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Disclaimer

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工學碩士學位論文

24GHz ISM Band 무선랜 송수신기에 관한 연구

A Study of A Wireless LAN Transceiver Operating

at The 24GHz ISM Band

忠北大學校 大學院

電波工學科 電波通信工學專攻

李 東 國

2000년 12월

工學碩士學位論文

24GHz ISM Band 무선랜 송수신기에 관한 연구

A Study of A Wireless LAN Transceiver Operating

at The 24GHz ISM Band

指 導 敎 授 安 炳 哲

忠北大學校 大學院

電波工學科 電波通信工學專攻

李 東 國

이 論文을 工學碩士學位論文으로 提出함

2000年 12月

본 論文을 李東國의 工學碩士論文으로 認定함

審査委員長 이 인 성 印

審査委員 신 병 철 印

審査委員 안 병 철 印

忠 北 大 學 校 大 學 院

2000年 12月

목 차

I 서 론 1

II 관 련 기 술 6

21 무선랜 전송기술 6

211 협대역 마이크로웨이브 방식 6

212 적외선 방식 7

213 확산대역방식 8

214 DS와 FH방식 11

22 DQPSK 변조 12

23 CCK (Complementary Code Keying) 19

24 CSMACA 21

25 프레임 포맷 22

III 설 계 24

31 시스템 구성 24

32 시스템 설계 25

33 제어부 26

34 기저 대역 처리부 27

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기 30

36 RF 상하향 변환기 31

37 RF AMP부 설계 32

38 안테나 설계 33

39 전원설계 34

310 제작된 보드 34

3101 보드상면 35

3102 보드하면 35

IV 측정과 분석 37

41 안테나 측정 37

42 안테나 빔패턴 분석 38

- i -

43 송신계통 신호측정 40

431 TP1 측정 41

432 TP2 측정 42

433 TP3 측정 43

434 TP4 측정 44

435 TP5 측정 45

436 TP6 측정 46

437 TP7 측정 47

44 수신 계통 측정 48

441 TP1 측정 49

443 TP3 측정 51

45 전송속도 시험 52

46 실내환경 통신시험 53

47 전송거리시험 54

V 결 론 55

참 고 문 헌 57

- ii -

표 차 례

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교 2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화 16

표 3-1 RF 주파수 채널표 32

표 4-1 전송속도 측정결과 53

- iii -

그 림 차 례

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조 10

그림 2-2 스펙트럼의 확산 12

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도 16

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름 17

그림 2-5 CCK 변조의 블록도 19

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술 20

그림 2-7 CSMACA 동작도 21

그림 2-8 프레임 포맷 23

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도 24

그림 3-2 시스템 상세블럭도 25

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도 26

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도 28

그림 3-5 데이터 변조 절차 29

그림 3-6 데이터 복조절차 30

그림 3-4 안테나 설계도 33

그림 3-8 무선랜카드 상면사진 35

그림 3-9 무선랜카드 하면사진 36

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과 37

그림 4-2 VSWR 측정 결과 37

그림 4-3 안테나 설정 좌표축 38

그림 4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과 38

그림 4-5 송신계통 측정포인트 40

그림 4-6 송신 TP1 측정파형 41

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형 42

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼 43

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형 44

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼 45

- iv -

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼 46

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼 47

그림 4-13 수신계통 측정점 48

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼 49

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼 50

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형 51

그림 4-17 전송속도 측정화면 52

그림 4-18 사무실 환경 측정위치 53

그림 4-19 전송거리 시험 54

- v -

A Study of a Wireless LAN Transceiver Operation

at The 24GHz ISM Band

Lee Dong-Kook

Department of Radio Engineering

Graduate School Chungbuk National University

Cheongju Korea

Supervised by Professor Ahn Bierng-Cheol Ph D

Summary

This thesis describes the design and fabrication of the wireless LAN

transceiver operating at 24GHz ISM Band The W-LAN card uses the

half duplex mode that Tx and Rx are taken in turn on the time axis

To fabricate W-LAN card The printed monopole antennas are

designed and fabricated 36 impedance bandwidths Antenna have the

transceiver implemented using chip solutions by intersil corporation

The signal s waveform and Spectrum are measured at various points

on the transceiver circuit to confirm a proper operation Tests of the

fabricated transceiver be performed to confirm a communication range of

200 ~ 300 m in the open space In the data rate measurement W-LAN

transceiver be showed about 4 ~ 45 Mbps data rate on 11Mbps mode

The fabricated W-LAN Transceiver have various application of wireless

terminal WLL BWLL AMR(Auto meter reading) etc

- vi -

I 서 론

개인용 컴퓨터 노트북 컴퓨터 휴대용 정보단말기 등의 이용 각 가정에서

의 인터넷 사용 대부분의 국민이 사용하는 휴대전화 및 이동 무선 인터넷

사용 등이 그리 특별한 일이 아닌 우리 주변에서 현재 벌어지고 있는 정보

화 사회의 단면을 그대로 보여주고 있는 단적인 예들이라 하겠다

이러한 정보전달의 사회적 욕구가 높아짐에 따라서 정보 단말기간의 네트

워킹 및 랜의 수요와 활용도가 매우 높아지고 있다 이에 따라 기업 공장

연구소 및 대학 공공기관 등의 랜 구축이 급속히 증가하고 있고 이동 중

데이터 액세스나 조직변경이나 확충에 따른 업무공간의 레이아웃 변경에 유

연하게 대체할 수 있는 이동 통신 시스템이나 무선랜에 대한 요구가 증대되

고 있으며 세계화 요구에 따른 통신망의 통합화 광 대역화 지능화 다양화

가 꾸준히 진행되고 있다 따라서 기술의 발전성과 지속성 시장성이 우수하

고 파급효과가 큰 무선통신 관련 핵심기술 기반을 구축하는 것은 국가 경쟁

력 확보면에서 매우 중요하다고 할 것이다

무선통신 관련시장을 살펴보면 여러 분야가 있겠지만 현재 IMT2000으로

대표되는 무선휴대 영상전화시스템 분야와 인터넷 정보가전분야로 볼 수 있

다 이 두 분야중에서 인터넷 정보가전분야와 관련하여 필수적이라고 할 수

있는 홈 네트워킹은 여러 가지 해결책이 강구되고 있다 결국에는 IMT2000

망과 인터넷 정보가전분야는 어떤 방식으로든 네트워크를 구성 할 것이다

홈 네트워킹 기술별 특징은 아래의 표1-1과 같다

이들 기술중에서 무선랜은 유선랜 시스템과 달리 전송매체로 전파나 적외

선 등을 이용하므로 동선이나 케이블을 설치하고 유지 보수하는 번거로움을

- 1 -

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교

피할 수 있는 장점이 있다 무선랜은 전송속도 가격 및 표준화 문제로 인하

여 유선랜을 완전히 대체할 수 있지는 않았으나 통신기술 및 반도체 기술의

발달에 힘입어 점차 고속화 저가격화가 실현되고 있고 IEEE80211 규격에

의한 제품의 표준화가 이루어지고 있어 무선랜 시장 확대가 기대되고 있다

기존의 IEEE 80211 규격에 따르는 무선 랜 제품은 24대에서 1~2Mbps

의 낮은 전송속도를 내는 것이 대부분이어서 최근 증가하고 있는 인터넷과

멀티미디어 서비스 요구를 수용하는 데는 한계가 있었는데 이를 극복하고

증가하는 광대역 무선 서비스의 수요에 부응하고 제품들 사이의 호환성을

만족시키기 위하여 제정된 표준안은 크게 IEEE 80211 ETSI

BRAN(Broadband Radio Access Networks)의 하이퍼 랜규격 일본

MMAC-PC(Multimedia Mobile Access Communication Systems-Promotion

구분 종류 표준 전송속도 최대전송거리

유선

Hom ePNA Hom ePNA v20 1~210M bps 150m

USB USB v10 12M bps 30m

Ethernet IEEE8023 10100M bps1Gbps 100(UTP)

IEEE1394 IEEE1394 100~4000M bps 72m

전력선 - 1~2M bps 100m

무선

Bluetooth Bluethooth v10 720kbps 10m

Hom eRF SW AP v12 1~2M bps 50m

IrDA IrDA v13 최대 4M bps 1m

무선랜 IEEE 80211 55~11M bps 50m

- 2 -

Council)규격 ATM 포럼의 무선 ATM-WG 규격으로 분류할 수 있다

기존의 IEEE 80211은 인가 없이 사용할 수 있는 ISM(Industrial

Scientific and Medical)밴드의 24를 사용하여 2Mbps까지 데이터를 전송

할 수 있는 무선 랜의 물리계층과 매체접근제어계층을 규정하고 있다 IEEE

80211에서는 CSMACA(Carrier Sense Multiple AccessCollision

Avoidance)의 매체접근제어 방식을 사용하고 물리계층으로서는 확산 스펙

트럼 방식과 적외선 방식을 사용한다

고속의 데이터 전송을 위하여 ETSI BRAN은 52와 171 주파수 대역

을 사용하여 멀티미디어 정보를 위한 고속 무선망인 하이퍼 랜의 기능을 표

준화하는 것을 목표로 한다 하이퍼 랜은 응용 대상에 따라 4개의 형태로 분

류된다

이들 중 하이퍼 랜2는 200m 내의 범위에서 52의 비허가 대역을 사용

하여 IMT2000(International Mobile Telecommunication)망 ATM

(Asynchronous Transfer Mode) 망 IP(Internet Protocol)망 등의 이동단말

과 유선 광대역 망의 접속이 가능한 고속 무선 전송 시스템으로서 전송방식

으로는 IEEE 80211a 고속 무선 랜의 전송방식인 OFDM(Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) 방식을 채택했으며 매체접근제어 방식으

로는 중앙집중방식의 동적 예약식 TDMATDD (Time Division Multiple

AccessTime Division Duplex)를 사용하여 ATM 및 IP 네트워크에서 요구

하는 다양한 QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있도록 했다

일본의 경우에는 이동 멀티미디어 서비스에 적합한 광대역 무선접속시스

템을 개발하기 위하여 이동 멀티미디어 접속통신시스템 진흥협회

MMAC-PC (Multimedia Mobile Access Communication System Promotion

Council)를 결성하였으며 ATM 포럼간의 상호협력을 통하여 현재 ATM 포

- 3 -

럼의 무선 ATM-WG에서 논의되고 있는 것들과 상당 부분 일치된 표준안

을 제안하고 있다 즉 MMAC-PC와 ETSI BRAN의 하이퍼랜2 등에서는

IEEE 80211a와 공통된 물리계층 표준안을 사용하고 있다

IEEE 80211 TGa(Task Group a)에서는 인가없이 사용할 수 있는 5 대

역에서 6~54Mbps의 전송속도가 가능한 OFDM 방식의 고속 무선 랜의 표준

안인 IEEE 80211a을 제안했으며 지난해 9월 고속 무선 랜의 표준안으로서

5대에서 6~54Mbps의 전송속도를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) 방식의 IEEE 80211a와 24 대역에서 기존 IEEE

80211 규격의 무선 랜 변복조 기술을 일부 변경하여 전송속도를 11Mbps까

지 고속화한 IEEE 80211b 표준안이 최종 확정되었다

최근 고속 무선 랜의 표준안으로 IEEE 80211a가 확정되고 이 표준안에

따르는 고속 무선 랜을 사용하여 공중망과 연동하여 광대역 무선 서비스를

제공하려는 계획이 발표됨에 따라 많은 국제 표준화 기구와 국내외 기업 연

구소에서 이에 대한 연구 및 개발을 21세기 핵심기반사업으로 수행하고 있

다

또한 미국 유럽 일본 등에서 광대역 무선 전송을 위하여 5 대역을 허

가없이 사용할 수 있는 대역으로 확정하고 우리 나라의 정보통신부에서도

전파법 시행령을 일부 개정하여 1999년 7월부터 확산 스펙트럼이 아닌 방식

을 무선 랜 제품에 사용할 수 있도록 함에 따라 5를 사용한 고속 무선 통

신시스템에 대한 연구 및 개발이 본격적으로 개막될 것으로 예상된다

이에 본 논문에서는 IEEE 80211b 표준안 준하는 24GHz ISM 대역 무선

랜을 위한 안테나 및 송수신기 설계 및 구현하였다 안테나는 소형화를 위해

변형된 인쇄형 모노폴 안테나로 구현하였으며 무선랜용 송수신기는 기본적

으로 Intersil사의 칩을 사용하여 구현하였다 최종 제작된 안테나 및 송수신

- 4 -

기를 이용해 실제 데이터 전송실험을 하였으며 실험결과 무선랜 송수신기의

전송속도 11Mbps 수신 가능한 통신거리 약 200여 미터를 얻었다 또한 주

파수 채널은 13개로 변경되는 것을 확인할 수 있었다

II장에서는 무선랜의 구현과 관계되는 기술에 대해서 언급하였으며 III장

에서는 구체적으로 각 기능별 설계에 대해서 설명하였고 IV장에서는 제작

된 보드로 각종 신호의 측정을 실시하여 그 결과를 분석하였다 마지막으로

논문의 결론을 V장에 서술하였다

- 5 -

II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

- 6 -

212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

- 7 -

213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

- 8 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

- 9 -

이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

工學碩士學位論文

24GHz ISM Band 무선랜 송수신기에 관한 연구

A Study of A Wireless LAN Transceiver Operating

at The 24GHz ISM Band

指 導 敎 授 安 炳 哲

忠北大學校 大學院

電波工學科 電波通信工學專攻

李 東 國

이 論文을 工學碩士學位論文으로 提出함

2000年 12月

본 論文을 李東國의 工學碩士論文으로 認定함

審査委員長 이 인 성 印

審査委員 신 병 철 印

審査委員 안 병 철 印

忠 北 大 學 校 大 學 院

2000年 12月

목 차

I 서 론 1

II 관 련 기 술 6

21 무선랜 전송기술 6

211 협대역 마이크로웨이브 방식 6

212 적외선 방식 7

213 확산대역방식 8

214 DS와 FH방식 11

22 DQPSK 변조 12

23 CCK (Complementary Code Keying) 19

24 CSMACA 21

25 프레임 포맷 22

III 설 계 24

31 시스템 구성 24

32 시스템 설계 25

33 제어부 26

34 기저 대역 처리부 27

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기 30

36 RF 상하향 변환기 31

37 RF AMP부 설계 32

38 안테나 설계 33

39 전원설계 34

310 제작된 보드 34

3101 보드상면 35

3102 보드하면 35

IV 측정과 분석 37

41 안테나 측정 37

42 안테나 빔패턴 분석 38

- i -

43 송신계통 신호측정 40

431 TP1 측정 41

432 TP2 측정 42

433 TP3 측정 43

434 TP4 측정 44

435 TP5 측정 45

436 TP6 측정 46

437 TP7 측정 47

44 수신 계통 측정 48

441 TP1 측정 49

443 TP3 측정 51

45 전송속도 시험 52

46 실내환경 통신시험 53

47 전송거리시험 54

V 결 론 55

참 고 문 헌 57

- ii -

표 차 례

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교 2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화 16

