[논문]주파수 체배기와 PLL을 이용한 10 GHz 생체 신호 레이더 시스템

명성식; 안용준; 문준호; 장병준; 육종관

doi:10.5515/kjkiees.2010.21.2.208

주파수 체배기와 PLL을 이용한 10 GHz 생체 신호 레이더 시스템
Novel 10 GHz Bio-Radar System Based on Frequency Multiplier and Phase-Locked Loop 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.21 no.2=no.153, 2010년, pp.208 - 217

명성식 (연세대학교, 전기전자공학과) , 안용준 (연세대학교, 전기전자공학과) , 문준호 ((주)필텍) , 장병준 (국민대학교, 전자공학과) , 육종관 (연세대학교, 전기전자공학과)

초록
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본 논문에서는 주파수 체배기와 위상 동기화 회로(Phase-Locked Loop: PLL)를 이용한 주파수 합성기를 이용한 10 GHz 대역에서 동작하는 생체 신호 레이더를 제안하였다. 제안된 10 GHz 대역 생체 레이더는 2.5 GHz 전압 제어 발진기와 PLL을 이용하여 발생된 위상 잡음 특성이 매우 뛰어나고 안정적인 정현 신호를 이용하여 뛰어난 생체 신호 검출 성능을 보인다. 또한 10 GHz 대역에서 PLL을 구현하기 어려운 점을 해결하기 위하여 2.5 GHz 대역에서 PLL을 이용하여 발생된 신호를 주파수 체배기를 이용하여 10 GHz 대역 신호를 발생시키는 방법을 제안하였다. 본 논문에서는 제안된 구조의 생체 레이더의 잡음 특성을 이론적으로 분석하여 제안된 구조의 타당성을 검증하였다. 실험 결과 100 cm까지 매우 우수한 생체 신호 검출이 가능하였으며, 이로서 제안된 구조의 10 GHz 대역의 생체 레이더의 타당성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a novel 10 GHz bio-radar system based on a frequency multiplier and phase-locked loop(PLL) for non-contact measurement of heartbeat and respiration rates. In this paper, a 2.5 GHz voltage controlled oscillator (VCO) with PLL is employed to as a frequency synthesizer, and 10 GHz continuous wave(CW) signal is generated by using frequency multiplier from 2.5 GHz signal. This paper also presents the noise characteristic of the proposed system. As a result, a better performance and economical frequency synthesizer can be achieved with the proposed bio-radar system. The experimental results shows excellent bio-signal measurement up to 100 cm without any additional digital signal processing(DSP), and the proposed system is validated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

제안된 구조는 10 GHz 대역의 VCO를 이용하여 직접 변환하는 방식에 비해 동일한 SNR 특성을 보이면서도, 구현의 용이성과 IF 대역에서의 추가적인 신호 처리의 가능성이 있는 구조이다. 본 논문에서는 제안된 구조에서의 잡음 특성을 해석하여 제안된 구조의 타당성을 확인하였다. 제안된 바이오 레이더는 상용 소자들을 이용하여 구현되었으며, 실험 결과 100 cm까지 추가적인 신호 처리 없이도 매우 깨끗한 심박 신호를 검출할 수 있었으며, 이러한 결과를 통해 제안된 구조의 타당성을 확인할 수 있었다.
5 GHz까지의 대역을 radiolocation 서비스를 위한 대역으로 할당하였으며㈣, 이로 인해 이 대역을 motion sensing이나 레이더 용으로 큰 관심을 받고 있다. 이에 본 논문에서는 10 GHz 대역의 도플로 효과에 기반하는 바이오 레이더를 설계하였다. 그러나 10 GHz 주파수 대역은 PLL 을 설계하기에는 상당히 높은 주파수이다.
그러나 10 GHz 주파수 대역은 PLL 을 설계하기에는 상당히 높은 주파수이다. 이에 주파수 체배기를 이용한 슈퍼헤테로다인 구조의 바이오 레이더를 제안하였다. 또한 제안된 구조에서의 잡음 특성을 해석하여 제안된 구조의 타당성을 확인하였다.

