2.1 가시광통신 시스템의 구성

그림 1은 본 연구에서 개발한 가시광통신 시스템의 구성도이다. 이 시스템은 송신부와 수신부로 나누어져 있으며 각각 데이터 전송용 LED와 수신용 광 다이오드가 있는 양방향 통신의 구성을 가진다. 백색 LED 조명은 데이터 전송에 사용하는 데이터용 LED들과 조광 신호에 의해 광량이 조절되는 조광용 LED들로 구성되고 이들은 각각 독립적으로 구동된다. 이 시스템은 다음과 같은 순서로 동작한다. 먼저 수신부에서 청색 LED를 이용하여 데이터의 전송을 요청하는 request 신호를 보내면, 송신부의 광 다이오드가 이 광신호를 받아서 증폭기와 고역필터를 통과시켜 request 신호를 추출하고 이 신호를 FPGA (Field Programmable Gate Array)로 보낸다. 송신부의 FPGA는 이 request 신호를 받으면 데이터 전송 과정을 시작한다. 데이터 발생기는 OFDM 등의 변조 기법과 OOK 코드 등의 디지털화를 거쳐 전송할 데이터를 생성한다.^[15,16] FPGA는 데이터 발생기로부터 전송할 데이터를 받아서 데이터 전송용 LED를 구동하고 한편으로는 기 설정된 LED 조명의 밝기인 조광 수준으로부터 전송 데이터 신호로 인해 발생한 조광 수준의 증가분을 보정한 새로운 조광 수준을 생성하고 이것을 사용하여 조광용 LED를 구동한다. 수신기에서는 광 다이오드에서 수집된 광 신호들을 증폭시키고 고역 필터를 통과시켜 데이터 신호만 추출한다. 그리고 이 데이터 신호를 처리하여 디스플레이 등으로 보낸다.

2.2 가시광통신을 위한 LED의 디지털 조광 기술

그림 2는 본 논문에서 제안한 가시광통신 시스템의 타이밍도이다. 이 타이밍도에서 조광용 LED를 디지털 조광하기위하여 하나의 조광주기는 이진화되어 8개의 비트에 대응하는 8개의 부분조광(sub-dimming) 주기를 가진다. 그러므로 8개의 비트들을 on/off 시키면 0에서 255까지 256단계의 밝기 조절이 가능하다. 본 연구에서는 광 다이오드의 특성을 고려하여 1비트의 부분 조광신호는 9.4 μs의 펄스폭을 가지며 조광의 한 주기는 플리커를 느낄 수 없도록 2.427 ms로 설정하였다. 광원의 점멸주기가 200Hz 이상이면 플리커를 느낄 수 없다고 알려져 있다^[17]. 또한 여기서, 데이터용 LED를 구동하는 하나의 데이터 신호는 9.4 μs의 펄스폭을 갖도록 하였다.

송신부에서 전송 데이터의 변동에 따라 조광용 LED의 조광 수준을 보정하는 연산의 흐름도는 그림 3과 같고 다음과 같은 순서로 동작한다.

$Step1.$ 식(1)과 같이 송신부의 FPGA는 한 주기 동안 데이터 발생기로부터 받은 전송 데이터의 ON시간 $T_{k ON}$의 합 $T_{data}$를 구한다.

$Step2.$ LED를 정격전류 부근에서 점등시키면 LED 전류와 ON 시간의 곱은 광량에 비례하므로 식(2)를 사용하여 데이터용 LED의 상대밝기 $L_{data}$를 구한다. 여기서 $I_{\dim}$과 $T_{\dim}$은 조광용 LED에 흐르는 전류값과 1 조광수준의 펄스가 가지는 ON 시간이고 $I_{data}$는 데이터용 LED에 흐르는 전류값이다. 식(2)의 $T_{data}$를 제외한 나머지 부분은 이미 정해져 있는 값이므로 식(3)의 가중치 $W_{data}$를 미리 구해서 상수화하면 $L_{data}$는 간단히 $T_{data}$와 $W_{data}$의 곱으로 구할 수 있다. 이렇게 구한 $L_{data}$를 이진화하여 $(L_{data})_{2}$ 를 얻는다.

$Step3.$ 기 설정된 조광수준이 이진화된 $(L_{data})_{2}$ 보다 더 큰 경우에는 조광수준에서 $(L_{data})_{2}$ 만큼 감산된 새로운 조광 수준의 신호가 조광용 LED들의 구동부로 보내어진다. 그러나 같거나 작은 경우에는 조광용 LED들은 꺼지고 데이터용 LED들만 켜진다.

