제목: Bluetooth Radio 측정 기술 : 송신기

  출처:  전파진흥협회

 
Bluetooth Radio 측정 기술(1) : 송신기
<전파연구소 RF기술팀 오성택 연구원>,
<광운대학교 정통신연구원 이근호 교수/ RFIC연구실 박우종 연구원>

 

I. 서론

최근 근거리 무선 인터페이스의 새로운 표준으로 Bluetooth가 각광받고 있다.
Bluetooth의 특징은 ISM(Industrial Scientific Medicine) Band중에서 2.4GHz 대역을 사용하므로 별도의 License가 vlfdycl dksgdmau, 1Mps의 전송 속도로 반경 10m이내에서 무선 접속을 하며, 송신기 출력에 따라 100m 이상에서도 통신이 가능하다. 초당 1600회의 FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum) 방식으로 TDD기법을 사용하며 Modulation은 GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying)방식을 사용한다.
Bluetooth Radio는 RF 부분과 Baseband부분으로 이루어져 있고 송신기 출력에 따라 Class 1,2, 3으로 분류하며 각각 최대 출력 100mW(20dBm)으로 구분된다.

 

[그림 1] Class 1 Bluetooth Radio의 블록도

 

[그림 1]은 Class 1 Bluetooth Radio의 블록도를 나타내며, 요구되는 최대 출력 20dBm과 최소 출력 0dBm Step으로 나뉠 수 있어야 하므로, 별도의 PA(Power Amplifier)를 단일칩 Radio 모듈에 외장하여야 구현이 가능하다.

 

[그림 2] Class 2 Bluetooth Radio의 블록도

 

그림 2]는 Class 2 Bluetooth Radio의 블록도를 나타내며, 요구되는 송신기의 최대 출력은 4dBm이며 최소 출력은 -6dBm이므로 단일칩 Radio 모듈만을 사용하여 구현이 가능하지만, 모듈 제작에 사용한 CSR(Cambridge Silicon Radio)사의 BC01 Chip은 최대 출력이 0dBm이므로 PA를 외장하여야 한다.

 

[그림 3] Class 3 Bluetooth Radio의 블록도

 

[그림 3]은 Class 3 Bluetooth Radio의 블록도를 나타내며, 요구되는 송신기의 최대 출력은 0dBm이며 최소 출력은 규정지어지지 않으므로 단일칩 Radio 모듈만을 사용하여 구현이 가능하다.

본 고에서는 Bluetooth Radio를 CSR(Cambridge Silicon Radio)사의 BC01 Chip을 이용하여 최대출력 Power 20dBm 미만 규격의 Class 1로 제작하여 Bluetooth RF Test Specification에 따른 송신단 측정 방법을 제시하였다.

II. Bluetooth Radio 설계 및 제작

 

[그림 4] 제작된 Bluetooth Radio의 블록도

 

[그림 5] 제작된 Transceiver의 블록도30

 

송신부는 BC01 칩의 출력 Tx_a와 Tx_b가 balun을 통하여 combine된 0dBm의 출력이 PA의 입력으로 인가하여 20dBm를 출력한다. 스위치는 Tx Mode로 전환되어 BPF(Band Pass Filter)에서 Filtering 되며 안테나를 통해 출력된다. PA는 선형성 조건을 고려 IIP3롸 P1dB가 큰 소자를 선택하여야 한다. 스위치와 안테나 사이의 BPF는 전송되는 Signal의 Spurious 성분과 Harmonic 성분을 Filtering 한다.
CSR BC01 칩이 가지고 있는 수신단 부분의 특징은 Near Low-IF의 구조로 수신되는 RF신호를 수 백 KHz - 수 MHz대의 낮은 IF신호로 변환시키고, 큰 부피를 차지하는 IF-SAW(Surface Acoustic Wave) 필터가 필요치 않으며 Heterodyne 구조에 일어나는 LO Leakage 등을 피할 수 있다. 수신되는 이미지 주파수 성분은 Image Rejection 믹서에 의하여 차단된다.
CSR의 BC01 칩은 패킷 타입이 BGA로 되어 있으며, 핀의 수가 81 핀으로 구성되어 있으므로, 소형 Bluetooth Radio를 제작하기 위해서는 최소 4 층이상으로 PCB를 구현하여야 한다. 본 고에서는 6층으로 제작하였으며 Build Up Board로 구현하였다. 특히 RF를 이루고 있는 층은 1층과 4층이며 나머지의 층은 Power line과 Ground층을 이루도록 설계하였다.

 

[그림 6] PCB 각층에 사용한 기판

[그림 7] 각 층별 Board 재질

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[그림 6]은 PCB 각층에 사용한 기판을 나타낸다. [그림 7]은 각 층별 Board 재질을 보여주고 있는데, RF단인 1층은 RCC를 사용하였으며, 4층엔 Strip combiner를 설계 제작하였다.

