한결 가벼워진 임베디드 시스템 개발자의 무선 설계 과제

무선 제어 및 통신 기능이 내장된 전자 기기와 가전제품이 점점 다양해지면서 무선 연결은 모든 산업 분야에 급속도로 확산되고 있다. 소비자들이 RF 탑재로 인한 편리함에 익숙해지면서, 무선 기능은 대부분의 전자 제품에서 기본적인 요구 사항이 되고 있다.

최근 대부분의 전자 제품에서 무선 기능은 기본적으로 갖추어야 할 사항이 됐지만, 무선 연결 구현이 결코 쉽지만은 않다. 안테나 디자인, 변조 설정 등의 RF 고려 사항은 재래식 온보드 컨트롤 요구 사항과 전혀 다른 경우가 많다. 게다가 규제적 표준, 소비자 기대 등에 부응하려면 뛰어난 무선 성능을 구현해야 한다.
대부분의 저렴한 무선 솔루션은 성능이 약하고 구현이 어려운 기초적인 컴포넌트를 사용한다. 구현이 간단한 솔루션은 뛰어난 성능에 필요한 유연성을 갖추지 못한 경우가 많으며, 겉으로 보기에 단순한 것처럼 보이는 솔루션이 비싼 경우도 많다.
하지만 제대로 알고 찾으면 고성능, 사용 편의성 및 저렴한 비용을 두루 갖춘 무선 솔루션을 발굴하는 것이 불가능하지는 않다.

규제 준수

1. 주파수 사용
각 지역 또는 국가의 규제 기관은 무선 시스템의 가장 기본적인 성능 요구 사항을 결정한다. 규제 기관은 애플리케이션이 작동하는 주파수, 전자파 방출 수준 및 대부분의 경우 전송 타이밍까지 규제한다. 각 지역별로 가용 무선 스펙트럼을 다르게 할당하므로 구체적인 표준은 매우 광범위하다.
미국에서는 비허가 주파수를 사용하는 대부분의 애플리케이션이 FCC Part 15.231(260∼470MHz), FCC Part 15.240(433.5∼434.5MHz) 또는 FCC Part 15.247 및 15.249(902∼928MHz)를 따른다. 유럽에서는 ETSI EN 300-220(138.2∼138.45MHz, 433.05∼434.45MHz 및 863-870MHz)을 준수해야 한다. 기타 지역에서는 브라질의 ANATEL 및 일본의 ARIB와 같이 각각 다른 현지 표준이 적용된다.

2. 송신 전력 제한
무선 시스템 표준의 주된 요구 사항은 전력 대비 주파수, 필요한 신호 및 대역 외 스퍼(Out-of-band spur)와 고조파의 송신 전력 제한에 관한 것이다. 기본 신호 요구 사항은 대부분 최고 평균 전력 레벨 및 최고 피크 전력 레벨 두 가지로 명시된다.
예를 들어 FCC Part 15.240은 최대 평균 필드 강도를 11mV/m(3m)로 정했지만, 피크 강도는 최고 55mV/m (3m)까지 허용한다. 이 범위의 필드 강도에서는 디바이스가 듀티 싸이클 적용일 때보다 높은 피크 전력에서 전송할 수 있다. 일부 표준에서는 이 요구 사항을 한층 강화하고 전송 주기 또는 주파수 호핑 기법에 관한 자세한 지침을 제시하고 있다.

3. 대역 외 제한
대역 외 성능 제한은 훨씬 더 엄격하다. 각 표준 기구는 송신 전력 중 지정된 대역을 벗어나는 전력에 대해 제한을 가한다. 이 제한은 애플리케이션 차단 가능성의 중요도에 따라 주파수별로 달라진다.
FCC는 제한 대역 목록을 제시하고 내역 내 최대 필드 강도를 960MHz 이상에서 500㎶/m(3m)(－41 dBm EIRP에 해당), 960MHz 미만에서 200㎶/m(3m)(－49dbm EIRP에 해당)까지 허용한다.
나머지 모든 주파수는, Part 15.249를 사용하는 경우를 제외하고는 최소한 20dBc의 잡음 억제를 유지해야 하는데, 이 경우 －41dBm 및 －49dBm 한도가 모든 스퍼(Spur) 및 고조파에 적용된다. 902∼928MHz 범위에서 작동하는 애플리케이션의 경우 모든 대역 근처 스퍼(Near-band spur) 및 3차 고조파가 요주의 대상이다. 이것은 모든 지역에서 대역 외 송신 성능이 중요한 디자인 과제 중 하나가 될 것이다.



