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문제 정의
- 본 논문에서는 능동반사기를 사용하는 진폭 변조 방식의 거리 측정 시스템의 위상차 측정부를 디지털 위상 검출기를 사용하여 정확하게 측정한 후 거리로 산출할 수 있도록 하였다. 또한, 정밀 측정을 위한 높은 변조 주파수와 장거리 측정을 위한 낮은 변조 주파수의 두 개의 변조 주파수를 교차적으로 사용하도록 하여 모호성 없는 측정 거리의 확장 및 정밀도를 개선할 수 있게 되었다.
- 본 논문에서는 이러한 현상을 극복하기 위하여 정밀 측정을 위한 높은 변조 주파수와 장거리 측정을 위한 낮은 변조 주파수를 교차 연결하여 위상을 측정함으로써 두 변조 주파수에서의 장점을 취하게 하였다.
- 본 논문에서는 진폭 변조를 이용한 거리 측정 시스템을 위한 정밀 위상차 측정부를 구현하고 실험결과를 얻었다. 위상차를 측정할 경우, 변조 주파수가 높은 경우 높은 위상측정 정밀도를 얻을 수 있다는 장점과 낮은 변조 주파수를 사용할 경우, 최대 측정 거리가 늘어나는 장점 두 가지를 취합하기 위하여 정밀 측정의 경우, 장거리 측정의 경우 두 경우를 시간에 따라 교차하여 송수신함으로써 150 m의 거리까지 약 2 cm 이하의 측정 거리 정확도로 측정할 수 있도록 하였다.
제안 방법
- 이러한 오차를 줄이기 위하여 AGC(Automatic Gain Control)를 사용하였다. AGC 는 그림 3과 같이 VGA(Variable Gain Amplifier)와 전력 검파기를 사용하였으며, 전력 검파기에서 나오는 신호를 CPU에서 읽어 들여 수신되는 신호의 전력이 약하거나 높을 때 LCD로 신호를 출력할 수 있도록 구현하였다. 그 결과, —15 dBm에서부터 14 dBm까지의 전력 변화에도 1° 이하의 오차를 나타내었다.
- 위상차 측정부는 그림 8과 같이 제작하였으며, 논리 회로부는 ALTERA사의 EPM3032를 사용하였고, CPU는 ATMEL의 ATmega8을 사용하여 구현하였다. 그리고 화면이 출려되는 LCD는 20*4 Characters LCD 를 사용하여 디지털 출력, 위상차, 수신되는 신호의 전력이 허용 범위 안에 있는지를 출력할 수 있도록 하였다.
- 논리 회로 제어부에서는 외부에서 기준 주파수를 받거나, 모듈에 있는 수정발진기로부터 발생되는 변조 주파수를 높은 변조 주파수를 사용하는 정밀 측정의 경우 및 낮은 변조 주파수를 사용하는 장거리 측정의 경우, 두 가지 경우로 제어할 수 있도록 하였다. 또한, 입력되는 제어 신호에 따라 정밀 측정의 경우와 장거리 측정의 경우를 선택할 수 있도록 하였다.
- 논리 회로부는 XOR 논리를 사용하는 위상 검출기, JK 플립플롭을 사용하는 위상 검출기, 그리고 시스템을 제어하는 스위치 및 출력 주파수 제어하는 논리 회로 제어부 3부분으로 구성된다.
- 논리 회로부에서 나온 신호는 RF단의 IF 신호로 입력되며, RF단을 거쳐 출력된 신호는 아날로그 회로를 거쳐 다시 논리 회로 부로 입력된다. 논리 회로부에서 출력된 I와 Q 신호는 LPF를 통하여 듀티에 비례하는 전압 값으로 변화된 후 MCU에 내장되어 있는 10 bit ADC를 통과하여 전압 값을 디지털 값으로 변환시키도록 하였다.
- 또한, 시간 지연 부분에 의하여 위상차를 측정할 수 없는 부분을 보완하기 위해 기준 주파수의 위상차가 180° 차이가 나는 JK 플립 플롭 위상 검출기를 하나 더 사용하였다.
- 구해진 위상 값은 식 (5)를 이용하여 거리로 환산한 후 LCD로 출력하도록 하였다. 또한, 아날로그 회로부의 AGC에서 나오는 입력 전력에 비례하는 DC 값을 ADC로 읽어 들여, 측정이 가능한 전력의 범위를 벗어날 경우에는 LCD에 경고 표시를 내도록 구현하였다.
