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중소기업 기술혁신개발사업

최종보고서

전력선을 통한 음성전송장치

년 월 일2003 05 30

주 관 기 업 사 람 과 사 람 들

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요 약 서 초 록( )

과 제 명 전력선을 통한 음성전송 장치

주 관 기 업 사람과사람들 총괄책임자 신 진 섭

개 발 기 간 개월2002 04 ~ 2003 03 ( 12 )

총개발사업비천원( )

정부출연금 천원67000

총개발사업비

천원90000

기업부담금

현금 천원16100

현물 천원6900

위탁연구기관개발참여기업

없음ldquo rdquo

주요기술용어개(6~10 )

변조 복조 임피던스 서지전압 스펙트럼AM PLC

기술개발목표1본 개발에서는 전력선을 이용한 디지털통신의 한계를 대신할 수 있는 전력선과조명등을 전송 매체로 부하에 따른 임피던스의 감소와 서지전압 등과 같은 잡음에 강한 특성을 나타내는 아날로그 통신시스템 즉 전력선에 음성신호를 변조하여 형광등과 같은 조명등으로부터 나오는 빛에 그 음성신호가 실리도록 하고 이를 다시 광센서로 검출하고 음성신호만을 필터링하여 스피커나 이어폰으로 청취할 수 있게 함으로 해서 유 무선 방송 및 통신 기기 대의 송신기와 다수의 수(1ㆍ신기 를 이용하여 각종 방송장비 및 각급 학교 어학실습실 또는 대형 강의실을)대신하며 수신기 일체형 스피커로 방송 시설을 대체하거나 개인용 무선형 수신기를 단일품목으로 강의용으로 보급하고 차량용 전력선 인터넷 시스템 등을 순차적으로 개발하여 매출을 증대시키고자 한다

기술개발의 목적 및 중요성2본 개발기술과 유사한 제품으로는 적외선 를 이용한 무선이어폰 등이 있었LED으나 노이즈에 대한 대책이 미흡한 관계로 음질이 떨어져 사장되었으며 현재에는 공중파 방식의 무선이어폰이 시판되고 있다 그러나 공중파 방식은 아주 짧은거리에서만 적용되며 만일 보다 먼 거리를 원해 송신출력을 높일 경우 다른 사람들과 혼선이 일어날 수 있어 보안성을 찾아 볼 수 없는 실정이다다음으로 데이터 전송 기술면에서 살펴보면 전용선을 이용할 경우에는 당연 디지털이 아날로그보다 월등하게 우수하지만 전력선에서는 노이즈가 매우 심하여디지털은 노이즈에 매우 민감하므로 노이즈 제거가 그리 쉬운 문제가 아니므로아날로그가 유리하게 작용을 하게 되며 현재 많은 기업들이 전력선을 이용한 인터넷을 연구개발하고 있으므로 본 기술과 전력선 인터넷 기술을 상호 교류 및보완한다면 그 시너지 효과는 매우 클 것이라고 사료된다

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기술개발의 내용 및 범위3광 센서를 이용한 센서 응용기술-기존 전력선에 음성신호의 변조회로 및 송신기의 제품화-전력선에 타고 들어오는 노이즈 제거기술로 깨끗한 음질의 수신기 제품화-구역별 패키지별 송 수신 구별 기술- ㆍ제품디자인을 통한 미려한 제품의 출시-

기술개발 결과4본 개발의 추진은 단계별로 순조롭게 진행되고 완료되어 제품출시 직전에 있으며 개발과정에서 발생된 결과를 국내학술지 발표 건 박사학위논문 편 석사2 1 학위논문 편1 정부지원사업으로 디자인 혁신상품 개발사업에 참여하여 좋은 결과를 얻었으며 본 기술의 출원 중이던 특허에 대한 의견서 및 보정서를 제출하는 성과를 거두었다

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo 한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석- ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한- ldquo AM

연구rdquo대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003디자인 혁신상품 개발사업 참여 및 완료 년 월 년 월- 2002 4 ~ 2002 12

기대효과5기술적 효과(1)어학 실습실 대체 효과 송신기 대 수신기 대- (1set 1 40 )새로운 개념의 유 무선 방송 통신 기술 보급- ㆍ광통신 기초기술로서 이에 적합한 제품적용 기술 확대-전력선을 이용한 통신으로 원격 제어 기술 제공-교육적 효과(2)보다 나은 어학 실습 효과-외부소음 및 다른 학생에 의한 수업 방해해소-집중력 향상으로 학습 효과 증대 기대-상업적 효과(3)저렴한 가격으로 실용적인 어학실습실 구현-전력선을 이용한 통신기술로 저렴하게 원격탐사 구현-건물 내 방송시설의 설치비 절감과 시공의 간소화-대중교통수단에서의 음악청취가능으로 즐거운 여행-

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목 차

목 차

그림목차

표 목 차

제 장 서 론1

제 절 서언1

제 절 기술개발의 목표2

제 절 기술개발의 목적 및 중요성3

제 절 기술개발의 내용 및 범위4

제 절 기술개발 결과5

제 절 기대효과6

제 장 이 론2

제 절 변조1

제 절 복조2

제 장 제작 및 특성실험3

제 절 시스템의 구성1

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

전력증폭기 및 진폭변조기2

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

전력증폭기2

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

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나 끊을 때 발생하는 독립적인 임펄스 노이즈 등이 존재한다 이처럼 전(impulse)

력선 통신은 채널의 열악한 환경과 채널 특성을 파악하고 이를 해결하기 위해서는

주파수 변조 과정인 모듈레이션 원하는 통신신호만을 받아들이는 필(Modulation)

터링 기술 전력선과 음성 신호를 결합하는 커플링 기술 데이(Filtering) (Coupling)

터 통신의 에러율을 줄이기 위한 채널 코딩 기술 그리고 고속 통(Channel Coding)

신을 지원하는 이더넷 의 액세스 방식인 방식을 이용하거나 토(Ethernet) CSMACD

큰 패싱 방식 등 다양한 기술을 적용하는 과정이 필요하다(Token Passing) [8]

기술은 크게 액세스 기술과 홈오토메이션 기술로 나뉜다 이 가운데 액세스PLC

기술은 급 이상의 고압 전선을 이용한 고전압 수준과 급 이하의 고압전선22 22

을 이용한 중간전압 수준 그리고 일반 가정용 와 급의 저전압 수준의 기220V 110V

술로 구분할 수 있다 임피던스의 감쇠나 각종 잡음장애 등의 문제들을 안고 고압

선을 이용한 전송 기술은 현재 에서 개발을 추진하고 있으며 중전압선로와 저ETRI

전압선로를 이용하는 기술 개발은 국내 업체들을 통해 이미 진행중이다 특히PLC

이 가운데 저전압선로를 이용하는 액세스 기술 분야가 최근 많은 관심이 모아져 이

분야에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다

전력선을 활용한 연구가 대부분 디지털중심으로 이루어지고 있으나 적은 양의 데이

터 전송 속도가 다소 느려도 지장이 없는 시스템에서는 전력선의 활용도 또한 높

은 반면 초고속 인터넷 같이 많은 데이터 양을 아주 빠른 전송속도로 전력선을 통

하여 주고받기에는 해결되어야할 어려움이 많은 것으로 알려져 있다 다시 말해서

각종 잡음이나 임피던스의 변화에 대한 대처 방안에 대해서 현재 많은 연구가 활발

하게 진행되고 있으나 다만 데이터 오류율을 줄이는데 그 초점이 맞추어져 있어 근

본적인 문제 해결을 위한 실마리가 그리 쉽게 풀리지 않고 있는 실정이다 반면에

아날로그 통신의 경우에는 잡음이나 임피던스의 변화에 강한 이점을 지니고 있어

음성전달에는 쉽게 접근이 가능할 뿐만 아니라 센서 등에서 수집된 아날로그 정보

를 디지털화하지 않고 아날로그 자체로 전송할 경우 잡음이나 임피던스 변화에 의

한 실제 측정값의 변화는 시간평균 등과 같은 방법으로 실제 측정값과의 편차를 크

게 줄일 수 있는 장점을 지니고 있다[9]

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제 절 기술개발의 목표2

본 개발에서는 전력선을 이용한 디지털통신의 한계를 대신할 수 있는 전력선과 조

명등을 전송매체로 부하에 따른 임피던스의 감소와 서지전압 등과 같은 잡음에 강

한 특성을 나타내는 아날로그 통신시스템 즉 전력선에 음성신호를 변조하여 형광

등과 같은 조명등으로부터 나오는 빛에 그 음성신호가 실리도록 하고 이를 다시 광

센서로 검출하고 음성신호만을 필터링하여 스피커나 이어폰으로 청취할 수 있게 함

으로 해서 유 무선 방송 및 통신 기기 대의 송신기와 다수의 수신기 를 이용하여(1 )ㆍ

각종 방송장비 및 각급 학교 어학실습실 또는 대형 강의실을 대신하며 수신기 일

체형 스피커로 방송 시설을 대체하거나 개인용 무선형 수신기를 단일품목으로 강의

용으로 보급하고 차량용 전력선 인터넷 시스템 등을 순차적으로 개발하여 배출을

증대시키고자 한다

제 절 기술개발의 목적 및 중요성3

본 개발기술과 유사한 제품으로는 적외선 를 이용한 무선이어폰 등이 있었으나LED

노이즈에 대한 대책이 미흡한 관계로 음질이 떨어져 사장되었으며 현재에는 공중파

방식의 무선이어폰이 시판되고 있다 그러나 공중파 방식은 아주 짧은 거리에서만

적용되며 만일 보다 먼 거리를 원해 송신출력을 높일 경우 다른 사람들과 혼선이

일어날 수 있어 보안성을 찾아 볼 수 없는 실정이다

다음으로 데이터 전송 기술면에서 살펴보면 전용선을 이용할 경우에는 당연 디지털

이 아날로그보다 월등하게 우수하지만 전력선에서는 노이즈가 매우 심하여 디지털

은 노이즈에 매우 민감하므로 노이즈 제거가 그리 쉬운 문제가 아니므로 아날로그

가 유리하게 작용을 하게 된다

현재 많은 기업들이 전력선을 이용한 인터넷을 연구개발하고 있으므로 본 기술과

전력선 인터넷 기술을 상호 교류 및 보완한다면 그 시너지 효과는 매우 클 것이라

고 사료된다

제 절 기술개발의 내용 및 범위4

광 센서를 이용한 센서 응용기술-

기존 전력선에 음성신호의 변조회로 및 송신기의 제품화-

전력선에 타고 들어오는 노이즈 제거기술로 깨끗한 음질의 수신기 제품화-

구역별 패키지별 송 수신 구별 기술- ㆍ

제품디자인을 통한 미려한 제품의 출시-

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제 절 기술개발 결과5

본 개발의 추진은 단계별로 순조롭게 진행되어 완료되어 제품출시를 앞두고 있으

며 개발과정에서 발생된 결과를 국내학술지에 편을 발표하였으며 박사학위논문 2

과 석사학위논문을 각각 편씩 배출하였으며 제품디자인에서는 디자인 혁신상품1

개발사업에 참여하여 그 성과를 얻었다

개발 추진과정에서 발생된 실적은 국내 학술지에 발표한 내용과 학위논문을 요약하

여 기재하고 해당 자료의 복사본을 부록으로 첨부하고자 한다

음성통신 기초실험1

빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지에 대하여 전원과 수신기 안테나로

서의 복합 기능 가능성을 실험해 본 것으로 송신기 입력 단에 Function generator

를 이용하여 가청주파수 를 인가하고 을 사용한 수신기 측(20~20000 ) solar cell

에서 검출한 출력파형이 입력 파형과 동일함을 확인할 수 있었다 또한 입력 단에

마이크를 사용하여 음성신호를 입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한

소리를 들을 수 있었다 이는 빛을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과

하나 이를 이용하여 송신기 측에 앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 태양

전지가 내장된 수신기를 사용하여 청취한다면 이는 저렴한 가격으로 실용적이면서

도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된다[10]

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

포토 특성 조사실험 조명등의 파형분석 필터회로 설계 제작 및 실험2 TR

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광 특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수 특성을 살펴

보았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그 때

의 스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질상태를 청취해 본 결과 음질

상태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학교육용으로는 전혀 문

제가 없었다[11]

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

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송수신기 설계 제작 및 실험3

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭 변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신 주파수를 수신기로 동

조 및 검파하여 음성 신호로 변환시켜 그 특성을 조사하였다[12]

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문4

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석 ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구 ldquo AM

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

제품디자인 및 설계 및 금형 제작5

제품디자인은 수신기에 한하여 수신기 본체와 충전기를 하나의 제품으로 하여 디자

인 전문업체인 엡솔루트 디자인 사와 함께 디자인 혁신상품 개발사업 년ldquo rdquo ldquo (2002 4

월 년 월 으로 선정되어 미려한 제품디자인을 진행하였으며 과~ 2002 12 ) mock-up

설계도를 바탕으로 금형전문업체인 동양정공사 에 발주하여 본 제품에 대한 금형ldquo rdquo

을 제작완료하고 제품 출시의 기틀을 마련하였다

제 절 기대효과5

기술적 효과1

어학 실습실 대체 효과 송신기 대 수신기 대- (1set 1 40 )

새로운 개념의 유 무선 방송 통신 기술 보급- ㆍ

광통신 기초기술로서 이에 적합한 제품적용 기술 확대-

전력선을 이용한 통신으로 원격 제어 기술 제공-

특수차량간 대화기술 보급 송 수신기가 일체화된 통신- ( 11 )ㆍ

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교육적 효과2

광통신 원리의 기초지식 제공-

빛의 성질에 대한 이해와 지식습득-

보다 나은 어학 실습 효과-

외부소음 및 다른 학생에 의한 수업 방해해소-

집중력 향상으로 학습 효과 증대 기대-

상업 효과3

저렴한 가격으로 실용적인 어학 실습실 구현-

전력선을 이용한 통신기술로 저렴하게 원격탐사 구현-

건물 내 방송시설의 설치비 절감과 시공의 간소화-

대형매장에서의 피해 없는 메시지전달에 의한 고객의 즐거운 쇼핑-

대중교통수단에서의 음악청취가능으로 즐거운 여행-

운전 중 휴대폰 통화금지로 차량간 통화수단으로 활용이 기대-

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제 장 이 론2

제 절 변조1 [13][14]

변조는 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기는 조작 이다 이를(Process)

논하기 전에 변조를 하지 않는 베이스밴드 통신 과 변(baseband comumunication)

조를 한 대역통과통신 그리고 반송파통신(bandpass communication) (carrier

을 구별하는 것은 중요하다 정보원이나 입력변환기 예communication) (transducer

를 들면 마이크 장치 에서 발생되는 신호의 주파수대역폭은 무선전송주파수보다 )

훨씬 낮은 주파수 범위를 갖는 제한된 대역폭의 신호이다 이러한 정보신호를 베이

스밴드 신호라 부른다 예를 들면 전화인 경우 베이스밴드(baseband) 0 ~ 35[ ]

의 가청주파수대역 음성신호의 대역 이고 텔레비전인 경우 베이스밴드( ) 0 ~ 43

의 영상신호 대역이며 데이터의 전송률이[ ] f S 인 경우의 베이스밴[pulsessec]

드는 이다0 ~ fs2[ ]

베이스밴드 통신에서는 베이스밴드 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기

지 않고 베이스밴드 신호를 그대로 전송시킨다 그러므로 이들은 무선통신로 (radio

를 통하여 보내어질 수 없으나 선 선로나 케이블을 통하여 전송될 수 있channel) 2

다 구역전화교환이나 개의 교환국간의 펄스부호변조 2 (PCM pulse code

는 베이스밴드 통신의 한 예이다 베이스밴드 통신은 베이스밴드 주파modulation)

수만을 사용하므로 그의 이용에 제한을 받는다 또 일반적으로 더 낮은 주파수의

신호일수록 그의 전송도 더 어려우므로 신호의 스펙트럼을 변조방식을 사용하여 더

높은 주파수 범위로 옮기는 것이 바람직하다

그밖에 베이스밴드 방식으로는 기술개발로 인하여 이용 가능하게 된 광대역 주파수

스펙트럼을 사용할 수 없다 몇 개의 베이스 밴드 신호를 변조하여 서로 겹치지 않

도록 그들의 주파수 스펙트럼을 각각 다른 위치로 옮기면 이용할 수 있는 모든 대

역을 더욱 효과적으로 사용할 수 있다 장거리 무선통신도 작은 안테나를 사용하여

전자파를 전파 하기 위해서는 신호의 스펙트럼을 더 높은 주파수로 옮기(radiation)

는 변조가 필요하다 변조를 사용하는 또 다른 이유는 신호대잡음전력비 (SNR

를 개선하기 위해서이다 이와 같이 변조를 사용하여 신호signal-to-noise ration)

의 주파수 스펙트럼을 옮기는 통신을 반송파통신 또는 대역통과통신이라 한다

이 경우 높은 주파수 fC인 정현파의 기본파라미터 진폭 주파수 및 위상 중의 하나( )

를 베이스밴드신호 에 따라 변화시키면 이는 각각 진폭변조s(t) (AM Amplitude

주파수변조 및 위상변조modulation) (FM frequency modulation) (PM phase

가된다 주파수 변조방식와 위상 변조방식은 근본적으로 비슷하므로 이modulation)

를 묶어서 각변조 라 한다(angle modulation)

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변조를 사용하여 아날로그 신호는 물론 디지털 베이스밴드 신호도 전송한다 베이

스 밴드 신호 펄스변조신호 펄스변조방식은 실은 베이스( -PAM PWM PPM DM)

밴드 부호화방식 이다 이 신호들의 주파수 스펙트럼을(baseband coding scheme)

옮기기 위해서는 반송파 주파수로 다시 변조하여야 한다

변조된 파 또는 피변조파 의 일반적인 식은 다음과 같다g(t)

여기서 진폭 와 각a(t) (t)=2 fπ120775 C 는 시간의 함수이다t+ (t) 120579

정보내용이 에 실리면 진폭변조라 부르고 이 경우(1) a(t) (t)=120579 1205790 정수이다=

정보내용이(2) (t)=2 fπ120775 C 에 포함되면 각 변조라 부르고 이 경우t+ (t) s(t)=A120579 C 정=

수이다 이를 다시 분류하면 다음과 같다

정보내용이 에 포함되면 위상변조라 하고(a) (t)120579

정보내용이(b) 에 포함되며 주파수 변조라 부른다

순시위상 와 순시 각주파수 흔히 순시 주파수라고도 함 는 다음과 같이(t) ( ) (t)120775 120775

정의된다

여기서 fC는 반송파주파수이다

진폭변조 변조1 (AM Amplitude Modulation)

지금 정보신호 또는 변조신호 를 라 하고 반송파를( ) s(t) ACcos2 fπ C 라 하면 피변조t

파(modulated signal wave) g DSB 는 다음과 같다(t)

설명의 편의상 s(t)=Amcos2 fπ m 이라 놓으면 윗식은t

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가 된다 여기서 A0 =Ac Am이다

이와 같은 형식의 전송방식을 반송파억압진폭변조(DSB-SC double sideband-

또는suppressed carrier amplitude modulation) AM-SC(amplitude modulation-

라 한다 위의 식에는 반송파suppressed carrier) cos2 fπ C 가 포함되어 있지 않으므t

로 반송파억압이란 말을 붙인 것이다 식 을 변환하여 주파수 영역으로 (23) Fourier

나타내면 다음과 같다

위의 식의 관계를 그림으로 도시하면 그림 과 같다 lt 21gt

Fig 21 DSB-SC transmission system

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식 에 반송파를 추가한 방식으로 단순히 진폭변조 또는 라 한다 진(23) (AM DSB)

폭변조 방식은 검파방식이 간단한 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있다

반송파를 갖는 진폭변조파를 흔히 파 또는 신호라 한다 엄격하게 말하면AM AM

이다 의 유일한 성질은 변조된 방송파DSB-LC(double sideband-large carrier) AM

의 포락선 이 메시지파형과 동일한 파형을 갖는 것이다(envelope)

파에 관한 일반식은 다음과 같다AM

여기서는 Ac는 진폭이 쪽으로 가지 않도록 하기 위한 바이어스 전압이다(-) (bias)

지금 편의상 1207530= 0 s(t) = Amcos2 fπ m 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이 된다t

여기에서 ma=Am 을 의 변조지수 라 부르며 는 메시지Ac AM (modulation index) s(t)

신호로서 가 되도록 한다 이러한 조건으로부터 와 구별하기 위|s(t)| Ac DSB-SCle

하여 파를 라 표기한다 즉AM DSB-LC ma는 보다 적어야한다1 ma 일 때= 1

변조라 하며100 ma 일 때는 변조가 된다=05 50

일반적으로 ma 이지만1 mle a 인 경우를 과변조 라 한다gt 1 (over modulation) ma의

값에 따른 변조된 파형 즉 malt1 ma 과=1 ma 인 경우의 변조파는 그림 에gt1 lt 22gt

서 보는 바와 같다 이 포락선은 ma 인 경우에만 정보신호 와 거의 동일하다1 s(t) le

따라서 수신측에서 신호 를 재생하는 경우 포락선만을 검파하면 된다s(t)

신호는 즉 신호보다 변조 또는 복조가 훨씬 용이하므로 상용방AM AM-SC DSB-SC

송에서는 방식이 사용된다AM

식 을 다시 고쳐 쓰면 다음과 같다(27)

위의 식을 살펴보면 를 나타내는 식 에 반송파 항이 더 부가되었음을 DSB-SC (24)

알 수 있다

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식 을 주파수영역에 나타내면 그림 에 보인 바와 같은 단일 정현파 주파(27) lt 23gt

수 스펙트럼을 얻는다 식 의 우변 제 항은 반송파이고 제 항은 상측대파 (28) 1 2

이고 제 항은 반송파보다 낮은 주파수로 변환됨을(USB upper sideband wave) 3

나타내므로 하측대파 라 한다(LSBlower sideband wave)

Fig 22 Effect about a variation of modulation-index ma

Fig 23 Frequency spectrum of an amplitude modulation

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Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

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Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

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여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

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이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

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부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 2 -

요 약 서 초 록( )

과 제 명 전력선을 통한 음성전송 장치

주 관 기 업 사람과사람들 총괄책임자 신 진 섭

개 발 기 간 개월2002 04 ~ 2003 03 ( 12 )

총개발사업비천원( )

정부출연금 천원67000

총개발사업비

천원90000

기업부담금

현금 천원16100

현물 천원6900

위탁연구기관개발참여기업

없음ldquo rdquo

주요기술용어개(6~10 )

변조 복조 임피던스 서지전압 스펙트럼AM PLC

기술개발목표1본 개발에서는 전력선을 이용한 디지털통신의 한계를 대신할 수 있는 전력선과조명등을 전송 매체로 부하에 따른 임피던스의 감소와 서지전압 등과 같은 잡음에 강한 특성을 나타내는 아날로그 통신시스템 즉 전력선에 음성신호를 변조하여 형광등과 같은 조명등으로부터 나오는 빛에 그 음성신호가 실리도록 하고 이를 다시 광센서로 검출하고 음성신호만을 필터링하여 스피커나 이어폰으로 청취할 수 있게 함으로 해서 유 무선 방송 및 통신 기기 대의 송신기와 다수의 수(1ㆍ신기 를 이용하여 각종 방송장비 및 각급 학교 어학실습실 또는 대형 강의실을)대신하며 수신기 일체형 스피커로 방송 시설을 대체하거나 개인용 무선형 수신기를 단일품목으로 강의용으로 보급하고 차량용 전력선 인터넷 시스템 등을 순차적으로 개발하여 매출을 증대시키고자 한다

기술개발의 목적 및 중요성2본 개발기술과 유사한 제품으로는 적외선 를 이용한 무선이어폰 등이 있었LED으나 노이즈에 대한 대책이 미흡한 관계로 음질이 떨어져 사장되었으며 현재에는 공중파 방식의 무선이어폰이 시판되고 있다 그러나 공중파 방식은 아주 짧은거리에서만 적용되며 만일 보다 먼 거리를 원해 송신출력을 높일 경우 다른 사람들과 혼선이 일어날 수 있어 보안성을 찾아 볼 수 없는 실정이다다음으로 데이터 전송 기술면에서 살펴보면 전용선을 이용할 경우에는 당연 디지털이 아날로그보다 월등하게 우수하지만 전력선에서는 노이즈가 매우 심하여디지털은 노이즈에 매우 민감하므로 노이즈 제거가 그리 쉬운 문제가 아니므로아날로그가 유리하게 작용을 하게 되며 현재 많은 기업들이 전력선을 이용한 인터넷을 연구개발하고 있으므로 본 기술과 전력선 인터넷 기술을 상호 교류 및보완한다면 그 시너지 효과는 매우 클 것이라고 사료된다

- 3 -

기술개발의 내용 및 범위3광 센서를 이용한 센서 응용기술-기존 전력선에 음성신호의 변조회로 및 송신기의 제품화-전력선에 타고 들어오는 노이즈 제거기술로 깨끗한 음질의 수신기 제품화-구역별 패키지별 송 수신 구별 기술- ㆍ제품디자인을 통한 미려한 제품의 출시-

기술개발 결과4본 개발의 추진은 단계별로 순조롭게 진행되고 완료되어 제품출시 직전에 있으며 개발과정에서 발생된 결과를 국내학술지 발표 건 박사학위논문 편 석사2 1 학위논문 편1 정부지원사업으로 디자인 혁신상품 개발사업에 참여하여 좋은 결과를 얻었으며 본 기술의 출원 중이던 특허에 대한 의견서 및 보정서를 제출하는 성과를 거두었다

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo 한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석- ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한- ldquo AM

연구rdquo대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003디자인 혁신상품 개발사업 참여 및 완료 년 월 년 월- 2002 4 ~ 2002 12

기대효과5기술적 효과(1)어학 실습실 대체 효과 송신기 대 수신기 대- (1set 1 40 )새로운 개념의 유 무선 방송 통신 기술 보급- ㆍ광통신 기초기술로서 이에 적합한 제품적용 기술 확대-전력선을 이용한 통신으로 원격 제어 기술 제공-교육적 효과(2)보다 나은 어학 실습 효과-외부소음 및 다른 학생에 의한 수업 방해해소-집중력 향상으로 학습 효과 증대 기대-상업적 효과(3)저렴한 가격으로 실용적인 어학실습실 구현-전력선을 이용한 통신기술로 저렴하게 원격탐사 구현-건물 내 방송시설의 설치비 절감과 시공의 간소화-대중교통수단에서의 음악청취가능으로 즐거운 여행-

- 4 -

목 차

목 차

그림목차

표 목 차

제 장 서 론1

제 절 서언1

제 절 기술개발의 목표2

제 절 기술개발의 목적 및 중요성3

제 절 기술개발의 내용 및 범위4

제 절 기술개발 결과5

제 절 기대효과6

제 장 이 론2

제 절 변조1

제 절 복조2

제 장 제작 및 특성실험3

제 절 시스템의 구성1

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

전력증폭기 및 진폭변조기2

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

전력증폭기2

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

- 5 -

나 끊을 때 발생하는 독립적인 임펄스 노이즈 등이 존재한다 이처럼 전(impulse)

력선 통신은 채널의 열악한 환경과 채널 특성을 파악하고 이를 해결하기 위해서는

주파수 변조 과정인 모듈레이션 원하는 통신신호만을 받아들이는 필(Modulation)

터링 기술 전력선과 음성 신호를 결합하는 커플링 기술 데이(Filtering) (Coupling)

터 통신의 에러율을 줄이기 위한 채널 코딩 기술 그리고 고속 통(Channel Coding)

신을 지원하는 이더넷 의 액세스 방식인 방식을 이용하거나 토(Ethernet) CSMACD

큰 패싱 방식 등 다양한 기술을 적용하는 과정이 필요하다(Token Passing) [8]

