[논문]가시광통신에서 3-레벨 바이트반전 전송을 이용한 플리커 방지

이성호

doi:10.7471/ikeee.2018.22.2.316

가시광통신에서 3-레벨 바이트반전 전송을 이용한 플리커 방지
Flicker Prevention in Visible Light Communication Using Three-Level Byte-Inversion Transmission 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.22 no.2, 2018년, pp.316 - 323

이성호 (Dept. of Electronics and IT Media Engineering, Seoul National University of Science and Technology)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 가시광통신에서 플리커를 방지하기 위한 3-레벨 바이트반전 전송방식을 새로이 소개한다. 가시광 송신부에서는 3-레벨 LED 변조기를 사용하여 원신호와 반전신호를 차례로 전송하며, 데이터 전송과정에서 LED의 평균광출력이 일정하게 유지되어 플리커가 발생하지 않는다. 가시광 수신부에서는 간단한 비교기를 사용하여 원신호가 쉽게 복구된다. 이 방식에서는 플리커 방지를 위하여 별도의 클럭이나 캐리어가 필요하지 않아 구조가 매우 간단하며, 저렴한 비용으로 플리커가 없는 실내의 가시광 시스템을 구축하는 데에 유용할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we newly introduce the three-level byte-inversion transmission method for preventing LED flicker in visible light communication (VLC). The VLC transmitter sequentially sends the original signal and the inverted signal in byte units using a three-level LED modulator. The average optical power of the LED is kept constant during data transmission, thus flicker-free. In the VLC receiver, the original data is easily recovered using a simple comparator. This structure is very simple because additional clock or carrier is not required for flicker prevention. The developed flicker prevention scheme could be very useful for constructing the flicker-free indoor VLC system in low cost.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 가시광통신에서의 플리커를 방지하기 위하여 별도의 클럭전송이나 캐리어를 사용하지 않고 좀 더 간단히 수행할 수 있는 3-레벨 바이트반전 전송방식을 새로이 개발하여 제안한다. 이 방식에서는 송신부에서 1바이트의 데이터를 전송할 때마다 원신호(original signal)와 반전신호(inverted signal)를 순차적으로 보냄으로써 LED의 평균 광전력을 일정하게 유지하여 플리커를 방지하는 구조이다.
본 논문에서는 조명과 통신을 겸하는 가시광 통신 시스템에서 플리커를 방지하기 위하여 3-레벨 바이트반전 전송방식을 새로이 개발하여 소개하였다. 먼저 3-레벨 바이트반전 전송방식을 서술하였고, 전송과정에서 송신부와 수신부에서의 전압파형을 차례로 관측함으로써 3-레벨 전송방식에서의 동작과정을 실험적으로 확인하였다.

