[논문]보청기 성능 향상을 위한 적외선 통신 모듈

박성모

doi:10.30693/smj.2018.7.3.29

보청기 성능 향상을 위한 적외선 통신 모듈
An Infrared Communication Module for the Enhancement of Hearing Aids 원문보기

스마트미디어저널 = Smart media journal, v.7 no.3, 2018년, pp.29 - 34

초록
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본 논문은 주변 소음이 많은 환경에서 보청기 수신 성능 향상을 위하여 적외선을 이용한 광통신 기술을 접목시키는 연구이다. 마이크로폰과 적외선 발광 다이오드를 포함하는 송신 모듈에서 음성신호를 적외선 광 신호로 변환시켜 공기 중에 내보내고, 일정 거리 떨어진 곳에 위치한 수신 모듈에서 적외선 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하여 디지털 보청기의 입력 단에 전달한다. 특별히 수신 모듈은 보청기에 부착되어야 하므로 소형이며 저전압이고 저전력 소모가 바람직하다. 디지털 변조 방식과 아날로그 무변조 방식의 적외선 통신 기술을 적용하여 실험한 결과 실내에서 약 5미터 거리의 적외선 통신은 아날로그 무변조 방식이 적합함을 보였다. 송신 모듈과 수신 모듈 시제품을 제작하여 디지털 보청기에 연결하고 내부 파라미터를 조정하여 음성 신호를 정상 송수신함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a study on adapting optical communication technology using infrared ray for the enhancement of hearing aids in noisy environment. The transmitter module containing microphone and infrared ray-emitting diode converts audio signal to infrared optical signal and sends it out in the air. The receiver module located in a distance receives the infrared signal, converts it to electrical signal, and transfers it to an input of a digital hearing aid. Especially, the receiver module needs to be small, low voltage, and consume low power since it will be attached to hearing aids. Experiments with applying infrared communication technology of digital modulation method and analog non-modulation method show that the analog non-modulation method is adequate for infrared communication of approximately 5m distance indoor. Prototypes of transmitter module and receiver module were manufactured, and internal parameters of the digital hearing aid were adjusted to confirm normal transmit-receive operation of audio signals.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존 디지털 보청기에 연결하여 사용하는 보조 기구를 통한 성능 개선을 위하여 적외선 광통신 모듈을 제안한다. 실내와 같은 한정된 공간에서 소음이 존재하는 경우 잡음과 음성을 구분하기 힘든 상황임에 착안하여, 말하는 사람의 음성 신호를 일정한 거리 떨어져 있는 청중에게 효과적으로 전달하기 위해 적외선 송수신 기술을 적용한다.
본 논문에서는 보청기 성능 향상을 위한 적외선 통신 모듈 개발을 위하여 디지털 마이크로폰과 아날로그 마이크로폰을 사용한 송수신 모듈을 설계하였다.
본 논문에서는 실내 5미터 거리에서 적외선 신호를 송수신하는 모듈 설계를 목표로 하였다. 송신 모듈은 디지털 마이크로폰에서 음성 신호를 전기 신호로 바꾸고 트랜지스터를 통하여 적외선 발광 다이오드를 구동하여 적외선 신호를 방출하도록 그림 2와 같은 회로를 구성하였다.