기술은 크게 액세스 기술과 홈오토메이션 기술로 나뉜다 이 가운데 액세스PLC

기술은 급 이상의 고압 전선을 이용한 고전압 수준과 급 이하의 고압전선22 22

을 이용한 중간전압 수준 그리고 일반 가정용 와 급의 저전압 수준의 기220V 110V

술로 구분할 수 있다 임피던스의 감쇠나 각종 잡음장애 등의 문제들을 안고 고압

선을 이용한 전송 기술은 현재 에서 개발을 추진하고 있으며 중전압선로와 저ETRI

전압선로를 이용하는 기술 개발은 국내 업체들을 통해 이미 진행중이다 특히PLC

이 가운데 저전압선로를 이용하는 액세스 기술 분야가 최근 많은 관심이 모아져 이

분야에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다

전력선을 활용한 연구가 대부분 디지털중심으로 이루어지고 있으나 적은 양의 데이

터 전송 속도가 다소 느려도 지장이 없는 시스템에서는 전력선의 활용도 또한 높

은 반면 초고속 인터넷 같이 많은 데이터 양을 아주 빠른 전송속도로 전력선을 통

하여 주고받기에는 해결되어야할 어려움이 많은 것으로 알려져 있다 다시 말해서

각종 잡음이나 임피던스의 변화에 대한 대처 방안에 대해서 현재 많은 연구가 활발

하게 진행되고 있으나 다만 데이터 오류율을 줄이는데 그 초점이 맞추어져 있어 근

본적인 문제 해결을 위한 실마리가 그리 쉽게 풀리지 않고 있는 실정이다 반면에

아날로그 통신의 경우에는 잡음이나 임피던스의 변화에 강한 이점을 지니고 있어

음성전달에는 쉽게 접근이 가능할 뿐만 아니라 센서 등에서 수집된 아날로그 정보

를 디지털화하지 않고 아날로그 자체로 전송할 경우 잡음이나 임피던스 변화에 의

한 실제 측정값의 변화는 시간평균 등과 같은 방법으로 실제 측정값과의 편차를 크

게 줄일 수 있는 장점을 지니고 있다[9]

- 6 -

제 절 기술개발의 목표2

본 개발에서는 전력선을 이용한 디지털통신의 한계를 대신할 수 있는 전력선과 조

명등을 전송매체로 부하에 따른 임피던스의 감소와 서지전압 등과 같은 잡음에 강

한 특성을 나타내는 아날로그 통신시스템 즉 전력선에 음성신호를 변조하여 형광

등과 같은 조명등으로부터 나오는 빛에 그 음성신호가 실리도록 하고 이를 다시 광

센서로 검출하고 음성신호만을 필터링하여 스피커나 이어폰으로 청취할 수 있게 함

으로 해서 유 무선 방송 및 통신 기기 대의 송신기와 다수의 수신기 를 이용하여(1 )ㆍ

각종 방송장비 및 각급 학교 어학실습실 또는 대형 강의실을 대신하며 수신기 일

체형 스피커로 방송 시설을 대체하거나 개인용 무선형 수신기를 단일품목으로 강의

용으로 보급하고 차량용 전력선 인터넷 시스템 등을 순차적으로 개발하여 배출을

증대시키고자 한다

제 절 기술개발의 목적 및 중요성3

본 개발기술과 유사한 제품으로는 적외선 를 이용한 무선이어폰 등이 있었으나LED

노이즈에 대한 대책이 미흡한 관계로 음질이 떨어져 사장되었으며 현재에는 공중파

방식의 무선이어폰이 시판되고 있다 그러나 공중파 방식은 아주 짧은 거리에서만

적용되며 만일 보다 먼 거리를 원해 송신출력을 높일 경우 다른 사람들과 혼선이

일어날 수 있어 보안성을 찾아 볼 수 없는 실정이다

다음으로 데이터 전송 기술면에서 살펴보면 전용선을 이용할 경우에는 당연 디지털

이 아날로그보다 월등하게 우수하지만 전력선에서는 노이즈가 매우 심하여 디지털

은 노이즈에 매우 민감하므로 노이즈 제거가 그리 쉬운 문제가 아니므로 아날로그

가 유리하게 작용을 하게 된다

현재 많은 기업들이 전력선을 이용한 인터넷을 연구개발하고 있으므로 본 기술과

전력선 인터넷 기술을 상호 교류 및 보완한다면 그 시너지 효과는 매우 클 것이라

고 사료된다

제 절 기술개발의 내용 및 범위4

광 센서를 이용한 센서 응용기술-

기존 전력선에 음성신호의 변조회로 및 송신기의 제품화-

전력선에 타고 들어오는 노이즈 제거기술로 깨끗한 음질의 수신기 제품화-

구역별 패키지별 송 수신 구별 기술- ㆍ

제품디자인을 통한 미려한 제품의 출시-

- 7 -

제 절 기술개발 결과5

본 개발의 추진은 단계별로 순조롭게 진행되어 완료되어 제품출시를 앞두고 있으

며 개발과정에서 발생된 결과를 국내학술지에 편을 발표하였으며 박사학위논문 2

과 석사학위논문을 각각 편씩 배출하였으며 제품디자인에서는 디자인 혁신상품1

개발사업에 참여하여 그 성과를 얻었다

개발 추진과정에서 발생된 실적은 국내 학술지에 발표한 내용과 학위논문을 요약하

여 기재하고 해당 자료의 복사본을 부록으로 첨부하고자 한다

음성통신 기초실험1

빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지에 대하여 전원과 수신기 안테나로

서의 복합 기능 가능성을 실험해 본 것으로 송신기 입력 단에 Function generator

를 이용하여 가청주파수 를 인가하고 을 사용한 수신기 측(20~20000 ) solar cell

에서 검출한 출력파형이 입력 파형과 동일함을 확인할 수 있었다 또한 입력 단에

마이크를 사용하여 음성신호를 입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한

소리를 들을 수 있었다 이는 빛을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과

하나 이를 이용하여 송신기 측에 앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 태양

전지가 내장된 수신기를 사용하여 청취한다면 이는 저렴한 가격으로 실용적이면서

도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된다[10]

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

포토 특성 조사실험 조명등의 파형분석 필터회로 설계 제작 및 실험2 TR

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광 특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수 특성을 살펴

보았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그 때

의 스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질상태를 청취해 본 결과 음질

상태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학교육용으로는 전혀 문

제가 없었다[11]

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

- 8 -

송수신기 설계 제작 및 실험3

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭 변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신 주파수를 수신기로 동

조 및 검파하여 음성 신호로 변환시켜 그 특성을 조사하였다[12]

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문4

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석 ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구 ldquo AM

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

제품디자인 및 설계 및 금형 제작5

제품디자인은 수신기에 한하여 수신기 본체와 충전기를 하나의 제품으로 하여 디자

인 전문업체인 엡솔루트 디자인 사와 함께 디자인 혁신상품 개발사업 년ldquo rdquo ldquo (2002 4

월 년 월 으로 선정되어 미려한 제품디자인을 진행하였으며 과~ 2002 12 ) mock-up

설계도를 바탕으로 금형전문업체인 동양정공사 에 발주하여 본 제품에 대한 금형ldquo rdquo

을 제작완료하고 제품 출시의 기틀을 마련하였다

제 절 기대효과5

기술적 효과1

어학 실습실 대체 효과 송신기 대 수신기 대- (1set 1 40 )

새로운 개념의 유 무선 방송 통신 기술 보급- ㆍ

광통신 기초기술로서 이에 적합한 제품적용 기술 확대-

전력선을 이용한 통신으로 원격 제어 기술 제공-

특수차량간 대화기술 보급 송 수신기가 일체화된 통신- ( 11 )ㆍ

- 9 -

교육적 효과2

광통신 원리의 기초지식 제공-

빛의 성질에 대한 이해와 지식습득-

보다 나은 어학 실습 효과-

외부소음 및 다른 학생에 의한 수업 방해해소-

집중력 향상으로 학습 효과 증대 기대-

상업 효과3

저렴한 가격으로 실용적인 어학 실습실 구현-

전력선을 이용한 통신기술로 저렴하게 원격탐사 구현-

건물 내 방송시설의 설치비 절감과 시공의 간소화-

대형매장에서의 피해 없는 메시지전달에 의한 고객의 즐거운 쇼핑-

대중교통수단에서의 음악청취가능으로 즐거운 여행-

운전 중 휴대폰 통화금지로 차량간 통화수단으로 활용이 기대-

- 10 -

제 장 이 론2

제 절 변조1 [13][14]

변조는 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기는 조작 이다 이를(Process)

논하기 전에 변조를 하지 않는 베이스밴드 통신 과 변(baseband comumunication)

조를 한 대역통과통신 그리고 반송파통신(bandpass communication) (carrier

을 구별하는 것은 중요하다 정보원이나 입력변환기 예communication) (transducer

를 들면 마이크 장치 에서 발생되는 신호의 주파수대역폭은 무선전송주파수보다 )

훨씬 낮은 주파수 범위를 갖는 제한된 대역폭의 신호이다 이러한 정보신호를 베이

스밴드 신호라 부른다 예를 들면 전화인 경우 베이스밴드(baseband) 0 ~ 35[ ]

의 가청주파수대역 음성신호의 대역 이고 텔레비전인 경우 베이스밴드( ) 0 ~ 43

의 영상신호 대역이며 데이터의 전송률이[ ] f S 인 경우의 베이스밴[pulsessec]

드는 이다0 ~ fs2[ ]

베이스밴드 통신에서는 베이스밴드 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기

지 않고 베이스밴드 신호를 그대로 전송시킨다 그러므로 이들은 무선통신로 (radio

를 통하여 보내어질 수 없으나 선 선로나 케이블을 통하여 전송될 수 있channel) 2

다 구역전화교환이나 개의 교환국간의 펄스부호변조 2 (PCM pulse code

는 베이스밴드 통신의 한 예이다 베이스밴드 통신은 베이스밴드 주파modulation)

수만을 사용하므로 그의 이용에 제한을 받는다 또 일반적으로 더 낮은 주파수의

신호일수록 그의 전송도 더 어려우므로 신호의 스펙트럼을 변조방식을 사용하여 더

높은 주파수 범위로 옮기는 것이 바람직하다

그밖에 베이스밴드 방식으로는 기술개발로 인하여 이용 가능하게 된 광대역 주파수

스펙트럼을 사용할 수 없다 몇 개의 베이스 밴드 신호를 변조하여 서로 겹치지 않

도록 그들의 주파수 스펙트럼을 각각 다른 위치로 옮기면 이용할 수 있는 모든 대

역을 더욱 효과적으로 사용할 수 있다 장거리 무선통신도 작은 안테나를 사용하여

전자파를 전파 하기 위해서는 신호의 스펙트럼을 더 높은 주파수로 옮기(radiation)

는 변조가 필요하다 변조를 사용하는 또 다른 이유는 신호대잡음전력비 (SNR

를 개선하기 위해서이다 이와 같이 변조를 사용하여 신호signal-to-noise ration)

의 주파수 스펙트럼을 옮기는 통신을 반송파통신 또는 대역통과통신이라 한다

이 경우 높은 주파수 fC인 정현파의 기본파라미터 진폭 주파수 및 위상 중의 하나( )

를 베이스밴드신호 에 따라 변화시키면 이는 각각 진폭변조s(t) (AM Amplitude

주파수변조 및 위상변조modulation) (FM frequency modulation) (PM phase

가된다 주파수 변조방식와 위상 변조방식은 근본적으로 비슷하므로 이modulation)

를 묶어서 각변조 라 한다(angle modulation)

- 11 -

변조를 사용하여 아날로그 신호는 물론 디지털 베이스밴드 신호도 전송한다 베이

스 밴드 신호 펄스변조신호 펄스변조방식은 실은 베이스( -PAM PWM PPM DM)

밴드 부호화방식 이다 이 신호들의 주파수 스펙트럼을(baseband coding scheme)

옮기기 위해서는 반송파 주파수로 다시 변조하여야 한다

변조된 파 또는 피변조파 의 일반적인 식은 다음과 같다g(t)

여기서 진폭 와 각a(t) (t)=2 fπ120775 C 는 시간의 함수이다t+ (t) 120579

정보내용이 에 실리면 진폭변조라 부르고 이 경우(1) a(t) (t)=120579 1205790 정수이다=

정보내용이(2) (t)=2 fπ120775 C 에 포함되면 각 변조라 부르고 이 경우t+ (t) s(t)=A120579 C 정=

수이다 이를 다시 분류하면 다음과 같다

정보내용이 에 포함되면 위상변조라 하고(a) (t)120579

정보내용이(b) 에 포함되며 주파수 변조라 부른다

순시위상 와 순시 각주파수 흔히 순시 주파수라고도 함 는 다음과 같이(t) ( ) (t)120775 120775

정의된다

여기서 fC는 반송파주파수이다

진폭변조 변조1 (AM Amplitude Modulation)

지금 정보신호 또는 변조신호 를 라 하고 반송파를( ) s(t) ACcos2 fπ C 라 하면 피변조t

파(modulated signal wave) g DSB 는 다음과 같다(t)

설명의 편의상 s(t)=Amcos2 fπ m 이라 놓으면 윗식은t

- 12 -

가 된다 여기서 A0 =Ac Am이다

이와 같은 형식의 전송방식을 반송파억압진폭변조(DSB-SC double sideband-

또는suppressed carrier amplitude modulation) AM-SC(amplitude modulation-

라 한다 위의 식에는 반송파suppressed carrier) cos2 fπ C 가 포함되어 있지 않으므t

로 반송파억압이란 말을 붙인 것이다 식 을 변환하여 주파수 영역으로 (23) Fourier

나타내면 다음과 같다

위의 식의 관계를 그림으로 도시하면 그림 과 같다 lt 21gt

Fig 21 DSB-SC transmission system

- 13 -

식 에 반송파를 추가한 방식으로 단순히 진폭변조 또는 라 한다 진(23) (AM DSB)

폭변조 방식은 검파방식이 간단한 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있다

반송파를 갖는 진폭변조파를 흔히 파 또는 신호라 한다 엄격하게 말하면AM AM

이다 의 유일한 성질은 변조된 방송파DSB-LC(double sideband-large carrier) AM

의 포락선 이 메시지파형과 동일한 파형을 갖는 것이다(envelope)

파에 관한 일반식은 다음과 같다AM

여기서는 Ac는 진폭이 쪽으로 가지 않도록 하기 위한 바이어스 전압이다(-) (bias)

지금 편의상 1207530= 0 s(t) = Amcos2 fπ m 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이 된다t

여기에서 ma=Am 을 의 변조지수 라 부르며 는 메시지Ac AM (modulation index) s(t)

신호로서 가 되도록 한다 이러한 조건으로부터 와 구별하기 위|s(t)| Ac DSB-SCle

하여 파를 라 표기한다 즉AM DSB-LC ma는 보다 적어야한다1 ma 일 때= 1

변조라 하며100 ma 일 때는 변조가 된다=05 50

일반적으로 ma 이지만1 mle a 인 경우를 과변조 라 한다gt 1 (over modulation) ma의

값에 따른 변조된 파형 즉 malt1 ma 과=1 ma 인 경우의 변조파는 그림 에gt1 lt 22gt

서 보는 바와 같다 이 포락선은 ma 인 경우에만 정보신호 와 거의 동일하다1 s(t) le

따라서 수신측에서 신호 를 재생하는 경우 포락선만을 검파하면 된다s(t)

신호는 즉 신호보다 변조 또는 복조가 훨씬 용이하므로 상용방AM AM-SC DSB-SC

송에서는 방식이 사용된다AM

식 을 다시 고쳐 쓰면 다음과 같다(27)

위의 식을 살펴보면 를 나타내는 식 에 반송파 항이 더 부가되었음을 DSB-SC (24)

알 수 있다

- 14 -

식 을 주파수영역에 나타내면 그림 에 보인 바와 같은 단일 정현파 주파(27) lt 23gt

수 스펙트럼을 얻는다 식 의 우변 제 항은 반송파이고 제 항은 상측대파 (28) 1 2

이고 제 항은 반송파보다 낮은 주파수로 변환됨을(USB upper sideband wave) 3

나타내므로 하측대파 라 한다(LSBlower sideband wave)

Fig 22 Effect about a variation of modulation-index ma

Fig 23 Frequency spectrum of an amplitude modulation

- 15 -

Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

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이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

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한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 3 -

기술개발의 내용 및 범위3광 센서를 이용한 센서 응용기술-기존 전력선에 음성신호의 변조회로 및 송신기의 제품화-전력선에 타고 들어오는 노이즈 제거기술로 깨끗한 음질의 수신기 제품화-구역별 패키지별 송 수신 구별 기술- ㆍ제품디자인을 통한 미려한 제품의 출시-

기술개발 결과4본 개발의 추진은 단계별로 순조롭게 진행되고 완료되어 제품출시 직전에 있으며 개발과정에서 발생된 결과를 국내학술지 발표 건 박사학위논문 편 석사2 1 학위논문 편1 정부지원사업으로 디자인 혁신상품 개발사업에 참여하여 좋은 결과를 얻었으며 본 기술의 출원 중이던 특허에 대한 의견서 및 보정서를 제출하는 성과를 거두었다

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo 한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석- ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한- ldquo AM

연구rdquo대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003디자인 혁신상품 개발사업 참여 및 완료 년 월 년 월- 2002 4 ~ 2002 12

기대효과5기술적 효과(1)어학 실습실 대체 효과 송신기 대 수신기 대- (1set 1 40 )새로운 개념의 유 무선 방송 통신 기술 보급- ㆍ광통신 기초기술로서 이에 적합한 제품적용 기술 확대-전력선을 이용한 통신으로 원격 제어 기술 제공-교육적 효과(2)보다 나은 어학 실습 효과-외부소음 및 다른 학생에 의한 수업 방해해소-집중력 향상으로 학습 효과 증대 기대-상업적 효과(3)저렴한 가격으로 실용적인 어학실습실 구현-전력선을 이용한 통신기술로 저렴하게 원격탐사 구현-건물 내 방송시설의 설치비 절감과 시공의 간소화-대중교통수단에서의 음악청취가능으로 즐거운 여행-

- 4 -

목 차

목 차

그림목차

표 목 차

제 장 서 론1

제 절 서언1

제 절 기술개발의 목표2

제 절 기술개발의 목적 및 중요성3

제 절 기술개발의 내용 및 범위4

제 절 기술개발 결과5

제 절 기대효과6

제 장 이 론2

제 절 변조1

제 절 복조2

제 장 제작 및 특성실험3

제 절 시스템의 구성1

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

전력증폭기 및 진폭변조기2

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

전력증폭기2

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

- 5 -

나 끊을 때 발생하는 독립적인 임펄스 노이즈 등이 존재한다 이처럼 전(impulse)

력선 통신은 채널의 열악한 환경과 채널 특성을 파악하고 이를 해결하기 위해서는

주파수 변조 과정인 모듈레이션 원하는 통신신호만을 받아들이는 필(Modulation)

터링 기술 전력선과 음성 신호를 결합하는 커플링 기술 데이(Filtering) (Coupling)

터 통신의 에러율을 줄이기 위한 채널 코딩 기술 그리고 고속 통(Channel Coding)

신을 지원하는 이더넷 의 액세스 방식인 방식을 이용하거나 토(Ethernet) CSMACD

큰 패싱 방식 등 다양한 기술을 적용하는 과정이 필요하다(Token Passing) [8]

기술은 크게 액세스 기술과 홈오토메이션 기술로 나뉜다 이 가운데 액세스PLC

기술은 급 이상의 고압 전선을 이용한 고전압 수준과 급 이하의 고압전선22 22

을 이용한 중간전압 수준 그리고 일반 가정용 와 급의 저전압 수준의 기220V 110V

술로 구분할 수 있다 임피던스의 감쇠나 각종 잡음장애 등의 문제들을 안고 고압

선을 이용한 전송 기술은 현재 에서 개발을 추진하고 있으며 중전압선로와 저ETRI

전압선로를 이용하는 기술 개발은 국내 업체들을 통해 이미 진행중이다 특히PLC

이 가운데 저전압선로를 이용하는 액세스 기술 분야가 최근 많은 관심이 모아져 이

분야에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다

전력선을 활용한 연구가 대부분 디지털중심으로 이루어지고 있으나 적은 양의 데이

터 전송 속도가 다소 느려도 지장이 없는 시스템에서는 전력선의 활용도 또한 높

은 반면 초고속 인터넷 같이 많은 데이터 양을 아주 빠른 전송속도로 전력선을 통

하여 주고받기에는 해결되어야할 어려움이 많은 것으로 알려져 있다 다시 말해서

각종 잡음이나 임피던스의 변화에 대한 대처 방안에 대해서 현재 많은 연구가 활발

하게 진행되고 있으나 다만 데이터 오류율을 줄이는데 그 초점이 맞추어져 있어 근

본적인 문제 해결을 위한 실마리가 그리 쉽게 풀리지 않고 있는 실정이다 반면에

아날로그 통신의 경우에는 잡음이나 임피던스의 변화에 강한 이점을 지니고 있어

음성전달에는 쉽게 접근이 가능할 뿐만 아니라 센서 등에서 수집된 아날로그 정보

를 디지털화하지 않고 아날로그 자체로 전송할 경우 잡음이나 임피던스 변화에 의

한 실제 측정값의 변화는 시간평균 등과 같은 방법으로 실제 측정값과의 편차를 크

게 줄일 수 있는 장점을 지니고 있다[9]

- 6 -

제 절 기술개발의 목표2

본 개발에서는 전력선을 이용한 디지털통신의 한계를 대신할 수 있는 전력선과 조

명등을 전송매체로 부하에 따른 임피던스의 감소와 서지전압 등과 같은 잡음에 강

한 특성을 나타내는 아날로그 통신시스템 즉 전력선에 음성신호를 변조하여 형광

등과 같은 조명등으로부터 나오는 빛에 그 음성신호가 실리도록 하고 이를 다시 광

센서로 검출하고 음성신호만을 필터링하여 스피커나 이어폰으로 청취할 수 있게 함

으로 해서 유 무선 방송 및 통신 기기 대의 송신기와 다수의 수신기 를 이용하여(1 )ㆍ

각종 방송장비 및 각급 학교 어학실습실 또는 대형 강의실을 대신하며 수신기 일

체형 스피커로 방송 시설을 대체하거나 개인용 무선형 수신기를 단일품목으로 강의

용으로 보급하고 차량용 전력선 인터넷 시스템 등을 순차적으로 개발하여 배출을

증대시키고자 한다

제 절 기술개발의 목적 및 중요성3

본 개발기술과 유사한 제품으로는 적외선 를 이용한 무선이어폰 등이 있었으나LED

노이즈에 대한 대책이 미흡한 관계로 음질이 떨어져 사장되었으며 현재에는 공중파

방식의 무선이어폰이 시판되고 있다 그러나 공중파 방식은 아주 짧은 거리에서만

적용되며 만일 보다 먼 거리를 원해 송신출력을 높일 경우 다른 사람들과 혼선이

일어날 수 있어 보안성을 찾아 볼 수 없는 실정이다

다음으로 데이터 전송 기술면에서 살펴보면 전용선을 이용할 경우에는 당연 디지털

이 아날로그보다 월등하게 우수하지만 전력선에서는 노이즈가 매우 심하여 디지털

은 노이즈에 매우 민감하므로 노이즈 제거가 그리 쉬운 문제가 아니므로 아날로그

가 유리하게 작용을 하게 된다

현재 많은 기업들이 전력선을 이용한 인터넷을 연구개발하고 있으므로 본 기술과

전력선 인터넷 기술을 상호 교류 및 보완한다면 그 시너지 효과는 매우 클 것이라

고 사료된다

제 절 기술개발의 내용 및 범위4

광 센서를 이용한 센서 응용기술-

기존 전력선에 음성신호의 변조회로 및 송신기의 제품화-

전력선에 타고 들어오는 노이즈 제거기술로 깨끗한 음질의 수신기 제품화-

구역별 패키지별 송 수신 구별 기술- ㆍ

제품디자인을 통한 미려한 제품의 출시-

- 7 -

제 절 기술개발 결과5

본 개발의 추진은 단계별로 순조롭게 진행되어 완료되어 제품출시를 앞두고 있으

며 개발과정에서 발생된 결과를 국내학술지에 편을 발표하였으며 박사학위논문 2

과 석사학위논문을 각각 편씩 배출하였으며 제품디자인에서는 디자인 혁신상품1

개발사업에 참여하여 그 성과를 얻었다

개발 추진과정에서 발생된 실적은 국내 학술지에 발표한 내용과 학위논문을 요약하

여 기재하고 해당 자료의 복사본을 부록으로 첨부하고자 한다

음성통신 기초실험1

빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지에 대하여 전원과 수신기 안테나로

서의 복합 기능 가능성을 실험해 본 것으로 송신기 입력 단에 Function generator

를 이용하여 가청주파수 를 인가하고 을 사용한 수신기 측(20~20000 ) solar cell

에서 검출한 출력파형이 입력 파형과 동일함을 확인할 수 있었다 또한 입력 단에

마이크를 사용하여 음성신호를 입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한

소리를 들을 수 있었다 이는 빛을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과

하나 이를 이용하여 송신기 측에 앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 태양

전지가 내장된 수신기를 사용하여 청취한다면 이는 저렴한 가격으로 실용적이면서

도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된다[10]

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

포토 특성 조사실험 조명등의 파형분석 필터회로 설계 제작 및 실험2 TR

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광 특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수 특성을 살펴

보았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그 때

의 스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질상태를 청취해 본 결과 음질

상태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학교육용으로는 전혀 문

제가 없었다[11]

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

- 8 -

송수신기 설계 제작 및 실험3

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭 변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신 주파수를 수신기로 동

조 및 검파하여 음성 신호로 변환시켜 그 특성을 조사하였다[12]

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문4

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석 ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구 ldquo AM

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

제품디자인 및 설계 및 금형 제작5

제품디자인은 수신기에 한하여 수신기 본체와 충전기를 하나의 제품으로 하여 디자

인 전문업체인 엡솔루트 디자인 사와 함께 디자인 혁신상품 개발사업 년ldquo rdquo ldquo (2002 4

월 년 월 으로 선정되어 미려한 제품디자인을 진행하였으며 과~ 2002 12 ) mock-up

설계도를 바탕으로 금형전문업체인 동양정공사 에 발주하여 본 제품에 대한 금형ldquo rdquo

을 제작완료하고 제품 출시의 기틀을 마련하였다

제 절 기대효과5

기술적 효과1

어학 실습실 대체 효과 송신기 대 수신기 대- (1set 1 40 )

새로운 개념의 유 무선 방송 통신 기술 보급- ㆍ

광통신 기초기술로서 이에 적합한 제품적용 기술 확대-

전력선을 이용한 통신으로 원격 제어 기술 제공-

특수차량간 대화기술 보급 송 수신기가 일체화된 통신- ( 11 )ㆍ

- 9 -

교육적 효과2

광통신 원리의 기초지식 제공-

빛의 성질에 대한 이해와 지식습득-

보다 나은 어학 실습 효과-

외부소음 및 다른 학생에 의한 수업 방해해소-

집중력 향상으로 학습 효과 증대 기대-

상업 효과3

저렴한 가격으로 실용적인 어학 실습실 구현-

전력선을 이용한 통신기술로 저렴하게 원격탐사 구현-

건물 내 방송시설의 설치비 절감과 시공의 간소화-

대형매장에서의 피해 없는 메시지전달에 의한 고객의 즐거운 쇼핑-

대중교통수단에서의 음악청취가능으로 즐거운 여행-

운전 중 휴대폰 통화금지로 차량간 통화수단으로 활용이 기대-

- 10 -

제 장 이 론2

제 절 변조1 [13][14]

변조는 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기는 조작 이다 이를(Process)

논하기 전에 변조를 하지 않는 베이스밴드 통신 과 변(baseband comumunication)

