[논문]전력선통신을 위한 동적 고성능 Notch Filter 구현

신성균; 이병진; 장동원; 김경석

doi:10.7236/jiibc.2013.13.1.221

전력선통신을 위한 동적 고성능 Notch Filter 구현
Implementation of a dynamic high-performance Notch Filter for Power-Line Communications 원문보기

한국인터넷방송통신학회 논문지 = The journal of the Institute of Internet Broadcasting and Communication, v.13 no.1, 2013년, pp.221 - 227

신성균 (충북대학교 전파통신공학과) , 이병진 (충북대학교 전파통신공학과) , 장동원 (한국전자통신연구원) , 김경석 (충북대학교 전파통신공학과)

초록
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최근 인터넷이 주 정보원으로 작용하고 인터넷의 보급이 확산되는 정보화시대에 인터넷 망이 닿지 않는 지역의 Last Mile Solution에 적합한 대안으로서 전력선 통신에 관한 연구가 진행되고 있다. 하지만, 전력선 통신은 전력을 전송하도록 설계되었기 때문에 높은 고주파 신호를 보내게 되면 부근의 무선통신 서비스에 영향을 주게 된다. 이러한 간섭을 제거하기 위해서 일반적인 방법으로는 Notch filter를 주로 사용한다. 본 논문에서는 WDF 방식을 적용한 동적 고성능 Notch filter를 MATLAB을 통해 성능을 확인하였고 TI사의 TMS320C6416T DSP 보드를 이용하여 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recent studies have been conducted on powerline communications as a viable alternative to the spread of the spread of the Internet and the Internet as the chief source of information act in the information age, the internet does not reach local Last Mile Solution. Powerline communication, but because it has been designed to transfer power to the high frequency signal to be sent when the close of wireless communications services impacted. The notch filters of a common way to eliminate the interference are used. In this paper, a dynamic high-performance notch filter applying WDF performance was verified through MATLAB and was implemented using a TI's TMS320C6416T DSP board.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만, 전력선 통신은 전력을 전송하도록 설계되었기 때문에 높은 고주파 신호를 보내게 되면 부근의 무선통신 서비스에 영향을 주게 된다. 본 논문에서는 전력선 통신 환경상에서 주변의 무선통신 서비스와의 간섭을 효과적으로 제거하기 위한 방안에 대하여 기술하였다. 주변 무선 서비스와 간섭을 일으키는 대역의 신호를 효과적으로 제거하기 위해 WDF 기반의 동적 고성능 Notch 필터 기능을 제안하였다.
CIC 기반 notch filter는 ETSI의 최소 기준인 -45 dB를 만족하지만 side lobe에서 완만하게 떨어지는 모습을 볼 수 있었다. 본 논문은 ETSI의 최소 기준인 -45 dB를 만족못하는 점과 side lobe에서 완만하게 떨어지는 점을 보완하고자 WDF 기반 notch filter를 제안한다.
본 논문은 전력선 통신에서 사용하는 주파수 대역 (80MHz 이하)의 무선 신호 간섭을 제거하기 위해 WDF(Wave Digital Filter)를 이용하여 동적 고성능 notch filter를 제안한다. 기존 연구했던 논문인 “CIC Filter 기법을 적용한 동적 고성능 Notch Filter 구현”보다 좋은 성능을 보인 WDF를 M-band transmultiplexer의 prototype filter로 적용하여 notch filter를 제안하였다.
앞서 MATLAB을 통해 검증한 WDF기반의 고성능 notch filter로 emulator을 구현하고자 한다. Emulator 구현에는 Texas Instruments 사의 TMS320C6416T DSP Board를 이용하였다.

