역사적 관점에서 볼 때, RF 시스템은 고전력 전송과 밀접하게 연관되어 있습니다. 우리는 AM 및 FM 방송국을 위한 대형 안테나, 장거리 군용 무전기, 심지어 우주선과 통신하고 제어하는 데 사용되는 시스템과 같은 이국적인 응용 프로그램을 상상합니다. 이러한 시스템은 더 긴 범위가 더 좋고 따라서 더 많은 전력이 더 좋다는 모호한 생각과 연관되어 있습니다.
고전력 RF는 결코 중요하지 않거나 드물지 않지만, 여러 면에서 우리의 일상 생활에서 점점 더 분리되고 있습니다. 아니면 적어도 우리의 일상 생활에서 덜 눈에 띄게 되었다고 말할 수 있는데 , 우리의 주의가 이제 작고 저전력 무선 장치에 집중되어 있기 때문입니다.
블루투스 제품은 현대 생활에서 점점 보편화되고 있는 배터리로 구동되는 무선 장치의 예입니다.
이러한 시스템에서는 가능한 가장 낮은 전력 소비로 허용 가능한 성능을 달성하는 데 극단적인 설계 노력이 투입됩니다. 즉, 효율성이 최대 전력 전달보다 더 중요할 수 있으며, 최대 범위를 달성하려는 욕구가 없을 수도 있습니다. 목표는 단순히 적절한 범위, 즉 장치를 의도한 목적에 맞게 사용할 수 있는 범위를 달성하는 것입니다.
흥미로운 예로 보청기가 있습니다. 인체의 감각 시스템이 두 귀로 작동하도록 설계되었다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 인간의 뇌는 이 두 가지 관련 감각 스트림을 결합함으로써(아마도 다소 복잡한 방식으로) 소리를 경험하고 반응하는 능력을 다듬습니다. 양쪽 귀에 보청기를 착용하면 소리에 대한 균형 잡힌 지각을 회복하는 데 도움이 될 수 있지만, 현대 장치는 한 걸음 더 나아가 다른 귀의 보청기와 실제로 통신합니다. 이런 방식으로 두 보청기는 "함께 작동"하여 반응을 미세 조정할 수 있습니다.
이것은 범위를 최대화할 필요가 없는 RF 시스템의 완벽한 예입니다. 설계자는 송신기와 수신기를 얼마나 멀리 떨어뜨릴지 거의 정확히 알고 있으며, 더 긴 범위를 갖는 것이 유익할 현실적인 상황은 없습니다.
디지털 대 아날로그
저전력 RF 시스템에서 중요한 기술은 디지털 변조입니다. 이는 실제로 디지털(즉, 직사각형) 신호를 전송하는 것을 의미하지 않습니다. 불가능한 것은 아니지만 직사각형파는 고조파 함량이 높기 때문에 비실용적입니다. 전송된 신호는 캐리어 주파수에서 꽤 떨어진 주파수에서 많은 양의 에너지를 포함하고 있으며 결과적으로 간섭의 원인이 될 것입니다.
사각파의 스펙트럼입니다. 고조파 주파수에 에너지가 너무 많습니다.
이전 페이지에서 논의했듯이, 전자기 스펙트럼은 수많은 관련 없는 장치가 무선 통신을 안정적으로 구현할 수 있도록 구성되어야 합니다. 즉, 무선 전송은 특정 할당된 주파수 범위로 제한되어야 하며, 직사각형 신호를 사용할 때는 불가능합니다.
디지털 변조
디지털 변조는 아날로그 변조와 마찬가지로 사인파를 사용합니다. 차이점은 디지털 시스템에서 캐리어 변조가 아날로그 기저대역 신호의 연속적인 표현을 나타내지 않는다는 것입니다. 대신 디지털 데이터를 나타냅니다. 캐리어 파동의 변화는 심볼이라고 하는 이산 섹션에서 발생하며 각 심볼은 하나 이상의 비트를 나타냅니다. 이 교과서의 후반부에서 디지털 변조에 대해 더 자세히 설명합니다.
디지털 변조의 예, 이 경우 진폭 변조입니다.
