제어용으로써의 RF 기술

RF Technology

글: 지철호 / 마이크렐 반도체cheolho.ji@micrel.com / www.micrel.com발전하는 무선통신의 기술은 유선통신이 지닌 한계를 극복함으로써 공간 활용의 유용성을 증가시키고 있으며 특히, 제품의 이동성, 배치의 유연성 등을 부여함으로써 삶의 외형적 향상에 기여하고 있음을 부인할 수는 없다. 주파수 혹은 변조 방식 등으로 나누어진 다양한 응용 기술 즉, 블루투스, UWB, Wi-Fi, ZigBee등은 지속적으로 킬러 애플리케이션을 개발함으로써 그 자리를 잡아가고 있다.무선은 크게 통신과 제어 부분으로 나누어 질 수 있으며 그 구분은 신호의 연속성과 데이터의 단위시간당 양으로 나누어진다. 통신 부분에 있어서는 음성과 데이터 관련 애플리케이션이 주를 이루고 있으며 대표적인 셀룰러 폰 시장은 우리나라에서도 산업의 동력으로 작용하고 있다.이와 같이 무선이 산업의 한 장르로 발전하게 된 것은 표면적으로는 20여 년에 불과한 듯 하지만 그 역사는 1896년의 마르코니를 시작으로 하는 만큼 100년이 넘는다고 볼 수 있다.현재 통신 분야의 무선은 기 구축된 무선 네트워크를 발판으로 하여, 점차 다양한 서비스를 요구하는 사용자를 만족시키기 위하여 음성 서비스뿐만 아니라 데이터, 오디오, 비디오 등의 영역으로 진화하고 있으며 기존의 서비스와의 차별화를 위해 주문형 서비스를 도입하고 있는 실정이다.통신 분야의 무선은 위에 언급한 것처럼 블루투스, UWB, Wi-Fi, ZigBee 등 다양하고 새로운 방식이 지속적으로 개발, 소개되고 있으며 향후 다양한 애플리케이션의 도입으로 인해 빠르게 성장하는 시장이 될 것임에는 이의가 없다.개요무선 통신 시장에 버금가는 또 하나의 무선 시장은 제어용 무선 애플리케이션이라고 볼 수 있다. 통신으로써 무선이 많은 장점을 보유하고 있는 것은 사실이나, 많은 데이터의 송수신을 위해 프로토콜의 필요성은 가격의 상승과 더불어 호환성 문제, 인증 등 부가적인 비용이 따라야 함을 부인할 수 없다.표준화된 무선통신은 그 이식성에 있어 편리함을 강조하지만 반대적으로 보안에 취약하다는 약점도 함께 한다. 이는 폐쇄적이고 지엽적인 환경에서 보안을 요구하는 응용 분야로는 적절하지 않다. 일례로 RKE(Remote Keyless Entry) 솔루션으로 일컫는 자동차나 일반 가정 등에서 흔히 사용되고 있는 도어 록 시장의 경우 노출된 통신 알고리즘은 보안문제를 야기할 소지가 있으며 이를 대체하기 위해 또 다른 보안알고리즘 도입으로 인해 비용 상승이 발생한다.또한 무선 자원은 그 기술의 범주 안에서는 고가의 자원으로서 연속적이고 광대역의 주파수 점유는 그 효율성을 따져 보아야 할 필요가 있다. 제어용에 사용되는 무선 자원은 규칙성을 갖는 경우도 있지만 대부분 임의적이고 일시적인 자원 점유로 인해 다양한 애플리케이션이 혼재하더라도 통신용 무선에 비해 간섭이나 충돌 등으로 인한 오동작이 상당수 감소하는 효과가 있다.제어용으로써의 응용 분야제어용으로서의 대표적인 응용 분야는 RKE, AMR, TPMS, RFID, 그리고 가전용 Remote controller와 홈오토메이션 등을 들 수 있다. 이 밖에도 서구적인 가정환경에 많이 적용되는 차고 출입문 제어, 스프링 쿨러, 무선 장난감 등도 주요한 시장으로 자리를 잡고 있다.이러한 응용 분야에서 요구하는 기본적인 사항들은 제품에 대한 높은 내구성과 저전력, 그리고 단순화를 들 수 있다. 시스템 제작에 있어 사용되는 많은 소자들은 MTBF를 낮게 만들어 그 수명에 치명적인 제한을 가하거나 고장률 상승으로 이어짐과 동시에 제품의 사이즈가 커지는 사항도 간과할 수 있는 문제는 아니다.기능으로서의 제품은 당연시되어 가고 있고 소비자의 요구에 부응하는 디자인을 고려함에 있어서 소형화는 선택이 아니라 필수라 할 수 있다.RKERKE분야의 시장의 선도 애플리케이션은 당연히 자동차 시장이라고 할 수 있다. 