표 3-1 RF 주파수 채널표 32

표 4-1 전송속도 측정결과 53

- iii -

그 림 차 례

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조 10

그림 2-2 스펙트럼의 확산 12

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도 16

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름 17

그림 2-5 CCK 변조의 블록도 19

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술 20

그림 2-7 CSMACA 동작도 21

그림 2-8 프레임 포맷 23

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도 24

그림 3-2 시스템 상세블럭도 25

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도 26

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도 28

그림 3-5 데이터 변조 절차 29

그림 3-6 데이터 복조절차 30

그림 3-4 안테나 설계도 33

그림 3-8 무선랜카드 상면사진 35

그림 3-9 무선랜카드 하면사진 36

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과 37

그림 4-2 VSWR 측정 결과 37

그림 4-3 안테나 설정 좌표축 38

그림 4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과 38

그림 4-5 송신계통 측정포인트 40

그림 4-6 송신 TP1 측정파형 41

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형 42

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼 43

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형 44

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼 45

- iv -

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼 46

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼 47

그림 4-13 수신계통 측정점 48

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼 49

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼 50

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형 51

그림 4-17 전송속도 측정화면 52

그림 4-18 사무실 환경 측정위치 53

그림 4-19 전송거리 시험 54

- v -

A Study of a Wireless LAN Transceiver Operation

at The 24GHz ISM Band

Lee Dong-Kook

Department of Radio Engineering

Graduate School Chungbuk National University

Cheongju Korea

Supervised by Professor Ahn Bierng-Cheol Ph D

Summary

This thesis describes the design and fabrication of the wireless LAN

transceiver operating at 24GHz ISM Band The W-LAN card uses the

half duplex mode that Tx and Rx are taken in turn on the time axis

To fabricate W-LAN card The printed monopole antennas are

designed and fabricated 36 impedance bandwidths Antenna have the

transceiver implemented using chip solutions by intersil corporation

The signal s waveform and Spectrum are measured at various points

on the transceiver circuit to confirm a proper operation Tests of the

fabricated transceiver be performed to confirm a communication range of

200 ~ 300 m in the open space In the data rate measurement W-LAN

transceiver be showed about 4 ~ 45 Mbps data rate on 11Mbps mode

The fabricated W-LAN Transceiver have various application of wireless

terminal WLL BWLL AMR(Auto meter reading) etc

- vi -

I 서 론

개인용 컴퓨터 노트북 컴퓨터 휴대용 정보단말기 등의 이용 각 가정에서

의 인터넷 사용 대부분의 국민이 사용하는 휴대전화 및 이동 무선 인터넷

사용 등이 그리 특별한 일이 아닌 우리 주변에서 현재 벌어지고 있는 정보

화 사회의 단면을 그대로 보여주고 있는 단적인 예들이라 하겠다

이러한 정보전달의 사회적 욕구가 높아짐에 따라서 정보 단말기간의 네트

워킹 및 랜의 수요와 활용도가 매우 높아지고 있다 이에 따라 기업 공장

연구소 및 대학 공공기관 등의 랜 구축이 급속히 증가하고 있고 이동 중

데이터 액세스나 조직변경이나 확충에 따른 업무공간의 레이아웃 변경에 유

연하게 대체할 수 있는 이동 통신 시스템이나 무선랜에 대한 요구가 증대되

고 있으며 세계화 요구에 따른 통신망의 통합화 광 대역화 지능화 다양화

가 꾸준히 진행되고 있다 따라서 기술의 발전성과 지속성 시장성이 우수하

고 파급효과가 큰 무선통신 관련 핵심기술 기반을 구축하는 것은 국가 경쟁

력 확보면에서 매우 중요하다고 할 것이다

무선통신 관련시장을 살펴보면 여러 분야가 있겠지만 현재 IMT2000으로

대표되는 무선휴대 영상전화시스템 분야와 인터넷 정보가전분야로 볼 수 있

다 이 두 분야중에서 인터넷 정보가전분야와 관련하여 필수적이라고 할 수

있는 홈 네트워킹은 여러 가지 해결책이 강구되고 있다 결국에는 IMT2000

망과 인터넷 정보가전분야는 어떤 방식으로든 네트워크를 구성 할 것이다

홈 네트워킹 기술별 특징은 아래의 표1-1과 같다

이들 기술중에서 무선랜은 유선랜 시스템과 달리 전송매체로 전파나 적외

선 등을 이용하므로 동선이나 케이블을 설치하고 유지 보수하는 번거로움을

- 1 -

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교

피할 수 있는 장점이 있다 무선랜은 전송속도 가격 및 표준화 문제로 인하

여 유선랜을 완전히 대체할 수 있지는 않았으나 통신기술 및 반도체 기술의

발달에 힘입어 점차 고속화 저가격화가 실현되고 있고 IEEE80211 규격에

의한 제품의 표준화가 이루어지고 있어 무선랜 시장 확대가 기대되고 있다

기존의 IEEE 80211 규격에 따르는 무선 랜 제품은 24대에서 1~2Mbps

의 낮은 전송속도를 내는 것이 대부분이어서 최근 증가하고 있는 인터넷과

멀티미디어 서비스 요구를 수용하는 데는 한계가 있었는데 이를 극복하고

증가하는 광대역 무선 서비스의 수요에 부응하고 제품들 사이의 호환성을

만족시키기 위하여 제정된 표준안은 크게 IEEE 80211 ETSI

BRAN(Broadband Radio Access Networks)의 하이퍼 랜규격 일본

MMAC-PC(Multimedia Mobile Access Communication Systems-Promotion

구분 종류 표준 전송속도 최대전송거리

유선

Hom ePNA Hom ePNA v20 1~210M bps 150m

USB USB v10 12M bps 30m

Ethernet IEEE8023 10100M bps1Gbps 100(UTP)

IEEE1394 IEEE1394 100~4000M bps 72m

전력선 - 1~2M bps 100m

무선

Bluetooth Bluethooth v10 720kbps 10m

Hom eRF SW AP v12 1~2M bps 50m

IrDA IrDA v13 최대 4M bps 1m

무선랜 IEEE 80211 55~11M bps 50m

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Council)규격 ATM 포럼의 무선 ATM-WG 규격으로 분류할 수 있다

기존의 IEEE 80211은 인가 없이 사용할 수 있는 ISM(Industrial

Scientific and Medical)밴드의 24를 사용하여 2Mbps까지 데이터를 전송

할 수 있는 무선 랜의 물리계층과 매체접근제어계층을 규정하고 있다 IEEE

80211에서는 CSMACA(Carrier Sense Multiple AccessCollision

Avoidance)의 매체접근제어 방식을 사용하고 물리계층으로서는 확산 스펙

트럼 방식과 적외선 방식을 사용한다

고속의 데이터 전송을 위하여 ETSI BRAN은 52와 171 주파수 대역

을 사용하여 멀티미디어 정보를 위한 고속 무선망인 하이퍼 랜의 기능을 표

준화하는 것을 목표로 한다 하이퍼 랜은 응용 대상에 따라 4개의 형태로 분

류된다

이들 중 하이퍼 랜2는 200m 내의 범위에서 52의 비허가 대역을 사용

하여 IMT2000(International Mobile Telecommunication)망 ATM

(Asynchronous Transfer Mode) 망 IP(Internet Protocol)망 등의 이동단말

과 유선 광대역 망의 접속이 가능한 고속 무선 전송 시스템으로서 전송방식

으로는 IEEE 80211a 고속 무선 랜의 전송방식인 OFDM(Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) 방식을 채택했으며 매체접근제어 방식으

로는 중앙집중방식의 동적 예약식 TDMATDD (Time Division Multiple

AccessTime Division Duplex)를 사용하여 ATM 및 IP 네트워크에서 요구

하는 다양한 QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있도록 했다

일본의 경우에는 이동 멀티미디어 서비스에 적합한 광대역 무선접속시스

템을 개발하기 위하여 이동 멀티미디어 접속통신시스템 진흥협회

MMAC-PC (Multimedia Mobile Access Communication System Promotion

Council)를 결성하였으며 ATM 포럼간의 상호협력을 통하여 현재 ATM 포

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럼의 무선 ATM-WG에서 논의되고 있는 것들과 상당 부분 일치된 표준안

을 제안하고 있다 즉 MMAC-PC와 ETSI BRAN의 하이퍼랜2 등에서는

IEEE 80211a와 공통된 물리계층 표준안을 사용하고 있다

IEEE 80211 TGa(Task Group a)에서는 인가없이 사용할 수 있는 5 대

역에서 6~54Mbps의 전송속도가 가능한 OFDM 방식의 고속 무선 랜의 표준

안인 IEEE 80211a을 제안했으며 지난해 9월 고속 무선 랜의 표준안으로서

5대에서 6~54Mbps의 전송속도를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) 방식의 IEEE 80211a와 24 대역에서 기존 IEEE

80211 규격의 무선 랜 변복조 기술을 일부 변경하여 전송속도를 11Mbps까

지 고속화한 IEEE 80211b 표준안이 최종 확정되었다

최근 고속 무선 랜의 표준안으로 IEEE 80211a가 확정되고 이 표준안에

따르는 고속 무선 랜을 사용하여 공중망과 연동하여 광대역 무선 서비스를

제공하려는 계획이 발표됨에 따라 많은 국제 표준화 기구와 국내외 기업 연

구소에서 이에 대한 연구 및 개발을 21세기 핵심기반사업으로 수행하고 있

다

또한 미국 유럽 일본 등에서 광대역 무선 전송을 위하여 5 대역을 허

가없이 사용할 수 있는 대역으로 확정하고 우리 나라의 정보통신부에서도

전파법 시행령을 일부 개정하여 1999년 7월부터 확산 스펙트럼이 아닌 방식

을 무선 랜 제품에 사용할 수 있도록 함에 따라 5를 사용한 고속 무선 통

신시스템에 대한 연구 및 개발이 본격적으로 개막될 것으로 예상된다

이에 본 논문에서는 IEEE 80211b 표준안 준하는 24GHz ISM 대역 무선

랜을 위한 안테나 및 송수신기 설계 및 구현하였다 안테나는 소형화를 위해

변형된 인쇄형 모노폴 안테나로 구현하였으며 무선랜용 송수신기는 기본적

으로 Intersil사의 칩을 사용하여 구현하였다 최종 제작된 안테나 및 송수신

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기를 이용해 실제 데이터 전송실험을 하였으며 실험결과 무선랜 송수신기의

전송속도 11Mbps 수신 가능한 통신거리 약 200여 미터를 얻었다 또한 주

파수 채널은 13개로 변경되는 것을 확인할 수 있었다

II장에서는 무선랜의 구현과 관계되는 기술에 대해서 언급하였으며 III장

에서는 구체적으로 각 기능별 설계에 대해서 설명하였고 IV장에서는 제작

된 보드로 각종 신호의 측정을 실시하여 그 결과를 분석하였다 마지막으로

논문의 결론을 V장에 서술하였다

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II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

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212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

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213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

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다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

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이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

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214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

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그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

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식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

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φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

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M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

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데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

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그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

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M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

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23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

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8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

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24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

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그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

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라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

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MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

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에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

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호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

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있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

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20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

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을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

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그림 3-9 무선랜카드 하면사진

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IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

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42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

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우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

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43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

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다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

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432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

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전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

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434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

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스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

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437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

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44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

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441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

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443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

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45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

본 論文을 李東國의 工學碩士論文으로 認定함

審査委員長 이 인 성 印

審査委員 신 병 철 印

審査委員 안 병 철 印

忠 北 大 學 校 大 學 院

2000年 12月

목 차

I 서 론 1

II 관 련 기 술 6

21 무선랜 전송기술 6

211 협대역 마이크로웨이브 방식 6

212 적외선 방식 7

213 확산대역방식 8

214 DS와 FH방식 11

22 DQPSK 변조 12

23 CCK (Complementary Code Keying) 19

24 CSMACA 21

25 프레임 포맷 22

III 설 계 24

31 시스템 구성 24

32 시스템 설계 25

33 제어부 26

34 기저 대역 처리부 27

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기 30

36 RF 상하향 변환기 31

37 RF AMP부 설계 32

38 안테나 설계 33

39 전원설계 34

310 제작된 보드 34

3101 보드상면 35

3102 보드하면 35

IV 측정과 분석 37

41 안테나 측정 37

42 안테나 빔패턴 분석 38

- i -

43 송신계통 신호측정 40

431 TP1 측정 41

432 TP2 측정 42

433 TP3 측정 43

434 TP4 측정 44

435 TP5 측정 45

436 TP6 측정 46

437 TP7 측정 47

44 수신 계통 측정 48

441 TP1 측정 49

443 TP3 측정 51

45 전송속도 시험 52

46 실내환경 통신시험 53

47 전송거리시험 54

V 결 론 55

참 고 문 헌 57

- ii -

표 차 례

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교 2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화 16

표 3-1 RF 주파수 채널표 32

표 4-1 전송속도 측정결과 53

- iii -

그 림 차 례

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조 10

그림 2-2 스펙트럼의 확산 12

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도 16

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름 17

그림 2-5 CCK 변조의 블록도 19

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술 20

그림 2-7 CSMACA 동작도 21

그림 2-8 프레임 포맷 23

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도 24

그림 3-2 시스템 상세블럭도 25

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도 26

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도 28

그림 3-5 데이터 변조 절차 29

그림 3-6 데이터 복조절차 30

그림 3-4 안테나 설계도 33

그림 3-8 무선랜카드 상면사진 35

그림 3-9 무선랜카드 하면사진 36

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과 37

그림 4-2 VSWR 측정 결과 37

그림 4-3 안테나 설정 좌표축 38

그림 4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과 38

그림 4-5 송신계통 측정포인트 40

그림 4-6 송신 TP1 측정파형 41

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형 42

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼 43

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형 44

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼 45

- iv -

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼 46

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼 47

그림 4-13 수신계통 측정점 48

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼 49

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼 50

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형 51

그림 4-17 전송속도 측정화면 52

그림 4-18 사무실 환경 측정위치 53

그림 4-19 전송거리 시험 54

- v -

A Study of a Wireless LAN Transceiver Operation

at The 24GHz ISM Band

Lee Dong-Kook

Department of Radio Engineering

Graduate School Chungbuk National University

Cheongju Korea

Supervised by Professor Ahn Bierng-Cheol Ph D

Summary

This thesis describes the design and fabrication of the wireless LAN

transceiver operating at 24GHz ISM Band The W-LAN card uses the

half duplex mode that Tx and Rx are taken in turn on the time axis

To fabricate W-LAN card The printed monopole antennas are

designed and fabricated 36 impedance bandwidths Antenna have the

transceiver implemented using chip solutions by intersil corporation

The signal s waveform and Spectrum are measured at various points

on the transceiver circuit to confirm a proper operation Tests of the

fabricated transceiver be performed to confirm a communication range of

200 ~ 300 m in the open space In the data rate measurement W-LAN

transceiver be showed about 4 ~ 45 Mbps data rate on 11Mbps mode

The fabricated W-LAN Transceiver have various application of wireless

terminal WLL BWLL AMR(Auto meter reading) etc

- vi -

I 서 론

개인용 컴퓨터 노트북 컴퓨터 휴대용 정보단말기 등의 이용 각 가정에서

의 인터넷 사용 대부분의 국민이 사용하는 휴대전화 및 이동 무선 인터넷

사용 등이 그리 특별한 일이 아닌 우리 주변에서 현재 벌어지고 있는 정보

화 사회의 단면을 그대로 보여주고 있는 단적인 예들이라 하겠다

이러한 정보전달의 사회적 욕구가 높아짐에 따라서 정보 단말기간의 네트

워킹 및 랜의 수요와 활용도가 매우 높아지고 있다 이에 따라 기업 공장

연구소 및 대학 공공기관 등의 랜 구축이 급속히 증가하고 있고 이동 중

데이터 액세스나 조직변경이나 확충에 따른 업무공간의 레이아웃 변경에 유

연하게 대체할 수 있는 이동 통신 시스템이나 무선랜에 대한 요구가 증대되

고 있으며 세계화 요구에 따른 통신망의 통합화 광 대역화 지능화 다양화

가 꾸준히 진행되고 있다 따라서 기술의 발전성과 지속성 시장성이 우수하

고 파급효과가 큰 무선통신 관련 핵심기술 기반을 구축하는 것은 국가 경쟁

력 확보면에서 매우 중요하다고 할 것이다

무선통신 관련시장을 살펴보면 여러 분야가 있겠지만 현재 IMT2000으로

대표되는 무선휴대 영상전화시스템 분야와 인터넷 정보가전분야로 볼 수 있

다 이 두 분야중에서 인터넷 정보가전분야와 관련하여 필수적이라고 할 수

있는 홈 네트워킹은 여러 가지 해결책이 강구되고 있다 결국에는 IMT2000

망과 인터넷 정보가전분야는 어떤 방식으로든 네트워크를 구성 할 것이다

홈 네트워킹 기술별 특징은 아래의 표1-1과 같다

이들 기술중에서 무선랜은 유선랜 시스템과 달리 전송매체로 전파나 적외

선 등을 이용하므로 동선이나 케이블을 설치하고 유지 보수하는 번거로움을

- 1 -

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교

피할 수 있는 장점이 있다 무선랜은 전송속도 가격 및 표준화 문제로 인하

여 유선랜을 완전히 대체할 수 있지는 않았으나 통신기술 및 반도체 기술의

발달에 힘입어 점차 고속화 저가격화가 실현되고 있고 IEEE80211 규격에

의한 제품의 표준화가 이루어지고 있어 무선랜 시장 확대가 기대되고 있다

기존의 IEEE 80211 규격에 따르는 무선 랜 제품은 24대에서 1~2Mbps

의 낮은 전송속도를 내는 것이 대부분이어서 최근 증가하고 있는 인터넷과

멀티미디어 서비스 요구를 수용하는 데는 한계가 있었는데 이를 극복하고

증가하는 광대역 무선 서비스의 수요에 부응하고 제품들 사이의 호환성을

만족시키기 위하여 제정된 표준안은 크게 IEEE 80211 ETSI

BRAN(Broadband Radio Access Networks)의 하이퍼 랜규격 일본

MMAC-PC(Multimedia Mobile Access Communication Systems-Promotion

구분 종류 표준 전송속도 최대전송거리

유선

Hom ePNA Hom ePNA v20 1~210M bps 150m

USB USB v10 12M bps 30m

Ethernet IEEE8023 10100M bps1Gbps 100(UTP)