제안 방법

제안하는 보조기구는 마이크로폰과 적외선 발광 다이오드를 사용하는 송신 모듈과 포토 다이오드를 사용하는 수신 모듈로 구성된다. 디지털 보청기에 적용함을 고려하여 송신 모듈에서 디지털 마이크로폰을 사용하는 경우와 아날로그 마이크로폰을 사용하는 경우의 동작 특성을 비교 검토한다.
5V로 높은 편이고, 거리에 따른 적외선 신호의 감쇄가 심해서 수신 모듈에 OP amp를 사용한 증폭 회로를 필요로 하므로 실제로 보청기에 적용하는 것에는 상당한 제약이 따른다. 따라서 수신부의 회로를 간단히 하고 동작 전압을 보청기에서 사용하는 1.4V로 낮추기 위하여 아날로그 마이크로폰을 이용한 무변조 송수신 모듈을 설계하였다.
변복조 과정을 정확히 관찰하고자 매틀랩(Matlab)의 시뮬링크(Simulink)를 사용하여 입력 주파수와 샘플링 주기에 따른 송신부의 PDM 신호를 발생시키고, Lowpass 필터를 통하여 아날로그 신호로 복원되는 수신부 신호를 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 신호 주기를 100KHz로 하였을 때 디지털 마이크로폰에서 발생되는 송신 신호(자주색)와 시뮬레이션을 수행하여 Lowpass 필터를 통과한 수신 신호(황색)를 그림 4에서 볼 수 있다.
본 논문에서 제안하는 방식은 하나의 송신기에 다수의 수신기가 무선으로 연결되어 동시에 수신하는 방식이다. 강의실이나 세미나 실 혹은 교회 등에서 말하는 사람과 가까운 위치에 송신 모듈을 고정하여 설치하고, 적외선 신호의 수신이 가능한 한정된 공간에 수신 모듈이 달린 보청기를 착용한 사람들을 배치하여 보조 장치로 운용한다면 저렴한 비용으로 실용화가 가능할 것으로 사료된다.
디지털 마이크로폰을 사용하는 디지털 변조 방식의 적외선 통신 방법과 아날로그 마이크로폰을 사용하는 무변조 적외선 통신 방법이 가능하다. 송수신 모듈을 디지털 방식과 아날로그 방식에 맞게 설계하여 그 실효성을 검토하고, 아날로그 송수신 모듈의 시제품을 제작하여 동작 여부를 확인하도록 한다.
송신부 회로는 3V 전원 전압을 사용하며 다수의 고출력 적외선 발광 다이오드를 구동하도록 증폭기를 추가하였고, 수신부 회로는 디지털 보청기에 직접 연결하여 보청기용 1.4V 전원 전압을 사용하며 수광 감도가 높은 포토 다이오드를 사용함으로써 실내 5미터 거리에서 깨끗한 적외선 신호를 수신하도록 소자를 선정하였다. 증폭기를 추가한 송신 모듈 회로는 그림 7과 같다.
적외선 발광 다이오드가 충분한 밝기로 발광되어도 적외선 광 신호가 높은 주파수로 변조되어 전달될 때 거리의 제곱에 반비례하여 신호가 감쇄된다. 수신 측의 포토 다이오드로 신호를 입력 받을 경우 수신 감도가 높은 소자를 사용하지만 거리에 따른 신호 감쇄가 매우 크기 때문에 신호를 검출하기 위하여 그림 3과 같은 OP amp를 사용한 수신부 증폭 회로를 구성하였다[9].
디지털 마이크로폰을 사용한 적외선 송수신 방식은 PDM 신호 주파수에 따른 신호 감쇄와 이를 극복하기 위한 수신부 증폭 회로의 복잡성 및 비교적 높은 전원 전압의 문제로 보청기에 적용이 어렵다. 아날로그 마이크로폰을 사용한 무변조 음성 신호의 적외선 송수신 방식은 수신부 회로가 매우 간단하고 낮은 전원 전압에서도 동작함을 확인하고 아날로그 마이크로폰을 사용한 송수신 모듈의 시제품 제작을 수행하였다.
앞에서 살펴 본 디지털 마이크로폰을 이용한 송신부에서의 동작 전압은 9V였지만, 동작 전압을 3V로 낮추기 위하여 송신부에 그림 5와같이 전압 디바이더 회로를 추가하였고[10], 아날로그 마이크로폰은 증폭 회로를 포함하고 있는 부품을 사용하였다. 수신부는 회로를 최소화하고 보청기에서 사용하는 배터리 1.
이와 같은 결과를 바탕으로 적외선 발광 다이오드를 이용한 보청기 보조 송수신 모듈 시제품을 보청기 전문업체인 ㈜알고코리아의 도움으로 제작하였다[11]. 그림 8에서와 같이 아날로그 송신 모듈은 아날로그 마이크를 사용하고 충분한 밝기의 적외선을 출력하도록 두 개의 적외선 발광 다이오드를 동시에 구동하며 2개의 건전지를 사용하여 3V 전원 전압을 제공한다.
보청기는 소형 배터리를 사용하고 귀에 부착하여 사용되는 특성 때문에 보청기에 연결하여 동작할 보조 기구의 수신 모듈에는 저전력 저전압의 제한이 따른다. 제안하는 보조기구는 마이크로폰과 적외선 발광 다이오드를 사용하는 송신 모듈과 포토 다이오드를 사용하는 수신 모듈로 구성된다. 디지털 보청기에 적용함을 고려하여 송신 모듈에서 디지털 마이크로폰을 사용하는 경우와 아날로그 마이크로폰을 사용하는 경우의 동작 특성을 비교 검토한다.

