RF에 대한 설명

소개

무선 주파수(RF) 기본 용어, 작동 원리, 실제 설계 및 테스트에 대해 설명합니다.

 

기본 RF 용어

 

무선 주파수(RF)

• 300MHz보다 큰 신호 주파수는 RF로 간주됩니다.
• 최신 이동통신 표준인 LTE에서 저대역은 대략 600MHz에서 시작하여 6000MHz까지 확장됩니다( https://www.sqimway.com/lte_band.php 참조). B46은 주파수 면에서 마지막 LTE 대역입니다.

 

캐리어 신호

• 음성 및 데이터와 같은 "실제" 정보 신호의 낮은 대역폭을 "전달"하는 고주파 신호입니다.
• 그 이유는 가전제품의 소형화로 인해 무선 네트워크의 송수신에 작은 안테나를 사용하여 효율적인 전자기파를 복사하기 위해 높은 RF 캐리어 신호가 필요하기 때문입니다.

 

베이스밴드 신호

• 음성 및 데이터와 같은 데이터를 포함한 저대역폭 아날로그 신호로, 일반적으로 라디오 수신기의 아날로그-디지털 변환기(ADC) 또는 라디오 송신기의 디지털-아날로그 변환기(DAC) 바로 다음에 RF에서 DC로 다운컨버팅한 후에 발견됩니다.
• 낮은 BW 기저대역 신호를 사용하는 두 가지 주요 이유는 다음과 같습니다.
• ADC/DAC의 샘플링 범위 내에 들어옴 : 샘플링 속도는 디지털 신호 처리 전/후에 필요한 ADC/DAC 혼합 신호 하드웨어에서 제한됩니다.
• 향상된 선택성: 더 날카로운 롤오프를 갖춘 더 쉬운 필터 설계를 더 낮은 주파수에서 구성할 수 있습니다.

구적법: 두 벡터 사이의 직교 관계(즉, 90도).

Quadrature I/Q Components: 두 개의 구성 요소 I(동상 신호)와 Q(위상 이탈 신호)는 90도 위상이 다릅니다. IQ 신호는 현대 디지털 변조 및 복조 방식의 기본 요소입니다.

 

조정

변조는 메시지를 인코딩하는 것을 의미합니다. RF의 맥락에서 두 가지 방식으로 생각할 수 있습니다.

1. 캐리어 주파수 신호에 기저대역 메시지를 인코딩합니다.
2. 주파수는 기저대역 신호를 무선 주파수 신호로 전환합니다.

 

아날로그 변조

• 음성이나 작은 데이터 패킷과 같이 데이터 대역폭이 낮은 장거리 전송을 위해 아날로그 기저대역 신호를 RF 캐리어 신호로 인코딩하는 데 사용됩니다.
• 일반적인 아날로그 변조는 다음과 같습니다.
• 진폭 변조(AM): 아날로그 기저대역 신호는 다양한 RF 캐리어 신호 진폭의 형태로 RF 캐리어 신호에 인코딩됩니다.
• 주파수 변조(FM): 아날로그 기저대역 신호는 다양한 RF 캐리어 신호 주파수 형태로 RF 캐리어 신호에 인코딩됩니다.

 

디지털 변조.

• 이는 대용량 파일 다운로드 및 비디오 스트리밍과 같이 높은 데이터 대역폭을 사용하는 단거리에서 중거리 전송을 위해 디지털 기저대역 신호(예: 이진 비트 0과 1)를 RF 캐리어 신호로 인코딩하는 데 사용됩니다.
• 일반적인 디지털 변조는 다음과 같습니다.
• 진폭 편이 변조(Amplitude Shift Keying): 1과 0이 RF 캐리어 전송을 켜고 끄는 방식으로 표현되는 1비트 이진 신호 변조 방식입니다.
• 주파수 편이 키잉: 1비트 이진 신호 변조 방식으로, 1과 0은 고주파에서 저주파로 RF 캐리어 신호를 변경하여 표현됩니다.
• 위상 편이 키잉: 1비트 심볼 이진 신호 변조 방식으로 1과 0이 RF 캐리어 신호 위상 관계의 변화로 표현됩니다.
• 직교 진폭 변조(QAM): 기저대역 신호는 위상이 90도 다른 두 개의 반송파 신호(즉, I & Q 성분)를 합산하여 인코딩되며, 두 개의 I/Q 반송파의 위상 및 진폭 변화에 의해 제어되는 단일 신호를 생성합니다.
• 디지털 심볼은 I & Q 구성 요소의 진폭과 위상 관계의 조합으로 재구성됩니다. 이는 I & Q 캐리어의 진폭과 위상 관계를 변화시킴으로써 다양한 고유한 심볼을 생성하여 비트/심볼을 증가시킬 수 있기 때문에 매우 영리하고 강력합니다. 따라서 더 높은 데이터 처리량이 달성됩니다.
• 이 기술은 스펙트럼 효율성을 높입니다 (즉, 고정 채널 대역폭당 전송되는 비트/심볼 수가 늘어납니다).
• 직교 위상 편이 변조(QPSK): 4개의 고유한 심볼 00, 01, 10, 11을 사용하는 2비트 변조 기법으로, 직교 진폭 변조(QAM)에서 I 및 Q 구성 요소를 사용하여 캐리어 신호의 위상 변화(45, 135, 225 또는 315도)로 표현됩니다.
• 참고: QPSK는 합성 신호의 진폭이 동일하고 위상이 다양한 특수한 유형의 4-QAM입니다.

