A Visible Light Communication Repeater Using an LED Lamp

http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2016.25.3.189 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563

LED 조명등을 이용한 가시광통신 중계기

이성호⁺

A Visible Light Communication Repeater Using an LED Lamp

Seong-Ho Lee⁺

Abstract

In this paper, we newly introduce a visible light communication (VLC) repeater using the LED array in an LED lamp. The LED array is used for a light source in the repeater, which radiates light both for illumination and data transmission. A VLC repeater is made by adding some electronic circuits to the LED array including a photodetector, a demodulator, and a modulator. The repeater is installed on the ceiling of a room like a conventional LED lamp, receives the VLC signal from an arbitrary transmitter, recovers data, and radiates the signal to wide area in the room. We used a carrier frequency of 100 kHz for the uplink from a transmitter to the repeater, and 500 kHz for the downlink from the repeater to a receiver. The repeater is useful for increasing the transmission path to wide area over the obstacles that may exist between VLC transmitters and receivers.

Keywords: Visible light communication, VLC repeater, LED lamp, LED array, Carrier frequency

1. 서 론

최근에 들어 발광다이오드(LED: light emitting diode)의 제조 기술이 발전하면서 고출력의 가시광 LED가 다양하게 개발 · 생 산되고 실내에서는 LED조명등이 기존의 형광등이나 백열등을 대체해가고 있으며, 실외에서는 가로등, 전광판, 신호등 및 자동 차 조명과 같은 다양한 분야에 LED의 사용이 증가하고 있다.

LED 는 기존의 백열등이나 형광등에 비하여 수명이 길고, 에너 지 변환효율이 높으며, 기계적으로도 안정하여 취급하기에 편리 한 장점을 가지고 있다. 또한 LED출력광이 전기적으로 고속 변 조가 가능하여 한 개의 LED 조명등을 이용하여 조명과 무선통 신의 기능을 겸하는 가시광통신(VLC: visible light communication) 기술이 발전하고 있다[1-4].

이러한 가시광통신은 조명 빛을 이용하여 조명과 통신을 겸 하기 때문에 기존의 통신 시스템과 달리 설계과정에서부터 중 요하게 고려해야 할 사항이 있다. 첫 번째로, 가시광통신은 자

유공간을 전송매체로 사용하므로 LED 신호광 이외에 주변에 설치된 형광등 또는 백열등과 같은 기존의 조명시설로부터 발 생하는 잡음광이 수신부에 유입되는 경우가 있다. 이러한 환경 에서는 잡음이 신호성분과 간섭을 일으키고 전송과정에서 성능 저하가 발생할 수 있기 때문에 잡음광의 영향을 소거하기 위한 방법이 필요하다. 두 번째로, 가시광통신에서 사용하는 광원이 안정된 조명의 역할도 충실히 수행해야 하므로 데이터의 전송 시 평균전력의 변화로 인한 깜박거림 현상 (flickering)이 발생 하지 않고 일정한 조명상태를 유지할 수 있도록 시스템을 설계 하여야 한다.

이와 같은 외부의 잡음광의 영향이나 깜박거림 현상은 기존 의 형광등이나 백열등에서 발생하는 120 Hz의 전원잡음보다 훨 씬 높은 캐리어 주파수를 사용하여 LED를 ASK (amplitude shift keying) 또는 FSK (frequency shift keying) 변조함으로써 쉽게 방지할 수 있다[5].

세 번째로, 가시광통신에서는 일반적으로 조명광이 직접 전달 되는 가시거리에서 신호를 수신하므로 송신부와 수신부 사이에 빛을 차단하는 장애물이 설치되어 있는 경우에는 통신경로가 막 힐 수 있다. 따라서 전송구간에 이러한 장애물이 존재하는 경우 에는 이를 극복하여 신호를 전달하기 위한 새로운 방법이 필요 하다. 이와 같이 신호광이 직진하는 가시거리를 넘어서 가시광 신호를 전달하기 위한 방법으로 가시광통신과 전력선통신을 결 합한 통신방식이 최근에 소개되었다[6].