조를 한 대역통과통신 그리고 반송파통신(bandpass communication) (carrier

을 구별하는 것은 중요하다 정보원이나 입력변환기 예communication) (transducer

를 들면 마이크 장치 에서 발생되는 신호의 주파수대역폭은 무선전송주파수보다 )

훨씬 낮은 주파수 범위를 갖는 제한된 대역폭의 신호이다 이러한 정보신호를 베이

스밴드 신호라 부른다 예를 들면 전화인 경우 베이스밴드(baseband) 0 ~ 35[ ]

의 가청주파수대역 음성신호의 대역 이고 텔레비전인 경우 베이스밴드( ) 0 ~ 43

의 영상신호 대역이며 데이터의 전송률이[ ] f S 인 경우의 베이스밴[pulsessec]

드는 이다0 ~ fs2[ ]

베이스밴드 통신에서는 베이스밴드 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기

지 않고 베이스밴드 신호를 그대로 전송시킨다 그러므로 이들은 무선통신로 (radio

를 통하여 보내어질 수 없으나 선 선로나 케이블을 통하여 전송될 수 있channel) 2

다 구역전화교환이나 개의 교환국간의 펄스부호변조 2 (PCM pulse code

는 베이스밴드 통신의 한 예이다 베이스밴드 통신은 베이스밴드 주파modulation)

수만을 사용하므로 그의 이용에 제한을 받는다 또 일반적으로 더 낮은 주파수의

신호일수록 그의 전송도 더 어려우므로 신호의 스펙트럼을 변조방식을 사용하여 더

높은 주파수 범위로 옮기는 것이 바람직하다

그밖에 베이스밴드 방식으로는 기술개발로 인하여 이용 가능하게 된 광대역 주파수

스펙트럼을 사용할 수 없다 몇 개의 베이스 밴드 신호를 변조하여 서로 겹치지 않

도록 그들의 주파수 스펙트럼을 각각 다른 위치로 옮기면 이용할 수 있는 모든 대

역을 더욱 효과적으로 사용할 수 있다 장거리 무선통신도 작은 안테나를 사용하여

전자파를 전파 하기 위해서는 신호의 스펙트럼을 더 높은 주파수로 옮기(radiation)

는 변조가 필요하다 변조를 사용하는 또 다른 이유는 신호대잡음전력비 (SNR

를 개선하기 위해서이다 이와 같이 변조를 사용하여 신호signal-to-noise ration)

의 주파수 스펙트럼을 옮기는 통신을 반송파통신 또는 대역통과통신이라 한다

이 경우 높은 주파수 fC인 정현파의 기본파라미터 진폭 주파수 및 위상 중의 하나( )

를 베이스밴드신호 에 따라 변화시키면 이는 각각 진폭변조s(t) (AM Amplitude

주파수변조 및 위상변조modulation) (FM frequency modulation) (PM phase

가된다 주파수 변조방식와 위상 변조방식은 근본적으로 비슷하므로 이modulation)

를 묶어서 각변조 라 한다(angle modulation)

- 11 -

변조를 사용하여 아날로그 신호는 물론 디지털 베이스밴드 신호도 전송한다 베이

스 밴드 신호 펄스변조신호 펄스변조방식은 실은 베이스( -PAM PWM PPM DM)

밴드 부호화방식 이다 이 신호들의 주파수 스펙트럼을(baseband coding scheme)

옮기기 위해서는 반송파 주파수로 다시 변조하여야 한다

변조된 파 또는 피변조파 의 일반적인 식은 다음과 같다g(t)

여기서 진폭 와 각a(t) (t)=2 fπ120775 C 는 시간의 함수이다t+ (t) 120579

정보내용이 에 실리면 진폭변조라 부르고 이 경우(1) a(t) (t)=120579 1205790 정수이다=

정보내용이(2) (t)=2 fπ120775 C 에 포함되면 각 변조라 부르고 이 경우t+ (t) s(t)=A120579 C 정=

수이다 이를 다시 분류하면 다음과 같다

정보내용이 에 포함되면 위상변조라 하고(a) (t)120579

정보내용이(b) 에 포함되며 주파수 변조라 부른다

순시위상 와 순시 각주파수 흔히 순시 주파수라고도 함 는 다음과 같이(t) ( ) (t)120775 120775

정의된다

여기서 fC는 반송파주파수이다

진폭변조 변조1 (AM Amplitude Modulation)

지금 정보신호 또는 변조신호 를 라 하고 반송파를( ) s(t) ACcos2 fπ C 라 하면 피변조t

파(modulated signal wave) g DSB 는 다음과 같다(t)

설명의 편의상 s(t)=Amcos2 fπ m 이라 놓으면 윗식은t

- 12 -

가 된다 여기서 A0 =Ac Am이다

이와 같은 형식의 전송방식을 반송파억압진폭변조(DSB-SC double sideband-

또는suppressed carrier amplitude modulation) AM-SC(amplitude modulation-

라 한다 위의 식에는 반송파suppressed carrier) cos2 fπ C 가 포함되어 있지 않으므t

로 반송파억압이란 말을 붙인 것이다 식 을 변환하여 주파수 영역으로 (23) Fourier

나타내면 다음과 같다

위의 식의 관계를 그림으로 도시하면 그림 과 같다 lt 21gt

Fig 21 DSB-SC transmission system

- 13 -

식 에 반송파를 추가한 방식으로 단순히 진폭변조 또는 라 한다 진(23) (AM DSB)

폭변조 방식은 검파방식이 간단한 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있다

반송파를 갖는 진폭변조파를 흔히 파 또는 신호라 한다 엄격하게 말하면AM AM

이다 의 유일한 성질은 변조된 방송파DSB-LC(double sideband-large carrier) AM

의 포락선 이 메시지파형과 동일한 파형을 갖는 것이다(envelope)

파에 관한 일반식은 다음과 같다AM

여기서는 Ac는 진폭이 쪽으로 가지 않도록 하기 위한 바이어스 전압이다(-) (bias)

지금 편의상 1207530= 0 s(t) = Amcos2 fπ m 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이 된다t

여기에서 ma=Am 을 의 변조지수 라 부르며 는 메시지Ac AM (modulation index) s(t)

신호로서 가 되도록 한다 이러한 조건으로부터 와 구별하기 위|s(t)| Ac DSB-SCle

하여 파를 라 표기한다 즉AM DSB-LC ma는 보다 적어야한다1 ma 일 때= 1

변조라 하며100 ma 일 때는 변조가 된다=05 50

일반적으로 ma 이지만1 mle a 인 경우를 과변조 라 한다gt 1 (over modulation) ma의

값에 따른 변조된 파형 즉 malt1 ma 과=1 ma 인 경우의 변조파는 그림 에gt1 lt 22gt

서 보는 바와 같다 이 포락선은 ma 인 경우에만 정보신호 와 거의 동일하다1 s(t) le

따라서 수신측에서 신호 를 재생하는 경우 포락선만을 검파하면 된다s(t)

신호는 즉 신호보다 변조 또는 복조가 훨씬 용이하므로 상용방AM AM-SC DSB-SC

송에서는 방식이 사용된다AM

식 을 다시 고쳐 쓰면 다음과 같다(27)

위의 식을 살펴보면 를 나타내는 식 에 반송파 항이 더 부가되었음을 DSB-SC (24)

알 수 있다

- 14 -

식 을 주파수영역에 나타내면 그림 에 보인 바와 같은 단일 정현파 주파(27) lt 23gt

수 스펙트럼을 얻는다 식 의 우변 제 항은 반송파이고 제 항은 상측대파 (28) 1 2

이고 제 항은 반송파보다 낮은 주파수로 변환됨을(USB upper sideband wave) 3

나타내므로 하측대파 라 한다(LSBlower sideband wave)

Fig 22 Effect about a variation of modulation-index ma

Fig 23 Frequency spectrum of an amplitude modulation

- 15 -

Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

[1] Albert A Smith Jr Power Line Noise SurveyIEEE Trans on

Electromagetic Compatibility Feb 1972

[2] R M Vines Noise on Residential Power Distribution Circuirs IEEE

Trans on Electromagnetic Compatibility vol EMC-26 No 4 Nov (1984)

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Line Communications IEEE Trans on Power Apparatus and Systems vol

PAS-104 No 12 dec (1985)

[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

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Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

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Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 4 -

목 차

목 차

그림목차

표 목 차

제 장 서 론1

제 절 서언1

제 절 기술개발의 목표2

제 절 기술개발의 목적 및 중요성3

제 절 기술개발의 내용 및 범위4

제 절 기술개발 결과5

제 절 기대효과6

제 장 이 론2

제 절 변조1

제 절 복조2

제 장 제작 및 특성실험3

제 절 시스템의 구성1

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

전력증폭기 및 진폭변조기2

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

전력증폭기2

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

- 5 -

나 끊을 때 발생하는 독립적인 임펄스 노이즈 등이 존재한다 이처럼 전(impulse)

력선 통신은 채널의 열악한 환경과 채널 특성을 파악하고 이를 해결하기 위해서는

주파수 변조 과정인 모듈레이션 원하는 통신신호만을 받아들이는 필(Modulation)

터링 기술 전력선과 음성 신호를 결합하는 커플링 기술 데이(Filtering) (Coupling)

터 통신의 에러율을 줄이기 위한 채널 코딩 기술 그리고 고속 통(Channel Coding)

신을 지원하는 이더넷 의 액세스 방식인 방식을 이용하거나 토(Ethernet) CSMACD

큰 패싱 방식 등 다양한 기술을 적용하는 과정이 필요하다(Token Passing) [8]

기술은 크게 액세스 기술과 홈오토메이션 기술로 나뉜다 이 가운데 액세스PLC

기술은 급 이상의 고압 전선을 이용한 고전압 수준과 급 이하의 고압전선22 22

을 이용한 중간전압 수준 그리고 일반 가정용 와 급의 저전압 수준의 기220V 110V

술로 구분할 수 있다 임피던스의 감쇠나 각종 잡음장애 등의 문제들을 안고 고압

선을 이용한 전송 기술은 현재 에서 개발을 추진하고 있으며 중전압선로와 저ETRI

전압선로를 이용하는 기술 개발은 국내 업체들을 통해 이미 진행중이다 특히PLC

이 가운데 저전압선로를 이용하는 액세스 기술 분야가 최근 많은 관심이 모아져 이

분야에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다

전력선을 활용한 연구가 대부분 디지털중심으로 이루어지고 있으나 적은 양의 데이

터 전송 속도가 다소 느려도 지장이 없는 시스템에서는 전력선의 활용도 또한 높

은 반면 초고속 인터넷 같이 많은 데이터 양을 아주 빠른 전송속도로 전력선을 통

하여 주고받기에는 해결되어야할 어려움이 많은 것으로 알려져 있다 다시 말해서

각종 잡음이나 임피던스의 변화에 대한 대처 방안에 대해서 현재 많은 연구가 활발

하게 진행되고 있으나 다만 데이터 오류율을 줄이는데 그 초점이 맞추어져 있어 근

본적인 문제 해결을 위한 실마리가 그리 쉽게 풀리지 않고 있는 실정이다 반면에

아날로그 통신의 경우에는 잡음이나 임피던스의 변화에 강한 이점을 지니고 있어

음성전달에는 쉽게 접근이 가능할 뿐만 아니라 센서 등에서 수집된 아날로그 정보

를 디지털화하지 않고 아날로그 자체로 전송할 경우 잡음이나 임피던스 변화에 의

한 실제 측정값의 변화는 시간평균 등과 같은 방법으로 실제 측정값과의 편차를 크

게 줄일 수 있는 장점을 지니고 있다[9]

- 6 -

제 절 기술개발의 목표2

본 개발에서는 전력선을 이용한 디지털통신의 한계를 대신할 수 있는 전력선과 조

명등을 전송매체로 부하에 따른 임피던스의 감소와 서지전압 등과 같은 잡음에 강

한 특성을 나타내는 아날로그 통신시스템 즉 전력선에 음성신호를 변조하여 형광

등과 같은 조명등으로부터 나오는 빛에 그 음성신호가 실리도록 하고 이를 다시 광

센서로 검출하고 음성신호만을 필터링하여 스피커나 이어폰으로 청취할 수 있게 함

으로 해서 유 무선 방송 및 통신 기기 대의 송신기와 다수의 수신기 를 이용하여(1 )ㆍ

각종 방송장비 및 각급 학교 어학실습실 또는 대형 강의실을 대신하며 수신기 일

체형 스피커로 방송 시설을 대체하거나 개인용 무선형 수신기를 단일품목으로 강의

용으로 보급하고 차량용 전력선 인터넷 시스템 등을 순차적으로 개발하여 배출을

증대시키고자 한다

제 절 기술개발의 목적 및 중요성3

본 개발기술과 유사한 제품으로는 적외선 를 이용한 무선이어폰 등이 있었으나LED

노이즈에 대한 대책이 미흡한 관계로 음질이 떨어져 사장되었으며 현재에는 공중파

방식의 무선이어폰이 시판되고 있다 그러나 공중파 방식은 아주 짧은 거리에서만

적용되며 만일 보다 먼 거리를 원해 송신출력을 높일 경우 다른 사람들과 혼선이

일어날 수 있어 보안성을 찾아 볼 수 없는 실정이다

다음으로 데이터 전송 기술면에서 살펴보면 전용선을 이용할 경우에는 당연 디지털

이 아날로그보다 월등하게 우수하지만 전력선에서는 노이즈가 매우 심하여 디지털

은 노이즈에 매우 민감하므로 노이즈 제거가 그리 쉬운 문제가 아니므로 아날로그

가 유리하게 작용을 하게 된다

현재 많은 기업들이 전력선을 이용한 인터넷을 연구개발하고 있으므로 본 기술과

전력선 인터넷 기술을 상호 교류 및 보완한다면 그 시너지 효과는 매우 클 것이라

고 사료된다

제 절 기술개발의 내용 및 범위4

광 센서를 이용한 센서 응용기술-

기존 전력선에 음성신호의 변조회로 및 송신기의 제품화-

전력선에 타고 들어오는 노이즈 제거기술로 깨끗한 음질의 수신기 제품화-

구역별 패키지별 송 수신 구별 기술- ㆍ

제품디자인을 통한 미려한 제품의 출시-

- 7 -

제 절 기술개발 결과5

본 개발의 추진은 단계별로 순조롭게 진행되어 완료되어 제품출시를 앞두고 있으

며 개발과정에서 발생된 결과를 국내학술지에 편을 발표하였으며 박사학위논문 2

과 석사학위논문을 각각 편씩 배출하였으며 제품디자인에서는 디자인 혁신상품1

개발사업에 참여하여 그 성과를 얻었다

개발 추진과정에서 발생된 실적은 국내 학술지에 발표한 내용과 학위논문을 요약하

여 기재하고 해당 자료의 복사본을 부록으로 첨부하고자 한다

음성통신 기초실험1

빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지에 대하여 전원과 수신기 안테나로

서의 복합 기능 가능성을 실험해 본 것으로 송신기 입력 단에 Function generator

를 이용하여 가청주파수 를 인가하고 을 사용한 수신기 측(20~20000 ) solar cell

에서 검출한 출력파형이 입력 파형과 동일함을 확인할 수 있었다 또한 입력 단에

마이크를 사용하여 음성신호를 입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한

소리를 들을 수 있었다 이는 빛을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과

하나 이를 이용하여 송신기 측에 앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 태양

전지가 내장된 수신기를 사용하여 청취한다면 이는 저렴한 가격으로 실용적이면서

도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된다[10]

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

포토 특성 조사실험 조명등의 파형분석 필터회로 설계 제작 및 실험2 TR

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광 특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수 특성을 살펴

보았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그 때

의 스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질상태를 청취해 본 결과 음질

상태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학교육용으로는 전혀 문

제가 없었다[11]

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

- 8 -

송수신기 설계 제작 및 실험3

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭 변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신 주파수를 수신기로 동

조 및 검파하여 음성 신호로 변환시켜 그 특성을 조사하였다[12]

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문4

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석 ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구 ldquo AM

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

제품디자인 및 설계 및 금형 제작5

제품디자인은 수신기에 한하여 수신기 본체와 충전기를 하나의 제품으로 하여 디자

인 전문업체인 엡솔루트 디자인 사와 함께 디자인 혁신상품 개발사업 년ldquo rdquo ldquo (2002 4

월 년 월 으로 선정되어 미려한 제품디자인을 진행하였으며 과~ 2002 12 ) mock-up

설계도를 바탕으로 금형전문업체인 동양정공사 에 발주하여 본 제품에 대한 금형ldquo rdquo

을 제작완료하고 제품 출시의 기틀을 마련하였다

제 절 기대효과5

기술적 효과1

어학 실습실 대체 효과 송신기 대 수신기 대- (1set 1 40 )

새로운 개념의 유 무선 방송 통신 기술 보급- ㆍ

광통신 기초기술로서 이에 적합한 제품적용 기술 확대-

전력선을 이용한 통신으로 원격 제어 기술 제공-

특수차량간 대화기술 보급 송 수신기가 일체화된 통신- ( 11 )ㆍ

- 9 -

교육적 효과2

광통신 원리의 기초지식 제공-

빛의 성질에 대한 이해와 지식습득-

보다 나은 어학 실습 효과-

외부소음 및 다른 학생에 의한 수업 방해해소-

집중력 향상으로 학습 효과 증대 기대-

상업 효과3

저렴한 가격으로 실용적인 어학 실습실 구현-

전력선을 이용한 통신기술로 저렴하게 원격탐사 구현-

건물 내 방송시설의 설치비 절감과 시공의 간소화-

대형매장에서의 피해 없는 메시지전달에 의한 고객의 즐거운 쇼핑-

대중교통수단에서의 음악청취가능으로 즐거운 여행-

운전 중 휴대폰 통화금지로 차량간 통화수단으로 활용이 기대-

- 10 -

제 장 이 론2

제 절 변조1 [13][14]

변조는 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기는 조작 이다 이를(Process)

논하기 전에 변조를 하지 않는 베이스밴드 통신 과 변(baseband comumunication)

조를 한 대역통과통신 그리고 반송파통신(bandpass communication) (carrier

을 구별하는 것은 중요하다 정보원이나 입력변환기 예communication) (transducer

를 들면 마이크 장치 에서 발생되는 신호의 주파수대역폭은 무선전송주파수보다 )

훨씬 낮은 주파수 범위를 갖는 제한된 대역폭의 신호이다 이러한 정보신호를 베이

스밴드 신호라 부른다 예를 들면 전화인 경우 베이스밴드(baseband) 0 ~ 35[ ]

의 가청주파수대역 음성신호의 대역 이고 텔레비전인 경우 베이스밴드( ) 0 ~ 43

의 영상신호 대역이며 데이터의 전송률이[ ] f S 인 경우의 베이스밴[pulsessec]

드는 이다0 ~ fs2[ ]

베이스밴드 통신에서는 베이스밴드 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기

지 않고 베이스밴드 신호를 그대로 전송시킨다 그러므로 이들은 무선통신로 (radio

를 통하여 보내어질 수 없으나 선 선로나 케이블을 통하여 전송될 수 있channel) 2

다 구역전화교환이나 개의 교환국간의 펄스부호변조 2 (PCM pulse code

는 베이스밴드 통신의 한 예이다 베이스밴드 통신은 베이스밴드 주파modulation)

수만을 사용하므로 그의 이용에 제한을 받는다 또 일반적으로 더 낮은 주파수의

신호일수록 그의 전송도 더 어려우므로 신호의 스펙트럼을 변조방식을 사용하여 더

높은 주파수 범위로 옮기는 것이 바람직하다

그밖에 베이스밴드 방식으로는 기술개발로 인하여 이용 가능하게 된 광대역 주파수

스펙트럼을 사용할 수 없다 몇 개의 베이스 밴드 신호를 변조하여 서로 겹치지 않

도록 그들의 주파수 스펙트럼을 각각 다른 위치로 옮기면 이용할 수 있는 모든 대

역을 더욱 효과적으로 사용할 수 있다 장거리 무선통신도 작은 안테나를 사용하여

전자파를 전파 하기 위해서는 신호의 스펙트럼을 더 높은 주파수로 옮기(radiation)

는 변조가 필요하다 변조를 사용하는 또 다른 이유는 신호대잡음전력비 (SNR

를 개선하기 위해서이다 이와 같이 변조를 사용하여 신호signal-to-noise ration)

의 주파수 스펙트럼을 옮기는 통신을 반송파통신 또는 대역통과통신이라 한다

이 경우 높은 주파수 fC인 정현파의 기본파라미터 진폭 주파수 및 위상 중의 하나( )

를 베이스밴드신호 에 따라 변화시키면 이는 각각 진폭변조s(t) (AM Amplitude

주파수변조 및 위상변조modulation) (FM frequency modulation) (PM phase

가된다 주파수 변조방식와 위상 변조방식은 근본적으로 비슷하므로 이modulation)

를 묶어서 각변조 라 한다(angle modulation)

- 11 -

변조를 사용하여 아날로그 신호는 물론 디지털 베이스밴드 신호도 전송한다 베이

스 밴드 신호 펄스변조신호 펄스변조방식은 실은 베이스( -PAM PWM PPM DM)

밴드 부호화방식 이다 이 신호들의 주파수 스펙트럼을(baseband coding scheme)

옮기기 위해서는 반송파 주파수로 다시 변조하여야 한다

변조된 파 또는 피변조파 의 일반적인 식은 다음과 같다g(t)

여기서 진폭 와 각a(t) (t)=2 fπ120775 C 는 시간의 함수이다t+ (t) 120579

정보내용이 에 실리면 진폭변조라 부르고 이 경우(1) a(t) (t)=120579 1205790 정수이다=

정보내용이(2) (t)=2 fπ120775 C 에 포함되면 각 변조라 부르고 이 경우t+ (t) s(t)=A120579 C 정=

수이다 이를 다시 분류하면 다음과 같다

정보내용이 에 포함되면 위상변조라 하고(a) (t)120579

정보내용이(b) 에 포함되며 주파수 변조라 부른다

순시위상 와 순시 각주파수 흔히 순시 주파수라고도 함 는 다음과 같이(t) ( ) (t)120775 120775

정의된다

여기서 fC는 반송파주파수이다

진폭변조 변조1 (AM Amplitude Modulation)

지금 정보신호 또는 변조신호 를 라 하고 반송파를( ) s(t) ACcos2 fπ C 라 하면 피변조t

파(modulated signal wave) g DSB 는 다음과 같다(t)

설명의 편의상 s(t)=Amcos2 fπ m 이라 놓으면 윗식은t

- 12 -

가 된다 여기서 A0 =Ac Am이다

이와 같은 형식의 전송방식을 반송파억압진폭변조(DSB-SC double sideband-

또는suppressed carrier amplitude modulation) AM-SC(amplitude modulation-

라 한다 위의 식에는 반송파suppressed carrier) cos2 fπ C 가 포함되어 있지 않으므t

로 반송파억압이란 말을 붙인 것이다 식 을 변환하여 주파수 영역으로 (23) Fourier

나타내면 다음과 같다

위의 식의 관계를 그림으로 도시하면 그림 과 같다 lt 21gt

Fig 21 DSB-SC transmission system

- 13 -

식 에 반송파를 추가한 방식으로 단순히 진폭변조 또는 라 한다 진(23) (AM DSB)

폭변조 방식은 검파방식이 간단한 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있다

반송파를 갖는 진폭변조파를 흔히 파 또는 신호라 한다 엄격하게 말하면AM AM

이다 의 유일한 성질은 변조된 방송파DSB-LC(double sideband-large carrier) AM

의 포락선 이 메시지파형과 동일한 파형을 갖는 것이다(envelope)

파에 관한 일반식은 다음과 같다AM

여기서는 Ac는 진폭이 쪽으로 가지 않도록 하기 위한 바이어스 전압이다(-) (bias)

지금 편의상 1207530= 0 s(t) = Amcos2 fπ m 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이 된다t

여기에서 ma=Am 을 의 변조지수 라 부르며 는 메시지Ac AM (modulation index) s(t)

신호로서 가 되도록 한다 이러한 조건으로부터 와 구별하기 위|s(t)| Ac DSB-SCle

하여 파를 라 표기한다 즉AM DSB-LC ma는 보다 적어야한다1 ma 일 때= 1

변조라 하며100 ma 일 때는 변조가 된다=05 50

일반적으로 ma 이지만1 mle a 인 경우를 과변조 라 한다gt 1 (over modulation) ma의

값에 따른 변조된 파형 즉 malt1 ma 과=1 ma 인 경우의 변조파는 그림 에gt1 lt 22gt

서 보는 바와 같다 이 포락선은 ma 인 경우에만 정보신호 와 거의 동일하다1 s(t) le

따라서 수신측에서 신호 를 재생하는 경우 포락선만을 검파하면 된다s(t)

신호는 즉 신호보다 변조 또는 복조가 훨씬 용이하므로 상용방AM AM-SC DSB-SC

송에서는 방식이 사용된다AM

식 을 다시 고쳐 쓰면 다음과 같다(27)

위의 식을 살펴보면 를 나타내는 식 에 반송파 항이 더 부가되었음을 DSB-SC (24)

알 수 있다

- 14 -

식 을 주파수영역에 나타내면 그림 에 보인 바와 같은 단일 정현파 주파(27) lt 23gt

수 스펙트럼을 얻는다 식 의 우변 제 항은 반송파이고 제 항은 상측대파 (28) 1 2

이고 제 항은 반송파보다 낮은 주파수로 변환됨을(USB upper sideband wave) 3

나타내므로 하측대파 라 한다(LSBlower sideband wave)

Fig 22 Effect about a variation of modulation-index ma

Fig 23 Frequency spectrum of an amplitude modulation

- 15 -

Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

[1] Albert A Smith Jr Power Line Noise SurveyIEEE Trans on

Electromagetic Compatibility Feb 1972

[2] R M Vines Noise on Residential Power Distribution Circuirs IEEE

Trans on Electromagnetic Compatibility vol EMC-26 No 4 Nov (1984)

[3] H J Trussell J D Wang Cancellation of Harmonic noise in Distribution

Line Communications IEEE Trans on Power Apparatus and Systems vol

PAS-104 No 12 dec (1985)

[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

Communication Signals on Residential and commercial Intrabuilding

Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

Use of Power Line Carrier Pennsylvania Electric Association Spring Meeting

Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 5 -

나 끊을 때 발생하는 독립적인 임펄스 노이즈 등이 존재한다 이처럼 전(impulse)

력선 통신은 채널의 열악한 환경과 채널 특성을 파악하고 이를 해결하기 위해서는

주파수 변조 과정인 모듈레이션 원하는 통신신호만을 받아들이는 필(Modulation)

터링 기술 전력선과 음성 신호를 결합하는 커플링 기술 데이(Filtering) (Coupling)

터 통신의 에러율을 줄이기 위한 채널 코딩 기술 그리고 고속 통(Channel Coding)

신을 지원하는 이더넷 의 액세스 방식인 방식을 이용하거나 토(Ethernet) CSMACD

큰 패싱 방식 등 다양한 기술을 적용하는 과정이 필요하다(Token Passing) [8]