IEEE1394 IEEE1394 100~4000M bps 72m

전력선 - 1~2M bps 100m

무선

Bluetooth Bluethooth v10 720kbps 10m

Hom eRF SW AP v12 1~2M bps 50m

IrDA IrDA v13 최대 4M bps 1m

무선랜 IEEE 80211 55~11M bps 50m

- 2 -

Council)규격 ATM 포럼의 무선 ATM-WG 규격으로 분류할 수 있다

기존의 IEEE 80211은 인가 없이 사용할 수 있는 ISM(Industrial

Scientific and Medical)밴드의 24를 사용하여 2Mbps까지 데이터를 전송

할 수 있는 무선 랜의 물리계층과 매체접근제어계층을 규정하고 있다 IEEE

80211에서는 CSMACA(Carrier Sense Multiple AccessCollision

Avoidance)의 매체접근제어 방식을 사용하고 물리계층으로서는 확산 스펙

트럼 방식과 적외선 방식을 사용한다

고속의 데이터 전송을 위하여 ETSI BRAN은 52와 171 주파수 대역

을 사용하여 멀티미디어 정보를 위한 고속 무선망인 하이퍼 랜의 기능을 표

준화하는 것을 목표로 한다 하이퍼 랜은 응용 대상에 따라 4개의 형태로 분

류된다

이들 중 하이퍼 랜2는 200m 내의 범위에서 52의 비허가 대역을 사용

하여 IMT2000(International Mobile Telecommunication)망 ATM

(Asynchronous Transfer Mode) 망 IP(Internet Protocol)망 등의 이동단말

과 유선 광대역 망의 접속이 가능한 고속 무선 전송 시스템으로서 전송방식

으로는 IEEE 80211a 고속 무선 랜의 전송방식인 OFDM(Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) 방식을 채택했으며 매체접근제어 방식으

로는 중앙집중방식의 동적 예약식 TDMATDD (Time Division Multiple

AccessTime Division Duplex)를 사용하여 ATM 및 IP 네트워크에서 요구

하는 다양한 QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있도록 했다

일본의 경우에는 이동 멀티미디어 서비스에 적합한 광대역 무선접속시스

템을 개발하기 위하여 이동 멀티미디어 접속통신시스템 진흥협회

MMAC-PC (Multimedia Mobile Access Communication System Promotion

Council)를 결성하였으며 ATM 포럼간의 상호협력을 통하여 현재 ATM 포

- 3 -

럼의 무선 ATM-WG에서 논의되고 있는 것들과 상당 부분 일치된 표준안

을 제안하고 있다 즉 MMAC-PC와 ETSI BRAN의 하이퍼랜2 등에서는

IEEE 80211a와 공통된 물리계층 표준안을 사용하고 있다

IEEE 80211 TGa(Task Group a)에서는 인가없이 사용할 수 있는 5 대

역에서 6~54Mbps의 전송속도가 가능한 OFDM 방식의 고속 무선 랜의 표준

안인 IEEE 80211a을 제안했으며 지난해 9월 고속 무선 랜의 표준안으로서

5대에서 6~54Mbps의 전송속도를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) 방식의 IEEE 80211a와 24 대역에서 기존 IEEE

80211 규격의 무선 랜 변복조 기술을 일부 변경하여 전송속도를 11Mbps까

지 고속화한 IEEE 80211b 표준안이 최종 확정되었다

최근 고속 무선 랜의 표준안으로 IEEE 80211a가 확정되고 이 표준안에

따르는 고속 무선 랜을 사용하여 공중망과 연동하여 광대역 무선 서비스를

제공하려는 계획이 발표됨에 따라 많은 국제 표준화 기구와 국내외 기업 연

구소에서 이에 대한 연구 및 개발을 21세기 핵심기반사업으로 수행하고 있

다

또한 미국 유럽 일본 등에서 광대역 무선 전송을 위하여 5 대역을 허

가없이 사용할 수 있는 대역으로 확정하고 우리 나라의 정보통신부에서도

전파법 시행령을 일부 개정하여 1999년 7월부터 확산 스펙트럼이 아닌 방식

을 무선 랜 제품에 사용할 수 있도록 함에 따라 5를 사용한 고속 무선 통

신시스템에 대한 연구 및 개발이 본격적으로 개막될 것으로 예상된다

이에 본 논문에서는 IEEE 80211b 표준안 준하는 24GHz ISM 대역 무선

랜을 위한 안테나 및 송수신기 설계 및 구현하였다 안테나는 소형화를 위해

변형된 인쇄형 모노폴 안테나로 구현하였으며 무선랜용 송수신기는 기본적

으로 Intersil사의 칩을 사용하여 구현하였다 최종 제작된 안테나 및 송수신

- 4 -

기를 이용해 실제 데이터 전송실험을 하였으며 실험결과 무선랜 송수신기의

전송속도 11Mbps 수신 가능한 통신거리 약 200여 미터를 얻었다 또한 주

파수 채널은 13개로 변경되는 것을 확인할 수 있었다

II장에서는 무선랜의 구현과 관계되는 기술에 대해서 언급하였으며 III장

에서는 구체적으로 각 기능별 설계에 대해서 설명하였고 IV장에서는 제작

된 보드로 각종 신호의 측정을 실시하여 그 결과를 분석하였다 마지막으로

논문의 결론을 V장에 서술하였다

- 5 -

II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

- 6 -

212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

- 7 -

213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

- 8 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

- 9 -

이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

목 차

I 서 론 1

II 관 련 기 술 6

21 무선랜 전송기술 6

211 협대역 마이크로웨이브 방식 6

212 적외선 방식 7

213 확산대역방식 8

214 DS와 FH방식 11

22 DQPSK 변조 12

23 CCK (Complementary Code Keying) 19

24 CSMACA 21

25 프레임 포맷 22

III 설 계 24

31 시스템 구성 24

32 시스템 설계 25

33 제어부 26

34 기저 대역 처리부 27

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기 30

36 RF 상하향 변환기 31

37 RF AMP부 설계 32

38 안테나 설계 33

39 전원설계 34

310 제작된 보드 34

3101 보드상면 35

3102 보드하면 35

IV 측정과 분석 37

41 안테나 측정 37

42 안테나 빔패턴 분석 38

- i -

43 송신계통 신호측정 40

431 TP1 측정 41

432 TP2 측정 42

433 TP3 측정 43

434 TP4 측정 44

435 TP5 측정 45

436 TP6 측정 46

437 TP7 측정 47

44 수신 계통 측정 48

441 TP1 측정 49

443 TP3 측정 51

45 전송속도 시험 52

46 실내환경 통신시험 53

47 전송거리시험 54

V 결 론 55

참 고 문 헌 57

- ii -

표 차 례

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교 2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화 16

표 3-1 RF 주파수 채널표 32

표 4-1 전송속도 측정결과 53

- iii -

그 림 차 례

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조 10

그림 2-2 스펙트럼의 확산 12

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도 16

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름 17

그림 2-5 CCK 변조의 블록도 19

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술 20

그림 2-7 CSMACA 동작도 21

그림 2-8 프레임 포맷 23

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도 24

그림 3-2 시스템 상세블럭도 25

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도 26

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도 28

그림 3-5 데이터 변조 절차 29

그림 3-6 데이터 복조절차 30

그림 3-4 안테나 설계도 33

그림 3-8 무선랜카드 상면사진 35

그림 3-9 무선랜카드 하면사진 36

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과 37

그림 4-2 VSWR 측정 결과 37

그림 4-3 안테나 설정 좌표축 38

그림 4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과 38

그림 4-5 송신계통 측정포인트 40

그림 4-6 송신 TP1 측정파형 41

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형 42

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼 43

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형 44

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼 45

- iv -

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼 46

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼 47

그림 4-13 수신계통 측정점 48

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼 49

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼 50

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형 51

그림 4-17 전송속도 측정화면 52

그림 4-18 사무실 환경 측정위치 53

그림 4-19 전송거리 시험 54

- v -

A Study of a Wireless LAN Transceiver Operation

at The 24GHz ISM Band

Lee Dong-Kook

Department of Radio Engineering

Graduate School Chungbuk National University

Cheongju Korea

Supervised by Professor Ahn Bierng-Cheol Ph D

Summary

This thesis describes the design and fabrication of the wireless LAN

transceiver operating at 24GHz ISM Band The W-LAN card uses the

half duplex mode that Tx and Rx are taken in turn on the time axis

To fabricate W-LAN card The printed monopole antennas are

designed and fabricated 36 impedance bandwidths Antenna have the

transceiver implemented using chip solutions by intersil corporation

The signal s waveform and Spectrum are measured at various points

on the transceiver circuit to confirm a proper operation Tests of the

fabricated transceiver be performed to confirm a communication range of

200 ~ 300 m in the open space In the data rate measurement W-LAN

transceiver be showed about 4 ~ 45 Mbps data rate on 11Mbps mode

The fabricated W-LAN Transceiver have various application of wireless

terminal WLL BWLL AMR(Auto meter reading) etc

- vi -

I 서 론

개인용 컴퓨터 노트북 컴퓨터 휴대용 정보단말기 등의 이용 각 가정에서

의 인터넷 사용 대부분의 국민이 사용하는 휴대전화 및 이동 무선 인터넷

사용 등이 그리 특별한 일이 아닌 우리 주변에서 현재 벌어지고 있는 정보

화 사회의 단면을 그대로 보여주고 있는 단적인 예들이라 하겠다

이러한 정보전달의 사회적 욕구가 높아짐에 따라서 정보 단말기간의 네트

워킹 및 랜의 수요와 활용도가 매우 높아지고 있다 이에 따라 기업 공장

연구소 및 대학 공공기관 등의 랜 구축이 급속히 증가하고 있고 이동 중

데이터 액세스나 조직변경이나 확충에 따른 업무공간의 레이아웃 변경에 유

연하게 대체할 수 있는 이동 통신 시스템이나 무선랜에 대한 요구가 증대되

고 있으며 세계화 요구에 따른 통신망의 통합화 광 대역화 지능화 다양화

가 꾸준히 진행되고 있다 따라서 기술의 발전성과 지속성 시장성이 우수하

고 파급효과가 큰 무선통신 관련 핵심기술 기반을 구축하는 것은 국가 경쟁

력 확보면에서 매우 중요하다고 할 것이다

무선통신 관련시장을 살펴보면 여러 분야가 있겠지만 현재 IMT2000으로

대표되는 무선휴대 영상전화시스템 분야와 인터넷 정보가전분야로 볼 수 있

다 이 두 분야중에서 인터넷 정보가전분야와 관련하여 필수적이라고 할 수

있는 홈 네트워킹은 여러 가지 해결책이 강구되고 있다 결국에는 IMT2000

망과 인터넷 정보가전분야는 어떤 방식으로든 네트워크를 구성 할 것이다

홈 네트워킹 기술별 특징은 아래의 표1-1과 같다

이들 기술중에서 무선랜은 유선랜 시스템과 달리 전송매체로 전파나 적외

선 등을 이용하므로 동선이나 케이블을 설치하고 유지 보수하는 번거로움을

- 1 -

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교

피할 수 있는 장점이 있다 무선랜은 전송속도 가격 및 표준화 문제로 인하

여 유선랜을 완전히 대체할 수 있지는 않았으나 통신기술 및 반도체 기술의

발달에 힘입어 점차 고속화 저가격화가 실현되고 있고 IEEE80211 규격에

의한 제품의 표준화가 이루어지고 있어 무선랜 시장 확대가 기대되고 있다

기존의 IEEE 80211 규격에 따르는 무선 랜 제품은 24대에서 1~2Mbps

의 낮은 전송속도를 내는 것이 대부분이어서 최근 증가하고 있는 인터넷과

멀티미디어 서비스 요구를 수용하는 데는 한계가 있었는데 이를 극복하고

증가하는 광대역 무선 서비스의 수요에 부응하고 제품들 사이의 호환성을

만족시키기 위하여 제정된 표준안은 크게 IEEE 80211 ETSI

BRAN(Broadband Radio Access Networks)의 하이퍼 랜규격 일본

MMAC-PC(Multimedia Mobile Access Communication Systems-Promotion

구분 종류 표준 전송속도 최대전송거리

유선

Hom ePNA Hom ePNA v20 1~210M bps 150m

USB USB v10 12M bps 30m

Ethernet IEEE8023 10100M bps1Gbps 100(UTP)

IEEE1394 IEEE1394 100~4000M bps 72m

전력선 - 1~2M bps 100m

무선

Bluetooth Bluethooth v10 720kbps 10m

Hom eRF SW AP v12 1~2M bps 50m

IrDA IrDA v13 최대 4M bps 1m

무선랜 IEEE 80211 55~11M bps 50m

- 2 -

Council)규격 ATM 포럼의 무선 ATM-WG 규격으로 분류할 수 있다

기존의 IEEE 80211은 인가 없이 사용할 수 있는 ISM(Industrial

Scientific and Medical)밴드의 24를 사용하여 2Mbps까지 데이터를 전송

할 수 있는 무선 랜의 물리계층과 매체접근제어계층을 규정하고 있다 IEEE

80211에서는 CSMACA(Carrier Sense Multiple AccessCollision

Avoidance)의 매체접근제어 방식을 사용하고 물리계층으로서는 확산 스펙

트럼 방식과 적외선 방식을 사용한다

고속의 데이터 전송을 위하여 ETSI BRAN은 52와 171 주파수 대역

을 사용하여 멀티미디어 정보를 위한 고속 무선망인 하이퍼 랜의 기능을 표

준화하는 것을 목표로 한다 하이퍼 랜은 응용 대상에 따라 4개의 형태로 분

류된다

이들 중 하이퍼 랜2는 200m 내의 범위에서 52의 비허가 대역을 사용

하여 IMT2000(International Mobile Telecommunication)망 ATM

(Asynchronous Transfer Mode) 망 IP(Internet Protocol)망 등의 이동단말

과 유선 광대역 망의 접속이 가능한 고속 무선 전송 시스템으로서 전송방식

으로는 IEEE 80211a 고속 무선 랜의 전송방식인 OFDM(Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) 방식을 채택했으며 매체접근제어 방식으

로는 중앙집중방식의 동적 예약식 TDMATDD (Time Division Multiple

AccessTime Division Duplex)를 사용하여 ATM 및 IP 네트워크에서 요구

하는 다양한 QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있도록 했다

일본의 경우에는 이동 멀티미디어 서비스에 적합한 광대역 무선접속시스

템을 개발하기 위하여 이동 멀티미디어 접속통신시스템 진흥협회

MMAC-PC (Multimedia Mobile Access Communication System Promotion

Council)를 결성하였으며 ATM 포럼간의 상호협력을 통하여 현재 ATM 포

- 3 -

럼의 무선 ATM-WG에서 논의되고 있는 것들과 상당 부분 일치된 표준안

을 제안하고 있다 즉 MMAC-PC와 ETSI BRAN의 하이퍼랜2 등에서는

IEEE 80211a와 공통된 물리계층 표준안을 사용하고 있다

IEEE 80211 TGa(Task Group a)에서는 인가없이 사용할 수 있는 5 대

역에서 6~54Mbps의 전송속도가 가능한 OFDM 방식의 고속 무선 랜의 표준

안인 IEEE 80211a을 제안했으며 지난해 9월 고속 무선 랜의 표준안으로서

5대에서 6~54Mbps의 전송속도를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) 방식의 IEEE 80211a와 24 대역에서 기존 IEEE

80211 규격의 무선 랜 변복조 기술을 일부 변경하여 전송속도를 11Mbps까

지 고속화한 IEEE 80211b 표준안이 최종 확정되었다

최근 고속 무선 랜의 표준안으로 IEEE 80211a가 확정되고 이 표준안에

따르는 고속 무선 랜을 사용하여 공중망과 연동하여 광대역 무선 서비스를

제공하려는 계획이 발표됨에 따라 많은 국제 표준화 기구와 국내외 기업 연

구소에서 이에 대한 연구 및 개발을 21세기 핵심기반사업으로 수행하고 있

다

또한 미국 유럽 일본 등에서 광대역 무선 전송을 위하여 5 대역을 허

가없이 사용할 수 있는 대역으로 확정하고 우리 나라의 정보통신부에서도

전파법 시행령을 일부 개정하여 1999년 7월부터 확산 스펙트럼이 아닌 방식

을 무선 랜 제품에 사용할 수 있도록 함에 따라 5를 사용한 고속 무선 통

신시스템에 대한 연구 및 개발이 본격적으로 개막될 것으로 예상된다

이에 본 논문에서는 IEEE 80211b 표준안 준하는 24GHz ISM 대역 무선

랜을 위한 안테나 및 송수신기 설계 및 구현하였다 안테나는 소형화를 위해

변형된 인쇄형 모노폴 안테나로 구현하였으며 무선랜용 송수신기는 기본적

으로 Intersil사의 칩을 사용하여 구현하였다 최종 제작된 안테나 및 송수신

- 4 -

기를 이용해 실제 데이터 전송실험을 하였으며 실험결과 무선랜 송수신기의

전송속도 11Mbps 수신 가능한 통신거리 약 200여 미터를 얻었다 또한 주

파수 채널은 13개로 변경되는 것을 확인할 수 있었다

II장에서는 무선랜의 구현과 관계되는 기술에 대해서 언급하였으며 III장

에서는 구체적으로 각 기능별 설계에 대해서 설명하였고 IV장에서는 제작

된 보드로 각종 신호의 측정을 실시하여 그 결과를 분석하였다 마지막으로

논문의 결론을 V장에 서술하였다

- 5 -

II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

- 6 -

212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

- 7 -

213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

- 8 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

- 9 -

이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

43 송신계통 신호측정 40

431 TP1 측정 41

432 TP2 측정 42

433 TP3 측정 43

434 TP4 측정 44

435 TP5 측정 45

436 TP6 측정 46

437 TP7 측정 47

44 수신 계통 측정 48

441 TP1 측정 49

443 TP3 측정 51

45 전송속도 시험 52

46 실내환경 통신시험 53

47 전송거리시험 54

V 결 론 55

참 고 문 헌 57

- ii -

표 차 례

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교 2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화 16