본 논문에서는 실내에서 가시광 전송구간에 장애물이 존재하 는 경우에 실내의 천정에 설치된 LED 조명등을 중계기로 활용

IT Media Engineering, Seoul National University of Science and Technology) 232 Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul 139-743, Korea

+Corresponding author: [email protected]

(Received: Apr. 2, 2016, Revised: May. 10, 2016, Accepted: May. 31, 2016)

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하여 장애물 너머로 신호광을 전송할 수 있는 새로운 방법을 소 개한다. 이러한 VLC 중계기(repeater)는 LED 조명등을 구성하 는 LED 배열(array)의 중간에 1개의 광검출기를 설치하고 신호 광을 수신하여 원신호를 복구한 후 다시 LED 배열을 구동함으 로써 LED 조명이 도달하는 실내의 전 구간에서 가시광 신호를 수신할 수 있도록 고안된 구조이다. 실내의 천정에 부착된 LED 조명등의 높이는 일반적으로 칸막이나 책장, 캐비넷과 같은 실 내의 장애물보다 더 높은 위치에 설치되어 조명하므로, 이러한 중계기를 경유하여 전송하면 장애물을 넘어서 실내의 전체 영 역으로 전송구간을 확장할 수 있다. 이러한 구조는 실내에 가시 광을 이용한 무선전송 시스템을 새로이 구축하거나 기존의 가 시광통신 영역을 장애물 너머로 확장하는 데에 매우 유익하게 이용할 수 있다.

2. VLC중계기를 경유한 가시광 전송

실내에서 VLC를 이용하여 무선 전송하는 경우에 송신부와 수신부가 서로 가시거리 내에 있으면 신호광이 송신부로부터 수 신부까지 직접 전송된다. 그러나 전송구간 사이에 책장이나 칸 막이 등과 같은 장애물이 존재하는 경우에는 신호광의 전송이 차단되어 직접 검출하기에 어려움이 생긴다. 이러한 환경에서는 천장에 부착된 LED 조명등을 이용하여 VLC 중계기를 구성하 면 장애물을 넘어서 실내의 전 구간으로 전송이 가능하다. 실내 에 설치된 LED 조명등을 VLC중계기로 활용하는 구조는 Fig.

1 과 같다.

Fig. 1 에서 보는 바와 같이, 송신부 (VLC transmitter) 에서는 ASK 변조된 신호광을 VLC중계기 (repeater) 쪽으로 송신한다.

VLC 중계기에서는 이 신호광을 수신하여 기저대역 (baseband) 신호를 생성하고 다시 ASK변조한 후, VLC중계기의 LED array 를 구동하여 수신부 쪽으로 신호광을 방사한다. 수신부(VLC receiver) 에서는 VLC 중계기로부터 보내온 신호광를 받아 원신 호를 복구하게 된다.

이와 같은 과정을 거쳐 송신부로부터 중계기를 경유하여 수 신부까지의 데이터 전송이 완료된다.

일반적으로 LED 조명등은 실내에서 제일 높은 위치인 천정 에 부착되어 있기 때문에 사무실내에서 대부분의 영역이 신호 광을 수신하기에 적절한 범위에 해당한다. 따라서 실내에 설치 된 책장이나 칸막이 등의 장애물에 의하여 신호광이 차단되지 않고 가시광 신호의 전송이 가능해진다.

3. LED 조명등을 이용한 VLC중계기 구조

VLC 중계기는 기존의 LED 조명등에 부가회로를 연결하여 만들 수 있으며 그 구조는 Fig. 2와 같다.

Fig. 2 에서 점선으로 표기된 (a) 부분은 부가회로 (added circuit) 이며 기존의 LED 조명등을 VLC 중계기로 활용하기 위하여 추 가된다. 부가회로는 광검출기 (photodetector: PD), 증폭기, ASK 복조기(demodulator), 그리고 ASK 변조기 (modulator)로 이루 어진다. Fig. 2 에서 (b) 부분은 기존의 LED 조명등 (lamp) 을 나타내며 일반적으로 여러 개의 LED로 이루어진 LED 배열 (array) 과 여기에 전류를 공급하기 위한 전류구동장치 (current driver) 로 구성되어 있다.

