오토모티브 시스템 내 RF 측정 이슈와 방법

TPMS, RKE, PKE, RS 애플리케이션별 RF 테스트

[테크월드=선연수 기자]

최근 레이더가 자율주행의 핵심부품으로 떠오르면서, 무선 주파수(RF, Radio Frequency) 테스트·검증에 대한 수요 범위가 넓어지고 있다. 실제로 더욱 정교해진 RF 컴포넌트 덕분에 자동차는 안전성과 효율성 둘 다를 확보하고 있다. 이로 인해 자동차 설계 엔지니어는 RF 테스트와 검증에 대한 새로운 과제를 안고 있다. 이번 글에서는 일반적인 RF 오토모티브 애플리케이션인 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS, Tire Pressure Monitoring System), 원격 키리스 출입(RKE, Remote Keyless Entry), 수동 키리스 출입(PKE, Passive Keyless Entry), 원격 시동(RS, Remote Starting) 등의 테스트에 대해 자세히 논의해보고자 한다. 우선 블록 다이어그램을 통해 오토모티브 시스템 내 RF 물리 계층을 살펴보고 이어서 트랜스미터, 리시버, EMI 사전 적합성에 대한 테스트 절차를 구체적으로 살펴보기로 한다.

RF 시스템 작동 방식

오토모티브 RF 시스템은 기존에 없던 새로운 개념이 아니다. 상당 부분이 기존의 아키텍처와 컴포넌트를 사용하면서, 오토모티브 애플리케이션에 최적화됐을 뿐이다. 기존 기계식 자동차 키를 대체하는 스마트 키 시스템을 예로 살펴보자. RF 기술은 차에서 조금 떨어진 거리에서 차 문을 잠그거나 잠금을 해제할 수 있는 RKE(Remote Keyless Entry) 기능으로 개발됐다. 이를 통해 잠금을 풀기 위해 차에 가까이 가거나, 열쇠를 돌리는 번거로움이 해소됐다. 이처럼 우리는 키 포브에 RF 트랜스미터가 사용되는 RKE에 익숙하다. 또한, 최근 인기가 높아지는 RS(Remote Starting) 기능은 운전자가 엔진을 원격으로 시동·정지시킬 수 있도록 적용한 것으로, 이런 RS 시스템과 기존 RKE 시스템의 논리는 비슷하다. 키 포브의 버튼을 누르면 키 포브 내의 컨트롤러나 CPU가 기동해 신호를 RF 트랜스미터로 보낸다. 자동차의 리시버가 신호를 포착해 복조하고, 적절한 명령을 컨트롤러로 보내 문을 열거나 자동차에 시동을 건다[그림 1]. 이 논리는 차고 문 개폐기(GDO, Garage Door Opener)와 같은 유사 애플리케이션에도 적용할 수 있다.

이제 직접적인 키 포브 입력 없이도 문을 잠그고 열며, 엔진의 시동·정지를 수행하는 PKE(Passive Keyless Entry)와 수동 시동(PS, Passive Starting) 시스템에 대해 살펴보자. 이 시스템은 타이어의 공기가 충분하지 않을 때 운전자에게 경고하는 TPMS와 비슷하다. [그림 2]를 보면 PKE, PS 시스템과 TPMS는 RKE, RS 시스템과 비교해 트리거, IF 이니시에이터, IF 리시버가 시스템에 추가됨을 알 수 있다.

PKE와 PS 시스템은 사용자가 자동차에 접근하거나 문의 핸들 버튼을 터치하면 트리거 시스템이 활성화된다. 이후 자동차는 암호화된 메시지가 포함된 저주파(LF, Low Frequency) 신호를 키 포브의 LF 리시버로 전송하고, 키 포브는 RF 신호를 자동차로 전송해 문의 개폐, 엔진의 시동 또는 정지를 요청한다.

TPMS는 자동차의 컨트롤러가 LF 이니시에이터를 통해 각 타이어의 센서 모듈을 기동시켜, 순차적으로 압력과 온도 데이터를 받은 후 배터리 잔량을 점검한다. 타이어 압력이 낮으면 시스템에서 차량 대시보드의 표시등을 점등시킨다.

RF PHY 계층

이와 같은 통신 시스템은 두 개의 주파수 도메인인 LF와 RF로 확장된다. 일반적으로 LF 부분에서는 125kHz 진폭 변화 변조(ASK, Amplitude Shift Keying) 신호를 사용하며, LF 링크는 단거리(1m 미만)에서 통신한다.

RF 시스템 중 LF 자동차 연결 RF 애플리케이션에서 널리 사용되는 변조 방식은 ASK다. 소스에서 1을 보내려면 큰 진폭 캐리어(Carrier)를 전송하고 가장 단순한 형태로 '를 보내려면 작은 진폭 캐리어를 전송한다[그림 3]. 온-오프 변조(OOK, On-off Keying)는 ASK의 간소화된 특수 버전으로, 소스에서 0을 보내려고 할 때 캐리어를 전송하지 않는다. OOK는 0을 보낼 때 송신 전력을 절감하기 때문에 배터리 작동식 디바이스에서 널리 사용된다[그림 4].

