http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2018.27.3.175 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
플리커 방지를 위한 바이트반전 가시광통신 시스템에서 조명 제어 방법
이성호+
Dimming Control Method in a Flicker-Free Byte-Inversion Visible Light Communication System
Seong-Ho Lee+
Abstract
In this paper, we introduce a new dimming control method in a visible light communication (VLC) system wherein byte- inversion is adopted for flicker-free transmission. In the VLC transmitter, the original and the inverted data were sent sequentially and the remnant time in one period was used for the dimming control of the LED light. In the VLC receiver, only the original data was recovered using the gating signal whose width was the same as the length of the original data.
In our experiments, the dimming control ranges were measured to be 22%–53%, 11%–76%, and 5%–88% of the CW LED light when the data rates were 9.6, 19.2, and 38.4 kbps, respectively. In this system, we used a 240-Hz sync pulse whose period was 4.16 ms, which was shorter than the maximum flickering time period of 5 ms that is generally considered to be safe. This configuration is very simple and useful in constructing indoor wireless sensor networks using the flicker-free LED lamps with dimming control capability.
Keywords: Visible light communication (VLC), dimming control, byte-inversion, flicker-free, LED light.
1. 서 론
최근 반도체 기술의 급속한 발전으로 인하여 다양한 형태의 가시광 발광다이오드 (light emitting diode; LED)가 양산되면 서, 신호등, 가로등, 실내조명, 자동차조명, 전광판 등 다양한 조 명시설에 LED의 활용이 증가하고 있다.
LED 는 기존의 백열등이나 형광등에 비하여 전력변환 효율이 높고, 기계적 충격에 강하여 사용하기에 편리하며, 발광단면의 크기가 작아 다양한 구조의 LED 배열을 쉽게 만들 수 있는 장 점을 가지고 있다. 또한 LED는 발광을 일으키는 반도체의 PN 접합에 주입전류를 제어함으로써 조명의 세기를 쉽게 조절할 수 있으며, 그 변조속도가 기존의 형광등이나 백열등에 비하여 현 저히 빨라 LED의 출력광을 조명과 통신에 동시에 활용할 수 있
는 새로운 기술분야인 가시광통신 (visible light communication;
VLC) 이 발전하고 있다[1-4].
가시광통신은 LED조명이 도달하는 가시거리 구간에서 자유 공간을 통하여 광검출기로 직접 수신하는 근거리 무선통신기술 의 한 분야이다. 가시광은 기존의 RF(radio frequency)주파수와 간섭을 일으키지 않고, 빛이 도달하는 범위에서만 신호가 존재 하므로 병원과 같이 전자파장해를 방지해야 하는 장소나 실내 를 벗어난 외부에서 도청을 방지하는 무선통신이 필요한 경우 에 안정된 무선전송 시스템을 구축하는 데에 매우 유리하다[2,3].
이러한 가시광통신에서는 동일한 광원을 사용하여 조명과 통 신을 겸하는 장점이 있지만, 조명과 통신 기능이 서로 영향을 주지 않고 독립적으로 동작하도록 잘 설계하여야 한다. 기저대 역(base-band)의 신호를 사용하여 LED를 직접 변조하는 경우에 는 시스템의 구성이 간단한 이점이 있는 반면, 데이터의 전송과 정에서 불규칙한 데이터의 변동으로 인하여 LED의 평균 광출 력이 변화할 수 있다. 이러한 경우에는 조명이 깜박거리는 플리 커 현상이 발생하여 조명상태가 지속적으로 불안정해 질 수 있 다. 이러한 현상을 방지하기 위해서, 일반적으로 맨체스터 코드 또는 pulse position modulation (PPM) 방식을 이용하여 기저대 역에서 LED를 직접 변조하는 방식을 사용하거나, 기저대역의 데이터 전송률보다 현저히 높은 반송파 주파수를 사용하여 amplitude shift keying (ASK) 또는 frequency shift keying (FSK)
서울과학기술대학교 전자IT미디어공학과 (Department of Electronics andIT Media Engineering, Seoul National University of Science and Technology) 232 Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul, 01811, Korea
+Corresponding author: [email protected]
(Received: Mar. 26, 2018, Revised: May. 21, 2018, Accepted: May. 25, 2018)
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변조함으로써 플리커를 방지하는 전송방식이 많이 사용되고 있 다[5-7].