VLC 송신부로부터 ASK변조된 신호광이 중계기로 입사하면 이 빛은 광검출기(PD)에서 수신되어 복조기를 통과하면서 기저 대역 신호(baseband signal) 로 변환된다. 기저대역 신호는 다시 ASK 변조된 후 전류구동장치에 전달되고, LED 배열에 전류가 공급되어 신호광이 생성된다. LED배열에서 방사된 신호광은 VLC 수신부에 전달되어 원신호가 복구됨으로써 송신부로부터 중계기를 경유하여 수신부까지의 전송이 완료된다. 중계기에 설 치된 PD는 LED 배열내의 중간에 설치되므로 PD와 LED 사이 의 거리가 매우 근접하여 광전궤환(optoelectronic feedback) 에 의한 자체발진이 발생할 수 있다. 이러한 경우에는 LED의 변 조가 정상적으로 이루어지지 않으므로 이를 방지하기 위하여 중 계기에서 사용하는 캐리어 주파수를 송신부와 다르게 정하였 다. 실험에서는 송신부에서 100 kHz, 중계기에서 500 kHz의 주 파수를 사용하여 ASK변조하였다.

Fig. 1. Visible light transmission via a VLC repeater. Fig. 2. Block diagram of a VLC repeater.

LED 조명등에 가해지는 신호는 ASK 변조신호이므로 LED 의 신호가 있을 때와 없을 때 평균 광출력에는 변화가 없다. 따 라서 데이터 전송 중에 깜박거림 (Flickering)이 발생하지 않고 항상 일정한 상태의 밝기를 유지하므로 조명상태에 영향을 주 지 않는다. 중계기의 구성회로를 크게 두 부분으로 나누어 광검 출기와 복조기, 그리고 변조기와 전류원에 대하여 차례로 서술 하면 다음과 같다.

3.1 광검출기와 ASK 복조기

VLC 중계기 내부에 사용된 광검출기와 ASK 복조기 회로는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3에서 광검출기 (photodetector: PD) 부분은 광검출소자 인 포토트랜지스터(PTR)와 부하저항(R L ) 으로 이루어지며, 검출 전압을 높이기 위하여 증폭기를 사용하였다. ASK 복조기 (demodulator)는 100 kHz 중심주파수를 가지는 대역통과필터 (BPF), 진폭검출기(envelope detector), 그리고 판별회로(threshold circuit) 로 이루어진다[7]. 송신부로부터 중계기로 입사한 ASK 변조 신호광이 PD에 입사하면 이에 비례한 전류가 발생하며, 이 전류가 부하저항 R _L 에 흐르게 되어 신호전압이 발생한다. 이 신호는 증폭기를 통하여 ASK 복조기에 전달된다. 광검출기에 도달하는 빛이 송신부로부터 보내온 100 kHz ASK 신호광 이 외에도 주변에 존재하는 형광등이나 백열등과 같은 기존의 조 명시설로부터 발생하는 120 Hz의 잡음광이 존재할 수 있으나, 이들은 100 kHz의 대역통과필터(band-pass filter: BPF)를 통과 하면서 소거된다.

송신부로부터 보내온 100kHz 주파수를 가지는 ASK변조 신 호가 진폭검출기(envelope detector)와 판별회로(threshold circuit) 을 통과하면서 “0”과 “1”의 상태가 결정되어 ASCII코드에 해당 하는 디지털 신호전압이 출력된다. 이 신호는 송신부에서 보낸

데이터와 동일한 신호가 된다.

실험에서 사용한 광검출소자는 Kodenshi사의 포토트랜지스터 KST1-1KLA로서 부하저항 100 Ω에서 약 100 kHz의 수신대역 폭을 가진다. 증폭기로는 MC33272연산증폭기를 사용하였다. 대 역통과필터로는 중심주파수가 100 kHz인 Chebyshev 필터를 제 작하여 사용하였으며, 진폭검출기는 다이오드와 RC회로로 구성 하였다. 판별회로는 연산증폭기로 구성된 비교기 회로를 사용하였다.

3.2 ASK 변조기와 LED 전류원

VLC 중계기 내부에 사용된 ASK 변조기와 전류원의 구성도 는 다음 Fig. 4와 같다.

ASK 변조기(modulator)는 발진기(oscillator: OSC)와 아날로그 스위치(analog switch) 로 구성된다. 주파수 500 kHz 발진기의 출력을 아날로그스위치에 인가하고, ASCII코드형태의 기저대역 신호(baseband signal)를 enable(EN) 단자에 연결하여 ASK변조 파형을 생성한다. 기저대역신호가 “high”인 상태에서는 발진기 의 출력이 통과하고, “low” 인 상태에서는 차단되어 ASK변조 신호가 발생한다. 이 신호가 FET의 gate(G)에 전달되어 FET의 source(S) 에 연결된 LED 배열에 신호전류를 공급한다. 그 결과 LED 배열에서는 ASK 변조된 광출력이 생성되어 자유공간으로 방사된다. 실험에서 사용한 Analog switch 는 Analog device사 Fig. 3. A photodetector and an ASK demodulator.

