Robust Contactless Wearable Radar Technology with Motion Artifact Removal for Easy-to-Wear Vital-sign Sensing Devices

년 월 보 고 서 번 호

2019

1

: 18ZH1600-01-2400P

착용불편 해소를 위한 비접촉 착용 레이더의

제거 기술

Motion Artifact

Robust Contactless Wearable Radar Technology with Motion Artifact Removal for

Easy-to-Wear Vital-sign Sensing Devices

제 출 문

본 연구보고서는 주요사업인

"

착용불편 해소를 위한 비접촉 착용 레이더의

Motion

제거 기술

Artifact

에 관한 연구"의 차년도

1

(2018

년 월 일

1 1 ~ 12 31 )

월 일 연구결과로서

,

본 과제에 참여한 아래의 연구팀이 작성한 것입니다.

년 월

2019

1

연구책임자 책임연구원 김동규 초연결원천연구본부

:

(

)

연구참여자 책임연구원 김유진 초연결원천연구본부

:

(

)

연차실적

보고서

과제유형

1.

기초미래선도형

(O) 2.

공공인프라형

( ) 3.

산업화형

( )

대과제명

ETRI R&D 역량 강화를 위한 선행적 기획기반 구축사업

세부과제명

착용불편

해소를

위한

비접촉

착용

레이더의

Motion Artifact

제거

기술

세부과제

책임자

소속

및

부서

초연결원천연구본부

_직위

직급

(

)

책임연구원

성명

김동규

총연구기간

2018

년

1

월

1

일

부터

2019

년

12

월

31

일

까지

(24

개월

)

당해연도

연구기간

2018

년

1

월

1

일

부터

2018

년

12

월

31

일

까지

(12

개월

) (1

차년도

)

참여인력(M/ Y)

총

연

구

기

간

2

명

(1 M/ Y)

당해연도

연구기간

2

명

(1 M/ Y)

참여기관

기관명

연구책임자

기관명

연구책임자

참여연구기관

위탁연구기관

키워드

개

(6~ 10

)

Wearable Radar, Motion Artifacts, Near Field, Micro Doppler Radar, Quadrature Direct Conversion Receiver, 24GHz/ 77GHz mmWave

정부출연금사업

연차평가

보고서를

제출합니다.

년

1

월

17

일

세부과제책임자

김

동

규

인

:

(

)

직

할

부

서

장

허

재

두

인

:

(

)

한국전자통신연구원장

귀하

요 약 문

평가지표

수행결과 요약

연차 성과목표 달성도 ① 연차 기술개발 성과지표 - 측정해상도: 0.16mm (18년도 목표치: 2mm) - 위상잡음: 24GHz:-66.33dBc/Hz @100kHz(18년도 목표치:-60) 동작주파수 년도 목표치 - : 24~24.5GHz(18 : 24~24.5GHz), 주파수 비선형성 달성 FMCW-INL 0.067% - 안테나 송수신 격리도: 격리도(S21) -28.07 dB (2x2배열 안테나), (18년 도 목표치:-15dB) - 안테나 사이즈: 21x21x1 mm (18년도 목표치: 100x100x5) 연차 연구산출물 성과지표 상위 논문 건 제출 건 [ 20% SCI ( ) : 2 ] 논문

. ( 1) Quadrature Frequency-Group Radar for small Vibrational 저자 김동규 김유진 제출처

Displacement ( : , , : Scientific Reports (JCR 상위분포: 14.844%), 제출됨)

논문

. ( 2) Finite-Difference Time-Domain Modeling for Electromagnetic Wave Analysis of Human Voxel Model at Millimeter-Wave

저자 백재우 김동규 정경영 제출처

Frequencies( : , , , : IEEE Access (JCR 상위분포: 21.336%), 1차리뷰완료) 극 특허 출원 건 한국 미국 독일 [3 : 1 ( , , )] 비고정 레이더의 모션 아티펙트 제거 방법 . (Method of Motion 발명자 김동규 김유진 출원 Artifact REmoval for Non-fixed Radar)( : , , 처: 3극 특허 출원을 위한 대한민국 가출원, 가출원완료) 국내 특허 출원 건 [ : 1 ] 직접변환 쿼드러처 레이더 시스템에서 마이크로 도플러 효과의 기준 식 . 별신호 생성기를 포함하는 안테나 장치 및 제어 방법 발명자( : 김유진 김, 동규, 출원처: 대한민국, 출원준비중) 학술논문발표 국외 건 국내 건 [ : 1 , 3 ]

연구시제품 건 [ : 3 ] . 종의 시제품 3 (WR-DV보드, WR-DAQ-DV보드, BGT24L-DAQ-DV보드) 을 개발하고 실험에 사용함 시스템 구축 건 [ : 1 ] . 시험의 정량화를 위한 레이더 전용 정밀 테스트 환경(Motion Artifact 에뮬레이터 Matlab연동 시스템) 기술문서 건 [ : 44 ] . 도플러 레이더 하드웨어 및 알고리즘에 관한 44건의 기술문서를 작 성 및 등록 완료함 연구성과의 질적 우수 ② 성 기본 레이더 알고리즘의 미세 변위 측정 해상도는 . H/W+ Motorized 에서 Moving Stage 정량화된 평가에서 0.16mm의 우수한 해상도를 가 짐 멀티 주파수 기반의 레이더 를 하는 알고리즘을 . Impairment Correction 개발하여 시뮬레이션 및 실험으로 검증하였으며, JCR 상위 14%의 SCI 저널(Scientific Reports)에 투고 완료함. 인체 근접 전파 환경을 정밀하게 시뮬레이션 하기 위한 계산의 아 . EM

이디어를 도출하여 JCR 상위 21%의 SCI저널(IEEE Access)에 투고 완 료함 에 의한 레이더 신호 해석 및 보정 방법을 연구하여 . Motion Artifact 3 극 특허로 가출원 완료함 위상 잡음 의 경우 에서 로 . (Phase Noise) 24GHz -66.33dBc/Hz @100kHz 측정된 결과를 가짐 개발된 모듈은 로 평가에서 국외제품

. Wearable Radar 0.067% FMCW-INL 대비 약 배 비선형성 성능이 우수한 특징을 가짐4 안테나 연구에서는 반사손실 대역 에서 . -10 dB [GHz] 23.33 ~ 24.09 목표대역에서 로 측정되었고 목표대역에서 격리도 dB( S11 < -8.06 dB) , 이하로 측정됨 [dB] -28.07dB 안테나 는 정도의 격리도가 높으면서도 소형화된 . Size 21 x 21 x 1 mm 크기의 우수한 특징을 가짐 연구결과의 활용정도 ③ 가능성 및 파급효과 ( ) 차년도 연구개발결과의 웨어러블 기기의 생체신호 센싱 알고리즘에 1 서 미래유망 연구 선점 가능성 기존 전계측정 방식이나 광학식 방식에 비해 본 차년도 연구개발 - 1 결과는 비접촉식의 가능성과 Motion Artifacts에 대한 연구로 착용 성이 우수하고 착용 부작용이 없으며 응용범위의 다양성을 증대시 킬 수 있어 미래유망 연구 분야로 선점 가능성을 높였음 차년도 연구개발결과의 레이더 기술에서의 미래유망 연구 선점 가 1 능성 - 1차년도 연구 개발내용은 20GHz 이상 대역에서 Doppler 레이더의

기존의 레이더 연구는 대역의 원거리 - Doppler Impairment 2.4GHz 생체신호 센싱 방법에 관해 주로 연구되어 왔는데, 이 Impairment 는 20GHz 이상 대역에서는 매우 다른 특성을 갖게 되므로 1차년 도 연구개발 결과에서는 기존의 연구에서는 확인할 수 없는 멀티 주파수 고주파수 대역에서의 Impairment의 연구결과를 도출함으로 서 미래유망 연구 분야로서 선점 가능성이 있음 차년도 연구결과의 활용분야 파급성 1 차년도 연구개발결과에서 문제 해결을 - 1 IQ imbalance Calibration 위해 제시된 회로적 설계 및 시뮬레이션 기술과 소프트웨어 보정 알고리즘을 통해 Imbalance를 제거하는 방안의 핵심기술개발은 쿼 드러처 레이더 기술분야에 중요한 기술로 파급될 것으로 예상됨 인력 및 예산 사용의 ④ 적절성 인력 명이 평균 연구 개발을 수행함 ETRI 2 1 (M/Y) 중간점검 자체점검 내 ⑤ 용 반영 여부 중간점검 자체 점검 내용 반영 완료 중간점검시 문제점 < > 중간점검시의 문제점으로 핵심알고리즘 측정위해 고성능 계측기 구매가 요구 되었음 대역의 제어 및 측정을

. 24GHz~24.5GHz Chirp, Ramping, Step Frequency 위해 BW 160MHz 이상의 고성능 계측기 요구됨 원내 연구소 보유장비는 대부분 대역이며 . BW 25~40MHz , Vector 필요옵션을 보유하고 있지 않음 Signal Analysis S/W 해결 및 조치내용 < > 연구인프라협력실 담당 이동한 책임 의 도움을 받아 임차 장비 및 보 . ( : ) 유장비 고성능 ( Network Analyzer)를 활용하여 연구개발을 원활히 수 행할 수 있었음 차년도 수행계획의 적 ⑥ 절성 차년도에는 차년도의 우수한 결과물을 활용하여 아래와 같은 개 주요 1 5 연구내용을 진행하고자 함 의 보정 및 성능 정량화 기술 개발 1. Motion Artifact Impairment

최소화 알고리즘 구현 2. Time-varying DC-offset 비접촉 착용 레이더 환경의 회로 및 신호처리 알고리즘 개 3. Balancing 발 생체신호 추출 기술 연구 4. 착용형 근접 안테나 구조 설계 및 구현 5.