표 3-1 RF 주파수 채널표 32

표 4-1 전송속도 측정결과 53

- iii -

그 림 차 례

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조 10

그림 2-2 스펙트럼의 확산 12

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도 16

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름 17

그림 2-5 CCK 변조의 블록도 19

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술 20

그림 2-7 CSMACA 동작도 21

그림 2-8 프레임 포맷 23

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도 24

그림 3-2 시스템 상세블럭도 25

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도 26

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도 28

그림 3-5 데이터 변조 절차 29

그림 3-6 데이터 복조절차 30

그림 3-4 안테나 설계도 33

그림 3-8 무선랜카드 상면사진 35

그림 3-9 무선랜카드 하면사진 36

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과 37

그림 4-2 VSWR 측정 결과 37

그림 4-3 안테나 설정 좌표축 38

그림 4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과 38

그림 4-5 송신계통 측정포인트 40

그림 4-6 송신 TP1 측정파형 41

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형 42

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼 43

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형 44

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼 45

- iv -

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼 46

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼 47

그림 4-13 수신계통 측정점 48

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼 49

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼 50

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형 51

그림 4-17 전송속도 측정화면 52

그림 4-18 사무실 환경 측정위치 53

그림 4-19 전송거리 시험 54

- v -

A Study of a Wireless LAN Transceiver Operation

at The 24GHz ISM Band

Lee Dong-Kook

Department of Radio Engineering

Graduate School Chungbuk National University

Cheongju Korea

Supervised by Professor Ahn Bierng-Cheol Ph D

Summary

This thesis describes the design and fabrication of the wireless LAN

transceiver operating at 24GHz ISM Band The W-LAN card uses the

half duplex mode that Tx and Rx are taken in turn on the time axis

To fabricate W-LAN card The printed monopole antennas are

designed and fabricated 36 impedance bandwidths Antenna have the

transceiver implemented using chip solutions by intersil corporation

The signal s waveform and Spectrum are measured at various points

on the transceiver circuit to confirm a proper operation Tests of the

fabricated transceiver be performed to confirm a communication range of

200 ~ 300 m in the open space In the data rate measurement W-LAN

transceiver be showed about 4 ~ 45 Mbps data rate on 11Mbps mode

The fabricated W-LAN Transceiver have various application of wireless

terminal WLL BWLL AMR(Auto meter reading) etc

- vi -

I 서 론

개인용 컴퓨터 노트북 컴퓨터 휴대용 정보단말기 등의 이용 각 가정에서

의 인터넷 사용 대부분의 국민이 사용하는 휴대전화 및 이동 무선 인터넷

사용 등이 그리 특별한 일이 아닌 우리 주변에서 현재 벌어지고 있는 정보

화 사회의 단면을 그대로 보여주고 있는 단적인 예들이라 하겠다

이러한 정보전달의 사회적 욕구가 높아짐에 따라서 정보 단말기간의 네트

워킹 및 랜의 수요와 활용도가 매우 높아지고 있다 이에 따라 기업 공장

연구소 및 대학 공공기관 등의 랜 구축이 급속히 증가하고 있고 이동 중

데이터 액세스나 조직변경이나 확충에 따른 업무공간의 레이아웃 변경에 유

연하게 대체할 수 있는 이동 통신 시스템이나 무선랜에 대한 요구가 증대되

고 있으며 세계화 요구에 따른 통신망의 통합화 광 대역화 지능화 다양화

가 꾸준히 진행되고 있다 따라서 기술의 발전성과 지속성 시장성이 우수하

고 파급효과가 큰 무선통신 관련 핵심기술 기반을 구축하는 것은 국가 경쟁

력 확보면에서 매우 중요하다고 할 것이다

무선통신 관련시장을 살펴보면 여러 분야가 있겠지만 현재 IMT2000으로

대표되는 무선휴대 영상전화시스템 분야와 인터넷 정보가전분야로 볼 수 있

다 이 두 분야중에서 인터넷 정보가전분야와 관련하여 필수적이라고 할 수

있는 홈 네트워킹은 여러 가지 해결책이 강구되고 있다 결국에는 IMT2000

망과 인터넷 정보가전분야는 어떤 방식으로든 네트워크를 구성 할 것이다

홈 네트워킹 기술별 특징은 아래의 표1-1과 같다

이들 기술중에서 무선랜은 유선랜 시스템과 달리 전송매체로 전파나 적외

선 등을 이용하므로 동선이나 케이블을 설치하고 유지 보수하는 번거로움을

- 1 -

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교

피할 수 있는 장점이 있다 무선랜은 전송속도 가격 및 표준화 문제로 인하

여 유선랜을 완전히 대체할 수 있지는 않았으나 통신기술 및 반도체 기술의

발달에 힘입어 점차 고속화 저가격화가 실현되고 있고 IEEE80211 규격에

의한 제품의 표준화가 이루어지고 있어 무선랜 시장 확대가 기대되고 있다

기존의 IEEE 80211 규격에 따르는 무선 랜 제품은 24대에서 1~2Mbps

의 낮은 전송속도를 내는 것이 대부분이어서 최근 증가하고 있는 인터넷과

멀티미디어 서비스 요구를 수용하는 데는 한계가 있었는데 이를 극복하고

증가하는 광대역 무선 서비스의 수요에 부응하고 제품들 사이의 호환성을

만족시키기 위하여 제정된 표준안은 크게 IEEE 80211 ETSI

BRAN(Broadband Radio Access Networks)의 하이퍼 랜규격 일본

MMAC-PC(Multimedia Mobile Access Communication Systems-Promotion

구분 종류 표준 전송속도 최대전송거리

유선

Hom ePNA Hom ePNA v20 1~210M bps 150m

USB USB v10 12M bps 30m

Ethernet IEEE8023 10100M bps1Gbps 100(UTP)

IEEE1394 IEEE1394 100~4000M bps 72m

전력선 - 1~2M bps 100m

무선

Bluetooth Bluethooth v10 720kbps 10m

Hom eRF SW AP v12 1~2M bps 50m

IrDA IrDA v13 최대 4M bps 1m

무선랜 IEEE 80211 55~11M bps 50m

- 2 -

Council)규격 ATM 포럼의 무선 ATM-WG 규격으로 분류할 수 있다

기존의 IEEE 80211은 인가 없이 사용할 수 있는 ISM(Industrial

Scientific and Medical)밴드의 24를 사용하여 2Mbps까지 데이터를 전송

할 수 있는 무선 랜의 물리계층과 매체접근제어계층을 규정하고 있다 IEEE

80211에서는 CSMACA(Carrier Sense Multiple AccessCollision

Avoidance)의 매체접근제어 방식을 사용하고 물리계층으로서는 확산 스펙

트럼 방식과 적외선 방식을 사용한다

고속의 데이터 전송을 위하여 ETSI BRAN은 52와 171 주파수 대역

을 사용하여 멀티미디어 정보를 위한 고속 무선망인 하이퍼 랜의 기능을 표

준화하는 것을 목표로 한다 하이퍼 랜은 응용 대상에 따라 4개의 형태로 분

류된다

이들 중 하이퍼 랜2는 200m 내의 범위에서 52의 비허가 대역을 사용

하여 IMT2000(International Mobile Telecommunication)망 ATM

(Asynchronous Transfer Mode) 망 IP(Internet Protocol)망 등의 이동단말

과 유선 광대역 망의 접속이 가능한 고속 무선 전송 시스템으로서 전송방식

으로는 IEEE 80211a 고속 무선 랜의 전송방식인 OFDM(Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) 방식을 채택했으며 매체접근제어 방식으

로는 중앙집중방식의 동적 예약식 TDMATDD (Time Division Multiple

AccessTime Division Duplex)를 사용하여 ATM 및 IP 네트워크에서 요구

하는 다양한 QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있도록 했다

일본의 경우에는 이동 멀티미디어 서비스에 적합한 광대역 무선접속시스

템을 개발하기 위하여 이동 멀티미디어 접속통신시스템 진흥협회

MMAC-PC (Multimedia Mobile Access Communication System Promotion

Council)를 결성하였으며 ATM 포럼간의 상호협력을 통하여 현재 ATM 포

- 3 -

럼의 무선 ATM-WG에서 논의되고 있는 것들과 상당 부분 일치된 표준안

을 제안하고 있다 즉 MMAC-PC와 ETSI BRAN의 하이퍼랜2 등에서는

IEEE 80211a와 공통된 물리계층 표준안을 사용하고 있다

IEEE 80211 TGa(Task Group a)에서는 인가없이 사용할 수 있는 5 대

역에서 6~54Mbps의 전송속도가 가능한 OFDM 방식의 고속 무선 랜의 표준

안인 IEEE 80211a을 제안했으며 지난해 9월 고속 무선 랜의 표준안으로서

5대에서 6~54Mbps의 전송속도를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) 방식의 IEEE 80211a와 24 대역에서 기존 IEEE

80211 규격의 무선 랜 변복조 기술을 일부 변경하여 전송속도를 11Mbps까

지 고속화한 IEEE 80211b 표준안이 최종 확정되었다

최근 고속 무선 랜의 표준안으로 IEEE 80211a가 확정되고 이 표준안에

따르는 고속 무선 랜을 사용하여 공중망과 연동하여 광대역 무선 서비스를

제공하려는 계획이 발표됨에 따라 많은 국제 표준화 기구와 국내외 기업 연

구소에서 이에 대한 연구 및 개발을 21세기 핵심기반사업으로 수행하고 있

다

또한 미국 유럽 일본 등에서 광대역 무선 전송을 위하여 5 대역을 허

가없이 사용할 수 있는 대역으로 확정하고 우리 나라의 정보통신부에서도

전파법 시행령을 일부 개정하여 1999년 7월부터 확산 스펙트럼이 아닌 방식

을 무선 랜 제품에 사용할 수 있도록 함에 따라 5를 사용한 고속 무선 통

신시스템에 대한 연구 및 개발이 본격적으로 개막될 것으로 예상된다

이에 본 논문에서는 IEEE 80211b 표준안 준하는 24GHz ISM 대역 무선

랜을 위한 안테나 및 송수신기 설계 및 구현하였다 안테나는 소형화를 위해

변형된 인쇄형 모노폴 안테나로 구현하였으며 무선랜용 송수신기는 기본적

으로 Intersil사의 칩을 사용하여 구현하였다 최종 제작된 안테나 및 송수신

- 4 -

기를 이용해 실제 데이터 전송실험을 하였으며 실험결과 무선랜 송수신기의

전송속도 11Mbps 수신 가능한 통신거리 약 200여 미터를 얻었다 또한 주

파수 채널은 13개로 변경되는 것을 확인할 수 있었다

II장에서는 무선랜의 구현과 관계되는 기술에 대해서 언급하였으며 III장

에서는 구체적으로 각 기능별 설계에 대해서 설명하였고 IV장에서는 제작

된 보드로 각종 신호의 측정을 실시하여 그 결과를 분석하였다 마지막으로

논문의 결론을 V장에 서술하였다

- 5 -

II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

- 6 -

212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

- 7 -

213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

- 8 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

- 9 -

이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

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그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

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M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

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23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

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8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

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그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

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라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

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32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

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MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

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HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

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에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

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호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

표 차 례

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교 2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화 16

표 3-1 RF 주파수 채널표 32

표 4-1 전송속도 측정결과 53

- iii -

그 림 차 례

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조 10

그림 2-2 스펙트럼의 확산 12

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도 16

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름 17

그림 2-5 CCK 변조의 블록도 19

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술 20

그림 2-7 CSMACA 동작도 21

그림 2-8 프레임 포맷 23

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도 24

그림 3-2 시스템 상세블럭도 25

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도 26

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도 28

그림 3-5 데이터 변조 절차 29

그림 3-6 데이터 복조절차 30

그림 3-4 안테나 설계도 33

그림 3-8 무선랜카드 상면사진 35

그림 3-9 무선랜카드 하면사진 36

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과 37

그림 4-2 VSWR 측정 결과 37

그림 4-3 안테나 설정 좌표축 38

그림 4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과 38

그림 4-5 송신계통 측정포인트 40

그림 4-6 송신 TP1 측정파형 41

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형 42

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼 43

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형 44

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼 45

- iv -

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼 46

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼 47

그림 4-13 수신계통 측정점 48

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼 49

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼 50

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형 51

그림 4-17 전송속도 측정화면 52

그림 4-18 사무실 환경 측정위치 53

그림 4-19 전송거리 시험 54

- v -

A Study of a Wireless LAN Transceiver Operation

at The 24GHz ISM Band

Lee Dong-Kook

Department of Radio Engineering

Graduate School Chungbuk National University

Cheongju Korea

Supervised by Professor Ahn Bierng-Cheol Ph D

Summary

This thesis describes the design and fabrication of the wireless LAN

transceiver operating at 24GHz ISM Band The W-LAN card uses the

half duplex mode that Tx and Rx are taken in turn on the time axis

To fabricate W-LAN card The printed monopole antennas are

designed and fabricated 36 impedance bandwidths Antenna have the

transceiver implemented using chip solutions by intersil corporation

The signal s waveform and Spectrum are measured at various points

on the transceiver circuit to confirm a proper operation Tests of the

fabricated transceiver be performed to confirm a communication range of

200 ~ 300 m in the open space In the data rate measurement W-LAN

transceiver be showed about 4 ~ 45 Mbps data rate on 11Mbps mode

The fabricated W-LAN Transceiver have various application of wireless

terminal WLL BWLL AMR(Auto meter reading) etc

- vi -

I 서 론

개인용 컴퓨터 노트북 컴퓨터 휴대용 정보단말기 등의 이용 각 가정에서

의 인터넷 사용 대부분의 국민이 사용하는 휴대전화 및 이동 무선 인터넷

사용 등이 그리 특별한 일이 아닌 우리 주변에서 현재 벌어지고 있는 정보

화 사회의 단면을 그대로 보여주고 있는 단적인 예들이라 하겠다

이러한 정보전달의 사회적 욕구가 높아짐에 따라서 정보 단말기간의 네트

워킹 및 랜의 수요와 활용도가 매우 높아지고 있다 이에 따라 기업 공장

연구소 및 대학 공공기관 등의 랜 구축이 급속히 증가하고 있고 이동 중

데이터 액세스나 조직변경이나 확충에 따른 업무공간의 레이아웃 변경에 유

연하게 대체할 수 있는 이동 통신 시스템이나 무선랜에 대한 요구가 증대되

고 있으며 세계화 요구에 따른 통신망의 통합화 광 대역화 지능화 다양화

가 꾸준히 진행되고 있다 따라서 기술의 발전성과 지속성 시장성이 우수하

고 파급효과가 큰 무선통신 관련 핵심기술 기반을 구축하는 것은 국가 경쟁

력 확보면에서 매우 중요하다고 할 것이다

무선통신 관련시장을 살펴보면 여러 분야가 있겠지만 현재 IMT2000으로

대표되는 무선휴대 영상전화시스템 분야와 인터넷 정보가전분야로 볼 수 있

다 이 두 분야중에서 인터넷 정보가전분야와 관련하여 필수적이라고 할 수

있는 홈 네트워킹은 여러 가지 해결책이 강구되고 있다 결국에는 IMT2000

망과 인터넷 정보가전분야는 어떤 방식으로든 네트워크를 구성 할 것이다

홈 네트워킹 기술별 특징은 아래의 표1-1과 같다

이들 기술중에서 무선랜은 유선랜 시스템과 달리 전송매체로 전파나 적외

선 등을 이용하므로 동선이나 케이블을 설치하고 유지 보수하는 번거로움을

- 1 -

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교

피할 수 있는 장점이 있다 무선랜은 전송속도 가격 및 표준화 문제로 인하

여 유선랜을 완전히 대체할 수 있지는 않았으나 통신기술 및 반도체 기술의

발달에 힘입어 점차 고속화 저가격화가 실현되고 있고 IEEE80211 규격에

의한 제품의 표준화가 이루어지고 있어 무선랜 시장 확대가 기대되고 있다

기존의 IEEE 80211 규격에 따르는 무선 랜 제품은 24대에서 1~2Mbps

의 낮은 전송속도를 내는 것이 대부분이어서 최근 증가하고 있는 인터넷과

멀티미디어 서비스 요구를 수용하는 데는 한계가 있었는데 이를 극복하고

증가하는 광대역 무선 서비스의 수요에 부응하고 제품들 사이의 호환성을

만족시키기 위하여 제정된 표준안은 크게 IEEE 80211 ETSI

BRAN(Broadband Radio Access Networks)의 하이퍼 랜규격 일본

MMAC-PC(Multimedia Mobile Access Communication Systems-Promotion

구분 종류 표준 전송속도 최대전송거리

유선

Hom ePNA Hom ePNA v20 1~210M bps 150m

USB USB v10 12M bps 30m

Ethernet IEEE8023 10100M bps1Gbps 100(UTP)