Fig. 5. Observed waveforms with an oscilloscope.

(a) ASK modulated waveforms with 100kHz carrier, (b) recovered baseband signal (character “V”), and (c) ASK modulated waveforms with 500 kHz carrier.

Fig. 4. An ASK modulator and a current driver.

의 ADG417이고, FET는 International Rectifier 사의 IRF540, LED 배열은 Helio사의 백색광 1W의 조명용 LED 15개를 사용하여 3×5 배열로 구성하였다.

중계기의 동작과정을 확인하기 위하여 VLC 송신부에서 문자

”V” 를 전송하면서 중계기에 나타난 전압파형을 관측하였다. Fig.

5 는 오실로스코프로 관측한 파형이다.

Fig. 5(a) 는 송신부에서 중계기쪽으로 보낸 광신호를 광검출 기에서 수신한 신호(TP1 in Fig. 3)로서 “high”와 “low”상태의 디지털 부호가 100kHz의 캐리어로 ASK 변조된 상태를 나타낸 다. Fig. 5(b) 는 (a) 신호가 ASK 복조기 (demodulator)를 통과 한 후 나타난baseband 신호(TP2 in Fig. 3)로서 문자 “V”에 대 한 ASCII 코드 부호를 나타낸다. 문자 “V”의 ASCII 코드는

“01010110” 이며, UART 전송규칙에 따라 LSB 로부터 MSB 비 트순서로 전송하면 “01101010”이 된다. 맨 앞에 1개의 start bit

“0” 를 추가하면 “001101010”이 되며, “0”에 “high (H)”전압, “1”

에 “low (L)”전압을 지정하면 “HHLLHLHLH”이 되어 Fig. 5(b) 와 같은 파형이 된다.

Fig. 5(c) 는 (b)의 baseband 신호를 사용하여 500 kHz의 캐리 어를 ASK 변조한 상태(TP3 in Fig. 4)로서 “high”상태에서는 500 kHz 의 AC전압파형이 나타나고 “low” 상태에서는 0V가 되 도록 하였다. Fig. 5(c) 의 ASK 변조신호를 FET의 gate에 인가 하여 LED 배열에 전류를 공급하였다. LED 배열은 이 전류를 받아 빛을 생성하여 자유공간으로 방사하였다.

3.3 LED 배열에 의한 강도분포

실내의 조명용으로 사용되는 LED 조명등은 일반적으로 직각 또는 원형의 LED 배열로 구성되는 경우가 많다. 동일한 특성 을 가진 M×N 개의 LED를 사용하여 직각의 형태로 배열하여 천정에 설치하고 VLC수신부가 바닥에 놓여있는 경우, 수신부 의 위치에 따라 신호광의 세기가 어느 정도 달라지는지 알아보

기 위하여 Fig. 6와 같이 좌표계를 설정하였다. 광원인 LED 배 열이 설치된 좌표계를 x'-y' 평면으로 정하고, 이로부터 수직 하 향인 z축 방향으로 h 만큼 떨어진 바닥표면을 x-y 평면으로 정 할 때 수신부의 위치에 따른 빛의 강도변화를 구하면 다음과 같다.

Fig. 6 에서 LED mn 는 LED 배열 에서 x'-축 방향으로 m 번 째, y'-축 방향으로 n번째인 LED를 나타낸다. LED mn 으로부터 거리 R떨어진 x-y 평면상의 임의의 한 점(x, y)에서 LED 배열 의 중심을 바라보는 미소면적 ΔS 에 입사하는 광전력 ΔP 는

(1)

이다. 여기에서 U(θ) 는 LED 한 개의 방사패턴, ΔΩ 는 ΔS 가 LED 배열의 중심(즉, x'-y' 좌표계의 원점)을 기준하여 차지하는 입체각을 나타낸다. LED 배열에서 배열의 수 M, N 이 홀수이 고 LED 배열 중심을 x'-y' 좌표계의 중심으로 정할 경우, LED mn

으로부터 ΔS 까지의 선분벡터를 , LED 배열 중심으로부터 ΔS 까지의 선분벡터를 로 나타내면 이들은 다음 식으로 표현된다.

