2. 고속 무선 LAN 장치의 구성

자료집필/제공: 역메카트로닉스연구소
관련자료안내: 무선 LAN 시스템 설계와 측정

본 장치는 변복조부, 고주파부, 안테나, 제어부로 구성되며, 이들을 하나의 케이스에 실장하고 있다. 본 장치의 구성을 그림 2에 나타낸다. 다음에 각부의 구성에 대해 설명한다.

■ 변·복조부의 구성

변조방식은 대역제한에 의한 특성 열화가 적고 또 장래 버스트에 대응한 파형 등화기의 도입을 고려하여 선형변조 방식의 QPSK(Quadri Phase Shift Keying)로 했다. [그림 3]에 롤오프(roll off)율에 대한 RCR STD-34에 규정된 점유 대역폭(99% 대역)과 전송용량, 피크 팩터(피크 전력과 평균전력의 비)의 관계를 나타낸다.

[그림 3]에서, 필터 배치는 송수 균등 배치(입력신호 보정있음)에 대하여 계산했다. 앞서 언급한 바와 같이 본 방식의 GSMA 프레임의 최소 프레임 이용 효율에 있어서, Ethernet과 동등한 스루풋을 실현하기 위해서는 약 25Mbit/s의 전송속도가 필요하다. 또한 19GHz대의 전력 증폭기의 전력 효율은 일반적으로 낮아 back off를 많이 확보하기가 어렵다. 이상과 같은 이유로, 전송계의 열화도 고려하여, 본 방식에서의 roll off율을 0.6으로 했다. 이 경우 전송속도 25Mbit/s(12.5MBaud)에 있어서 신호점유 대역은 약 16.5MHz로 된다.

[그림 4]에 본 방식에 적용한 복조기의 구성을 나타낸다. [그림 4]에 있어서, 검파 방식은 이동 통신의 분야에 적용되고 있으며, 또한 간이한 구성으로 실현되는 순간 위상 검출형의 베이스밴드 지연검파 방식을 사용했다. 또한 roll off 파형정형은 필터의 공용(Ich용, Qch용, 분파)에 의한 부품개수의 삭감, 균일한 특성을 확보하는 것을 목적으로, IF대에서 SAW 필터를 사용하여 실시했다.

이상과 같이, 변조방식으로 QPSK, 검파 방식은 지연검파를 채용함으로써 중간주파대의 증폭기에는 리미터 앰프를 사용할 수 있게 된다. 리미터 앰프는 AGC 증폭기와 같이 이득의 제어 기능이 필요없으므로, 본 방식과 같이 고속 버스트 신호의 증폭에는 최적이다.

클록 신호의 재생은 캐리어 주파수의 드리프트에 의한 주파수 오프셋의 영향을 가급적 억제하기 위해, 리미터 앰프 출력을 분기하여, IF 신호에서 tank limiter 방식으로 추출했다. 클록 신호를 재생하기 위한 탱크 회로의 Q는 높을수록 재생한 클록의 위상 잡음 특성은 양호하지만, Q에 비례하여 지연시간이 증가하기 때문에 최적한 Q로 할 필요가 있다. 본 방식의 GSMA 프레임의 선두에 50심벌(100bit/s)의 비트 동기신호가 부가되어 있고 이 시간내에 클록을 재생할 필요가 있기 때문에 탱크 회로의 지연시간을 고려하여 Q를 약 90으로 했다.

또한 지연검파 회로는 캐리어 주파수의 드리프트의 영향을 받아 위상 오차로 되어 부호 오류율 특성이 열화한다. 이 때문에 AFC 기능을 설치하는 것이 일반적이지만, 본 방식과 같이 고속 버스트 신호에 대하여 안정하게 동작하는 AFC 회로를 실현하기 위해서는 제어가 복잡해질 뿐만 아니라 회로 규모가 커져 장치의 소형화에는 불리하다.