단거리 오토모티브 RF 애플리케이션에서 널리 사용되는 또 다른 변조 방식은 주파수 편이 변조(FSK, Frequency Shift Keying)로, 서로 다른 반송 주파수를 사용해 1과 0을 전송한다[그림 5]. 모든 FSK 시스템은 전송된 신호가 일정한 엔벨로프를 갖기 때문에 전력 효율이 뛰어난 Class-C 비선형 전력 증폭기를 트랜스미터에서 사용할 수 있다는 큰 장점을 가진다. 이 방식은 ASK나 OOK보다 대역 효율성이 뛰어나지만, 일반적으로 FSK 변조 비용이 ASK나 OOK보다 높다.

대부분의 TPMS, RKE, PKE, RS 시스템은 '인가되지 않은' ISM(Industrial, Scientific and Medical) 대역 중 하나를 반송 주파수로 사용하는데, 유럽에서는 약 434MHz이고 나머지는 대부분 315MHz인 경우가 많다. 보드 속도는 다양하며 일반적으로 2kHz와 20kHz 사이로, 보통은 펄스 정형 필터를 사용하지 않는다. 또한, 이런 시스템은 특정 무선 통신 표준을 기준으로 삼지 않는다.

RF 적용을 위한 테스트 규정과 절차

미래형 오토모티브 RF 애플리케이션은 EMI 특성뿐만 아니라 트랜스미터, 리시버 시스템의 테스트를 통해 철저히 점검해야 한다. 운전자를 만족시키는 것 이상으로, 자동차에 RF를 적용할 시 반드시 고려해야 것들이 많이 존재한다. 자동차 제조사는 엄격한 규정과 제공하며, 경우에 따라 내부 표준을 준수해야 한다. 트랜스미터, 리시버, EMI 필드에 대한 테스트 규정과 절차를 살펴보자.

트랜스미터 테스트

채널 출력·송신 출력은 지정된 채널에서 RF 출력의 전체 평균(과 기타 측정값)에 대한 지표를 제공한다. 중요한 요소는 통신 시스템의 송신 범위를 결정하는 것이지만, 최대 규정 송신 출력 레벨 한도는 국가별로 다르게 규정된다. 실제 최대 송신 출력 레벨은 고지된 규정 한도보다 작게 측정돼야 한다.

주파수 오프셋은 무선 채널의 수신 주파수와 송신 주파수 간 차이다. 반송 주파수가 불일치하면 반송파 간 간섭(ICI, Inter Carrier Interference)이 발생할 수 있다. 점유 대역폭은 전체 신호 출력 중 지정된 비율이 포함된 주파수 대역폭을 측정한 값이다. 예를 들어, 유럽의 불특정 단거리 애플리케이션인 경우 점유 대역폭이 433.05~434.79MHz까지 25kHz 미만이 돼야 한다. 변조 품질에서는 변조가 전송된 심볼의 실제 편차와 예상 편차 간 rms 차이에 따라 결정된, 이상적 변조를 준수하는 근접도를 측정한다. 해당 목적으로 FSK에서는 주파수 편이가 가장 자주 사용된다. 대역 외 방출은 일반적으로 다른 주파수를 생성하는 디바이스에서 보통 의도적으로 생성·전송되지 않은 모든 주파수를 말한다. 트랜스미터의 할당 채널을 벗어난 고조파나 기타 신호는 스퓨리어스(Spurious) 방출로 간주된다. 미국 연방 통신 위원회(FCC, Federal Communications Commission) 등의 현지 규제 표준에 따라 지정된 불필요한 방출 도메인의 스퓨리어스 방출력의 최고 허용 값이 규정된다.

SignalVu-PC는 텍트로닉스의 실시간 USB 스펙트럼 분석기인 ‘RSA300/500/600’ 시리즈에서 사용되는 RF·벡터 신호 분석 소프트웨어다. 범용 디지털 변조 분석에서는 23개 변조 방식을 통한 분석을 제공한다. [그림 6]은 RSA306B 스펙트럼 분석기를 사용해 무선 키 포브에서 트랜스미터 테스트를 수행하는 SignalVu-PC 소프트웨어를 보여준다. DUT(Device Under Test)가 FSK 변조 신호를 433MHz 대역에서 전송하면 SignalVu-PC는 점유 대역폭, 신호 품질 요약, 주파수 편이, 컨스털레이션(Constellation) 다이어그램, 채널 출력과 ACPR, 아이 다이어그램, 복조 신호 테이블, 스펙트럼 분석을 포함한 6개의 각기 다른 테스트 결과 세트를 제공한다. 필요에 따라 더 많은 테스트를 수행할 수도 있다.

