근거리 수중 광무선 통신을 위한 주파수 변조 기반 오디오 전송 시스템 연구
김연주1․손경락†
(원고접수일：2011년 9월 14일, 원고수정일：2011년 11월 4일, 심사완료일：2011년 11월 4일)
A study on the Frequency Modulation-based Audio Transmission System for Short-range Underwater Optical Wireless Communications
Yeon-Joo Kim1․Kyung-Rak Sohn†
요 약 : 본 논문에서는 가시광 LED를 이용한 근거리 수중 광무선 통신 기술을 제안하였다. 수중 통신을 위한 기존 음향 시스템의 대안으로 부상하는 가시광 LED 통신은 고품질의 높은 통신 속도를 보장한다.
수중에서 근거리 통신을 위하여 주파수 변조 방식을 적용한 광 무선 오디오 시스템을 개발하였으며 CD4046B 위상잠김루프를 이용하여 주파수 변조와 복조 회로 부분을 구현하였다. 수조내에서 송신단과 수신단을 30 cm 떨어뜨린 후 100 kHz의 변조 중심 주파수에서 오디오 신호를 전송하여 성공적으로 수신 됨을 확인하였다.
주제어 : 광 무선통신, 주파수 변조, 가시광 통신, 수중 통신
Abstract:
In this paper, short-range underwater wireless communication technique using visible LEDs is proposed. As an alternative to conventional acoustic system, visible LED communications show high quality and high speed data transmission characteristics. We design a frequency modulation-based optical wireless audio transmission system. The CD4046B phase-locked loop device is applied to implement the frequency modulation and demodulation. With a transmission modulation of 100 kHz, audio signal has successfully received at a transmission distance of 30 cm.Key w ords:
optical wireless communications, frequency modulation, visible communications, underwater communications†교신저자
(
한국해양대학교 전자통신공학과, E-mail: [email protected], Tel: 051-410-4312) 1
한국해양대학교 대학원 전자통신공학과1. 서 론
최근에 들어 LED는 반도체 기술의 발전으로 인 해 기존의 조명시설을 대체할 수 있는 친환경 기 술로 주목받고 있다. 기존의 형광등에 비하여 4∼5 배의 긴 수명과 최소 30% 이상의 에너지 절감효과 를 기대할 수 있게 되었다. 그러나 가격면에서는 기존 조명이 아직까지 10배 이상 저렴하여 LED 조 명 보급이 활발하지 못한 실정이다. LED의 또 다 른 원천적인 특징은 저 전력으로 스위칭 되는 디
지털 소자이며 수백 kHz 이상의 빠른 응답특성을 보인다는 것이다. 이러한 특징은 LED를 조명뿐만 아니라 통신용 광원으로 활용할 수 있음을 보여준 다[1-2]. 조명에 통신기능을 융합하여 서비스 할 수 있는 모델을 개발한다면 LED 조명보급이 활성화 될 수 있을 것으로 예측하고 있다. 현재 가시광 영 역의 파장(400~700nm)을 가지는 백색 LED를 이용 하여 눈이 감지하지 못할 정도의 속도인 100 Hz 이상으로 점멸시켜 정보를 보내는 가시광 통신기
술은 가시거리 구간에서만 직접 전송이 되므로 보 안성이 높으며, 인체 유해 논란이 있는 전자파와는 달리 친환경적이라는 장점이 있다[3].
가시광 LED 무선통신은 2001년 일본의 게이오 대학에서 처음 연구되어졌으며, 이를 바탕으로 2003년 Casio, Toshiba, Sony, NEC, SHARP 등의 업 체가 참여한 가시광 무선통신 컨소시움이 결성되 었고 관련 통신 표준을 주도하기 시작하였다[4]. 유 럽의 경우 2008년 옥스퍼드 대학과 프랑스 텔레콤 을 중심으로 기가비트 서비스를 위한 OMEGA 프 로젝트를 진행하면서 Mbps급의 실내 가시광 통신 연구 결과를 발표하였다[5]. 미국은 2007년 이후 국 가 프로젝트의 일환으로 보스톤 대학에 Smart Lighting Center를 유치하였고[6], UC Riverside에는 UC-Light Center를 유치하여 관련 연구를 수행하고 있다[7]. 우리나라의 경우 ETRI, 한국광기술원, 삼 성전자 등에서 연구결과를 발표하고 있다[8].