특히 CM의 수하에 있는 최대 10대의 각 UM의 송신 주파수는 지정 주파수에 대하여 규격(지정 주파수 ±10ppm) 범위내에서, 온도특성 등을 포함하여 주파수차가 있기 때문에 CM의 AFC 회로는 각 UM이 송신하는 버스트 신호에 대하여 주파수를 추종할 필요가 있으며, AFC 회로의 제어가 더욱 복잡해져 회로 규모도 증대한다. 이 때문에 본 방식에서는 주파수 synthesizer를 사용하여, 송수신의 캐리어 주파수 안정도를 ±3ppm 이하로 고안정화시킴으로써 AFC 기능을 사용하지 않으므로 회로의 간이화를 꾀할 수 있었다. 이 경우의 등가 C/N 열화량을 계산에 의해 구하면 BER=1×10-5점에서 0.5dB 이하이다.

■ 고주파부의 구성

고주파부는 송신부, 수신부 및 송수신을 전환하는 TDD 스위치로 구성된다. 송신부는 spurious 발사의 강도, 인접 채널 누설전력, 수신부는 패킷 규격 감도 등의 전기적 특성이 표준 규격으로 규정되어 있다. 이들 규격을 만족하면서 소형으로 고능률의 고주파부의 구성에 대하여 검토했다. 중간주파수는 이미지 신호의 누설 및 spurious 억압 등의 면에서 높은 주파수로 설정하는 것이 바람직한데, 변복조부의 실현성을 고려하여 140MHz로 했다. 이 경우 특히 문제가 되는 것이 주파수 변환용 로컬의 억압으로, 본 장치에서는 주파수 변환기를 로컬 억압 특성이 우수한 짝수 고조파 믹서(EHM: Even Harmonic Mixer)를 사용했다. EHM은 입출력의 방향성은 없고 송수신 공용할 수 있다는 특징을 가지며, 또한 믹서 자체가 로컬의 2체배회로로 동작하기 위해 로컬 주파수는 원래 필요한 주파수의 1/2로 해결되기 때문에 로컬 발진기의 구성이 용이하게 된다. 더구나, 믹서 출력에 있어서 체배된 로컬은 상쇄되므로 스푸리어스를 억압하는 필터의 설계가 용이하다는 등의 이점이 있다.

송신부의 송신출력은 방식 설계의 요구로 TDD 스위치단에서 18.5dBm(70mW)가 필요하다. 본 방식의 변조방식은 QPSK에서 roll off 파형 정형하여 대역 제한을 하고 있기 때문에 신호파형은 overshoot한다. 이 때문에 전력증폭기의 back off를 확보하지 않으면 비선형 일그러짐이 발생하여 통신품질이 열화할 뿐만 아니라 인접 채널 누설 전력이 증가하여 다른 통신에 간섭을 준다. 이 때문에 표준 규격으로 규정되어 있는 인접 채널 간섭 전력을 만족시키기 위해 전력 증폭기의 back off를 4dB로 하고, 또 TDD 스위치 등의 손실을 고려하여 1dB 포화 출력전력(P1dB)이 +26dBm인 전력 증폭기를 사용하기로 했다.

수신부는 전송속도가 12.5M Baud로 광대역이며, 안정한 통신을 확보하기 위해서 저잡음화함과 동시에 넓은 dynamic range가 필요하다. 이 때문에 저잡음 증폭기로 HEMT(High Electron Mobility Transistor)를 사용함으로써 더욱 수신부의 잡음지수를 4dB 이하로 낮추어, TDD 스위치단에서 종합 잡음지수 7dB 이하를 실현했다. 또한 중간주파 증폭기는 고속 버스트 신호 및 수신전력이 급격한 변화에 대해서도 응답성이 우수한 리미터 앰프를 사용하여, 안정하게 45dB 이상의 dynamic range를 얻었다.