기술은 크게 액세스 기술과 홈오토메이션 기술로 나뉜다 이 가운데 액세스PLC

기술은 급 이상의 고압 전선을 이용한 고전압 수준과 급 이하의 고압전선22 22

을 이용한 중간전압 수준 그리고 일반 가정용 와 급의 저전압 수준의 기220V 110V

술로 구분할 수 있다 임피던스의 감쇠나 각종 잡음장애 등의 문제들을 안고 고압

선을 이용한 전송 기술은 현재 에서 개발을 추진하고 있으며 중전압선로와 저ETRI

전압선로를 이용하는 기술 개발은 국내 업체들을 통해 이미 진행중이다 특히PLC

이 가운데 저전압선로를 이용하는 액세스 기술 분야가 최근 많은 관심이 모아져 이

분야에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다

전력선을 활용한 연구가 대부분 디지털중심으로 이루어지고 있으나 적은 양의 데이

터 전송 속도가 다소 느려도 지장이 없는 시스템에서는 전력선의 활용도 또한 높

은 반면 초고속 인터넷 같이 많은 데이터 양을 아주 빠른 전송속도로 전력선을 통

하여 주고받기에는 해결되어야할 어려움이 많은 것으로 알려져 있다 다시 말해서

각종 잡음이나 임피던스의 변화에 대한 대처 방안에 대해서 현재 많은 연구가 활발

하게 진행되고 있으나 다만 데이터 오류율을 줄이는데 그 초점이 맞추어져 있어 근

본적인 문제 해결을 위한 실마리가 그리 쉽게 풀리지 않고 있는 실정이다 반면에

아날로그 통신의 경우에는 잡음이나 임피던스의 변화에 강한 이점을 지니고 있어

음성전달에는 쉽게 접근이 가능할 뿐만 아니라 센서 등에서 수집된 아날로그 정보

를 디지털화하지 않고 아날로그 자체로 전송할 경우 잡음이나 임피던스 변화에 의

한 실제 측정값의 변화는 시간평균 등과 같은 방법으로 실제 측정값과의 편차를 크

게 줄일 수 있는 장점을 지니고 있다[9]

- 6 -

제 절 기술개발의 목표2

본 개발에서는 전력선을 이용한 디지털통신의 한계를 대신할 수 있는 전력선과 조

명등을 전송매체로 부하에 따른 임피던스의 감소와 서지전압 등과 같은 잡음에 강

한 특성을 나타내는 아날로그 통신시스템 즉 전력선에 음성신호를 변조하여 형광

등과 같은 조명등으로부터 나오는 빛에 그 음성신호가 실리도록 하고 이를 다시 광

센서로 검출하고 음성신호만을 필터링하여 스피커나 이어폰으로 청취할 수 있게 함

으로 해서 유 무선 방송 및 통신 기기 대의 송신기와 다수의 수신기 를 이용하여(1 )ㆍ

각종 방송장비 및 각급 학교 어학실습실 또는 대형 강의실을 대신하며 수신기 일

체형 스피커로 방송 시설을 대체하거나 개인용 무선형 수신기를 단일품목으로 강의

용으로 보급하고 차량용 전력선 인터넷 시스템 등을 순차적으로 개발하여 배출을

증대시키고자 한다

제 절 기술개발의 목적 및 중요성3

본 개발기술과 유사한 제품으로는 적외선 를 이용한 무선이어폰 등이 있었으나LED

노이즈에 대한 대책이 미흡한 관계로 음질이 떨어져 사장되었으며 현재에는 공중파

방식의 무선이어폰이 시판되고 있다 그러나 공중파 방식은 아주 짧은 거리에서만

적용되며 만일 보다 먼 거리를 원해 송신출력을 높일 경우 다른 사람들과 혼선이

일어날 수 있어 보안성을 찾아 볼 수 없는 실정이다

다음으로 데이터 전송 기술면에서 살펴보면 전용선을 이용할 경우에는 당연 디지털

이 아날로그보다 월등하게 우수하지만 전력선에서는 노이즈가 매우 심하여 디지털

은 노이즈에 매우 민감하므로 노이즈 제거가 그리 쉬운 문제가 아니므로 아날로그

가 유리하게 작용을 하게 된다

현재 많은 기업들이 전력선을 이용한 인터넷을 연구개발하고 있으므로 본 기술과

전력선 인터넷 기술을 상호 교류 및 보완한다면 그 시너지 효과는 매우 클 것이라

고 사료된다

제 절 기술개발의 내용 및 범위4

광 센서를 이용한 센서 응용기술-

기존 전력선에 음성신호의 변조회로 및 송신기의 제품화-

전력선에 타고 들어오는 노이즈 제거기술로 깨끗한 음질의 수신기 제품화-

구역별 패키지별 송 수신 구별 기술- ㆍ

제품디자인을 통한 미려한 제품의 출시-

- 7 -

제 절 기술개발 결과5

본 개발의 추진은 단계별로 순조롭게 진행되어 완료되어 제품출시를 앞두고 있으

며 개발과정에서 발생된 결과를 국내학술지에 편을 발표하였으며 박사학위논문 2

과 석사학위논문을 각각 편씩 배출하였으며 제품디자인에서는 디자인 혁신상품1

개발사업에 참여하여 그 성과를 얻었다

개발 추진과정에서 발생된 실적은 국내 학술지에 발표한 내용과 학위논문을 요약하

여 기재하고 해당 자료의 복사본을 부록으로 첨부하고자 한다

음성통신 기초실험1

빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지에 대하여 전원과 수신기 안테나로

서의 복합 기능 가능성을 실험해 본 것으로 송신기 입력 단에 Function generator

를 이용하여 가청주파수 를 인가하고 을 사용한 수신기 측(20~20000 ) solar cell

에서 검출한 출력파형이 입력 파형과 동일함을 확인할 수 있었다 또한 입력 단에

마이크를 사용하여 음성신호를 입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한

소리를 들을 수 있었다 이는 빛을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과

하나 이를 이용하여 송신기 측에 앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 태양

전지가 내장된 수신기를 사용하여 청취한다면 이는 저렴한 가격으로 실용적이면서

도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된다[10]

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

포토 특성 조사실험 조명등의 파형분석 필터회로 설계 제작 및 실험2 TR

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광 특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수 특성을 살펴

보았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그 때

의 스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질상태를 청취해 본 결과 음질

상태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학교육용으로는 전혀 문

제가 없었다[11]

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

- 8 -

송수신기 설계 제작 및 실험3

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭 변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신 주파수를 수신기로 동

조 및 검파하여 음성 신호로 변환시켜 그 특성을 조사하였다[12]

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문4

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석 ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구 ldquo AM

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

제품디자인 및 설계 및 금형 제작5

제품디자인은 수신기에 한하여 수신기 본체와 충전기를 하나의 제품으로 하여 디자

인 전문업체인 엡솔루트 디자인 사와 함께 디자인 혁신상품 개발사업 년ldquo rdquo ldquo (2002 4

월 년 월 으로 선정되어 미려한 제품디자인을 진행하였으며 과~ 2002 12 ) mock-up

설계도를 바탕으로 금형전문업체인 동양정공사 에 발주하여 본 제품에 대한 금형ldquo rdquo

을 제작완료하고 제품 출시의 기틀을 마련하였다

제 절 기대효과5

기술적 효과1

어학 실습실 대체 효과 송신기 대 수신기 대- (1set 1 40 )

새로운 개념의 유 무선 방송 통신 기술 보급- ㆍ

광통신 기초기술로서 이에 적합한 제품적용 기술 확대-

전력선을 이용한 통신으로 원격 제어 기술 제공-

특수차량간 대화기술 보급 송 수신기가 일체화된 통신- ( 11 )ㆍ

- 9 -

교육적 효과2

광통신 원리의 기초지식 제공-

빛의 성질에 대한 이해와 지식습득-

보다 나은 어학 실습 효과-

외부소음 및 다른 학생에 의한 수업 방해해소-

집중력 향상으로 학습 효과 증대 기대-

상업 효과3

저렴한 가격으로 실용적인 어학 실습실 구현-

전력선을 이용한 통신기술로 저렴하게 원격탐사 구현-

건물 내 방송시설의 설치비 절감과 시공의 간소화-

대형매장에서의 피해 없는 메시지전달에 의한 고객의 즐거운 쇼핑-

대중교통수단에서의 음악청취가능으로 즐거운 여행-

운전 중 휴대폰 통화금지로 차량간 통화수단으로 활용이 기대-

- 10 -

제 장 이 론2

제 절 변조1 [13][14]

변조는 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기는 조작 이다 이를(Process)

논하기 전에 변조를 하지 않는 베이스밴드 통신 과 변(baseband comumunication)

조를 한 대역통과통신 그리고 반송파통신(bandpass communication) (carrier

을 구별하는 것은 중요하다 정보원이나 입력변환기 예communication) (transducer

를 들면 마이크 장치 에서 발생되는 신호의 주파수대역폭은 무선전송주파수보다 )

훨씬 낮은 주파수 범위를 갖는 제한된 대역폭의 신호이다 이러한 정보신호를 베이

스밴드 신호라 부른다 예를 들면 전화인 경우 베이스밴드(baseband) 0 ~ 35[ ]

의 가청주파수대역 음성신호의 대역 이고 텔레비전인 경우 베이스밴드( ) 0 ~ 43

의 영상신호 대역이며 데이터의 전송률이[ ] f S 인 경우의 베이스밴[pulsessec]

드는 이다0 ~ fs2[ ]

베이스밴드 통신에서는 베이스밴드 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기

지 않고 베이스밴드 신호를 그대로 전송시킨다 그러므로 이들은 무선통신로 (radio

를 통하여 보내어질 수 없으나 선 선로나 케이블을 통하여 전송될 수 있channel) 2

다 구역전화교환이나 개의 교환국간의 펄스부호변조 2 (PCM pulse code

는 베이스밴드 통신의 한 예이다 베이스밴드 통신은 베이스밴드 주파modulation)

수만을 사용하므로 그의 이용에 제한을 받는다 또 일반적으로 더 낮은 주파수의

신호일수록 그의 전송도 더 어려우므로 신호의 스펙트럼을 변조방식을 사용하여 더

높은 주파수 범위로 옮기는 것이 바람직하다

그밖에 베이스밴드 방식으로는 기술개발로 인하여 이용 가능하게 된 광대역 주파수

스펙트럼을 사용할 수 없다 몇 개의 베이스 밴드 신호를 변조하여 서로 겹치지 않

도록 그들의 주파수 스펙트럼을 각각 다른 위치로 옮기면 이용할 수 있는 모든 대

역을 더욱 효과적으로 사용할 수 있다 장거리 무선통신도 작은 안테나를 사용하여

전자파를 전파 하기 위해서는 신호의 스펙트럼을 더 높은 주파수로 옮기(radiation)

는 변조가 필요하다 변조를 사용하는 또 다른 이유는 신호대잡음전력비 (SNR

를 개선하기 위해서이다 이와 같이 변조를 사용하여 신호signal-to-noise ration)

의 주파수 스펙트럼을 옮기는 통신을 반송파통신 또는 대역통과통신이라 한다

이 경우 높은 주파수 fC인 정현파의 기본파라미터 진폭 주파수 및 위상 중의 하나( )

를 베이스밴드신호 에 따라 변화시키면 이는 각각 진폭변조s(t) (AM Amplitude

주파수변조 및 위상변조modulation) (FM frequency modulation) (PM phase

가된다 주파수 변조방식와 위상 변조방식은 근본적으로 비슷하므로 이modulation)

를 묶어서 각변조 라 한다(angle modulation)

- 11 -

변조를 사용하여 아날로그 신호는 물론 디지털 베이스밴드 신호도 전송한다 베이

스 밴드 신호 펄스변조신호 펄스변조방식은 실은 베이스( -PAM PWM PPM DM)

밴드 부호화방식 이다 이 신호들의 주파수 스펙트럼을(baseband coding scheme)

옮기기 위해서는 반송파 주파수로 다시 변조하여야 한다

변조된 파 또는 피변조파 의 일반적인 식은 다음과 같다g(t)

여기서 진폭 와 각a(t) (t)=2 fπ120775 C 는 시간의 함수이다t+ (t) 120579

정보내용이 에 실리면 진폭변조라 부르고 이 경우(1) a(t) (t)=120579 1205790 정수이다=

정보내용이(2) (t)=2 fπ120775 C 에 포함되면 각 변조라 부르고 이 경우t+ (t) s(t)=A120579 C 정=

수이다 이를 다시 분류하면 다음과 같다

정보내용이 에 포함되면 위상변조라 하고(a) (t)120579

정보내용이(b) 에 포함되며 주파수 변조라 부른다

순시위상 와 순시 각주파수 흔히 순시 주파수라고도 함 는 다음과 같이(t) ( ) (t)120775 120775

정의된다

여기서 fC는 반송파주파수이다

진폭변조 변조1 (AM Amplitude Modulation)

지금 정보신호 또는 변조신호 를 라 하고 반송파를( ) s(t) ACcos2 fπ C 라 하면 피변조t

파(modulated signal wave) g DSB 는 다음과 같다(t)

설명의 편의상 s(t)=Amcos2 fπ m 이라 놓으면 윗식은t

- 12 -

가 된다 여기서 A0 =Ac Am이다

이와 같은 형식의 전송방식을 반송파억압진폭변조(DSB-SC double sideband-

또는suppressed carrier amplitude modulation) AM-SC(amplitude modulation-

라 한다 위의 식에는 반송파suppressed carrier) cos2 fπ C 가 포함되어 있지 않으므t

로 반송파억압이란 말을 붙인 것이다 식 을 변환하여 주파수 영역으로 (23) Fourier

나타내면 다음과 같다

위의 식의 관계를 그림으로 도시하면 그림 과 같다 lt 21gt

Fig 21 DSB-SC transmission system

- 13 -

식 에 반송파를 추가한 방식으로 단순히 진폭변조 또는 라 한다 진(23) (AM DSB)

폭변조 방식은 검파방식이 간단한 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있다

반송파를 갖는 진폭변조파를 흔히 파 또는 신호라 한다 엄격하게 말하면AM AM

이다 의 유일한 성질은 변조된 방송파DSB-LC(double sideband-large carrier) AM

의 포락선 이 메시지파형과 동일한 파형을 갖는 것이다(envelope)

파에 관한 일반식은 다음과 같다AM

여기서는 Ac는 진폭이 쪽으로 가지 않도록 하기 위한 바이어스 전압이다(-) (bias)

지금 편의상 1207530= 0 s(t) = Amcos2 fπ m 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이 된다t

여기에서 ma=Am 을 의 변조지수 라 부르며 는 메시지Ac AM (modulation index) s(t)

신호로서 가 되도록 한다 이러한 조건으로부터 와 구별하기 위|s(t)| Ac DSB-SCle

하여 파를 라 표기한다 즉AM DSB-LC ma는 보다 적어야한다1 ma 일 때= 1

변조라 하며100 ma 일 때는 변조가 된다=05 50

일반적으로 ma 이지만1 mle a 인 경우를 과변조 라 한다gt 1 (over modulation) ma의

값에 따른 변조된 파형 즉 malt1 ma 과=1 ma 인 경우의 변조파는 그림 에gt1 lt 22gt

서 보는 바와 같다 이 포락선은 ma 인 경우에만 정보신호 와 거의 동일하다1 s(t) le

따라서 수신측에서 신호 를 재생하는 경우 포락선만을 검파하면 된다s(t)

신호는 즉 신호보다 변조 또는 복조가 훨씬 용이하므로 상용방AM AM-SC DSB-SC

송에서는 방식이 사용된다AM

식 을 다시 고쳐 쓰면 다음과 같다(27)

위의 식을 살펴보면 를 나타내는 식 에 반송파 항이 더 부가되었음을 DSB-SC (24)

알 수 있다

- 14 -

식 을 주파수영역에 나타내면 그림 에 보인 바와 같은 단일 정현파 주파(27) lt 23gt

수 스펙트럼을 얻는다 식 의 우변 제 항은 반송파이고 제 항은 상측대파 (28) 1 2

이고 제 항은 반송파보다 낮은 주파수로 변환됨을(USB upper sideband wave) 3

나타내므로 하측대파 라 한다(LSBlower sideband wave)

Fig 22 Effect about a variation of modulation-index ma

Fig 23 Frequency spectrum of an amplitude modulation

- 15 -

Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

[1] Albert A Smith Jr Power Line Noise SurveyIEEE Trans on

Electromagetic Compatibility Feb 1972

[2] R M Vines Noise on Residential Power Distribution Circuirs IEEE

Trans on Electromagnetic Compatibility vol EMC-26 No 4 Nov (1984)

[3] H J Trussell J D Wang Cancellation of Harmonic noise in Distribution

Line Communications IEEE Trans on Power Apparatus and Systems vol

PAS-104 No 12 dec (1985)

[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

Communication Signals on Residential and commercial Intrabuilding

Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

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Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 6 -

제 절 기술개발의 목표2

본 개발에서는 전력선을 이용한 디지털통신의 한계를 대신할 수 있는 전력선과 조

명등을 전송매체로 부하에 따른 임피던스의 감소와 서지전압 등과 같은 잡음에 강

한 특성을 나타내는 아날로그 통신시스템 즉 전력선에 음성신호를 변조하여 형광

등과 같은 조명등으로부터 나오는 빛에 그 음성신호가 실리도록 하고 이를 다시 광

센서로 검출하고 음성신호만을 필터링하여 스피커나 이어폰으로 청취할 수 있게 함

으로 해서 유 무선 방송 및 통신 기기 대의 송신기와 다수의 수신기 를 이용하여(1 )ㆍ

각종 방송장비 및 각급 학교 어학실습실 또는 대형 강의실을 대신하며 수신기 일

체형 스피커로 방송 시설을 대체하거나 개인용 무선형 수신기를 단일품목으로 강의

용으로 보급하고 차량용 전력선 인터넷 시스템 등을 순차적으로 개발하여 배출을

증대시키고자 한다

제 절 기술개발의 목적 및 중요성3

본 개발기술과 유사한 제품으로는 적외선 를 이용한 무선이어폰 등이 있었으나LED

노이즈에 대한 대책이 미흡한 관계로 음질이 떨어져 사장되었으며 현재에는 공중파

방식의 무선이어폰이 시판되고 있다 그러나 공중파 방식은 아주 짧은 거리에서만

적용되며 만일 보다 먼 거리를 원해 송신출력을 높일 경우 다른 사람들과 혼선이

일어날 수 있어 보안성을 찾아 볼 수 없는 실정이다

다음으로 데이터 전송 기술면에서 살펴보면 전용선을 이용할 경우에는 당연 디지털

이 아날로그보다 월등하게 우수하지만 전력선에서는 노이즈가 매우 심하여 디지털

은 노이즈에 매우 민감하므로 노이즈 제거가 그리 쉬운 문제가 아니므로 아날로그

가 유리하게 작용을 하게 된다

현재 많은 기업들이 전력선을 이용한 인터넷을 연구개발하고 있으므로 본 기술과

전력선 인터넷 기술을 상호 교류 및 보완한다면 그 시너지 효과는 매우 클 것이라

고 사료된다

제 절 기술개발의 내용 및 범위4

광 센서를 이용한 센서 응용기술-

기존 전력선에 음성신호의 변조회로 및 송신기의 제품화-

전력선에 타고 들어오는 노이즈 제거기술로 깨끗한 음질의 수신기 제품화-

구역별 패키지별 송 수신 구별 기술- ㆍ

제품디자인을 통한 미려한 제품의 출시-

- 7 -

제 절 기술개발 결과5

본 개발의 추진은 단계별로 순조롭게 진행되어 완료되어 제품출시를 앞두고 있으

며 개발과정에서 발생된 결과를 국내학술지에 편을 발표하였으며 박사학위논문 2

과 석사학위논문을 각각 편씩 배출하였으며 제품디자인에서는 디자인 혁신상품1

개발사업에 참여하여 그 성과를 얻었다

개발 추진과정에서 발생된 실적은 국내 학술지에 발표한 내용과 학위논문을 요약하

여 기재하고 해당 자료의 복사본을 부록으로 첨부하고자 한다

음성통신 기초실험1

빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지에 대하여 전원과 수신기 안테나로

서의 복합 기능 가능성을 실험해 본 것으로 송신기 입력 단에 Function generator

를 이용하여 가청주파수 를 인가하고 을 사용한 수신기 측(20~20000 ) solar cell

에서 검출한 출력파형이 입력 파형과 동일함을 확인할 수 있었다 또한 입력 단에

마이크를 사용하여 음성신호를 입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한

소리를 들을 수 있었다 이는 빛을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과

하나 이를 이용하여 송신기 측에 앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 태양

전지가 내장된 수신기를 사용하여 청취한다면 이는 저렴한 가격으로 실용적이면서

도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된다[10]

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

포토 특성 조사실험 조명등의 파형분석 필터회로 설계 제작 및 실험2 TR

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광 특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수 특성을 살펴

보았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그 때

의 스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질상태를 청취해 본 결과 음질

상태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학교육용으로는 전혀 문

제가 없었다[11]

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

- 8 -

송수신기 설계 제작 및 실험3

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭 변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신 주파수를 수신기로 동

조 및 검파하여 음성 신호로 변환시켜 그 특성을 조사하였다[12]

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문4

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석 ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구 ldquo AM

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

제품디자인 및 설계 및 금형 제작5

제품디자인은 수신기에 한하여 수신기 본체와 충전기를 하나의 제품으로 하여 디자

인 전문업체인 엡솔루트 디자인 사와 함께 디자인 혁신상품 개발사업 년ldquo rdquo ldquo (2002 4

월 년 월 으로 선정되어 미려한 제품디자인을 진행하였으며 과~ 2002 12 ) mock-up

설계도를 바탕으로 금형전문업체인 동양정공사 에 발주하여 본 제품에 대한 금형ldquo rdquo

을 제작완료하고 제품 출시의 기틀을 마련하였다

제 절 기대효과5

기술적 효과1

어학 실습실 대체 효과 송신기 대 수신기 대- (1set 1 40 )

새로운 개념의 유 무선 방송 통신 기술 보급- ㆍ

광통신 기초기술로서 이에 적합한 제품적용 기술 확대-

전력선을 이용한 통신으로 원격 제어 기술 제공-

특수차량간 대화기술 보급 송 수신기가 일체화된 통신- ( 11 )ㆍ

- 9 -

교육적 효과2

광통신 원리의 기초지식 제공-

빛의 성질에 대한 이해와 지식습득-

보다 나은 어학 실습 효과-

외부소음 및 다른 학생에 의한 수업 방해해소-

집중력 향상으로 학습 효과 증대 기대-

상업 효과3

저렴한 가격으로 실용적인 어학 실습실 구현-

전력선을 이용한 통신기술로 저렴하게 원격탐사 구현-

건물 내 방송시설의 설치비 절감과 시공의 간소화-

대형매장에서의 피해 없는 메시지전달에 의한 고객의 즐거운 쇼핑-

대중교통수단에서의 음악청취가능으로 즐거운 여행-

운전 중 휴대폰 통화금지로 차량간 통화수단으로 활용이 기대-

- 10 -

제 장 이 론2

제 절 변조1 [13][14]

변조는 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기는 조작 이다 이를(Process)

논하기 전에 변조를 하지 않는 베이스밴드 통신 과 변(baseband comumunication)

조를 한 대역통과통신 그리고 반송파통신(bandpass communication) (carrier

을 구별하는 것은 중요하다 정보원이나 입력변환기 예communication) (transducer

를 들면 마이크 장치 에서 발생되는 신호의 주파수대역폭은 무선전송주파수보다 )

훨씬 낮은 주파수 범위를 갖는 제한된 대역폭의 신호이다 이러한 정보신호를 베이

스밴드 신호라 부른다 예를 들면 전화인 경우 베이스밴드(baseband) 0 ~ 35[ ]

의 가청주파수대역 음성신호의 대역 이고 텔레비전인 경우 베이스밴드( ) 0 ~ 43

의 영상신호 대역이며 데이터의 전송률이[ ] f S 인 경우의 베이스밴[pulsessec]

드는 이다0 ~ fs2[ ]

베이스밴드 통신에서는 베이스밴드 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기

지 않고 베이스밴드 신호를 그대로 전송시킨다 그러므로 이들은 무선통신로 (radio

를 통하여 보내어질 수 없으나 선 선로나 케이블을 통하여 전송될 수 있channel) 2

다 구역전화교환이나 개의 교환국간의 펄스부호변조 2 (PCM pulse code

는 베이스밴드 통신의 한 예이다 베이스밴드 통신은 베이스밴드 주파modulation)

수만을 사용하므로 그의 이용에 제한을 받는다 또 일반적으로 더 낮은 주파수의

신호일수록 그의 전송도 더 어려우므로 신호의 스펙트럼을 변조방식을 사용하여 더

높은 주파수 범위로 옮기는 것이 바람직하다

그밖에 베이스밴드 방식으로는 기술개발로 인하여 이용 가능하게 된 광대역 주파수

스펙트럼을 사용할 수 없다 몇 개의 베이스 밴드 신호를 변조하여 서로 겹치지 않

도록 그들의 주파수 스펙트럼을 각각 다른 위치로 옮기면 이용할 수 있는 모든 대

역을 더욱 효과적으로 사용할 수 있다 장거리 무선통신도 작은 안테나를 사용하여

전자파를 전파 하기 위해서는 신호의 스펙트럼을 더 높은 주파수로 옮기(radiation)

는 변조가 필요하다 변조를 사용하는 또 다른 이유는 신호대잡음전력비 (SNR

를 개선하기 위해서이다 이와 같이 변조를 사용하여 신호signal-to-noise ration)

의 주파수 스펙트럼을 옮기는 통신을 반송파통신 또는 대역통과통신이라 한다

이 경우 높은 주파수 fC인 정현파의 기본파라미터 진폭 주파수 및 위상 중의 하나( )

를 베이스밴드신호 에 따라 변화시키면 이는 각각 진폭변조s(t) (AM Amplitude

주파수변조 및 위상변조modulation) (FM frequency modulation) (PM phase

가된다 주파수 변조방식와 위상 변조방식은 근본적으로 비슷하므로 이modulation)

를 묶어서 각변조 라 한다(angle modulation)

- 11 -

변조를 사용하여 아날로그 신호는 물론 디지털 베이스밴드 신호도 전송한다 베이

스 밴드 신호 펄스변조신호 펄스변조방식은 실은 베이스( -PAM PWM PPM DM)

밴드 부호화방식 이다 이 신호들의 주파수 스펙트럼을(baseband coding scheme)

옮기기 위해서는 반송파 주파수로 다시 변조하여야 한다

변조된 파 또는 피변조파 의 일반적인 식은 다음과 같다g(t)

여기서 진폭 와 각a(t) (t)=2 fπ120775 C 는 시간의 함수이다t+ (t) 120579

정보내용이 에 실리면 진폭변조라 부르고 이 경우(1) a(t) (t)=120579 1205790 정수이다=

정보내용이(2) (t)=2 fπ120775 C 에 포함되면 각 변조라 부르고 이 경우t+ (t) s(t)=A120579 C 정=

수이다 이를 다시 분류하면 다음과 같다

정보내용이 에 포함되면 위상변조라 하고(a) (t)120579

정보내용이(b) 에 포함되며 주파수 변조라 부른다

순시위상 와 순시 각주파수 흔히 순시 주파수라고도 함 는 다음과 같이(t) ( ) (t)120775 120775

정의된다

여기서 fC는 반송파주파수이다

진폭변조 변조1 (AM Amplitude Modulation)

지금 정보신호 또는 변조신호 를 라 하고 반송파를( ) s(t) ACcos2 fπ C 라 하면 피변조t

파(modulated signal wave) g DSB 는 다음과 같다(t)

설명의 편의상 s(t)=Amcos2 fπ m 이라 놓으면 윗식은t

- 12 -

가 된다 여기서 A0 =Ac Am이다

이와 같은 형식의 전송방식을 반송파억압진폭변조(DSB-SC double sideband-

또는suppressed carrier amplitude modulation) AM-SC(amplitude modulation-

라 한다 위의 식에는 반송파suppressed carrier) cos2 fπ C 가 포함되어 있지 않으므t

로 반송파억압이란 말을 붙인 것이다 식 을 변환하여 주파수 영역으로 (23) Fourier

나타내면 다음과 같다

위의 식의 관계를 그림으로 도시하면 그림 과 같다 lt 21gt

Fig 21 DSB-SC transmission system

- 13 -

식 에 반송파를 추가한 방식으로 단순히 진폭변조 또는 라 한다 진(23) (AM DSB)

폭변조 방식은 검파방식이 간단한 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있다

반송파를 갖는 진폭변조파를 흔히 파 또는 신호라 한다 엄격하게 말하면AM AM

이다 의 유일한 성질은 변조된 방송파DSB-LC(double sideband-large carrier) AM

의 포락선 이 메시지파형과 동일한 파형을 갖는 것이다(envelope)

