더 시스템의 잡음식을 유도하고, 이를 SNR식과 연계하여 시스템 설계 시 다양한 파라미터들이 시스템 성능에 영향을 주는 정도를 분석할 수 있도록 하였다. 이를 통해 바이오 레이더 시스템을 체계적으로 설계할
본 논문은 심박 및 호흡수를 측정하기 위한 바이오 레이더 시스템의 잡음원을 분석하였고, 가장 중요한 잡음원인 위상 잡음의 측정법을 제안하였다. 바이오 레이더 시스템은 기존의 무선 통신 방식이나 RFID 시스템과 달리, 수신 신호의 주파수 및 반송파 주파수 간의 차가 수 Hz에 불과하며, 수신 신호의 레벨 역시 매우 작으므로 정확한 잡음 특성을 분석하는 것이 매우 중요하다.
가설 설정
계산할 수 있다. 먼저 표 1과 같은 바이오 레이더 시스템을 가정한다.
지연 시간이 된다. 여기서 주파수 혼합기의 변환 손실은 1이라고 가정하였다.
제안 방법
2장에서 바이오 레이더 시스템에서 발생할 수 있는 다양한 잡음원을 분석하였고, 시스템의 SNR에서각 잡음원이 미치는 영향을 살펴보았다. 2장의 분석 결과로부터 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 누설전력량에 의한 위상 잡음이 가장 큰 잡음원이 됨을 확인하였으며, 이는 위상 잡음의 거리 상관 효과의 함수임을 확인하였다.
이러한 바이오 레이더 시스템으로 50cm 떨어진 성인 남성의 심박수를 측정한 결과가 그림 8에 나타나 있다. 그림에서 바이오 레이더 시스템의 정확도를 판별하기 위해 인체에 전극식 ECG 센서와 호흡 센서를 부착하여 결과를 비교하였다. 그림에서 알 수 있듯이 PLL 회로 없이 위상 잡음 특성이 나쁜 MMIC VCO를 사용하는 경우에도 호흡 및 심박수를 정확히 예측할 수 있음을 확인할 수 있었다.
회로의 특성을 보정해 주기 위하여 먼저 이 변환 상수 K의 값을 구하여야 한다. 본 연구에서는 서로 다른 위상 값을 갖도록 위상 천이기를 조절하여 72 번 측정한 뒤 에 이를 5차 curve fitting하여 함수를 구하였다. 그 그래프를 그림 5에 도시하였다.
본 절에서는 바이오 레이더 시스템을 설계하기 위하여 잡음 및 SNR 값을 정량적으로 분석한다. 이를 위해서는 인체 내부에 위치한 심장에서 반사되는 신호의 세기 및 수신기 내에 존재하는 다양한 잡음 성분을 계산하여야 한다.
4 GHz 대역에서 상용 부품으로 구성할 수 있는 부품을 가정한 경우이다" LO는 최악의 위상 잡음을 가정하기 위하여 Hittite사의 MMIC VCO 인 HMC- 38LP4을 별도의 PLL 회로 없이 사용하였다. 저잡음 증폭기는 NEC사의 2SC5508 트랜지스터를 이용하여 자체 설계한 결과, 12 dB 이득에 3.5 dB 잡음 지수가 즉정되어 이 값을 사용하였고, RF 필터는 SWANICS 사의 SA2441AM SAW 필터를, I/Q 복조기는 SKY- W0RKS사의 sky73009의 규격을 사용하였다. 기저 대역 필터는 National Semiconductor사의 LMV321 을이 용하여 LPF와 HPF를 설계한 값을 사용하였다.
대상 데이터
5 dB 잡음 지수가 즉정되어 이 값을 사용하였고, RF 필터는 SWANICS 사의 SA2441AM SAW 필터를, I/Q 복조기는 SKY- W0RKS사의 sky73009의 규격을 사용하였다. 기저 대역 필터는 National Semiconductor사의 LMV321 을이 용하여 LPF와 HPF를 설계한 값을 사용하였다. 이러한 설계 사양을 이용하여 SNR 분석을 수행한 결과가 그림 2에 나타나 있다.
및 바이오 레이더 시스템의 구성이 나타나 있다. 시스템 구성은 안테나, RF 회로, 기저 대역 회로, 디지털 신호처리부로 나뉘어져 있고, RF 회로의 기본 소자는 발진기, 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier) 및 I/Q 복조기로 구성된다.
45 GHz 대 역에서 최대 3 dBm이다. 이 LO 신호는 Xinger사의 전력 분배기 PD2328J550S2를 사용하여 전력을 분배시켜 LO 신호와 송신 신호로 사용하였다. L。와 RF 두 개의 경로 중 RF는 49.