차년도 및 차년도 연구 연계성

○ 기술개발 성과지표

성과지표 주요 성능 ( Spec) 단위 세계최고 수준 당해연도 목표 목표 산출 근거 성과지표 달성내용기재 평가 검증 방법( ) 입증자료 (NO.) 측정 해상도 ① mm - * 2 동작주파수, 심박변위값 0.16 초과 달성 ( ) Motorized Moving 에서의 Stage 제작된 모듈 측정 수행

NO.1

호흡하모닉스 대 ② 심박신호 비율 -0.75 미국 ( ) -기존연구, 심박율 품질 -차년도 수행계획 (2 ) 위상 잡음 ③ dBc(1 00khz) - 76 독일 ( ) - 60 Micro Doppler 성능 24GHz: - 66.33dBc/ H z @100kHz 초과 달성 ( ) 개발된 검증모듈을 계측기를 이용하여 계측 (N9020B MXA N9068C Phase Noise)

NO.2

동작 주파수 ④ GHz 24~ 24.5 독일 ( ) 24~ 24.5 상용칩 사양 24~ 24.5 GHz 초과 달성 ( ) 개발된 검증모듈을 계측기를 이용하여 계측 시 FMCW- INL 험

NO.3

안테나 송수신 격 ⑤ 리도 dB - - 15 레이더의 Self- mixing 극복 레벨 격리도(S21) - 28.07 dB 배열 (2x2 안테나) 초과 달성 ( ) 개발된 안테나를 계측기를 이용하여 계측

NO.4

안테나 사이즈 ⑥ mm3 60× 60× 1 미국 ( ) 100×100 ×5 신용카드형 시스템에 적용 21 x 21 x 1 배열 (2x2 안테나) 초과 달성 ( ) 안테나 크기 측정

NO.5

심박측정 신뢰도 ⑦ % 80 미국 ( ) -의복 착용, 일상 활동(PPG 포함) -차년도 수행계획 (2 )

○ 연구산출물 성과지표

구 분 성과지표 당해연도 목표 성과지표 달성내용 평가 검증 방법( ) 입증자료 (NO.) 공통지표 필수제시 ( ) 표준화된 상위 논문 건 게재:1, 제출:1 게재:0, 제출:2 일부 달성 ( ) 제출 근거 이메일( , 접수등)

NO.6

특허 특허활용률 기술이전건수 특허 등록보유건수 - - - -- - - -국제표준 특허 건 출원 - - - -등록 - - - -극 3 특허 건( ) 출원 1 가출원 한국 1 ( : , 출원준비 미국 독: , 일) 달성 ( ) 시스템 ETRI Ware PMS 등록목록

NO.7

등록 - - - -국제표준승인표준기고서( 건) - - - -연구비 대비 기술료 수입(%) - - - -특성지표 자율제시 ( ) 국내특허 - 1 (출원준비) 초과 달성 ( ) 시스템 ETRI Ware PMS 등록목록

NO.8

기술문서 건( ) - 44 초과 달성 ( ) 시스템 ETRI Ware PMS 등록목록

NO.9

학술대회논문 - 국외:1, 국내:3 초과 달성 ( ) 게재및발표함(프로시딩)

NO.10

연구시제품(알고리즘검증용 모듈및플랫폼) -3 초과 달성 ( ) 사진

NO.11

Motion Artifact 에뮬레이터 Matlab연동 시스템(Motorized Stage System) - 1 초과 달성 ( ) 사진

NO.12

NO.1

①

측정

해상도

성과 · 본 지표는 차년도 레이더 모듈 제작품에 대하여 호흡 심박과 같은 미세한 움직임을 감지할 수  1 / 있을 정도의 높은 감도로 제작되었는지를 포괄적으로 확인하는데 필요한 지표임 칩을 이용하여 외장 안테나를 사용할 수 있는 타입으로 아래 그림과  24GHz Transceiver, PLL 같은 모듈을 제작하였음 아래 평가방법 에서 표시한 측정 방법으로 해상도 를 측정한 결과 미세 변위 측정 해상도는 아  ‘ ’ ‘ ’ , 래 그림 및 표와 같이 평균 0.16mm로써 1차년도 목표치 (2mm)를 상회하는 결과를 획득하였음. 그림설명 의 실제 변위 빨간색 점선 와 측정한 변위 결과 파란색 실선 를 나타냄 하단의  : Stage ( ) ( ) . 바그래프는 측정 오차를 나타냄. (참고 가로축 세로축 : , 단위는 mm) 0 1 2 3 4 5 6 7

Ground truth displacement 0 1 2 3 4 5 6 7 m e a s u re d d is p la c e m e n t measured gr truth measurement error 실험 결과 그래프 < > 실험 측정 오차 1 0.126 2 0.257 3 0.25 4 0.22 5 0.17 6 0.12 측정 오차 정리 < > 평가방법 · 모듈을 이용하여 정량화된 테스트 환경을 아래 그림과 같이 제작하였  Motorized Moving Stage

음 테스트 . 환경 내 전파 산란 및 외부 방해 전파 차단을 위해 Absorber (공간활용 효율화를 위 해 Flat- type absorber 사용 를 ) 설치하였음.

정밀 측정을 위해 에 구면체를 설치하고 레이더 안테나를 아래 그림과 같이 설  Motorized Stage 치하였음 변위 측정을 위해 레이더 소프트웨어를 아래와 같이 제작함  미세 변위 해상도 평가 방법은 다음과 같음  설정 부터 까지 간격 즉 의 미세 변위에 대해 각  Moving Stage : 1mm 6mm 1mm , 1,2,3,4,5,6mm 각 20회 씩 왕복 운동하도록 설정함 레이더 소프트웨어 설정 각 회 변위에 대해 레이더 측정 데이터를 저장하고 검색  : 20 , Min,Max

함 레이더 . 측정 데이터는 Impairment, 즉 DC- offset, IQ- imbalance 제거를 위한 신호처리를 수행하였음 a rct a n r e su lt 변위 레이더 데이터 예 <(6mm >

NO.2

③

위상

잡음

성과 · 위상 잡음 은 기준 주파수 발진 주파수 반송파 주파수 등 근방에서 계속적으로  (Phase Noise) ( , ) 변하게되는 위상 편차로 기준 주파수 근방에 나타나는 원치 않는 불필요한 랜덤성 요동 불안정( 성 을 ) 의미함. 위상 잡음의 주요 발생원인은 다양하나 주로 열잡음 플리커 잡음 등으로 주로 이상  , 1/ f noise( ) 적이지 못한 실제 발진기에서 나타나고 송수신기의 국부 발진기 주파수 , 합성기 등에서 발생원이 이루어 짐 위상 잡음 지표는 마이크로 도플러 레이더에서의 와 의 잡음을 측정 할수 있는 중요한  LO Mixer 측정 지표로 목표치인 60dBc/ Hz@100kHz를 만족하는 24GHz: - 66.33dBc/ Hz @100kHz로 측정 되는 우수한 성과를 도출 하였음 측정결과 장비에서 직접계측 Phase Noise ( ) 측정결과 소프트웨어로 측정

Phase Noise (VSA )

평가방법 ·

측정하고자 하는 시료의 단자에 장비 를 연결하여

 TX Spectrum Analyzer(N9020B ) Phase Noise

측정장비(N9020B)의 Log Plot측정 측정은 오프셋 주파수에 대한 단일 측 파대 위상 잡음 단위 을 측정함 그  Log Plot (dBc / Hz ) . 결과는 로그 눈금으로 표시됨 측정을 통하여 많은 오프셋 주파수에 걸쳐있는 테스트 중인 신호의 위상 잡음 동작을  Log- Plot 측정해 볼 수 있음 측정 방법 Phase Noise

NO.3

④

동작

주파수

성과 · 동작 주파수는 동작함을 확인하였음 이는 에서 해당하는  24.0GHz~ 24.5GHz . Spectrum Analyzer 주파수의 출력 파워가 있는지 측정을 하는 기본적인 확인 과정으로 Radar Application에서는 주 파수 변화에 따른 비선형성 측정이 매우 중요함 본 연구개발에서는 주로 의 주파수 범위를 사용하므로 동작주파  24.0~ 24.25GHz 24.0~ 2.5GHz 수 확인에 만족하지 않고 24.0~ 24.25GHz의 비선형성(FMCW- INL) 시험을 추가로 확인하여 동 작주파수의 정밀도를 제시하였음