성능/효과

각 모듈의 성능 비교를 통하여 아날로그 마이크로폰을 사용한 모듈에서 저전력, 소형화가 더 효율적으로 이루어짐을 알 수 있었다.
송신 모듈에 사용되는 발광 다이오드는 직진성이 있고 빛의 밝기가 절반이 되는 방사각이 10~20도 정도여서 눈에 보이는 LOS 환경 조건에 5미터 정도의 거리에서는 신호의 수신 범위가 좌우로 1~2미터 정도이다. 보청기를 착용한 상태로 좌우로 움직이면서 시험하여 양호하게 동작함을 확인하였다.
본 연구를 통해 개발된 적외선 통신 모듈은 실내 한정된 공간에서 많은 음성 신호들 중 필요한 음성 신호만 정확히 전달받을 수 있다는 특징을 가진다. 이러한 기술은 전파 잡음이나 전파 사용 규제가 없고 보안에 강한 특징을 가지므로 다양한 분야에서 응용이 가능할 것이다.
송신부의 적외선 발광 다이오드에서 발생하는 아날로그 신호에 일그러짐이 거의 없는 회로 조건을 확인하고 광통신 거리를 점차적으로 늘려가면서 포토 다이오드를 통과한 수신부의 신호를 측정한 결과 목표한 5미터 거리에서 수십mV의 양호한 신호를 확인할 수 있었다.
7Vpp로 관찰되는데 이것은 212mA의 전류에 해당하는 신호로서 발광 다이오드를 구동하기에 충분한 신호이다. 수신 모듈을 통해 5미터 거리에서 수신된 신호의 크기는 50mVpp 정도임을 관찰 할 수 있었다. 수신된 신호는 디지털 보청기의 파라미터 조정을 통해 최적화되었고 실제로 시제품이 달린 보청기를 착용하여 5미터 거리에서 깨끗한 음성을 수신함을 확인하였다.
수신 모듈을 통해 5미터 거리에서 수신된 신호의 크기는 50mVpp 정도임을 관찰 할 수 있었다. 수신된 신호는 디지털 보청기의 파라미터 조정을 통해 최적화되었고 실제로 시제품이 달린 보청기를 착용하여 5미터 거리에서 깨끗한 음성을 수신함을 확인하였다.
실험 결과 1MHz로 변조된 적외선 신호는 4미터 이내의 거리에서 수신부 모듈에 약한 신호가 잡혔고, 100KHz로 변조할 경우는 5미터 거리에서 수신부 모듈에 확실한 신호가 잡히는 것을 확인할 수 있었으나, 실험을 통해 측정한 디지털 마이크로폰의 PDM 신호는 오실로스코프로는 정확하게 관찰하기 어려웠다.
실험 결과 송신 모듈에서 송신하는 회로의 신호가 약 0.7Vpp로 관찰되는데 이것은 212mA의 전류에 해당하는 신호로서 발광 다이오드를 구동하기에 충분한 신호이다. 수신 모듈을 통해 5미터 거리에서 수신된 신호의 크기는 50mVpp 정도임을 관찰 할 수 있었다.

