무선 통신 시스템에서 RF 송수신기는 신호를 생성하고 수신하는 핵심 장치로, 정보를 전송하고 받는 역할을 수행합니다. 송신기는 신호를 변조하여 전파로 변환하고, 수신기는 수신된 전파를 복조하여 정보를 추출합니다. 오늘은 이러한 RF 송수신기의 동작 원리와 구성 요소에 대해 알아보도록 하겠습니다.
RF 송신기:
RF 송신기는 정보를 전송하기 위해 데이터를 변조하여 전파로 변환하는 역할을 합니다. RF 송신기 모듈은 전파를 송신하여 그 파형을 변조하여 데이터를 전송할 수 있는 부품입니다. 송신기 모듈은 보통 전송할 수 있는 데이터를 모듈에 제공하는 마이크로 컨트롤러와 함께 구현됩니다. RF 송신기는 통상 최대 허용 송신기 전력출력, 고조파 및 대역 엣지 요건을 규정하는 규제 요건의 대상이 됩니다. RF 송신기는 여러 구성 요소로 이루어져 있으며, 주요 기능은 다음과 같습니다.
변조기(Modulator):
송신기는 정보를 전송하기 위해 변조 기술을 활용합니다. 변조는 기본적인 신호에 정보를 부가하여 전송하는 과정을 의미합니다. 주파수 변조, 진폭 변조, 위상 변조 등 다양한 방식으로 정보를 신호에 부가하며, 이를 통해 신호의 특성을 변화시킵니다.
전력 증폭기 (Power Amplifier):
변조된 신호는 진폭 증폭기를 통해 증폭됩니다. 이는 신호의 전파 강도를 증가시켜 전송 범위와 품질을 향상합니다. 전력 증폭기(PA)는 저전력 무선주파 신호를 고전력 신호로 변환하는 전자증폭기의 일종입니다. 일반적으로 RF 전력 증폭기는 송신기의 안테나를 구동합니다. 설계목표에는 전력이득, 전력출력, 대역폭, 전력효율, 선형성, 입출력 임피던스 매칭 및 방열이 포함되는 경우가 많습니다.
대역 선택 필터 (Band select filter):
전력 증폭기 뒤에 비선형적인 spurious 주파수 성분들이 나타날 수 있으므로 그것들을 잘라내고 원하는 주파수대역만 외부로 방출하기 위해 마지막으로 대역 통과 필터링이 필요합니다. 수신 단과 안테나를 공유하는 시스템이라면 duplexer가 이 역할을 겸합니다
RF 수신기:
RF 수신기는 전파를 수신하고, 변조된 신호를 복조하여 원래의 정보를 추출하는 역할을 합니다. RF 수신기 모듈은 변조된 RF 신호를 수신하고, 그것을 변조 해제합니다. RF 수신기 모듈에는 슈퍼헤테로다인 수신기와 초재생 수신기의 두 종류가 있습니다. 초재생 수신기는 통상 반송파로부터 변조 데이터를 추출하기 위해 일련의 증폭기를 사용하는 저비용 저전력 설계입니다. 초재생 모듈은 동작 주파수가 온도와 전원전압에 따라 크게 변화하기 때문에 일반적으로 부정확합니다. 슈퍼 헤테로다인 수신기는 초재생기보다 퍼포먼스가 뛰어납니다. 그것들은 넓은 전압 및 온도 범위에 걸쳐서 정밀도와 안정성을 향상니다. 이러한 안정성은 과거에는 비교적 고가의 제품을 의미하는 경향이 있었던 고정 결정 설계에서 유래합니다. 하지만 수신기 칩 설계의 진보는 현재 슈퍼헤테로다인과 초재생 수신기 모듈 간에 거의 가격 차이가 없음을 의미합니다. RF 수신기도 여러 구성 요소로 이루어져 있으며, 주요 기능은 다음과 같습니다.
안테나(Antenna) :
수신된 전파를 받아들이는 역할을 하는 안테나는 수신기의 첫 번째 단계입니다. 안테나의 종류와 방향성은 수신된 신호의 품질에 큰 영향을 미칩니다.
저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier):
저잡음 증폭기(LNA)는 신호 대 잡음비(SNR)를 크게 저하지 않고 매우 낮은 전력 신호를 증폭하는 전자 부품입니다. 전자 증폭기는 입력에 존재하는 신호와 잡음 모두의 전력을 증가시키지만 증폭기는 또한 추가 잡음을 발생시킵니다. LNA는 특수 구성 요소, 작동 지점 및 회로 토폴로지를 선택하여 추가 잡음을 최소화하도록 설계됩니다. 추가 잡음을 최소화하는 것은 전력 이득 및 임피던스 정합과 같은 다른 설계 목표와 균형을 이루어야 합니다. LNA는 무선 통신 시스템, 의료 장비 및 전자 테스트 장비에 사용됩니다. 일반적인 LNA는 100(20dB)의 전력 이득을 제공하는 동시에 SNR을 2(3dB 잡음 지수(NF)) 미만의 계수로 줄입니다. LNA는 주로 노이즈 플로어 바로 위의 약한 신호와 관련이 있지만 상호 변조 왜곡을 유발하는 큰 신호의 존재도 고려해야 합니다.
변조 복조기(Demodulator):
변조된 신호는 복조 과정을 거쳐 원래의 정보를 복구합니다. 변조 복조기는 변조된 신호의 특성을 해석하여 정보를 추출하는 핵심적인 역할을 합니다.
디지털 신호 처리 (DSP):
디지털 신호 처리 기술을 활용하여 신호를 디지털 형태로 변환하고, 오류 검출과 복구 등의 과정을 수행합니다. 이를 통해 신호의 품질과 안정성을 최적화합니다.
디지털-아날로그 변환기 (DAC):
디지털 신호 처리 후 생성된 디지털 신호는 DAC를 통해 아날로그 신호로 변환됩니다. 이는 원래의 아날로그 신호로 복원하는 과정을 의미합니다.
RF 트랜시버 모듈:
RF 트랜시버 모듈에는 송신기와 수신기가 모두 포함되어 있다. 회로는 보통 반이중 동작용으로 설계되어 있으나, 전이중 모듈을 이용할 수 있으나 복잡도가 증가하기 때문에 보통 비용이 많이 든다.
RF 송수신기는 무선 통신 시스템의 핵심 장치로, 정보의 변조, 전송, 복조 과정을 총괄하는 역할을 수행합니다. 주파수 변조와 복조, 진폭 조절과 증폭, 주파수 선택과 분배, 안테나와의 상호 작용 등 다양한 기술과 구성 요소들이 조합되어 효율적이고 안정적인 무선 통신을 가능하게 합니다. 이러한 RF 송수신기 기술의 발전은 현대 사회의 무선 통신을 지탱하고, 더 나은 통신 시스템의 발전을 선도하는 역할을 합니다. 이번 포스팅은 RF 송수신기에 대해 정리해보았습니다. 다음에는 무선 통신 기술의 핵심인 안테나 설계에 대해 포스팅해보도록 하겠습니다.