이들 연산은 단순한 사칙연산과 한번의 이진화 연산으로 이루어지므로 송신기 내에서 실시간으로 이루어진다.

3.1 가시광통신 시스템의 구성

제안된 가시광통신 시스템의 유용성을 검증하기 위하여 실제로 가시광통신 시스템을 제작하고 데이터 전송실험을 수행하였다. 그림 4는 송신부에 사용한 백색 LED 조명의 LED 배열을 보인 것이다. 실험에서 LED는 Photron사의PP00W-8L61- Star 1W, 백색 power LED를 사용하였다. 이 백색 LED 조명은 조광용 LED와 데이터용 LED로 분리되어 있다. 그림의 왼쪽은 조광용 LED이며, 3개의 직렬 LED가 3줄의 병렬로 연결되어 있고, 오른쪽은 데이터용LED이며 3개의 LED가 직렬로 연결되어 있다. 오른쪽의 PD는 수신부의 청색 LED에서 보낸 request 신호를 받는 역할을 한다.

그림 5는 실제로 개발된 LED 가시광통신 시스템이다. 좌측은 송신부이고, 우측은 수신부이다. 송신부에는 백색 LED 조명이 연결되어 있고 데이터 발생기로부터 오는 데이터를 입력하기 위한 단자가 있다. 본 연구에서는 이 단자에 온도센서 모듈을 연결하였다. 수신부에는 데이터의 전송을 요구하는 request신호를 송신부로 보내기 위한 청색 LED와 송신부로부터 데이터 광신호를 받는 광 다이오드가 설치되어 있다.

가시광통신 시스템의 정상 동작 여부를 확인하기 위하여 송신부에서 임의로 설정한 16개의 데이터를 보내고 수신부에서 받아들인 신호를 오실로스코우프로 측정하였다. 그림 6은 송신부의 FPGA에서 백색 LED의 구동부로 입력되는 신호의 파형을 측정한 것이다. 그림에서 위의 파형은 데이터 신호이고 아래의 파형은 조광 신호이다. 이 조광 신호는 데이터에 의해 증가된 조광 수준이 보정된 신호이다. 그림 7은 수신부의 광 다이오드에서 받은 신호를 2단 증폭한 후의 파형이다. 이 신호들은 고역필터를 사용하여 데이터 신호만 추출하고 수신부의 FPGA로 전달된다. 이 그림들은 송신부에서 보낸 신호가 수신부로 잘 전달되고 있음을 보여주고 있다.

3.2 데이터 광속을 고려한 조광 수준 보정 실험

제안된 디지털 조광기술을 검증하기 위하여 송신부에서 조광수준을 보정하지 않았을 때와 보정하였을 때의 백색LED 조명의 광속을 측정하였다. 광속의 측정은 Gigahertz-Optik사의 지름 50cm 적분구와 가시광의 분광 측정장치인 BTS256-LED를 사용하였다. 식(3)의 가중치가 작을수록 하나의 조광주기에 넣을 수 있는 데이터의 개수가 증가하므로 실험에서는 데이터용 LED와 조광용 LED의 전류비를 1/4로 하고 전송 데이터 펄스는 1 조광수준의 펄스와 동일한 ON시간을 가지도록 하였다. 실험에서는 한 조광주기에 들어가는 전송 데이터 펄스의 개수가 16, 32, 48, 64개일 때에 조광수준을 1부터 255까지 변화시키면서 백색 LED 조명의 광속을 측정하고 광속변동률을 계산하였다. 광속변동률은 식(4)와 같이 주어진 조광수준에서 전송 데이터가 없을 때와 있을 때의 광속의 차를 데이터가 없을 때의 광속으로 나눈 %비율이다.

여기서, $F_{\omega}$는 데이터 신호가 없을 때이고 $F_{d}$는 데이터 신호가 있을 때의 백색 LED 조명의 광속이다.

그림 8은 데이터 광속에 의한 조광수준의 증가분을 보정하지 않은 경우에 모든 조광수준에서의 광속을 측정하여 광속변동률을 계산한 것이다. 그림에서 데이터의 개수가 증가함에 따라, 그리고 조광수준이 감소함에 따라 광속변동률은 증가한다. 이는 데이터의 개수가 증가함에 따라, 그리고 조광수준이 낮아짐에 따라 원하는 조광수준을 유지할 수 없음을 의미한다.