제안 방법

송신 전력은 0 dBm이며, 송수신 안테나는 사각형의 패치 안테나의 2x1의 배열 구조를 이용하였다. 7.5 GHz와 10 GHz 대역 통과필터는 combline 필터로 구현하였다. 그림 3은 제작된 바이오 레이더의 사진이다.
구조적으로는 슈퍼헤테로다인 구조를 제안하였다. 본 논문에서 제안된 구조는 낮은 주파수에서 안정적 인 PLL 을 이용하여 신호를 발생하고, 이를 주파수 체배기를 이용하여 고주파를 생성하는 방식이며, 동일한 PLL 출력의 다른 고조파 성분을 이용하여 IF 대역으로 하향 변환하고, 다시 베이스 밴드로 변환하는 형태를 사용하여 range correlation0] 여전히 만족될 수있게 설계하였다.
슈퍼헤테로다인 구조의 바이오 레이더 시스템을 구현하였다. 구현된 바이오 레이더의 송신부는 2.5 GHz 대역의 PLL과 주파수 체배기, 전력 분배기, 대역 통과 필터, 송신 증폭기, 송신 안테나로 구성되어 있다, 상용 VC0의 1 Hz 이격 주파수에서 측정된 위상 잡음은 +58 dBc/Hz이며, 19.2 MHz TCXOt 레퍼런스로 삼는 Fraction-N 형태의 PLL을 구현하였다. 주파수 3 체배기와 4 체배기는 시스템의 소형화를위하여 한 개의 능동 소자를 이용하여 구현되었으며, 주파수 변환 손실은 2.
10 GHz 대역에서 동작하는 PLL 설계하는 것은 일반적으로 많은 비용이 발생하게 된다. 때문에 본 연구에서는 2.5 GHz 대역에서 동작하는 PLL을 설계한 후 주파수 3 체배기와 4 체배기를 이용하여 10 GHz의 위상 잡음 특성이 우수한 연속파(Continuous Wave: CW) 신호를 발생하였다. 또한 IQ 복조기의 요구 규격을 낮추기 위하여 PLL 의 동작 주파수인 2.
5 GHz 대역에서 동작하는 PLL을 설계한 후 주파수 3 체배기와 4 체배기를 이용하여 10 GHz의 위상 잡음 특성이 우수한 연속파(Continuous Wave: CW) 신호를 발생하였다. 또한 IQ 복조기의 요구 규격을 낮추기 위하여 PLL 의 동작 주파수인 2.5 GHz를 중간 주파수(Intermediate Frequency: IF)로 갖는 슈퍼 헤테로다인 구조를 제안하였다. 이러한 시스템의 경우 수신된 10 GHz 의 RF 신호는 3 체배기의 출력 신호인 7.
이에 주파수 체배기를 이용한 슈퍼헤테로다인 구조의 바이오 레이더를 제안하였다. 또한 제안된 구조에서의 잡음 특성을 해석하여 제안된 구조의 타당성을 확인하였다.
구조적으로는 슈퍼헤테로다인 구조를 제안하였다. 본 논문에서 제안된 구조는 낮은 주파수에서 안정적 인 PLL 을 이용하여 신호를 발생하고, 이를 주파수 체배기를 이용하여 고주파를 생성하는 방식이며, 동일한 PLL 출력의 다른 고조파 성분을 이용하여 IF 대역으로 하향 변환하고, 다시 베이스 밴드로 변환하는 형태를 사용하여 range correlation0] 여전히 만족될 수있게 설계하였다. 제안된 구조는 10 GHz 대역의 VCO를 이용하여 직접 변환하는 방식에 비해 동일한 SNR 특성을 보이면서도, 구현의 용이성과 IF 대역에서의 추가적인 신호 처리의 가능성이 있는 구조이다.
본 논문에서는 10 GHz 대역의 바이오 레이더를 낮은 주파수 대역의 PLL을 이용한 주파수 합성기와 주파수 합성기를 이용한 구조를 이용하였다. 구조적으로는 슈퍼헤테로다인 구조를 제안하였다.
일반적으로 심박 신호에 비해 호흡 신호의 크기가 매우 크고 호흡 신호의 고조파 성분에 심박 신호가 가려지는 현상이 있기 때문에, 일반적으로 추가적인 신호 처리 과정을 거쳐야만 심박 신호를 정확히 분리할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 추가적인 신호처리 과정 없이 심박 신호의 측정을 하기 위하여 호흡 없이 동일한 측정을 반복하였으며, 그 결과는 그림 7의 I(Non-res.)와 Q(Non-res.)이다. 생체 신호를 측정하기 위한 설정은 참고문헌 [8]과 동일하다.
5 GHz로 각각 13 dB와 12 dB이다. 전력 분배기는 3체배 주파수와 4체배 주파수를 포함하는 윌킨슨 전력분배기 형태로 설계하였다. 송신 전력은 0 dBm이며, 송수신 안테나는 사각형의 패치 안테나의 2x1의 배열 구조를 이용하였다.
본 논문에서 제안된 구조는 낮은 주파수에서 안정적 인 PLL 을 이용하여 신호를 발생하고, 이를 주파수 체배기를 이용하여 고주파를 생성하는 방식이며, 동일한 PLL 출력의 다른 고조파 성분을 이용하여 IF 대역으로 하향 변환하고, 다시 베이스 밴드로 변환하는 형태를 사용하여 range correlation0] 여전히 만족될 수있게 설계하였다. 제안된 구조는 10 GHz 대역의 VCO를 이용하여 직접 변환하는 방식에 비해 동일한 SNR 특성을 보이면서도, 구현의 용이성과 IF 대역에서의 추가적인 신호 처리의 가능성이 있는 구조이다. 본 논문에서는 제안된 구조에서의 잡음 특성을 해석하여 제안된 구조의 타당성을 확인하였다.
제안된 구조의 바이오 레이더 시스템의 타당성을 확인하기 위하여 상용 소자들을 이용하여 제안된 10 GHz 슈퍼헤테로다인 구조의 바이오 레이더 시스템을 구현하였다. 구현된 바이오 레이더의 송신부는 2.