또한 가시광통신에서 LED의 출력광은 통신과 별도로 조명의 역할을 잘 수행해야 하므로 사용자가 밝기조절을 하는 데에도 어려움이 없어야 사용하기에 편리하다. 이와 같이 LED의 조명 제어 (dimming control)가 필요한 경우에는 pulse width modulation (PWM) 방식을 사용하여 LED의 평균 광출력을 조정함으로써 조명제어를 수행할 수 있다[5,6].
본 논문에서는 기저대역을 사용하는 가시광통신 시스템 에서 바이트 반전전송 방식을 사용하여 LED의 평균 광출력을 일정 하게 유지함으로써 플리커를 방지함과 동시에, 사용자가 쉽게 조명 제어를 수행할 수 있는 조명제어 바이트반전 전송방식을 새로이 개발하여 소개한다. 이 방식에서는 동기펄스의 한 주기 내에서 원신호와 반전신호를 차례로 전송한 후, 나머지 비어있 는 시간을 활용하여 평균 광출력을 조정함으로써 플리커 방지 와 조명제어를 동시에 수행하는 구조이다.
실내의 근거리에서 전자파 장해에 민감한 센서 데이터를 전 송하기 위한 무선네트워크를 구축하고자 하는 경우에, 이와 같 은 조명제어 방식을 채택하면 데이터 전송과정에서 발생할 수 있는 플리커 현상을 방지함은 물론, 사용자가 LED조명을 쉽게 조절할 수 있는 가시광통신 시스템을 구축할 수 있다. 본 논문 에서는 소개하는 순서는 LED를 광원으로 사용하는 가시광통신 시스템에서 조명의 플리커 방지를 위하여 바이트 반전 전송을 실시하고, 이 상태에서 조명제어를 수행하는 원리와 실험을 통 한 측정결과를 차례로 소개한다.
2. 바이트반전 전송시스템의 조명제어
2.1 조명제어 원리
바이트반전 전송방식을 사용하는 가시광 송신부에서 LED전 류원에 인가되는 전압파형을 도식적으로 나타내면 Fig. 1과 같다.
Fig. 1(a) 는 동기펄스를 나타내며, 펄스폭은 t
p, 펄스주기는 T 로 표기하였다. Fig. 1(b) 는 동기펄스의 한 주기 내에서 플리커 를 방지하기 위한 바이트반전 (byte inversion) 전송상태와 조명 제어 시간 (dimming control time) 을 도식적으로 나타낸다. 여 기에서 데이터 1개의 bit가 차지하는 시간을 t
b, 원신호 데이터 와 반전 데이터 사이의 휴지시간 및 반전된 데이터와 조명제어 시간 사이의 휴지시간을 동일하게 t
0로 나타냈으며, 조명제어를 위하여 LED가 켜지는 시간을 t
x로 표기하였다. 전송데이터의 1 byte 는 8bit의 ASCII 코드를 사용하고, 1 byte 문자의 앞과 뒤 에는 start bit와 stop bit가 1 비트씩 추가된다.
LED 의 조명제어를 위하여 사용되는 시간 (t
x) 는 동기펄스의 한 주기 내에서 원신호와 반전신호가 차지하는 시간을 제외한 나머지 시간을 이용한다. 데이터가 전송될 때 high (H)와 low (L) 상태가 불규칙하게 바뀌는 부분은 원신호와 반전신호 중에서 ASCII code에 해당하는 8bit 데이터이며, start bit (0) 와 stop bit (1) 는 항상 고정된 상태를 가진다. 예를 들어 문자”V”가 전송되 는 경우에 문자”V”의 8bit American standard code for information interchange (ASCII) 코드는 “01010110” 이며, UART형식에 따 라 전송하면 least significant bit (LSB)가 앞서 전송되므로 순서 가 바뀌어 “01101010”가 된다. 여기에 start bit “0”와 stop bit”1”
이 각각 1 비트씩 문자의 앞과 뒤에 추가되어 전체 비트열은 10 bit가 되어 “0011010101” 이 된다. UART 전송형식에 따라 비 트 “0”에 high (H) 전압을 배정하고, 비트 “1” low (L)전압을 배정하여 전송하면 원신호의 전송부호는 “HHLLHLHLHL”가 된다.
