[Network] RF란?

 

 

💡참고 사이트

http://www.olmicrowaves.com/menucontents/designsupport/rfmicrowave/RF_Transceiver.files/read.htm

[16] RF 송수신 시스템의 이해 (data_a)

 

 

 

RF란?

 

 

radio frequency란? (=무선 주파수)

 

출처 : https://aktinovolia.com/electromagnetic-radiation-spectrum-rf/

• RF(Radio Frequency) : 무선 통신 응용에 사용하는 주파수대역
• 대역 : 통상,  3kHz ~ 300GHz까지 사용하지만, 법규상 10kHz ~ 3000GHz

 

 

RF 주파수

RF 주파수 대역

• LF : 30 kHz - 300 kHz
• MF : 300 kHz - 3 MHz
• HF : 3 MHz - 30 MHz
• VHF : 30 MHz - 300 MHz
• UHF: 300 MHz - 3 GHz
• --------------------------------------
• microwave : 3 GHz - 30 GHz
  *때로는 300GHz 이하 전자기파 스펙트럼 영역을 총칭하기도 한다!

 

주파수 영향

• 주파수 ∝ 통신거리
  : 주파수가 높아질수록 전파의 에너지가 강해지기 때문에 주파수가 클 수록 통신거리가 길어진다.
• 주파수 ∝ 통신 속도
  : 주파수가 높아질수록 더 넓은 대역폭을 사용할 수 있다. 대역폭이 넓을수록 더 많은 데이터를 동시에 전송할 수 있으므로 통신 속도가 빨라진다.
• 주파수 ∝ 간섭영향
  : 주파수가 높을수록 금속, 물 등의 물질에 의한 반사, 흡수, 산란 등의 간섭이 커져 오히려 통신 거리가 짧아질 수 있다.
  
  

 

RF 수신부(RX)

출처 : http://www.olmicrowaves.com/menucontents/designsupport/rfmicrowave/RF_Transceiver.files/read.htm

 

• 1. Antenna (안테나)
  • 공기중의 전자기파(electromagnetic wave) 신호를 수신하여 도선상의 전기적 변화로 전달
• 2. Band select filter (대역선택 필터)
  • 안테나로 수신된 신호는 잡스런 주파수들이 섞여 있으므로, 원하는 주파수 대역만 증폭시켜줄 수 있도록 대역통과 필터링을 한다.
  • 채널을 여러개 쓰는 경우 채널들 전체(in-band)를 통과시켜주어야 한다.
    ( 예를 들어, 사용하는 채널의 주파수가 400, 500, 850 Hz라고 가정하면 400 Hz~850 Hz까지의 전체 범위를 통과시켜야 한다!)
  • 동일한 안테나를 쓰는 경우에는 duplexer가 band select filter의 역할을 겸한다.
• 3. Low Noise Amplifier (LNA, 저잡음 증폭기)
  • 공기중의 잡음이 잔뜩 묻어온 수신신호를, 잡음까지 증폭되는 것을 최대한 억제하면서 신호가 증폭될 수 있도록 해준다.
• 4. Image reject filter (이미지 제거필터)
  
  • LNA에서 증폭된 신호중에서 치명적인 image frequency가 믹서로 전달되는 것을 막기 위해 다시한번 대역통과 필터링을 한다.
  • 부가적으로 spurious 주파수들을 제거한다.
    (* spurious frequency : 원치 않는 곳에서 나타나는 주파수. 이는 일반적으로 전자 장비나 시스템에서 발생하는 무작위 또는 비정상적인 주파수를 말한다.)
  • RF단과 IF단을 분리하여 수신부의 안정성을 제공하는 역할도 한다.
• 5. RF down mixer (RF -> IF 하향변환 혼합기)
  • 저잡음 증폭된 RF 신호를 IF 대역으로 주파수를 하향변환해준다.
    (RF 신호를 직접 처리하기보다는 IF(중간주파수, Intermediate Frequency)대역에서 처리가 더 효율적이고 실용적이기 때문)
  • 주로 혼합기(Mixer)를 사용하여 RF 신호와 로컬 오실레이터(LO, Local Oscillator) 신호를 혼합함으로써 이루어짐
• 6. RF local oscillator (RF LO, RF 국부발진기)
  • RF down mixer에 주파수 합성을 위한 LO주파수를 공급해준다.
  • 채널 선택이 필요한 통신의 경우에는 LO 주파수를 변화시켜 채널선택을 할 수 있다.
• 7. Phase Locked Loop (PLL, 위상고정루프)
  • RF LO의 출력주파수가 흔들리지 않고 일정한 주파수에서 고정될 수 있도록 잡아준다.(locking)
  • control 입력을 통해 RF LO로 사용되는 VCO(전압조정 발진기)의 전압을 정교하게 조절해서 RF LO 출력 주파수를 원하는 주파수로 이동하고 고정시켜준다.
• 8. Channel select filter (채널선택 필터)
  • IF 주파수로 변환된 신호들은 여러 채널들을 다 포함하고 있는데, 이들 중에서 원하는 채널만을 대역통과 필터링하여 선택한다.
  • 각 채널간의 간격은 대부분 좁기 때문에, 채널선택 필터는 스커트 특성이 좋은 필터가 필요하다.
• 9. IF amplifier (IF 증폭기)
  • RF단의 LNA만으로는 미약한 수신신호를 충분히 증폭시킬 수 없으므로, 채널 필터링을 거친 후에 IF amp를 통해 상당량의 신호증폭을 수행한다.
  • 정교한 전력조절이 필요한 경우에는 IF amp의 gain을 VGA(Variable Gain Amplifier)나 AGC(Auto Gain Control)의 형태로 임의 조절할 수 있는 형태로 사용하게 됩니다.
• 10. IF down mixer (IF -> 기저대역 하향변환 혼합기)
  • IF단에서 채널선택과 증폭을 마무리하고, 캐리어 주파수를 제거하여 원래 신호가 담긴 주파수대역인 기저대역(baseband)로 변환하기 위해 다시 하향변환 믹싱을 한다.
• 11. IF local oscillator (IF LO, IF 국부발진기)
  • IF를 baseband로 변환하기 위한 IF mixer에 LO 주파수를 공급해준다.
  • LO주파수를 고정시키기 위해 IF PLL이 부가적으로 사용되기도 한다.

