차세대 무선통신 기술
단거리 무선 기술은 RKE, 타이어 공기압 자동감지 모니터링 시스템(TPMS), 자동차 경보장치, 리모컨, 홈 시큐리티 및 자동화, 차고문 개폐장치, 기타 무선 제어 제품 등 일상생활의 애플리케이션에 폭넓게 사용되고 있다. 모든 단거리 무선 통신 시스템은 고유의 장단점을 갖고 있지만 일반적으로 통신 거리를 확대하고 배터리 수명을 연장하면서 휴대용 기기의 크기를 줄일 경우 장점을 제공할 수 있다. 이 글에서는 단거리 무선 통신 시스템에 사용되어 왔던 기존 설계를 살펴보고 이러한 시스템을 향상시켜주는 혼합 신호 설계를 소개한다.
글 : Lawrence Der 박사
실리콘 래버러토리스 / www.silabs.com
수년 동안 우리는 무선 세계에 관해 이야기하고 있지만 주의를 기울여 보면 이미 우리는 무선 세계에 살기 시작했다는 것을 알 수 있다. 90년대 초만 해도 모바일 또는 휴대폰은 주로 사업가들 사이에서 이용되었지만 이제는 나이 어린 학생부터 노년층에 이르기까지 모든 사람들에 의해 사용되고 있다. 모바일폰의 확산은 무선 세계로의 전환을 보여주는 명백한 예의 하나에 지나지 않는다. 분명하게 볼 수 있는 또 다른 예로는 WiFi가 있다. WiFi 핫스팟은 서점, 커피숍, 기타 공공장소에서 하루가 다르게 새로 생겨나고 있다. 실제로 더욱 놀라운 것은 우리가 지금까지 당연하게 사용하고 있어서 크게 인식되진 않았지만, 카 도어를 잠그고 여는 데 사용되는 RKE(remote keyless entry) 시스템 또는 텔레비전 셋톱박스와 오디오 장치에 사용되는 리모컨과 같은 무선 애플리케이션도 확산되었다는 점이다. 이러한 많은 무선 애플리케이션은 260~470MHz의 비승인 UHF 주파수 대역에서 동작하는 단거리 디바이스 범주에 속한다. 이러한 디바이스와 애플리케이션은 현대 라이프스타일의 일부가 되었으며, 이렇게 생활 속에 스며들게 된 주요 원인의 하나는 편리함에 있다. 비승인 UHF 대역에서 동작하는 많은 단거리 디바이스는 전통적인 아날로그 RF 기술을 사용하며, 최신 혼합 신호 설계 기술을 사용할 경우 많은 이점을 얻을 수 있다. 모든 단거리 무선 통신 시스템은 고유의 장단점을 갖고 있지만 일반적으로 통신 거리를 확대하고 배터리 수명을 연장하면서 휴대용 기기의 크기를 줄일 경우 장점을 제공할 수 있다. 이 글에서는 단거리 무선 통신 시스템에 사용되어 왔던 기존 설계를 살펴보고 이러한 시스템을 향상시켜주는 혼합 신호 설계를 소개한다.