본 연구에서는 기존의 실내 LED 조명통신을 육 상이 아닌 수중환경에서 통신이 가능한 시스템[9]
으로 구현하고자 하였다. 기존의 수중 음향 통신은 감쇄로 인하여 수십 kbps이상의 데이터 통신은 어 려운 실정이다. 그러나 가시광 LED 를 이용한 본 연구에서는 아날로그 오디오 신호를 수중에서 통 신이 용이한 형태로 변조하기 위하여 100 kHz의 전압제어발진기를 이용한 주파수 변조 방법을 적 용하여 통신을 수행하였다.
2. 시스템 설계
수중환경에서 오디오 전송을 구현하기 위하여 제안한 가시광 통신시스템의 구성도는 Figure 1과 같다. 입력된 오디오 신호는 증폭단에서 일차 증폭 을 거친 후 전압제어발진기를 이용하여 아날로그 신호의 크기에 비례하는 주파수 변조를 수행한다.
주파수 변조된 신호는 LED를 구동하여 전기적인 오디오 신호가 광 신호로 전환되어 임의의 채널을 통해 전송될 수 있게 한다. 수신단에서는 포토다이 오드를 이용하여 전송된 LED신호를 검출하며 증폭 기를 통하여 일정한 수준의 신호 준위로 만든다.
증폭된 신호에 포함된 노이즈 성분을 제거하고 주 파수 변조된 원 신호를 재현하기 위하여 비교기를
Figure 1: Block diagram of the optical transmitter
and receiver for audio transmission under water.통과한다. 위상잠김루프를 이용하여 주파수 복조하 게 되면 최종단에 연결된 스피커에 음원이 재생된다.
2.1 송신부
Figure 2는 CD4046B를 이용한 오디오 신호 전송 을 위한 송신단의 회로도를 보여준다. 입력된 오디 오 신호는 LM386 오디오 증폭기와 입력단의 가변
Figure 2: Circuit diagram of optical transmitter.
저항에 의해 적절히 증폭되어 CD4046B의 9번 핀 으로 입력되면 전압제어발진에 의한 신호로 바뀌 어 4번 핀으로 출력된다. 11번 핀에 연결된 가변저 항으로 중심주파수를 제어할 수 있다. 출력된 전압 제어발진 신호는 인버터를 통해 LED로 연결이 된 다. 인버터는 LED 구동에 필요한 충분한 전류를 공급하기 위해 사용하였다. LED는 수중통신을 위 하여 3W의 고출력 파워 LED(PP00W-8L63-Star, PHOTRON) 를 적용하였다.
Figure 3는 입력신호의 세기에 따라 주파수 변조 된 출력 파형을 보여준다. 변조된 출력파형은 CD4046B 11번 핀에 연결된 가변저항으로 고정된 중심 주파수를 기준으로 입력 전압에 비례하여 주 파수가 가변되는 전압제어발진기의 특징을 보인다.
Figure 3: Frequency-modulated output waveform
(lower) to the change of input power (upper).2.2 수신부
Figure 4는 CD4046B의 위상잠김루프를 이용한 복조회로이다. 포토다이오드(SFH213, OSRAM)에 수신된 주파수 변조된 신호는 LM386에서 증폭된 후 LM2901 저 전력 전압비교기로 입력되어 잡음 이 제거된 파형으로 복원되고 다시 주파수 변조 된 신호의 복조를 위하여 CD4046B의 14번 핀으 로 연결된다. 이때 11번 핀에 연결된 가변저항을 통해 복조신호의 중심주파수를 조절 할 수 있으 므로 송신단의 변조 주파수와 일치하게 조절한다.
복조된 신호는 2단 증폭기를 통해 스피커로 전달 된다.
3. 실험결과 및 고찰
Figure 5는 수중통신을 위한 실험 구성도를 보여 준다. 실험의 편의를 위하여 LED 광원과 포토다이 오드 부분만 수조(50×27×35 cm3)에 침수될 수 있도 록 구성하였다. 수조에 민물을 30 cm정도의 높이로 채우고 광원과 포토다이오드 부분만 수조 바닥에 설치한 후 일정거리 띄운 상태에서 통신실험을 수 행하였다.