(2a)

(2b)

(2c) 여기에서 d는 LED간의 간격이며 x'-방향과 y'-방향으로 동일 하다. 이 상태에서 선분벡터 , 방향으로의 단위벡터 은 각각 다음과 같다.

(3a)

(3b)

따라서 식(1)에 포함된 을 계산하면

(4)

이다. LED 배열에서 배열의 수 M, N 이 모두 홀수인 경우, m과 n은 (5a)

(5b) 의 범위에 있는 정수가 된다. LED 1개의 방사패턴은 일반적으 로 다음의 Lambertian pattern으로 나타낼 수 있다[1].

(6) 여기에서 k는 방사패턴의 형태를 결정하는 정수이며, θ 는 Δ P U ( ) Ω θ Δ U ( ) θ Δ S

R

---R ˆ

⋅ rˆ

= =

R r

R = r s – = ( x md – )xˆ y nd + ( – )yˆ hzˆ +

r = xxˆ yyˆ hzˆ + +

s = md x ˆ + nd yˆ

R r R ˆ

, rˆ

R ˆ

R R ⁄ ( x md – )xˆ y nd + ( – )yˆ hzˆ – x md –

( )

+ ( y nd – )

+ h

---

= =

rˆ r r ⁄ xxˆ yyˆ hzˆ + + x

+ y

+ h

---

= =

R ˆ

⋅ rˆ

R ˆ

⋅ rˆ ( x md – )x y nd + ( – )y h +

x md –

( )

+ ( y nd – )

+ h

× x

+ y

+ h

---

=

M 1 –

( ) 2 m M 1 ⁄ ≤ ≤ ( – ) 2 ⁄ –

N 1 –

( ) 2 n N 1 ⁄ ≤ ≤ ( – ) 2 ⁄ –

U ( ) U θ =

cos

θ

Fig. 6. An LED array.

LED의 정면과 이루는 각도, U ₀ 는 θ=0 방향으로의 최대방사강 도를 나타낸다. Fig. 6에서 보면

(7) 과 같다. 식(4)-(7)을 (1)에 대입하면, LED mn 에 의하여 위치 (x, y) 에서 발생하는 광전력밀도 W mn (x, y) 를 다음 식(8)과 같이 나 타낼 수 있다.

(8)

따라서 LED 배열에 설치된 M×N 개의 LED전체에 의하여 위치(x, y) 에서 발생하는 총 전력밀도는

(9)

이 된다. 이 전력밀도는 위치 (x, y)에서 LED 배열의 중심을 향 하는 방향으로의 전력밀도를 나타낸다. 이 위치(x, y)에 VLC 수 신부가 놓이고 광검출기 표면이 LED 배열의 중심을 향할 때 광 검출기에서 발생하는 출력전압은

(10) 이다. 여기에서 ρ 는 광검출기의 전류 응답도(current sensitivity) 이며 는 광검출기의 표면적이고, R L 은 부하저항을 나타낸다.

x-y 평면상에서 광검출기의 위치에 따른 검출전압을 계산하기 위하여 먼저 LED 1개의 방사패턴을 측정하였다. 방사패턴을 측 정하기 위하여 LED한 개를 스텝모터의 회전축에 부착하고 약 1 m 의 거리에 광검출기를 설치한 후 스텝모터를 회전하면서 검 출전압을 기록하였다. Fig. 7은 검출전압의 최대값을 1로 정규 화 하여 표기한 그래프이다.

여기에서 실선은 측정치를 나타내며, 점선은 를 plotting 한 것이다. 여기에서 보면 LED한 개의 방사패턴은 식(6)에서의 지수 인 Lambertian pattern 에 근접함을 보이고 있다.

이와 같은 방사패턴을 가진 동일한 LED 15개를 사용하여 3×5 배열의 LED 배열을 만들었다. 이 LED 배열을 높이 h=2.7 m 인

사무실 중앙의 천정 근처에 부착하고 이를 조명등과 VLC 중계 기의 역할을 동시에 수행하는 광원으로 사용할 경우, LED 배 열로부터 발생한 빛이 가로와 세로의 길이가 모두 5 m인 실내 에서 위치에 따라 강도분포가 어느 정도 달라지는지 알아보기 위하여 실내 바닥에서 y=0으로 고정하고 x=±2.5 m 범위에서 광 검출기를 이동하면서 검출전압을 기록하였다. 각 위치에서 광검 출기의 수신방향은 LED 배열의 중심을 향하도록 정렬하고 거 리x의 변화에 따른 PD의 검출전압을 측정한 결과는 Fig. 8과 같다.

