주파수 자원의 효용성

주파수는 한정된 자원이다. 따라서, 적합한 주파수 배분의 문제는 당연히 필요하고 같은 시간과 같은 공간에서의 동일한 주파수를 사용함으로써 발생하는 혼선의 문제는 빈번히 발생할 수 있다. 이 때문에 대부분의 국가에서 주파수 분배와 관련해서는 굉장히 까다로운 규격으로 전파법규를 제정하고 이를 관리하고 있는 것이다.

 

무선통신의 응용분야의 확대

무선통신 방법은 Frequency Division Multiple Access, Time Division Multiple Access 그리고 Code Division Multiple Access등으로 구분할 수 있다. FDMA가 1GHz 이하의 대역에서는 가장 전형적이고 널리 사용되는 방식이지만, 점점더 많은 무선통신기기들과 칩셋들이 보다 쉽게 높은 주파수 대역과 다양한 어플리케이션을 구현 할 수 있도록 편의성을 제공하고 있다.

 

1GHz 이하의 모바일 통신을 위한 적합한 주파수 대역

1GHz이상의 주파수 대역으로는 흔히 우리가 알고 있는 무선랜, 위성 방송용 통신용 C-band와 KU-band등이 있으며, 이러한 주파수 대역은 모바일용이 아니라 고정용에 보다 가깝다. 반면에 1GHz 이하의 주파수는 이동성이 보장되는 모바일용에 적합하다. 이는 고주파로 가면 갈수록 전파의 직진성이 높아지고 빛과 같은 성질을 갖게 되는 원리와 무관하지 않다. 이에 반해, 1GHz이하의 주파수는 저속 또는 중속의 모바일용으로 적합하다고 할 수 있다.

 

1GHz 이하에서의 비허가 주파수 대역

유럽에서는 수십년동안 434MHz 대역을 사용해왔고 최근에 868MHz 대역을 개방함에 따라 다양한 무선통신기기와 칩셋들이 여러 업체를 통해 개발되어 출시되고 있다. 그중에서도 송수신기 그리고 PLL 회로를 내장하고 Direct Conversion 기술 기반의 Quadrature 변조/복조 기능을 내장하고 있는 칩셋들이 점점 더 보편화되고 있다.

 

송신출력의 제약

대부분의 국가에서 서로 다른 규격과 시행규칙이 있긴 하지만, 비허가 대역에서는 송신부의 고출력이 허용되지 않고 대부분이 10mW 이하이다. 이러한 제약과 더불어 요구되는 송신 거리는 당연히 제품의 코스트와 응용처에 따라 달라질 수 있다. 하지만, One-chip IC기반 이던지 discrete type의 radio module 이던간에 거리는 항상 중요한 문제이다.

 

가시거리 100미터

적합한 안테나의 채용은 전송 거리에 있어서 굉장히 중요한 문제 중에 하나이다. 하지만, 우리가 테스트해 본 결과로는 대부분의 one-chip IC는 저가격의 사용용도로써 100미터 이하의 거리 성능을 보여 주고 있다. 100미터 이상의 전송 거리를 요구하는 응용 분야에서의 Radio Module이 필요한 것이다.

 

왜 통신거리가 다를까?

Narrowband와 Wideband에서의 전송 거리는 꽤 다른 양상을 가지고 있다. 대부분의 one-chip radio IC의 수신 감도는 -100dBm이고 반면에 -120dBm의 수신 감도를 갖는 성능이 뛰어난 Radio Module도 있다. 그 차이는 약 20dB이다. 수신 감도의 이 20dB의 차이는 송신기에 있어서는 전체적으로 약 1/100 차이와 맞먹는 수치이다. 송신 파워로 환산하게 되면, 그 차이는 100uW와 10mW의 차이와 같기 때문이다. 이러한 차이는 왜 one-chip radio IC만으로 narrow bandwidth 와 비디오 증폭기에서의 IF amplifier 구현하기가 어려운 이유이기도 하다. 또한, VCO phase noise level에 있어서 discrete type의 VCO에 비해 one-chip radio IC 기반의 것이 더욱 구현하기 어렵기 때문이기도 하다.
아래 그림 A는 2MHz span의 narrow band의 data radio module의 434MHz 주파수의 송신 파형을 보여준다. 그림 B는 광대역 one-chip radio IC의 파형을 보여준다.

 

보시는 것처럼 one-chip radio IC는 열악한 캐리어 파형을 보여주고 있다. 따라서 동시에 동작하는 다수의 기기에는 제한적일 수 밖에 없다. discrete 기반의 radio module는 통상 SAW filter를 가지고 있는데, 이는 혼신을 피하기위해 고주파 증폭부에서 원치않는 주파수 대역을 걸러준다. 그리고 Crystal Monolithic Filter (CMF)는 중간 주파수 증폭부에서 예리한 선택도를 가질 수 있도록 설계된다. 마지막으로 세라믹 필터는 제2 중간 주파수 증폭부에서 7.5KHz이내의 선택도만을 갖도록 설계된다.

 

Narrow band 통신의 단점

우선 기본적으로 수신기의 대역폭이 좁기때문에 고속 통신을 할 수가 없다. 일반적으로 9600bps이하의 속도만 지원되고, 요구되는 주파수의 안정성이 TCXO와 같은 수 ppm 이어야 한다. 물론 크리스탈 발진의 경우에는 온도 보상이 필수적이다. 대부분의 narrow band 모듈은 discrete 부품으로 구성되어 있고 따라서 cost와 체적이 wideband를 지원하는 one-chip radio IC에 비해 높다고 할 수 있다.