- 논리 회로 제어부에서는 외부에서 기준 주파수를 받거나, 모듈에 있는 수정발진기로부터 발생되는 변조 주파수를 높은 변조 주파수를 사용하는 정밀 측정의 경우 및 낮은 변조 주파수를 사용하는 장거리 측정의 경우, 두 가지 경우로 제어할 수 있도록 하였다. 또한, 입력되는 제어 신호에 따라 정밀 측정의 경우와 장거리 측정의 경우를 선택할 수 있도록 하였다. 본 논문에서는 모듈 내부에 있는 수정 발진기를 사용하여 정밀 측정할 경우에는 8 MHz로서 작동 하도록 하였고, 장거리를 측정할 경우에는 1 MHz로작동하도록 하였다.
- 진폭 변조된 RF 신호는 거리 R을 진행한 후 능동반사기에 수신이 되고, 능동반사기에서는 반송파 신호(f0)를 다른 주파수(f0')로 바꾸어 기준 모듈로 송신한다. 반송파 주파수를 바꿈으로서 안테나 사이의 커플링, 다중 경로, 다중 표적에 의한 누설 신호를 제거하여 거리 측정 정확도를 개선하도록 하였다. 능동반사기에서 출력된 신호는 다시 거리 R을 진행한 후 거리 측정기에 수신된다.
- 또한, 입력되는 제어 신호에 따라 정밀 측정의 경우와 장거리 측정의 경우를 선택할 수 있도록 하였다. 본 논문에서는 모듈 내부에 있는 수정 발진기를 사용하여 정밀 측정할 경우에는 8 MHz로서 작동 하도록 하였고, 장거리를 측정할 경우에는 1 MHz로작동하도록 하였다. 이 후의 모든 측정은 모듈 내부의 수정발진기를 기준으로 하여 측정하였다.
- 송신하는 신호는 CPLD에서 출력되는 신호를 비교기를 통하여 증폭시킨 후 감쇄기 및 필터를 통하여 원하는 대역폭과 전력을 만들어 보낼 수 있도록 구현하였다.
- 연산 및 거리 출력부에서는 그림 6과 같이 모듈의 전체적인 시스템을 제어할 수 있도록 하였으며, LCD를 통하여 디지털 출력 값, 거리, 입력 전력을 출력할 수 있도록 하였다. 시스템의 동작이 시작되면 MCU에서 정밀 측정의 경우 및 장거리 측정의 경우를 교차적으로 선택하여 그에 맞는 값이 논리 회로부에서 출력되도록 한다.
- 본 논문에서는 진폭 변조를 이용한 거리 측정 시스템을 위한 정밀 위상차 측정부를 구현하고 실험결과를 얻었다. 위상차를 측정할 경우, 변조 주파수가 높은 경우 높은 위상측정 정밀도를 얻을 수 있다는 장점과 낮은 변조 주파수를 사용할 경우, 최대 측정 거리가 늘어나는 장점 두 가지를 취합하기 위하여 정밀 측정의 경우, 장거리 측정의 경우 두 경우를 시간에 따라 교차하여 송수신함으로써 150 m의 거리까지 약 2 cm 이하의 측정 거리 정확도로 측정할 수 있도록 하였다. 측정하는 위상 검출기는 높은 주파수까지 사용 가능한 JK 플립플롭 위상 검출기를 정밀 측정의 경우 사용하였고, 높은 위상 측정 정확도를 가지고 있는 XOR 위상 검출기를 장거리 측정의 경우에 사용하였다.
- 본 논문에서는 모듈 내부에 있는 수정 발진기를 사용하여 정밀 측정할 경우에는 8 MHz로서 작동 하도록 하였고, 장거리를 측정할 경우에는 1 MHz로작동하도록 하였다. 이 후의 모든 측정은 모듈 내부의 수정발진기를 기준으로 하여 측정하였다.
- 그러나 진폭 변조 방식의 경우에는 대역폭에 의한 거리 측정 정확도의 한계에 얽매이지 않고 구현이 가능하다는 장점이 있지만, 안테나 사이에 커플링이 생기거나 다중 경로로 들어오는 누설 신호에 의하여 거리 측정 정확도가 낮아진다는 것과 변조 주파수의 360° 이상의 위상에 해당하는 거리의 물체를 측정할 수 없다는 단점이 있다[4],[5]. 이러한 단점을 개선하기 위해 능동반사기를 이용하여 송수 신하는 주파수 대역을 바꿈으로서 누설 신호에 의한 영향을 최소화하는 시스템을 제안하였다[6].