제안 방법

3-레벨 가시광 송신부가 정상적으로 작동하는지 확인해보기 위하여 UART 형식으로 문자 “V”를 반복하여 전송하면서 송신부에서의 전압파형을 관측하였다.
3-레벨 바이트반전 전송방식을 사용하여 여러 개의 문자로 이루어진 데이터를 전송하면서 송수신 상태를 관측하였다. 송신부에서 문자열 "\tVLC-test\r\n"를 전송률 115.
가시광 수신부에서 3-레벨 신호광이 검출되는 과정을 확인해보기 위하여, 앞의 그림3과 같이 송신부에서 바이트 반전방식으로 문자 “V”를 연속적으로 전송하는 상태에서 수신전압을 관측하였다.
가시광 수신부의 제작에 사용한 포토다이오드는 S6968 PIN 이고, 증폭기와 비교기는 모두 연산증폭기 OPA228을 사용하였다. 고역통과필터에서는 저항 R=1㏀, 캐퍼시터 C=1uF을 사용하여 차단주 파수가 약 160 Hz가 되도록 하여 주변의 다른 조명으로부터의 유입되는 120 Hz의 잡음광을 차단하였다.
이러한 목적으로 기저대역에서는 맨체스터코드와 같이 비트 단위로 데이터를 반전하는 방법이 많이 사용되고 있다. 그러나 본 논문의 바이트 반전 전송방식에서는 바이트 단위로 여러 개의 비트를 한꺼번에 반전시켜 광원의 평균 광전력을 일정하게 유지하는 방식을 사용한다. 3-레벨 바이트 반전 전송방식을 도식적으로 표현하면 그림1과 같다.
본 논문에서는 조명과 통신을 겸하는 가시광 통신 시스템에서 플리커를 방지하기 위하여 3-레벨 바이트반전 전송방식을 새로이 개발하여 소개하였다. 먼저 3-레벨 바이트반전 전송방식을 서술하였고, 전송과정에서 송신부와 수신부에서의 전압파형을 차례로 관측함으로써 3-레벨 전송방식에서의 동작과정을 실험적으로 확인하였다. 또한 연속적인 문자전송과정을 통하여 이러한 전송방식이 실용적으로 활용될 수 있음을 보였다.
문자열의 수신 상태를 확인하기 위하여 수신부에서 복구된 신호인 그림6(d)의 전압을 컴퓨터의 직렬포트에 연결하여 관측하였다. 그림7은 컴퓨터의 모니터상에 나타난 문자열을 나타낸다.

대상 데이터

LED array는 1W의 백색광 LED 6개를 사용하여 2×3 배열의 형태로 제작하여 사용하였다.
가시광 수신부의 제작에 사용한 포토다이오드는 S6968 PIN 이고, 증폭기와 비교기는 모두 연산증폭기 OPA228을 사용하였다. 고역통과필터에서는 저항 R=1㏀, 캐퍼시터 C=1uF을 사용하여 차단주 파수가 약 160 Hz가 되도록 하여 주변의 다른 조명으로부터의 유입되는 120 Hz의 잡음광을 차단하였다.
이와 같이 3단계의 레벨을 가지는 LED array의 출력광이 자유공간으로 방사되어 수신부에 도달하게 된다. 송신부의 제작에 사용한 마이크로프로세서는 Atmega8이며, FET 2개는 모두 IRF540을 사용하였다. LED array는 1W의 백색광 LED 6개를 사용하여 2×3 배열의 형태로 제작하여 사용하였다.

성능/효과

송신부에서 사용한 반전신호는 LED 출력광에서 플리커 방지를 목적으로 부가하여 전송한 것이므로 이와 같이 비교기에서 차단된다. 수신부에서 복구된 신호인 그림5(b)는 앞의 그림3(a)에서 보인 송신부의 원신호와 동일함을 볼 수 있다 이와 같이 3-레벨 전송방식이 LED의 플리커를 방지하는 상태에서 별도의 동기신호를 사용하지 않고 데이터 전송이 가능함을 실험적으로 확인하였다.
이와 같이 3-레벨 바이트 반전 전송방식을 사용함으로써 기저대역에서 LED의 광전력을 일정하게 유지함으로써 플리커가 없이 데이터 전송이 가능함을 실험적으로 확인하였다. 이러한 전송방식에서는 LED의 플리커를 방지하기 위하여 ASK 또는 FSK 등에서 필요한 별도의 캐리어를 사용하지 않으며, 맨체스터 코드 또는 펄스위치변조 등에서 필요한 별도의 클럭 전송 또는 클럭 복구회로가 없이 비동기식으로 전송이 이루어지므로 가시광 전송 시스템 구성이 매우 간단해지는 장점이 있다.