파에 관한 일반식은 다음과 같다AM

여기서는 Ac는 진폭이 쪽으로 가지 않도록 하기 위한 바이어스 전압이다(-) (bias)

지금 편의상 1207530= 0 s(t) = Amcos2 fπ m 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이 된다t

여기에서 ma=Am 을 의 변조지수 라 부르며 는 메시지Ac AM (modulation index) s(t)

신호로서 가 되도록 한다 이러한 조건으로부터 와 구별하기 위|s(t)| Ac DSB-SCle

하여 파를 라 표기한다 즉AM DSB-LC ma는 보다 적어야한다1 ma 일 때= 1

변조라 하며100 ma 일 때는 변조가 된다=05 50

일반적으로 ma 이지만1 mle a 인 경우를 과변조 라 한다gt 1 (over modulation) ma의

값에 따른 변조된 파형 즉 malt1 ma 과=1 ma 인 경우의 변조파는 그림 에gt1 lt 22gt

서 보는 바와 같다 이 포락선은 ma 인 경우에만 정보신호 와 거의 동일하다1 s(t) le

따라서 수신측에서 신호 를 재생하는 경우 포락선만을 검파하면 된다s(t)

신호는 즉 신호보다 변조 또는 복조가 훨씬 용이하므로 상용방AM AM-SC DSB-SC

송에서는 방식이 사용된다AM

식 을 다시 고쳐 쓰면 다음과 같다(27)

위의 식을 살펴보면 를 나타내는 식 에 반송파 항이 더 부가되었음을 DSB-SC (24)

알 수 있다

- 14 -

식 을 주파수영역에 나타내면 그림 에 보인 바와 같은 단일 정현파 주파(27) lt 23gt

수 스펙트럼을 얻는다 식 의 우변 제 항은 반송파이고 제 항은 상측대파 (28) 1 2

이고 제 항은 반송파보다 낮은 주파수로 변환됨을(USB upper sideband wave) 3

나타내므로 하측대파 라 한다(LSBlower sideband wave)

Fig 22 Effect about a variation of modulation-index ma

Fig 23 Frequency spectrum of an amplitude modulation

- 15 -

Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

[1] Albert A Smith Jr Power Line Noise SurveyIEEE Trans on

Electromagetic Compatibility Feb 1972

[2] R M Vines Noise on Residential Power Distribution Circuirs IEEE

Trans on Electromagnetic Compatibility vol EMC-26 No 4 Nov (1984)

[3] H J Trussell J D Wang Cancellation of Harmonic noise in Distribution

Line Communications IEEE Trans on Power Apparatus and Systems vol

PAS-104 No 12 dec (1985)

[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

Communication Signals on Residential and commercial Intrabuilding

Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

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Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 7 -

제 절 기술개발 결과5

본 개발의 추진은 단계별로 순조롭게 진행되어 완료되어 제품출시를 앞두고 있으

며 개발과정에서 발생된 결과를 국내학술지에 편을 발표하였으며 박사학위논문 2

과 석사학위논문을 각각 편씩 배출하였으며 제품디자인에서는 디자인 혁신상품1

개발사업에 참여하여 그 성과를 얻었다

개발 추진과정에서 발생된 실적은 국내 학술지에 발표한 내용과 학위논문을 요약하

여 기재하고 해당 자료의 복사본을 부록으로 첨부하고자 한다

음성통신 기초실험1

빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지에 대하여 전원과 수신기 안테나로

서의 복합 기능 가능성을 실험해 본 것으로 송신기 입력 단에 Function generator

를 이용하여 가청주파수 를 인가하고 을 사용한 수신기 측(20~20000 ) solar cell

에서 검출한 출력파형이 입력 파형과 동일함을 확인할 수 있었다 또한 입력 단에

마이크를 사용하여 음성신호를 입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한

소리를 들을 수 있었다 이는 빛을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과

하나 이를 이용하여 송신기 측에 앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 태양

전지가 내장된 수신기를 사용하여 청취한다면 이는 저렴한 가격으로 실용적이면서

도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된다[10]

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

포토 특성 조사실험 조명등의 파형분석 필터회로 설계 제작 및 실험2 TR

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광 특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수 특성을 살펴

보았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그 때

의 스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질상태를 청취해 본 결과 음질

상태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학교육용으로는 전혀 문

제가 없었다[11]

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

- 8 -

송수신기 설계 제작 및 실험3

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭 변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신 주파수를 수신기로 동

조 및 검파하여 음성 신호로 변환시켜 그 특성을 조사하였다[12]

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문4

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석 ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구 ldquo AM

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

제품디자인 및 설계 및 금형 제작5

제품디자인은 수신기에 한하여 수신기 본체와 충전기를 하나의 제품으로 하여 디자

인 전문업체인 엡솔루트 디자인 사와 함께 디자인 혁신상품 개발사업 년ldquo rdquo ldquo (2002 4

월 년 월 으로 선정되어 미려한 제품디자인을 진행하였으며 과~ 2002 12 ) mock-up

설계도를 바탕으로 금형전문업체인 동양정공사 에 발주하여 본 제품에 대한 금형ldquo rdquo

을 제작완료하고 제품 출시의 기틀을 마련하였다

제 절 기대효과5

기술적 효과1

어학 실습실 대체 효과 송신기 대 수신기 대- (1set 1 40 )

새로운 개념의 유 무선 방송 통신 기술 보급- ㆍ

광통신 기초기술로서 이에 적합한 제품적용 기술 확대-

전력선을 이용한 통신으로 원격 제어 기술 제공-

특수차량간 대화기술 보급 송 수신기가 일체화된 통신- ( 11 )ㆍ

- 9 -

교육적 효과2

광통신 원리의 기초지식 제공-

빛의 성질에 대한 이해와 지식습득-

보다 나은 어학 실습 효과-

외부소음 및 다른 학생에 의한 수업 방해해소-

집중력 향상으로 학습 효과 증대 기대-

상업 효과3

저렴한 가격으로 실용적인 어학 실습실 구현-

전력선을 이용한 통신기술로 저렴하게 원격탐사 구현-

건물 내 방송시설의 설치비 절감과 시공의 간소화-

대형매장에서의 피해 없는 메시지전달에 의한 고객의 즐거운 쇼핑-

대중교통수단에서의 음악청취가능으로 즐거운 여행-

운전 중 휴대폰 통화금지로 차량간 통화수단으로 활용이 기대-

- 10 -

제 장 이 론2

제 절 변조1 [13][14]

변조는 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기는 조작 이다 이를(Process)

논하기 전에 변조를 하지 않는 베이스밴드 통신 과 변(baseband comumunication)

조를 한 대역통과통신 그리고 반송파통신(bandpass communication) (carrier

을 구별하는 것은 중요하다 정보원이나 입력변환기 예communication) (transducer

를 들면 마이크 장치 에서 발생되는 신호의 주파수대역폭은 무선전송주파수보다 )

훨씬 낮은 주파수 범위를 갖는 제한된 대역폭의 신호이다 이러한 정보신호를 베이

스밴드 신호라 부른다 예를 들면 전화인 경우 베이스밴드(baseband) 0 ~ 35[ ]

의 가청주파수대역 음성신호의 대역 이고 텔레비전인 경우 베이스밴드( ) 0 ~ 43

의 영상신호 대역이며 데이터의 전송률이[ ] f S 인 경우의 베이스밴[pulsessec]

드는 이다0 ~ fs2[ ]

베이스밴드 통신에서는 베이스밴드 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기

지 않고 베이스밴드 신호를 그대로 전송시킨다 그러므로 이들은 무선통신로 (radio

를 통하여 보내어질 수 없으나 선 선로나 케이블을 통하여 전송될 수 있channel) 2

다 구역전화교환이나 개의 교환국간의 펄스부호변조 2 (PCM pulse code

는 베이스밴드 통신의 한 예이다 베이스밴드 통신은 베이스밴드 주파modulation)

수만을 사용하므로 그의 이용에 제한을 받는다 또 일반적으로 더 낮은 주파수의

신호일수록 그의 전송도 더 어려우므로 신호의 스펙트럼을 변조방식을 사용하여 더

높은 주파수 범위로 옮기는 것이 바람직하다

그밖에 베이스밴드 방식으로는 기술개발로 인하여 이용 가능하게 된 광대역 주파수

스펙트럼을 사용할 수 없다 몇 개의 베이스 밴드 신호를 변조하여 서로 겹치지 않

도록 그들의 주파수 스펙트럼을 각각 다른 위치로 옮기면 이용할 수 있는 모든 대

역을 더욱 효과적으로 사용할 수 있다 장거리 무선통신도 작은 안테나를 사용하여

전자파를 전파 하기 위해서는 신호의 스펙트럼을 더 높은 주파수로 옮기(radiation)

는 변조가 필요하다 변조를 사용하는 또 다른 이유는 신호대잡음전력비 (SNR

를 개선하기 위해서이다 이와 같이 변조를 사용하여 신호signal-to-noise ration)

의 주파수 스펙트럼을 옮기는 통신을 반송파통신 또는 대역통과통신이라 한다

이 경우 높은 주파수 fC인 정현파의 기본파라미터 진폭 주파수 및 위상 중의 하나( )

를 베이스밴드신호 에 따라 변화시키면 이는 각각 진폭변조s(t) (AM Amplitude

주파수변조 및 위상변조modulation) (FM frequency modulation) (PM phase

가된다 주파수 변조방식와 위상 변조방식은 근본적으로 비슷하므로 이modulation)

를 묶어서 각변조 라 한다(angle modulation)

- 11 -

변조를 사용하여 아날로그 신호는 물론 디지털 베이스밴드 신호도 전송한다 베이

스 밴드 신호 펄스변조신호 펄스변조방식은 실은 베이스( -PAM PWM PPM DM)

밴드 부호화방식 이다 이 신호들의 주파수 스펙트럼을(baseband coding scheme)

옮기기 위해서는 반송파 주파수로 다시 변조하여야 한다

변조된 파 또는 피변조파 의 일반적인 식은 다음과 같다g(t)

여기서 진폭 와 각a(t) (t)=2 fπ120775 C 는 시간의 함수이다t+ (t) 120579

정보내용이 에 실리면 진폭변조라 부르고 이 경우(1) a(t) (t)=120579 1205790 정수이다=

정보내용이(2) (t)=2 fπ120775 C 에 포함되면 각 변조라 부르고 이 경우t+ (t) s(t)=A120579 C 정=

수이다 이를 다시 분류하면 다음과 같다

정보내용이 에 포함되면 위상변조라 하고(a) (t)120579

정보내용이(b) 에 포함되며 주파수 변조라 부른다

순시위상 와 순시 각주파수 흔히 순시 주파수라고도 함 는 다음과 같이(t) ( ) (t)120775 120775

정의된다

여기서 fC는 반송파주파수이다

진폭변조 변조1 (AM Amplitude Modulation)

지금 정보신호 또는 변조신호 를 라 하고 반송파를( ) s(t) ACcos2 fπ C 라 하면 피변조t

파(modulated signal wave) g DSB 는 다음과 같다(t)

설명의 편의상 s(t)=Amcos2 fπ m 이라 놓으면 윗식은t

- 12 -

가 된다 여기서 A0 =Ac Am이다

이와 같은 형식의 전송방식을 반송파억압진폭변조(DSB-SC double sideband-

또는suppressed carrier amplitude modulation) AM-SC(amplitude modulation-

라 한다 위의 식에는 반송파suppressed carrier) cos2 fπ C 가 포함되어 있지 않으므t

로 반송파억압이란 말을 붙인 것이다 식 을 변환하여 주파수 영역으로 (23) Fourier

나타내면 다음과 같다

위의 식의 관계를 그림으로 도시하면 그림 과 같다 lt 21gt

Fig 21 DSB-SC transmission system

- 13 -

식 에 반송파를 추가한 방식으로 단순히 진폭변조 또는 라 한다 진(23) (AM DSB)

폭변조 방식은 검파방식이 간단한 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있다

반송파를 갖는 진폭변조파를 흔히 파 또는 신호라 한다 엄격하게 말하면AM AM

이다 의 유일한 성질은 변조된 방송파DSB-LC(double sideband-large carrier) AM

의 포락선 이 메시지파형과 동일한 파형을 갖는 것이다(envelope)

파에 관한 일반식은 다음과 같다AM

여기서는 Ac는 진폭이 쪽으로 가지 않도록 하기 위한 바이어스 전압이다(-) (bias)

지금 편의상 1207530= 0 s(t) = Amcos2 fπ m 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이 된다t

여기에서 ma=Am 을 의 변조지수 라 부르며 는 메시지Ac AM (modulation index) s(t)

신호로서 가 되도록 한다 이러한 조건으로부터 와 구별하기 위|s(t)| Ac DSB-SCle

하여 파를 라 표기한다 즉AM DSB-LC ma는 보다 적어야한다1 ma 일 때= 1

변조라 하며100 ma 일 때는 변조가 된다=05 50

일반적으로 ma 이지만1 mle a 인 경우를 과변조 라 한다gt 1 (over modulation) ma의

값에 따른 변조된 파형 즉 malt1 ma 과=1 ma 인 경우의 변조파는 그림 에gt1 lt 22gt

서 보는 바와 같다 이 포락선은 ma 인 경우에만 정보신호 와 거의 동일하다1 s(t) le

따라서 수신측에서 신호 를 재생하는 경우 포락선만을 검파하면 된다s(t)

신호는 즉 신호보다 변조 또는 복조가 훨씬 용이하므로 상용방AM AM-SC DSB-SC

송에서는 방식이 사용된다AM

식 을 다시 고쳐 쓰면 다음과 같다(27)

위의 식을 살펴보면 를 나타내는 식 에 반송파 항이 더 부가되었음을 DSB-SC (24)

알 수 있다

- 14 -

식 을 주파수영역에 나타내면 그림 에 보인 바와 같은 단일 정현파 주파(27) lt 23gt

수 스펙트럼을 얻는다 식 의 우변 제 항은 반송파이고 제 항은 상측대파 (28) 1 2

이고 제 항은 반송파보다 낮은 주파수로 변환됨을(USB upper sideband wave) 3

나타내므로 하측대파 라 한다(LSBlower sideband wave)

Fig 22 Effect about a variation of modulation-index ma

Fig 23 Frequency spectrum of an amplitude modulation

- 15 -

Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

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한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 8 -

송수신기 설계 제작 및 실험3

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭 변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신 주파수를 수신기로 동

조 및 검파하여 음성 신호로 변환시켜 그 특성을 조사하였다[12]

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발 ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문4

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석 ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구 ldquo AM

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

제품디자인 및 설계 및 금형 제작5

제품디자인은 수신기에 한하여 수신기 본체와 충전기를 하나의 제품으로 하여 디자

인 전문업체인 엡솔루트 디자인 사와 함께 디자인 혁신상품 개발사업 년ldquo rdquo ldquo (2002 4

월 년 월 으로 선정되어 미려한 제품디자인을 진행하였으며 과~ 2002 12 ) mock-up

설계도를 바탕으로 금형전문업체인 동양정공사 에 발주하여 본 제품에 대한 금형ldquo rdquo

을 제작완료하고 제품 출시의 기틀을 마련하였다

제 절 기대효과5

기술적 효과1

어학 실습실 대체 효과 송신기 대 수신기 대- (1set 1 40 )

새로운 개념의 유 무선 방송 통신 기술 보급- ㆍ

광통신 기초기술로서 이에 적합한 제품적용 기술 확대-

전력선을 이용한 통신으로 원격 제어 기술 제공-

특수차량간 대화기술 보급 송 수신기가 일체화된 통신- ( 11 )ㆍ

- 9 -

교육적 효과2

광통신 원리의 기초지식 제공-

빛의 성질에 대한 이해와 지식습득-

보다 나은 어학 실습 효과-

외부소음 및 다른 학생에 의한 수업 방해해소-

집중력 향상으로 학습 효과 증대 기대-

상업 효과3

저렴한 가격으로 실용적인 어학 실습실 구현-

전력선을 이용한 통신기술로 저렴하게 원격탐사 구현-

건물 내 방송시설의 설치비 절감과 시공의 간소화-

대형매장에서의 피해 없는 메시지전달에 의한 고객의 즐거운 쇼핑-

대중교통수단에서의 음악청취가능으로 즐거운 여행-

운전 중 휴대폰 통화금지로 차량간 통화수단으로 활용이 기대-

- 10 -

제 장 이 론2

제 절 변조1 [13][14]

변조는 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기는 조작 이다 이를(Process)

논하기 전에 변조를 하지 않는 베이스밴드 통신 과 변(baseband comumunication)

조를 한 대역통과통신 그리고 반송파통신(bandpass communication) (carrier

을 구별하는 것은 중요하다 정보원이나 입력변환기 예communication) (transducer

를 들면 마이크 장치 에서 발생되는 신호의 주파수대역폭은 무선전송주파수보다 )

훨씬 낮은 주파수 범위를 갖는 제한된 대역폭의 신호이다 이러한 정보신호를 베이

스밴드 신호라 부른다 예를 들면 전화인 경우 베이스밴드(baseband) 0 ~ 35[ ]

의 가청주파수대역 음성신호의 대역 이고 텔레비전인 경우 베이스밴드( ) 0 ~ 43

의 영상신호 대역이며 데이터의 전송률이[ ] f S 인 경우의 베이스밴[pulsessec]

드는 이다0 ~ fs2[ ]

베이스밴드 통신에서는 베이스밴드 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기

지 않고 베이스밴드 신호를 그대로 전송시킨다 그러므로 이들은 무선통신로 (radio

를 통하여 보내어질 수 없으나 선 선로나 케이블을 통하여 전송될 수 있channel) 2

다 구역전화교환이나 개의 교환국간의 펄스부호변조 2 (PCM pulse code

는 베이스밴드 통신의 한 예이다 베이스밴드 통신은 베이스밴드 주파modulation)

수만을 사용하므로 그의 이용에 제한을 받는다 또 일반적으로 더 낮은 주파수의

신호일수록 그의 전송도 더 어려우므로 신호의 스펙트럼을 변조방식을 사용하여 더

높은 주파수 범위로 옮기는 것이 바람직하다

그밖에 베이스밴드 방식으로는 기술개발로 인하여 이용 가능하게 된 광대역 주파수

스펙트럼을 사용할 수 없다 몇 개의 베이스 밴드 신호를 변조하여 서로 겹치지 않

도록 그들의 주파수 스펙트럼을 각각 다른 위치로 옮기면 이용할 수 있는 모든 대

역을 더욱 효과적으로 사용할 수 있다 장거리 무선통신도 작은 안테나를 사용하여

전자파를 전파 하기 위해서는 신호의 스펙트럼을 더 높은 주파수로 옮기(radiation)

는 변조가 필요하다 변조를 사용하는 또 다른 이유는 신호대잡음전력비 (SNR

를 개선하기 위해서이다 이와 같이 변조를 사용하여 신호signal-to-noise ration)

의 주파수 스펙트럼을 옮기는 통신을 반송파통신 또는 대역통과통신이라 한다

이 경우 높은 주파수 fC인 정현파의 기본파라미터 진폭 주파수 및 위상 중의 하나( )

를 베이스밴드신호 에 따라 변화시키면 이는 각각 진폭변조s(t) (AM Amplitude

주파수변조 및 위상변조modulation) (FM frequency modulation) (PM phase

가된다 주파수 변조방식와 위상 변조방식은 근본적으로 비슷하므로 이modulation)

를 묶어서 각변조 라 한다(angle modulation)

- 11 -

변조를 사용하여 아날로그 신호는 물론 디지털 베이스밴드 신호도 전송한다 베이

스 밴드 신호 펄스변조신호 펄스변조방식은 실은 베이스( -PAM PWM PPM DM)

밴드 부호화방식 이다 이 신호들의 주파수 스펙트럼을(baseband coding scheme)

옮기기 위해서는 반송파 주파수로 다시 변조하여야 한다

변조된 파 또는 피변조파 의 일반적인 식은 다음과 같다g(t)

여기서 진폭 와 각a(t) (t)=2 fπ120775 C 는 시간의 함수이다t+ (t) 120579

정보내용이 에 실리면 진폭변조라 부르고 이 경우(1) a(t) (t)=120579 1205790 정수이다=

정보내용이(2) (t)=2 fπ120775 C 에 포함되면 각 변조라 부르고 이 경우t+ (t) s(t)=A120579 C 정=

수이다 이를 다시 분류하면 다음과 같다

정보내용이 에 포함되면 위상변조라 하고(a) (t)120579

정보내용이(b) 에 포함되며 주파수 변조라 부른다

순시위상 와 순시 각주파수 흔히 순시 주파수라고도 함 는 다음과 같이(t) ( ) (t)120775 120775

정의된다

여기서 fC는 반송파주파수이다

진폭변조 변조1 (AM Amplitude Modulation)

지금 정보신호 또는 변조신호 를 라 하고 반송파를( ) s(t) ACcos2 fπ C 라 하면 피변조t

파(modulated signal wave) g DSB 는 다음과 같다(t)

설명의 편의상 s(t)=Amcos2 fπ m 이라 놓으면 윗식은t

- 12 -

가 된다 여기서 A0 =Ac Am이다

이와 같은 형식의 전송방식을 반송파억압진폭변조(DSB-SC double sideband-

또는suppressed carrier amplitude modulation) AM-SC(amplitude modulation-

라 한다 위의 식에는 반송파suppressed carrier) cos2 fπ C 가 포함되어 있지 않으므t

로 반송파억압이란 말을 붙인 것이다 식 을 변환하여 주파수 영역으로 (23) Fourier

나타내면 다음과 같다

위의 식의 관계를 그림으로 도시하면 그림 과 같다 lt 21gt

Fig 21 DSB-SC transmission system

- 13 -

식 에 반송파를 추가한 방식으로 단순히 진폭변조 또는 라 한다 진(23) (AM DSB)

폭변조 방식은 검파방식이 간단한 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있다

반송파를 갖는 진폭변조파를 흔히 파 또는 신호라 한다 엄격하게 말하면AM AM

이다 의 유일한 성질은 변조된 방송파DSB-LC(double sideband-large carrier) AM

의 포락선 이 메시지파형과 동일한 파형을 갖는 것이다(envelope)

파에 관한 일반식은 다음과 같다AM

여기서는 Ac는 진폭이 쪽으로 가지 않도록 하기 위한 바이어스 전압이다(-) (bias)

지금 편의상 1207530= 0 s(t) = Amcos2 fπ m 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이 된다t

여기에서 ma=Am 을 의 변조지수 라 부르며 는 메시지Ac AM (modulation index) s(t)

신호로서 가 되도록 한다 이러한 조건으로부터 와 구별하기 위|s(t)| Ac DSB-SCle

하여 파를 라 표기한다 즉AM DSB-LC ma는 보다 적어야한다1 ma 일 때= 1

변조라 하며100 ma 일 때는 변조가 된다=05 50

일반적으로 ma 이지만1 mle a 인 경우를 과변조 라 한다gt 1 (over modulation) ma의

값에 따른 변조된 파형 즉 malt1 ma 과=1 ma 인 경우의 변조파는 그림 에gt1 lt 22gt

서 보는 바와 같다 이 포락선은 ma 인 경우에만 정보신호 와 거의 동일하다1 s(t) le

따라서 수신측에서 신호 를 재생하는 경우 포락선만을 검파하면 된다s(t)

신호는 즉 신호보다 변조 또는 복조가 훨씬 용이하므로 상용방AM AM-SC DSB-SC

송에서는 방식이 사용된다AM

식 을 다시 고쳐 쓰면 다음과 같다(27)

위의 식을 살펴보면 를 나타내는 식 에 반송파 항이 더 부가되었음을 DSB-SC (24)

알 수 있다

- 14 -

식 을 주파수영역에 나타내면 그림 에 보인 바와 같은 단일 정현파 주파(27) lt 23gt

수 스펙트럼을 얻는다 식 의 우변 제 항은 반송파이고 제 항은 상측대파 (28) 1 2

이고 제 항은 반송파보다 낮은 주파수로 변환됨을(USB upper sideband wave) 3

나타내므로 하측대파 라 한다(LSBlower sideband wave)

Fig 22 Effect about a variation of modulation-index ma

Fig 23 Frequency spectrum of an amplitude modulation

- 15 -

Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

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이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

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부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

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Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 9 -

교육적 효과2

광통신 원리의 기초지식 제공-

빛의 성질에 대한 이해와 지식습득-

보다 나은 어학 실습 효과-

외부소음 및 다른 학생에 의한 수업 방해해소-

집중력 향상으로 학습 효과 증대 기대-

상업 효과3

저렴한 가격으로 실용적인 어학 실습실 구현-

전력선을 이용한 통신기술로 저렴하게 원격탐사 구현-

건물 내 방송시설의 설치비 절감과 시공의 간소화-

대형매장에서의 피해 없는 메시지전달에 의한 고객의 즐거운 쇼핑-

대중교통수단에서의 음악청취가능으로 즐거운 여행-

운전 중 휴대폰 통화금지로 차량간 통화수단으로 활용이 기대-

- 10 -

제 장 이 론2

제 절 변조1 [13][14]

변조는 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기는 조작 이다 이를(Process)

논하기 전에 변조를 하지 않는 베이스밴드 통신 과 변(baseband comumunication)

조를 한 대역통과통신 그리고 반송파통신(bandpass communication) (carrier

을 구별하는 것은 중요하다 정보원이나 입력변환기 예communication) (transducer

를 들면 마이크 장치 에서 발생되는 신호의 주파수대역폭은 무선전송주파수보다 )

훨씬 낮은 주파수 범위를 갖는 제한된 대역폭의 신호이다 이러한 정보신호를 베이

스밴드 신호라 부른다 예를 들면 전화인 경우 베이스밴드(baseband) 0 ~ 35[ ]

의 가청주파수대역 음성신호의 대역 이고 텔레비전인 경우 베이스밴드( ) 0 ~ 43

의 영상신호 대역이며 데이터의 전송률이[ ] f S 인 경우의 베이스밴[pulsessec]

드는 이다0 ~ fs2[ ]

베이스밴드 통신에서는 베이스밴드 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기

지 않고 베이스밴드 신호를 그대로 전송시킨다 그러므로 이들은 무선통신로 (radio

를 통하여 보내어질 수 없으나 선 선로나 케이블을 통하여 전송될 수 있channel) 2

다 구역전화교환이나 개의 교환국간의 펄스부호변조 2 (PCM pulse code

는 베이스밴드 통신의 한 예이다 베이스밴드 통신은 베이스밴드 주파modulation)

수만을 사용하므로 그의 이용에 제한을 받는다 또 일반적으로 더 낮은 주파수의

신호일수록 그의 전송도 더 어려우므로 신호의 스펙트럼을 변조방식을 사용하여 더

높은 주파수 범위로 옮기는 것이 바람직하다

그밖에 베이스밴드 방식으로는 기술개발로 인하여 이용 가능하게 된 광대역 주파수

스펙트럼을 사용할 수 없다 몇 개의 베이스 밴드 신호를 변조하여 서로 겹치지 않

도록 그들의 주파수 스펙트럼을 각각 다른 위치로 옮기면 이용할 수 있는 모든 대

역을 더욱 효과적으로 사용할 수 있다 장거리 무선통신도 작은 안테나를 사용하여

전자파를 전파 하기 위해서는 신호의 스펙트럼을 더 높은 주파수로 옮기(radiation)

는 변조가 필요하다 변조를 사용하는 또 다른 이유는 신호대잡음전력비 (SNR

를 개선하기 위해서이다 이와 같이 변조를 사용하여 신호signal-to-noise ration)

의 주파수 스펙트럼을 옮기는 통신을 반송파통신 또는 대역통과통신이라 한다

이 경우 높은 주파수 fC인 정현파의 기본파라미터 진폭 주파수 및 위상 중의 하나( )

를 베이스밴드신호 에 따라 변화시키면 이는 각각 진폭변조s(t) (AM Amplitude

주파수변조 및 위상변조modulation) (FM frequency modulation) (PM phase

가된다 주파수 변조방식와 위상 변조방식은 근본적으로 비슷하므로 이modulation)