 

Narrow band 통신의 장점

narrow band 통신의 가장 큰 장점은 안정적인 장거리 통신이다. 덧붙여, 송신 파형의 캐리어 퓨리티가 대단히 좋기때문에 동일한 주파수 대역내에서 동시에 여러개의 devices들이 운영될 수 있는 이점을 가지고 있다. 즉, 동일한 주파수 대역내에서 높은 주파수 효용성을 가지고 있다는 것이다.
아래 Figure C는 Narrow Band의 송신 파형을 보여준다. 그리고 Figure D는 250KHz의 Span으로 측정된 Narrow Band의 수신 선택도를 보여준다. 아래에서 볼 수 있는 것처럼, 반송파에서 50KHz 떨어진 Noise Level이 약 80dB 만큼 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 이것은 동일한 밴드내에서 다른 Radio 통신이 가능하다는 것을 의미한다.

 

협대역 통신은 건설현장 또는 산업용 설비 등의 제어가 필요한 곳에서 최적의 솔루션을 제공한다.

 

혼신 특성의 다른점

GSM BSC, Tetra Base Station 그리고 Amature Raio Station등과 같은 장비들은 높은 출력의 무선 파형을 내보내고 있기에, 저출력의 장비를 사용할 때 이러한 전파방해 성분에 영향을 받지않도록 설계하는 것이 대단히 중요하다. 또한, 동일 대역에서 다른 Radio deives들이 내보내는 Emissions 들이 전파 장애를 일으킨다는 것을 염두해서 설계해야 한다.
Figure E는 Narrow Band의 수신 전파 방해에 대한 특성을, 그리고 Figure F는 Wide Bnad의 것을 보여주고 있다. 우리는 반송파로부터 50KHz 떨어진 지점에 전파 방해 시스널을 발생하면서 수신기의 에러율을 측정하였다. 반송파의 Signal Strength보다 50dB 높은 방해 전파를 발생시켰음에도 Narrow Band의 경우에는 에러가 발생되지 않았다. 그러나 Wide Band에서는 5dB 높은 방해 전파에서도 에러가 발생되는 것을 보여준다.

 

ACS: Adjacent Channel Selectivity

Adjacent Channel Selectivity (ACS) is a measurement of a receiver’s ability to process a desired signal while rejecting a strong signal in an adjacent frequency channel. ACS is defined as the ratio of the receiver filter attenuation on the assigned channel frequency to the receiver filter attenuation on the adjacent channel frequency.

인접채널선택도는 수신기의 성능을 평가할 수 있는 항목 중 하나이다. 수신기의 선능에 가장 우선 시 되는 것이 감도이지만 (sensitivity), 수신기의 온전한 성능을 위해 가장 중요한 항목 중에 하나라 사려된다. 대다수의 무선 터미널들을 설계할 경우에 이 ACS를 고려하지 않고 설계함으로써, 실제 필드에서 사용 시에 많은 소비자 불만을 야기시킬 수 있는 항목 중에 하나이다.

ACS를 쉽게 설명하면 총 99개의 채널을 사용하고 있는 무선데이타모뎀이 있다고 가정하고, A라고 하는 Node에서 B라고 하는 목적지까지 통신을 하기위해 1번 채널을 사용하고 있다고 가정하자. 채널간격은 12.5KHz이고 데이타의 속도는 1.2Kbps, Modulation은 FSK라고 가정하자. 그리고 이 기기의 송신 시의 deviation은 +/- 0.6KHz, OBW는 8.5KHz 이내라고 가정하자.
A와 B가 1번 채널로 통신하고 있는 중에 A의 매우 가까운 부근에 C가 2번 채널로 D와 통신을 하고 있다면, 인접채널에 대한 누설전력이 발생할 수 있는데, 이럴 경우 자기 감도만큼 A,B,C,D가 온전히 통신할 수 있는 제한값을 의미하는 것이 ACS이다. 만약 A,B,C,D가 -55dB의 값을 가지고 있다면 A또는 B가 자기 감도보다 3dB 강한 시그널의 세기 (예, 감도가 -119dBm일 경우) -116dBm으로 수신하고 있는 중에 C와 D가 인접채널에서 -64dBm의 강력한 세기의 시그널로 통신하여도 온전히 통신할 수 있을만큼 원하지 않는 주파수를 걸러줄 수 있는 능력을 가지고 있느냐를 평가하는 척도인 것이다.
통상 한국의 KCC 그리고 미국의 FCC는 수신기의 성능 자체를 평가하지 않는다. 하지만, 유럽의 ETSI EN300.220 그리고 일본의 ARIB STD-67에서는 수신기의 감도와 ACS 그리고 CO-CH REJECTION 까지도 측정항목에 포함하고 있다.
일본의 ARIB STD-67에서는 ACS 는 40dB 이상 그리고 CO-CH Rejection은 30dB 이상의 값을 요구하고 있다. 실제로는 ACS 50~60dB, Co-CH rejection 40~50dB 정도의 값을 가져야만 평균 이상의 제품이라고 할 수 있다.

 

결론

 

One-Chip Radio IC는 가까운 거리에서의 에러가 났을 경우 여러번 송신이 가능한 Keyless Entry, Barcode 리딩 등과 같은 용도에 적합하다. 협대역 통신은 주로 산업용 및 상업용 원격제어, 센싱 등과 같은 Mission Critical 용도에 적합하다고 할 수 있다.