[논문]조명용 LED의 스위칭 구동 회로로 변조되는 가시광 통신 시스템의 구현

조상호; 한상규; 노정욱; 홍성수; 장병준

doi:10.5515/kjkiees.2010.21.8.905

조명용 LED의 스위칭 구동 회로로 변조되는 가시광 통신 시스템의 구현
Implementation of Visible Light Communication System Modulated by a Switching Driver Circuit of Lighting LED 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.21 no.8 = no.159, 2010년, pp.905 - 910

조상호 (국민대학교 전자공학과) , 한상규 (국민대학교 전자공학과) , 노정욱 (국민대학교 전자공학과) , 홍성수 (국민대학교 전자공학과) , 장병준 (국민대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 조명용 LED(Light Emitting Diode)의 스위칭 구동 회로를 이용한 변조 기법으로 조명 기능과 무선 통신 기능을 동시에 수행하는 가시광 통신(VLC: Visible Light Communication) 시스템을 제안하였다. 본 방식은 기존의 선형 영역에서 동작하는 LED 구동 회로를 갖는 가시광 통신 시스템에 비해 고효율이므로 고출력의 조명용 LED 시스템에 적용할 수 있는 장점이 있다. 제안된 시스템의 유용성을 입증하기 위하여 디지틀 방식의 오디오 시스템을 채용하여 가시광 통신 시스템을 구현하고, 그 실험 결과를 제시함으로써 제안된 방식의 우수성을 검증하였다. 실험 결과, 제안 회로의 시작품은 특별한 광필터 없이 20 W급 조명을 사용해서 약 1.5 m의 반경에서 최대 10 Mbps의 데이터 전송률을 달성하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, visible light communication(VLC) system modulated by a switching driver circuit of lighting light emitting diode(LED), not only for illumination but also for optical wireless communication, is implemented. Presented system could overcome the drawbacks of prior linear modulation technique such as low efficiency, heat generation, and limits to realization of high power lighting LED. Experimental results from the realized digital audio system are presented to confirm the superiority of the proposed circuit. Our prototype achieves a transmission data rate of 10 Mbps with a radius of 1.5 meters using 20 W output power, and the signals were detected successfully.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 구동 회로를 고속으로 스위칭함에 따른 구현상의 어려움, 휘도 조절(dimming control) 회로와 결합의 어려움 등의 문제가 있다. 따라서 본 논문에서는 가시광 통신을 위한 스위치를 스위칭 영역에서 구동하면서, LED 전류의 고주파 스위칭이 가능한 새로운 방식의 가시광 통신용 LED 드라이버를 제안하였다. 제안 방식은 기존 회로와 같이 LED 전류의 고주파 스위칭이 가능해 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 전력 변환 효율이 개선되어 대용량 구동 회로에 쉽게 적용할 수 있다.
어려운 문제점이 있다. 따라서 본 논문에서는 기존 회로의 문제점을 해결하는 새로운 방식의 회로를 제안하고 이를 이론 및 실험적으로 검증한다.
본 논문에서는 최근 근거리 무선 통신 기술로 주목 받고 있는 가시광 통신을 위한 LED 드라이버를 제안하였다. 기존 가시광 통신용 LED 드라이버는 스위치의 선형 영역 구동으로 인해 LED 드라이버의 전력 변환 효율이 낮아 조명 장치와 같은 대용량 LED 조명에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
기존 가시광 통신용 LED 드라이버는 스위치의 선형 영역 구동으로 인해 LED 드라이버의 전력 변환 효율이 낮아 조명 장치와 같은 대용량 LED 조명에 적용하기 어려운 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 스위치를 스위칭 영역에서 구동하면서, LED 전류의 고주파 스위칭이 가능한 새로운 방식의 가시광 통신용 LED 드라이버를 제안하였다. 제안 방식은 기존 회로와 같이 LED 전류의 고주파 스위칭이 가능해 높은 데이터 전송률을 달성할 뿐 아니라, 전력 변환 효율이 크게 개선되어 대용량 구동 회로에 매우 적합해 LED 본래의 조명기능에 부가적인 통신 수행이 가능하다.