Figure 4: Circuit diagram of the optical receiver.
가시광 통신에 있어서 LED 광원의 발산각과 포 토다이오드의 수광각은 수신율에 매우 민감한 영 향을 미친다. 일반적으로 광원과 수광 소자가 일직 선일 경우 최적의 통신성능을 보장하지만 어긋날 경우 수광 전력이 급속히 감소하므로 수신감도가 떨어진다. 수광 소자로 사용한 SFH213의 경우 Figure 6와 같이 수광각이 ±10°내외로 매우 작다.
만약 LED 광원의 발산각이 커고 수신기와의 거리 가 점점 멀어진다면 수신 효율은 지수 함수적으로
Figure 5: Photograph of experimental setup
Figure 6: Directional characteristics of SFH213
Figure 7: LED and PD modules with lens
감소하는 경향이 있다. 본 연구에서는 이러한 문 제점을 Figure 7과 같이 콜리메이터 렌즈를 LED와 포토다이오드에 부착함으로써 광 효율을 높여 해 결하였다.
Figure 8은 LED 구동 회로의 시간응답특성을 보 여준다. 수광 소자인 SFH213은 5 ns의 응답시간 특 성을 보이므로 200 MHz의 넓은 주파수 대역폭을 제공한다. 백색 LED는 청색 LED 칩의 상부가 인 (P, phosphorus)으로 채워진 구조이므로 반응속도가 느린 것으로 알려져 있다. 100 kHz의 변조 주파수 에 대한 시간응답특성은 Figure 8 (a)와 같이 완벽한 출력 파형을 보여준다. 250 kHz 변조 주파수에서는
Figure 8(b)의 실험결과와 같이 신호왜곡 현상이 약 간 일어나고 있으며 300 kHz에서는 Figure 8(C)와 같이 복조된 신호가 원 신호와 달라짐을 알 수 있
(a)
(b)
(c)
Figure 8: Temporal responses to the change of input
frequency. (a) 100 kHz, (b) 250 kHz, and (c) 300 kHz다. 본 연구에서는 안정적인 오디오 전송을 위하여 송신단의 전압제어발진 주파수를 100 kHz로 설정 하여 LED를 스위칭 하였다.
자유공간에서 가시광에 의한 오디오 통신 실험 결과는 Figure 9에 나타내었다. Figure 9 (a)는 10 kHz의 삼각파형 입력에 대한 수신단의 주파수 복 조 능력을 보여준다. 이때 광원과 수신단간의 거리 는 35 cm이다. 1 V의 입력신호 준위를 가진 삼각 파형이 수신단에서 잡음 없이 증폭기를 통해 5 V 의 신호 준위를 가지는 파형으로 복원됨을 알 수 있다.
동일한 환경에서 오디오 신호로 임의의 음악 파 형이 입력되었을 때 재생정도를 Figure 9 (b)에 나 타내었다. 입력 신호파형과 100 kHz로 주파수 변조 를 통해 통신된 후 복조된 신호간의 차이를 발견 할 수 없을 정도로 완벽하게 재현됨을 알 수 있다.
(a)
(b)
Figure 9: Oscilloscope output measured in the free
space for (a) triangular and (b) real audio input signal.Figure 10은 수조의 수중환경에서 측정된 가시광 통신 특성을 보여준다. Figure 10 (a)는 자유공간과 마찬가지로 광원과 수신단간의 거리가 35 cm인 상 태에서 10 kHz의 삼각파형 입력에 대한 수신단의 복조 능력을 측정하였다. 자유공간에서의 가시광 통신 결과인 Figure 9 (a)와 비교하였을 때 출력신 호에 왜곡현상이 있음을 알 수 있다. 이것은 공기 (n=1.0) 보다 높은 굴절률을 가지는 물 (n=1.33)에서 광 신호의 감쇄와 산란이 크게 일어남을 의미한다.