- 이러한 단점을 보완하기 위하여 그림 5와 같이 수신된 신호의 2배 높은 주파수를 기준 주파수로 받은 후 한 쪽의 XOR 위상 검출기에서는 직접 주파수를 1/2배로 낮추고, 다른 쪽의 XOR 위상 검출기는 2배 높은 주파수의 위상을 NOT 논리로 180° 바꾼 후 주파수를 1/2배로 낮춰 기준 주파수로 사용하도록 하였다.
- 이를 통하여 두 XOR 위상 검출기에 입력되는 기준 주파수가 서로 90°의 위상차가 나도록 하여 위상의 모호성을 주는 부분에는 다른 위상 검출기의 출력을 읽음으로서 단점을 보완하였다.
- 전력의 변화에 따른 위상 측정오차를 줄이기 위하여 AGC를 사용하였으며 —15 dBm에서부터 14 dBm까지의 전력 변화에도 1° 이하의 오차로 위상차를 측정할 수 있었고, 허용범위 밖에 전력이 들어올 경우에는 에러 메시지를 출력하도록 하였다.
- 제작한 모듈을 함수 발생기를 통하여 정현파의 기준 신호 및 정현파의 수신 신호를 발생시켰다. 측정 시 수신 신호의 위상을 1° 씩 증가시키며 각각의 경우에 대한 측정을 하였다.
- 측정 시 수신 신호의 위상을 1° 씩 증가시키며 각각의 경우에 대한 측정을 하였다.
대상 데이터
- 무선으로 거리를 측정하는 상용 시스템은 레이저, 적외선, 초음파, 전자파 등을 사용한다. 이 중 전자파를 사용한 거리 측정 시스템은 다른 시스템에 비해 안개나 서리가 자주 끼거나 비가 자주 오는 열악한 환경에 강하다는 장점이 있다[1].
- 위상차를 측정할 경우, 변조 주파수가 높은 경우 높은 위상측정 정밀도를 얻을 수 있다는 장점과 낮은 변조 주파수를 사용할 경우, 최대 측정 거리가 늘어나는 장점 두 가지를 취합하기 위하여 정밀 측정의 경우, 장거리 측정의 경우 두 경우를 시간에 따라 교차하여 송수신함으로써 150 m의 거리까지 약 2 cm 이하의 측정 거리 정확도로 측정할 수 있도록 하였다. 측정하는 위상 검출기는 높은 주파수까지 사용 가능한 JK 플립플롭 위상 검출기를 정밀 측정의 경우 사용하였고, 높은 위상 측정 정확도를 가지고 있는 XOR 위상 검출기를 장거리 측정의 경우에 사용하였다. 전력의 변화에 따른 위상 측정오차를 줄이기 위하여 AGC를 사용하였으며 —15 dBm에서부터 14 dBm까지의 전력 변화에도 1° 이하의 오차로 위상차를 측정할 수 있었고, 허용범위 밖에 전력이 들어올 경우에는 에러 메시지를 출력하도록 하였다.
이론/모형
- 이러한 일정치 못한 진폭은 비교기에서 잘못된 위상으로 측정되어 거리에 비례하는 위상 값을 가진 구형 파로 변형시킬 수 없다. 이러한 오차를 줄이기 위하여 AGC(Automatic Gain Control)를 사용하였다. AGC 는 그림 3과 같이 VGA(Variable Gain Amplifier)와 전력 검파기를 사용하였으며, 전력 검파기에서 나오는 신호를 CPU에서 읽어 들여 수신되는 신호의 전력이 약하거나 높을 때 LCD로 신호를 출력할 수 있도록 구현하였다.
성능/효과
- 그 결과, —15 dBm에서부터 14 dBm까지의 전력 변화에도 1° 이하의 오차를 나타내었다.
- 그림 11을 통하여 JK 위상 검출기에서 출력되는 디지털 출력 값은 거리에 따라서 높은 기울기를 가져 높은 정확도로 거리를 측정할 수 있다는 것을 알 수 있지만, 측정이 가능한 거리가 짧다는 것을 알 수 있고, XOR 위상 검출기에서 출력되는 디지털 출력 값은 경사가 완만하여 낮은 정확도로 거리를 측정할수 있지만, 측정이 가능한 거리가 넓다는 것을 알 수 있다. 또한, 4개의 디지털 출력 값이 150 m까지 겹치지 않아 위에서 제시한 위상차 출력부의 동작 방식을 통하여 150 m까지 2 cm 이하의 측정 거리 정확도로 측정할 수 있다는 것을 알 수 있다.