TDD 스위치는 고속으로 송수신 전환을 하기 위해, 고속 응답 특성이 필요하고, 게다가 저손실, 높은 아이솔레이션이 요구된다. TDD 스위치는 중간주파수대와 19GHz대의 두 종류가 필요하지만 중간주파수대는 저가격의 FET 스위치를 사용하여 손실 1.5dB 이하, 아이솔레이션 30dB 이상, 전환시간 100ns 이하를, 또한 19GHz대는 특히 저손실이 요구되므로 스위치 전용 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits)를 선정하여 손실 3dB 이하, 아이솔레이션 30dB 이상, 전환시간 100ns 이하를 실현했다.

■ 안테나의 구성

종래의 무선 LAN 시스템에서 CM 및 UM의 안테나에 대해 양자 모두 좁은 빔 6섹터 구성으로 한 방식이 제안되어 제품화되고 있다. 이 방식의 특징은 multipass에 의한 영향을 저감할 수 있지만, 결점은 CM, UM 간의 유효 패스의 서치는 6섹터의 모든 조합에 대하여 실시할 필요가 있어, 그 제어가 복잡해진다. 특히 CM은 복수의 UM을 관리하기 위해, UM마다 통신에 유효한 패스를 항상 서치하여 갱신 및 기억할 필요가 있기 때문에 이들 제어는 더욱 복잡해져 전송 효율이 저하한다. 이 때문에 본 시스템의 안테나 구성은 CM이 원추면내 옴니 지향성, UM이 원추면내에서 30도 빔의 12섹터로 했다. CM용 안테나는 동보성을 확보하여 실내의 어떤 장소에서에서도 통신할 수 있도록 하기 위해 무지향성으로 하는 것이 바람직하다. 또한 고속통신을 안정하게 확보하기 위해서는 옥내 전파에 있어서 multipass 억압이 필수이고 예민한 지향성의 안테나가 꼭 필요하다. 그래서, 옥내 전파지연 특성 해석에 의해, 25Mbit/s의 통신속도의 실현에 필요한 UM의 빔폭을 구하고(또한 섹터 안테나 구성을 이용하여 전체 주위 방향을 커버하고 있다), 이것에 의해 안테나의 전환 제어는 UM만으로 해결되기 때문에 CM이 하는 동보 통신 등의 제어, UM에서는 유효 패스의 서치 및 관리, 그리고 각도 diversity의 패스 전환 제어 등을 대폭 간이화했다.

UM용 안테나는 소형인 것이 바람직하지만, 지향성을 예민하게 하기 위해서는 원리적으로 안테나 개구 지름을 크게 할 필요가 있어, 소형화가 곤란하다고 하는 문제가 있었다. 이 문제에 대하여 유전체를 이용하여 그 장하법을 연구함으로써 안테나의 소형화를 실현했다. 이번에 개발한 UM용 안테나의 모양을 [사진 1]에 나타낸다.

이 안테나는 박형의 3차원 corner reflector antenna를 배열한 것인데, 그 금속측 판에는 양초(taper) 모양의 테플론판을 장하하고 있다. 이 유전체에 의해 안테나 내부 전자계를 제어하여 소요 지향성(원추면 30도 빔, 틸트각 20도, 프론트백비 20dB 이상, 아이솔레이션 30 이상)과 소형화(높이 10mm, 지름 150mmφ)를 동시에 달성하고 있다. 본 안테나의 원추면 방사 지향성을 유전체를 사용하지 않는 종래의 corner reflector antenna와 비교한 것을 [그림 5]에 나타낸다.

[그림 5]에서 실선은 테프론을 장하한 경우, 파선은 장하하지 않은 경우의 특성이다. 안테나의 높이를 10mm까지 낮추면 테프론을 사용하지 않은 경우의 -3dB 빔폭은 43도로 넓어져 버리지만, 테프론을 장하함으로써 빔이 좁아져 원하는 지향성의 빔폭 30도를 얻고 있다. 장하한 Teflon의 두께와, 양초 형상은 다른 희망 특성과 함께 만족시키도록 실험에 의해 최적값을 정하고 있다. 본 기술에 의해 유전체가 없는 종래의 안테나에 비해 높이를 1/2인 10mm로 저감할 수 있어, UM 장치의 소형화를 실현했다.

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