제안 방법

WDF를 디자인하기 먼저 디지털 영역에서 주어진 스펙을 아날로그 영역의 스펙으로 변환하여 복종단 LCfilter를 디자인한다. WDF을 설계하기 위해서는 우선디지털 영역에서 요구되는 스펙을 사용자에 의해 설정해야 한다.
기존 연구했던 논문인 “CIC Filter 기법을 적용한 동적 고성능 Notch Filter 구현”보다 좋은 성능을 보인 WDF를 M-band transmultiplexer의 prototype filter로 적용하여 notch filter를 제안하였다.
Emulator 구현에는 Texas Instruments 사의 TMS320C6416T DSP Board를 이용하였다. 또한 새롭게 WDF기반의 동적 고성능 notch filter를 구현하였다.
이를 통해 전력선 통신에서 외부 신호와의 간섭에 더욱 강한 시스템을 기대할 수 있다. 또한, MATLAB을 통해 검증한 WDF기반 Notch 필터의 Emulation 시스템을 구현하여 CCS Tool을 통해 성능을 확인해 보았다.
아날로그에서 디지털로 변환하는 방법에는 여러 가지 방법이 있는데 Butterworth, Chebyshev I,II, Elliptic을 이용하여 아날로그 하프밴드 filter를 설계할 수 있고, 이렇게 만들어진 아날로그 하프밴드 filter를 Impulse Invariant와 Bilinear을 이용하여 아날로그에서 디지털로 변환을 하여 WDF를 완성할 수 있겠다. 본 논문에서는 butterworth, chebyshev I,II, Elliptic의 여러 방법 중 Elliptic을 이용하여 아날로그 하프밴드 filter를 설계하고 만들어진 아날로그 하프밴드 filter에서 디지털로 변환할 때 Impulse invariant와 Bilinear방법 중 Bilinear방법을 이용하여 설계하였다.
앞서 Transmultiplxer 구조의 Prototype filter로 WDF 을 적용했다. 이때 사용되는 filter는 앞서 설명한 CMFB (cosine modulated filter bank)의 구조를 가지고 있다.
IIR Notch filter를 3단으로 구성하여 해당 대역을 제거하도록 구성한 결과, 일부는 전력선 통신의 잡음 제거를 위한 ETSI의 최소 기준인 -45 dB를 만족하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 점을 보완하기 위해 Stable IIR Notch filter를 통하여 IIR Notch filter의 성능을 검증 하였다.
본 논문에서는 전력선 통신 환경상에서 주변의 무선통신 서비스와의 간섭을 효과적으로 제거하기 위한 방안에 대하여 기술하였다. 주변 무선 서비스와 간섭을 일으키는 대역의 신호를 효과적으로 제거하기 위해 WDF 기반의 동적 고성능 Notch 필터 기능을 제안하였다. 또한, notch 되는 깊이는 WDF의 파라미터를 조절하면 제시된 결과보다 더욱 큰 값을 가지게 할 수 있다.

대상 데이터

앞서 MATLAB을 통해 검증한 WDF기반의 고성능 notch filter로 emulator을 구현하고자 한다. Emulator 구현에는 Texas Instruments 사의 TMS320C6416T DSP Board를 이용하였다. 또한 새롭게 WDF기반의 동적 고성능 notch filter를 구현하였다.

이론/모형

Bilinear을 이용한 방법은 라플라스 영역을 Z-domain으로 변환하여 사용하는 방법으로 아날로그 영역과 디지털 영역을 1:1로 대응시켜 변환한다. 그렇기 때문에 안정적인 설계가 가능하고 Aliasing이 없으며, 변환할 수 있는 filter 형태의 제한이 없기 때문에 Bilinear방법을 사용하여 설계하였다. 식(9)을 Bilinear방법을 이용하여 디지털 영역으로 변환하는 과정은 아래와 같다.