05 ns의 딜레 이(delay) 라인, 위상 천이기 (phase shifter)를 통과하여 주파수 혼합기의 RF 입력 단자에 입사되고 LO 신호는 전력 분배기를 통하여 IQ 복조기의 LO 입력 단자에 입사된다. 이때 딜레이 라인 및 위상천이기의 손실을 보상하기 위하여 HP11975A 증폭기를 사용하였다. IQ 복조기는 출력이 differential 구조이므로 최종적으로 이득이 1인 Differential-Single OP AMP 를 통과한 출력을 Agilent 89441A VSA를 사용하여 측정하였다 위상이 정확히 90° 차이가 나면 식 (26)과 같이 DC 출력이 사라지므로 이를 이용하여 위상을 보정하였다.
측정하고자 하는 발진기는 Hittite사의 HMC38LP4를 사용하였고, 동작 주파수는 2.45 GHz 대 역에서 최대 3 dBm이다. 이 LO 신호는 Xinger사의 전력 분배기 PD2328J550S2를 사용하여 전력을 분배시켜 LO 신호와 송신 신호로 사용하였다.
성능/효과
잡음원이 미치는 영향을 살펴보았다. 2장의 분석 결과로부터 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 누설전력량에 의한 위상 잡음이 가장 큰 잡음원이 됨을 확인하였으며, 이는 위상 잡음의 거리 상관 효과의 함수임을 확인하였다. 본 장에서 이러한 위상 잡음을 측정하는 방법에 대해 고찰하고, 측정 결과를 제시한다.
실제 RF 잡음의 경우, 스펙트럼 분석기로는 1 Hz 근방의 위상 잡음은 측정이 불가능하지만, 본 연구에서 제안한 방식을 사용하는 경우 기저 대역 잡음을 바로 측정할 수 있으며, 이를 RF 위상 잡음으로 환산함으로써 offset 주파수가 아주 작은 경우에도 위상 잡음을 예측할 수 있음을 알 수 있다. VSA 측정 결과, 1 Hz offset에서 위상 잡음 효과에 의해 발진기는 -110 dBm/Hz가 측정되었으며, 이를 위상 잡음을 고려하여 원래 위상 잡음으로 환산한 결과 58 dB/Hz로 계산되었다. 이는 참고문헌 [4]와 [기에서 제시한 위상
그림에서 바이오 레이더 시스템의 정확도를 판별하기 위해 인체에 전극식 ECG 센서와 호흡 센서를 부착하여 결과를 비교하였다. 그림에서 알 수 있듯이 PLL 회로 없이 위상 잡음 특성이 나쁜 MMIC VCO를 사용하는 경우에도 호흡 및 심박수를 정확히 예측할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이는 그림에서 EGC 센서와 호흡 센서에서 보여주는 생체 신호의 주파수가 바이오 레이더에서 측정한 주파수와 거의 동일함을 통해 확인할 수 있다.
이러한 측정값과 그림 6의 PLL이 없는 국부 발진기를 사용한 경우 그림 2에서처럼 50 cm의 인식 거리가 최대로 계산되었다. 따라서 비록 사람에 따라 심장의 크기가 차이가 있지만 적어도 50 cm 정도의 인식 거리를 갖는다면 본 논문의 해석 결과가 맞음을 간접 적으로 확인할 수 있다. 이러한 바이오 레이더 시스템으로 50cm 떨어진 성인 남성의 심박수를 측정한 결과가 그림 8에 나타나 있다.
" data-ocr-fix="">수 있었다. 또한, 바이오 레이더 시스템의 중요한 잡음 원인 위상 잡음을 측정하는 방법을 제안하고, 이를 통해 기존의 스펙트럼 분석기로는 측정할 수 없었던 1 Hz 근방의 위상 잡음을 측정할 수 있었다. 이상의 연구 결과로부터 바이오 레이더 시스템의 체계적인 설계 프로세스를 정립할 수 있었다.
또한, 이 논문에서는 1 mW의 소출력으로 1 m 이상 떨어진 성인의 심박 및 호흡 신호를 측정할 수 있다고 발표하였으며, 지향성 안테나를 이용하면, 측정 거리가 그 이상으로 증가될 수 있음을 제시하였다. 또한 참고문헌 [5]와 [6]에서는 바이오 레이더의 잡음 신호를 열잡음, 위상 잡음 및 成 잡음으로 분류하여 SNR에서 각각의 비중을 분석하였다.