 

아날로그/디지털 복조

• 복조는 RF 신호의 디코딩 과 유사하며 , 이는 RF 신호에서 캐리어 주파수 성분을 제거하고 추가 처리를 위해 기저대역 신호를 남겨두는 것을 포함합니다.

 

운영의 기본 원칙

RF 시스템은 무선 신호의 전송과 수신을 담당합니다 .

• RF 전송: RF 신호는 무선 송신기를 통해 낮은 대역폭(DC 유사) 신호를 무선 주파수로 상향 변환하여 생성됩니다.
• RF 수신: RF 신호는 안테나에 의해 수집되어 라디오 수신기에 의해 저대역폭(DC 유사) 신호로 다운시프트됩니다.

 

기본 RF 시스템 빌딩 블록

단순화된 무선 통신 블록 다이어그램

 

결론적으로, 주요 RF 시스템 설계 기준은 집중 매칭 네트워크를 사용하여 경로 손실을 최소화하고 전력 전달을 극대화하는 것입니다.

 

블록 설명

• 송신기: 아날로그 기저대역 신호를 생성하기 위한 DAC, 변조를 위한 믹서, 무선 전송을 위한 전력 증폭기를 포함한 통합 RF 하드웨어입니다. 
  • 주된 역할은 기저대역 신호를 RF 신호로 상향 이동시키고 전송을 위해 RF 출력 전력을 증가시키는 것입니다.
• 수신기: 저잡음 증폭기(LNA), 복조용 믹서, 디지털 신호 처리를 위해 아날로그 기저대역 신호를 디지털 영역으로 변환하는 ADC를 포함하는 통합 RF 하드웨어입니다.
  • 주된 역할은 수신된 RF 신호를 기저대역 신호로 다운시프트하기 전에 증폭시키는 것입니다.
• 매칭 네트워크: 매칭 네트워크는 소스 출력 임피던스(송신기 전력 증폭기/수신기)를 부하 임피던스(안테나 임피던스)에 매칭하는 데 사용되는 인덕터와 커패시터로 구성됩니다. 
  • 주된 역할은 전력 전달을 극대화하는 것입니다.
    • • 실제로 RF 시스템의 전송선로의 특성 임피던스는 50옴으로 설계되므로 50옴 매칭이 사용됩니다.

• • • 매칭 네트워크의 종류
      • 2개 요소 매칭: L 매칭 네트워크
        • 품질 계수 Q의 유연성 없음 : 입력 및 부하 임피던스에 크게 의존
        • 부하 임피던스에 대한 스미스 차트 에 금지 영역이 존재합니다.
          • 즉, 2요소 매칭 네트워크는 특정 부하 임피던스 유형으로 제한됩니다.
        • 응용 프로그램: 안테나는 더 넓은 범위/광대역 신호(즉, 더 높은 대역폭 및 매칭 네트워크의 더 낮은 품질 요소)를 포괄하기 때문에 L 네트워크를 사용합니다.
      • 3요소 매칭: PI 및 T 매칭 네트워크
        • Q에 대한 품질 요인에 대한 더 많은 유연성
        • 부하 임피던스에 대한 스미스 차트에는 금지 영역이 없습니다.
          • 즉, 임의의 소스 및 부하 임피던스는 3요소 매칭 네트워크를 사용하여 일치시킬 수 있습니다. 
        • 실제로, 엄격한 무선 채널 대역폭과 롤오프로 인해 RF 시스템 설계에 3요소가 사용되어 스펙트럼 마스크와 인접 채널 누설 RF 방출 표준을 충족합니다.