제안 방법

제안 방식은 기존 회로와 같이 LED 전류의 고주파 스위칭이 가능해 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 전력 변환 효율이 개선되어 대용량 구동 회로에 쉽게 적용할 수 있다. 또한 제안된 스위칭 변조 기법을 이용한 LED 구동 회로의 타당성을 입증하기 위하여디지틀 오디오 기기를 이용한 가시광 통신 시스템을 구현하였다.
본 논문에서 제안하는 가시광 통신용 LED 드라이버를 그림 3에 나타내었으며, LED 드라이버의 전력 단은 고효율 및 저가형에 유리한 LLC 공진형 컨버터로 구성하였다.
제안 가시광 통신용 LED 드라이버의 이론적 해석을 통해 실제 무선 통신 오디오 시스템을 구현하여 제안 회로의 우수성과 이론적 분석의 타당성을 검증하였다.

대상 데이터

AC 상용 전원을 입력 받아 PFC단 및 DC/DC 컨버터를 통해 LED 구동에 적합한 DC 전원을 획득한다. LED 드라이버는 DVD 플레이어에서 출력되는 맨체스터 코드를 바탕으로 LED를 점멸한다.

이론/모형

따라서 조명용 led를 이용한 가시광 통신에서는 LED 드라이버가 필수적으로 들어가며, 통신 변조를 LED 드라이버를 이용하여 구현하게 된다. 본 논문에서는 이를 구현하기 위해 전압원 구동 방식의 LLC 공진형 컨버터를 적용하였다电.

성능/효과

두 번째 파형은 송신 데이터에 따라 스위치 M의 스위칭 영역 구동을 통해 도통하는 LED 전류를 나타내었다. LED 평균 전류의 명령을 100 mA로 설정했고, LED 전류의 최대값이 평균 전류 명령의 2배인 200 mA로 제어되는 것을 확인할 수 있다. 세 번째 파형은 PD를 통해 수신된 가시광 신호를 전기적 신호로 복조 한파형으로 약 300 ns의 시간 지 연을 가지고, 가시광을 통해 오디오 신호의 통신이 가능함을 확인할 수 있었다.
본 논문에서 제안하는 가시광 통신용 LED 드라이버를 데이터 통신 기능과 더불어 LED 본래의 조명 기능 구현을 위해서는 사용자의 명령에 따른 휘도 조절이 가능해야 한다. 제안 회로의 LED 휘도 조절은 전류 명령인 矿 전압 가변을 통해 이루어지며, LED 전류의 평균치 ①功>가, W를 추종하면서 휘도가 조절된다' 이 때, LED 전류의 시비율은 항상 50 %로 동작하기 때문에 LED 전류의 최대값은 LED 평균 전류 0ED>의 2배의 값을 가진다.
LED 평균 전류의 명령을 100 mA로 설정했고, LED 전류의 최대값이 평균 전류 명령의 2배인 200 mA로 제어되는 것을 확인할 수 있다. 세 번째 파형은 PD를 통해 수신된 가시광 신호를 전기적 신호로 복조 한파형으로 약 300 ns의 시간 지 연을 가지고, 가시광을 통해 오디오 신호의 통신이 가능함을 확인할 수 있었다. 한편, 송신 데이터의 주파수는 약 4 MHz, LED 드라이버 전력단인 LLC 공진형 컨버터의 구동 주파수는 약 100 kHz로서 LED의 평균 전류 제어를 통해 고속으로 스위칭하는 송신 데이터에 관계없이 전력 단의 저속 스위칭 구동이 가능함을 확인하였다.
만약, LED 전류의 평균치가 전류 명령 切보다 작은 값으로 출력이 되면 드라이버의 전력단인 LLC 공진형 컨버터의 스위치 材과 Mi 는 저속 스위칭을 통해 LED 전류의 평균치 <1le6>를 상승시키며, 반대로 LED 전류의 평균치<1况舟가 전류 명령 加보다 큰 값으로 출력이 되면 드라이버의 전력 단인 LLC 공진형 컨버터의 스위치 场과 泌는고속 스위칭을 통해 LED 전류의 평균치 %功>를 감소시킨다. 여기에서 제안 회로는 저역 통과 필터 (LPF)를 통해 LED 전류의 순시값이 아닌 평균값을 제어하기 때문에 기존 회로와 달리 전력단의 저속스위칭 구동이 가능하며, LED 전류의 평균치 제어를 통해 조명 기기의 휘도 조절 또한 가능하다.
이를 해결하기 위해 본 논문에서는 스위치를 스위칭 영역에서 구동하면서, LED 전류의 고주파 스위칭이 가능한 새로운 방식의 가시광 통신용 LED 드라이버를 제안하였다. 제안 방식은 기존 회로와 같이 LED 전류의 고주파 스위칭이 가능해 높은 데이터 전송률을 달성할 뿐 아니라, 전력 변환 효율이 크게 개선되어 대용량 구동 회로에 매우 적합해 LED 본래의 조명기능에 부가적인 통신 수행이 가능하다.
따라서 본 논문에서는 가시광 통신을 위한 스위치를 스위칭 영역에서 구동하면서, LED 전류의 고주파 스위칭이 가능한 새로운 방식의 가시광 통신용 LED 드라이버를 제안하였다. 제안 방식은 기존 회로와 같이 LED 전류의 고주파 스위칭이 가능해 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 전력 변환 효율이 개선되어 대용량 구동 회로에 쉽게 적용할 수 있다. 또한 제안된 스위칭 변조 기법을 이용한 LED 구동 회로의 타당성을 입증하기 위하여디지틀 오디오 기기를 이용한 가시광 통신 시스템을 구현하였다.
제안 회로는 스위치 明를 스위칭 영역에서 구동하기 때문에 전력 변환 효율 및 발열 특성이 크게 개선되어 대용량의 조명용 LED 구동이 가능하고, 통신 시스템의 SNR이 개선되어 통신 품질이 개선된다. 또한, LED 전류의 평균치 제어를 통해 스위치 必의 고속 스위칭에 관계없이 전력단의 저속 스위칭 동작이 가능해 실제 구현 가능성 측면에서 매우 유리하다.
조절이 가능해야 한다. 제안 회로의 LED 휘도 조절은 전류 명령인 矿 전압 가변을 통해 이루어지며, LED 전류의 평균치 ①功>가, W를 추종하면서 휘도가 조절된다' 이 때, LED 전류의 시비율은 항상 50 %로 동작하기 때문에 LED 전류의 최대값은 LED 평균 전류 0ED>의 2배의 값을 가진다.
세 번째 파형은 PD를 통해 수신된 가시광 신호를 전기적 신호로 복조 한파형으로 약 300 ns의 시간 지 연을 가지고, 가시광을 통해 오디오 신호의 통신이 가능함을 확인할 수 있었다. 한편, 송신 데이터의 주파수는 약 4 MHz, LED 드라이버 전력단인 LLC 공진형 컨버터의 구동 주파수는 약 100 kHz로서 LED의 평균 전류 제어를 통해 고속으로 스위칭하는 송신 데이터에 관계없이 전력 단의 저속 스위칭 구동이 가능함을 확인하였다.