IEEE1394 IEEE1394 100~4000M bps 72m

전력선 - 1~2M bps 100m

무선

Bluetooth Bluethooth v10 720kbps 10m

Hom eRF SW AP v12 1~2M bps 50m

IrDA IrDA v13 최대 4M bps 1m

무선랜 IEEE 80211 55~11M bps 50m

- 2 -

Council)규격 ATM 포럼의 무선 ATM-WG 규격으로 분류할 수 있다

기존의 IEEE 80211은 인가 없이 사용할 수 있는 ISM(Industrial

Scientific and Medical)밴드의 24를 사용하여 2Mbps까지 데이터를 전송

할 수 있는 무선 랜의 물리계층과 매체접근제어계층을 규정하고 있다 IEEE

80211에서는 CSMACA(Carrier Sense Multiple AccessCollision

Avoidance)의 매체접근제어 방식을 사용하고 물리계층으로서는 확산 스펙

트럼 방식과 적외선 방식을 사용한다

고속의 데이터 전송을 위하여 ETSI BRAN은 52와 171 주파수 대역

을 사용하여 멀티미디어 정보를 위한 고속 무선망인 하이퍼 랜의 기능을 표

준화하는 것을 목표로 한다 하이퍼 랜은 응용 대상에 따라 4개의 형태로 분

류된다

이들 중 하이퍼 랜2는 200m 내의 범위에서 52의 비허가 대역을 사용

하여 IMT2000(International Mobile Telecommunication)망 ATM

(Asynchronous Transfer Mode) 망 IP(Internet Protocol)망 등의 이동단말

과 유선 광대역 망의 접속이 가능한 고속 무선 전송 시스템으로서 전송방식

으로는 IEEE 80211a 고속 무선 랜의 전송방식인 OFDM(Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) 방식을 채택했으며 매체접근제어 방식으

로는 중앙집중방식의 동적 예약식 TDMATDD (Time Division Multiple

AccessTime Division Duplex)를 사용하여 ATM 및 IP 네트워크에서 요구

하는 다양한 QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있도록 했다

일본의 경우에는 이동 멀티미디어 서비스에 적합한 광대역 무선접속시스

템을 개발하기 위하여 이동 멀티미디어 접속통신시스템 진흥협회

MMAC-PC (Multimedia Mobile Access Communication System Promotion

Council)를 결성하였으며 ATM 포럼간의 상호협력을 통하여 현재 ATM 포

- 3 -

럼의 무선 ATM-WG에서 논의되고 있는 것들과 상당 부분 일치된 표준안

을 제안하고 있다 즉 MMAC-PC와 ETSI BRAN의 하이퍼랜2 등에서는

IEEE 80211a와 공통된 물리계층 표준안을 사용하고 있다

IEEE 80211 TGa(Task Group a)에서는 인가없이 사용할 수 있는 5 대

역에서 6~54Mbps의 전송속도가 가능한 OFDM 방식의 고속 무선 랜의 표준

안인 IEEE 80211a을 제안했으며 지난해 9월 고속 무선 랜의 표준안으로서

5대에서 6~54Mbps의 전송속도를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) 방식의 IEEE 80211a와 24 대역에서 기존 IEEE

80211 규격의 무선 랜 변복조 기술을 일부 변경하여 전송속도를 11Mbps까

지 고속화한 IEEE 80211b 표준안이 최종 확정되었다

최근 고속 무선 랜의 표준안으로 IEEE 80211a가 확정되고 이 표준안에

따르는 고속 무선 랜을 사용하여 공중망과 연동하여 광대역 무선 서비스를

제공하려는 계획이 발표됨에 따라 많은 국제 표준화 기구와 국내외 기업 연

구소에서 이에 대한 연구 및 개발을 21세기 핵심기반사업으로 수행하고 있

다

또한 미국 유럽 일본 등에서 광대역 무선 전송을 위하여 5 대역을 허

가없이 사용할 수 있는 대역으로 확정하고 우리 나라의 정보통신부에서도

전파법 시행령을 일부 개정하여 1999년 7월부터 확산 스펙트럼이 아닌 방식

을 무선 랜 제품에 사용할 수 있도록 함에 따라 5를 사용한 고속 무선 통

신시스템에 대한 연구 및 개발이 본격적으로 개막될 것으로 예상된다

이에 본 논문에서는 IEEE 80211b 표준안 준하는 24GHz ISM 대역 무선

랜을 위한 안테나 및 송수신기 설계 및 구현하였다 안테나는 소형화를 위해

변형된 인쇄형 모노폴 안테나로 구현하였으며 무선랜용 송수신기는 기본적

으로 Intersil사의 칩을 사용하여 구현하였다 최종 제작된 안테나 및 송수신

- 4 -

기를 이용해 실제 데이터 전송실험을 하였으며 실험결과 무선랜 송수신기의

전송속도 11Mbps 수신 가능한 통신거리 약 200여 미터를 얻었다 또한 주

파수 채널은 13개로 변경되는 것을 확인할 수 있었다

II장에서는 무선랜의 구현과 관계되는 기술에 대해서 언급하였으며 III장

에서는 구체적으로 각 기능별 설계에 대해서 설명하였고 IV장에서는 제작

된 보드로 각종 신호의 측정을 실시하여 그 결과를 분석하였다 마지막으로

논문의 결론을 V장에 서술하였다

- 5 -

II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

- 6 -

212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

- 7 -

213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

- 8 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

- 9 -

이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

그 림 차 례

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조 10

그림 2-2 스펙트럼의 확산 12

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도 16

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름 17

그림 2-5 CCK 변조의 블록도 19

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술 20

그림 2-7 CSMACA 동작도 21

그림 2-8 프레임 포맷 23

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도 24

그림 3-2 시스템 상세블럭도 25

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도 26

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도 28

그림 3-5 데이터 변조 절차 29

그림 3-6 데이터 복조절차 30

그림 3-4 안테나 설계도 33

그림 3-8 무선랜카드 상면사진 35

그림 3-9 무선랜카드 하면사진 36

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과 37

그림 4-2 VSWR 측정 결과 37

그림 4-3 안테나 설정 좌표축 38

그림 4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과 38

그림 4-5 송신계통 측정포인트 40

그림 4-6 송신 TP1 측정파형 41

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형 42

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼 43

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형 44

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼 45

- iv -

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼 46

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼 47

그림 4-13 수신계통 측정점 48

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼 49

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼 50

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형 51

그림 4-17 전송속도 측정화면 52

그림 4-18 사무실 환경 측정위치 53

그림 4-19 전송거리 시험 54

- v -

A Study of a Wireless LAN Transceiver Operation

at The 24GHz ISM Band

Lee Dong-Kook

Department of Radio Engineering

Graduate School Chungbuk National University

Cheongju Korea

Supervised by Professor Ahn Bierng-Cheol Ph D

Summary

This thesis describes the design and fabrication of the wireless LAN

transceiver operating at 24GHz ISM Band The W-LAN card uses the

half duplex mode that Tx and Rx are taken in turn on the time axis

To fabricate W-LAN card The printed monopole antennas are

designed and fabricated 36 impedance bandwidths Antenna have the

transceiver implemented using chip solutions by intersil corporation

The signal s waveform and Spectrum are measured at various points

on the transceiver circuit to confirm a proper operation Tests of the

fabricated transceiver be performed to confirm a communication range of

200 ~ 300 m in the open space In the data rate measurement W-LAN

transceiver be showed about 4 ~ 45 Mbps data rate on 11Mbps mode

The fabricated W-LAN Transceiver have various application of wireless

terminal WLL BWLL AMR(Auto meter reading) etc

- vi -

I 서 론

개인용 컴퓨터 노트북 컴퓨터 휴대용 정보단말기 등의 이용 각 가정에서

의 인터넷 사용 대부분의 국민이 사용하는 휴대전화 및 이동 무선 인터넷

사용 등이 그리 특별한 일이 아닌 우리 주변에서 현재 벌어지고 있는 정보

화 사회의 단면을 그대로 보여주고 있는 단적인 예들이라 하겠다

이러한 정보전달의 사회적 욕구가 높아짐에 따라서 정보 단말기간의 네트

워킹 및 랜의 수요와 활용도가 매우 높아지고 있다 이에 따라 기업 공장

연구소 및 대학 공공기관 등의 랜 구축이 급속히 증가하고 있고 이동 중

데이터 액세스나 조직변경이나 확충에 따른 업무공간의 레이아웃 변경에 유

연하게 대체할 수 있는 이동 통신 시스템이나 무선랜에 대한 요구가 증대되

고 있으며 세계화 요구에 따른 통신망의 통합화 광 대역화 지능화 다양화

가 꾸준히 진행되고 있다 따라서 기술의 발전성과 지속성 시장성이 우수하

고 파급효과가 큰 무선통신 관련 핵심기술 기반을 구축하는 것은 국가 경쟁

력 확보면에서 매우 중요하다고 할 것이다

무선통신 관련시장을 살펴보면 여러 분야가 있겠지만 현재 IMT2000으로

대표되는 무선휴대 영상전화시스템 분야와 인터넷 정보가전분야로 볼 수 있

다 이 두 분야중에서 인터넷 정보가전분야와 관련하여 필수적이라고 할 수

있는 홈 네트워킹은 여러 가지 해결책이 강구되고 있다 결국에는 IMT2000

망과 인터넷 정보가전분야는 어떤 방식으로든 네트워크를 구성 할 것이다

홈 네트워킹 기술별 특징은 아래의 표1-1과 같다

이들 기술중에서 무선랜은 유선랜 시스템과 달리 전송매체로 전파나 적외

선 등을 이용하므로 동선이나 케이블을 설치하고 유지 보수하는 번거로움을

- 1 -

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교

피할 수 있는 장점이 있다 무선랜은 전송속도 가격 및 표준화 문제로 인하

여 유선랜을 완전히 대체할 수 있지는 않았으나 통신기술 및 반도체 기술의

발달에 힘입어 점차 고속화 저가격화가 실현되고 있고 IEEE80211 규격에

의한 제품의 표준화가 이루어지고 있어 무선랜 시장 확대가 기대되고 있다

기존의 IEEE 80211 규격에 따르는 무선 랜 제품은 24대에서 1~2Mbps

의 낮은 전송속도를 내는 것이 대부분이어서 최근 증가하고 있는 인터넷과

멀티미디어 서비스 요구를 수용하는 데는 한계가 있었는데 이를 극복하고

증가하는 광대역 무선 서비스의 수요에 부응하고 제품들 사이의 호환성을

만족시키기 위하여 제정된 표준안은 크게 IEEE 80211 ETSI

BRAN(Broadband Radio Access Networks)의 하이퍼 랜규격 일본

MMAC-PC(Multimedia Mobile Access Communication Systems-Promotion

구분 종류 표준 전송속도 최대전송거리

유선

Hom ePNA Hom ePNA v20 1~210M bps 150m

USB USB v10 12M bps 30m

Ethernet IEEE8023 10100M bps1Gbps 100(UTP)

IEEE1394 IEEE1394 100~4000M bps 72m

전력선 - 1~2M bps 100m

무선

Bluetooth Bluethooth v10 720kbps 10m

Hom eRF SW AP v12 1~2M bps 50m

IrDA IrDA v13 최대 4M bps 1m

무선랜 IEEE 80211 55~11M bps 50m

- 2 -

Council)규격 ATM 포럼의 무선 ATM-WG 규격으로 분류할 수 있다

기존의 IEEE 80211은 인가 없이 사용할 수 있는 ISM(Industrial

Scientific and Medical)밴드의 24를 사용하여 2Mbps까지 데이터를 전송

할 수 있는 무선 랜의 물리계층과 매체접근제어계층을 규정하고 있다 IEEE

80211에서는 CSMACA(Carrier Sense Multiple AccessCollision

Avoidance)의 매체접근제어 방식을 사용하고 물리계층으로서는 확산 스펙

트럼 방식과 적외선 방식을 사용한다

고속의 데이터 전송을 위하여 ETSI BRAN은 52와 171 주파수 대역

을 사용하여 멀티미디어 정보를 위한 고속 무선망인 하이퍼 랜의 기능을 표

준화하는 것을 목표로 한다 하이퍼 랜은 응용 대상에 따라 4개의 형태로 분

류된다

이들 중 하이퍼 랜2는 200m 내의 범위에서 52의 비허가 대역을 사용

하여 IMT2000(International Mobile Telecommunication)망 ATM

(Asynchronous Transfer Mode) 망 IP(Internet Protocol)망 등의 이동단말

과 유선 광대역 망의 접속이 가능한 고속 무선 전송 시스템으로서 전송방식

으로는 IEEE 80211a 고속 무선 랜의 전송방식인 OFDM(Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) 방식을 채택했으며 매체접근제어 방식으

로는 중앙집중방식의 동적 예약식 TDMATDD (Time Division Multiple

AccessTime Division Duplex)를 사용하여 ATM 및 IP 네트워크에서 요구

하는 다양한 QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있도록 했다

일본의 경우에는 이동 멀티미디어 서비스에 적합한 광대역 무선접속시스

템을 개발하기 위하여 이동 멀티미디어 접속통신시스템 진흥협회

MMAC-PC (Multimedia Mobile Access Communication System Promotion

Council)를 결성하였으며 ATM 포럼간의 상호협력을 통하여 현재 ATM 포

- 3 -

럼의 무선 ATM-WG에서 논의되고 있는 것들과 상당 부분 일치된 표준안

을 제안하고 있다 즉 MMAC-PC와 ETSI BRAN의 하이퍼랜2 등에서는

IEEE 80211a와 공통된 물리계층 표준안을 사용하고 있다

IEEE 80211 TGa(Task Group a)에서는 인가없이 사용할 수 있는 5 대

역에서 6~54Mbps의 전송속도가 가능한 OFDM 방식의 고속 무선 랜의 표준

안인 IEEE 80211a을 제안했으며 지난해 9월 고속 무선 랜의 표준안으로서

5대에서 6~54Mbps의 전송속도를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) 방식의 IEEE 80211a와 24 대역에서 기존 IEEE

80211 규격의 무선 랜 변복조 기술을 일부 변경하여 전송속도를 11Mbps까

지 고속화한 IEEE 80211b 표준안이 최종 확정되었다

최근 고속 무선 랜의 표준안으로 IEEE 80211a가 확정되고 이 표준안에

따르는 고속 무선 랜을 사용하여 공중망과 연동하여 광대역 무선 서비스를

제공하려는 계획이 발표됨에 따라 많은 국제 표준화 기구와 국내외 기업 연

구소에서 이에 대한 연구 및 개발을 21세기 핵심기반사업으로 수행하고 있

다

또한 미국 유럽 일본 등에서 광대역 무선 전송을 위하여 5 대역을 허

가없이 사용할 수 있는 대역으로 확정하고 우리 나라의 정보통신부에서도

전파법 시행령을 일부 개정하여 1999년 7월부터 확산 스펙트럼이 아닌 방식

을 무선 랜 제품에 사용할 수 있도록 함에 따라 5를 사용한 고속 무선 통

신시스템에 대한 연구 및 개발이 본격적으로 개막될 것으로 예상된다

이에 본 논문에서는 IEEE 80211b 표준안 준하는 24GHz ISM 대역 무선

랜을 위한 안테나 및 송수신기 설계 및 구현하였다 안테나는 소형화를 위해

변형된 인쇄형 모노폴 안테나로 구현하였으며 무선랜용 송수신기는 기본적

으로 Intersil사의 칩을 사용하여 구현하였다 최종 제작된 안테나 및 송수신

- 4 -

기를 이용해 실제 데이터 전송실험을 하였으며 실험결과 무선랜 송수신기의

전송속도 11Mbps 수신 가능한 통신거리 약 200여 미터를 얻었다 또한 주

파수 채널은 13개로 변경되는 것을 확인할 수 있었다

II장에서는 무선랜의 구현과 관계되는 기술에 대해서 언급하였으며 III장

에서는 구체적으로 각 기능별 설계에 대해서 설명하였고 IV장에서는 제작

된 보드로 각종 신호의 측정을 실시하여 그 결과를 분석하였다 마지막으로

논문의 결론을 V장에 서술하였다

- 5 -

II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

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212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

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213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

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다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

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이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

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214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

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그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

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식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

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φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

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M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

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데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

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그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

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M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

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23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

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8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

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24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

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그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

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라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

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III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

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32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

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MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

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HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

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그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

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에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼 46