후속연구

먼저 3-레벨 바이트반전 전송방식을 서술하였고, 전송과정에서 송신부와 수신부에서의 전압파형을 차례로 관측함으로써 3-레벨 전송방식에서의 동작과정을 실험적으로 확인하였다. 또한 연속적인 문자전송과정을 통하여 이러한 전송방식이 실용적으로 활용될 수 있음을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고출력의 가시광 발광다이오드는 어느 분야에 활용되는가?	최근에 들어 반도체 기술이 급속히 발전하면서 반도체의 PN접합을 이용한 고출력의 가시광 발광다이오드 (light emitting diode; LED)가 다량으로 개발 및 보급되면서 실내조명, 도로 및 건물 주변의 가로등 및 보안등, 자동차 조명, 교통 신호등과 같이 거의 모든 조명시설에서 LED의 활용이 증가하고 있는 추세이다. LED는 기존의 백열등이나 형광등에 비하여 높은 전력 변환효율을 가지며, 기계적 충격에 강하고, 발광 단면의 크기가 작아 다양한 구조로 배열이 가능하여 사용자가 원하는 형태의 조명장치를 쉽게 개발 및 제작할 수 있는 장점을 가지고 있다.
	LED의 장점은?	최근에 들어 반도체 기술이 급속히 발전하면서 반도체의 PN접합을 이용한 고출력의 가시광 발광다이오드 (light emitting diode; LED)가 다량으로 개발 및 보급되면서 실내조명, 도로 및 건물 주변의 가로등 및 보안등, 자동차 조명, 교통 신호등과 같이 거의 모든 조명시설에서 LED의 활용이 증가하고 있는 추세이다. LED는 기존의 백열등이나 형광등에 비하여 높은 전력 변환효율을 가지며, 기계적 충격에 강하고, 발광 단면의 크기가 작아 다양한 구조로 배열이 가능하여 사용자가 원하는 형태의 조명장치를 쉽게 개발 및 제작할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 LED는 주입 전류를 제어함으로써 조명의 밝기를 비교적 쉽게 조절할 수 있으며, 출력광의 변조속도가 빨라 고속 스위칭이 가능하다.
	3-레벨의 신호광이 전송된 상태에서 수신부의 광검출기를 통하여 AC 신호를 수신하는 방식은 어떤 이점을 가지는가?	이 신호가 비교기를 통과하면서 원신호는 검출되는 반면 반전 신호는 차단되어 송신부에서 보낸 원신호가 수신된다. 이 방식에서는 플리커의 방지를 위하여 송신부와 수신부 사이에 동기신호가 필요하지 않으며, 또한 반송파가 없는 기저대역에서 데이터 전송이 이루어지므로 시스템의 구성이 매우 간단해지는 이점이 있다. 이러한 구조는 LED 조명을 이용하여 실내의 근거리 무선 네트워크를 구축하는 데에 넓게 활용될 수 있다.

참고문헌 (5)

T. Komine and M. Nakagawa, "Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights," IEEE Trans. Consum. Electron., vol.50, no.1, pp. 100-107, 2004. DOI: 10.1109/TCE.2004.1277847

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Y. K. Cheong, X. W. Ng, and W. Y. Chung, "Hazardless biomedical sensing data transmission using VLC," IEEE, Sens. J ., vol. 13, no.9, pp. 3347-3348, 2013. DOI: 10.1109/JSEN.2013.2274329

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S. H. Lee, "A passive transponder for visible light identification using a solar cell," IEEE Sens. J ., vol.15, no.10, pp. 5398-5403, 2015. DOI: 10.1109/JSEN.2015.2440754

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S. Rajagopal, R. D. Roberts, and S. K. Lim, "IEEE 802.15.7 visible light communication: modulation schemes and dimming support," IEEE Comm. Mag., vol. 50, no. 3, pp. 72-82, 2012. DOI: 10.1109/MCOM.2012.6163585
C. Yao, Z. Guo, G. Long, and H. Zhang, "Performance Comparison among ASK, FSK and DPSK in visible light communication," Opt. Photon. J ., vol. 6, no. 8B, pp. 150-154, Aug. 2016. DOI: 10.4236/opj.2016.68B025

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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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