[그림 6] RSA306B 스펙트럼 분석기로 무선 키 포브에서 트랜스미터 테스트를 수행하는 SignalVu-PC 소프트웨어 화면

리시버 테스트

감도(Sensitivity)는 무선 통신 시스템의 리시버 성능 중에서 가장 중요한 측정치다. 무선 신호 중 필요한 레벨을 선택하는 무선 리시버 기능을 사용하면 애플리케이션 내에서의 보다 효율적인 작동을 지원할 수 있다.

블로킹(Blocking)에서는 스퓨리어스 응답이나 인접 채널 외의 주파수에 불필요한 간섭체가 있을 때 리시버가 할당된 채널 주파수에서 필요한 신호를 수신하는 능력을 측정한다.

‘TSG4100A’ RF 벡터 신호 발생기는 보급형 가격대의 RF 신호 발생기에서 중급 성능을 제공한다. 저렴한 비용으로 벡터/디지털 변조에 대한 소프트 키 방식의 업그레이드를 할 수 있다. 또한, TPMS, RKE, PKE 시스템에서 가장 일반적으로 사용되는 변조 방식인 ASK와 FSK가 TSG4100A에서 지원된다. [그림 7]은 TPMS, RKE, PKE 시스템의 트랜시버 테스트를 위한 솔루션으로 RSA600과 함께 사용되는 TSG4100A를 보여준다.

EMI 사전 적합성 테스트

전자기 간섭(EMI, ElectroMagnetic Interference) 규정은 전기·전자 장비 사용자에게 개선된 신뢰성과 안전성을 제공하기 위해 전 세계에서 사용되고 있다. 물론 자동차 업계와 개별 차량 제조업체는 다양한 EMI 요건도 충족해야 한다.

‘CISPR 25’는 차량, 트레일러, 디바이스에서 사용하기 위해 고안된 모든 전자·전기 컴포넌트에 적용되는 국제 표준이다. 대부분의 제조업체는 CISPR 25 외에도 CISPR 25 가이드라인을 확대한 자체 표준 세트를 보유하고 있다. 예를 들어, 포드(Ford)에서는 FMC1278을 자체 EMI 규격으로 사용하며, RKE와 TPMS 시스템의 방출 요건은 RE 310 레벨1 또는 레벨2 요건으로 규정된다.

EMI 특성을 최소화하기 위해 제품 설계에 많은 시간과 비용이 투자되고 있다. 대부분의 엔지니어는 우수한 설계 모범 사례를 채택해 EMI 문제에 대한 가능성을 최소화한다. 오늘날에는 제품이 적합성 테스트 단계로 넘어가기 전에 설계, 시제품 제작 단계에서 사전 적합성 측정을 수행해 EMI 문제를 찾아 수정하는 것이 일반적이다. 이렇게 함으로써 제품이 최종적인 완전한 적합성 테스트를 통과하지 못하게 될 위험을 줄이고 테스트 기관에서 소요되는 시간과 비용을 최소화할 수 있다. 사전 적합성 테스트를 수행하면 정식 테스트 전에 규격 외 조건을 파악할 수 있다. 이미 테스트 기관에 제품을 보내 방출 테스트를 통과하지 못한 경우, 자체 실험실에서 테스트를 진행하면 문제를 파악하고 수정할 수 있는 시간적 여유를 가질 수 있다.

텍트로닉스의 USB 실시간 스펙트럼 분석기 RSA300/500/600 시리즈를 통해 간편하고 경제적으로 EMI 사전 적합성 테스트를 수행할 수 있다. RSA306을 사용한 테스트 설정은 복사·전도 방출 측정에 모두 사용돼, 테스트 비용을 줄이고 생산 일정 내에 제품의 EMI 인증을 받을 수 있도록 지원한다.

텍트로닉스 RSA300/500/600 시리즈에 적용된 DPX 기술은 강력한 실시간 아키텍처를 사용해 찾기 어려운 문제점 탐지에 기여하며, 기존 스펙트럼 분석기에서 확인하기 힘든 RF 특성 데이터도 얻을 수 있다. [그림 8]은 근거리장에서 방출 소스를 찾는 데 사용되는 근접장 프로브(Probe)다. DPX 스펙트럼과 일반적인 스펙트럼 디스플레이의 비교에서, 실시간 DPX를 사용하면 출력이 낮은 스퍼(Spur)가 광대역 노이즈 아래에 숨겨져 있어도 확인할 수 있다.

SignalVu-PC에서 스퓨리어스 측정은 한계 대 주파수(Limit vs. Frequency)를 변경하도록 설정되며, 안테나 보정 계수를 적용할 수 있다. 사용자 설정 한계를 넘어선 위반은 표에서 빨간색으로 표시돼 있다. [그림 9]에는 SignalVu-PC와 RSA가 CISPR 25 EMI 사전 적합성 테스트를 수행하는 방법이 나와 있다.