여기에서 LED의 플러커를 방지하고 평균 광출력을 일정하 게 유지하기 위해서 원신호의 8bit 를 모두 반전시켜서 추가로 전송할 때, start bit (0)와 stop bit (1)는 그대로 있고, 8bit의 데 이터는 모두 원신호와 반대부호로 바뀌어 “10010101” 이 된다 . 반전된 8bit의 데이터의 앞과 뒤에 각각 start bit (0) 와 stop bit (1) 이 추가되면, 반전된 신호의 비트열은 “0100101011”이 된다. 따라서 한 주기 내에서 원신호(original signal)와 반전 신호(inverted signal)를 순차적으로 전송하는 경우 전체 비트 열은 “0011010101” 와 “0100101011”의 순서가 되며, 이 상 태를 도식적으로 나타내면 Fig. 1 (b)에 보인 비트 열과 같게 된다. 이와 같은 상태에서 LED의 평균 광출력을 계산하면 다 음과 같다.
(1)
여기에서 P
avg는 LED의 평균 광출력, P
0는 진폭이며, T는 동 기펄스의 주기를 나타낸다. t
b는 데이터의1 비트가 차지하는 시 간, t
x는 조명제어를 위하여 LED가 켜지는 시간을 나타낸다. D
0와 D
1은 각각 start bit 와 stop비트의 부호를 나타내며, 항상 D
0=0 (high), D
1=1(low)의 상태를 유지한다. 따라서 D
0+D
1=1이 된다.
식(1)에서 D
i는 전송되는 문자를 구성하는 8bit에서 i번째 비트 를 나타내며, 반전상태에서는 원신호와 반대의 부호를 가지므로
⎭ ⎬
⎫
⎩ ⎨
⎧ + + + +
=
b b∑
i= i i xavg
t D D t D D t
T
P P ( )
7( )
1 0 0 0
Fig. 1. Waveforms in byte-inverted transmission.
(a) sync pulse waveform, (b) byte-inverted bits and dimming
control time.
이 된다. 따라서 LED의 평균 광출력 (optical power) 은 다음과 같다.
(2)
식(2)에서 보는 바와 같이 LED의 평균 광출력은 조명제어시 간 (t
x) 에 따라 선형적으로 증가하므로 사용자는 이 시간을 조절 하여 조명을 제어하게 된다.
2.2 조명제어 측정
가시광통신에서 플리커를 방지하기 위해서는 광원의 밝기 변 화가 나타나는 최대 주기 (maximum flickering time period; MFTP) 가 일반적으로 5 ms (200 Hz)보다 짧아야 한다[5]. 본 논문의 바이트반전 전송방식에서는 240 Hz의 동기펄스를 사용함으로 써 MFTP가 4.16 ms가 되어 데이터 전송과정에서 플리커가 발 생하지 않는 조명상태를 유지하였다. 이 상태에서 조명제어시간 (t
x)를 조절함으로써 LED의 조명을 제어하였다. Fig. 2는 바이 트반전 전송상태에서 오실로스코프를 사용하여 데이터 전송파 형과 조명제어시간을 관측한 것이다.
Fig. 2(a) 는 240 Hz의 반복주파수를 가지는 동기펄스를 나타 낸다. 동기펄스의 펄스폭은 100 us, 펄스주기는 240 Hz 의 역 수로서 T=4.16 ms 이었다. Fig. 2(b), (c), (d)는 한 개의 문자”V”
를 사용하여 UART방식으로 바이트반전 전송하는 경우에 LED 의 전류원에 인가되는 전압파형을 관측한 것으로, 데이터 전송 률이 각각 9.6 kbps, 19.2 kbps, 38.4 kbps 일 때의 전압파형을 나타낸다. 각 파형에서 왼쪽부분은 원신호와 반전신호를 나타내 며, 오른쪽 부분은 조명제어시간 (t
x) 를 나타낸다.
이 상태에서 조명제어시간(t
x) 를 증가시키면서, LED의 광출력 을 광검출기로 수신하여 전압을 측정하였다. 측정에 사용한 LED 는 백색의 1W LED 6개를 사용하여 2×3 평면배열 구조로 제 작하여 사용하였다. LED 배열로부터 약 1 m 떨어진 거리에 PIN 포토다이오드를 사용한 광검출기를 설치하여 검출전압을 측정하고, 차단주파수가 약 100Hz 저주파 필터를 통과한 후 검
출전압을 기록하였다. 조명제어시간 (t
x) 를 변화시키면서 나타나 는 검출전압을 측정하고, LED가 일정하게 켜진 상태, 즉 DC 출력광 상태 (P
0) 를 기준하여 정규화하였다. 측정결과는 Fig. 3 과 같다.