전세계의 70% 이상의 차량에 장착되어 있으며, 저전력, 신호 도달 거리, 신뢰성과 보안이 우선시 되며 그 기능에 있어서도 단방향에서 양방향으로, 키 조작에서 감성 센서를 이용한 PKE(Passive Keyless Entry) 애플리케이션으로 진화하고 있다.그림 2에서 보듯이 사용자는 단순히 버튼을 누름으로서 간단히 조작할 수 있으며, 버튼의 조작으로 저장되어 있는 식별 정보가 암호화하여 전송된다. 낮은 데이터율로도 동작이 가능함에 따라 국내 주파수의 경우 FSK 방식의 협대역이 할당되어 있으며, 일부 저전력을 위해 ASK 방식을 사용하기도 한다. 수신된 정보는 차내의 CPU를 통해 분석되어 동작하게 된다.RKE의 설계에 있어 주요 사항은 최소 3~5년 이상의 건전지 수명이며 송신 모듈의 경우 대기전력을 최소화할 필요가 있다. 마이크렐의 MICRF112의 경우 1uA이하의 적은 대기 전류와 전압 1.8V~3.6V까지 동작함으로써 건전지를 최대한 사용할 수 있는 장점이 있다.특히 적은 주변소자의 개수는 비용 절감 및 디자인을 용이하게 할 수 있으며, ASK, FSK를 모두 구현할 수 있어 개발에 있어 원가 절감을 할 수 있다.AMRAMR(Automated Meter Reading)은 또 하나의 주요한 제어용 RF 시장이다. 이 시장은 전기, 수도, 및 가스 등의 사용량을 수집하여 과금이나 사용량 분석 등에 이용하는 애플리케이션으로 댁내에 설치되어 있는 미터기에 대한 접근으로 인한 사생활 침해 또는 사용자에 의존하는 부정확한 데이터로 과금을 하는 기존의 방법에서 진일보한 방법이라 할 수 있다. 이 시장을 위하여 다양한 방법이 선보이고 있으나 일반적으로는 RF 방식을 선호하고 있으며 RF 방식으로는 단방향 또는 양방향이 고려되고 있다. 단방향의 경우는 버블업 방식이나 브로드캐스팅 방식을 사용하게 되는데, 송신자의 전력 소비가 증가하는 반면, 구현이 상대적으로 간단하다고 할 수 있다.양방향의 경우는 웨이크 업(Wake up) 방식으로써 기본적으로 송신측은 슬립 모드에 있으며 수신자가 신호를 줌으로써 액티브 모드로 바꾸어 데이터를 수집하여 수신자로 송신하는 방식이다. 이 방법은 송신측에 전원공급이 원활하지 않은 경우에 배터리를 사용함으로써 설치가 용이해 지는 반면에 효과를 극대화하기 위해서는 송신측에 저전력 소자를 사용하여야 함은 필수라고 할 수 있다. 또한 전파의 장애나 미터기와의 거리 등을 감안할 때 수신 감도도 중요한 요소라고 할 수 있다.TPMS자동차 안전성 향상을 위한 타이어 공기압 관리 시스템은 이미 유럽이나 미국에서는 보편적인 기술이지만 국내의 경우는 일부 수입 차종과 국내 차종을 통해 이 기술이 선보임으로써 대중에 알려지기 시작했다. TPMS 시장은 지속적으로 30% 이상의 성장률이 예상되는 대형시장으로 강력한 내구성과 높은 전력 효율성을 요구하고 있다.타이어 직경의 변화를 감시하는 간접 방식과 각 타이어의 압력을 센서를 이용하여 측정하는 직접 방식으로 구분되어진다. 설계상으로는 센싱의 정밀도와 반응시간을 고려하여야 하며 특히 직접 방식의 경우 휠에 모듈로 몰딩하여 부착하기 때문에 전력관리가 필수 요소이다.따라서 자동차의 특성상 평균 15% 정도를 주행시간으로 간주하기 때문에 보통 가속도 센서를 부착하여 일정 속도 이하에서는 TPMS가 동작을 멈춘다거나 센싱하는 주기를 늘리는 방법 등이 적용되고 있다.제품의 특성상 여러 가지 센서를 사용하여야 함은 물론이거니와 특히 RF 송신부의 성능은 중요한 요소가 될 것이다. 마이크렐에서 제공하는 MICRF405는 290~980MHz의 ISM 밴드와 FSK, ASK 모듈레이션을 모두 수행한다. 슬립 모드 시 0.3uA, 대기 전류 200uA, 그리고 일반적인 동작시의 5.6mA의 소비 전류는 앞서 언급한 저전력 기술의 핵심이다. 4×4mm 크기의 칩으로 동작온도는 섭씨 -40도 ~ 125도이다.기타이 밖에도 리모트 컨트롤러를 시작으로 홈센서, 보안장치, 간단한 데이터 통신 등 UHF 대의 제어용 RF의 응용분야는 무궁무진하다. 