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼 47

그림 4-13 수신계통 측정점 48

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼 49

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼 50

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형 51

그림 4-17 전송속도 측정화면 52

그림 4-18 사무실 환경 측정위치 53

그림 4-19 전송거리 시험 54

- v -

A Study of a Wireless LAN Transceiver Operation

at The 24GHz ISM Band

Lee Dong-Kook

Department of Radio Engineering

Graduate School Chungbuk National University

Cheongju Korea

Supervised by Professor Ahn Bierng-Cheol Ph D

Summary

This thesis describes the design and fabrication of the wireless LAN

transceiver operating at 24GHz ISM Band The W-LAN card uses the

half duplex mode that Tx and Rx are taken in turn on the time axis

To fabricate W-LAN card The printed monopole antennas are

designed and fabricated 36 impedance bandwidths Antenna have the

transceiver implemented using chip solutions by intersil corporation

The signal s waveform and Spectrum are measured at various points

on the transceiver circuit to confirm a proper operation Tests of the

fabricated transceiver be performed to confirm a communication range of

200 ~ 300 m in the open space In the data rate measurement W-LAN

transceiver be showed about 4 ~ 45 Mbps data rate on 11Mbps mode

The fabricated W-LAN Transceiver have various application of wireless

terminal WLL BWLL AMR(Auto meter reading) etc

- vi -

I 서 론

개인용 컴퓨터 노트북 컴퓨터 휴대용 정보단말기 등의 이용 각 가정에서

의 인터넷 사용 대부분의 국민이 사용하는 휴대전화 및 이동 무선 인터넷

사용 등이 그리 특별한 일이 아닌 우리 주변에서 현재 벌어지고 있는 정보

화 사회의 단면을 그대로 보여주고 있는 단적인 예들이라 하겠다

이러한 정보전달의 사회적 욕구가 높아짐에 따라서 정보 단말기간의 네트

워킹 및 랜의 수요와 활용도가 매우 높아지고 있다 이에 따라 기업 공장

연구소 및 대학 공공기관 등의 랜 구축이 급속히 증가하고 있고 이동 중

데이터 액세스나 조직변경이나 확충에 따른 업무공간의 레이아웃 변경에 유

연하게 대체할 수 있는 이동 통신 시스템이나 무선랜에 대한 요구가 증대되

고 있으며 세계화 요구에 따른 통신망의 통합화 광 대역화 지능화 다양화

가 꾸준히 진행되고 있다 따라서 기술의 발전성과 지속성 시장성이 우수하

고 파급효과가 큰 무선통신 관련 핵심기술 기반을 구축하는 것은 국가 경쟁

력 확보면에서 매우 중요하다고 할 것이다

무선통신 관련시장을 살펴보면 여러 분야가 있겠지만 현재 IMT2000으로

대표되는 무선휴대 영상전화시스템 분야와 인터넷 정보가전분야로 볼 수 있

다 이 두 분야중에서 인터넷 정보가전분야와 관련하여 필수적이라고 할 수

있는 홈 네트워킹은 여러 가지 해결책이 강구되고 있다 결국에는 IMT2000

망과 인터넷 정보가전분야는 어떤 방식으로든 네트워크를 구성 할 것이다

홈 네트워킹 기술별 특징은 아래의 표1-1과 같다

이들 기술중에서 무선랜은 유선랜 시스템과 달리 전송매체로 전파나 적외

선 등을 이용하므로 동선이나 케이블을 설치하고 유지 보수하는 번거로움을

- 1 -

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교

피할 수 있는 장점이 있다 무선랜은 전송속도 가격 및 표준화 문제로 인하

여 유선랜을 완전히 대체할 수 있지는 않았으나 통신기술 및 반도체 기술의

발달에 힘입어 점차 고속화 저가격화가 실현되고 있고 IEEE80211 규격에

의한 제품의 표준화가 이루어지고 있어 무선랜 시장 확대가 기대되고 있다

기존의 IEEE 80211 규격에 따르는 무선 랜 제품은 24대에서 1~2Mbps

의 낮은 전송속도를 내는 것이 대부분이어서 최근 증가하고 있는 인터넷과

멀티미디어 서비스 요구를 수용하는 데는 한계가 있었는데 이를 극복하고

증가하는 광대역 무선 서비스의 수요에 부응하고 제품들 사이의 호환성을

만족시키기 위하여 제정된 표준안은 크게 IEEE 80211 ETSI

BRAN(Broadband Radio Access Networks)의 하이퍼 랜규격 일본

MMAC-PC(Multimedia Mobile Access Communication Systems-Promotion

구분 종류 표준 전송속도 최대전송거리

유선

Hom ePNA Hom ePNA v20 1~210M bps 150m

USB USB v10 12M bps 30m

Ethernet IEEE8023 10100M bps1Gbps 100(UTP)

IEEE1394 IEEE1394 100~4000M bps 72m

전력선 - 1~2M bps 100m

무선

Bluetooth Bluethooth v10 720kbps 10m

Hom eRF SW AP v12 1~2M bps 50m

IrDA IrDA v13 최대 4M bps 1m

무선랜 IEEE 80211 55~11M bps 50m

- 2 -

Council)규격 ATM 포럼의 무선 ATM-WG 규격으로 분류할 수 있다

기존의 IEEE 80211은 인가 없이 사용할 수 있는 ISM(Industrial

Scientific and Medical)밴드의 24를 사용하여 2Mbps까지 데이터를 전송

할 수 있는 무선 랜의 물리계층과 매체접근제어계층을 규정하고 있다 IEEE

80211에서는 CSMACA(Carrier Sense Multiple AccessCollision

Avoidance)의 매체접근제어 방식을 사용하고 물리계층으로서는 확산 스펙

트럼 방식과 적외선 방식을 사용한다

고속의 데이터 전송을 위하여 ETSI BRAN은 52와 171 주파수 대역

을 사용하여 멀티미디어 정보를 위한 고속 무선망인 하이퍼 랜의 기능을 표

준화하는 것을 목표로 한다 하이퍼 랜은 응용 대상에 따라 4개의 형태로 분

류된다

이들 중 하이퍼 랜2는 200m 내의 범위에서 52의 비허가 대역을 사용

하여 IMT2000(International Mobile Telecommunication)망 ATM

(Asynchronous Transfer Mode) 망 IP(Internet Protocol)망 등의 이동단말

과 유선 광대역 망의 접속이 가능한 고속 무선 전송 시스템으로서 전송방식

으로는 IEEE 80211a 고속 무선 랜의 전송방식인 OFDM(Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) 방식을 채택했으며 매체접근제어 방식으

로는 중앙집중방식의 동적 예약식 TDMATDD (Time Division Multiple

AccessTime Division Duplex)를 사용하여 ATM 및 IP 네트워크에서 요구

하는 다양한 QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있도록 했다

일본의 경우에는 이동 멀티미디어 서비스에 적합한 광대역 무선접속시스

템을 개발하기 위하여 이동 멀티미디어 접속통신시스템 진흥협회

MMAC-PC (Multimedia Mobile Access Communication System Promotion

Council)를 결성하였으며 ATM 포럼간의 상호협력을 통하여 현재 ATM 포

- 3 -

럼의 무선 ATM-WG에서 논의되고 있는 것들과 상당 부분 일치된 표준안

을 제안하고 있다 즉 MMAC-PC와 ETSI BRAN의 하이퍼랜2 등에서는

IEEE 80211a와 공통된 물리계층 표준안을 사용하고 있다

IEEE 80211 TGa(Task Group a)에서는 인가없이 사용할 수 있는 5 대

역에서 6~54Mbps의 전송속도가 가능한 OFDM 방식의 고속 무선 랜의 표준

안인 IEEE 80211a을 제안했으며 지난해 9월 고속 무선 랜의 표준안으로서

5대에서 6~54Mbps의 전송속도를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) 방식의 IEEE 80211a와 24 대역에서 기존 IEEE

80211 규격의 무선 랜 변복조 기술을 일부 변경하여 전송속도를 11Mbps까

지 고속화한 IEEE 80211b 표준안이 최종 확정되었다

최근 고속 무선 랜의 표준안으로 IEEE 80211a가 확정되고 이 표준안에

따르는 고속 무선 랜을 사용하여 공중망과 연동하여 광대역 무선 서비스를

제공하려는 계획이 발표됨에 따라 많은 국제 표준화 기구와 국내외 기업 연

구소에서 이에 대한 연구 및 개발을 21세기 핵심기반사업으로 수행하고 있

다

또한 미국 유럽 일본 등에서 광대역 무선 전송을 위하여 5 대역을 허

가없이 사용할 수 있는 대역으로 확정하고 우리 나라의 정보통신부에서도

전파법 시행령을 일부 개정하여 1999년 7월부터 확산 스펙트럼이 아닌 방식

을 무선 랜 제품에 사용할 수 있도록 함에 따라 5를 사용한 고속 무선 통

신시스템에 대한 연구 및 개발이 본격적으로 개막될 것으로 예상된다

이에 본 논문에서는 IEEE 80211b 표준안 준하는 24GHz ISM 대역 무선

랜을 위한 안테나 및 송수신기 설계 및 구현하였다 안테나는 소형화를 위해

변형된 인쇄형 모노폴 안테나로 구현하였으며 무선랜용 송수신기는 기본적

으로 Intersil사의 칩을 사용하여 구현하였다 최종 제작된 안테나 및 송수신

- 4 -

기를 이용해 실제 데이터 전송실험을 하였으며 실험결과 무선랜 송수신기의

전송속도 11Mbps 수신 가능한 통신거리 약 200여 미터를 얻었다 또한 주

파수 채널은 13개로 변경되는 것을 확인할 수 있었다

II장에서는 무선랜의 구현과 관계되는 기술에 대해서 언급하였으며 III장

에서는 구체적으로 각 기능별 설계에 대해서 설명하였고 IV장에서는 제작

된 보드로 각종 신호의 측정을 실시하여 그 결과를 분석하였다 마지막으로

논문의 결론을 V장에 서술하였다

- 5 -

II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

- 6 -

212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

- 7 -

213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

- 8 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

- 9 -

이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

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M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

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8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

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그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

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라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

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32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

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MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

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HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

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에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

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호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

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을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

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그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

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42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

A Study of a Wireless LAN Transceiver Operation

at The 24GHz ISM Band

Lee Dong-Kook

Department of Radio Engineering

Graduate School Chungbuk National University

Cheongju Korea

Supervised by Professor Ahn Bierng-Cheol Ph D

Summary

This thesis describes the design and fabrication of the wireless LAN

transceiver operating at 24GHz ISM Band The W-LAN card uses the

half duplex mode that Tx and Rx are taken in turn on the time axis

To fabricate W-LAN card The printed monopole antennas are

designed and fabricated 36 impedance bandwidths Antenna have the

transceiver implemented using chip solutions by intersil corporation

The signal s waveform and Spectrum are measured at various points

on the transceiver circuit to confirm a proper operation Tests of the

fabricated transceiver be performed to confirm a communication range of

200 ~ 300 m in the open space In the data rate measurement W-LAN

transceiver be showed about 4 ~ 45 Mbps data rate on 11Mbps mode

The fabricated W-LAN Transceiver have various application of wireless

terminal WLL BWLL AMR(Auto meter reading) etc

- vi -

I 서 론

개인용 컴퓨터 노트북 컴퓨터 휴대용 정보단말기 등의 이용 각 가정에서

의 인터넷 사용 대부분의 국민이 사용하는 휴대전화 및 이동 무선 인터넷

사용 등이 그리 특별한 일이 아닌 우리 주변에서 현재 벌어지고 있는 정보

화 사회의 단면을 그대로 보여주고 있는 단적인 예들이라 하겠다

이러한 정보전달의 사회적 욕구가 높아짐에 따라서 정보 단말기간의 네트

워킹 및 랜의 수요와 활용도가 매우 높아지고 있다 이에 따라 기업 공장

연구소 및 대학 공공기관 등의 랜 구축이 급속히 증가하고 있고 이동 중

데이터 액세스나 조직변경이나 확충에 따른 업무공간의 레이아웃 변경에 유

연하게 대체할 수 있는 이동 통신 시스템이나 무선랜에 대한 요구가 증대되

고 있으며 세계화 요구에 따른 통신망의 통합화 광 대역화 지능화 다양화

가 꾸준히 진행되고 있다 따라서 기술의 발전성과 지속성 시장성이 우수하

고 파급효과가 큰 무선통신 관련 핵심기술 기반을 구축하는 것은 국가 경쟁

력 확보면에서 매우 중요하다고 할 것이다

무선통신 관련시장을 살펴보면 여러 분야가 있겠지만 현재 IMT2000으로

대표되는 무선휴대 영상전화시스템 분야와 인터넷 정보가전분야로 볼 수 있

다 이 두 분야중에서 인터넷 정보가전분야와 관련하여 필수적이라고 할 수

있는 홈 네트워킹은 여러 가지 해결책이 강구되고 있다 결국에는 IMT2000

망과 인터넷 정보가전분야는 어떤 방식으로든 네트워크를 구성 할 것이다

홈 네트워킹 기술별 특징은 아래의 표1-1과 같다

이들 기술중에서 무선랜은 유선랜 시스템과 달리 전송매체로 전파나 적외

선 등을 이용하므로 동선이나 케이블을 설치하고 유지 보수하는 번거로움을

- 1 -

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교

피할 수 있는 장점이 있다 무선랜은 전송속도 가격 및 표준화 문제로 인하

여 유선랜을 완전히 대체할 수 있지는 않았으나 통신기술 및 반도체 기술의

발달에 힘입어 점차 고속화 저가격화가 실현되고 있고 IEEE80211 규격에

의한 제품의 표준화가 이루어지고 있어 무선랜 시장 확대가 기대되고 있다

기존의 IEEE 80211 규격에 따르는 무선 랜 제품은 24대에서 1~2Mbps

의 낮은 전송속도를 내는 것이 대부분이어서 최근 증가하고 있는 인터넷과

멀티미디어 서비스 요구를 수용하는 데는 한계가 있었는데 이를 극복하고

증가하는 광대역 무선 서비스의 수요에 부응하고 제품들 사이의 호환성을

만족시키기 위하여 제정된 표준안은 크게 IEEE 80211 ETSI

BRAN(Broadband Radio Access Networks)의 하이퍼 랜규격 일본

MMAC-PC(Multimedia Mobile Access Communication Systems-Promotion

구분 종류 표준 전송속도 최대전송거리

유선

Hom ePNA Hom ePNA v20 1~210M bps 150m

USB USB v10 12M bps 30m

Ethernet IEEE8023 10100M bps1Gbps 100(UTP)

IEEE1394 IEEE1394 100~4000M bps 72m

전력선 - 1~2M bps 100m

무선

Bluetooth Bluethooth v10 720kbps 10m

Hom eRF SW AP v12 1~2M bps 50m

IrDA IrDA v13 최대 4M bps 1m

무선랜 IEEE 80211 55~11M bps 50m

- 2 -

Council)규격 ATM 포럼의 무선 ATM-WG 규격으로 분류할 수 있다

기존의 IEEE 80211은 인가 없이 사용할 수 있는 ISM(Industrial

Scientific and Medical)밴드의 24를 사용하여 2Mbps까지 데이터를 전송

할 수 있는 무선 랜의 물리계층과 매체접근제어계층을 규정하고 있다 IEEE

80211에서는 CSMACA(Carrier Sense Multiple AccessCollision

Avoidance)의 매체접근제어 방식을 사용하고 물리계층으로서는 확산 스펙

트럼 방식과 적외선 방식을 사용한다

고속의 데이터 전송을 위하여 ETSI BRAN은 52와 171 주파수 대역

을 사용하여 멀티미디어 정보를 위한 고속 무선망인 하이퍼 랜의 기능을 표

준화하는 것을 목표로 한다 하이퍼 랜은 응용 대상에 따라 4개의 형태로 분

류된다

이들 중 하이퍼 랜2는 200m 내의 범위에서 52의 비허가 대역을 사용

하여 IMT2000(International Mobile Telecommunication)망 ATM

(Asynchronous Transfer Mode) 망 IP(Internet Protocol)망 등의 이동단말

과 유선 광대역 망의 접속이 가능한 고속 무선 전송 시스템으로서 전송방식

으로는 IEEE 80211a 고속 무선 랜의 전송방식인 OFDM(Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) 방식을 채택했으며 매체접근제어 방식으

로는 중앙집중방식의 동적 예약식 TDMATDD (Time Division Multiple

AccessTime Division Duplex)를 사용하여 ATM 및 IP 네트워크에서 요구

하는 다양한 QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있도록 했다

일본의 경우에는 이동 멀티미디어 서비스에 적합한 광대역 무선접속시스

템을 개발하기 위하여 이동 멀티미디어 접속통신시스템 진흥협회

MMAC-PC (Multimedia Mobile Access Communication System Promotion

Council)를 결성하였으며 ATM 포럼간의 상호협력을 통하여 현재 ATM 포

- 3 -

럼의 무선 ATM-WG에서 논의되고 있는 것들과 상당 부분 일치된 표준안

을 제안하고 있다 즉 MMAC-PC와 ETSI BRAN의 하이퍼랜2 등에서는

IEEE 80211a와 공통된 물리계층 표준안을 사용하고 있다

IEEE 80211 TGa(Task Group a)에서는 인가없이 사용할 수 있는 5 대

역에서 6~54Mbps의 전송속도가 가능한 OFDM 방식의 고속 무선 랜의 표준

안인 IEEE 80211a을 제안했으며 지난해 9월 고속 무선 랜의 표준안으로서

5대에서 6~54Mbps의 전송속도를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) 방식의 IEEE 80211a와 24 대역에서 기존 IEEE