고객 기대치

무선 시스템에 대한 고객의 요구는 규제 요구 사항보다 훨씬 더 까다롭다. 어디서나 연결이 보장되는 휴대용 무선 장치를 갖고 있는 것은 이제 당연한 일이 되었고, 고객은 자신이 구입하는 무선 제품이 RF 간섭원이나 물리적 장벽에 관계없이 어떤 환경에서도 원활하게 작동할 것이라고 생각한다. 또한 각 세대의 무선 제품이 이전 제품보다 범위가 넓고 배터리 수명도 길 것이라 기대한다. 결과적으로 선택도, 범위 및 효율에 대한 요구가 점점 커지고 있다.

1. 수신기의 선택도
이것은 해당 영역에서 필요한 전송파를 다른 신호 및 잡음과 얼마나 잘 구분하는지 결정하는 요인이다. 뛰어난 성능을 얻기 위해서는 일반적으로 필터링을 추가하거나 선택도와 차단 기준이 높은 디바이스를 사용해야 한다. 두 옵션 중 필터링을 추가하는 것은 시스템 비용과 손실 모두를 증가시켜 수신기 선택도를 떨어뜨리므로 별로 추천하고 싶지 않다.

2. 범위
범위는 또 다른 중요 파라미터이다. 긴 가시 거리 확보가 중요하지 않은 경우에도 벽과 기타 장벽을 잘 통과할 만큼 충분한 범위를 가져야 한다. 우수한 범위를 확보하는 것은 안테나 이득, 수신기 감도, 송신 전력에 따라 결정된다.
안테나 이득의 제한 요인은 일반적으로 비용 및 디바이스 폼팩터이다. 대부분의 소비자 무선 애플리케이션은 비용 때문에 PCB 추적 안테나를 사용하지만 다른 안테나 옵션에 비해 이득이 낮다(주로 －20dB 미만). 수신 감도는 범위에 영향을 주는 또 다른 파라미터이고 최적화하기 가장 좋은 변수이기도 하다. 이것은 그나마 수신하고 해석할 수 있는 전력에 가해지는 제한을 줄여준다. 따라서 감도와 선택도가 모두 우수한 수신기를 찾으면 원하는 범위 요구 사항을 보다 쉽게 충족시킬 수 있다. 이러한 접근 방식을 채택하면 안테나 설계 및 송신 설정에 있어 유연성과 설계 상의 재량이 커진다.
범위를 결정하는 또 다른 요인으로 송신측의 출력 전력 레벨이 있다. 하지만 출력 전력 레벨을 설정하는 방법에 제한이 있을 수 있다. 송신 전력을 높이면 전류 소모도 커지는데, 이는 배터리 수명에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 또한 규제적 표준에 의해서도 허용 출력 전력이 제한된다.

3. 전력
마지막으로, 소비자가 크게 신경을 쓰는 부분 중 하나가 배터리 수명이므로 디바이스의 전력 효율이 중요하다. 전력 효율을 극대화하는 데에는, 대부분의 애플리케이션이 어떤 형태로든 듀티 싸이클을 사용하므로 유효 전류 및 차단 전류 모두 중요한 고려 대상이다. 주기 중 대부분의 시간 동안 신호가 없는 애플리케이션에서는 차단 전류가 유효 전류보다 훨씬 중요할 것이다.