의 측정 및 의 단계 시험결과

24.0~ 24.5GHz Spectrum 24.0GHz 7 Power Level

의 시험결과

24.04GHz ~ 24.2100GHz FMCW INL : 0.067%

분석 결과 사진

대표적인 3개의 주파수(24.0, 24.125, 24.250GHz)의 VSWR은 2.0미만으로 측정됨 가 개발한 모듈은 국외제품 대비 약 배 비선형성 성능이 우수함 ETRI WR 4 평가방법 · 는 하나의 기계 안에 주파수 와 가 들어있어서 입력

 Network Analyzer source Spectrum analyzer ,

과 출력의 주파수신호 분포결과를 서로 나눔으로써 S 파라미터를 측정하는 장비임

는 가 이용 되었으며 두 개의 동축선 커넥터 포트가 달려 있어서 각각  Network anaylzer N5224B ,

측정대상 의 입력과 출력에 연결하여 측정하였음 DUT(Device under test ; )

와 이용 계측장비를 이용한 주파수 측정 및 측정 N5224B N9020B(VSA S/ W ) VSWR, FMCW- INL

NO.4

⑤

안테나

송수신

격리도

성과 · 측정결과 격리도 은 목표치를 상회하는 로 측정되었음  (S21) –28.07dB 송수신 격리도 측정 결과 (파란색 그래프) 평가방법 · 아래 그림과 같이 안테나를 챔버에 설치하여 반사로 인한 수신 신호를 방지한 뒤 네트워크 분  , 석기로 S21을 측정함

안테나 격리도 측정 환경

NO.5

⑥

안테나

사이즈

실제 측정결과  29 mm × 21 mm 으로 측정되었음. 동판의 두께는 0.254mm이나, 견고성을 가지 기 위한 판의 두께를 포함하면 1 mm이하임 윗면 아랫면 ( ) ( ) 제작된 배열 송수신 안테나 < 2×2 > 커넥터가 부착된 배열 송수신 안테나 HK-LR-SR2 2×2

안테나 파라미터 측정 및 xz 평면, yz 평면 방사패턴

NO.6

. SCI

논문

성과

(2

건

)

논문명

- : Quadrature Frequency- Group Radar for small Vibrational Displacement 저자 김동규 김유진 - : , 제출처 상위분포 - : Scientific Reports (JCR : 14.844%) 상태 접수 완료 - : 제출논문 및 접수확인 이메일

논문명

- : Finite- Difference Time- Domain Modeling for Electromagnetic Wave Analysis of Human Voxel Model at Millimeter- Wave Frequencies

저자 백재우 김동규 정경영 - : , , 제출처 상위분포 - : IEEE Access (JCR : 21.336%) 상태 차 리뷰 완료 - : 1 제출논문 및 접수확인 이메일

NO.7

. 3

극

특허

성과

(1

건

)

특허명 비고정 레이더의 모션 아티펙트 제거 방법

- : (Method of Motion Artifact REmoval for

Non- fixed Radar) 발명자 김동규 김유진 - : , 출원처 극 특허 출원을 위한 대한민국 가출원 - : 3 상태 가출원 완료 - :

가출원 특허 및 출원번호통지서

NO.8

.

국내

특허

성과

(1

건

)

특허명 직접변환 쿼드러처 레이더 시스템에서 마이크로 도플러 효과의 기준 식별신호 생성기를 포 - : 함하는 안테나 장치 및 제어 방법 발명자 김유진 김동규 - : , 출원처 대한민국 - : 상태 출원 준비중 - : 출원 준비중 특허 명세서

NO.9

.

기술문서

성과

(44

건

)

도플러 레이더 하드웨어 및 알고리즘에 관한 건의 기술문서를 작성 및 등록 완료함

- 44

NO.10

.

학술논문

성과

(

국외 건 국내 건

1

,

3

)

NO.11

.

연구

시제품

성과

(3

건

)

종의 시제품 보드 보드 보드 을 개발하고 실험에 사용함 - 3 (WR- DV , WR- DAQ- DV , BGT24L- DAQ- DV ) 개발된 연구 시제품 3종

NO.12

.

시험의

정량화를

위한

레이더

전용

정밀

테스트

환경

(Motion

에뮬레이터

연동

시스템

Artifact

Matlab

)

축 및 외부 전파 차단 시설로 구성된 정밀한 시험 정량화

- 9 Motorized Moving Stage, Scattering

를 위한 테스트베드 하드웨어 및 제어 소프트웨어를 구성함

목 차

제 장 서론

1 .

25

제 절 개요 및 최종 연구목표

1 .

25

제 절 차년도

년 연구개발 목표 및 세부 추진 목표

2 . 1

(2018 )

27

제 절 연구 범위 및 연구 수행 방법

3 .

27

연구범위

1

27

연구 수행 방법

2

28

제 장 본론

2 .

29

제 절 연구 개발 내용 및 성과 연구 성과의 질적 우수성

1 .

(

)

29

가 비접촉 착용레이더 환경의

특성수집 및 분석연구

Motion Artifact

29

나

최소화 알고리즘 연구

Time-varying DC-offset

36

다 비접촉 착용 레이더 환경의

회로적 특성 연구

Balancing

44

라 인체근접 안테나 전파특성 및 근접 안테나 연구

52

제 절 기술개발 성과지표 및 달성도

2 .

60

가 기술개발 성과지표 및 달성도

60

나 연구산출물 성과지표 및 달성도

68

다 마일스톤 수행 결과

74

제 장 연구개발결과의 활용정도 및 파급효과

3 .

77

제 장 연구개발비 집행 실적

4 .

79

제 장 결론

5 .

80

제 절 결론

1 .

80

제 절 건의사항

2 .

80

제 1 장 서 론

제 1 절 최종 연구목표

웨어러블 기기의 착용감을 개선시키는 비접촉 착용형 레이더(Wearable Radar)의 측정 신뢰도를 높이기 위한 레이더 모션 & 회로 Impairment 최소화 기술 및 근접장 전파 품질 개선을 위한 안테나 기술 개발

구 분 내 용 최종목표 웨어러블 기기의 착용감을 개선시키는 비접촉 착용형 레이더(Wearable Radar)의 측정 신뢰도를 높이기 위한 레이더 모션 & 회로 Impairment 최소화 기술 및 근접장 전파 품 질 개선을 위한 안테나 기술 개발 세부목표 의복 착용형 레이더 환경의 영향 연구 (1) Motion Artifact 기존 알고리즘보다 센싱 속도가 빠르고 계산량이 적은

(2) ellipse fitting Time-varying

최소화 신호처리 알고리즘 연구 DC-offset 호흡 신호의 차 대 심박 신호 를 이하로 실현하기 위한 (3) 2 Harmonics Ratio 0.7 회로 및 신호처리 알고리즘 연구 Balancing 피부 근접장 전파 신호 품질 개선을 위한 안테나 구조 연구 (4) 30dB isolation

웨어러블 레이더 아키텍처 개요

핵심기술(Core Technology) 연구 목표 달성을 위한 해결방안 기술 개요도

제 2 절 차년도1 (2018년) 연구개발 목표 및 세부 추진 목표 구 분 목 표 세부 추진 목표 차년도 1 (2018) 비접촉 착용 레이더 환경의 특성 수집 및 분 Motion Artifact 석 연구 비접촉 착용 레이더 환경의 Motion Artifact 특성 관련자료분 석 및 에뮬레이터 설계 비접촉 착용 레이더 환경의 Motion Artifact 특성 수집 및 특 성분석 최소화 Time-varying DC-offset 알고리즘 연구 일상모션에 의한 DC-offset impairment 분석 멀티주파수 ellipse fitting 알고리즘 연구 비접촉 착용 레이더 환경의 회로적 특성 연구 Balancing 웨어러블 쿼드러처 수신회로 구조의 imbalance 요소 특성화 분석 제거 알고리즘기반 웨어러블 쿼드러처의 imbalance 회로 구조설계 Balancing 인체근접 안테나 전파특성 및 근접 안테나 연구 주파수별 인체에 의한 전파특성 시뮬레이션, 안테나 기초 샘플 구현 근접장에서의 인체와 안테나 간 접촉 환경과 격리도 확 보 시뮬레이션 및 개 이상 타입 안테나 설계2 제 3 절 연구 범위 및 연구 수행 방법 연구 범위 1.