이러한 이론을 바탕으로 설계된 바이오 레이더 시스템의 구성이 그림 7에 나타나 있다. 설계된 바이오 레이더는 소형화를 위해 두 개의 안테나를 PCB 기판 상에서 설계하였으며, 네트워크 분석기로 송수신 안테나의 누설량을 측정한 결과 -20 dB 근방임을 확인하였다. 이러한 측정값과 그림 6의 PLL이 없는 국부 발진기를 사용한 경우 그림 2에서처럼 50 cm의 인식 거리가 최대로 계산되었다.
실제 RF 잡음의 경우, 스펙트럼 분석기로는 1 Hz 근방의 위상 잡음은 측정이 불가능하지만, 본 연구에서 제안한 방식을 사용하는 경우 기저 대역 잡음을 바로 측정할 수 있으며, 이를 RF 위상 잡음으로 환산함으로써 offset 주파수가 아주 작은 경우에도 위상 잡음을 예측할 수 있음을 알 수 있다. VSA 측정 결과, 1 Hz offset에서 위상 잡음 효과에 의해 발진기는 -110 dBm/Hz가 측정되었으며, 이를 위상 잡음을 고려하여 원래 위상 잡음으로 환산한 결과 58 dB/Hz로 계산되었다.
그림에서 알 수 있듯이 측정 반경 이 30 cm 이하인 경우는 clutter 에 의한 위상 잡음이 전체 SNR에 영향을 주지 만, 30 cm 이상에서는 clutter에 의한 반사량이 작아지므로 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 누설 전력에 의한 위상 잡음이 SNR값에 영향이 커짐을 알 수 있다. 이상의 결과로부터 바이오 레이더는 위상 잡음 특성이 낮은 VCO를 PLL 회로 없이 사용하여도 심박 수를 측정할 수 있음을 알 수 있으며, SNR 성능을 높이기 위해서는 송신 안테나와 수신 안테나의 격리 도를 높여 잡음의 크기를 줄이는 것이 중요함을 알 수 있다. 그림 3은 송신 안테나와 수신 안테나의 격리 도를 -40 dB로 높인 경우 SNR 특성을 보여준다.
또한, 바이오 레이더 시스템의 중요한 잡음 원인 위상 잡음을 측정하는 방법을 제안하고, 이를 통해 기존의 스펙트럼 분석기로는 측정할 수 없었던 1 Hz 근방의 위상 잡음을 측정할 수 있었다. 이상의 연구 결과로부터 바이오 레이더 시스템의 체계적인 설계 프로세스를 정립할 수 있었다.
후속연구
자세한 개별 부품의 설계 및 측정 결과는 참고문헌 [가에 수록되어 있다. 실제 호흡 및 생체 신호의 변이량은 사람에 따라 크기가 다르고, dutter 신호 역시 사람에 따라 다르지만, 본 논문에서 제시한 이론은 개별 부품의 성능이 시스템에 미치는 상대적인 영향을 판단하는 데는 무리가 없으므로 바이오 레이더 시스템의 체계적인 설계 프로세스를 정립할 수 있을 것으로 사료된다.
참고문헌 (7)
장병준, "Trend on BAN with bio-sensor for early detection", The 15th Korea Internet Conference, pp. 80-93, 2007년 6월
J. C. Lin, "Non-invasive microwave measurement of respiration", Proceedings of the IEEE, vol. 63, no. 10, p. 1530, 1975
B. -K. Park, S. Yamada, V. M. Lubecke, and O. Boric-Lubecke, "Single-channel receiver limitations in Doppler radar measurements of periodic motion", IEEE Radio and Wireless Symposium, San Diego, CA, USA, pp. 99-102, 2006
A. D. Droitcour, O. Boric-Lubecke, V. M. Lubecke, J. Lin, and G. T. A Kovac, "Range correlation and I/Q performance benefits in single-chip silicon Doppler radars for non-contact cardiopulmonary monitoring", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 52, pp. 838-848, Mar. 2004
D. Nguyen, S. Yamada, B. -K. Park, V. M. Lubecke, O. Boric-Lubecke, and A. H. Madsen, "Noise considerations for remote detection of life signs with microwave Doppler radar", Proceedings of the 29th Annual International, Conference of the IEEE EMBS, pp. 1667-1670, Aug. 2007
A. Droitcour, "Non-contact measurement of heart and respiration rates with a single-chip microwave Doppler radar", Ph.D. Thesis, Jun. 2006
이용진, 장병준, 육종관, "호흡 및 심박수 측정을 위한 비 접촉 방식의 2.4 GHz 바이오 레이더 시스템", 한국전자파학회논문지, 19(2), pp. 191-199, 2008년 2월
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