하드웨어 설계 시 고려해야 할 사항

이 모든 요구 사항을 무선 애플리케이션에 얼마나 쉽게 실현할 수 있는가 하는 여부는 일부 솔루션의 토폴로지에 따라 결정된다. 일반적으로는 임의의 무선 제품에서 통합 수준이 높아질수록 구현이 쉬워진다. 통합 수준은 트랜지스터 바이어싱 및 매칭이 필요한 완전 개별 솔루션에서 완전 자급자족형 통합 솔루션까지 다양하다.
많은 애플리케이션이 그림 3의 시스템과 같이 일부 개별형 솔루션을 채택한다. 이 방법은 잘 알려진 송신기를 제공한다는 이점이 있지만, 동작하려면 수많은 외부 컴포넌트가 있어야 한다. 그림 4의 시스템과 같은 완전 통합형 솔루션은 외부 컴포넌트가 거의 필요하지 않다. 필터링 및 튜닝 작업 대부분이 부품 내부에서 실행되거나 안테나 고유의 필터링에 의해 실행된다.





1. 안테나 선택
무선 시스템에서 가장 많이 사용하는 안테나는 소형 PCB 추적 안테나이지만, 때에 따라 이득이 큰 모노폴 및 와이어 헬리칼(Wire Helical) 안테나도 고성능 애플리케이션에 사용된다.
PCB 안테나는 중심 주파수에서 1/4 파장으로 되어 이상적이기는 하지만, 제품 폼팩터 제한 때문에 사이즈에 제약이 있고 매칭 요소에도 큰 부담을 주므로 안테나 이득이 더 줄어든다.
안테나 매칭 및 추가 필터링은 사용하는 안테나 및 무선 IC의 성능에 따라 달라진다. 고조파 성능이 우수한 송신기 또는 선택도와 차단 능력이 뛰어난 수신기를 사용할 경우 추가 필터링은 거의 필요 없다. 하지만 무선 장치의 대역 외 성능이 낮은 경우에는 방해 주파수를 걸러내는 데 특별한 주의를 기울여야 한다. 또한 매칭 품질도 시스템 손실에 영향을 미친다. 감도가 뛰어난 수신기를 선택하면 매칭의 오차 한계를 줄여 설계를 단순화할 수 있다.

디바이스 구성 시 고려해야 할 사항

무선 장치는 정보를 정확하게 송수신하도록 구성해야 한다. 변조 형식, 데이터 속도, 주파수 편이 및 수신 대역폭이 디바이스 구성 방식을 결정짓는 기본 파라미터이다.
데이터 속도 선택은, 일반적으로 범위를 최적화하기 위한 저속 및 배터리 수명을 최적화하기 위한 고속간 균형을 맞추는 일이다. 데이터 속도는 데이터의 양에도 영향을 받는데, 오디오 또는 비디오 전송과 같은 대용량 데이터 애플리케이션에서는 높은 데이터 속도가 요구된다.
무선 IC의 성능 및 주파수 발생원(크리스털)의 정확도가 주파수 편이 및 수신 대역폭에 영향을 준다. 수신 대역폭은 시스템에 허용되는 총잡음량을 결정하므로 시스템 감도 및 전체 범위에 큰 영향을 미친다. 하지만 수신 대역폭은 송수신기 오실레이터 허용 오차를 수용하며, FSK(Frequency Shift Keying) 변조를 사용할 경우 주파수 편이 거리를 감당할 정도로는 커야 한다. 자동 주파수 교정 등 무선 IC 기능을 이용하면 저렴하고 정확도가 떨어지는 크리스털을 사용하는 경우에도 수신 대역폭을 좁게 유지할 수 있다. 이 모든 파라미터를 최적화하는 것이 뛰어난 성능을 얻는 데 매우 중요하다.
일부 무선 장치의 경우 부품 내 레지스터를 설정하여 구성한다. 하지만 하나의 구성 파라미터가 여러 레지스터 설정에 영향을 줄 수 있으므로 레지스터 설정이 어려울 수 있다. 일부 장치에는 각 레지스터의 설정을 관리하기 쉽고 이해하기 쉬운 명령으로 변환하는 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)가 존재한다. 변환된 명령은 무선 IC 및 마이크로컨트롤러(MCU)간 인터페이스(보통 SPI 또는 I2C 인터페이스)를 통해 장치로 전송된다.