특성 수집을 위한 연구용 웨어러블 에뮬레이터 설계 - 비접촉 착용 레이더 환경의 특성 수집 및 분석 2) Motion Artifact 특성 수집용 웨어러블 에뮬레이터 구현 및 데이터 수집 - 수집된 데이터와 레이더 데이터 분석

- Motion Impairment Cross-Correlation 나) Time-varying DC-offset 최소화 알고리즘 연구

일상모션에 의한 분석

1) DC-offset impairment

로 인해 발생하는 모델링 - Motion Artifact dc-offset

멀티주파수 알고리즘 연구

2) ellipse fitting

로 인한 추정 기술 확보 - Motion Artifact dc-offset

다) 비접촉 착용 레이더 환경의 Balancing 회로적 특성 연구 웨어러블 쿼드러처 수신회로 구조의 요소 특성화 분석 1) imbalance 웨어러블 환경의 쿼드러처 채널 불균형 등의 불균형 특성분석 - , Saturation 초고주파의 비접촉 생체신호 감지의 가 에 미치는 영향 분석

- Amplitude, Phase imbalance Ellipse 제거 알고리즘기반 웨어러블 쿼드러처의 회로 구조설계

2) imbalance Balancing

쿼드러처 채널 제거 및 최적 회로설계 및 시뮬레이션

- imblance Filter & Gain

에 따른 쿼드러처 채널 켈리브레이션 알고리즘 구조설계 - Multi-Frequency 라) 인체근접 안테나 전파특성 및 근접 안테나 연구 주파수별 인체에 의한 전파특성 시뮬레이션 안테나 기초 샘플 구현 1) , 주파수별 인체에 의한 전파특성 분석 안테나 기초 샘플 구현 - , 2) 근접장에서의 인체와 안테나 간 접촉 환경과 격리도 확보 시뮬레이션 및 개 이상 타입 안테나 설계2 근접장에서의 인체와 안테나 간 접촉 환경 - - 인체 전파특성을 고려한 송수신 안테나 간 격리도를 확보하는 안테나 기초 설계 개 이상 타입의 안테나 설계 기술 확보 - 2 연구 수행 방법 2. 차년도에는 데이터 수집용 모듈 및 시험환경을 제작하여 회로 모션에 의한 웨어러블 레이더 - 1 ( , ) 및 모션 특성 데이터를 측정함 Impairment 측정 데이터를 기반으로 제거 알고리즘 및 회로 구조를 연구함 - Impairment 데이터 수집용 모듈에 사용하기 위한 기본적인 근접환경 안테나를 제작함 - 특성이 좋은 회로 제작을 위하여 관련 회로제작 전문 기업을 활용할 예정임 - 24GHz 차년도 연구결과인 알고리즘 회로 설계서 도출 시험버젼 안테나 개발을 위해 주기적인 개발업무 - 1 / , 회의 킥오프( , 중간, 최종 워크샵 포함 를 개최할 예정임) 인체 근접 안테나 전파 특성 연구 유한차분 시간영역법에 적합한 분산알고리즘을 개발하여 주파 - : , 수별 인체의 전파 특성 연구 및 매질의 표피 효과에 대한 분석을 수행함 인체 안테나 접촉 환경 연구 밀리미터파 대역에서의 전자파 수치해석 시뮬레이터를 이용한 컴퓨터 - : 모의실험을 이용하여 0.1 mm 이동에 따른 인체 전파 특성을 이용해서 근접장에서의 인체와 안테나 접촉 환경에 대한 연구를 수행하고 손목, 흉부 복부에 대한 근접장에서의 안테나 접촉환경 연구를 , 수행함 근접 안테나 기초 설계 및 다양한 타입의 시험버전 구현 근접장에서 인체 전파특성을 고려하고 송 - : 수신 안테나간 격리도를 확보하는 안테나 기초 설계 연구를 수행하고 다양한 타입의 시험버전을 구 현함

제 2 장 본 론 제 1 절 연구 개발 내용 및 성과 연구 성과의 질적 우수성( ) 가) 비접촉 착용 레이더 환경의 Motion Artifact 특성 수집 및 분석 연구 비접촉 착용 레이더 환경의 특성 관련자료분석 및 에뮬레이터 설계 1) Motion Artifact 비접촉 착용 레이더 환경의 특성 분류 관련자료분석 - Motion Artifact 흉부와 복부의 움직임은 도플러 레이더로 측정 할 수 있는 피부 표면의 상당한 변위를 유발하 . 여 호흡률의 비접촉식 측정이 가능함. 정상적인 호흡에서 횡격막은 복강으로 뻗어 나가고 깊은 호흡에서 횡격막은 까 . , 1-2 cm , 10cm 지 내려감. 평균 호흡 횟수는 회 호흡 분이고 정상적인 경우 호기는 흡기의 약 배의 시간이 필 . 16.6±2.8 / , 1.2 요함. 특성 분석과 호흡의 도플러효과로 인한 전압레벨

Motion Artifact I/Q

호흡과 관련된 가슴 벽 동작은 리브 반경이 리브 에서 에서 로 변하고 리브 에 . (Rib) 3 10.6 10.8mm 7 서 13.7에서 14.2mm로 변화함. 가장 큰 움직임은 흡기를 받아 4.3mm 앞으로 움직였던 흉골과 흡기를 얻어 앞으로 4.03mm 앞으로 움직인 배꼽으로 조사됨 심장계의 움직임은 비접촉 센서로 측정시 정점에서 감지되는 최대 동작은 평균 정도로 . 0.6mm 조사됨 혈류에 의한 피부 표면운동은 경동맥이 의 피부 변위를 생성하는 것이 관찰되었고 경 . 0.06mm , 정맥은 0.01mm의 피부 변위를 나타내는 것으로 나타남 도플러 레이더를 이용한 의 에 의한 신호 전압변화는 대상체와의 거 . 24.05GHz Doppler Effect I/Q

리와 이득조건에 따라 변화 하지만, 1M거리에서 안테나 20dB게인인 본 실험환경에서는 큰숨인 경우 최대 4.12mV, 작은숨의 경우 1.12mV의 변위전압이 관찰됨

의 에 의한 신호 전압변화 시험결과 24.05GHz Doppler Effect I/Q

특성 수집을 위한 연구용 웨어러블 에뮬레이터 설계 -

가속도계와 자이로 스코프를 하나의 칩에 포함하고있는 과 축 디지털 나침반 자력계

. MPU6050 3 (

라고도 함 인 ) AK8963을 결합한 IMU인 MPU9250을 이용하였고, MPU6050에는 온 보드 디지털 모션 프로세서(DMP)가 내장되어 고 DMP는 복잡한 축 모션 퓨전 알고리즘을 처리함6

은 바이트의 버퍼와 함께 작동하며 은

. MPU6050 1024 FIFO (First In First Out) MPU9250 400kHz 에서 I2C 버스를 통해 MCU칩과 통신을 함

과 무선 프로세서모듈과 연결하여 시험을 진행함

. MPU9250 ESP32 Thing Motion Artfiacts

기반의 의 특성 분석을 위한 개발모듈구성

IMU Motion Interference

비접촉 착용 레이더 환경의 특성 수집 및 분석 2) Motion Artifact

특성 수집용 웨어러블 에뮬레이터 구현 및 데이터 수집 -

에뮬레이터 연동 시스템 은 본 연구결과로 개발

. Motion Artifact Matlab (Motorized Stage System)

정량적으로 생성하는 장치로 개발되었고 알고리즘을 개발에 활용을 진행하고 있음

의 정량화를 위하여 정밀 모션 생성의 와 . Motion Interference Identification Motorized Stage

모듈을 이용한 자동화되고 정량화된 에뮬레이션 환경 구축 하였음 Robotics

에뮬레이터 연동 시스템

Motion Artifact Matlab (Motorized Stage System)

센싱 정보 수집을 위한 저장 기능은 으로 아래와 같이 구현하였으며 모션 수집 장

. IMU Matlab ,

치의 자세 (Roll, Pitch, Yaw) 수집 정보를 수집 시간 정보와 함께 저장함

수집 정보 예 수집 IMU (Roll,Pitch,Yaw ) 일상 모션은 매우 다양한 동작이 있는데 레이더에 나타나는 영향의 정도에 따라 다음과 같은 . , 개의 동작 그룹인 사무 보행 기타 동작으로 모션을 분류하였음 아래 표는 일상 모션의 분류 3 , , . 표임 데이터 수집용 일상 모션 각 모션에 대하여 초 분 동안 를 수집하여 각각의 통계 특성을 분석함 . 30 ~ 1 Roll, Pitch, Yaw

모션 수집 장치 착용 상태에서 은 몸통을 축으로 하는 회전 는 어깨선을 축으로

. IMU Roll , Pitch

하는 회전, Yaw는 가슴 등 선을 축으로 하는 회전을 의미하게 되는데- , 가슴 등 선을 축으로 하 -는 회전은 일상 모션에서-는 무시하고, Roll과 Pitch만 분석함. 그리고, 도플러 레이더에서는 Roll

과 Pitch의 평균값보다는 움직임의 변화를 의미하는 Variance가 중요함

각 모션의 에 관한 는 아래 그래프와 같이 값의 는 평지 보행을 . Roll, Pitch Variance Roll Variance

제외하고 50도 이상의 큰 Variance를 가지는데 반해, Pitch값의 Variance는 25도 이하로 Roll에 비해 작게 나타남 d e g re e 과 비교 Roll Pitch 과 는 일반적으로 분포 특성에서 크게 벗어나지 않는 특성을 가지며