를 묶어서 각변조 라 한다(angle modulation)

- 11 -

변조를 사용하여 아날로그 신호는 물론 디지털 베이스밴드 신호도 전송한다 베이

스 밴드 신호 펄스변조신호 펄스변조방식은 실은 베이스( -PAM PWM PPM DM)

밴드 부호화방식 이다 이 신호들의 주파수 스펙트럼을(baseband coding scheme)

옮기기 위해서는 반송파 주파수로 다시 변조하여야 한다

변조된 파 또는 피변조파 의 일반적인 식은 다음과 같다g(t)

여기서 진폭 와 각a(t) (t)=2 fπ120775 C 는 시간의 함수이다t+ (t) 120579

정보내용이 에 실리면 진폭변조라 부르고 이 경우(1) a(t) (t)=120579 1205790 정수이다=

정보내용이(2) (t)=2 fπ120775 C 에 포함되면 각 변조라 부르고 이 경우t+ (t) s(t)=A120579 C 정=

수이다 이를 다시 분류하면 다음과 같다

정보내용이 에 포함되면 위상변조라 하고(a) (t)120579

정보내용이(b) 에 포함되며 주파수 변조라 부른다

순시위상 와 순시 각주파수 흔히 순시 주파수라고도 함 는 다음과 같이(t) ( ) (t)120775 120775

정의된다

여기서 fC는 반송파주파수이다

진폭변조 변조1 (AM Amplitude Modulation)

지금 정보신호 또는 변조신호 를 라 하고 반송파를( ) s(t) ACcos2 fπ C 라 하면 피변조t

파(modulated signal wave) g DSB 는 다음과 같다(t)

설명의 편의상 s(t)=Amcos2 fπ m 이라 놓으면 윗식은t

- 12 -

가 된다 여기서 A0 =Ac Am이다

이와 같은 형식의 전송방식을 반송파억압진폭변조(DSB-SC double sideband-

또는suppressed carrier amplitude modulation) AM-SC(amplitude modulation-

라 한다 위의 식에는 반송파suppressed carrier) cos2 fπ C 가 포함되어 있지 않으므t

로 반송파억압이란 말을 붙인 것이다 식 을 변환하여 주파수 영역으로 (23) Fourier

나타내면 다음과 같다

위의 식의 관계를 그림으로 도시하면 그림 과 같다 lt 21gt

Fig 21 DSB-SC transmission system

- 13 -

식 에 반송파를 추가한 방식으로 단순히 진폭변조 또는 라 한다 진(23) (AM DSB)

폭변조 방식은 검파방식이 간단한 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있다

반송파를 갖는 진폭변조파를 흔히 파 또는 신호라 한다 엄격하게 말하면AM AM

이다 의 유일한 성질은 변조된 방송파DSB-LC(double sideband-large carrier) AM

의 포락선 이 메시지파형과 동일한 파형을 갖는 것이다(envelope)

파에 관한 일반식은 다음과 같다AM

여기서는 Ac는 진폭이 쪽으로 가지 않도록 하기 위한 바이어스 전압이다(-) (bias)

지금 편의상 1207530= 0 s(t) = Amcos2 fπ m 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이 된다t

여기에서 ma=Am 을 의 변조지수 라 부르며 는 메시지Ac AM (modulation index) s(t)

신호로서 가 되도록 한다 이러한 조건으로부터 와 구별하기 위|s(t)| Ac DSB-SCle

하여 파를 라 표기한다 즉AM DSB-LC ma는 보다 적어야한다1 ma 일 때= 1

변조라 하며100 ma 일 때는 변조가 된다=05 50

일반적으로 ma 이지만1 mle a 인 경우를 과변조 라 한다gt 1 (over modulation) ma의

값에 따른 변조된 파형 즉 malt1 ma 과=1 ma 인 경우의 변조파는 그림 에gt1 lt 22gt

서 보는 바와 같다 이 포락선은 ma 인 경우에만 정보신호 와 거의 동일하다1 s(t) le

따라서 수신측에서 신호 를 재생하는 경우 포락선만을 검파하면 된다s(t)

신호는 즉 신호보다 변조 또는 복조가 훨씬 용이하므로 상용방AM AM-SC DSB-SC

송에서는 방식이 사용된다AM

식 을 다시 고쳐 쓰면 다음과 같다(27)

위의 식을 살펴보면 를 나타내는 식 에 반송파 항이 더 부가되었음을 DSB-SC (24)

알 수 있다

- 14 -

식 을 주파수영역에 나타내면 그림 에 보인 바와 같은 단일 정현파 주파(27) lt 23gt

수 스펙트럼을 얻는다 식 의 우변 제 항은 반송파이고 제 항은 상측대파 (28) 1 2

이고 제 항은 반송파보다 낮은 주파수로 변환됨을(USB upper sideband wave) 3

나타내므로 하측대파 라 한다(LSBlower sideband wave)

Fig 22 Effect about a variation of modulation-index ma

Fig 23 Frequency spectrum of an amplitude modulation

- 15 -

Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

[1] Albert A Smith Jr Power Line Noise SurveyIEEE Trans on

Electromagetic Compatibility Feb 1972

[2] R M Vines Noise on Residential Power Distribution Circuirs IEEE

Trans on Electromagnetic Compatibility vol EMC-26 No 4 Nov (1984)

[3] H J Trussell J D Wang Cancellation of Harmonic noise in Distribution

Line Communications IEEE Trans on Power Apparatus and Systems vol

PAS-104 No 12 dec (1985)

[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

Communication Signals on Residential and commercial Intrabuilding

Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

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Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 10 -

제 장 이 론2

제 절 변조1 [13][14]

변조는 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기는 조작 이다 이를(Process)

논하기 전에 변조를 하지 않는 베이스밴드 통신 과 변(baseband comumunication)

조를 한 대역통과통신 그리고 반송파통신(bandpass communication) (carrier

을 구별하는 것은 중요하다 정보원이나 입력변환기 예communication) (transducer

를 들면 마이크 장치 에서 발생되는 신호의 주파수대역폭은 무선전송주파수보다 )

훨씬 낮은 주파수 범위를 갖는 제한된 대역폭의 신호이다 이러한 정보신호를 베이

스밴드 신호라 부른다 예를 들면 전화인 경우 베이스밴드(baseband) 0 ~ 35[ ]

의 가청주파수대역 음성신호의 대역 이고 텔레비전인 경우 베이스밴드( ) 0 ~ 43

의 영상신호 대역이며 데이터의 전송률이[ ] f S 인 경우의 베이스밴[pulsessec]

드는 이다0 ~ fs2[ ]

베이스밴드 통신에서는 베이스밴드 신호의 주파수대역을 다른 주파수대역으로 옮기

지 않고 베이스밴드 신호를 그대로 전송시킨다 그러므로 이들은 무선통신로 (radio

를 통하여 보내어질 수 없으나 선 선로나 케이블을 통하여 전송될 수 있channel) 2

다 구역전화교환이나 개의 교환국간의 펄스부호변조 2 (PCM pulse code

는 베이스밴드 통신의 한 예이다 베이스밴드 통신은 베이스밴드 주파modulation)

수만을 사용하므로 그의 이용에 제한을 받는다 또 일반적으로 더 낮은 주파수의

신호일수록 그의 전송도 더 어려우므로 신호의 스펙트럼을 변조방식을 사용하여 더

높은 주파수 범위로 옮기는 것이 바람직하다

그밖에 베이스밴드 방식으로는 기술개발로 인하여 이용 가능하게 된 광대역 주파수

스펙트럼을 사용할 수 없다 몇 개의 베이스 밴드 신호를 변조하여 서로 겹치지 않

도록 그들의 주파수 스펙트럼을 각각 다른 위치로 옮기면 이용할 수 있는 모든 대

역을 더욱 효과적으로 사용할 수 있다 장거리 무선통신도 작은 안테나를 사용하여

전자파를 전파 하기 위해서는 신호의 스펙트럼을 더 높은 주파수로 옮기(radiation)

는 변조가 필요하다 변조를 사용하는 또 다른 이유는 신호대잡음전력비 (SNR

를 개선하기 위해서이다 이와 같이 변조를 사용하여 신호signal-to-noise ration)

의 주파수 스펙트럼을 옮기는 통신을 반송파통신 또는 대역통과통신이라 한다

이 경우 높은 주파수 fC인 정현파의 기본파라미터 진폭 주파수 및 위상 중의 하나( )

를 베이스밴드신호 에 따라 변화시키면 이는 각각 진폭변조s(t) (AM Amplitude

주파수변조 및 위상변조modulation) (FM frequency modulation) (PM phase

가된다 주파수 변조방식와 위상 변조방식은 근본적으로 비슷하므로 이modulation)

를 묶어서 각변조 라 한다(angle modulation)

- 11 -

변조를 사용하여 아날로그 신호는 물론 디지털 베이스밴드 신호도 전송한다 베이

스 밴드 신호 펄스변조신호 펄스변조방식은 실은 베이스( -PAM PWM PPM DM)

밴드 부호화방식 이다 이 신호들의 주파수 스펙트럼을(baseband coding scheme)

옮기기 위해서는 반송파 주파수로 다시 변조하여야 한다

변조된 파 또는 피변조파 의 일반적인 식은 다음과 같다g(t)

여기서 진폭 와 각a(t) (t)=2 fπ120775 C 는 시간의 함수이다t+ (t) 120579

정보내용이 에 실리면 진폭변조라 부르고 이 경우(1) a(t) (t)=120579 1205790 정수이다=

정보내용이(2) (t)=2 fπ120775 C 에 포함되면 각 변조라 부르고 이 경우t+ (t) s(t)=A120579 C 정=

수이다 이를 다시 분류하면 다음과 같다

정보내용이 에 포함되면 위상변조라 하고(a) (t)120579

정보내용이(b) 에 포함되며 주파수 변조라 부른다

순시위상 와 순시 각주파수 흔히 순시 주파수라고도 함 는 다음과 같이(t) ( ) (t)120775 120775

정의된다

여기서 fC는 반송파주파수이다

진폭변조 변조1 (AM Amplitude Modulation)

지금 정보신호 또는 변조신호 를 라 하고 반송파를( ) s(t) ACcos2 fπ C 라 하면 피변조t

파(modulated signal wave) g DSB 는 다음과 같다(t)

설명의 편의상 s(t)=Amcos2 fπ m 이라 놓으면 윗식은t

- 12 -

가 된다 여기서 A0 =Ac Am이다

이와 같은 형식의 전송방식을 반송파억압진폭변조(DSB-SC double sideband-

또는suppressed carrier amplitude modulation) AM-SC(amplitude modulation-

라 한다 위의 식에는 반송파suppressed carrier) cos2 fπ C 가 포함되어 있지 않으므t

로 반송파억압이란 말을 붙인 것이다 식 을 변환하여 주파수 영역으로 (23) Fourier

나타내면 다음과 같다

위의 식의 관계를 그림으로 도시하면 그림 과 같다 lt 21gt

Fig 21 DSB-SC transmission system

- 13 -

식 에 반송파를 추가한 방식으로 단순히 진폭변조 또는 라 한다 진(23) (AM DSB)

폭변조 방식은 검파방식이 간단한 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있다

반송파를 갖는 진폭변조파를 흔히 파 또는 신호라 한다 엄격하게 말하면AM AM

이다 의 유일한 성질은 변조된 방송파DSB-LC(double sideband-large carrier) AM

의 포락선 이 메시지파형과 동일한 파형을 갖는 것이다(envelope)

파에 관한 일반식은 다음과 같다AM

여기서는 Ac는 진폭이 쪽으로 가지 않도록 하기 위한 바이어스 전압이다(-) (bias)

지금 편의상 1207530= 0 s(t) = Amcos2 fπ m 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이 된다t

여기에서 ma=Am 을 의 변조지수 라 부르며 는 메시지Ac AM (modulation index) s(t)

신호로서 가 되도록 한다 이러한 조건으로부터 와 구별하기 위|s(t)| Ac DSB-SCle

하여 파를 라 표기한다 즉AM DSB-LC ma는 보다 적어야한다1 ma 일 때= 1

변조라 하며100 ma 일 때는 변조가 된다=05 50

일반적으로 ma 이지만1 mle a 인 경우를 과변조 라 한다gt 1 (over modulation) ma의

값에 따른 변조된 파형 즉 malt1 ma 과=1 ma 인 경우의 변조파는 그림 에gt1 lt 22gt

서 보는 바와 같다 이 포락선은 ma 인 경우에만 정보신호 와 거의 동일하다1 s(t) le

따라서 수신측에서 신호 를 재생하는 경우 포락선만을 검파하면 된다s(t)

신호는 즉 신호보다 변조 또는 복조가 훨씬 용이하므로 상용방AM AM-SC DSB-SC

송에서는 방식이 사용된다AM

식 을 다시 고쳐 쓰면 다음과 같다(27)

위의 식을 살펴보면 를 나타내는 식 에 반송파 항이 더 부가되었음을 DSB-SC (24)

알 수 있다

- 14 -

식 을 주파수영역에 나타내면 그림 에 보인 바와 같은 단일 정현파 주파(27) lt 23gt

수 스펙트럼을 얻는다 식 의 우변 제 항은 반송파이고 제 항은 상측대파 (28) 1 2

이고 제 항은 반송파보다 낮은 주파수로 변환됨을(USB upper sideband wave) 3

나타내므로 하측대파 라 한다(LSBlower sideband wave)

Fig 22 Effect about a variation of modulation-index ma

Fig 23 Frequency spectrum of an amplitude modulation

- 15 -

Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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Line Communications IEEE Trans on Power Apparatus and Systems vol

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[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

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Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

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Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

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Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

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Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

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Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 11 -

변조를 사용하여 아날로그 신호는 물론 디지털 베이스밴드 신호도 전송한다 베이

스 밴드 신호 펄스변조신호 펄스변조방식은 실은 베이스( -PAM PWM PPM DM)

밴드 부호화방식 이다 이 신호들의 주파수 스펙트럼을(baseband coding scheme)

옮기기 위해서는 반송파 주파수로 다시 변조하여야 한다

변조된 파 또는 피변조파 의 일반적인 식은 다음과 같다g(t)

여기서 진폭 와 각a(t) (t)=2 fπ120775 C 는 시간의 함수이다t+ (t) 120579

정보내용이 에 실리면 진폭변조라 부르고 이 경우(1) a(t) (t)=120579 1205790 정수이다=

정보내용이(2) (t)=2 fπ120775 C 에 포함되면 각 변조라 부르고 이 경우t+ (t) s(t)=A120579 C 정=

수이다 이를 다시 분류하면 다음과 같다

정보내용이 에 포함되면 위상변조라 하고(a) (t)120579

정보내용이(b) 에 포함되며 주파수 변조라 부른다

순시위상 와 순시 각주파수 흔히 순시 주파수라고도 함 는 다음과 같이(t) ( ) (t)120775 120775

정의된다

여기서 fC는 반송파주파수이다

진폭변조 변조1 (AM Amplitude Modulation)

지금 정보신호 또는 변조신호 를 라 하고 반송파를( ) s(t) ACcos2 fπ C 라 하면 피변조t

파(modulated signal wave) g DSB 는 다음과 같다(t)

설명의 편의상 s(t)=Amcos2 fπ m 이라 놓으면 윗식은t

- 12 -

가 된다 여기서 A0 =Ac Am이다

이와 같은 형식의 전송방식을 반송파억압진폭변조(DSB-SC double sideband-

또는suppressed carrier amplitude modulation) AM-SC(amplitude modulation-

라 한다 위의 식에는 반송파suppressed carrier) cos2 fπ C 가 포함되어 있지 않으므t

로 반송파억압이란 말을 붙인 것이다 식 을 변환하여 주파수 영역으로 (23) Fourier

나타내면 다음과 같다

위의 식의 관계를 그림으로 도시하면 그림 과 같다 lt 21gt

Fig 21 DSB-SC transmission system

- 13 -

식 에 반송파를 추가한 방식으로 단순히 진폭변조 또는 라 한다 진(23) (AM DSB)

폭변조 방식은 검파방식이 간단한 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있다

반송파를 갖는 진폭변조파를 흔히 파 또는 신호라 한다 엄격하게 말하면AM AM

이다 의 유일한 성질은 변조된 방송파DSB-LC(double sideband-large carrier) AM

의 포락선 이 메시지파형과 동일한 파형을 갖는 것이다(envelope)

파에 관한 일반식은 다음과 같다AM

여기서는 Ac는 진폭이 쪽으로 가지 않도록 하기 위한 바이어스 전압이다(-) (bias)

지금 편의상 1207530= 0 s(t) = Amcos2 fπ m 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이 된다t

여기에서 ma=Am 을 의 변조지수 라 부르며 는 메시지Ac AM (modulation index) s(t)

신호로서 가 되도록 한다 이러한 조건으로부터 와 구별하기 위|s(t)| Ac DSB-SCle

하여 파를 라 표기한다 즉AM DSB-LC ma는 보다 적어야한다1 ma 일 때= 1

변조라 하며100 ma 일 때는 변조가 된다=05 50

일반적으로 ma 이지만1 mle a 인 경우를 과변조 라 한다gt 1 (over modulation) ma의

값에 따른 변조된 파형 즉 malt1 ma 과=1 ma 인 경우의 변조파는 그림 에gt1 lt 22gt

서 보는 바와 같다 이 포락선은 ma 인 경우에만 정보신호 와 거의 동일하다1 s(t) le

따라서 수신측에서 신호 를 재생하는 경우 포락선만을 검파하면 된다s(t)

신호는 즉 신호보다 변조 또는 복조가 훨씬 용이하므로 상용방AM AM-SC DSB-SC

송에서는 방식이 사용된다AM

식 을 다시 고쳐 쓰면 다음과 같다(27)

위의 식을 살펴보면 를 나타내는 식 에 반송파 항이 더 부가되었음을 DSB-SC (24)

알 수 있다

- 14 -

식 을 주파수영역에 나타내면 그림 에 보인 바와 같은 단일 정현파 주파(27) lt 23gt

수 스펙트럼을 얻는다 식 의 우변 제 항은 반송파이고 제 항은 상측대파 (28) 1 2

이고 제 항은 반송파보다 낮은 주파수로 변환됨을(USB upper sideband wave) 3

나타내므로 하측대파 라 한다(LSBlower sideband wave)

Fig 22 Effect about a variation of modulation-index ma

Fig 23 Frequency spectrum of an amplitude modulation

- 15 -

Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 12 -

가 된다 여기서 A0 =Ac Am이다

이와 같은 형식의 전송방식을 반송파억압진폭변조(DSB-SC double sideband-

또는suppressed carrier amplitude modulation) AM-SC(amplitude modulation-

라 한다 위의 식에는 반송파suppressed carrier) cos2 fπ C 가 포함되어 있지 않으므t

로 반송파억압이란 말을 붙인 것이다 식 을 변환하여 주파수 영역으로 (23) Fourier

나타내면 다음과 같다

위의 식의 관계를 그림으로 도시하면 그림 과 같다 lt 21gt

Fig 21 DSB-SC transmission system

- 13 -

식 에 반송파를 추가한 방식으로 단순히 진폭변조 또는 라 한다 진(23) (AM DSB)

폭변조 방식은 검파방식이 간단한 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있다

반송파를 갖는 진폭변조파를 흔히 파 또는 신호라 한다 엄격하게 말하면AM AM

이다 의 유일한 성질은 변조된 방송파DSB-LC(double sideband-large carrier) AM

의 포락선 이 메시지파형과 동일한 파형을 갖는 것이다(envelope)

파에 관한 일반식은 다음과 같다AM

여기서는 Ac는 진폭이 쪽으로 가지 않도록 하기 위한 바이어스 전압이다(-) (bias)

지금 편의상 1207530= 0 s(t) = Amcos2 fπ m 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이 된다t

여기에서 ma=Am 을 의 변조지수 라 부르며 는 메시지Ac AM (modulation index) s(t)

신호로서 가 되도록 한다 이러한 조건으로부터 와 구별하기 위|s(t)| Ac DSB-SCle

하여 파를 라 표기한다 즉AM DSB-LC ma는 보다 적어야한다1 ma 일 때= 1

변조라 하며100 ma 일 때는 변조가 된다=05 50

일반적으로 ma 이지만1 mle a 인 경우를 과변조 라 한다gt 1 (over modulation) ma의

값에 따른 변조된 파형 즉 malt1 ma 과=1 ma 인 경우의 변조파는 그림 에gt1 lt 22gt

서 보는 바와 같다 이 포락선은 ma 인 경우에만 정보신호 와 거의 동일하다1 s(t) le

따라서 수신측에서 신호 를 재생하는 경우 포락선만을 검파하면 된다s(t)

신호는 즉 신호보다 변조 또는 복조가 훨씬 용이하므로 상용방AM AM-SC DSB-SC

송에서는 방식이 사용된다AM

식 을 다시 고쳐 쓰면 다음과 같다(27)

위의 식을 살펴보면 를 나타내는 식 에 반송파 항이 더 부가되었음을 DSB-SC (24)

알 수 있다

- 14 -

식 을 주파수영역에 나타내면 그림 에 보인 바와 같은 단일 정현파 주파(27) lt 23gt

수 스펙트럼을 얻는다 식 의 우변 제 항은 반송파이고 제 항은 상측대파 (28) 1 2

이고 제 항은 반송파보다 낮은 주파수로 변환됨을(USB upper sideband wave) 3

나타내므로 하측대파 라 한다(LSBlower sideband wave)

Fig 22 Effect about a variation of modulation-index ma

Fig 23 Frequency spectrum of an amplitude modulation

- 15 -

Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

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[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 13 -

식 에 반송파를 추가한 방식으로 단순히 진폭변조 또는 라 한다 진(23) (AM DSB)

폭변조 방식은 검파방식이 간단한 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있다

반송파를 갖는 진폭변조파를 흔히 파 또는 신호라 한다 엄격하게 말하면AM AM

이다 의 유일한 성질은 변조된 방송파DSB-LC(double sideband-large carrier) AM

의 포락선 이 메시지파형과 동일한 파형을 갖는 것이다(envelope)

파에 관한 일반식은 다음과 같다AM

여기서는 Ac는 진폭이 쪽으로 가지 않도록 하기 위한 바이어스 전압이다(-) (bias)

지금 편의상 1207530= 0 s(t) = Amcos2 fπ m 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이 된다t

여기에서 ma=Am 을 의 변조지수 라 부르며 는 메시지Ac AM (modulation index) s(t)

신호로서 가 되도록 한다 이러한 조건으로부터 와 구별하기 위|s(t)| Ac DSB-SCle

하여 파를 라 표기한다 즉AM DSB-LC ma는 보다 적어야한다1 ma 일 때= 1

변조라 하며100 ma 일 때는 변조가 된다=05 50

일반적으로 ma 이지만1 mle a 인 경우를 과변조 라 한다gt 1 (over modulation) ma의

값에 따른 변조된 파형 즉 malt1 ma 과=1 ma 인 경우의 변조파는 그림 에gt1 lt 22gt

서 보는 바와 같다 이 포락선은 ma 인 경우에만 정보신호 와 거의 동일하다1 s(t) le

따라서 수신측에서 신호 를 재생하는 경우 포락선만을 검파하면 된다s(t)

신호는 즉 신호보다 변조 또는 복조가 훨씬 용이하므로 상용방AM AM-SC DSB-SC

송에서는 방식이 사용된다AM

식 을 다시 고쳐 쓰면 다음과 같다(27)

위의 식을 살펴보면 를 나타내는 식 에 반송파 항이 더 부가되었음을 DSB-SC (24)

알 수 있다

- 14 -

식 을 주파수영역에 나타내면 그림 에 보인 바와 같은 단일 정현파 주파(27) lt 23gt

수 스펙트럼을 얻는다 식 의 우변 제 항은 반송파이고 제 항은 상측대파 (28) 1 2

이고 제 항은 반송파보다 낮은 주파수로 변환됨을(USB upper sideband wave) 3

나타내므로 하측대파 라 한다(LSBlower sideband wave)

Fig 22 Effect about a variation of modulation-index ma

Fig 23 Frequency spectrum of an amplitude modulation

- 15 -

Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

[1] Albert A Smith Jr Power Line Noise SurveyIEEE Trans on

Electromagetic Compatibility Feb 1972

[2] R M Vines Noise on Residential Power Distribution Circuirs IEEE

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[3] H J Trussell J D Wang Cancellation of Harmonic noise in Distribution

Line Communications IEEE Trans on Power Apparatus and Systems vol

PAS-104 No 12 dec (1985)

[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

Communication Signals on Residential and commercial Intrabuilding

Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

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Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 14 -

식 을 주파수영역에 나타내면 그림 에 보인 바와 같은 단일 정현파 주파(27) lt 23gt

수 스펙트럼을 얻는다 식 의 우변 제 항은 반송파이고 제 항은 상측대파 (28) 1 2

이고 제 항은 반송파보다 낮은 주파수로 변환됨을(USB upper sideband wave) 3

나타내므로 하측대파 라 한다(LSBlower sideband wave)

Fig 22 Effect about a variation of modulation-index ma

Fig 23 Frequency spectrum of an amplitude modulation

- 15 -

Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

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부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 15 -

Fig 24 Frequency spectrum of generalized amplitude modulation

(A) massage spectrum (B) AM spectrum

그림 을 더 일반화시키면 그림 와 같으며 이를 변환하여 주파수lt 23gt lt 24gt Fourier

영역에 나타내면 다음과 같다

즉 위의 식은 식 의 단일 정현파의 변조신호를 일반적인 신호 로 대치한 (27) s(t)

경우에 해당 한다

실제적으로 거의 모든 실용적 응용면에서는 fc f≫ m이므로 스펙트럼의 상호간섭은

없으며 대역필터를 사용하면 반송파와 두 개의 측대파 즉 상측대파와 하측대파로

이루어진 변조파만을 전송하고 기타 주파수 성분은 제거된다

변조기2 AM

가 쵸퍼 변조기 또는 정류형 변조기 ( )

이를 게이트 또는 스위칭 변조기라 부르기도 한다 이 형태의 가(gate) (switching)

장 유용한 변조기의 하나는 링 변조기이다(ring)

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

[1] Albert A Smith Jr Power Line Noise SurveyIEEE Trans on

Electromagetic Compatibility Feb 1972

[2] R M Vines Noise on Residential Power Distribution Circuirs IEEE

Trans on Electromagnetic Compatibility vol EMC-26 No 4 Nov (1984)

[3] H J Trussell J D Wang Cancellation of Harmonic noise in Distribution

Line Communications IEEE Trans on Power Apparatus and Systems vol

PAS-104 No 12 dec (1985)

[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

Communication Signals on Residential and commercial Intrabuilding

Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

Use of Power Line Carrier Pennsylvania Electric Association Spring Meeting

Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 16 -

Fig 25 Chopper-modulator

Fig 26 Explanation-diagram of chopper-modulator

이의 예를 그림 에 보인 바와 같다 그림 에서lt 25gt lt 25gt cos2 fπ c 이면 점tgt0 A

가 점 보다 전위가 높기 때문에 개의 다이오드가 폐회로가 되지만B 4 cos2 fπ c 이tlt0

면 점 가 점 보다 전위가 낮기 때문에 개의 다이오드 열린 상태가 되므로 스 B A 4

위치작용을 한다 이와 같은 스위치 작용을 쵸퍼 라 한다 이는 쵸퍼의 주 (Chopper)

파수 fC와 동일한 주파수를 갖는 그림 에 보인 구형파 와 입력 신호를 곱lt 26gt p(t)

한 것과 동일한 결과를 얻는다 그림 은 그림 의 동작원리를 설명한 그림 lt 26gt 55

이다 즉 입력 신호 에 표본함수 를 곱하면 다음과 같은 결과를 얻는다 s(t) p(t)

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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Electromagetic Compatibility Feb 1972