그림 9는 데이터용 LED의 광속을 고려하여 조광수준을 보정한 경우에 모든 조광수준에서의 광속을 측정하고 광속변동률을 계산한 것이다. 조광수준이 $(L_{data})_{2}$ 보다 클 때, 앞서 측정한 보정 전의 결과와는 달리 모든 조광수준에서 광속변동률이 2%를 넘지 않는다. 통상적으로 조광 가능 LED 조명은 10% 이하의 조광수준을 사용하지 않으므로 이 결과는 데이터용 LED의 광속증가에 관계없이 항상 일정한 조광수준을 유지할 수 있다는 것을 보여준다.

식(1)에서 데이터의 ON 시간 $T_{k ON}$을 줄이거나, 식(2)에서 조광용 LED에 대한 데이터용 LED의 전류의 비를 낮추면 하나의 데이터 펄스에 대응하는 데이터용 LED의 광량이 감소하므로 한 조광주기에 넣을 수 있는 데이터의 수는 증가한다. 그러나 한 조광주기 안에 넣을 수 있는 최대 데이터의 개수는 수광부인 광 다이오드의 성능에 의존한다.

3.3 원격 온도 측정 실험

원자력 발전소나 병원 응급실 등에서는 각종 센서들을 사용한 측정 및 모니터링이 필요하다. 이 경우 무선을 기반으로 한 원격 측정이 가능하다면 효율적인 모니터링 시스템을 구축할 수가 있다. 그러므로 본 연구에서는 가시광통신 시스템을 사용하여 원격으로 온도를 측정하는 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 온도센서는 Microchip사의TC77-3.3MOA이다. 그림 10은 이 온도센서의 각 핀에 대한 타이밍도이다. 온도데이터를 활성화시키는 신호인 $\overline{CS}$는 가시광통신의 조광주기를 고려하여 조광주기 중 203.3 μs가 Low인 신호를 인가하였다. 이때 SI/0로부터는 온도에 관한 정보가 13bit의 직렬 데이터로 출력된다. 이 온도센서는 영하 –55°C에서 영상 +125°C까지 온도측정이 가능하며, 오차 범위는 약 ±1°C이다.

송신부에서는 온도센서로부터 13비트의 온도데이터를 전달받아 이 신호의 앞뒤에 온도가 들어옴을 알리는 1비트와 데이터의 끝을 알리는 2비트를 추가한 16개의 데이터 신호를 만들고 이것을 데이터용 LED를 이용하여 전송한다. 동시에 사용자가 설정한 조광수준에서 데이터용 LED에 의해 증가된 조광수준을 보정하여 새로운 조광수준을 만들고 이것으로 조광용 LED를 구동시킨다. 수신부에서는 광 다이오드를 이용하여 16개의 직렬 온도데이터를 수신한다. FPGA에서 이것을 병렬 데이터로 변환하고 온도정보가 들어있는 13개의 데이터만 추출한다. 13개의 비트 중 최상위 2비트는 영하온도에서 ‘–’를 표현하는 코드이고 최하위 4비트는 소수점 첫째 자리를 나타내는 코드이다. 나머지 7비트는 일의자리, 십의자리, 백의자리를 나타내는 코드이므로 이것들을 처리하여 7-segment 디스플레이에 표시한다.

예를 들어, 그림 11에서 수신된 신호는 ‘11 1111 1100 0011 11’ 이다. 신호의 시작과 끝을 알리는 신호를 제외한 온도데이터는 ‘1 1111 1100 0011’의 13개 직렬 데이터이다. 여기서 최상위 2개 비트가 ‘11’이므로 영하를 나타내므로 –3.8℃의 온도가 측정되었다. 그림 12는 수신된 신호가 ‘10 0110 0010 1111 11’ 이고 이때 온도데이터는 ‘0 0110 0010 1111’이므로 최상위 비트가 ‘00’이기 때문에 영상이고 98.9℃의 온도가 표시된다.

위 실험을 통하여, 개발된 가시광통신 시스템은 온도 데이터를 제대로 주고받음이 확인되었다. 이 시스템은 수신부에서 request 신호를 보내어 송신부와 동기시키므로 이 신호를 이용하면 하나의 가시광통신 시스템으로 복수개의 서로 다른 정보를 선택적으로 송수신하는 것도 가능하다. 이에 대해서는 색온도나 광색을 가변시키는 LED 조명을 사용한 가시광통신 시스템의 연구와 함께 추후에 연구할 필요가 있다.