 

[그림 8] PA Schematics

[그림 9] PA 설계 결과

[그림 10] Combiner의 설계 결과

 

PA는 Filter와 Switch의 손실을 고려하여 설계 및 선정을 하여야 한다. 따라서 최대의 출력을 얻기 위해서는 최대 출력 23dBm의 특성을 얻을 수 있는 소자를 선택 설계하는 것이 바랍직하다. [그림 8]과 [그림 9]는 ADS Tool을 사용하여 PA를 설계한 결과를 나타낸다. 그림에서 29.549dB의 Gain은 입력에 10dB를 인가하였기 때문이며, Simulation 결과 19dB의 Gain을 얻을 수 었었다.
또한 Retum Loss -12dB의 결과를 나타내고 있다.
[그림 10]은 Combiner의 설계 결과로 0dB의 출력을 얻도록 설계하였고 2.4GHz 대의 λ /4와 Passive 소자인 Capacitor를 사용하여 설계하였다.

 

[그림 11] 필터의 설계 결과

[그림 12] 필터의 측정 결과

 

본 고에서는 수신 감도를 향상 시키기 위햐여 별도의 LNA을 외장하였으며, 설계시 noise fiqure를 최대로 낮추어 수신 감도에 영향을 최대한으로 줄일 수 있도록 설계하였다.

 

[그림 13] Layout 결과

[그림 14] 40mm x 23mm x 0.8mm의 크기로 제작된 Radio의 사진

 

[그림 13]은 위에서 언급한 설계 결과를 바탕으로 Cadstar를 사용 Layout한 결과를 나타내며 [그림 14]는 40mm x 23mm x 0.8mm의 크기로 제작된 Radio의 사진을 보여준다.

Ⅲ. Bluetooth Radio 송신단 측정


Bluetooth Radio 송신다 시험은 Bluetooth Radio Test Specification에 따라 측정하였다.
시험에 사용된 장비는 BLUETOOTH Communication Device CMU200 (ROHDE & SCHWAR Z사)과 Spectrum Analyzer (ROHDE & SCHWA RX, HP), Signal Geverator와 Flash loading 및 control 프로그램이다.
Bluetooth Radio Test Specification에 규정된 송신단 측정 항목은 Output Power, Power Density, Power Control, Tx Output spectrum-Frequency Range, Tx Output Spectrum-20dB Bandwidth, Tx Output Spectrum-Adjacent Channel Power, Modulation Characteristics, Initial carrier Frequency Tolerance, Carrier Frequency Drift 등이다.

1. Output power 측정

Output power의 규정은 Class 1의 경우 0dBm < power < 20dBm 이다. 시험시 EUT는 50ohm connector로 연결하고, 만약 안테나 connector가 없다면 적당한 coupling device를 통해 tester에 연결한다. 또한 EUT는 loop back 테스트 모드 상태로 두고 Hopping은 on을 한다. EUT가 tester power control을 지원한다면 LMP 명령을 이용 EUT의 출력 power를 최대로 얻을 수 있도록 한다. Tester는 최장 packets이 지원되는 최장 payload(PRBS 9)를 이용 EUT에 전송한다.
측정시 Spectrum analyzer는 다음과 같이 설정한다

-
Center frequency : 가장 낮은 동작 주파수
-
Span : Zero Span
-
Resolution Bandwidth : 3MHz
-
Video Bandwidth : 3MHz
-
Dectector : Peak
-
Mode : Maxhold
-
Sweeptime : packet type (하나의 완전한 packet) 에 의존한다.
-
Trigger : extern (to signalling unit)

EUT가 spectrum analyzer의 center frequency로 burst를 최초 전송시에는 전송 burst 지속 기간이 sweep over 되도록 tiggering 한다. tester는 trace에서 최대 power 값 Ppk를 기록하며 brust 지속시간중 적어도 20%에서 80% 이상에서 average Power Pav를 계산한다.(burst 지속 시간은 average power와 비교하여 3dB 감소되는 leading과 trailing 사이의 시간이다.) Analyzer center frequency를 mid operation grequency와 highest operation frequency로 설정, extrem 시험 조건 하에 모든 지역별 hopping mode의 spec에 대하여 반복한다.

 

[그림 15] 측정된 Output Power

 

[그림 15]는 이러한 측정 방법을 바탕으로 측정된 결과이며 Output Power 17.31dBm으로 규정에 적합함을 볼 수 있었다.

2. Power Density 측정

Power Density 규정치는 20dBm per 100KHz EIRP 아하이며, 주파수 밴드 이내에 가장 낱은 1 채널 내의 power Density 를 측정한다. 측정 세팅은 output power 측정시와 같으며 Spectrum analyzer는 다음과 같이 설정한다.

-
Center frequency : 2441Mhz
-
Span : 240MHz
-
Resolution Bandwidth : 100MHz
-
Video Bandwidth : 100MHz
-
Dectector : Peak
-
Mode : Maxhold
-
Sweeptime : 1 sec per 100MHz span
-
Trigger : freerum

Spetrum analyzer를 측정 trace의 peak 값을 주는 주파수로 설정후 Zero span 및 1분의 sweep time으로 trace의 peak 값으로부터 power density를 계산한다.

 

[그림 16] Power Density 측정 결과

 

[그림 16]은 이러한 측정 방법을 바탕으로 Power Density가 16.98dBm으로 측정된 결과이다.