• • 품질 인자 Q : 매칭 네트워크의 Q 값은 매칭 네트워크의 진동 공진 성능을 보고합니다. 

• • • 높은 Q 매칭은 네트워크의 등가 손실 구성 요소가 낮다는 것을 의미합니다. 즉, 회로의 공진 피크(매칭 네트워크가 시리즈 RLC로 모델링되었다고 가정)가 더 높은 것은 시리즈 R이 등가 손실 요소가 낮아 더 작기 때문입니다.
      • 참고: 공진 곡선은 전류 대 주파수 응답 이며 , 전류는 RLC 매칭 네트워크 모델을 통과하는 직렬 전류로 측정됩니다.
    • Q와 신호 대역폭 사이의 또 다른 중요한 관계는 Q = Fo/(3dB 대역폭)인데, 이는 더 높은 Q는 오늘날 사용되는 제한적이고 고정된 대역폭 표준(예: WiFi 채널의 20MHz 대역폭)에 필요한 더 좁은 3dB 대역폭을 의미한다는 것을 의미합니다.

 

RF 성능 특성화

스미스 차트: 집중 수동 회로의 임피던스를 특성화하는 데 사용되는 임피던스 시각화 도구입니다.

• • 2요소 매칭 네트워크의 경우, 상수 전도도 회로와 저항 원이라는 두 개의 원이 사용되어 부하 임피던스 ZL을 스미스 차트의 원점(즉, 50옴)으로 이동합니다.
  • 3요소 매칭 네트워크의 경우, 3개의 원을 사용하여 부하 임피던스 ZL을 스미스 차트의 원점(즉, 50옴)으로 이동합니다.

송신기

• • 효율성, 출력 동적 범위.
  • 이득 압축: 이는 일반적으로 입력 전력 레벨이 1dB 압축(즉, 완벽한 직선에서 1dB 지점 떨어짐)에 도달하는 것을 특징으로 하는 비선형성 측정 기준입니다.

수화기

• • 감도: 필요한 SNR에 필요한 최소 전력 수준
  • 선택성: 원하는 신호만 선택(예: 대역 외 신호 감쇠 지정)

시스템 레벨

링크 예산: 수신기에서 수신된 전력을 계산하여 무선 통신 링크의 가시선 범위를 추정하는 데 사용됩니다.

• • 수신 전력(dBm) = 전송 전력(dBm) + 이득(dB) - 손실(dB) 
  • 이득은 증폭기와 안테나입니다.
  • 손실에는 자유 공간 경로 손실, PCB 경로 손실, 부품 손실이 있습니다.

링크 마진: 전송 채널에서 다중 경로 페이딩으로 인한 신호 감쇠를 고려하여 통신 시스템에 필요한 마진을 계산하는 데 사용됩니다.

• • 링크 마진 = 수신 전력 - 수신 감도 

인접 채널 전력 비율(ACPR): 일반적으로 인접 주파수 채널의 간섭량을 측정하는 것으로, 인접 아웃밴드 채널의 평균 전력을 인밴드 채널의 평균 전력으로 나눈 값입니다.

위상 잡음: RF 캐리어 주파수를 생성하는 데 사용되는 국부 발진기와 같은 불완전한 클록 생성 소스로 인해 주 RF 캐리어 주파수의 무작위 주파수 변동이 발생합니다.

잡음 지수: 전송 및 수신 경로에 배치된 RF 하드웨어로 인해 발생하는 신호 SNR 저하를 측정한 값입니다. 

• • 잡음이 추가되는 이유는 신호 경로에 추가되는 고유 RF 성분 잡음 때문입니다.

구성 요소 수준

• • S 매개변수: 인쇄 회로 기판의 RF 신호의 이동파를 측정하는 데 사용됩니다.
    • 삽입 손실(S21/S12)
      • 이는 RF 필터와 같은 삽입 소자에 의한 신호 전력 손실을 dB로 측정합니다.
      • 응용 분야: RF 소자의 삽입 손실이 낮으면 RF 소자의 전력 손실이 낮아져 부하에 높은 전력을 전달할 수 있습니다.
    • 반사손실(S11/S22)
      • 전송 매체에 의해 반사되는 신호 전력의 손실, 즉 dB로 측정되는 임피던스 불연속성을 측정합니다.
      • 응용: 안테나 복사 전력은 일반적으로 반사 손실(S11)로 특징지어집니다. -10dB S11은 전력 반사가 원래 신호의 10%임을 의미하며, 이는 신호의 90%가 복사됨을 의미합니다.