후속연구

따라서 본 논문에서 제안하는 LED 드라이버는 LED의 고유의 조명 기능에 부가적인 근거리 무선통신을 수행하는 가시광 통신 시스템에 매우 적합하게 적용될 수 있을 것이다.

참고문헌 (7)

Y. Tanaka, T. Komine, S. Haruyama, and M. Nakagawa, "Indoor visible light transmission system utilizing white LED lights", IEICE Trans. on Commun., vol. E86-B, no. 8, pp. 2440-2454, Aug. 2003.
T. Komine, M. Kakagawa, "Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights", IEEE Trans. on Consumer Electron., vol. 50, no. 1, pp. 100-107, Feb. 2004.

상세보기
채균, "LED 응용 제품 개발 및 사례", 전력전자학회지, 14(3), pp. 36-40. 2009년 6월.

원문보기 상세보기
N. Kumar, N. Lourenco, M. Spiez, and R. Aguiar, "Visible light communication systems conception and VIDAS", IETE Journal, vol. 25, issue 6, pp. 359-367. Nov. 2008.
H. L. Minh, D. O'Brien, G. Faulkner, L. Zeng, K. Lee, D. Jung, and Y. Oh, "High-speed visible light communication using multiple-resonant equalization", IEEE Photonics Technology, vol. 20, no. 14, pp. 1243-1245, Jul. 2008.

상세보기
B. Lu, W. Liu, Y. Liang, F. C. Lee, and J. D. Van Wyk, "Optimal design methodology for LLC resonant converter", Applied Power Electronics Conference and Exposition, pp. 533-538, Mar. 2006.
K. Inoue, "Waveform distortion in a gain-saturated semiconductor optical amplifier for NRZ and Manchester formats", Optoelectronics, IEE Proceedings, vol. 44, issue 6, pp. 433-437, 1997.

저자의 다른 논문 :

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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