레퍼런스 시스템
단거리 무선 기술은 RKE, 타이어 공기압 자동감지 모니터링 시스템(TPMS), 자동차 경보장치, 리모컨, 홈 시큐리티 및 자동화, 차고문 개폐장치, 기타 무선 제어 제품 등 일상생활의 애플리케이션에 폭넓게 사용되고 있다. 이들 애플리케이션은 매우 다른 것 같지만, 단거리 무선 통신 시스템의 기본 블록 다이어그램은 유사하며, 그림 1에 보이는 일반 송신기 및 수신기로 나타낼 수 있다. 송신기는 보통 배터리로 동작하는 휴대용 기기이며 입력으로 일정한 종류의 푸시 버튼이나 키패드를 가지고 있다. 예를 들어, RKE 시스템에서 전체 송신기 시스템은 보통 CR2032 코인 셀 배터리에서 동작하는 keyfob로, 카 도어와 트렁크를 열고 잠그는 데 사용되는 푸시 버튼 입력을 갖고 있다. 푸시 버튼 입력은 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)에 연결되며, MCU는 디지털 비트 스트림을 RF 송신기에 전송한다. RF 송신기는 보통 외부 파워 트랜지스터를 사용하여 SAW 공진기를 켜고 끄는 ASK 변조기이다. 수신기 측에서 시스템은 아날로그 RF 수신기, MCU 및 출력 제어를 위한 일부 액추에이터를 포함하며 배터리 또는 일정한 종류의 전원에 의해 구동된다. RKE 예를 계속 설명하면, 수신기는 자동차 배터리로 동작하는 선형 레귤레이터에 의해 구동되며 ASK 신호를 비트 스트림으로 복조하는 아날로그 RF 수신기를 갖는다. 복조된 비트 스트림은 이후에 MCU에 의해 카 도어를 잠그거나 여는 데 사용되는 출력 신호로 디코딩된다. 이러한 일반 무선 통신은 많은 기존의 단거리 무선 애플리케이션을 나타내며 이 글에서 기준으로 사용될 것이다.
무선 전송 거리 향상
무선 통신 시스템에서 가장 구현하기를 원하는 기능 중 하나는 긴 전송 거리이다. 전송 거리를 증가시키는 실제적인 두 가지 방법은 송신기의 송신 전력을 증가시키는 것과 수신기의 감도를 향상시키는 것이다. 그러나 정부 규정은 서로 다른 시스템들이 동시에 동작하고 최소 간섭으로 주파수 스펙트럼을 공유할 수 있도록 통신 시스템의 송신 전력을 제한하고 있다. 미국의 연방통신위원회(FCC)와 유럽의 유럽통신표준연구소(ETSI)는 해당 지역에서 방사되는 전력 레벨을 지정하고 무선 장치의 고의적 및 비고의적 전송에 대한 제한을 두고 있다. 이러한 제한은 최대 송신 전력을 결정하므로 실제적으로 무선 전송 거리를 증가시키는 유일한 방법은 수신기 감도를 향상시키는 것이다.
이 RF 기준 시스템을 자세히 살펴보면 SAW 공진기를 기반으로 하는 RF 송신기는 약 ±150kHz의 주파수 불확실성을 가지므로 초기 주파수 정확도가 낮을 뿐 아니라 온도에 따라 불량한 주파수 안전성을 갖는다는 것을 볼 수 있다. 그 결과 큰 전송 반송파 주파수 오프셋이 발생하며 이에 따라 불필요하게 수신기에 넓은 채널 필터가 탑재된다. 넓은 대역폭은 과도한 잡음이 시스템에 삽입되게 하여 전체 감도와 전송 거리를 감소시킨다. 한 가지 가능한 솔루션은 SAW 기반 송신기 대신 크리스털 기반 위상 동기 루프(PLL) 송신기를 사용하는 것이다. 이 솔루션은 수신 채널 필터 대역폭을 감소시킴으로써 송신기의 주파수 정확도를 크게 향상시켜 전송 거리를 증가시킬 수 있다. 또 다른 방법으로는 표준 아날로그 RF 수신기를 프로세싱 성능을 제공하는 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 디지털 복조기가 내장된 혼합 신호 RF 수신기로 대체하는 방법이 있다. 이 혼합 신호 수신기 방법의 장점은 디지털 프로세싱 성능을 이용함으로써 최소 대역폭 필터로 SAW 기반 송신기의 주파수 오프셋을 추적할 수 있으며, 따라서 더 적은 잡음을 갖는다는 점이다. 혼합 신호 RF 수신기의 비용은 CMOS 기술의 지속적인 향상과 관련된 규모의 경제로 인해 아날로그 RF 수신기보다 낮출 수 있다. 수신기의 감도를 향상시키는 다른 방법은 안테나 다이버시티를 사용하는 것이다. 이 기법은 서로 다른 안테나로부터 발생하는 RF 신호의 추가 진폭 및/또는 위상 정보를 사용하여 수신기 감도를 향상시킨다. 이러한 수신기에는 일반적으로 모든 안테나로부터 발생하는 다량의 정보를 처리할 수 있는 프로세싱 성능을 갖는 혼합 신호 집적 회로가 사용된다.