Fig. 3에서 실선의 그래프 (a), (b), (c)는 각각 데이터 전송 율이 9.6 kbps, 19.2 kbps, 38.4 kbps 일 때, 수식(2)를 plotting 한 것이며, 기호(■, ●, ▲)는 각각에 대한 측정값을 나타낸다.
여기에서 원신호-반전신호 사이의 휴지기간 (t
0)과 반전신호- 조명제어시간 사이의 휴지기간 (t
0) 은 모두 1 비트시간의 4배, 즉 t
0=4t
b로 정하여 사용하였다. Fig. 2와 Fig. 3에서 보는 바 와 같이 동기펄스의 한 주기 내에서 전송시간을 제외한 나머 지 빈 시간에 조명제어시간 (t
x) 가 증가함에 따라 LED의 광 출력이 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 수식(2)에서 조명제 어 시간이 없을 때, 즉 t
x=0 일 때 평균 광출력 P
avg는 최소값 을 가지며, 그 크기는
(3)
이다. 데이터 전송률이 높아질수록 비트시간(t
b) 이 줄어들게 되 므로, 데이터 전송률이 높아질수록 평균 광출력의 최소값 P
avg(min) 은 감소한다. 예를 들어, 240 Hz의 동기펄스를 사용하는 경우, 펄스주기는 T=4.16 ms이며, UART의 표준속도인 9.6 kbps에서 는 1비트시간이 t
b=104 us 가 되어, LED의 최소 평균전력과 DC 상태의 비율 P
avg(min)/P
0는 약 0.22 가 된다. 같은 방법으로 데이터 전송률이 19.2 kbps, 38.4 kbps로 증가하면 최소 평균전 력의 비율이 각각 0.11, 0.05 가 되며, 이 값은 Fig. 3 (a), (b), (c) 그래프에 표기된 조명제어 범위 (dimming control range)에서 LED의 광출력이 최소가 되는 지점을 나타낸다.
앞의 Fig. 1에서 보는 바와 같이 데이터 전송 시 1개의 bit 시 간이 t
b일 때, 원신호와 반전신호에서 각각 10 개의 비트가 소 요되므로, 한 개의 동기펄스 구간에서 소요되는 총 비트수는 20 1
= +
ii
D
D
{
b b x} {
b x}
avg
t t
T t P t T t
P = P
0+ 8 × + =
09 +
b
avg
t
T P (min) = P
09
Fig. 2. Observed waveforms in a VLC transmitter.
(a) The sync pulse, and the data waveforms at (b) 9.6kbps, (c) 19.2kbps, (d) 38.4kbps.
Fig. 3. Average LED power versus dimming control time.
개가 되며, 그 소요시간은 20×t
b이다. 원신호와 반전신호를 구분 하기 위하여 그 사이에 존재하는 휴지기간(t
0) 과, 반전상태와 조 명제어 시간 사이에 존재 하는 휴지기간(t
0)을 고려하여, 한 개 동기펄스 구간에서 조명제어가 가능한 최대시간을 계산하면
(4) 이 된다. 이 때에는 LED의 평균 광출력이 최대가 되며, 식(4)를 식(2)에 대입하여 최대 광출력을 계산하면,
(5)
이 된다. 편의상 휴지시간 t
0=4t
b로 설정하는 경우, 이 값은
(6)
이 된다. 따라서 데이터 전송률이 증가할수록 비트시간 (t
b) 가 감 소하므로 LED의 최대 광출력은 P
avg(max) 는 증가하게 된다. 데 이터 전송률이 9.6 kbps, 19.2 kbps, 38.4 kbps 인 경우에 각각 1 비트시간(t
b) 는 104 us, 52 us, 26 us 이다. 240 Hz의 동기펄스 를 사용한 경우, 동기펄스의 주기는 T=4.16 ms이므로 이 값을 식(6)에 대입하여 계산하면, P
avg(max)/P
0는 각각 0.53, 0.76, 0.88 이 된다. 이 값은 Fig. 3 (a), (b), (c) 그래프에 표기된 조명 제어 범위 (dimming control range)에서 LED 광출력이 최대가 되는 지점을 나타낸다. Fig. 3에서 보는 바와 같이 데이터 전송 률이 높아질수록 조명제어가 가능한 광출력 범위가 넓어지게 된 다. 측정결과 데이터 전송률이 9.6 kbps, 19.2 kbps, 38.4 kbps 인 경우에 조정 가능한 LED 광출력의 범위는 DC상태를 기준 하여 각각 22%~53%, 11%~76%, 5%~88% 범위에서 조명제어 가 가능함을 실험적으로 확인하였다.