Fig. 8에서 기호 (■)는 x-y평면상에서 광검출기의 위치x를 30 cm간격으로 변화시키면서 검출전압을 측정한 값이며, 실선 으로 표기된 곡선은 앞의 수식(8)-(10)을 사용하여 계산한 결과 이다. 수식에서 사용한 LED 배열의 수는 M×N=3×5이었으며, LED간의 간격 d=2.5 cm, Lambertian pattern을 나타내는 지수 k=1.5, LED 배열의 높이 h=2.7 m, 광검출기의 전류응답도 ρ=0.5A/W, 광검출기의 표면적 S

=1 mm ² , 부하저항 R _L =1kΩ을 사용하였다.

Fig. 8 에서 보는 바와 같이 측정값과 계산결과는 유사한 경향 을 보였으며, LED 배열로부터 수직방향인 사무실의 중심위치, θ

cos = h R ⁄

W

( x y , ) Δ P Δ S

--- U ( ) θ R ˆ

⋅ rˆ R

--- U

θ R ˆ

⋅ rˆ R

--- cos

= = =

U

h R ---

⎝ ⎠ ⎛ ⎞

1 R

---R ˆ

⋅ rˆ

= U

h

R

---R ˆ

⋅ rˆ

=

U

h

R

--- ( x md – )x y nd + ( – )y h +

--- Rr

×

=

U

h

R

r

--- × [ ( x md – )x y nd + ( – )y h +

]

=

U

h

[ ( x md – )x y nd + ( – )y h +

] x md –

( )

+ ( y nd – )

+ h

[ ]

[ x

+ y

+ h

]

---

=

W x y ( , ) W

( x y , )

n=–(N 1– ) 2⁄ N 1– ( ) 2⁄

∑

m=–(M 1– ) 2⁄ M 1– ( ) 2⁄

∑

=

V x y ( , ) ρ S = ×

× W x y ( , ) R ×

S

1.5

θ cos

k 1.5 ≈

Fig. 7. The radiation pattern of a single LED.

Fig. 8. Intensity variation from an LED array.

즉x=0의 위치에서 검출전압이 최대로서 약 3.6 V이었으며 ±x방 향으로 거리가 증가할수록 검출전압이 점점 약해져 사무실의 가 장자리, 즉 x=±2.5 m 위치에서 최소 1.5 V 정도의 검출전압을 유지하였다. VLC 수신부를 구성할 때 검출전압이 0.5 V 이상이 면 송신부의 신호가 정상적으로 수신되었으며, 사무실 바닥의 모든 위치에서 VLC 통신이 가능하였다.

4. VLC 중계기를 이용한 전송실험

LED 조명등을 이용하여 중계기 1개를 제작하여 실내의 천정 중앙부근에 설치하고 앞의 Fig. 1과 같이 송신부로부터 중계기 를 경유하여 수신부에 데이터가 전송되도록 실험하였다. 송신부 와 수신부에서 사용한 회로는 중계기 내부에서 사용한 변조기 와 복조기의 구조와 동일하다. 중계기 회로와 다른 점은 송신부 에서 ASK 변조용으로 사용한 캐리어 주파수가 100kHz이며, 송 신부 광원은LED 3개를 직렬로 연결하여 사용하였다. VLC 수 신부는 중계기로부터의 500 kHz ASK 신호광을 수신해야 하므 로 이에 적합하도록 포토트랜지스터 대신에 Hamamatsu S6968 PIN 포토다이오드를 사용하였다. 이 포토다이오드는 부하저항 1 kΩ에서 약 2 MHz의 수식대역폭을 가진다. 수신부에 사용한 대역통과필터의 중심주파수는 500 kHz가 되도록 제작하였다.

송신부에서 “\tVLC\r\n”라는 문자열을 10 ms 간격으로 전송 하면서 중계기와 수신부에 나타나는 파형을 관측하였다.

Fig. 9 는 오실로스코프를 사용하여 관측한 파형을 나타낸다.