- 그림 11을 통하여 JK 위상 검출기에서 출력되는 디지털 출력 값은 거리에 따라서 높은 기울기를 가져 높은 정확도로 거리를 측정할 수 있다는 것을 알 수 있지만, 측정이 가능한 거리가 짧다는 것을 알 수 있고, XOR 위상 검출기에서 출력되는 디지털 출력 값은 경사가 완만하여 낮은 정확도로 거리를 측정할수 있지만, 측정이 가능한 거리가 넓다는 것을 알 수 있다. 또한, 4개의 디지털 출력 값이 150 m까지 겹치지 않아 위에서 제시한 위상차 출력부의 동작 방식을 통하여 150 m까지 2 cm 이하의 측정 거리 정확도로 측정할 수 있다는 것을 알 수 있다.
- 본 논문에서는 능동반사기를 사용하는 진폭 변조 방식의 거리 측정 시스템의 위상차 측정부를 디지털 위상 검출기를 사용하여 정확하게 측정한 후 거리로 산출할 수 있도록 하였다. 또한, 정밀 측정을 위한 높은 변조 주파수와 장거리 측정을 위한 낮은 변조 주파수의 두 개의 변조 주파수를 교차적으로 사용하도록 하여 모호성 없는 측정 거리의 확장 및 정밀도를 개선할 수 있게 되었다. 논문의 순서는 먼저 진폭 변조를 사용한 거리 측정 시스템에 대하여 살펴본 후, 설계 시 고려된 사항들을 설명하며, 실제 제작된 모듈로 출력된 결과를 보여주는 순으로 되어 있다.
후속연구
- 현재 전파로 진폭 변조를 이용한 거리 측정 시스템 RF부를 제작 중에 있으며, 직접 연결하여 사용할 예정이다. 따라서 능동반사기를 사용하는 진폭 변조 시스템이 완성되면 열악한 환경조건에서도 정확한 거리를 측정해야 하는 다양한 경우에 응용될 수 있을 것으로 예상된다.
- 본 위상차 측정부는 전파에 최적화 되어 구현하였지만 H/W 및 S/W를 일부 변화시키면 진폭 변조 및 펄스 방식의 다양한 거리 측정 시스템에도 사용이 가능할 것이다. 또한, 두 개 이상의 변조 주파수를 순차적으로 선택하게 함으로써 측정 거리의 확장 및 정밀 거리 측정 시스템을 구현할 수 있을 것이다. 현재 전파로 진폭 변조를 이용한 거리 측정 시스템 RF부를 제작 중에 있으며, 직접 연결하여 사용할 예정이다.
- 향후, 논리 회로부에 사용하는 칩의 성능을 높임으로써 더 높은 변조 주파수를 사용하여 측정 가능하도록 하고, CPLD칩 내부에 PLL 회로를 구현하여기준 변조 주파수를 임의로 선택할 수 있도록 제어하여 최대 측정 거리를 확장할 수 있도록 할 것이다. 또한, 비트 분해능이 높은 DAC를 사용하여 더욱 높은 위상 측정 정확도를 가지도록 할 것이다.
- 본 위상차 측정부는 전파에 최적화 되어 구현하였지만 H/W 및 S/W를 일부 변화시키면 진폭 변조 및 펄스 방식의 다양한 거리 측정 시스템에도 사용이 가능할 것이다. 또한, 두 개 이상의 변조 주파수를 순차적으로 선택하게 함으로써 측정 거리의 확장 및 정밀 거리 측정 시스템을 구현할 수 있을 것이다.
- 향후, 논리 회로부에 사용하는 칩의 성능을 높임으로써 더 높은 변조 주파수를 사용하여 측정 가능하도록 하고, CPLD칩 내부에 PLL 회로를 구현하여기준 변조 주파수를 임의로 선택할 수 있도록 제어하여 최대 측정 거리를 확장할 수 있도록 할 것이다. 또한, 비트 분해능이 높은 DAC를 사용하여 더욱 높은 위상 측정 정확도를 가지도록 할 것이다.
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