3. 실험장치 구성
3.1 동기펄스 발생기
가시광통신에서 광원으로 사용하는 LED에서 깜박거림 현상 (flicker)를 방지하기 위해서는 광출력의 변화주기 maximum flickering time period (MFTP) 가 일반적으로 5 ms (200 Hz)보 다 짧아야 한다[5]. 본 실험에서는 별도의 동기펄스를 전송하기 위한 전송채널을 줄이고 MFTP를 5ms이내로 유지하기 위하여 220 V 전력선을 사용하여 펄스주기가 T=4.16 ms (240 Hz) 인 동기펄스 발생기를 제작하여 사용하였다. 이 동기펄스 발생기는 송신부와 수신부에서 각각 1개씩 부착하여 사용하였으며, 이들 은 모두 동일한 구조를 가지고 있다. 실험에서 제작하여 사용한
동기펄스 발생기의 회로는 Fig. 4와 같다.
Fig. 4와 같이 220 V 60 Hz 전력선 전압을 받아 트랜스에서 피크간 전압이 약 20Vpp 로 변환한 후 다이오드 브리지를 통 과시킴으로써 전파정류 (full-wave rectify) 하였다. 전파정류된 신호는 120 Hz의 반복주파수를 가지며 이 전압을 전압비교기 (comparator)를 통과시켜 120 Hz의 펄스를 생성하였다. 마이 크로프로세서에서는 이 펄스를 입력 받아 하강에지(falling edge)를 기준하여 한 개의 펄스 당 2주기의 구형파를 생성함 으로써 전력선주파수에 동기된 240 Hz의 동기펄스를 생성하 였다. 이와 같이 전력선을 이용한 동기펄스 발생기를 사용하 면 전력선에 연결된 모든 기기에서 모두 동기 상태를 이루게 되므로 VLC 송신부와 수신부에서 신호동기를 위하여 별도로 클럭을 전송할 필요 없어 시스템의 구성이 매우 간편해진다.
동기펄스 발생기에 사용한 다이오드브리지는 1N4007 diode 4 개를 사용 하였으며, 비교기로는 LM311, 마이크로프로세서는 Atmega8 을 사용하였다.
3.2 VLC송신부 구성
실험에서 바이트반전 전송방식에 사용한 가시광 송신기의 구 조는 Fig. 5와 같다.
가시광 송신기는 마이크로프로세서, 동기펄스 발생기, LED구 동 전류원, LED array를 각각 1개씩 사용하여 구성하였다. 앞 의 Fig. 2의 (b), (c), (d)에서 보인 바와 같이 입력데이터가 마 이크로프로세서에 가해지면, 240 Hz 동기펄스의 하강에지 (falling edge)에서 interrupt-0 루틴을 시작하여 UART단자로 원신호를 출력하고, 휴지시간 (t
0) 가 지난 후, 반전신호를 출력하며, 다시 휴지시간 (t
0) 후에 조명제어시간 (t
x) 동안 high 전압 상태를 유 지한다.
이 조명제어시간은 동기펄스의 한 주기(T) 내에서 데이터를 보내고 남은 공백시간을 활용한다. 이 공백시간을 0.2 ms 단위 로 나누어 interrupt-1루틴에서 사용자가 버튼을 누를 때마다 한 2
020 (max) T t t t
x= −
b−
{ }
{
0}
0 0 0
2 11
2 20 9
(max)
t t T T
P
t t T T t
P P
b b b
avg
−
−
=
−
− +
=
T P t P
t T T
P P
b b avg
19 ) 19 ( (max)
0 0 0
−
=
−
=
Fig. 4. Configuration of the sync pulse generator.