특히 이 주파수 범위에 포함되어 있는 RFID는 그 표준이 자리를 잡아가고 있음에 따라 재고관리나 물류 등의 다양한 애플리케이션이 개발되고 있는 실정이다.기술적 접근으로써의 RFRF 시스템에 있어 모든 엔지니어의 목표는 최소 전력 송신대비 감도를 최대화하는 것이 목표라고 할 수 있다. RF의 특성상 먼 거리까지의 데이터 전송은 유선대비 상당한 전력 소비를 요하게 되며 이를 극복하기 위한 노력이 수신감도의 개선이라 할 수 있다.보통 신호의 도달 거리라고 함은 송신신호의 세기, 주변 환경, 수신자의 감도 등에 의해 좌우되기 때문에 특정한 기준을 가지고 설명이 필요하다.안테나전기적 신호와 전자기파의 변환을 주도하는 안테나는 RF 시스템 설계에 있어 가장 중요한 요소 중의 하나이다. 안테나는 그 끝단을 특정 주파수에서 공진하게 함으로써, 신호를 전반사하지 않고 에너지로서 방출하는 역할을 하게 되는데 보통의 제어용 RF에서는 모노폴 안테나를 이용한 설계가 일반적이다. 모노폴 안테나는 λ/4의 길이를 갖는데 범용적인 주파수가 280MHz~1GHz 이하이고 주파수가 올라갈수록 공기 중에서의 파장은 짧아지게 되고 1GHz에서 약30cm이기 때문에 안테나의 길이는 최소 7.5cm 이상이 되어야 한다.이럴 때 비용 절감과 시스템 설계의 용이를 위해 PCB 안테나를 고려해 볼 수 있는데, 아래는 마이크렐사의 이밸류에이션 보드(Evaluation board)에 적용된 다양한 PCB 안테나의 예로 주파수의 범위에 따라 다양하게 적용이 가능하다.크리스털 오실레이터(Crystal Oscillator)크리스털 오실레이터는 RF 설계에 있어 매우 민감한 부분이다. RF 출력 주파수나 수신측의 LO주파수를 위해서, 매우 안정된 위상과 주파수 안정성이 요구된다.그림 6에서와 같이 크리스털은 Xoscln과 XoscOut 사이에 연결되며 로딩 커패시터를 필요로 한다. 이 커패시터의 값은 크리스털이 요구하는 총 커패시턴스에 의해 좌우되며 그 계산식은 아래와 같다.CL = 1/(1/C10+1/C11) + Cparasitic여기에서 Cparasitic의 값은 입력 커패시턴스와 PCB 커패시턴스를 감안한 값이다. 일반적으로 이 값은 6pF 정도 된다.PLLPLL 필터의 디자인은 주파수 신시사이저의 성능에 가장 영향을 주며 주로 외부에서 튜닝이 가능하도록 외부에 설계가 된다. 주파수 변조 방법이나 속도 등이 결정이 된 후 주파수 변조를 하게 되는데 VCO 변조를 하게 되면 새로운 데이터를 위해 새로운 캐리어 주파수를 록 시키기 위해 PLL을 요구하게 된다. 이 경우 충분한 PLL 대역폭이 필요하게 되고 이를 위해 2차 또는 3차 주파수 필터를 사용한다.위의 그림 7에서 R2, C3는 3차 루프 필터에 해당되며 이러한 값들의 변화에 의해 설정되는 테이블은 아래와 같다.RSSI수신된 신호의 세기를 표시하는 RSSI는 보통 IF 증폭기 전에서 그 값을 측정하며 DC 레벨로 표시되는 아날로그 신호이다. 이 신호는 회로의 웨이크 업 기능으로 유효하며 배터리 수명을 연장하는 회로 설계에 유용하다. 또한 수신 신호의 세기를 표시하기 때문에 적절한 제어로써 송신 전력을 제어하는데도 유용하다.기타이 밖에도 RF수신측에 적용하는 LNA는 입력신호를 증가시키기 위함으로 노이즈가 함께 증가하지 않도록 설계를 해야 한다.결론이상의 언급에서와 같이 제어용 무선 제품에 있어서의 핵심은 설계의 용이성과 사용의 편리성으로 요약될 수 있다. 주변 소자를 최소화하고 신뢰성을 강화하여야 함은 물론이거니와 가격 또한 중요한 고려 사항이다. 또한 대부분의 설계에 있어 무선의 특성을 십분 활용하기 위해 배터리를 사용하게 되는데 대기 전력이라든지 저전력 소비에서의 최대 감도 등을 보장하는 설계가 되어야 한다.근래에 삶의 질적인 향상과도 직접 관계가 있는 RF 시장은 확장할 것이 틀림없으며, 변화하는 시장에 빠르게 대응하기 위한 지속적인 관심이 필요하다.

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