Fig. 9(a) 는 송신부에서 보내는 baseband 신호로서 문자열

“\tVLC\r\n” 에 대한 ASCII code가 전송되는 상태이다. Fig. 9(b) 는 송신부에서 100 kHz 캐리어를 사용하여 ASK변조한 상태로 서, 이 신호를 사용하여 송신부의 LED를 구동하였다. Fig. 9(c) 는 중계기에서 (b)의 신호를 받아 원신호를 복구한 후 500kHz 의 캐리어를 사용하여 다시 ASK 변조된 상태를 나타내며, 이 신호를 사용하여 중계기 LED 배열을 구동하였다. Fig. 9(d)는 수신부에서 중계기의 광신호를 수신하여 baseband신호가 복구 된 상태이며, 이 신호는 송신부에서 보낸 파형(a)와 동일하다.

수신부에서 복구된 baseband 신호를 컴퓨터에 연결하여 모니터 상에 display 하였다.

Fig. 10 의 모니터화면을 보면 송신부에서 보낸 문자열 “\tVLC\r\n”

중에서 “VLC”가 연속적으로 표기된 것을 볼 수 있다. 송신부 에서 보낸 문자열 중에서 “\t”, “\r”, “\n”은 모니터상에서 문자 열의 위치를 조정하기 위하여 사용한 특수문자이므로 모니터상 에 나타나지 않는다. 이와 같이 송신부로부터 보낸 임의의 데이 터가 천정에 설치된 중계기를 경유하여 수신부에 잘 전송됨을 실험적으로 확인하였다. Fig. 11은 본 실험에서 사용한 중계기 회로의 외관을 나타낸다.

Fig. 11(a)는 중계기에서 조명과 통신을 겸하기 위하여 사용한 3×5 LED 배열을 나타낸다. LED 배열 내부의 빈 공간에 설치 된 포토트랜지스터는 중계기의 광검출기 회로에서 수광소자로

사용된 것이다. Fig. 11(b)는 광검출기 회로의 증폭기와 ASK복 조기 회로를 나타내며, Fig. 11(c)는 ASK변조기 회로이다. Fig.

11 에서 (b)의 ASK 복조기와 (c)의 변조기를 (a)의 LED 배열 후 Fig. 9. Observed waveforms with an oscilloscope.

(a) Baseband signal in a transmitter, (b) ASK signal with 100kHz carrier in a transmitter, (c) ASK signal with 500kHz carrier in the repeater, and (d) Recovered baseband signal in a receiver.

Fig. 10. Characters displayed on a monitor.

Fig. 11. VLC repeater circuits used in experiments.

(a) LED array, (b) ASK demodulator circuit, (c) ASK mod-

ulator circuit, and (d) The VLC repeater attached on the

ceiling.

면에 고정하여 VLC 중계기를 구성하였다. Fig. 11(d)는 지지대 를 사용하여 LED 중계기를 천장 가까이에 설치한 상태를 나타낸다.

5. 결 론

가시광통신에서는 빛을 전송매체로 사용하므로 송신부와 수 신부 사이에 책장, 칸막이, 캐비닛과 같은 장애물이 존재하는 경 우에 신호광을 직접 전송하기 어려운 경우가 발생할 수 있다.

본 논문에서는 이와 같이 송신부와 수신부 사이에 장애물이 존 재하여 VLC신호광이 차단되는 경우에 이를 해결하기 위하여 기존의 LED조명등에 변·복조 회로를 부가하여 VLC 중계기로 활용하는 방법을 새로이 소개하였다. LED 조명등의 설치 위치 가 천정과 같이 높은 장소에 설치되면 실내의 거의 모든 영역 이 조명을 받게 되므로 실내의 전 구간이 수신 가능한 영역이 된다.

본문에서는 중계기의 구조와 동작원리, 그리고 실내에서 LED 조명등에 의한 강도분포의 변화를 차례로 계산하고 측정한 후, 중계기를 통하여 데이터를 전송하는 실험을 실시하였다. 이러한 VLC중계기는 기존의 조명상태에 영향을 주지 않고 장애물 너 머로 전송영역을 넓혀주는 효과가 있으므로 가시광통신 시스템 을 신설하거나 기존의 시스템의 전송구간을 확장하는 데에 활 용하면 많은 도움이 된다.

감사의 글

이 연구는 서울과학기술대학교 교내연구비의 지원으로 수행 되었습니다.

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