. Roll Pitch Gaussian ,

또한 과 가 각각 도 도 내외의 범위에서 형성됨 그러나 동작 앉고 Variance Roll Pitch 50 , 10 . , 6 ( 서기 은 ) Roll과 Pitch의 Variance가 다른 동작에 비해 상대적으로 매우 크며 통계적으로는 다른 동작과는 달리 Burr 분포 특성을 가짐. Roll 94 96 98 100 102 104 106 108 110 0 50 100 Pitch -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 0 50 100 동작의 통계 특성 4 Roll 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 0 20 40 60 PItch 50 100 150

Roll 80 90 100 110 120 130 140 150 160 0 50 100 150 Pitch -15 -10 -5 0 5 10 15 0 50 100 150 동작의 통계 특성 분포 특성 6 (Burr ) 위에서 수집한 데이터와 통계 특성을 이용하여 인체의 움직임을 시뮬레이션으로 표현할 수 있 . 는데, 이 특성을 반영하여 근접 환경에서 인체와 레이더의 거리 변화를 시뮬레이션화 하였음. 이는 실제 측정이 어려운 인체의 움직임에 의한 근접 레이더의 거리 변화 발생값을 시뮬레이션 으로 아래 그림과 같이 모델링하였음. 아래 그림에서 인체를 큰 평면으로, 레이더를 하나의 점 으로 가정하였는데 이는 레이더가 인체에 근접한 상황에서 가능한 Assumption임. 인체 평면은 입력된 Roll, Pitch, Yaw 데이터에 의해 회전하게 되며, 레이더와 인체의 거리 파란색 선 가 계( ) 산되어 도출됨 이와 관련하여 인체 모션에 의해 발생하는 레이더 를 추정하고 제거하는 방법에 . Motion atifact 관한 특허 (3극특허 를 출원함) 인체 모션에 의한 인체와 레이더 간 거리 변화 시뮬레이션 예시 수집된 데이터와 레이더 데이터 분석

- Motion Impairment Cross-Correlation

데이터가 레이더의 에 미치는 영향을 분석하기 위해 아래 그림과 같이 레이 . Motion Impairment

더 안테나와 Motion 수집 장치를 일체화하여 사용함

챔버 내에서 를 사용하여 기계적인 움직임 측정 및 손으로 을 모사한 움직

. Moving Stage Motion

임을 생성하여 데이터를 수집함

수집 데이터는 레이더 신호와 자세 데이터로 구성됨 아래 수집데이터 예

. I,Q Roll, Pitch, Yaw (

좌 레이더 안테나와 수집 장치를 일체화하여 ( ) Motion 우 챔버에 를 이용하거나 매뉴얼로 데이터를 수집함 ( ) Stage 수집 데이터 좌 레이더 ( ) I/Q 신호, (우)Motion 데이터 레이더 신호와 데이터의 상관도를 확인하기 위해 일반적인 을 사용하면 . Motion Cross-correlation 해석의 오류가 나타날 수 있음. 정확한 상관도 계산을 위해서는 Nomalization과 Unbiasing 처리 한 데이터에 대한 Cross-correlation을 확인해야 함 아래 그림은 신호의 전처리 후 을 통한 상관도를 나타냄 . Cross-correlation 상관도 분석 결과 레이더의 신호 본 실험에서는 값 는 수집 장치의 자세 . I, Q ( DC-offset ) Motion 와 매우 높은 상관도를 가짐. 아래 그림과 같이 3축 방향의 회전 데이터에 대해서 모두 높은 상관성을 가지고 있으며, (참고 아래 상관값은 정도를 나타내므로 절대값으로 해석하면 됨: .) 즉 이 변화함에 따라 레이더 신호의 값이 같은 경향으로 변화하게 되므로 . , Motion I/Q DC-offset

이로 인한 Impairment가 발생하게 되어 Motion이 변화 시 DC-offset의 Correction의 과정이 필 수적으로 필요하게 됨. 2차년도에는 이 과정을 프로토타입 정도 수준의 실시간으로 구현하여

으로 인한 와 가능성을 입증할 계획임

0 200 400 600 800 1000 1200 -2000 0 2000 R o ll 상관도 계산 결과 real imag 0 200 400 600 800 1000 1200 0 2000 4000 P it ch realimag 0 200 400 600 800 1000 1200 -5 0 5 Y a w 104 real imag 레이더 신호와 Motion 데이터의 상관도 계산 결과 나) Time-varying DC-offset 최소화 알고리즘 연구 일상모션에 의한 분석 1) DC-offset impairment 로 인해 발생하는 모델링 - Motion Artifact dc-offset

은 에 의한 영향과 환경변화에 의한 영향으로 하게 발

. DC-offset System Impairment Time-variant

생함. 일상모션의 영향을 분석하기 위해서는 System impairment에 의한 DC-offset 영향의 정량 적인 분석이 선행되어야 함. 따라서, 본 연구주제에 관해 차년도에는 1 System impairment에 의 한 DC-offset 영향을 집중적으로 분석하였음.

생체정보 취득을 목적으로 하는

. CW Doppler Radar with Quadrature Direct Conversion 구조의 대역 레이더는 인간의 움직임 환경적 변화 속에서 약

Receiver(QDCR) 24GHz ( ) DC~ 8Hz

생체신호 호흡( , 심박 를 취득하기 위해 마이크로 도플러 기술이 적용되는데 ) DC-offset이슈가 더욱더 중요해짐

본 연구는 구조의 생성원인을 표 의 생성 원

. CW Doppler Radar with QDCR DC-offset ” -DC-offset

인 정의“과 같이 정의하고, 측정을 위한 Loopback 방법 Moving Sphere 방법으로 시험을 진행함

표. DC-offset의 생성 원인 정의

레이더 모듈 및 회로의 시스템 오프셋은 주로 하드웨어 특성에 의한 바이어스로 볼 수 있음

. DC DC .

표(2,4/S-DC-offset) 측정은 ‘LO(Local Oscillator) off시 DC바이어스 값’(=Voff,LoOff)(b)으로 측 정하고, 표(3/ S-DC-offset) 측정은 ‘LO신호 인가 후 DC바이어스 값’(=Voff,stat)(c)을 측정함.

측정결과 그림같이 입출력은 으로 종단함 결과적으로 에 의한

. IFI SA RF 50 Ohm . ‘LO self-mixing

오프셋 값 은 식 과 같이 정의됨

DC ’(=Voff,SM) (1) .

Voff,SM = Voff,LoOff Voff,stat (1)

마이크로도플러 추출을 위한 환경 오프셋 측정은 표 생성원인 정의 이외에 추가적

으로 클러터 변화에 따른 멀티패스 변화와 레이더 송신의 멀티 주파수 가변 등에 따른 수신 신 호의 변화와 같은 주로 환경적 변화가 고려됨 시스템DC오프셋 측정환경(a)과 측정결과(b, c) 및 IFI SA측정 결과 신호가 인가되고 수신 단자에 싱글톤의 입력을 만들기 위해 제안된 방법은 그림 와 같 . LO RF 2(a) 이 알려진 사양을 가진 케이블의 Loopback을 2m, 3m의 경우로 각각 진행함 이 방법은 트랜시버 내부에서 표 의 신호 인가후 수신 단자의 싱글톤 . 1(2,3,4/E-DC-offset) ‘LO RF 입력으로 인한 2차 비선형성 상호작용 결과의 DC오프셋 값’(=Voff,RF)의 최대 값 경향을 알 수 있음. ‘2차 왜곡으로 인한 오프셋 값’(=Voff,IM2)은 식(2)과 같이 얻을 수 있음.

Voff,IM2= Voff,RF Voff,stat (2)

그림 는 외부로부터의 의 영향을 최소화 하고 의 격리를 최대화 하 . 2(b) LO self-mixing , RF-to-LO 기 위한 측정 방법임. 일반적인 도플러효과는 레이더의 출력신호에 대한 타깃 동작의 적분된 형태로 반사된 도플러 주파수 시프트 특징을 나타냄 그런데 변화하는 주변환경에 타깃의 마이크로모션에 대한 마이크로도플러 효과를 측정하기 위 . ,

하여는 그림2(c)와 같은 제안된 방법(Moving Sphere)으로 측정을 하여 그림2(d)의 IQ Plot에서

를 형성하고 중심점 을 추정함

환경 DC-offset 측정 환경 및 방법

는 의도하지 않은 경로를 통해 믹서의 입력 포트로 전달되거나 방사 될 수 있으므로 믹

. LO RF ,

서 출력에서 원하지 않는 DC 성분을 생성하여 믹싱 됨. LO누설이 LNA 입력에 도달 할 수 있 으며, 더 강력한 결과를 생성 하게 됨

주파수변화, Sphere RCS움직임, 및 환경변화시의 I/Q Plot Ellipse관찰시험

멀티주파수 알고리즘 연구

2) ellipse fitting

로 인한 추정 기술 확보 - Motion Artifact dc-offset

타겟에 근접한 레이더의 특성은 웨어러블 레이더에서 발생하는 문제점을 객관화할 . Impairment 수 있기 때문에 매우 중요함. 타겟은 인체의 형상과 같이 표면의 정형성이 없는 아래 그림과 같은 비정형 형상으로 제작해야 한다 . . 레이더를 근접거리에서 방사하기 위해 아래 그림과 같이 소형 사이즈를 가지며 을 갖 . Low-gain 는 근접 안테나를 제작하였음. (한양대학교 설계 제작, ) 레이더 시스템은 아래 그림과 같이 외부 안테나와 동작할 수 있는 타입으로 제작하였음 . 24GHz .