대상 데이터

그림 3은 제작된 바이오 레이더의 사진이다. 제작된 바이오 레이더는 3층 구조를 가지며, 가장 위 층에는 송수신 안테 나, 두 번째 층은 RF단, 세 번째 층은 IF단과 베 이스 밴드 단으로 구성되어 있다.

성능/효과

5 GHz 대역과 10 GHz 대역의 대역 통과 필터의 측정 결과이다. 10 GHz 대 역 필터는 안테나와 동일한 10.25 GHz에서 최적의 성능을 보이며, 주파수 체배기의 출력에서 각각 다른 고조파 성분을 제거하기 위해 10 GHz 필터와 7.5 GHz 필터의 7.5 GHz와 10 GHz에서의 스컷 특성은 -47 dB와 -45 dB의 매우 우수한 결과를 보여주고 있다. 측정된 삽입 손실은 10 GHz와 7.
5 GHz 신호의 경우, 1 MHz와 100 Hz 옵셋 주파수에서 각각 -75 dBc/Hz와 -112 dBc/Hz이며, 10 GHz 신호는 같은 옵셋 주파수에서 각각 -55 dBc/ Hz와 -100 dBc/Hz이다. 두 신호의 위상 잡음 차이는 1 MHz에서는 약 12 dB로 이론적인 값과 매우 잘 일치하고 있지만 100 Hz에서는 이보다 큰 20 dB의 차이를 보이고 있다. 이는 주파수 체배기에서 발생하는 잡음이 추가적인 영향을 미친 것으로 판단된다.
같다. 이는 동일한 반송파 주파수를 갖고 위상잡음이 4배 큰 LO를 사용하는 기존의 직접 변환 시스템과 비교하여 클러터 효과와 안테나 누설 효과가 거의 같고, 결과적으로 동일한 전체 SNR 특성을 가지고 있다. 즉, 제안된 구조는 기존의 직접 변환 구조와 비교하여 동일하게 range correlation을 만족하며, 낮은 주파수에서의 PLL 구성과 IF 대역 필터 링등 구현 상의 이점을 가질 수 있음을 이상의 잡음 해석 과정을 통하여 증명하였다.
100 cm는 심박 신호가 약해지고 있기는 하나 ECG로 측정된 심박 신호와 비교했을 때, 측정된 심박 신호의 피크의 개수와 위치가 매우 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 이는 이미 언급한 바와 같이 아무런 추가적인 신호 처리 과정을 거치지 않은 결과로 본 논문에서 제안된 바이오 레이더의 타당성을 확인할 수 있었다.
된다. 이로 인해 제안된 구조에서도 range correlation을 만족하며, 계산된 잡음의 양은 체배기를 사용하지 않은 저주파 바이오 레이더에 비해 위상 잡음이 약 4배 정도 증가한 결과이다. 이로 인해전체 SNRe 체배기를 사용하지 않은 저주파 바이오레이더에 비해 주파수 체배로 인한 4배가 감소하게 된다.
본 논문에서는 제안된 구조에서의 잡음 특성을 해석하여 제안된 구조의 타당성을 확인하였다. 제안된 바이오 레이더는 상용 소자들을 이용하여 구현되었으며, 실험 결과 100 cm까지 추가적인 신호 처리 없이도 매우 깨끗한 심박 신호를 검출할 수 있었으며, 이러한 결과를 통해 제안된 구조의 타당성을 확인할 수 있었다. 제안된 구조는 향후 IT 분야에서 가장 큰 각광을 받는 바이오 레이더뿐만 아니라 도플러 효과를 이용한 다양한 레이더 구조에도 응용이 가능할 것으로 판단된다.
2 MHz TCXOt 레퍼런스로 삼는 Fraction-N 형태의 PLL을 구현하였다. 주파수 3 체배기와 4 체배기는 시스템의 소형화를위하여 한 개의 능동 소자를 이용하여 구현되었으며, 주파수 변환 손실은 2.5 GHz에서 10 GHz와 7.5 GHz로 각각 13 dB와 12 dB이다. 전력 분배기는 3체배 주파수와 4체배 주파수를 포함하는 윌킨슨 전력분배기 형태로 설계하였다.