80211 규격의 무선 랜 변복조 기술을 일부 변경하여 전송속도를 11Mbps까

지 고속화한 IEEE 80211b 표준안이 최종 확정되었다

최근 고속 무선 랜의 표준안으로 IEEE 80211a가 확정되고 이 표준안에

따르는 고속 무선 랜을 사용하여 공중망과 연동하여 광대역 무선 서비스를

제공하려는 계획이 발표됨에 따라 많은 국제 표준화 기구와 국내외 기업 연

구소에서 이에 대한 연구 및 개발을 21세기 핵심기반사업으로 수행하고 있

다

또한 미국 유럽 일본 등에서 광대역 무선 전송을 위하여 5 대역을 허

가없이 사용할 수 있는 대역으로 확정하고 우리 나라의 정보통신부에서도

전파법 시행령을 일부 개정하여 1999년 7월부터 확산 스펙트럼이 아닌 방식

을 무선 랜 제품에 사용할 수 있도록 함에 따라 5를 사용한 고속 무선 통

신시스템에 대한 연구 및 개발이 본격적으로 개막될 것으로 예상된다

이에 본 논문에서는 IEEE 80211b 표준안 준하는 24GHz ISM 대역 무선

랜을 위한 안테나 및 송수신기 설계 및 구현하였다 안테나는 소형화를 위해

변형된 인쇄형 모노폴 안테나로 구현하였으며 무선랜용 송수신기는 기본적

으로 Intersil사의 칩을 사용하여 구현하였다 최종 제작된 안테나 및 송수신

- 4 -

기를 이용해 실제 데이터 전송실험을 하였으며 실험결과 무선랜 송수신기의

전송속도 11Mbps 수신 가능한 통신거리 약 200여 미터를 얻었다 또한 주

파수 채널은 13개로 변경되는 것을 확인할 수 있었다

II장에서는 무선랜의 구현과 관계되는 기술에 대해서 언급하였으며 III장

에서는 구체적으로 각 기능별 설계에 대해서 설명하였고 IV장에서는 제작

된 보드로 각종 신호의 측정을 실시하여 그 결과를 분석하였다 마지막으로

논문의 결론을 V장에 서술하였다

- 5 -

II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

- 6 -

212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

- 7 -

213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

- 8 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

- 9 -

이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

I 서 론

개인용 컴퓨터 노트북 컴퓨터 휴대용 정보단말기 등의 이용 각 가정에서

의 인터넷 사용 대부분의 국민이 사용하는 휴대전화 및 이동 무선 인터넷

사용 등이 그리 특별한 일이 아닌 우리 주변에서 현재 벌어지고 있는 정보

화 사회의 단면을 그대로 보여주고 있는 단적인 예들이라 하겠다

이러한 정보전달의 사회적 욕구가 높아짐에 따라서 정보 단말기간의 네트

워킹 및 랜의 수요와 활용도가 매우 높아지고 있다 이에 따라 기업 공장

연구소 및 대학 공공기관 등의 랜 구축이 급속히 증가하고 있고 이동 중

데이터 액세스나 조직변경이나 확충에 따른 업무공간의 레이아웃 변경에 유

연하게 대체할 수 있는 이동 통신 시스템이나 무선랜에 대한 요구가 증대되

고 있으며 세계화 요구에 따른 통신망의 통합화 광 대역화 지능화 다양화

가 꾸준히 진행되고 있다 따라서 기술의 발전성과 지속성 시장성이 우수하

고 파급효과가 큰 무선통신 관련 핵심기술 기반을 구축하는 것은 국가 경쟁

력 확보면에서 매우 중요하다고 할 것이다

무선통신 관련시장을 살펴보면 여러 분야가 있겠지만 현재 IMT2000으로

대표되는 무선휴대 영상전화시스템 분야와 인터넷 정보가전분야로 볼 수 있

다 이 두 분야중에서 인터넷 정보가전분야와 관련하여 필수적이라고 할 수

있는 홈 네트워킹은 여러 가지 해결책이 강구되고 있다 결국에는 IMT2000

망과 인터넷 정보가전분야는 어떤 방식으로든 네트워크를 구성 할 것이다

홈 네트워킹 기술별 특징은 아래의 표1-1과 같다

이들 기술중에서 무선랜은 유선랜 시스템과 달리 전송매체로 전파나 적외

선 등을 이용하므로 동선이나 케이블을 설치하고 유지 보수하는 번거로움을

- 1 -

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교

피할 수 있는 장점이 있다 무선랜은 전송속도 가격 및 표준화 문제로 인하

여 유선랜을 완전히 대체할 수 있지는 않았으나 통신기술 및 반도체 기술의

발달에 힘입어 점차 고속화 저가격화가 실현되고 있고 IEEE80211 규격에

의한 제품의 표준화가 이루어지고 있어 무선랜 시장 확대가 기대되고 있다

기존의 IEEE 80211 규격에 따르는 무선 랜 제품은 24대에서 1~2Mbps

의 낮은 전송속도를 내는 것이 대부분이어서 최근 증가하고 있는 인터넷과

멀티미디어 서비스 요구를 수용하는 데는 한계가 있었는데 이를 극복하고

증가하는 광대역 무선 서비스의 수요에 부응하고 제품들 사이의 호환성을

만족시키기 위하여 제정된 표준안은 크게 IEEE 80211 ETSI

BRAN(Broadband Radio Access Networks)의 하이퍼 랜규격 일본

MMAC-PC(Multimedia Mobile Access Communication Systems-Promotion

구분 종류 표준 전송속도 최대전송거리

유선

Hom ePNA Hom ePNA v20 1~210M bps 150m

USB USB v10 12M bps 30m

Ethernet IEEE8023 10100M bps1Gbps 100(UTP)

IEEE1394 IEEE1394 100~4000M bps 72m

전력선 - 1~2M bps 100m

무선

Bluetooth Bluethooth v10 720kbps 10m

Hom eRF SW AP v12 1~2M bps 50m

IrDA IrDA v13 최대 4M bps 1m

무선랜 IEEE 80211 55~11M bps 50m

- 2 -

Council)규격 ATM 포럼의 무선 ATM-WG 규격으로 분류할 수 있다

기존의 IEEE 80211은 인가 없이 사용할 수 있는 ISM(Industrial

Scientific and Medical)밴드의 24를 사용하여 2Mbps까지 데이터를 전송

할 수 있는 무선 랜의 물리계층과 매체접근제어계층을 규정하고 있다 IEEE

80211에서는 CSMACA(Carrier Sense Multiple AccessCollision

Avoidance)의 매체접근제어 방식을 사용하고 물리계층으로서는 확산 스펙

트럼 방식과 적외선 방식을 사용한다

고속의 데이터 전송을 위하여 ETSI BRAN은 52와 171 주파수 대역

을 사용하여 멀티미디어 정보를 위한 고속 무선망인 하이퍼 랜의 기능을 표

준화하는 것을 목표로 한다 하이퍼 랜은 응용 대상에 따라 4개의 형태로 분

류된다

이들 중 하이퍼 랜2는 200m 내의 범위에서 52의 비허가 대역을 사용

하여 IMT2000(International Mobile Telecommunication)망 ATM

(Asynchronous Transfer Mode) 망 IP(Internet Protocol)망 등의 이동단말

과 유선 광대역 망의 접속이 가능한 고속 무선 전송 시스템으로서 전송방식

으로는 IEEE 80211a 고속 무선 랜의 전송방식인 OFDM(Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) 방식을 채택했으며 매체접근제어 방식으

로는 중앙집중방식의 동적 예약식 TDMATDD (Time Division Multiple

AccessTime Division Duplex)를 사용하여 ATM 및 IP 네트워크에서 요구

하는 다양한 QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있도록 했다

일본의 경우에는 이동 멀티미디어 서비스에 적합한 광대역 무선접속시스

템을 개발하기 위하여 이동 멀티미디어 접속통신시스템 진흥협회

MMAC-PC (Multimedia Mobile Access Communication System Promotion

Council)를 결성하였으며 ATM 포럼간의 상호협력을 통하여 현재 ATM 포

- 3 -

럼의 무선 ATM-WG에서 논의되고 있는 것들과 상당 부분 일치된 표준안

을 제안하고 있다 즉 MMAC-PC와 ETSI BRAN의 하이퍼랜2 등에서는

IEEE 80211a와 공통된 물리계층 표준안을 사용하고 있다

IEEE 80211 TGa(Task Group a)에서는 인가없이 사용할 수 있는 5 대

역에서 6~54Mbps의 전송속도가 가능한 OFDM 방식의 고속 무선 랜의 표준

안인 IEEE 80211a을 제안했으며 지난해 9월 고속 무선 랜의 표준안으로서

5대에서 6~54Mbps의 전송속도를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) 방식의 IEEE 80211a와 24 대역에서 기존 IEEE

80211 규격의 무선 랜 변복조 기술을 일부 변경하여 전송속도를 11Mbps까

지 고속화한 IEEE 80211b 표준안이 최종 확정되었다

최근 고속 무선 랜의 표준안으로 IEEE 80211a가 확정되고 이 표준안에

따르는 고속 무선 랜을 사용하여 공중망과 연동하여 광대역 무선 서비스를

제공하려는 계획이 발표됨에 따라 많은 국제 표준화 기구와 국내외 기업 연

구소에서 이에 대한 연구 및 개발을 21세기 핵심기반사업으로 수행하고 있

다

또한 미국 유럽 일본 등에서 광대역 무선 전송을 위하여 5 대역을 허

가없이 사용할 수 있는 대역으로 확정하고 우리 나라의 정보통신부에서도

전파법 시행령을 일부 개정하여 1999년 7월부터 확산 스펙트럼이 아닌 방식

을 무선 랜 제품에 사용할 수 있도록 함에 따라 5를 사용한 고속 무선 통

신시스템에 대한 연구 및 개발이 본격적으로 개막될 것으로 예상된다

이에 본 논문에서는 IEEE 80211b 표준안 준하는 24GHz ISM 대역 무선

랜을 위한 안테나 및 송수신기 설계 및 구현하였다 안테나는 소형화를 위해

변형된 인쇄형 모노폴 안테나로 구현하였으며 무선랜용 송수신기는 기본적

으로 Intersil사의 칩을 사용하여 구현하였다 최종 제작된 안테나 및 송수신

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기를 이용해 실제 데이터 전송실험을 하였으며 실험결과 무선랜 송수신기의

전송속도 11Mbps 수신 가능한 통신거리 약 200여 미터를 얻었다 또한 주

파수 채널은 13개로 변경되는 것을 확인할 수 있었다

II장에서는 무선랜의 구현과 관계되는 기술에 대해서 언급하였으며 III장

에서는 구체적으로 각 기능별 설계에 대해서 설명하였고 IV장에서는 제작

된 보드로 각종 신호의 측정을 실시하여 그 결과를 분석하였다 마지막으로

논문의 결론을 V장에 서술하였다

- 5 -

II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

- 6 -

212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

- 7 -

213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

- 8 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

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이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

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M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

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M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

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MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

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에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

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호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

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20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

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을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

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그림 3-9 무선랜카드 하면사진

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IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

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42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

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우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

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43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

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다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

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432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

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전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

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434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

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437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

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441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

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442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

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443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

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45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

표 1-1 홈 네트워킹 기술비교

피할 수 있는 장점이 있다 무선랜은 전송속도 가격 및 표준화 문제로 인하

여 유선랜을 완전히 대체할 수 있지는 않았으나 통신기술 및 반도체 기술의

발달에 힘입어 점차 고속화 저가격화가 실현되고 있고 IEEE80211 규격에

의한 제품의 표준화가 이루어지고 있어 무선랜 시장 확대가 기대되고 있다

기존의 IEEE 80211 규격에 따르는 무선 랜 제품은 24대에서 1~2Mbps

의 낮은 전송속도를 내는 것이 대부분이어서 최근 증가하고 있는 인터넷과

멀티미디어 서비스 요구를 수용하는 데는 한계가 있었는데 이를 극복하고

증가하는 광대역 무선 서비스의 수요에 부응하고 제품들 사이의 호환성을

만족시키기 위하여 제정된 표준안은 크게 IEEE 80211 ETSI

BRAN(Broadband Radio Access Networks)의 하이퍼 랜규격 일본

MMAC-PC(Multimedia Mobile Access Communication Systems-Promotion

구분 종류 표준 전송속도 최대전송거리

유선

Hom ePNA Hom ePNA v20 1~210M bps 150m

USB USB v10 12M bps 30m

Ethernet IEEE8023 10100M bps1Gbps 100(UTP)

IEEE1394 IEEE1394 100~4000M bps 72m

전력선 - 1~2M bps 100m

무선

Bluetooth Bluethooth v10 720kbps 10m

Hom eRF SW AP v12 1~2M bps 50m

IrDA IrDA v13 최대 4M bps 1m

무선랜 IEEE 80211 55~11M bps 50m

- 2 -

Council)규격 ATM 포럼의 무선 ATM-WG 규격으로 분류할 수 있다

기존의 IEEE 80211은 인가 없이 사용할 수 있는 ISM(Industrial

Scientific and Medical)밴드의 24를 사용하여 2Mbps까지 데이터를 전송

할 수 있는 무선 랜의 물리계층과 매체접근제어계층을 규정하고 있다 IEEE

80211에서는 CSMACA(Carrier Sense Multiple AccessCollision

Avoidance)의 매체접근제어 방식을 사용하고 물리계층으로서는 확산 스펙

트럼 방식과 적외선 방식을 사용한다

고속의 데이터 전송을 위하여 ETSI BRAN은 52와 171 주파수 대역

을 사용하여 멀티미디어 정보를 위한 고속 무선망인 하이퍼 랜의 기능을 표

준화하는 것을 목표로 한다 하이퍼 랜은 응용 대상에 따라 4개의 형태로 분

류된다

이들 중 하이퍼 랜2는 200m 내의 범위에서 52의 비허가 대역을 사용

하여 IMT2000(International Mobile Telecommunication)망 ATM

(Asynchronous Transfer Mode) 망 IP(Internet Protocol)망 등의 이동단말

과 유선 광대역 망의 접속이 가능한 고속 무선 전송 시스템으로서 전송방식

으로는 IEEE 80211a 고속 무선 랜의 전송방식인 OFDM(Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) 방식을 채택했으며 매체접근제어 방식으

로는 중앙집중방식의 동적 예약식 TDMATDD (Time Division Multiple

AccessTime Division Duplex)를 사용하여 ATM 및 IP 네트워크에서 요구

하는 다양한 QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있도록 했다

일본의 경우에는 이동 멀티미디어 서비스에 적합한 광대역 무선접속시스

템을 개발하기 위하여 이동 멀티미디어 접속통신시스템 진흥협회

MMAC-PC (Multimedia Mobile Access Communication System Promotion

Council)를 결성하였으며 ATM 포럼간의 상호협력을 통하여 현재 ATM 포

- 3 -

럼의 무선 ATM-WG에서 논의되고 있는 것들과 상당 부분 일치된 표준안

을 제안하고 있다 즉 MMAC-PC와 ETSI BRAN의 하이퍼랜2 등에서는

IEEE 80211a와 공통된 물리계층 표준안을 사용하고 있다

IEEE 80211 TGa(Task Group a)에서는 인가없이 사용할 수 있는 5 대

역에서 6~54Mbps의 전송속도가 가능한 OFDM 방식의 고속 무선 랜의 표준

안인 IEEE 80211a을 제안했으며 지난해 9월 고속 무선 랜의 표준안으로서

5대에서 6~54Mbps의 전송속도를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) 방식의 IEEE 80211a와 24 대역에서 기존 IEEE

80211 규격의 무선 랜 변복조 기술을 일부 변경하여 전송속도를 11Mbps까

지 고속화한 IEEE 80211b 표준안이 최종 확정되었다

최근 고속 무선 랜의 표준안으로 IEEE 80211a가 확정되고 이 표준안에

따르는 고속 무선 랜을 사용하여 공중망과 연동하여 광대역 무선 서비스를

제공하려는 계획이 발표됨에 따라 많은 국제 표준화 기구와 국내외 기업 연

구소에서 이에 대한 연구 및 개발을 21세기 핵심기반사업으로 수행하고 있

다

또한 미국 유럽 일본 등에서 광대역 무선 전송을 위하여 5 대역을 허

가없이 사용할 수 있는 대역으로 확정하고 우리 나라의 정보통신부에서도

전파법 시행령을 일부 개정하여 1999년 7월부터 확산 스펙트럼이 아닌 방식

을 무선 랜 제품에 사용할 수 있도록 함에 따라 5를 사용한 고속 무선 통

신시스템에 대한 연구 및 개발이 본격적으로 개막될 것으로 예상된다

이에 본 논문에서는 IEEE 80211b 표준안 준하는 24GHz ISM 대역 무선

랜을 위한 안테나 및 송수신기 설계 및 구현하였다 안테나는 소형화를 위해

변형된 인쇄형 모노폴 안테나로 구현하였으며 무선랜용 송수신기는 기본적

으로 Intersil사의 칩을 사용하여 구현하였다 최종 제작된 안테나 및 송수신

- 4 -

기를 이용해 실제 데이터 전송실험을 하였으며 실험결과 무선랜 송수신기의

전송속도 11Mbps 수신 가능한 통신거리 약 200여 미터를 얻었다 또한 주

파수 채널은 13개로 변경되는 것을 확인할 수 있었다

II장에서는 무선랜의 구현과 관계되는 기술에 대해서 언급하였으며 III장

에서는 구체적으로 각 기능별 설계에 대해서 설명하였고 IV장에서는 제작

된 보드로 각종 신호의 측정을 실시하여 그 결과를 분석하였다 마지막으로

논문의 결론을 V장에 서술하였다

- 5 -

II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

- 6 -

212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

- 7 -

213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

- 8 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

- 9 -

이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

Council)규격 ATM 포럼의 무선 ATM-WG 규격으로 분류할 수 있다

기존의 IEEE 80211은 인가 없이 사용할 수 있는 ISM(Industrial

Scientific and Medical)밴드의 24를 사용하여 2Mbps까지 데이터를 전송

할 수 있는 무선 랜의 물리계층과 매체접근제어계층을 규정하고 있다 IEEE

80211에서는 CSMACA(Carrier Sense Multiple AccessCollision

Avoidance)의 매체접근제어 방식을 사용하고 물리계층으로서는 확산 스펙

트럼 방식과 적외선 방식을 사용한다

고속의 데이터 전송을 위하여 ETSI BRAN은 52와 171 주파수 대역

을 사용하여 멀티미디어 정보를 위한 고속 무선망인 하이퍼 랜의 기능을 표

준화하는 것을 목표로 한다 하이퍼 랜은 응용 대상에 따라 4개의 형태로 분

류된다

이들 중 하이퍼 랜2는 200m 내의 범위에서 52의 비허가 대역을 사용

하여 IMT2000(International Mobile Telecommunication)망 ATM

(Asynchronous Transfer Mode) 망 IP(Internet Protocol)망 등의 이동단말

과 유선 광대역 망의 접속이 가능한 고속 무선 전송 시스템으로서 전송방식

으로는 IEEE 80211a 고속 무선 랜의 전송방식인 OFDM(Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) 방식을 채택했으며 매체접근제어 방식으