무선 솔루션의 예

무선 시스템은 수많은 성능 요구 사항 및 구현 복잡성을 포함하고 있다. 최우선 설계 목표는 규제 요구 사항, 소비자 기대 및 구현 과제간 균형을 맞출 수 있는 쉽고 저렴한 방법을 제공하는 솔루션을 찾는 것이다. 이상적인 무선 솔루션은 저렴한 고성능 무선 디바이스에 구현이 용이하며 개발자 친화적인 애플리케이션 툴을 결합한 것이라 생각한다.
예를 들어, 실리콘랩스의 Si4455 EZRadio짋 송수신기는 출력 전력이 높고 전류 소모, 감도, 선택도, 차단 등과 같은 중요한 부분에서 대부분의 다른 무선 장치를 추월한다. 또한 유사한 다른 무선 장치에서 볼 수 없는 추가 기능도 있는데, 일례로 자동 주파수 제어 및 통신 데이터 구조를 관리하는 내부 패킷 핸들러가 있다.
또한 실리콘랩스는 평가 툴 및 하드웨어 설계의 좋은 기초로 사용할 수 있는 데모 보드(그림 5 참조)를 제공한다. 데모 보드는 RF 영역과 MCU 영역에서 사용할 수 있다. 이와 같은 구성으로 보드를 자체 테스트하거나 최종 애플리케이션에서 RF 영역을 제거하고 테스트할 수 있다. 데모 보드를 참조 설계로 활용할 수 있도록 실리콘랩스의 웹사이트 www.silabs.com/EZRadio에서는 전체 회로도 및 레이아웃 파일 다운로드도 제공하고 있다.



편리한 구성 과제 해결 방법

사용 편의성이 뛰어난 EZRadio 디바이스용 구성 툴을 이용하면 개발 프로세스가 단순해지고(그림 6 참조), 개발자가 보다 쉽게 각 애플리케이션의 최적 설정을 결정할 수 있다. 구성 마법사(그림 7 참조)는 규제적 표준에 맞는 디자인 구현을 지원하며, 실리콘랩스가 최적화하고 테스트해 놓은 예비 구성 목록도 제공한다. 또한 필요한 주파수 및 오실레이터 허용 오차를 제공하는 옵션도 있어 구성 마법사가 최고의 성능을 발휘할 수 있는 수신 대역폭을 결정할 수 있다. 여기까지 완료되면 구성 마법사가 디바이스를 구성하는 데 필요한 모든 코드를 생성하고 애플리케이션 프로그램의 시작점으로 사용할 수 있는 데모 코드까지 생성한다.





전반적으로 이런 유형의 무선 제품은 수많은 디자인 요구 사항에 맞는 포괄적인 솔루션을 제공하면서 애플리케이션에 무선 연결을 구현하는 작업을 크게 간소화시켜 준다. 고성능, 사용 편의성 및 유용한 지원 툴 덕분에 설계 재량이 커지고 구현이 용이해진다. 또한 무선 IC 제품이 비교적 저렴하고 디바이스의 뛰어난 성능 및 통합된 기능 덕분에 추가 지원 컴포넌트의 수와 비용도 최소화되므로, 시스템 차원에서 이와 같은 솔루션의 비용은 전반적으로 감소할 것이다.
무선 설계 구현은 소비자와 다양한 규제 기관의 요구 사항, 하드웨어 설계, 시스템 구성에 관한 복잡한 결정을 생각했을 때 매우 어려운 작업이다. 다행히 실리콘랩스의 EZRadio 디바이스와 같이 고도로 통합된 무선 IC 제품이 출시됨에 따라, 규제적 표준과 소비자 요구를 충족시키는 뛰어난 성능을 제공하는 동시에 거의 모든 임베디드 애플리케이션에 무선 연결을 손쉽게 접목시킬 수 있는 온칩 기능 및 개발 툴을 제공하는, 저렴하고 쉽게 구현 가능한 솔루션을 얻을 수 있게 됐다.

Michael Armentrout Silicon Labs