이는 동일한 반송파 주파수를 갖고 위상잡음이 4배 큰 LO를 사용하는 기존의 직접 변환 시스템과 비교하여 클러터 효과와 안테나 누설 효과가 거의 같고, 결과적으로 동일한 전체 SNR 특성을 가지고 있다. 즉, 제안된 구조는 기존의 직접 변환 구조와 비교하여 동일하게 range correlation을 만족하며, 낮은 주파수에서의 PLL 구성과 IF 대역 필터 링등 구현 상의 이점을 가질 수 있음을 이상의 잡음 해석 과정을 통하여 증명하였다.

후속연구

제안된 바이오 레이더는 상용 소자들을 이용하여 구현되었으며, 실험 결과 100 cm까지 추가적인 신호 처리 없이도 매우 깨끗한 심박 신호를 검출할 수 있었으며, 이러한 결과를 통해 제안된 구조의 타당성을 확인할 수 있었다. 제안된 구조는 향후 IT 분야에서 가장 큰 각광을 받는 바이오 레이더뿐만 아니라 도플러 효과를 이용한 다양한 레이더 구조에도 응용이 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌 (10)

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상세보기
N. Dung, S. Yamada, B. K. Park, V. Lubecke, O. Boric-Lubecke, and A. Host-Madsen, "Noise considerations for remote detection of life signs with microwave Doppler radar", Proceedings of Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, pp. 1667-1670, 2007.

상세보기
A. Droitcour, "Non-contact measurement of heart and respiration rates with a single-chip microwave doppler radar", Ph.D. Thesis, Stanford University, 2006.
A. D. Droitcour, V. M. Lubecke, J. Lin, and O. Boric-Lubecke, "A microwave radio for Doppler radar sensing of vital signs", IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, vol. 1, pp. 175-178, May 2001.
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상세보기
Byung-Jun Jang, Sang-Hyuk Wi, Jong-Gwan Yook, Moon-Que Lee, and Kyoung-Joung Lee, "Wireless bio-radar sensor for heartbeat and respiration detection", Progress in Electromagnetic Research(PIER) C, vol. 5, pp. 149-168, 2008.
Seong-Sik Myoung, Byung-Jun Jang, Jae-Hyung Park, and Jong-Gwan Yook, "2.4 GHz bio-radar system with improved performance by using phased-locked loop", IEEE Trans. Antennas and Propagation, 2009(submitted).
Frequency allocations of amateur satellite service, International Telecommunication Union, 2009.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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