성능/효과

IIR Notch filter를 3단으로 구성하여 해당 대역을 제거하도록 구성한 결과, 일부는 전력선 통신의 잡음 제거를 위한 ETSI의 최소 기준인 -45 dB를 만족하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 점을 보완하기 위해 Stable IIR Notch filter를 통하여 IIR Notch filter의 성능을 검증 하였다.
기존의 연구되었던 notch filter의 성능을 보면 IIR 기반 notch filter와 Stable IIR 기반 Notch filter는 전력선통신의 잡음 제거를 위한 ETSI의 최소 기준인 -45 dB를 만족하지 못하는 것을 확인할 수 있다. CIC 기반 notch filter는 ETSI의 최소 기준인 -45 dB를 만족하지만 side lobe에서 완만하게 떨어지는 모습을 볼 수 있었다.
그림 11를 보면 15개의 채널을 제거했을 때이다. 모든 채널을 제거하였어도 대역폭에는 변함이 없음을 확인할 수 있고, 따라서 본 연구에서 제거하는 채널의 숫자에 관계없이 제거한 채널은 대역폭을 일정하게 유지한다는 것을 볼 수 있다.
시뮬레이션 상에서 filter뱅크의 개수가 1024개일 때 가장 좋은 성능 보였다.
즉 1～15번까지 채널을 모두 제거하는 경우인데, 그림에서 보듯이 각각 채널에 해당되는 구간인 모든 대역이 제거되는 것을 확인할 수 있다. 확대된 그림에서 보면 각 채널마다 제거되는 깊이가 다른 듯 하지만 실제로 앞선 결과에서 보듯 제거되는 깊이는 모두 -65dB를 만족하는 것을 확인할 수 있다.
위 그림은 제시된 채널 중 2, 6, 11번 채널을 제거한 결과이다. 확대시킨 그림을 통해 알 수 있듯이 200kHz, 450kHz와 800kHz가 제거되는 것을 확인할 수 있고 다른 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 notch 깊이도 -65dB이상을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력선 통신이 현존하는 인프라중 가장 광범위한 네트워크를 구성하고 있다는 평가를 받는 이유는 무엇인가?	전력선 통신(PLC:Power Line Communication)은 현재 모든 가구에 전력선이 보급돼 있어 현존하는 인프라중 가장 광범위한 네트워크를 구성하고 있다는 평가를 받는다. 기존 네트워크의 사각지대에 인터넷 서비스를 제공할 수 있는 라스트마일(last-mile) 솔루션으로 기대를 받고 있기 때문이다. 전력선 통신(Power Line Communication: PLC)은 PLT(Power Line Carrier, Mains Communication, Power Line Telecom) 또는 PLN(Power Line Networking)으로도 불리며 전력을 실어 나르는 도체에 데이터를 전송시키는 통신시스템이다.
	전력선 통신은 무엇인가?	기존 네트워크의 사각지대에 인터넷 서비스를 제공할 수 있는 라스트마일(last-mile) 솔루션으로 기대를 받고 있기 때문이다. 전력선 통신(Power Line Communication: PLC)은 PLT(Power Line Carrier, Mains Communication, Power Line Telecom) 또는 PLN(Power Line Networking)으로도 불리며 전력을 실어 나르는 도체에 데이터를 전송시키는 통신시스템이다.
	전력선 통신은 어떠한 평가를 받는가?	전력선 통신(PLC:Power Line Communication)은 현재 모든 가구에 전력선이 보급돼 있어 현존하는 인프라중 가장 광범위한 네트워크를 구성하고 있다는 평가를 받는다. 기존 네트워크의 사각지대에 인터넷 서비스를 제공할 수 있는 라스트마일(last-mile) 솔루션으로 기대를 받고 있기 때문이다.

참고문헌 (8)

D.W. Jang, Y.H. Lee iquitous high-speed data communications studies using powerline", Weekly Technology Trends, no.1367, Oct. 2008
AGeorge Jee, Ram Das Rao, and Yehuda Cern, "Demonstration of the technical viability of PLC systems on medium-and low-voltage lines in the United States", IEEE Communications Magazine, vol.41, no.5, pp. 108-112, May. 2003

상세보기
Chien-Cheng Tseng, "Stable IIR Notch filter Design with Optimal Pole Placement", IEEE Transaction on signal processing, vol. 49, no. 11, pp. 2673-2681, Nov. 2001.

상세보기
John G.Proakis, "Digital Signal Processing, 4Th Edition", pp737
Seong-Kyun Shin, Won-Ho Jeong, Dong-Won Jang, Kyung-Seok Kim "Implementation of a Dynamic High-performance Notch Filter applying CIC Filter Scheme", IWIT Journal of vol. 11, no. 6, 2011.12
A. Fettweis, Wave Digital Fiters: theory and practice, Proc IEEE 74 (2), 270-327, 1986. 02

상세보기
ETSI TS 102 578 v1.1.19, "Powerline Telecommunications( PLT); Coexistence between PLT Modems and Short Wave Radio broadcasting Services", Feb. 2008
Y.B. Jang, "DSP theory and practice", Saeng neung Publisher, 2004.05

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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