또한 로 정밀한 주파수 설정이 가능하도록 설계하였으며 를 통해 . , Phase-Locked-Loop (PLL) , SPI

외부 PC에서 주파수를 제어할 수 있음.

레이더 시스템의 수신 신호 는 를 통해 샘플링되어 에서 . I, Q Data Acquisition Module (DAQ) PC

수집할 수 있음.

근접 측정을 위한 실험 조건

제작한 24GHz 레이더 개발보드 (WR-DAQ-DV)

타겟 생성을 위한 는 아래 그림과 같이 축으로 구성되어 있음 하단

. Motion Moving Stage 6 . XY

축은 타겟을 큰 폭으로 이동하는 기능, 중간단 XY축은 타겟의 um수준의 미세움직임 을 생성하는 기능 상단 축은 타겟의 수직 이동 및 을 생성하는 기능을 (displacement) , ZR Rotation 가짐. 심장박동과 같은 미세 움직임의 중간단 축으로 재현되고 나머지 축은 타겟과 레이더간 환 . XY , 경 변화 생성용으로 사용됨. 중간단 축은 축 방향으로 왕복 운동을 함 는 레이더의 왕복거리로 . XY X 62.5mm . (62.5mm 24GHz 파장의 위상 변화를 발생시키는 미세 움직임임 1 micro Doppler .)

아래 그림과 같이 타겟이 각기 다른 위치로 이동하게 되면 타겟과 레이더간 환경 변화가 발생 . 하게 되고, 이로 인해 레이더 Impairment가 나타남. 타겟과 레이더 간 환경변화 실험 예 실험 진행 전 레이더 모듈의 시스템 내부 문제로 인한 를 제거해야 함 . Impairment . 아래 그림의 왼쪽 그래프와 같이 시스템 고유의 과 가 존재

. Impairment (DC-offset IQ-imbalance)

하므로 DC-offset과 IQ-imbalance를 교정 각각 가운데와 오른쪽 그래프 하게 되면 ( ) (0,0)을 중심 으로 원의 IQ Contellation을 얻을 수 있음. 이러한 과정을 시스템 캘리브레이션 과정이라고도 함.

시스템에서 기인하는 Impairment 보정 과정 (I/Q Constellation으로 표시)

시스템 켈리브레이션을 수행 후 타겟의 위치를 이동시키게 되면 환경 변화에 의한 . Impairment 가 아래 그림과 같이 나타나게 됨 타겟과 안테나 간 거리가 매우 가깝기 때문에 타겟의 위치 이동에 따라 레이더에서 감지되는 . 미세 움직임이 파장보다 부족하게 되는 현상이 발생하는데 이는 1 Impairment와는 관계없는 현 상임. 중요한 결과는 다음과 같음 타겟 위치 이동에 따라 은 큰 폭으로 변화하게 됨 특히 . . DC-offset . ,

레이더의 송신 신호가 작은 경우는 (*인체 안전성을 위해 송신 전력은 인체 안전성 평가 기준 보다 작을수록 좋음.) 원의 지름이 작기 때문에 DC-offset 변화가 상대적으로 크게 나타남. 반면 는 만큼 큰 변화는 발생하지 않음 . , IQ-imbalance DC-offset . 따라서 보다 의 변화에 의한 레이더 성능 저하가 매우 클 것으로 예상 . , IQ-imbalance DC-offset 됨. 환경 변화에 의한 Impairment 발생 현상 멀티주파수를 사용하는 사례로써 아래 그림은 와 의 개 주파수를 사용하는 . 24000MHz 24005MHz 2 경우인데 각 주파수에 따른 시스템 Impairment가 서로 다름을 알 수 있음. 멀티주파수의 경우 올바른 동작을 위해서는 시스템 켈리브레이션 단계에서 각 주파수에 대한 . 시스템 Impairment를 각각 교정해주어야 함. 멀티주파수 시스템 Impairment 멀티주파수의 시스템 캘리브레이션 후 아래 왼쪽 그림과 같이 타겟의 미세 움직임에 대해서 동 . 일한 원의 궤적에서 Constellation이 생성되는 것을 확인할 수 있음. 이 특성은 제출한 논문을 통해 이론적으로 자세히 증명하였으며 실제 실험이 이론 증명과 일 . , 치하는 것을 확인하였음. 아래 그림에서 보듯이 타겟의 이동이 없는 경우에는 시간이 흐른 뒤에도 멀티주파수의 . 이 유지되는 것을 볼 수 있음 분 후 약간 틀어짐 현상이 관찰되는데 이는 주기 Contellation . 35 적인 캘리브레이션으로 해결할 수 있음. 문제는 주기적 캘리브레이션이 비실용적인 점인데 이 를 해결하는 방법에 관한 연구가 본 과제에서 매우 중요한 연구 테마가 됨.

시간 경과에 따른 멀티주파수의 Impairment 변화 특성 타겟 위치가 이동하게 되면 아래 그림의 왼쪽 그래프와 같이 의 위치가 변하게 됨 . DC-offset . 즉 환경 변화에 따라서 가 주파수의 이 같은 크기로 됨을 알 수 있음 즉 멀 . , Constellation Shift . , 티주파수의 전체 원 궤적이 같은 중심 이동을 하는 특징을 가짐. 따라서 멀티주파수의 원 중심을 추정함으로써 원을 다시 원점으로 교정할 수 있음 . , (0,0) . 타겟 위치 이동에 따른 DC-offset 변화 현상 구체적으로 멀티주파수의 간격에 따라서 각 주파수의 궤적 변화에 대한 실험을 수행한 결과는 . 아래 그림과 같음 실험을 위해 미세 움직임은 로 설정하였음 . 0.5mm . 왼쪽 그래프는 주파수 간격 인 경우의 개 멀티주파수에 따른 궤적을 각각 빨강 초록 파 . 3MHz 4 , , 랑 노랑으로 각각 나타냄, . 의 경우 개 주파수의 궤적이 일부 겹치게 되는데 겹쳐져 있는 전체 궤적의 길이가 단일 . 3MHz 4 주파수를 사용하는 경우에 비해서 매우 커지는 것을 알 수 있음. 즉, 이 특성으로 인해 멀티주 파수의 DC-offset 추정 성능이 단일 주파수보다 월등히 향상될 수 있음. 멀티주파수 간격에 따른 궤적 Constellation 아래 그림은 다양한 동작 주파수에서 단일 주파수보다 멀티 주파수의 성능이 월등함 . DC-offset 을 보여주는 시뮬레이션 결과임

추정 성능 시뮬레이션 결과 좌 멀티 주파수 우 단일 주파수

DC-offset : ( ) , ( )

위에 설명한 시험환경에서 다양한 에 대한 멀티 주파수의 추정 후 보정된 궤

. SNR DC-offset IQ

적은 아래 그림과 같음. (3개의 DC-offset 추정 알고리즘 (Circumcenter, Pratt, LM) 비교)

멀티 주파수 DC-offset 추정 실험 결과

에 따른 개 알고리즘의 추정 성능은 아래 그림과 같이 알고리즘은 낮

. SNR 3 DC-offset Pratt, LM

은 SNR에서도 추정 성능이 뛰어나며, Circumcenter 알고리즘은 25dB 이상의 높은 SNR에서 뛰 어난 성능을 나타냄

알고리즘의 계산 복잡도 비교는 에서 구동 시간을 측정하여 아 . Circumcenter, Pratt, LM Matlab

래 그림과 같이 비교하였으며, Circum < Prat t <LM의 순서로 구동 시간이 오래 소요됨 알고리즘 구동 시간 비교 다) 비접촉 착용 레이더 환경의 Balancing 회로적 특성 연구 웨어러블 쿼드러처 수신회로 구조의 요소 특성화 분석 1) imbalance 웨어러블 환경의 쿼드러처 채널 불균형 등의 불균형 특성 분석 - , Saturation 웨어러블 쿼드러처 수신회로 구조의 요소를 특성화 하고 분석하기 위해서는 채널 불 . imablance 균형이나 Saturation 등의 불균형 특성 분석이 효율적으로 이루어져야 함 이 경우 신호 수신이후 베이스벤드에서 신호 획득을 최대화하려면 아날로그 디지털 컨버 . I/Q - 터 (ADC)의 유효 동적 범위를 최대화하는 것이 매우 중요함 호흡과 심박 신호 사이의 크기의 차이는 심장 활동보다 큰 단면적과 큰 변위를 갖는 호흡 때문 . 임. 적절한 복조로도 두 신호를 분리하는 것은 어려움이 존재함. 큰 성분은 항상 심폐 신호 스펙트럼에 가깝게 존재함 따라서 심장 및 호흡 신호가 가능한 . DC . 한 많이 증폭되어야하지만 시스템을 포화시키지 않으려면 DC 성분을 효과적으로 제거해야 함. 제거의 방법 중 커플링 방법이 일반적이지만 일반적으로 신호의 오프셋이 복조에 . DC AC , DC 중요하다는 생리적 신호의 낮은 주파수에는 부적합 함 커플링 필터의 시간 상수 는 계단 함수 응답 필터차단 주파수 . AC τ (τ = RC = 1/(2*pi*fc), fc: ) 이 현재 상태의 1/e 즉 36.8 %로 이동하는 시간임