수중에서 임의의 음악파형이 전송되었을 때 측정 된 신호는 Figure 10 (b)에 나타내었다. 입력 오디 오 신호가 100 kHz 주파수 변조를 통해 수중의 근 거리에서 충분히 통신이 가능함을 보여준다.
Figure 9와 Figure 10의 실험결과를 비교 분석하 면 장거리로 갈수록 또는 변조 주파수가 높아질수
(a)
(b)
Figure 10: Oscilloscope output measured in
underwater for (a) triangular and (b) real audio input signal.록 수중통신이 자유공간 통신보다 성능이 떨어짐 을 알 수 있다. 변조 주파수 250 kHz에서 최대 통 신 가능한 거리를 측정한 결과 자유공간에서 35 cm까지 통신이 가능했으며 수중에서는 30 cm 까지 통신이 가능함을 확인하였다. 통신거리를 늘리는 방안으로 광원의 세기를 높이거나 포토다이오드의 민감도를 향상시키는 것이 있고 또는 변조 주파수 를 낮추는 것이다. 적용하고자 하는 분야에 따라 발광소자와 수광소자의 적절한 조합이 필요함을 알 수 있다[9].
4. 결 론
본 논문에서는 조명용 백색 LED를 이용하여 수 중통신 시스템을 구성하여 통신 성능을 측정하였 다. 전압제어발진 회로를 이용한 주파수 변조 방식 으로 오디오 데이터를 전송하였으며 수신단에서는 위상잠금루프를 이용한 주파수 복조 회로로 오디 오 신호를 재생하였다. 250 kHz의 변조 주파수에서 수중에서는 30 cm 까지 데이터 전송이 가능함을 실험적으로 관측하였다. 수중통신에서 충분한 통신 거리를 확보하기 위해서는 자유공간에서 요구하는 광원보다 높은 광 전력이 요구되며 수신기의 감도 또한 개선되어야 할 것이다. 수중 에서 수백 kbps 급의 고속 통신을 위한 대안으로 가시광 LED 통신 이 응용될 수 있을 것으로 기대한다.
후 기
이 논문은 2010년도 정부(교육과학기술부)의 재 원으로 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 것임(2010-0005454).
참고문헌
[1] 손경락, “CAN 기반 LED 가시광 통신 시스템 구현”, 한국마린엔지니어링학회지, 제35권, 제1 호, pp. 102-107, 2011.
[2] 계광현, 손경락, “가시광 LED를 이용한 양방향 무선통신 시스템 연구”, 한국마린엔지니어링학 회지, 제34권, 제6호, pp. 852-857, 2010.
[3] T. D. C. Little, P. Dib, K. Shah, N. Barraford, and B. Gallagher, Using LED Lighting Ubiquitous
Indoor Wireless Networking”, MCL Technical Report, No. TR-05-20-2008, pp. 1- 13, 2008.
[4] http://www.vlcc.net
[5] D. C. O’Brien et al, “Visible light communications:
challenges and possibilities”, Proc. PIMRC'2008.
pp. 1-5, 2008.
[6] http://www.bu.edu/smartlighting/
[7] http://www.uclight.ucr.edu/
[8] 김대호, 임상규, 강태규, “LED 조명통신 융합 가시광 무선통신 응용 서비스 모델”, 정보와 통 신, pp. 3-9, 2009.
[9] J.W. Giles and I. N. Bankman, “Under water optical communications systems. Part 2: Basic design considerations”, Military Commun.
Conference vol. 3, pp. 1700-1705, 2005.
저 자 소 개
김연주(金連株)
2011년 한국해양대학교 전자통신공학 과(공학사). 2011년 3월～현재 한국해 양대학교 전자통신공학과 석사과정. 관 심분야: 가시광통신, 수중광통신망
손경락(孫慶洛)
1992년 경북대학교 전자공학과 (공학 사), 1995년 경북대학교 전자공학과(공 학석사), 2002년 경북대학교 전자공학 과(공학박사), 1995년 - 1999년 현대자 동차(연구원), 2006년 - 2007년 UNSW 방문교수, 2003년 - 2011년 11월 현재 한국해양대학교 전자통신공학과(부교 수). 관심분야: 광센서, 가시광 통신, 수중광통신망