전력 소비 감소
배터리 수명을 향상시키거나 전력 소비를 낮추는 것은 모든 통신 시스템에서 언제나 구현하고자 하는 특성이다. 예를 들어, RKE 시스템의 송신기에서 감소된 전력 소비는 직접 keyfob의 배터리 수명 증가로 전환된다. 수신기에서 절약된 전력 소비는 자동차 배터리의 전류 소비 감소로 이어지며, 이는 자동차가 주차할 때나 정차 시 중요하다. 대부분의 자동차 제조사들은 자동차의 전체 RKE 수신 시스템에 대해 2mA 미만의 평균 전류를 요구한다. 기존 솔루션은 수신기를 낮은 듀티 사이클 폴링 또는 샘플링 모드에서 동작하도록 하여 낮은 평균 전류를 달성한다.
그림 2는 낮은 듀티 사이클 모드에서 동작함으로써 수신기의 평균 전류 소비를 줄여주는 폴링의 기본 개념을 보여준다. 수신기는 대부분의 시간 슬립 모드에서 동작하며 최소한의 전류를 사용하여 슬립 시간(영역 1)을 추적한다. 수신기는 주기적으로 샘플 모드(영역 2)로 들어가는데, 여기서 아날로그 RF 수신기는 활성화되어 입력의 RSSI 레벨을 확인하고 이를 사전 결정된 임계값과 비교하여 착신된 송신 신호가 존재하는지 결정한다. 이 예에서 송신기는 동일한 패킷 정보를 두 번 전송하며(2의 전송 반복률), 수신기가 하나의 패킷도 놓치지 않도록 하나의 송신 패킷을 최소 2번 샘플링할 수 있는 수신기 샘플링 및 슬립 시간이 선택된다.
입력 RSSI 신호가 임계값 레벨을 초과하면 아날로그 RF 수신기가 착신 신호(영역 3)의 추가적 프로세싱을 위해 MCU를 활성화한다. 이 방법의 문제는 RSSI가 임계값보다 클 때마다 착신 신호가 의도된 송신기로부터 오는 것인지 확인하지 않은 채 아날로그 RF 수신기가 외부 MCU를 깨운다는 데 있다. 패킷 또는 어드레스 검증 기능을 갖는 혼합 신호 집적 회로(IC)는 MCU를 인터럽트하고 깨우기 전에 송신된 신호가 수신기에 대해 의도된 것인지 확인하므로 전력을 절감할 수 있다(영역 4). 이것은 자동차가 복잡한 공항에서 붐비는 주차장에 주차되어 있거나 장시간 정차해 있을 때 RKE 수신기에 상당한 전력 절감을 가져다 줄 수 있다.
송신기 측에서 목표는 배터리 수명을 극대화하는 것이며, 이는 낮은 동작 전원 전압과 낮은 누설 전류를 갖는 혼합 신호 IC를 사용하여 달성할 수 있다. 표 1은 가설적 RKE 송신기에 대한 배터리 수명을 계산하는 예를 보여준다. 여기서 송신기는 15mA의 송신 전류, 2.4kbps 데이터 전송률에서 136비트의 패킷 크기, 2의 전송 반복률을 갖고 210mA/hr 용량 및 2uA/H의 전체 누설 비율(17.52mAH/yr)을 갖는 CR2032 코인 셀 배터리를 사용하며 매일 20번 버튼을 누른다고 가정한다. 이 예에서 배터리는 10년 이상 지속 가능하며 슬립 시 발생하는 누설 전류, 송신기의 누설 전류, 그리고 배터리의 자체 누설에 의해 제한된다. 누설 전류를 줄이려면 송신 회로는 버튼 누름이 발생한 후에만 파워 온 되고 전송 후 자동으로 파워 다운 되어야 한다. 이러한 버튼 누름 웨이크 업 기능은 혼합 신호 기술로 쉽게 구현할 수 있는데, 이 기술에서 대형 CMOS 스위치는 송신기 전원 전압을 배터리 또는 접지에 문자 그대로 연결하고 분리할 수 있어 누설 전류를 최소화한다.