측정

• • 디지털 변조 방식 표현
    • 별자리 다이어그램: 복소 평면에 복조 후 각 신호 심볼을 표시합니다. 복소 평면은 I(실수 수평축에 있음)와 Q(허수 Y축에 있음) 구성 요소로 표현됩니다.
    • 응용 프로그램: 통신 채널에서 발생하는 가우시안 잡음 및 위상 잡음과 같은 잡음으로 인해 수신된 심볼이 차트의 이상적인 참조 지점에 정확히 위치하지 않기 때문에 컨스텔레이션은 엔지니어가 신호 편차 오류의 양을 평가할 수 있는 시각적 지표로 여러 수신 신호의 기간을 집계합니다. 이를 오류 벡터 크기(EVM) 라고도 합니다.
  • 캐리어 대 잡음비(C/N) 및 신호 대 잡음비(SNR)
    • 그들은 잡음이 많은 환경에서 RF 신호 품질을 특성화하곤 했습니다. C/N은 SNR과 유사하지만, C/N 분석에는 디지털 변조가 사용되고 SNR 분석에는 아날로그 변조가 사용됩니다. 디지털 변조 및 전송에서 RF 신호 품질은 잡음이 많은 환경에 대한 캐리어 신호(일정 주파수 및 진폭)에 전적으로 의존합니다. 
  • 비트 오류율(BER) / 패킷 오류율(PER)
    • 더 높은 데이터 처리량을 위해 QAM과 같은 디지털 변조 방식에서 더욱 밀접하게 패킹된 별자리 점이 사용됨에 따라 C/N을 낮추면 비트 오류율이 증가합니다.
    • BER/PER은 잡음 환경에 대한 통신 시스템의 견고성을 평가하는 중요한 테스트 지표입니다.

공통 무선 시스템 레벨 테스트 항목

• • 송신기:
    • 평균 전력: 무선 송신기 출력 전력 성능을 측정합니다.
    • 스펙트럼 마스크: 무선 표준은 송신기 스펙트럼 모양이 특정 한도를 초과하지 않도록 제한합니다. 
    • 오류 벡터 크기: 수신된 심볼이 별자리 다이어그램의 이상적인 위치에서 얼마나 떨어져 있는지 측정합니다.
    • 주파수 오차/오프셋: 이상적인 캐리어 주파수에 대한 캐리어 주파수의 주파수 오차이며, HZ PPM 단위로 측정됩니다.
  • 수화기:
    • 최소 감지 신호(감도), 선택성(대역 외 신호를 거부하는 능력), 선형성, 비트 오류율(BER).

 

실용적인 디자인 개요

• RF 시스템 설계의 주요 목표는 허용 가능한 복사 한도와 허용 가능한 신호 무결성 내에서 전력 전달을 극대화하는 것입니다.
• 매칭 네트워크의 삽입 손실을 낮추면 안테나에서 사용할 수 있는 전력량이 늘어납니다.
• RF 테스트는 일반적으로 RF 대역(예: 2.4GHz 및 5.0GHz WLAN 대역) 내의 가장 낮은 채널, 중간 채널, 가장 높은 채널을 포함합니다.
• 가장 낮은 RF 채널과 가장 높은 RF 채널에서 전력 증폭기 출력을 제한하는 것은 무선 표준과 규정된 통신 준수에 따라 인접 채널 간섭을 제한하기 위한 WLAN 송신기의 일반적인 구성입니다.

 

요약 및 결론.

• 변조는 RF 캐리어 신호 위에 기저대역 신호를 인코딩하는 것을 의미합니다.
• RF 캐리어 신호 는 작은 안테나로 효율적인 안테나 복사가 필요합니다.
• 디지털 변조 는 널리 사용되는 최신 무선 네트워크 표준입니다.
• 매칭 네트워크는 소스와 부하 간의 전력 전송을 최대화하는 데 사용됩니다.
  • 2개의 요소는 광대역 신호 매칭에 사용됩니다.
  • 3개의 요소는 협대역 신호 매칭에 사용됩니다.
• 품질 계수는 신호 일치 대역폭을 결정합니다.
• 별자리 다이어그램 은 디지털 변조 방식에 대한 무선 수신기의 수신 신호 무결성을 시각화하는 데 사용됩니다.
• 무선 테스트에는 일반적으로 전송 전력, 전송 스펙트럼 성능, 전송 주파수 및 전송 변조 정확도에 대한 측정이 포함됩니다.