수신회로 구조의 imbalance 요소 특성 분석을 위한 신호의 적용시 시험 결과 I/Q AC-Coupling 의 컷오프 주파수로 인한 의 스텝 응답은 최대 값의 이내에 도달하려면 . 0.03 Hz τ 10% 2.3 × 또는 12.2 초가 요구됨 τ 수신회로 구조의 요소 특성 분석을 위한 신호의 적용시 시험 결과에 . imbalance I/Q AC-Coupling

서는 RCS의 움직임에 따라 AC커플링의 결과로 인해 느리게 시정수 영향( ) 원점으로 복귀하는 것이 관찰됨 최대 값의 이내로 도달하려면 또는 초가 필요함 피사체의 불규칙한 움직임 . 1 % 4.6 × τ 24.4 . 또는 클러터 (clutter)조차도 일반적으로 1000V/V 정도의 큰베이스밴드 이득으로 인해 DC 오프 셋이 크게 변경됨 이러한 변화는 및 신호에서 급격한 스텝펑션 으로 간주되어 사용 가능한 신호 . I Q (step function) 를 사용할 수 있기 전에 큰 안정 시간이 소요됨 켄슬러의 목적은 최소한의 시간 지연 왜곡 및 잡음으로 쿼드러처 시스템의 및 출력의 . DC , I Q 성분을 깨끗하게 제거하는 것임 켄슬레이션 시스템은 또한 변화하는 오프셋을 보 DC . DC DC 상할 필요가 있음 수신회로 구조의 요소 특성화 분석을 위한 시험환경에서는 출력의 전압레벨을

. I/Q imbalance I/Q

수신회로 구조의 I/Q imbalance 요소 특성화 분석을 위한 시험환경

초고주파의 비접촉 생체신호 감지의 가 에 미치는 영향 분석

- Amplitude, Phase imbalance Ellipse

초고주파의 비접촉 생체신호 감지의 가 에 미치는 영향에 대

. Amplitude, Phase imbalance Ellipse

한 분석은 생체 신호 모니터의 경우 a) 진동하는 반사체의 공칭 변위 가슴 운동을 나타내는 의 ( ) 점진적인 변화 b) 이동하는 물체가 레이더 환경에 도입됨으로써 야기된 환경적 변화 에 대한 연구수행이 요구되므로 본 연구에서는 환경DC-Offset과의 I/Q imbalance의 회로적 특성요소와 함께 분석을 진행함 오프셋의 점진적인 베이스 레벨 시프트는 예를 들어 노이즈 또는 주변 온도 변화로 . DC ( , 1/f 인한) 저주파수 잡음 효과로 인해 레이더 관측 또는 전압 드리프트에서 느리게 움직이는 물체 일 가능 성이 있음 환경에 의한 클러터 잡음을 발생시키는 정지 된 물체는 갑자기 움직여 복잡한 공간에서 큰 . IQ 회전 벡터로 표시되거나 I 및 Q 채널에서 DC 오프셋의 갑작스러운 변화로 나타날 수 있음 수신회로 구조의 요소 의 주파수별 특성 변화 시험결과에서는 는

. I/Q imbalance DC-offset Q

이후 증가에서는 큰 변화를 보이지 않았으나 는 이후에 선형적인 감소경향이

24.17GHz , I 23.9GHz

관측됨

제거 알고리즘기반 웨어러블 쿼드러처의 회로 구조설계

2) imbalance Balancing

쿼드러처 채널 제거 및 최적 회로설계 및 시뮬레이션

- imblance Filter & Gain

쿼드러처 채널 제거 및 최적 회로설계 및 시뮬레이션을 진행하기 위하 . imblance Filter & Gain

여 Balancing 회로 구조설계의 베이스밴드 회로 시뮬레이션을 수행함 신호가 디지털화되기 전에 원하는 신호에 대역외 간섭 없도록 저역 통과 필터링을 수행해야 . 함. 2종류의 회로를 시뮬레이션하고 특성 차이를 비교함 회로 구조설계 시뮬레이션에서 평평한 특성구간과 봉우리 특성구간으로 나누어 차 . Balancing 2 년도에 직접 회로를 구현하여 Motion Artifacts 에뮬레이션과 연동하여 특성을 구분하는 시험을 진행하고자 함 회로 구조설계를 위한 베이스밴드 회로 시뮬레이션 Balancing 의 최하위 비트가 너무 작아 심장 신호를 해석 할 수 없는 경우 신호는 심장 신호를 분석 . ADC , 할 수 있는 수준으로 증폭되어야 함 이 충분히 커서 나 를 포화 시키면 증폭 이전 또는 동시에 을 제거

. DC-offset Amp ADC DC-offset

해야함

회로 구조설계를 위한 기반의 베이스밴드 회로 시뮬레이션에서는 성

. Balancing AC coupling DC

분을 초반부터 제거를 하는데, 실제 회로의 검증특성에서는 Wearable Radar 어플리케이션의 경우 중요한 DC성분이 제거되어 적합하지 않은 것으로 판단 되었음

회로 구조설계를 위한 기반의 베이스밴드 회로 시뮬레이션 Balancing AC coupling 신호 진폭이 의 풀 스케일 전압보다 상당히 낮으면 신호는 일반적으로 의 전체 해상도 . ADC ADC 를 활용하기 위해 Full range 레벨 가까이로 증폭되어야 함 신호의 진폭이 시간과 환경에 따라 크게 변할 때 일반적으로 게인 제어 증폭기가 신호의 진폭 . 을 미세 조정하여 전체 스케일 전압에 가깝게 유지하도록 함 증폭 및 앤티 앨리어싱 필터링과 를 제거하지 않고 분해능이 충분하지 않은 경우 . DC ADC DC 차단이 포함되어야 함. 모듈의 출력은 차동출력이며 차동에서 단일 종단으로의 변환은 아날로그 영역에서 수행함 . WR , . 회로 구조설계를 위한 와 기반의 베이스밴드 회로 시뮬레이

. Balancing No AC coupling Gain up

션 에서는 DC-Offset은 일반적으로 1 ~ 50mV 범위이며, DC-Offset을 제거하지 않으면 40dB 미만의 게인이 요구됨. Wearable Radar의 경우 초 근접한 환경이므로 최적화된 게인 설계가 요구됨

회로 구조설계를 위한 와 기반의 베이스밴드 회로 시뮬레이션 Balancing No AC coupling Gain up

회로 적용을 위한 의 회로구조 시뮬레이션과 기본 특성 비교에서는

. Balancing OPA376 OPA376

을 이용한 AGC회로 구성에 관해서 검토를 진행함 자동 이득 제어 회로 는 신호의 진폭을 제어하여 의 풀 스케일 전압에 가깝게 유지하 . (AGC) ADC 도록 하며, 입력 신호 진폭이 시간과 환경에 따라 달라지더라도 신호의 분해능을 극대화 함 회로 적용을 위한 의 회로구조 시뮬레이션과 기본 특성 비교 Balancing OPA376 회로 구조설계를 위한 과 시뮬레이션 특성시험에서는 심장 신호는 . Balancing DC Block Cap Bias

회로 구조설계를 위한 과 시뮬레이션 특성시험에서는 극성이 없는 . Balancing DC Block Cap Bias

커패시터만을 사용하여 설계 및 시뮬레이션을 진행 하였음.