디지털 변조는 일반적인 디지털 통신과 유사한 이점을 제공합니다. 정보가 지속적으로 변하는 신호 대신 이산 비트로 전송되기 때문에 데이터 손실이 거의 없이 전송 전력을 최소화할 수 있습니다. 수신기가 0과 1을 구별할 수 있을 만큼 전력이 충분하다면 모든 데이터가 성공적으로 전송됩니다. 또한 디지털 통신은 수신기가 송신기에 특정 데이터 섹션을 다시 보내도록 요청할 수 있습니다. 예를 들어 일시적인 간섭으로 인해 신호 대 잡음비가 잠시 감소한 경우입니다.
디지털 RF 시스템은 종종 데이터 링크라고 하며, 실시간으로 자체 성능을 평가할 수 있다는 추가적인 이점이 있습니다. 순환 중복 검사 와 같은 오류 감지 알고리즘을 사용하여 연결 품질을 평가할 수 있습니다. 수신 장치가 비트 오류 빈도가 상당히 증가한 것을 알아차리면 송신기에 출력 전력을 늘리라고 요청할 수 있습니다. 이런 식으로 송신기의 전력 소비는 데이터 링크의 실제 성능에 따라 최적화될 수 있습니다.
ISM 밴드
이전 페이지에서 논의했듯이 RF 송신기를 작동하려는 모든 조직은 적절한 규제 기관(예: 미국의 FCC)으로부터 명시적인 허가를 받아야 합니다. 이 규칙에 대한 가장 주목할 만한 예외는 ISM 대역의 사용입니다.
ISM은 산업, 과학 및 의료를 의미합니다. 아마도 이는 FCC의 원래 의도를 반영하는 것 같지만, 이 이름은 더 이상 관련이 없습니다. ISM 대역은 Bluetooth, Wi-Fi, 홈 보안 시스템, 무선 주파수 식별(RFID), 장난감, 무선 전화 등 다른 제품 범주의 수많은 기기에서 사용됩니다. . . .
무면허 vs. 규제되지 않음
ISM 대역은 허가받지 않았지만 , 규제받지 않은 것은 아닙니다 . "허가받지 않은"은 규제 기관의 명확한 허가 없이도 ISM 대역 장치를 개발하고 판매하는 것이 합법적이라는 것을 의미합니다. "규제받지 않은"은 ISM 주파수 내에 머무르는 한 원하는 것은 무엇이든 전송할 수 있다는 것을 의미하지만, 이는 사실이 아닙니다.
가장 간단한 제한은 전송 전력입니다. 일반적으로 안테나에 전달되는 전력은 1W(30dBm)를 초과할 수 없습니다. 그러나 주파수 호핑이나 스프레드 스펙트럼 전송과 같은 세부 사항을 살펴보면 상황이 더 복잡해집니다.
확산 스펙트럼 변조; 이에 대해서는 교과서에서 나중에 논의합니다.
또한 대역 외 전송 에너지에 대한 제한도 있습니다. 이는 저차 고조파로 인해 허용 가능한 주파수 범위를 벗어나는 상당한 전송 에너지가 발생할 수 있기 때문에 중요합니다.
가장 중요한 ISM 대역은 2.4GHz 대역이라고 하지만, 2.4GHz는 실제로 중심 주파수가 아닙니다. 대역은 2.4~2.4835GHz까지 확장됩니다. 이 대역의 가장 큰 장점은 전 세계적으로 이용 가능하다는 것입니다. 다른 ISM 대역은 지역마다 다르지만, 2.4GHz는 전 세계적으로 무면허 운영에 이용 가능합니다.
요약
- 저전력 RF 장치는 우리 일상 생활에서 점점 더 흔해지고 있습니다. 에너지 절약에 대한 일반적인 관심 외에도 저전력 작동은 배터리 수명을 늘립니다.
- 디지털 데이터 전송은 많은 RF 시스템에서 중요한 기술이며, 저전력 시스템에서는 배터리 전력을 보다 효율적으로 사용할 수 있습니다.
- 디지털 변조는 아날로그 파형을 사용하여 디지털 데이터를 전송하는 것을 말합니다.
- ISM 대역은 전형적인 RF 허가 요건에 대한 가장 중요한 예외입니다. 수많은 무선 장치가 ISM 주파수를 활용합니다.
- ISM 대역 장비는 라이센스가 필요하지 않지만, 해당 대역을 규제하는 규정을 준수해야 합니다.