[2] R M Vines Noise on Residential Power Distribution Circuirs IEEE

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[3] H J Trussell J D Wang Cancellation of Harmonic noise in Distribution

Line Communications IEEE Trans on Power Apparatus and Systems vol

PAS-104 No 12 dec (1985)

[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

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Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

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Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

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부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

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Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

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Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 17 -

여기서 는 급수로 전개된 식이다 위의 식을 정리하면 각 항은 다음과p(t) Fourier

같은 형태를 갖는다

이는 반송주파수가 nfC 여기서 인 파이다 그림 에서 주파( n=123 ) DSB-SC lt 26gthellip

수 스펙트럼이 겹치지 않도록 하기 위해서는 fCgt2fm 표본화정리 이어야 함을 알 있( )

다 위와 같은 의 결과는 그림 에서처럼 스위치를 주기적으로 개폐함 s(t)p(t) lt 27gt

으로써 얻을 수 있다

Fig 27 Gate circuit

나 비선형소자를 이용한 평형변조기

적절하게 바이어스시킨 반도체 다이오드와 같은 비선형소자를 사용하면 다음과 같

은 입력과 출력간의 특성을 얻는다

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

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뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

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참고 문헌

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Electromagetic Compatibility Feb 1972

[2] R M Vines Noise on Residential Power Distribution Circuirs IEEE

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Line Communications IEEE Trans on Power Apparatus and Systems vol

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[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

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Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

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Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

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[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

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[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

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Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

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이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

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부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 18 -

지금 그림 에서처럼 비선형소자에 역의 극성을 갖는 신호 와 반송파의 합 28 plusmns(t)

을 가하면 두 소자에 의한 출력은 각각 다음과 같다

여기서 =plusmns(t) + Aχ Ccos2 fπ C 이다 그러므로 양자의 차 즉 출력은 다음과 같이 된t

다 회로 해석의 편의상 변압기 의 결합상수를 고려하지 않는 점에 유 (transformer)

의하여야 한다

위의 식에서 2c1 의 항은 중심주파수가s(t) fc인 대역 필터를 사용하면 제거된다 즉

그림 의 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 출력측에 반송파전압이lt 28gt 0

인 반송파 억압 진폭변조파를 얻는다

이상에서 설명한 두 변조기는 반송파에 대하여 평형이 되므로 평형변조기(balanced

라 부른다modulator)

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

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[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 19 -

즉 그림 에 보인 바와 같이 수신기에 들어온 입력신호 lt 210gt gDSB 에 변조신호와(t)

동일한 주기함수 를 곱하면 다음과 같이 된다p(t)

Fig 210 Rectifier using chopper-modulator

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

[1] Albert A Smith Jr Power Line Noise SurveyIEEE Trans on

Electromagetic Compatibility Feb 1972

[2] R M Vines Noise on Residential Power Distribution Circuirs IEEE

Trans on Electromagnetic Compatibility vol EMC-26 No 4 Nov (1984)

[3] H J Trussell J D Wang Cancellation of Harmonic noise in Distribution

Line Communications IEEE Trans on Power Apparatus and Systems vol

PAS-104 No 12 dec (1985)

[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

Communication Signals on Residential and commercial Intrabuilding

Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

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Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 20 -

제 장 제작 및 실험3

제 절 시스템의 구성1

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는lt 31gt

상용전원인 교류 를 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭하는220V

전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조된 음 AM

성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성하였으며 수신기는 음성신호가 실려

있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이나 스피커

로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디 AM FM

오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등

을 송신하도록 하였으며 수신기는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세기가 달라 cds

지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였으며 그림 는 실제 제 lt 32gt

작한 본 시스템의 사진이다

Fig 31 Block diagram of system

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

[1] Albert A Smith Jr Power Line Noise SurveyIEEE Trans on

Electromagetic Compatibility Feb 1972

[2] R M Vines Noise on Residential Power Distribution Circuirs IEEE

Trans on Electromagnetic Compatibility vol EMC-26 No 4 Nov (1984)

[3] H J Trussell J D Wang Cancellation of Harmonic noise in Distribution

Line Communications IEEE Trans on Power Apparatus and Systems vol

PAS-104 No 12 dec (1985)

[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

Communication Signals on Residential and commercial Intrabuilding

Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

Use of Power Line Carrier Pennsylvania Electric Association Spring Meeting

Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 21 -

(A) Transmitter amp receiver

(B) Receiver

Fig 32 The photograph of transmitter amp receiver

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

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부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 22 -

제 절 송신기2

정류 및 평활회로1

교류를 직류로 바꾸어주는 정류회로는 반파정류와 전파정류회로가 있으며 효율은

전파정류회로가 더 높은 장점을 지니고 있다 이러한 정류회로로 정류된 교류는 맥

류형태로 되기 때문에 직류전원으로 바로 사용할 수 없으므로 평활을 시켜주어야

하며 평활회로에 사용되는 것으로는 인턱터와 캐패시터가 있으나 주로 캐패시터를

사용을 하고 있다

그림 은 조명등을 직류로 구동시키기 위한 정류 및 평활회로로 상용전원인lt 33gt

교류 를 브릿지다이오드로 전파정류를 하고 캐패시터를 이용하여 평활시킨 다220V

음 형광등을 동작시켰다

Fig 33 Rectifier

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 23 -

전력증폭기 및 진폭변조기2

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는 신호는 매우 미약하므로 직접 전력

선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 입력된 신호를 크게 하는 전력증폭기를

제작하여 그림 와 같이 전력선에 변조시켰으며 의 전기적 특성은lt 34gt TDA2003

표 과 같다lt 31gt

이때 전력증폭기는 을 이용하여 단전원용 급으로 설계 제작하였TDA2003 OTL 10W

으며 전력증폭기는 출력단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 OTL

그 캐패시터의 출력에 변조용 트랜스포머를 연결하였다

변조용 트랜스포머는 일반적인 급 규소강판형으로 사용하였으며 차100W 96-40 1

는 인 에나멜선을 회 차는 직경 에나멜선을 회를 감아 전압을 배07 N 2 12 M 4 120717

정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는 신호의 첨두치가 라면 변조 10V

를 위한 전압은 가 되나 이는 변조 전압이 커서 조명등의 밝기에 크게 영향을40V

주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여 사람의 눈에 영향을 미치지 않

도록 조절하도록 하였다

또한 정류회로와 진폭변조기 조명등을 직렬로 연결하여 음성신호가 조명등의 빛에

직접 실리게 하였으며 실제 제작하여 실험한 송신기의 내부를 그림 에 보였 lt 35gt

다

Fig 34 Power amplifier using TDA2003 with an amplitude modulator

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

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- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

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- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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指導敎授 琴 彩

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忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 24 -

Fig 35 The inside of transmitter

Table 31 Electrical characteristics of TDA2003

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

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충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

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송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

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그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

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빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

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한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

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서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

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Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 25 -

제 절 수신기3

광검출 및 증폭회로1

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트

랜지스터는 빛의 세기에 따른 출력 전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응

답성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지

스터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할

수 있으나 이것은 에 관한 것이므로 아주 미세한 음성신호와 같은 교류는 증폭DC

기를 별도로 구성하여야 한다

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 그림 과 같이lt 36gt

를 이용하여 증폭기를 구성을 하였으며 광검출 소자로는 표 와 같은LM2904 lt 32gt

전기적특성을 갖는 광전자의 포토트랜지스터를 사용하였다 이때 한 것은ST3811

빛의 방향성을 없애주기 위해 포토트랜지스터를 개 사용하였다 또한 노이즈를 제3

거하기 위해 에서 적분회로를 단으로 구성하였다LM2904 2

Fig 36 Photo-detector and gain circuit

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

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Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

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Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

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[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

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[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

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Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 26 -

Table 32 Electrical characteristics of ST3811

Absolute maximumratings

Characteristic Symbol Ratings Unit

Collectro-Emitter Voltage VCEO 35 V

Emitter-Collector Voltage VECO 6 V

Collector Currently IC 20 mA

Collector Power Dissipation PD 75 mW

Operating Temperature Topr -25 ~ 85

Storage Temperature Tstg -30 ~ 100

Soldering Temperature Tsol 260degC for 5 seconds

Electrical CHaracteristics

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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Line Communications IEEE Trans on Power Apparatus and Systems vol

PAS-104 No 12 dec (1985)

[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

Communication Signals on Residential and commercial Intrabuilding

Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

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Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

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Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

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[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

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전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 27 -

전력증폭기2

형광등에 실린 전기적 음성신호를 소리로 듣기 위해서는 이어폰이나 스피커를 울려

줄 수 있는 전력증폭기가 필요하다 또한 소리의 크기를 조절하여 적당한 음량으로

들을 수 있게 하는 가변저항 볼륨 이 당연 필요하다( )

따라서 수신기는 그림 과 같이 제작하고 리튬이온 차전지를 사용하였lt 37gt 36V 2

으며 전력 증폭기로는 디지털볼륨을 내장하고 있으며 로 패키지화되어 있는 IC

표 와 같은 전기적 특성을 지닌 사의 을 사용하였으며 그림lt 32gt NEC LM4811 lt

은 실험용으로 제작한 수신기의 기판을 나타내었다38gt

Fig 37 Power amplifier using LM4811 with digital volum

Fig 38 PCB of receiver

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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Communication Signals on Residential and commercial Intrabuilding

Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

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Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

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[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 28 -

Table 33 Electrical characteristics of LM4811

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 29 -

제 장 결과 및 검토4

제 절 송신기1

무부하 시 주파수 특성1

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 은 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트럼을lt 41gt

측정한 것이다 그림 에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 깨끗하 lt 41gt

게 측정되었으며 스펙트럼을 본 결과 차 체배주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 2

수 있었다

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 인덕턴스15 10

값에 의한 약한 공진현상으로 사료된다

(A) 1

(B) 5

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

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송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

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그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

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빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

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한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

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서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

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그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

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기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

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송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

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수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

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성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

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변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

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무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

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수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

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결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 30 -

(C) 10

(D) 15

(E) 20

Fig 41 Wave form amp spectrum of transmitter at the unload

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

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제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

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(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

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송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

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이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

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부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

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한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

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- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

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- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 31 -

부하 형광등 에 따른 주파수 특성2 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 와 그림 은 부하에 의한 송신기 출력의 결과로 그림 는 신lt 42gt lt 43gt lt 42gt

호를 입력하지 않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼43

수 있었다 이는 전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

Fig 42 Wave form of transmitter at the load by non-signal

그림 은 무부하 시와 마찬가지로 를 각각 입력하lt 43gt 1 5 10 15 20

고 그때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이(A) 1

입력신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입

력주파수가 높아짐에 따라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다20 40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스와 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 32 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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[2] R M Vines Noise on Residential Power Distribution Circuirs IEEE

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PAS-104 No 12 dec (1985)

[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

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Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

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Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

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Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

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Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

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태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 33 -

(D) 15

(E) 20

Fig 43 Wave form amp spectrum of transmitter at the load

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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Electromagetic Compatibility Feb 1972

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Trans on Electromagnetic Compatibility vol EMC-26 No 4 Nov (1984)

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PAS-104 No 12 dec (1985)

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Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

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Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

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[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

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[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 34 -

제 절 수신기2

상용교류전원과 직류전원 구동시의 주파수 특성1

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검lt 44gt 120

출되는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주240 40

파수와 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다1

그림 의 는 형광등에서 나오는 빛의 파형을 측정한 것으로 방전관의 특성lt 44gt (A)

으로 보이는 에 전자식 안정기에서 발생하는 스위칭 주파수가 복잡하게 실려240

있는 것을 볼 수 있으며 는 좀더 확대하여 그 스펙트럼을 측정한 것으로 특히 (B)

이내에 스펙트럼이 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의500 60

와 형광등의 동작주파수인 그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그120 240

체배 주파수의 스펙트럼들이 관측되어진 것으로 생각되어진다

그림 는 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭lt 45gt

주파수의 파형이 제거되어 스펙트럼이 나타나지 않고 다만 형광등의 방전특성에 의

한 스펙트럼만 관측되었다

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다lt 46gt

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

[1] Albert A Smith Jr Power Line Noise SurveyIEEE Trans on

Electromagetic Compatibility Feb 1972

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Trans on Electromagnetic Compatibility vol EMC-26 No 4 Nov (1984)

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PAS-104 No 12 dec (1985)

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Vol EMC-28 No4 November 1986

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Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

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Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

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Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 35 -

(A) Switching frequency (B) Enlargement of the near 120

Fig 44 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp from AC-line

Fig 45 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp through a filter circuit

(A) Non-filtering (B) Filtering

Fig 46 Wave form amp spectrum of fluorescent lamp by DC at non-signal

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

[1] Albert A Smith Jr Power Line Noise SurveyIEEE Trans on

Electromagetic Compatibility Feb 1972

[2] R M Vines Noise on Residential Power Distribution Circuirs IEEE

Trans on Electromagnetic Compatibility vol EMC-26 No 4 Nov (1984)

[3] H J Trussell J D Wang Cancellation of Harmonic noise in Distribution

Line Communications IEEE Trans on Power Apparatus and Systems vol

PAS-104 No 12 dec (1985)

[4] Mogan HL Chan and Robert W donalson Attenuation of

Communication Signals on Residential and commercial Intrabuilding

Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

[5] Morgan HL Chan and Robert W Donalson Amplitude Width and

Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

[6] K R George Load Management and Feeder Automation through the

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Meter Committee May 15 (1981)

[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

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- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 36 -

송신기를 통한 수신기의 특성2

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 확인하여 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에lt 47gt lt 48gt 1 5

정현파를 인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼lt 47gt 60

수 있는데 이는 수신기의 감도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며

그림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래lt 48gt 60

신호의 스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

Fig 47 Characteristics of transmitter at the dark room condition

(A) 1 (8) 5

Fig 48 Wave form amp spectrum of receiver by transmitter

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

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Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

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[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

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Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

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이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

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이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

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송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

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그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

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빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

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한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

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- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 37 -

제 장 결 론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

송신기를 통한 형광등도 직류동작이 가능하였으며 무부하 시 입력신호 외의 스펙

트럼은 나타나지 않았다 그러나 부하상태에서는 형광등의 방전특성에 의한 120

와 전자식안정기의 스위칭주파수인 의 스펙트럼이 발생하였다43

또한 이것에 의한 영향으로 입력신호의 파형이 많이 일그러지고 잡음에 해당하는

많은 주파수스펙트럼이 나타났으며 특히 와 의 입력신호를 인가했을 경우 15 20

에는 스위칭주파수인 의 상호작용으로 각각 와 의 스펙트럼을 보였43 10 40

다

수신기를 이용하여 상용전원에서 동작하는 형광등의 스펙트럼을 살펴본 결과 많은

잡음이 있었으며 직류구동 시에는 잡음이 대폭 감소되었다 송신기를 통해 직류로

구동된 형광등의 빛을 수신기로 검출하고 필터를 통과한 결과 신호는 깨끗해졌다

또한 안실조건에서 고감도에 의한 잡음과 송신기에 의한 수신 시 의 외부잡음60

이 나타났으나 증폭되지 않은 상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의

들리지 않았다

이러한 결론으로 시제품을 제작하여 본사 사무실에 시범설치 운용해 본 결과 맑고

깨끗한 음질의 음악을 청취할 수 있었으며 무선마이크를 통한 음성전달 또한 명확

하게 전달할 수 있었다

따라서 본 개발제품으로 어학실습의 하나인 듣기 학습과 외부소음에 영향을 받지

않는 가의와 수업에 매우 적합하며 나아가 수학능력평가에서의 듣기평가에 그 적용

성이 매우 높을 것이라고 사료된다

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

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Vol EMC-28 No4 November 1986

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Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

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[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 38 -

뿐만 아니라 본 보고서에는 기재하지는 않았지만 캐리어 전송방식의 전력선통신 또

한 많은 진척을 보였다 이 캐리어방식에서의 음성전달 또한 잘 이루어졌으나 노이

즈가 심한 전력선으로 특히 컴퓨터가 연결되어 있는 전력선의 근처 라인에서는 컴

퓨터 스위칭전원에서 스위칭할 때 나오는 잡음이 너무 강해 음질이 많이 일그러짐

을 알 수 있었다

이러한 컴퓨터 전원의 문제점은 그 등과 같은 규제가 강화될 필요성을 느끼며EMI

한편으로는 이러한 노이즈에 대한 대책으로 필터링 등과 같은 기술에 대한 연구와

개발에 대한 노력이 요구된다

향후 본 개발기술을 한층 발전시켜 캐리어방식에 의한 전력선통신을 완전하게 성공

시킨다면 방송시스템에서의 전용선로를 전력선으로 대치하고 나아가 다중채널방식

을 채택하여 인터폰이나 전화 등에 적용 가능하리라 사료된다

- 39 -

참고 문헌

[1] Albert A Smith Jr Power Line Noise SurveyIEEE Trans on

Electromagetic Compatibility Feb 1972

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Trans on Electromagnetic Compatibility vol EMC-26 No 4 Nov (1984)

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PAS-104 No 12 dec (1985)

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Power-Distribution Circuits IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol EMC-28 No4 November 1986

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Interarrival Distributions for Noise Impulses on Intrabuilding Power Line

Communitcation Networks IEEE Trans on Electro-magnetic Compatibility

Vol 31 No 4 August 1989

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[7] Roger M Vines H Joel Trussell Louis J Gale and J Ben Orsquoneal Jr

Noise on Residential Power Distribution circuits IEEE trans on

Electromagnetic Compatibility Vol EMC - 26 pp16-168 1984

[8] Robert C Dixon Spread Spectrum System Jojn Wiley amp Sons 1984

[9] Peter K Van Der Gracht and Robert W Donalson Communication Using

Pseudonoise Modula-tion on Electric Power Distribution Circuits IEEE Trans

on Communication Vol COM-33 pp964-975 September 1985

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

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전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 39 -

참고 문헌

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한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

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빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

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Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 40 -

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기[10] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달[11] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237 ~ 241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발[12] ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075 ~1079 2002

이명섭 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석[13] ldquo

충남대학교 대학원 박사학위 논문 2003

이승준 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한[14] ldquo AM

연구

대전대학교 대학원 석사학위 논문 2003

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

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한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 41 -

부 록

학술 발표 논문1

이명섭 외 태양전지를 이용한 송수신기- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회2000 pp417~420 2000

이명섭 외 전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회2002 pp237~241 2002

이명섭 외 전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발- ldquo

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회2002 pp1075~1079 2002

학위 논문 제출문2

박사학위 전력선을 이용한 아날로그 통신시스템의 개발 및 특성분석-

석사학위 전자식 형광등의 직류 구동시 변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연- AM

구

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 42 -

한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회 논문집2000

태양전지를 이용한 송 수신기ㆍ

Transciver system using of solar cell

송승만 lsquo류지원 연제문 구경완 이명섭

ldquoSMSon JWRyu JMYoun KWKoo MSLee

Abstract

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환 소자이다 본 논문

에서는 이 태양전지를 수신기의 전원 겸 안테나로써 사용하고자 한다 태양전지를

수신기의 안테나로 사용하기 위해서는 태양전지가 받아 들이는 빛에너지에 음성신

호를 인가해주어야 한다 실험에서는 일정하지 않은 음성신호대신 Function

를 이용하여 신호를 넣어주고 이 신호를 과 내의Generator LM741 KA2904

를 통하여 증폭시킨 후 발광 다이오드 에 인가시켜 주었다 의 광OP-amp (LED) LED

신호를 이 받아들여 직류전압은 전원으로 사용되고 교류신호는 음성신호Solar-Cell

로 사용된다 본 실험은 빛을 이용한 무선 송 수신기의 기초적인 단계에 불과하나 ㆍ

고도의 기술이 필요하지 않으므로 그 파생효과와 발전 방향은 무궁무진하다고 할

수 있다

중요용어 키워드 자리입니다 개 정도가 적당Key Wards( ) (5 )

영동대학교 정보 전자공학부

충남대학교

충청북도 영동군 영동읍 설계리 산 영동대학교( 12-1

Fax 043-740-1129

E-mail

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 43 -

서론1

태양에너지의 전자산업기기로의 응용은 일렉트로닉스의 진보와 실리콘 태양전지의

개발에 수반하여 급속히 늘어났다 이것은 실리콘 태양전지의 태양에너지를 전기적

에너지로 변환하는 변화 효율이 지금까지의 각 소자에 비해 현저하게 크기 때문이

다 이 태양전지는 크게 태양열전지와 태양광전지로 나눌 수 있다 태양열을 이용하

여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 만드는 장치는 태양열 분야(Solar thermal

이고 태양빛을 반도체의 성질을 이용하여 에너지로 변화시켜주는 장치가electricity)

태양광 분야 이다 본 연구에서는 광의 변화분을 전기적(photovoltaic solar cells)

신호로 변화하는 이른바 광전 변화 소자로써의 과 확산광에서도 발전하는solar-cell

성질 태양에너지는 맑은날 뿐만아니라 흐린날의 태양광에서도 형광등의 실내빛에서(

도 발전하고 그 변화 효율은 빛의 강함에 따라서는 일반적으로 거의 변하지 않는

성질 을 이용하여 수신기로서의 기능에 관하여 실험하고자 한다)

실내에서 사용하고 있는 형광등의 경우를 보면 이 형광등은 로 깜박이고 있120

지만 우리 눈으로 이것을 인식하기란 힘들다 이러한 빛에 미세한 음성신호를 실어

보낸다 이 음성신호가 실린 형광등의 빛을 로 받아들이고 집적된 직류성 solar-cell

분을 수신기의 전원으로 사용하고 교류성분 즉 음성신호가 실린 주파수 성분만을

선택하여 이어폰이나 스피커로 청취할 수 있다는 것이 본 논문의 취지이다 나아가

서 송신기측에 고출력 앰프를 장착하여 형광등이나 백열등의 빛에 녹음기 또는 음

성신호를 실어 전송하게 되면 적은 비용으로 수신기를 구현할 수 있게 됨으로써 어

학 실습실을 구성하는데 적용할 수 있을 것으로 본다

송신기의 제작2

시스템의 개요21

본 연구의 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 나누어지며 송신기에는1

마이크로폰 증폭기 그리고 빛을 방사하는 로 구성되어 있다 또한 수신기는 자 LED

체의 전원 공급과 송신기의 에 실려온 음성신호를 검출하는 태양전지 미세 교LED

류신호를 증폭하는 전치증폭기 스피커나 이어폰으로 음성을 들을 수 있게 하는 전

력증폭기로 구성되어 있다

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 44 -

송신기22

송신기는 그림 와 같이 구성하고 마이크는 시중에서 판매하는 콘덴서타입 핀마이크2

를 사용하였으며 증폭기는 일반적인 듀얼 연산증폭기인 를 사용하여 단증폭TL072 2

하여 음성신호를 크게한 다음 을 통해 를 구동시켰다 그림 는 송신기회로로TR LED 2

증폭기 각단을 반전 증폭하였으며 단에서는 옵셋을 조정하도록 회전 반고정저 2 10

항을 사용하였다 여기서 옵셋이란 가 구동되기 위한 최소전압 이상으로 만들 LED

어주고 그 위에 음성신호가 실릴 수 있게 해주는 역할을 해 주는 것으로 본 시스템

에서는 로 하고 증폭율은 각각 배씩 총 배를 하였다3V 10 100

그림 송신기외 회로도2

수신기23

수신기는 자체전원을 태양전지를 이용하여 공급받음과 동시에 송신기에서 빛으로

전달된 음성신호인 교류신호를 검출할 수 있게 하였다 태양전지로부터 검출된 음

성신호는 너무 미약하므로 전치증폭기로 신호를 크게 한 다음 노치필터로 보내 60

와 를 제거시킨 다음 전력증폭기로 전달되게 하였다 이때 전치증폭기와120

노치필터는 단전원 연산증폭인 를 이용하여 단 증폭을 하고 전단에서LM324 2 60

다음 단에서 를 제거시켰다 개의 주파수를 제거시키는 이유는 우리나라의120 2

상용전원의 주파수가 이므로 백열등의 경우에는 형광등의 경우에는60 60 120

의 주파수로 음성신호보다 아주 크게 빛을 발생하므로 음성신호를 제대로 들을

수가 없다 따라서 이 신호는 하나의 커다란 잡음이므로 회로를 구성하여 제거시켰

다 이렇게 증폭된 음성신호는 그 자체로 스피커나 이어폰을 구동하여 다시 소리로

변환시키기 어려우므로 전력증폭기인 을 이용하여 이어폰을 구동시켰으며LM386N

가변저항을 구성하여 이어폰에서 나오는 소리의 세기 음량을 조절하도록 하였다

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 45 -

그림 수신기 회로도

실험결과 및 검토3

송신기 실험31

본 실험에서 사용되는 송신기의 회로도는 그림 와 같다 우선 입력단을 보면 두 가2

지의 을 입력 할 수 있도록 되어있는데 이 두 가지 신호signal (Micro phone input

를 스위치를 사용하여 원하는 신호로 선택할 수 있게 되어있or signal(date) input)

다 선택된 이 인 와 을 거치면서 미약한 음성신호가 signal OP-amp KA2904 LM741

증폭된다 이 는 두개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 두 입력단 OP-amp

자전압간의 차이를 증폭하는 증폭기이기에 입력단은 차등으로 되어있다 op-amp

를 통해서 증폭된 신호는 다이오드 과 트랜지스터 를 통해서1N4148 PNP 2N2907A

발광다이오드 에 음성신호가 인가된다 송신기측에서 하고자 하는 실험의 주요(LED)

요점은 입력단측의 입력신호가 송신기의 램프 즉 발광다이오드 에 인가되는지 (LED)

알아보기 위한 실험이다

이 실험을 실행하기 위해 입력신호를 불안정한 음성 신호대신 Function Generator

를 사용하여 가청주파수 중 를 신호로 넣어(20 ~20000 ) 100 1 5 10

주고 를 사용하여 를 공급하여 주었다Power Supply plusmn8V

오실로스코프를 사용하여 측정한 결과는 다음과 같다

[ 100 ]

입력 파형 출력 파형

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 46 -

[ 1 ]

입력 파형 출력 파형

[ 5 ]

입력 파형 출력 파형

[ 10 ]

입력 파형 출력 파형

위에서 보는 그림과 같이 에서 입력한 신호들이 발광다이오드Function Generator

에 인가 됨을 확인 할 수 있다 위 사실로 형광등이나 백열등 기타 다른 조명(LED)

등에 음성신호나 다른 미세한 신호를 실어 보낸다 하더라도 전혀 조명등에는 지장

을 주지 않는다는 것을 알 수 있다

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 47 -

수신기의 실험32

본 실험의 수신기 회로도는 그림 과 같다3

수신기에서 가장 중요한 점은 을 사용하여 송신기측에서 보내는 광신호를solar-cell

받아들여 전기적인 신호로 변환한다는 것이다 이 에서 받아들인 성분중 solar-cell

직류성분은 회로의 전원으로 사용되고 교류성분은 인 와OP-amp 1M2904

을 거쳐 미약한 신호를 증폭하게 된다 이 증폭된 신호를 이어폰이나 스

피커를 사용하여 듣게 된다 수신기측에서 하고자 하는 실험의 주요요점은 송신기

에서 전파된 신호를 이 얼마만금이나 잘 받아들이는지 이 신호를 우리들solar cell

의 청각을 통해 들을 수 있는지 알아보기 위한 실험이다 이 실험을 하기 위해서

우선 주변의 광원을 전부 오직 송신기의 발광다이오드에서 나오는

광원만을 에 인가시켰다 그리고 오실로스solar cell 를 통하여 각 주파수 별

로 수신기의 출력단을 측정하여 보야 다 그 결과를 송신기의 출력단에서 나오는T

와 비교해 보면 다음과 같다

[ 100 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 1 ]

송신기 출력 수신기 출력

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 48 -

[ 5 ]

송신기 출력 수신기 출력

[ 10 ]