회로 구조설계를 위한 과 시뮬레이션 특성시험 Balancing DC Block Cap Bias

에 따른 쿼드러처 채널 켈리브레이션 알고리즘 구조설계 - Multi-Frequency

에 따른 쿼드러처 채널 켈리브레이션 알고리즘 구조설계가 가능하도록 하고

. Multi-Frequency ,

특성 수집 알고리즘 개발 분석 수신회로 구조의

Motion Artifact , , DC-offset impairment ,

요소 특성화 분석 및 쿼드러처의 회로 구조설계를 위해 개발된 시제품 플 imbalance , Balancing

랫폼 종3 (WR-DV보드, WR-DAQ-DV보드, BGT24L-DAQ-DV보드 을 개발함)

보드 모듈 지원 및 회

. WR-DV : Ethernet, SMT32F7, UART(USB Serial), Wearable Radar , BaseBand 로 교체가 가능하고, 개발된 알고리즘을 STM32F7 MCU에 펌웨어 형태로 적용이 가능함

보드 모듈 사용 를 통하여 칩과 칩 을 제어하

. WR-DAQ-DV : Wearable Radar , DAQ-SPI , BGT PLL 고, MATLab 에서 I/Q값을 읽어 알고리즘 개발이 용이함

보드 모듈 탑재가능 개발된 및 회로의 적용

. BGT24L-DAQ-DV : BGT24LTR11 EVM , OP-AMP Filter

및 시험 가능, MCU등 프로세서 인터페이스 가능, DAQ와 연동하여 Matlab에서 알고리즘 개발 가능

특성 수집 알고리즘 개발 분석 Motion Artifact , , DC-offset impairment ,

수신회로 구조의 imbalance 요소 특성화 분석, 및

쿼드러처의 Balancing 회로 구조설계를 위해 개발된 시제품 플랫폼 종3

개발된 알고리즘 검증용 모듈 및 측정에서는 가 회로설

. Wearable Radar(WR) Phase Noise ETRI

계를 진행하고 보드레벨의 임피던스 매칭 시뮬레이션은 PCB제작업체와 공동으로 진행후 알고" 리즘 개발 검증을 위한 초고주파 회로의 Build-up과 Not PTFE재질의 PCB제조공정이용 보드제 작 을 통하여 보드모듈을 제작함"

개발된 알고리즘 검증용 의 측정시 중요한 성능지표인 측정에

. Wearable Radar(WR) Phase Noise 서는 -66.33dBc/Hz @ 100kHz 로 측정되어 차년도 목표를 달성하였음1

개발된 알고리즘 검증용 Wearable Radar(WR) 모듈 및 Phase Noise 측정

웨어러블 쿼드러처 수신회로 구조의 최소화를 위한 비선형성 개선 및

. imbalance

측정은 각 에 대해 측정된

FMCW-INL(Integral Non-Linearity) LFM Best-fit FM Pk-Dev Dev

에 대한 의 백분율 비율로 측정된 주파수 슬로프 비선형성 오

(Hz) Best-fit FM Error Peak (Hz) 류를 나타냄

개발된 모듈은 국외제품대비 약 배 이상의 비선형성 성능이 개선된 것으로 측정됨

웨어러블 쿼드러처 수신회로 구조의 imbalance 최소화를 위한 비선형성 개선 및 FMCW-INL 측정 라) 인체근접 안테나 전파특성 및 근접 안테나 연구 주파수별 인체에 의한 전파특성 시뮬레이션 안테나 기초 샘플 구현 1) , 인체조직의 전기적 특성 연구 및 인체 부위별 인체근접 접촉 환경 연구 -



_

_{   }

 



_

  



_

 





_





_

  



_

 

 복소분수유리함수 분산 알고리즘 피부의 상대유전율 지방의 상대유전율 근육의 상대유전율 뼈의 상대유전율 허파의 상대유전율 힘줄의 상대유전율 심장의 상대유전율 혈관의 상대유전율 소장의 상대유전율 복소분수유리함수 분산 알고리즘을 이용한 인체 조직의 곡선결합 결과

고려하기 위해서는 수치적 분산알고리즘이 요구되며, 다양한 분산알고리즘 중 유한차분시간영 역 수치해석 기법에 효율적으로 적용할 수 있는 복소분수유리함수 분산알고리즘을 이용하여 다 양한 인체조직의 분산특성을 모델링함. 인체의 흉부 손목 부위에 대한 인체근접 접촉 환경 연구를 위해 상용화된 인체 팬텀 중 . , , Duke 모델을 이용하여 각 부위에 대한 구조 단면을 추출하여 이를 기반으로 유한차분시간영역법 해 석을 위한 차원 구조를 모델링하여 해석을 수행하였으며1 , 각 해석을 통해 심장박동에 의한 각 부위의 수축, 팽창 운동을 분석함. 마이크로 도플러 관점에서 신호의 변화는 심장박동에 의한 심장의 움직임이 아닌 심장박동에 의한 피부의 움직임에 의한 것으로 판단됨. 심장박동에 의한 흉부의 수축, 팽창 운동으로 인한 피부에서 반사되는 신호 흉부에 의해 반사되는 신호 수축 ( vs. 팽창) 심장박동에 의한 손목의 수축, 팽창 운동으로 인한 피부에서 반사되는 신호 손목에 의해 반사되는 신호 수축 ( vs. 팽창) 인체근접 안테나 전파 특성 연구 - 제안된 배열 안테나 송수신 구조를 상용화된 인체팬텀 모델에 적용하여 인체근접 . 4×1 DUKE 안테나 전파 특성 연구를 수행하며, 이를 위해 인체의 전자파 해석에 많이 사용되고 있는 해석 툴을 이용함 Sim4life . 모델의 흉부 복부 손목 부위를 구성하는 다양한 조직들은 에 대한 조직의 전도 . DUKE , , 24 GHz 도와 상대유전율, 손실탄젠트를 고려하였으며, 이를 기반으로 파장은 2.6 mm, 침투깊이는 0.11 를 설정함 mm .

흉부에 부착된 안테나 복부에 부착된 안테나 손목에 부착된 안테나 팬텀의 각 부위에 부착된 안테나 Duke 흉부 해석을 수행한 복셀 구조 흉부에 부착된 안테나의 S-parameter 흉부로부터 반사되는 신호 크기( ) 흉부로부터 반사되는 신호 위상( ) 입체 방사패턴 안테나가 부착된 흉부 해석 구조 및 모의실험 결과

손목 해석을 수행한 복셀 구조 손목에 부착된 안테나의 S-parameter

손목로부터 반사되는 신호 크기( ) 손목로부터 반사되는 신호 위상( ) 입체 방사패턴 안테나가 부착된 복부 해석 구조 및 모의실험 결과

2) 근접장에서의 인체와 안테나 간 접촉 환경과 격리도 확보 시뮬레이션 및 개 이상 타입 안테나 설계2 배열 송수신 안테나 윗면 2×2 ( ) 배열 송수신 안테나 2×2 아래면 ( ) 커넥터를 연결한 배열 송수신 안테나 2×2 측정 모의실험 S-parameter ( vs. ) xz, yz 평면 방사패턴 측정 ( vs. 모의실험) 프린터를 이용해 제작된 안테나 덮개 및 안테나 덮개와 커넥터를 연결한 3D 배열 송수신 안테나 2×2 측정 모의실험 S-parameter ( vs. ) xz, yz 평면 방사패턴 측정 ( vs. 모의실험) 제안된 2×2 배열 안테나 구조의 측정 결과

대역 에서 동작하는 배열 안테나 송수신 구조를 제안하 . 24 GHz ISM (24 ~ 24.5 GHz) 2×2, 4×1 고 이에 대한 모의실험 및 측정을 진행함. 안테나 크기는 명함 크기(88 mm × 54 mm)를 넘지 않으며, 안테나 설계에 사용된 기판은 두께 0.254 mm의 Rogers RO4350B(



_

 

,

tan  

)이며, 후방방사를 최소화하기 위하여 기판 아랫면은 도체로 설정하고 커넥터 는 연결 시 발생하는 내구성 문제를 해결하기 위해 히로세 사의 HK-LR-SR2 제품을 이용함. 격리도 개선 구조를 추가한 배열 송수신 안테나 2×2 안테나 덮개와 커넥터를 연결한 배열 송수신 안테나 2×2 안테나 덮개와 결합하지 않은 구조의 측정 모의실험 S-parameter ( vs. ) 안테나 덮개와 결합하지 않은 구조의 xz, yz 평면 방사패턴 측정 ( vs. 모의실험) 안테나 덮개와 결합한 구조의 S-parameter (측정 모의실험 vs. ) 안테나 덮개와 결합한 구조의 xz, yz 평면 방사패턴 측정 ( vs. 모의실험) 격리도 구조를 추가한 2×2 배열 안테나 구조의 측정 결과

배열 송수신 안테나 윗면 4×1 ( ) 배열 송수신 안테나 4×1 아래면 ( ) 커넥터를 연결한 배열 송수신 안테나 4×1 측정 모의실험 S-parameter ( vs. ) xz, yz 평면 방사패턴 측정 ( vs. 모의실험) 프린터를 이용해 제작된 안테나 덮개 및 안테나 덮개와 커넥터를 연결한 3D 배열 송수신 안테나 4×1 측정 모의실험 S-parameter ( vs. ) xz, yz 평면 방사패턴 측정 ( vs. 모의실험) 제안된 4×1 배열 안테나 구조의 측정 결과