 

 

 

신호 송신부 (TX)

출처 : http://www.olmicrowaves.com/menucontents/designsupport/rfmicrowave/RF_Transceiver.files/read.htm

 

💡노란 박스 부분은 수신(RX)부분의 LNA이후의 블럭도를 좌우 반전 시킨것과 동일하다!

• 1. Drive amplifier (DA, 구동증픅기)
  • Tx단은 Rx단과 달리 일정한 입력신호를 갖고 있는데, PA(Power Amp)는 이 신호를 꽤 큰 전력의 신호로 증폭시키는 역할을 한다. 그러나, PA는 구조상 충분한 gain을 갖고 있지 못한 경우가 많고, 또한 Power amp가 충분한 전력으로 증폭을 하기 위해선 입력신호 역시 어느정도 수준의 전력을 가져야 한다는 단점이 있다.
  • Drive amp는 Power amp의 gain부족을 해결하고, 동시에 PA에 충분한 입력전력을 만들어주는 역할을 한다.
• 3. Power amplifier (PA, 전력증폭기)
  • RF tx부의 최고 핵심 부품으로서, 최종단에서 충분한 전력을 가진 신호를 내보낼 수 있도록 전력증폭하는 기능을 한다.
  • gain을 갖고 신호를 증폭하되, 다른 amp들과 달리 출력에서 많은 전류를 흘릴 수 있도록 설계되어 출력상에서 높은 dBm의 전력을 소화할 수 있다.
  • Tx의 규격은 철저하게 PA의 spec에 따라 결정되는 경우가 많을 정도로, 중요하다.
  • 소형단말 시스템의 경우에는 출력매칭과 일부 주요 소자를 PA MMIC barechip과 함께 집적한 PAM(Power Amp Module)로 사용하는 경우가 많다.
    => PAM을 이용하면 Tx 면적을 줄이면서도 출력매칭의 민감도가 떨어져서 시스템을 구현하기가 쉬워지며, 무엇보다 가장 고장률이 높고 민감한 부품인 PA의 신뢰성에 대한 부담을 PAM을 통해 개선할 수 있게 된다.
• 5. Band select filter (대역선택 필터)
  • spurious 주파수성분들을 잘라내고 원하는 주파수대역만 외부로 방출하기 위해 마지막으로 대역통과 필터링을 수행한다.
  • (*만약, 수신단과 안테나를 공유하는 시스템이라면 duplexer가 이 역할을 겸한다.)
• 4. Isolator (아이솔레이터)
  • 송신단은 신호를 받는 단이 아님에도 불구하고 안테나를 통해 신호가 역으로 유입될 가능성이 존재한다. 따라서 특정 방향으로만 신호가 전달될 수 있도록 하는 역할을 한다.
  • 출력방향으로는 신호가 흐르고, 역방향으로 들어온 신호는 termination 시켜 버려서 역으로 전달되지 않도록 한다.
  • 신호가 역으로 유입되어 PA 출력단의 임피던스를 교란시키는 것을 막아서 PA가 파손되는 것을 방지하한다.
  • 또한 많은 PA들은 출력쪽을 부정합(mismatch)시키고 파워매칭을 하기 때문에 출력쪽의 반사계수(S22)가 나쁜 경우가 있다. 그것으로 인해 VSWR이 높아져서 PA출력단에 불필요한 정재파 전압이 걸려서 PA가 파손되는 것을 막는 역할도 겸하게 된다.
    (아이솔레이터는 커플러처럼 그 자체로 입출력 임피던스가 매칭되어 버리는 것처럼 되는 소자이기 때문)
  • 아이솔레이터는 가격이 상당히 비싼 부품에 속하기 때문에 꼭 필요하다고 판단되는 경우에만 사용한다.
• 5. Band select filter (대역선택 필터)
  • Drive amp는 어차피 비선형성을 가진 증폭기이기 때문에 불필요한 주파수 출력성분이 나타날 수 있다.
  • 그러한 spurious 주파수성분이 Power amp에서 증폭되는 것을 피하기 위해 사용중인 채널대역들만 대역통과 필터링을 수행한다.
• 6. Antenna
  • 최종적으로 도선상의 전기적 신호변화를 공기중의 전자기파로 복사(radiation)시켜준다.