송신기 출력 수신기 출력

결론4

본 연구에서는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 전원 뿐만아니라

수신기의 안테나로서의 기능에 대하여 실험 해보았다

송신기 입력단에 가청주파수 의 주파수를 을 이용20~20000 Function generator

하여 입력하여 을 때 을 사용한 수신기측에 입력파형과 동일한 출력solar cell

파형이 검출됨을 확인 할 수 있었다 또한 입력단에 마이크를 사용하여 음성신호를

입력하였을 때에도 수신기에서 이어폰으로 선명한 소리를 들을 수 있었다 이는 빛

을 이용한 무선 송수신기의 기초적인 단계에 불과 하나 이를 이용하여 송신기측에

앰프를 부과하고 형광등에 음성신호를 실어 이를 태양전지를 사용하여 청취한다면

이는 저렴한 가격으로 실용적이면서도 유용한 어학용 실습기를 구현할 수 있게 된

다 뿐만아니라 본 연구를 이용한 발전방향과 파생효과는 다음과 같다고 할 수 있

겠다

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

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- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 49 -

빛을 이용한 무선 송수신시스템의 기술확대-

광통신의 기초지식 보급-

다른 전원장치가 필요하지 않으므로 에너지 절약-

이동이 쉽고 반영구적 사용-

참고 문헌

[1] Mazer JeffreyA Solar Cells Kluwer 199610

[2] Berlin HowardMFloydetc Experiment in Electronic Divices prentice

Hall 199901

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 50 -

한국전기전자재료학회 년도 춘계학술대회 논문집2002

전력선과 조명등을 이용한 음향신호 전달

Sound Transimitting System using Power Line and Lamp

주경돈강민우 구경완 이승권

이명섭

(Kyung-Don Joo Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Seung-Kwon

Lee Hyung-Sup Lee)

Abstract

전력선과 조명등을 이용한 음향전달 시스템을 구성하여 어학실습 교육용으로의 활

용 가능성을 평가하였다 음성신호를 변조하여 전력선에 실어 보내는 송신기와 조

명등의 빛으로부터 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드폰 등으로 들을 수 있는

수신기로 구성하였다 제작한 송신기와 수신기의 주파수 특성과 스펙트럼분석을 하

였다 스피커로 출력되는 음질상태는 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이

용한 어학 실습 교육용으로는 충분한 수준이었다

전력선 통신 조명등 음향신호전달 송신기 수신기 주파수 특성Key Words

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교 대전광역시 유성구 궁동 충남대학교( 12-1 220ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 51 -

서 론1

외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서 초등학

교에서 영어 교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학실습실을 갖추고 있는

학교는 드문 실정이다 실제로 영어교육은 하고 있으나 그 학습효율과 학습만족도

가 매우 떨어지고 있다 그 이유 중의 하나는 전문교사와 원어민 교사의 부족에 따

라 녹음기를 많이 사용하는데 있다고 할 수 있다 녹음기로 발음을 청취하기에는

방음장치 외부소음 거리의 한정 산만한 학습분위기 등에 많은 제약을 받고 있다

특히 녹음기와 멀리 떨어져 앉아있는 학생들은 또렷한 음질이 아닌 웅웅거리는 소

리만 들려 학습효과가 크게 떨어지는 실정이다 이러한 문제점을 안고 있는 어학실

습교육을 보다 합리적이면서 간편하고 학습효과를 극대화 할 수 있는 방안으로 전

력선을 이용하여 음성신호를 보내고 그 음성신호를 백열등 또는 형광등과 같은 조

명등의 빛으로 나오게 한 후 수신기로 그 음성신호를 검출하여 이어폰 또는 헤드

폰 등으로 들을 수 있게 구현하였다

현재 상용교류전원으로 동작하는 형광등을 직류로 구동시켰으며 이 때 두 경우에

있어서의 광특성을 비교하였으며 제작한 송신기 및 수신기의 주파수특성을 살펴보

았다 또한 송신기에서 보낸 음성신호를 수신기로 검출한 다음 수신파형과 그때의

스펙트럼을 측정하였으며 스피커로 출력되는 음질 상태를 청취해 본 결과 음질상

태가 최적상태는 아니지만 음성이나 노래 등을 이용한 어학 교육용으로는 전혀 문

제가 없었다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신부와 수신부로 이루어져 있다 송신부에는 상1

용전원인 교류 전압을 직류로 바꾸어주는 정류 및 평활회로 음성신호를 증폭220V

하는 전력증폭기 증폭된 음성신호를 정류된 직류전압에 실어주는 변조기 변조 AM

된 음성신호를 빛으로 변환해 주는 형광등으로 구성되어 있다 수신부는 음성신호

가 실려 있는 빛을 검출할 수 있는 포토센서 잡음을 제거하는 필터회로 이어폰이

나 스피커로 들을 수 있게 하는 전력증폭기로 구성되어 있다 또한 송신부에는 AM

및 라디오 튜너 그리고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이FM

나 어학 등을 송신하도록 하였으며 수신부는 를 이용하여 거리에 따라 빛의 세 cds

기가 달라지는 것에 따른 검출감도를 자동으로 조절되도록 하였다

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 52 -

그림 시스템 개요도1

송신기21

정류 및 평활회로211

상용전원인 교류 를 브릿지 다이오드로 전파 정류하고 캐패시터를 이용하여220V

평활시켜 형광등을 직류로 구동할 수 있게 하였다

전력증폭기 및 전력변조기212

마이크나 튜너 그리고 녹음기 픽업에서 나오는

신호는 매우 미약하므로 직접 전력선에 신호를 싣기에는 매우 어렵다 따라서 전치

증폭기를 제작하여 입력된 신호를 크게 한 다음 이를 전력증폭하여 전력선에 변조

시켰다 이때 전치증폭기는 개의 트랜지스터를 이용하여 전압을 증폭하였으며 전 2

력 증폭기는 단전원용 급으로 설계 제작하였다 전력증폭기는 출력OTL 30W OTL

단이 트랜스포머가 아닌 캐패시터로 구성된 것으로 그 캐패시터의 출력에 변조용

트랜스포머를 연결하였다 변조용 트랜스포머는 일반적인 급 100W 96 10

형으로 사용하였으며 차는 직경 인 에멜선을 회 차는 직경 에나 1 07mm N 2 12mm

멜선을 회를 감아 전압을 배정도 올렸다 다시 말해서 전력증폭기에서 출력되는M 4

신호의 검출치가 라면 변조를 입인 전압은 가 되나 이는 변조 전압이10V 40V

조명등의 밝기에 크게 영향을 주므로 전력증폭기의 입력단에 가변저항을 이용하여

을 미치지 않도록 준설하도록 하였다

또한 회로와 진폭변조기 조명등을 연결하여 음성신호기 조명등의

빛에 직접 실려서 하였다

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 53 -

수신기22

광검출 및 자동증폭회로221

빛을 검출하는 센서로는 포토다이오드 포토트랜지스터 등이 있다cds sola-cell

는 빛의 세기에 따라 그 저항값이 달라지는 소자로 응답속도가 느리고 빛의 세cds

기에 따른 저항변화의 직선성이 다소 떨어지며 이에 반해 포토다이오드나 포토트랜

지스터는 빛의 세기에 따른 출력전류의 직선성이 우수할 뿐만 아니라 고속의 응답

성 암전류와 온도에 대한 특성변화가 적고 또한 신뢰성이 높다 특히 포토트랜지스

터는 전류이득을 가지고 있어서 바이어스전압을 걸어 구동시키면 전류를 증폭할 수

있어 나 포토다이오드와 같이 별도의 증폭회로가 필요치 않게 구성할 수 있다cds

본 시스템에서는 형광등에 실린 음성신호를 검출하기 위해 포토트랜지스터를 사용

하였으며 나아가 를 포토트랜지스터의 바이어스저항으로 사용하여 빛의 평균세cds

기에 의한 포토트랜지스터의 전류의 포화를 방지하고 검출감도 즉 증폭도를 자동

으로 조절되도록 하였다

필터회로 및 전력증폭기222

형광등은 다른 조명등과 마찬가지로 빛을 발하기 시작하면 동시에 열잡음을 발생하

며 특히 전자식 형광등과 같은 경우에는 높은 주파수로 스위칭하여 동작시키고 있

으므로 이에 대한 대책이 필요하여 저역필터를 사용하여 제거시켰다 이때 저역필

터의 차단주파수는 로 하였다20

수신기는 건전지를 사용하였으며 전력증폭기는 로 패키지화되어 있는 삼성반9V IC

도체의 을 사용하였다KA2201

성능실험 및 결과3

송신기31

무부하시 주파수특성311

송신기에 대한 주파수특성을 보기 위해 송신기에 신호발생기로 1 5 10 15

정현파를 입력하고 그 출력파형과 스펙트럼을 측정하였다 20

그림 에서와 같이 형광등 즉 무부하 상태에서의 송신기의 주파수 특성과 스펙트2

럼을 본 것이다 그림에서와 같이 정현파의 출력파형은 일그러짐 없이 측정되었으

며 스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 약하게 나타나는 것을 볼 수 있었다 2

그러나 에서는 의 스펙트럼이 관측되었는데 이는 트랜스포머의 약한 공진15 10

현상으로 사료된다

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(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

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부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

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(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

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수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 54 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 무부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼2

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 55 -

부하 형광등 에 따른 주파수특성312 ( )

송신기에 정현파를 입력하고 출력 단에 전자식 형광등을 연결하여 이때의 출력파형

과 스펙트럼을 측정하였다

그림 과 그림 는 부하에 의한 송신기의 출력의 결과로 그림 은 신호를 입력하지3 4 3

않고 부하만 건 상태에서 측정한 것으로 의 높은 주파수를 볼 수 있었다 이는43

전자식안정기에서 형광등을 켜기 위해 스위칭하고 있기 때문이다

그림 무신호에 의한 부하시 송신기의 출력파형3

그림 는 무부하시와 마찬가지로 를 각각 입력하고 그4 1 5 10 15 20

때에 출력되는 파형과 스펙트럼을 측정한 것으로 에서 보는 것과 같이 입력(A) 1

신호에 전자식안정기의 스위칭 주파수가 같이 실려 있는 것을 볼 수 있으나 입력주

파수가 높아짐에 띠라 스위칭 주파수가 사라지고 있는 것을 볼 수가 있었으며 20

에서는 체배가 되어 의 주파수가 측정되었다40

입력주파수가 높아짐에 따라 전자식 안정기의 스위칭 주파수가 나타나지 않는 것은

신호변조를 위한 변조트랜스외 입력신호 그리고 전자식안정기의 스위칭 주파수들이

상호작용에 의해 공진되거나 상쇄되어 나타나는 것으로 생각된다

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 56 -

(A) 1

(B) 5

(C) 10

(D) 15

(E) 20

그림 부하시 송신기의 출력파형 및 스펙트럼4

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 57 -

수신기32

상용교류전원과 직류전원에서 형광등의 광특성321

일반 상용전원에서 동작하는 전자식형광등에서 나오는 빛을 포토트랜지스터를 이용

하여 검출하고 그 파형과 스펙트럼을 측정하였다

그림 에서와 같이 형광등에서 동작되는 주파수는 이지만 빛을 통해 검출되5 120

는 주파수는 그 두배인 이며 이때의 스펙트럼은 근처의 스위칭 주파수240 40

의 이내에서 많은 스펙트럼이 측정되었다 특히 이내에 스펙트럼이 집중1 500

되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 상용전원의 와 형광등의 동작주파수인60 120

그리고 빛으로 나온 등의 스펙트럼과 그 체배주파수의 스펙트럼이 관찰240

되어진 것으로 생각되어진다

그림 은 본 연구에서 제작한 필터회로를 장착하였을 때의 파형으로 스위칭 주파수6

의 파형이 제거되었으며 스펙트럼 또한 나타나지 않았다

스위칭 주파수(A) 부근 확대(B) 120

그림 상용전원에서 전자식형광등의 광파형 및 스펙트럼5

그림 필터회로를 통한 전자식 형광등의 파형 및 스펙트럼6

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 58 -

다음으로 직류전원 즉 신호를 인가하지 않은 송신기로 동작시킨 형광등의 빛의 파

형과 스펙트럼은 그림 과 같다7

필터를 통하지 않은 상태에서 측정한 그림인 에서 스펙트럼을 보면 근처에(A) 14

서 미약한 신호가 나오고 있는 반면 필터를 통한 에서는 그 신호가 완전 제거됨(B)

을 볼 수 있었다

근처의 주파수는 앞에서도 언급한 바와 같이 트랜스포머와 스위칭 주파수 등14

에 의한 상호작용에 의해 생긴 것으로 추정된다

필터를 안 통한 상태(A) 필터를 통한 상태(B)

그림 무신호시 직류전원에 의한 형광등의 광파형 및 스펙트럼7

송신기를 통한 수신기의 특성322

수신기의 특성은 빛이 없는 상태와 송신기에 의 정현파 신호를 인가하여1 5

그 신호가 형광등에 실리게 한 다음 나온 빛을 검출하여 증폭하고 필터링한 상태에

서 송신기에 인가한 정현파 신호가 제대로 나오는지를 보았다

그림 은 빛이 없는 상태에서 측정한 것이며 그림 는 송신기에 정현파를8 9 1 5

인가하여 수신기로 검출한 파형과 스펙트럼을 측정한 것이다

그림 에서 보면 빛이 없는 상태에서도 의 잡음이 발생하고 있는 것을 볼 수8 60

있는데 이는 수신기의 강도가 민감하여 외부로부터 들어오는 것으로 보여 지며 그

림 에서는 잡음이 원래 신호에 섞여있는 것을 볼 수가 있지만 원래 신호의9 60

스펙트럼이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다

또한 의 잡음은 스펙트럼 상에서는 나타나지만 실제 스피커로 출력되어 음향으60

로 전달될 때는 거의 들리지 않았다

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 59 -

그림 암실 조건에서 수신기의 특성8

(A) 1 (B) 5

그림 송신기에 의한 수신기의 출력파형 및 스펙트럼9

결론5

이상과 같이 형광등을 직류로 구동하고 음성신호를 변조한 송신기와 빛을 검출하여

음성신호를 복조하여 다시 음성신호로 변환해 주는 수신기를 제작하여 그 특성을

조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다

일반 할로겐램프와 마찬가지로 형광등도 직류동작이 가능하였다-

무부하시 입력신호 외의 스펙트럼이 없었다-

부하상태에서는 영향을 받는다-

부하상태에서 스위칭 주파수인 스펙트럼이 있었다- 43

입력 시 의 스펙트럼이 발생하였다- 15 10

입력 시 체배가 되었다- 20

상용전원에서 동작하는 형광등은 많은 잡음을 지니고 있다-

필터를 통과한 빛의 신호는 깨끗해졌다-

암실 조건에서 고감도에 의한 외부잡음의 영향을 받았다-

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 60 -

송신기에 의한 수신시 외 외부잡음 스펙트럼이 나타났으나 증폭되지 않은- 60

상태로 스피커로 출력되어 음향으로 전달될 때 거의 들리지 않았다

참고문헌[ ]

손승만 류지원 연제문 구경완 이명섭[1]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김흥덕[2]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 61 -

한국전기전자재료학회 년도 하계학술대회 논문집2002

전력선을 이용한 음성전달 시스템 개발

Development of Sound Transmitting System using Power Line

반용준강민후 구경완 이명섭

한상욱

(yong jun Park Min-Woo Kang Kyung-Wan Koo Myung-Sup Lee

Sang-Ok Han)

Abstract

This paper presents a result of sound transmitting system with power line

communication technique Sound transmitting system is a transmitter which

transmits modulated audio signal to power to power line and receiver which is

capable of detesting it with earphone or speaker It has been evaluated with

the frequency characteristics and spectrum analysis And from the result of

evaluation on the developed system we confirm the superior sound

transmitting characteristics and the possibility of application on a language

laboratory

Key Word Power line Communication Sound Transmitting transmitter

receiver frequency characteristic

서 론1

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 다양한 데이터의 전송도구로 활용하

는 전력선 통신 기술은 표준화 및 상용화를 눈(PLC Power Line Communication)

앞에 두고 있다[12]

영동대학교 정보 전자공학부ㆍ

충남대학교충청북도 영동군 읍 설계리 산 영동대학교( 12-1 ㆍ

Fax 043-740-1129

E-mail

- 62 -

기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

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기술의 활용 가능한 분야로는 전력공급망 댁내망 산업자동화망 통신 가입자PLC

망 등으로 각분야별로 다양한 활용 영역을 갖고 있다 특히 댁내망 (In-house

으로서의 활용은 공용망에서 분리된 개별 수용가내에서의 각종 가전기기network)

및 주변기기들을 상호 연결하는 형태를 취할 것이며 망 구축시 비용 절감의PC

측면에서 큰 강점을 가지고 그 이용이 가시화되고 있다[34]

최근 외국어의 조기교육 열풍 속에서 특히 영어의 조기교육 필요성이 대두되면서

초등학교에서 영어교육이 실시되고 있지만 제대로 갖추어진 어학 실습실을 갖추고

있는 학교는 드문 실정이다

이러한 문제점을 안고 있는 어학실습을 보다 합리적이고 간편하고 효과를 충분히

높일 수 있는 방안으로 음성 신호등 변조 주파수에 실어 전력선을 통신 시스템을

구현하고 어학실습용 등으로의 활용 가능성을 평가하였다

시스템 구성2

본 시스템은 그림 과 같이 크게 송신기와 수신기로 구성하였다 송신기에는 시스1

템에 전원을 공급하는 전원부 음성신호를 증폭하는 전치증폭기 증폭된 음성신호를

송신주파수에 실어 전력선으로 전송하는 변조기 그리고 송신주파수를 발생시키AM

는 발진부로 구성하였고 수신기는 전원을 공급하는 전원부 송신주파수만을 선택하

는 동조회로 동조된 미약한 주파수를 증폭해 주는 전치증폭기 증폭된 주파수에 실

려있는 음성신호를 검출하는 검파기 검파된 음성신호를 이어폰이나 스피커로 들을

수 있게 하는 전력증폭기로 구성하였다 또한 송신기에는 및 라디오 그리 AM FM

고 녹음기를 장착하여 라디오 청취나 녹음테이프로 음악이나 어학 등을 송신하도록

하였다

그림 시스템 개요1

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 63 -

송신기21

본 시스템은 직류전압 로 동작하게 설계하였고 상용전원인 교류 를 변압12V 220V

기를 이용하여 전압을 낮춘 다음 다이오드로 전파정류와 캐패시터로 평활시킨 후

정전압 로 전원을 만들어 시스템에 공급하였다 이는 전원부12V12A IC 7812 12V

에서 이루어진다

전치증폭기는 미약한 신호를 큰 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 것으로 연산증폭

기 로 반전증폭기를 구성하고 단전원으로 동작하게 하였다 또한 신호가 크LM741

면 진폭변조율이 커지므로 출력단에 가변저항을 이용하여 변조의 포화를 방지하고

적당한 변조율을 조절하도록 하였다

발진기와 변조기는 음성신호를 송신하기 위한 캐리어 주파수를 수정진동자인

의 를 이용하여 를 발진시키고 으로 분주하여 를CMOS IC 4069 1 4040 12 500

얻은 다음 의 콘트롤 입력단에 공급하였다 은 일종의 로직으로 구동되는4016 4016

스위치로 그림 와 같이 의 스위치 입력단에 전치증폭기에 들어 온 음성신호2 4016

를 입력하고 발진부에서 공급되는 의 송신주파수를 스위치 콘트롤 단에 입력500

하여 진폭 변조를 시켰다

그러나 이 파형은 구형파이므로 많은 체배주파수를 함유하고 있어서 과 인덕터TR

를 사용한 공진회로를 구성하여 정현파로 만들었다

이때 은 를 사용하였으며 인덕터는TR 2SC1815 라디오에 사용되는AM

중간주파트랜스를 이용하여 차와 차를 절연시킨 다음 캐패시터로 전력선과 연결1 2

하여 송신되도록 하였다

그림 발진기 및 변조기 회로도2

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 64 -

수신기22

수신기에서의 전원부와 전치증폭기는 송신기에서와 같은 회로로 구성하고 동작시켰

다

동조기라 함은 어떤 특정주파수 만을 선별해 내는 것으로 공진회로로 구성된다 본

시스템에서는 그림 과 같이 캐패시터와 중간주파트랜스를 이용하여 전력선과 절연3

시키고 캐패시터를 부가하여 공진회로로 구성하여 를 동조시켜 신호를 받 LC 500

아 들였다 이때 중간주파트랜스에 내장되어 있는 페라이트 코어를 회전시켜 인덕

턴스 값을 바꾸어줌으로 해서 공진주파수의 미세조정을 하였다

이렇게 동조되어 나온 신호 또한 매우 미약하므로 전치증폭기로 신호를 증폭한 다

음 다이오드를 이용하여 검파하고 다시 캐패시터와 저항을 사용하여 차단주파수가

인 차 저역필터를 구성하여 음성신호만 출력되도록 하였다20 1

그림 동조회로 및 검파회로3

검파된 음성신호는 이어폰이나 스피커를 구동하지 못하기 때문에 스피커를 구동할

수 있는 전력증폭기를 구성하였다 단 전원 동작의 전력증폭기는 방식으로 여 OTL

러 개의 로 구성되는 것이 일반적이나 요즈음은 이러한 전력증폭기가 출력별로TR

패키지화되어 있는 가 있어서 본 시스템에서는 급인 삼성반도체의 을IC 1W KA2201

사용하여 그림 과 같이 구성하고 입력 단에 가변저항운 붙여 음량을 조절하도록4

하였다

그림 전력증폭기 회로4

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성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 65 -

성능실험 및 결과3

송신기의 부하 전력선 가 없는 상태31 ( )

송신기의 특성은 우선적으로 전력선으로 송신하기 전 즉 전력선에 연결하지 않은

상태에서의 주파수특성을 살펴보았다 송신기에 무변조 상태에서의 캐리어주파수와

신호발생기로 정현파를 입력하였을 때의 출력파형과1 5 10 15 20

스펙트럼을 측정하였다

그림 은 무부하 상태에서의 송신기와 주파수 특성과 스펙트럼을 본 것이다 그림에5

서와 같이 무변조시 캐리어주파수의 파형은 정현파로 일그러짐없이 측정되었으며

스펙트럼을 본 결과 차 주파수가 나타나지 않았다 그리고2 1 5 10 15

의 정현파를 변조시켰을 때의 파형 또한 깨끗하게 나옴을 볼 수 있었으며 스20

펙트럼 또한 변조주파수와 캐리어주파수 외에는 보이질 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 66 -

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 부하 전력선 가 없는 상태의 파형과 스펙트럼5 ( )

송신기의 부하 전력선 에 의한 주파수특성32 ( )

송신기에 무부하 상태와 마찬가지로 무변조시와 정현파를 입력하고 출력 단을 전력

선에 연결했을 때의 파형과 스펙트럼의 변화를 살펴보았다

그림 의 그림에서 무변조 시의 파형을 보면 캐리어주파수 가 상용전원 주파6 500

수 에 실려 있는 것을 볼 수 있다 마찬가지로 변조된 주파수 또한 에 실60 60

려 전력선에 송신되고 있는 것을 알 수 있으며 스펙트럼 또한 무부하 시에 상용전

원 주파수 가 나타남을 볼 수 있었다60

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 67 -

무변조 시(A)

변조(B) 1

그림 부하 전력선 상태에서의 파형과 스펙트럼6 ( )

수신기의 동조 후 주파수특성33

송신기에 무변조 상태와 의 정현파를 변조시켜 전력선1 5 10 15 20

으로 송신하고 이로 수신기로 받아 들여 송신주파수를 동조시킨 다음 그 파형과 스

펙트럼을 관찰하였다

그림 에서와 같이 무변조 시에는 캐리어주파수단 그리고 변조 상태에서는 송신기7

에서와 같이 변조된 파형이 그대로 검출됨을 볼 수 있었으며 스펙트럼 또한 잡음

으로 작용하는 가 나타나지 않았다60

무변조 시(A)

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 68 -

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 동조되었을 때의 파형과 스펙트럼7

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

통신시스템의 개발 및 특성분석

指導敎授 琴 彩

이 을 으로 제출함論文 理學博士學位 請求論文

년 월2002 10

忠南大學校 大學院

物理學科 物理學專攻

李 明 燮

- 73 -

전자식 형광등의 직류 구동시 AM

변조된 빛의 주파수 특성에 관한 연구

指導敎授 金 聖 一

이 을論文 工學碩士學位

으로 함請求論文 堤出

2002 10年 月

大田大學校大學院

電子工學科 電子工學專攻

李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

- 69 -

수신기의 검파 후 주파수특성34

그림 은 에서 논의한 바와 같이 동조되어진 주파수를 전치증폭기로 증폭하고8 22

다시 검파하여 전력증폭기로 입력되어 출력되었을 때의 파형과 스펙트럼이다 그림

에서 보는 바와 같이 무변조 시에는 파형이 관측되지 않았으며 변조시켰을 때는

변조시킨 주파수 파형이 관측되었으며 스펙트럼 또한 변조주파수 외의 캐리어나

상용전원 주파수 같은 것이 나타나지 않았다

무변조 시(A)

변조(B) 1

변조(C) 5

변조(D) 10

- 70 -

변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

전력선을 이용한 아날로그

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• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

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변조(E) 15

변조(F) 20

그림 최종 출력시의 파형과 스펙트럼8

- 71 -

결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

pp417~420 2000

구경완 이명섭 김홍덕[6]

전력선과 조명기기를 통신 매체로 하는 송 수신기 특허출원ldquo rdquo 10-2000-0081424ㆍ

- 72 -

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• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

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결론4

전력을 수송하는 매체로만 인식되던 전력선을 이용하여 캐리어방식의 송신기로 음

성신호를 진폭변조하여 전력선에 송신하고 이를 다시 송신주파수를 수신기로 동조

하여 검파하여 음성신호로 변환시켜 그 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻

었다

송신기

의 캐리어주파수는 차 스펙트럼이 나타나지 않았다- 500 2

부하 전력선 가 없을 경우 캐리어와 변조주파수외의 스펙트럼이 없었다- ( )

부하상태에서는 에 변조된 캐리어주파수가 실린다- 60

캐리어 송신방식에서 의 영향을 받지 않는다- 60

수신기

송신주파수에 대한 동조가 잘 이루어졌다-

검파한 결과 변조신호 음성신호 는 깨끗하게 복조되었다- ( )

의 잡음이 전혀 없었다- 60

참고 문헌

[1] httpwwwKeyintelecomcom

[2] Powerline Communication The Send World Congress Geneva Oct 2000

[3] S Koutroubinas T Amonakopoulos V Makios A new efficient access

protocol for intergrating multimedia services in the home emvironment IEEE

Transactions on Consumer Electronics vol 45 no 3 pp481~487 Aug 1999

[4] J Desbonnet and P M Connonin System Architecture and

Implernenation of A CEBusINTERNET Gateway IEEE Transactions on

Consumer Electronics vol 43 no 4 pp1057-1062 Nov 1988

손승한 류지원 연제문 구경완 이명섭[5]

태양전지를 이용한 송 수신기 한국전기전자재료학회 년도 추계학술대회ldquo rdquo 2000ㆍ

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指導敎授 金 聖 一

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李 承 俊

• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
                • • 1 무부하 시 주파수 특성
                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

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• 제 1 장 서 론
• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
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                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성

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• • 제 2 절 기술개발의 목표
  • 제 3 절 기술개발의 목적 및 중요성
  • 제 4 절 기술개발의 내용 및 범위
  • 제 5 절 기술개발 결과
  • 제 5 절 기대효과
  • • 제 2 장 이 론
    • • 제 1 절 변조[13][14]
      • 제 2 절 송신기
      • • 1 정류 및 평활회로
        • 2 전력증폭기 및 진폭변조기
        • • 제 3 절 수신기
          • • 1 광검출 및 증폭회로
            • 2 전력증폭기
            • • 제 4 장 결과 및 검토
              • • 제 1 절 송신기
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                  • 2 부하(형광등)에 따른 주파수 특성