단계씩 조명제어시간(t
x) 이 증가하도록 구성하여 사용자가 LED 조명을 쉽게 조정할 수 있도록 만들었다. 송신부에서 사용한 마 이크로프로세서는 Atmega8이고, LED를 구동하기 위한 전류원 은 IRF540 FET, 광원으로는 백색광의 1W LED 6개를 사용하 여 2×3 배열 구조를 가지는 LED array로 제작하여 사용하였다.
3.3 VLC 수신부 구성
실험에서 바이트반전 전송에 사용한 가시광 수신기의 구조는 Fig. 6과 같다.
가시광 수신기는 포토다이오드(photodiode; PD)와 부하 저 항, 증폭기, 동기펄스 발생기, 마이크로프로세서, 그리고 AND gate로 이루어진다. 동기펄스의 하강에지가 발생하면 마이크로 프로세서의 인터럽트 루틴에서 송신부의 원신호 데이터의 길이 와 동일한 구형파 형태의 gating signal을 생성하고, 포토다이오 드에서 검출된 신호와 gating 신호를 AND 게이트에 인가함으 로써 원신호만 출력하고 반전신호와 조명제어신호는 차단한다.
반전신호와 조명제어신호는 LED의 조명상태를 제어하기 위하 여 사용된 신호이며, 수신부에서 검출하기 위한 데이터와는 관 계가 없으므로 이를 차단하고, 비반전상태로 전송된 원신호만 수신하도록 구성한 것이다. 실험에서 가시광 수신기에 사용한 포토다이오드는 PIN photodiode S6968, 부하저항 R
L은 1 kΩ을 사용하였으며, 증폭기는 OPA228, AND gate는 74LS11을 사용 하였다.
4. 전송실험
바이트 반전전송과 조명제어가 이루어지는 상태에서 가시광 신호가 수신부에 잘 전송되는지를 확인하기 위하여 송신부에서 문자열을 입력하는 상태에서 송신부와 수신부에서의 전압파형 을 관측하였다. 데이터 전송률은 UART의 기본속도인 9.6 kbps 를 사용하였다. Fig. 7은 송신부에서 문자열을 전송할 때 오실 로스코프로 관측한 파형을 나타낸다.
Fig. 7(a) 는 240 Hz의 동기펄스를 나타내며, 펄스 폭은0.1ms, 펄스주기는 4.16 ms이었다. Fig. 7(b)는 송신부에서 문자열 “VLC- dimming control\r\n”를 보낼 때 LED의 전류원에 인가되는 전 압을 나타내며, 문자열 중에서 앞의 5개의 문자 “VLC-d” 만 보 이는 상태이다. 동기펄스가 반복함에 따라 한 개의 펄스마다 한 개의 문자씩 순차적으로 전송되며, 여기에서 원신호와 반전신호 사이의 휴지시간은 t
0=0.4 ms, 조명제어시간은 t
x=1.4 ms 를 사 용하였다. 이 상태에서 송신부로부터 약 2 m의 거리에 설치된 수신부에 나타나는 신호파형을 오실로스코프로 관찰하였다. Fig.
8 은 수신부에서 관찰한 전압파형을 나타낸다.
Fig. 8(a) 는 240 Hz 의 동기신호로서 앞의 Fig. 7(a) 와 동일 한 파형을 나타낸다. Fig. 8(b)는 광검출기의 전압을 나타내며, 송신부에서 동기펄스 한 주기 마다 한 글자씩 차례로 문자열
“VLC-dimming control\r\n” 를 보낼 때, 앞부분의 5개의 문자 Fig. 5. Configuration of the VLC transmitter.
Fig. 6. Configuration of the VLC receiver.
Fig. 7. Observed waveforms in the VLC transmitter.
(a) sync pulse waveform, (b) transmitted signal waveform.
Fig. 8. Observed waveforms in the VLC receiver.
(a) sync pulse waveform, (b) photo-detector voltage wave-
form, (c) gating pulse waveform, (d) recovered signal wave-
form.
“VLC-d”의 파형이 오실로스코프에 보이는 상태이다. 광검출기 에서는 송신부에서 LED를 변조한 원신호, 반전신호, 조명제어 신호가 모두 검출된 상태이다. Fig. 8(c) 는 수신부에서 원신호 만 검출하고 반전신호와 조명제어신호를 차단하기 위하여 사용 한 구형파의 gating signal이며, high상태인 시간이 9.6 kbps전송 률에서 원신호10 비트의 시간과 동일한 1.04 ms 인 상태를 나 타낸다. 송신부에서 사용하는 데이터 전송률이 19.2 kbps 또는 38.4 kbps 인 경우에는 gating signal의 high 상태가 각각 원신호 의 10비트 길이에 해당하는 0.52 ms, 0.26 ms 를 사용한다. Fig.