저전력 송신기를 설계하는 또 다른 핵심 요소는 전력 증폭기의 전력 효율을 최적화하는 데 있다. 특히 혼합 신호 기술에 적합한 한 가지 기법은 온 칩 버랙터를 사용하여 PCB 루프 안테나를 공진함으로써 최적의 전력 효율을 제공한다. 버랙터(varactor)는 일반적으로 디지털 제어 및/또는 프로그래밍 가능 기능을 위해 일련의 CMOS 스위치에 의해 켜지고 꺼지는 커패시터의 바이너리 가중 어레이로 IC에 구현된다. 아날로그 버랙터 구현은 프로그래밍 가능하지 않으므로 버랙터를 바이어스하기 위한 일부 회로와 전류가 필요하다.
시스템 비용 절감
혼합 신호 집적 설계의 주요 장점 중 하나는 기존 아날로그 RF 설계에 비해 높은 수준의 통합이 가능하고 외부 부품을 사용할 필요가 없다는 점이다. 많은 경우 실리콘 래버러토리스 제품에서 보듯이 혼합 신호 설계는 기존 아날로그 RF 솔루션보다 무선 시스템의 보드 공간과 외부 BOM을 크게 절감하는 동시에 동급 최고 성능을 달성한다. 최근의 혼합 신호 구조는 디지털 백엔드 프로세서가 내장된 고성능 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하여 모든 프런트 엔드 아날로그 회로를 통합하고 있어 외부 부품을 줄여준다. 기존 아날로그 RF 수신기는 채널 필터링을 위해 오프 칩 필터를 필요로 하지만 혼합 신호 구현은 CMOS 트랜지스터로 선명한 롤 오프, 대형 감쇄 및 프로그래밍 가능성이 쉽게 달성되는 디지털 영역에서 거의 전적으로 필터링을 수행한다. 높은 수준의 통합은 BOM 비용을 줄여줄 뿐 아니라 외부 부품을 감소시켜 무선 시스템의 제조 용이성을 향상시켜주므로 제품 비용에 직접적인 영향을 미치는 제조 수율을 높여준다.
결론
혼합 신호 집적 회로에 고유한 설계 기법을 사용할 경우 단거리 무선 통신 시스템을 크게 향상시킬 수 있다. 이러한 집적 회로는 동일한 기판에 아날로그와 디지털 회로를 결합하고 있으며 디지털 기법을 사용하여 아날로그의 불완전함을 보완함으로써 순수 아날로그 회로의 성능을 대폭 향상시킬 수 있다. 실리콘랩의 많은 혼합 신호 회로에는 또한 강력한 DSP 엔진과 디지털 모뎀이 내장되어 있어 착신된 RF 신호에 대한 신호 프로세싱 기능을 수행하여 외부 MCU의 작업 부하를 크게 줄여준다. 이러한 제품의 예로는 무선 제품의 EZ Radio짋 및 EZ Radio PRO™ 제품군이 있다. 이들 제품은 혼합 신호 기법을 구현하여 무선 전송 거리를 확장하고 배터리 수명을 연장하며 단거리 무선 통신 시스템에 사용되는 휴대용 기기의 비용과 크기를 줄여준다.
그림 1. 단거리 무선 통신 시스템의 일반 블록 다이어그램
그림 2. 평균 전류 소비를 줄여주는 듀티 사이클 폴링 방법
표 1. RKE 송신기에 대한 배터리 수명 계산의 예
회원가입 후 이용바랍니다.
개의 댓글
댓글 정렬
BEST댓글
BEST 댓글
답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다.
댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글수정
댓글 수정은 작성 후 1분내에만 가능합니다.
내 댓글 모음