3. Power Control 측정

Power Control 시험은 class 1에 국한된 항목으로 2 - 8dBm의 step으로 조절 가능하여야 한다.
즉 step을 4 dBm으로 할 경우 측정된 최대 출력이 17dBm일 경우 17, 13, 9, 5, 1dBm 으로 Control되어야 한다. EUT 연결은 앞의 power 측정시와 같게 하며 loopback test mode로 Hopping은 off 시킨다. EUT는 최대 output power를 tester로 전송하고 tester는 LMP 명령을 통하여 최소 송신주파수로 설정하고 pseudo random bitse quence를 payload로 하는 DH1 packets을 EUT에 전송한다.
Spectrum analyzer는 다음과 같이 설정한다

-
Center frequency : 최소 송신주파수
-
Span : Zero Span
-
Resolution Bandwidth : 3MHz
-
Video Bandwidth : 3MHz
-
Dectector : Peak
-
Mode : Maxhold
-
Sweeptime : 하나의 완전한 DH1 packet
-
Trigger : exter (to signalling unit)

시험 방법은 output power의 평균 측정시와 동일하나 output power의 평균 측정시와는 달리 EUT power는 단계적으로 감소하고 다시 증가하므로 Burst 활성 영역의 최소 20%에서 80%의 time window를 이용 zero span mode로 측정한다.

 

[그림 17] Power Control 측정 결과

[그림 17]은 이러한 측정 방법을 바탕으로 측정된 결과이다. 여기에서 주의할 사항은 power control 할 수 있는 프로그램이 있어야만 가능하다.

4. Tx Output Spectrum-Frequency Range 측정

Tx Output Spectrum-Frequency Range 측정규정은 2.402 - 2.483GHz 범위 내에서 작동되는지의 여부를 측정하는 항목이다. Lower Guard Band믄 2MHz이며 Upper Guar Band는 3MHz로 규정되어 있다. (이 항목은 어느 나라의 규정을 따를 것인지에 따라 다르다.)
측정 세팅은 Output 측정시과 같으며 EUT를 가장 낮은 Tx주파수로 설정하고 Tester는 PRBS9를 갖는 DH1 packet을 payload로 EUT에 전송한다.
Spectrum analyzer는 다음과 같이 설정한다

- Resolution Bandwidth(RBW) : 100MHz
- Video Bandwidth : 300MHz
-
Center frequency : TX frequency를 제공하는 가장 낮은 것
-
Star frequency : 2399 & 2405MHz (미국/유럽)
-
Stop frequency : 2475 & 2485MHz (미국/유럽)
-
Dectector : Peak
-
Mode : averaging
-
Sweeptime : 2s (적어도 sample당 하나의 burst)
-
Trigger : extern (to signalling unit)
-
Number of sweeps : 50

 

[그림 18] Tx Output Spectrum-Frequency Range 측정 결과

 

[그림 18]은 측정한 결과를 나타내고 있으며 규정치를 만족함을 알 수 있었다 .

5. Tx Output Spectrum-20dB Bandwidth 측정

Tx Output Spectrum-20dB Bandwidth 측정 규정은 △ f = I fH - fL i <= 1MHz이다. 이항목의 시험은 EUT를 가장 낮은 동작 주파수로 전송하도록 설정한다. (관련된 수신 주파수는 Bluetooth Test specification Annex 6.2.2에 정의되어 있다.)
측정 세팅은 Tx Output Spectrum-Frequency Range 측정시와 같다.
Spectrum analyzer는 다음과 같이 설정한다

-
Resolution Bandwidth(RBW) : 10MHz
-
Video Bandwidth : 30MHz
-
Center frequency : fTx center (가장낮은 Tx 동작 주파수)
-
Span : 2.0MHz
-
Dectector : Peak
-
Mode : Maxhold
-
Sweeptime : auto
-
Trigger : freerum
-
Number of sweeps : 10

전송 채널(emission의 peak)에서 가장 높은 poser 값을 찾은 후 20dB 감소하는 최소 및 최대 주파수를 찾아서 Frequency range를 계산한다.

 

[그림 19] Tx Output Spectrum-20dB Bandwidth 측정 결과

 

[그림 19]에서 990KHz로 규정 치에 포함되는 것을 알 수 있었다.

6. Tx Output Spectrum-Adjacent Channel Power 측정

ACPR(Adjacent Channel Power Radio)은 Spurious Emission을 양으로 나타내기 위해 사용하며, 이 특성은 PA의 성능에 크게 좌우된다.
Blutooth Radio Specification의 In-Band spurious Emission 규정에서 Frequency Offset은 ± 550KHz에서 -20dBC로 규정되어 있다.

 

[그림 20] ACPR 의미 설명

 

[그림 20]은 그 의미 를 설명하고 있으며, 아래의 식으로부터, 채널의 최대 Power (a)와 Offset되는 지점의 최소Power (b)차이의 10dBc/Hz가 얻어진다.

     

[그림 21] Tx Output Spectrum-Adjacent Channel Power 측정 결과

 
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