후속연구

본 논문에서 제안하는 방식은 하나의 송신기에 다수의 수신기가 무선으로 연결되어 동시에 수신하는 방식이다. 강의실이나 세미나 실 혹은 교회 등에서 말하는 사람과 가까운 위치에 송신 모듈을 고정하여 설치하고, 적외선 신호의 수신이 가능한 한정된 공간에 수신 모듈이 달린 보청기를 착용한 사람들을 배치하여 보조 장치로 운용한다면 저렴한 비용으로 실용화가 가능할 것으로 사료된다.
본 연구를 통해 개발된 적외선 통신 모듈은 실내 한정된 공간에서 많은 음성 신호들 중 필요한 음성 신호만 정확히 전달받을 수 있다는 특징을 가진다. 이러한 기술은 전파 잡음이나 전파 사용 규제가 없고 보안에 강한 특징을 가지므로 다양한 분야에서 응용이 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보청기는 무엇으로 구성되어 있는가?	난청 증상이 심해진다면 보청기를 사용하여 청력 손실을 보완해줄 필요가 있다. 보청기는 기본적으로 음향을 증폭시켜주는 장치이며 보청기에 전력을 공급하는 소형 배터리, 음향을 수신하여 전기 신호로 바꾸어주는 마이크로폰, 신호 증폭기와 증폭된 신호를 음파로 내보내는 스피커 등으로 구성된다. 보청 기능의 핵심적인 요건은 다양한 상황에서 말소리를 듣고 이해하는데 도움이 되는 지에 따라 좌우된다[1].
	적외선 송수신 기술이란?	실내와 같은 한정된 공간에서 소음이 존재하는 경우 잡음과 음성을 구분하기 힘든 상황임에 착안하여, 말하는 사람의 음성 신호를 일정한 거리 떨어져 있는 청중에게 효과적으로 전달하기 위해 적외선 송수신 기술을 적용한다. 송신 모듈에서 마이크로폰 신호를 증폭하고 적외선 광 신호로 변환하여 송신하고, 일정거리 떨어진 위치에서 수신 모듈이 적외선 광 신호를 수신하여 청중의 보청기로 전달하여 주변 소음과 전자파 잡음의 영향을 최소화하는 광통신 방식이다. 디지털 마이크로폰을 사용하는 디지털 변조 방식의 적외선 통신 방법과 아날로그 마이크로폰을 사용하는 무변조 적외선 통신 방법이 가능하다.
	적외선 통신에 쓰이는 LED의 장점은?	잡음의 유입을 최대한 줄이는 방법으로 고안되는 여러 기술들 중에서 최근 적외선 통신이 주목 받고 있다. 적외선 통신에 쓰이는 LED는 소비 전력이 적고 부품의 가격이 저렴하며, 전파가 아닌 빛을 사용하기 때문에 주파수에 대한 간섭이나 전자파 장애가 없고 PWM(Pulse Width Modulation), PDM(Pulse Density Modulation) 등의 광통신 기술을 사용할 수 있다.

참고문헌 (11)

조진호, 송병섭, 이상흔. "노령인구를 위한 청각 보조기의 연구 동향," 제어로봇시스템학회지, 제9권, 제5호, 21-27쪽, 2003년 9월
이경원, 이정학, "최근 보청기 기술의 동향," 대한청각학회지, 제8권, 제2호, 98-103쪽, 2004년 12월
What is an Induction Loop, Hearing Loop, T-Loop or AFIL system? https://www.ampetronic.co/Hearing-Loop-Basics (accessed Sep., 5, 2018).
A reliable FM system for the classroom(2018), https://www.oticon.global/hearing-aid-users/hearing-aids/accessories/amigo-fm (accessed Sep., 17, 2018).
주대영, "LED 가시광통신의 기술개발 동향," 과학기술정책, 제20권, 제3호, 63-67쪽, 2010년 9월
윤봉식, 조광수, "LED조명등기구 디자인 개발을 위한 형태적 속성 분석에 관한 연구," 스마트미디어저널, 제5권, 제4호, 103-110쪽, 2016년 12월

원문보기 상세보기
천우영, 김영철, "주변 전기장 측정센서를 이용한 손동작 신호 검출을 위한 신호처리시스템 연구," 스마트미디어저널, 제6권, 제2호, 26-32쪽, 2017년 6월

원문보기 상세보기
정완영, 서용수, 김종진, 권태하, "LED 가시광 통신 시스템과 그 응용," 한국해양정보통신학회논문지, 제14권, 제6호, 1375-1381쪽, 2010년 6월

원문보기 상세보기
LMV79x 17-MHz, Low-Noise, CMOS Input, 1.8-V Operational Amplifiers With Shutdown(2015), http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmv791.pdf (accessed Sep., 5, 2018).
Thomas L. Floyd, Electronic Devices, Fifth Edition, Prentice Hall, pp. 242-273, 2001.
(주)알고코리아, http://www.hearing-aids.co.kr (accessed Sep., 5, 2018).

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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