8(d) 는 파형(b)와 (c)가 AND 게이트의 입력단에 가해질 때 출 력단에 나타나는 최종 복구신호로서 송신부에서 보내는 원신호 의 문자열 중 앞부분 5개의 문자 “VLC-d”에 해당하는 수신신 호에 해당한다.
수신부에서 복구된 신호를 확인해보기 위하여 수신부의 출력 신호를 컴퓨터의 직렬통신단자에 연결하고 컴퓨터 모니터 상에 표시되는 문자를 관찰하였다. Fig. 9는 모니터 상에 표시되는 문 자열을 나타낸다.
송신부에서 보낸 문자열 “VLC-dimming control\r\n” 중에서
“\r”(carriage return) 과 “\n”(line feed)는 모니터 화면상에서 문 자열의 위치를 지정하기 위한 특수문자이므로 모니터 상에는 나 타나지 않고 문자열 “VLC-dimming control” 만 보이고 있어 정 상적으로 수신됨을 확인하였다. Fig. 10는 실험에서 사용한 회 로의 외관을 나타낸다.
Fig. 10 에서 (a), (b), (c) 는 송신부에서 사용한 회로, (c), (d), (e) 는 수신부에서 사용한 사용한 회로이다. Fig. 10(a) 는 송신부 에서 사용한 마이크로프로세서 Atmega8회로, Fig. 10(b) 는 송 신부에서 가시광 신호를 발생하는 LED array를 나타낸다. Fig.
10(c) 는 전력선을 이용하여 240 Hz 의 동기펄스를 발생하는 회 로이며, 동일한 구조의 펄스 발생기를 송신부와 수신부에서 1개 씩 사용하였다. Fig. 10(d) 는 수신부에서 사용한 포토다이오드 S6968회로, Fig. 10(e) 는 수신부에서 사용한 마이크로프로세서 Atmega8회로를 나타낸다.
이와 같이 조명제어 바이트반전 전송구조를 사용하면 데이터 전송상태에서 LED의 평균전력을 일정하게 유지하여 플리커를 방지할 수 있으며, 이와 동시에 사용자가 조명제어시간을 자유 롭게 선택하여 LED의 밝기조절이 가능함을 실험적으로 확인하였다.
5. 고찰 및 결론
본 논문에서는 가시광통신시스템에서 LED출력광의 플리커를 방지하기 위하여 바이트 반전 전송방식을 사용하는 경우에 LED 의 조명제어가 가능한 구조를 새로이 개발하여 소개하였다. VLC 송신부에서는 동기펄스의 매 주기마다 원신호와 반전신호를 1 바이트씩 송신함으로써 LED의 평균 광출력을 일정하게 유지하 여 플리커가 없는 조명상태를 유지하였다. 또한 동기펄스의 한 주기 내에서 데이터 전송시간을 제외한 나머지 여유시간을 조 명제어시간으로 활용하여 LED의 평균 광출력을 사용자가 임의 로 조절할 수 있도록 시스템을 구성하였다. 바이트반전 전송상 태에서 조명제어시간에 따른 LED 광출력의 변화를 수식적으로 예측하고, 실험을 통하여 조명제어 범위를 측정하였으며, 데이 터 전송율이 9.6 kbps, 19.2 kbps, 38.4 kbps일 때 LED의 DC 출 력광을 기준하여 각각 22%~53%, 11%~76%, 5%~88% 범위에 서 조명제어가 가능함을 확인하였다. 이와 같이 바이트반전 전 송 방식과 조명제어 방식을 겸하여 사용하면 LED의 플리커를 방지함과 동시에 조명제어가 가능하므로 실내의 근거리에서 다 양한 센서 데이터를 무선 전송하기 위한 가시광통신 시스템을 구축하는 데에 넓게 활용할 수 있다.
감사의 글
이 연구는 서울과학기술대학교 교내연구비의 지원으로 수행 되었습니다.
Fig. 9. The characters displayed on a computer monitor.
Fig. 10. Circuits used in experiments.
REFERENCES