로는 중앙집중방식의 동적 예약식 TDMATDD (Time Division Multiple

AccessTime Division Duplex)를 사용하여 ATM 및 IP 네트워크에서 요구

하는 다양한 QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있도록 했다

일본의 경우에는 이동 멀티미디어 서비스에 적합한 광대역 무선접속시스

템을 개발하기 위하여 이동 멀티미디어 접속통신시스템 진흥협회

MMAC-PC (Multimedia Mobile Access Communication System Promotion

Council)를 결성하였으며 ATM 포럼간의 상호협력을 통하여 현재 ATM 포

- 3 -

럼의 무선 ATM-WG에서 논의되고 있는 것들과 상당 부분 일치된 표준안

을 제안하고 있다 즉 MMAC-PC와 ETSI BRAN의 하이퍼랜2 등에서는

IEEE 80211a와 공통된 물리계층 표준안을 사용하고 있다

IEEE 80211 TGa(Task Group a)에서는 인가없이 사용할 수 있는 5 대

역에서 6~54Mbps의 전송속도가 가능한 OFDM 방식의 고속 무선 랜의 표준

안인 IEEE 80211a을 제안했으며 지난해 9월 고속 무선 랜의 표준안으로서

5대에서 6~54Mbps의 전송속도를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) 방식의 IEEE 80211a와 24 대역에서 기존 IEEE

80211 규격의 무선 랜 변복조 기술을 일부 변경하여 전송속도를 11Mbps까

지 고속화한 IEEE 80211b 표준안이 최종 확정되었다

최근 고속 무선 랜의 표준안으로 IEEE 80211a가 확정되고 이 표준안에

따르는 고속 무선 랜을 사용하여 공중망과 연동하여 광대역 무선 서비스를

제공하려는 계획이 발표됨에 따라 많은 국제 표준화 기구와 국내외 기업 연

구소에서 이에 대한 연구 및 개발을 21세기 핵심기반사업으로 수행하고 있

다

또한 미국 유럽 일본 등에서 광대역 무선 전송을 위하여 5 대역을 허

가없이 사용할 수 있는 대역으로 확정하고 우리 나라의 정보통신부에서도

전파법 시행령을 일부 개정하여 1999년 7월부터 확산 스펙트럼이 아닌 방식

을 무선 랜 제품에 사용할 수 있도록 함에 따라 5를 사용한 고속 무선 통

신시스템에 대한 연구 및 개발이 본격적으로 개막될 것으로 예상된다

이에 본 논문에서는 IEEE 80211b 표준안 준하는 24GHz ISM 대역 무선

랜을 위한 안테나 및 송수신기 설계 및 구현하였다 안테나는 소형화를 위해

변형된 인쇄형 모노폴 안테나로 구현하였으며 무선랜용 송수신기는 기본적

으로 Intersil사의 칩을 사용하여 구현하였다 최종 제작된 안테나 및 송수신

- 4 -

기를 이용해 실제 데이터 전송실험을 하였으며 실험결과 무선랜 송수신기의

전송속도 11Mbps 수신 가능한 통신거리 약 200여 미터를 얻었다 또한 주

파수 채널은 13개로 변경되는 것을 확인할 수 있었다

II장에서는 무선랜의 구현과 관계되는 기술에 대해서 언급하였으며 III장

에서는 구체적으로 각 기능별 설계에 대해서 설명하였고 IV장에서는 제작

된 보드로 각종 신호의 측정을 실시하여 그 결과를 분석하였다 마지막으로

논문의 결론을 V장에 서술하였다

- 5 -

II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

- 6 -

212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

- 7 -

213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

- 8 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

- 9 -

이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

럼의 무선 ATM-WG에서 논의되고 있는 것들과 상당 부분 일치된 표준안

을 제안하고 있다 즉 MMAC-PC와 ETSI BRAN의 하이퍼랜2 등에서는

IEEE 80211a와 공통된 물리계층 표준안을 사용하고 있다

IEEE 80211 TGa(Task Group a)에서는 인가없이 사용할 수 있는 5 대

역에서 6~54Mbps의 전송속도가 가능한 OFDM 방식의 고속 무선 랜의 표준

안인 IEEE 80211a을 제안했으며 지난해 9월 고속 무선 랜의 표준안으로서

5대에서 6~54Mbps의 전송속도를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) 방식의 IEEE 80211a와 24 대역에서 기존 IEEE

80211 규격의 무선 랜 변복조 기술을 일부 변경하여 전송속도를 11Mbps까

지 고속화한 IEEE 80211b 표준안이 최종 확정되었다

최근 고속 무선 랜의 표준안으로 IEEE 80211a가 확정되고 이 표준안에

따르는 고속 무선 랜을 사용하여 공중망과 연동하여 광대역 무선 서비스를

제공하려는 계획이 발표됨에 따라 많은 국제 표준화 기구와 국내외 기업 연

구소에서 이에 대한 연구 및 개발을 21세기 핵심기반사업으로 수행하고 있

다

또한 미국 유럽 일본 등에서 광대역 무선 전송을 위하여 5 대역을 허

가없이 사용할 수 있는 대역으로 확정하고 우리 나라의 정보통신부에서도

전파법 시행령을 일부 개정하여 1999년 7월부터 확산 스펙트럼이 아닌 방식

을 무선 랜 제품에 사용할 수 있도록 함에 따라 5를 사용한 고속 무선 통

신시스템에 대한 연구 및 개발이 본격적으로 개막될 것으로 예상된다

이에 본 논문에서는 IEEE 80211b 표준안 준하는 24GHz ISM 대역 무선

랜을 위한 안테나 및 송수신기 설계 및 구현하였다 안테나는 소형화를 위해

변형된 인쇄형 모노폴 안테나로 구현하였으며 무선랜용 송수신기는 기본적

으로 Intersil사의 칩을 사용하여 구현하였다 최종 제작된 안테나 및 송수신

- 4 -

기를 이용해 실제 데이터 전송실험을 하였으며 실험결과 무선랜 송수신기의

전송속도 11Mbps 수신 가능한 통신거리 약 200여 미터를 얻었다 또한 주

파수 채널은 13개로 변경되는 것을 확인할 수 있었다

II장에서는 무선랜의 구현과 관계되는 기술에 대해서 언급하였으며 III장

에서는 구체적으로 각 기능별 설계에 대해서 설명하였고 IV장에서는 제작

된 보드로 각종 신호의 측정을 실시하여 그 결과를 분석하였다 마지막으로

논문의 결론을 V장에 서술하였다

- 5 -

II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

- 6 -

212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

- 7 -

213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

- 8 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

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이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

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그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

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φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

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M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

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데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

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그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

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M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

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23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

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8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

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24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

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그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

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라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

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III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

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32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

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MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

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HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

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그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

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에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

기를 이용해 실제 데이터 전송실험을 하였으며 실험결과 무선랜 송수신기의

전송속도 11Mbps 수신 가능한 통신거리 약 200여 미터를 얻었다 또한 주

파수 채널은 13개로 변경되는 것을 확인할 수 있었다

II장에서는 무선랜의 구현과 관계되는 기술에 대해서 언급하였으며 III장

에서는 구체적으로 각 기능별 설계에 대해서 설명하였고 IV장에서는 제작

된 보드로 각종 신호의 측정을 실시하여 그 결과를 분석하였다 마지막으로

논문의 결론을 V장에 서술하였다

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II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

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212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

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213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

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다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

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이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

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214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

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그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

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식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

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φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

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M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

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데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

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그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

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M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

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23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

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8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

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24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

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그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

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라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

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III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

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32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

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MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

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HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

II 관 련 기 술

21 무선랜 전송기술

무선랜은 협대역 (Narrowband) 마이크로웨이브 적외선(Infrared) 그리

고 확산대역(Spread Spectrum)을 물리계층으로 한 기술을 사용한다 적외선

랜은 가시광선 바로 아래의 주파수 대역을 사용한다 확산대역 무선랜은

ISM(Industrial Scientific Medical)대역을 사용하며 산업 과학 의료계의

용도를 위해서 지정된 ISM 대역은 902-928MHz 24-2484GHz

5725-5850GHz의 주파수 대역을 포함한다 확산대역방식을 사용할 경우 넓

은 주파수 대역을 사용하게 되어 그 효율은 떨어지지만 안정성과 신뢰성을

유지할 수 있기 때문에 확산대역전송기술을 사용한다

211 협대역 마이크로웨이브 방식

협대역 마이크로웨이브 방식은 일반적으로 고주파를 사용하면 저주파보다

넓은 대역폭을 쓸 수 있으므로 이더넷(Ethernet)의 데이터 전송율(10Mbps)

정도의 성능을 지니는 LAN을 구현할 수 있다 18GHz나 19GHz주위의 주

파수를 사용하는 마이크로웨이브 LAN은 미국의 FCC(연방 통신 위원회)나

영국의 DTI(영국 통산성)가 요구하는 가장 높은 주파수 대역에서 동작한다

대부분의 경우 마이크로웨이브는 전자기적 스펙트럼 상에서 높은 주파수를

사용하기 때문에 직진성 기반의 기술이다 그럼에도 불구하고 이 대역을 사

용하는 전자기적 장비가 거의 없어서 간섭이 없다는 장점이 있다

- 6 -

212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

- 7 -

213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

- 8 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

- 9 -

이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

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MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

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호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

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실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

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을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

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그림 3-9 무선랜카드 하면사진

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IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

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42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

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우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

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43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

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다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

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전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

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437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

212 적외선 방식

적외선 방식은 파장이 8300 Ångstroms 정도로서 가시광선 파장과 비슷하

며 특성도 거의 비슷하다 즉 적외선은 장애물을 만나면 신호가 완전히 약

해져 버리는 직진성을 가지며 주파수가 낮은 전파보다 더 잘 반사되는 성질

을 갖는다 이러한 특성은 단점이 될 수도 있는 반면에 전자기적 간섭에 강

하며 반사특성으로 말미암아 적외선이 딱딱한 표면에 반사될 수 있는 개방

된 사무실 환경에서는 통신망 상의 모든 스테이션에 신호가 쉽게 도달할 수

있으므로 장점이 될 수도 있다

신호를 적외선으로 전송하는 데는 두 가지 방식이 있는데 레이저를 사용하

는 것과 LED를 사용하는 것이다 레이저를 사용하는 경우는 적외선을 매우

밀집된 빔으로 전송하며 변조가 용이하다 레이저 적외선은 10 mile까지 도

달할 수 있어서 실외에서의 응용에 적합하다 LED는 레이저보다 강도가 약

하지만 시스템을 구현하기가 비교적 쉽고 경제적이다 비록 도달 범위는 짧

지만 무선 LAN 같은 실내의 응용에는 이상적이다 적외선을 전송하기 위해

서 사용되는 매체는 자유 공간이기 때문에 대기의 환경이 신호에 영향을 준

다 이 문제는 실외의 개방된 대기에서는 예민하지만 LAN과 같이 실내에서

는 중요하지 않다 햇빛에 직접적인 노출은 전송단에 영향을 줄 수 있으므로

전송단이 남쪽의 창문을 향하지 않도록 한다 레이저 적외선 LAN은 직진성

을 요구하기 때문에 개방된 사무실 환경이나 광학적으로 투명한 유리로 구

분된 환경에서 효과적일 수 있다 이제까지 이 방식은 전자기 간섭이 적고

인가가 필요 없으며 속도가 빠르다는 장점에도 불구하고 신호가 물체를 통

과할 수 없어 제한된 범위에서만 동작된다는 단점이 있다

- 7 -

213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

- 8 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

- 9 -

이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

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III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

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32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

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MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

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HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

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그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

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에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

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호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

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로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

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있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

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20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

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실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

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을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

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그림 3-9 무선랜카드 하면사진

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IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

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42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

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우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

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43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

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다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

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432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

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전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

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434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

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스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

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이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

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437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

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44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

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441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

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442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

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443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

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45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

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때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

213 확산대역방식

확산대역 방식 기술은 1940년대부터 연구가 시작되었으며 장거리 데이터

통신에 관련된 다중경로 문제를 해결하기 위해 제안된 이래로 강력한 비화

성과 간섭 방해에 강하다는 특징 때문에 군용으로 널리 이용되고 있다

1960년대 이후에는 비동기로 다중 접속이 가능하다는 점에서 위성간의 통신

방식에도 이용되고 있으며 무선 LAN 및 이동 통신 등에서도 사용되고 있

다 확산 대역 방식은 자연적으로 생기는 잡음이나 고의적인 전파 방해 같은

간섭에 강하다 하지만 이 의미는 단지 탐지 당할 확률이 적다는 것이며 안

전한 데이터 전송 환경을 완벽히 보장하지는 못한다 만일 확산 대역을 사용

해도 신호가 탐지된다면 암호화 기법을 사용하여 데이터를 안전하게 전송할

수 있다

이와 같은 장점으로 인하여 1985년 FCC에서 ISM 대역으로 허가 받지 않

고 사용할 수 있는 확산 대역방식을 인가함으로서 무선 LAN 시스템에 본격

적으로 적용되게 되었다 인가가 필요 없는 ISM 밴드 대역내에서 24 GHz

주파수대는 여러 제조업체들에게 유용하게 사용되고 있다 이 주파수대는 무

선 LAN에 있어서 편리하고 빠른 속도를 보장할 수 있는 가히 혁신적인 기

회를 제공하고 있다 특히 우리 나라에서는 902 MHz대가 이동 통신 영역으

로 사용되고 있기 때문에 24 GHz대의 사용은 필연적이다 확산 대역 방식

은 전송하고자 하는 정보를 필요한 대역폭에 비해 훨씬 넓은 대역폭으로 신

호를 송신하고 수신측에서는 원래의 정보 대역폭으로 수신된 신호를 복원하

는 방식으로 이 협대역 신호와 광대역 신호간의 변복조가 이 방식의 핵심

기술이다 확산 대역 방식의 특징은 다음과 같다

- 사용자를 적절히 할당하여 스펙트럼을 공유함으로 다중 접속이 가능하

- 8 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

- 9 -

이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

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을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

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IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

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42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

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우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

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다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

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432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

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전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

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스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

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이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

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437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

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44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

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441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

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442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

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45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

다

-원래의 정보 대역폭에 비해 넓은 대역폭 사용한다

- 전력 스펙트럼 밀도가 낮기 때문에 신호 은닉이 가능하여 보안성을 높

여준다

-다른 사용자의 고의적인 전파 간섭에 대해 강하다

-다중 경로 효과로 인하여 지연된 신호에 대한 자체 방어가 가능하다

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때 주로 시스템이 신호

의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다 물론 대부분의 통신 시

스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다 하지만 그 외에도 시스템이 외부적

인 간섭 현상에 대항하고 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며 외부 제어 없

이도 다중접속 능력을 제공하고 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공

해야 하는 상황이 있을 수가 있다 여러 가지 무선 통신 기술 중에서 확산

대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는

통신용 제품들에 주로 적용되고있다 확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통

신용으로 사용되던 기술이었다 현재는 확산 대역을 무선LAN에 적용한 상

업적 응용들도 다수 존재한다 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너 팜탑

컴퓨터 라디오 모뎀 장치와 디지털 셀룰러 전화 통신 그리고 팩스 교환 컴

퓨터 데이터 전자우편 멀티미디어데이터 등을 위한 광대역 네트워크를 구

축한 소위 정보화 사회를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역기술인 것이다

확산 대역 기술은 송신측에서 PSK(Phase Shift Keying 위상 변조)나

FSK(Frequency Shift Keying 주파수 변조) 라는 일반적인 변조 방식을 사

용하여 일차 변조를 행한다 그 다음으로 일차 변조파 대역폭을 넓히기 위해

- 9 -

이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

- 10 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

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감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

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이차 변조를 행한다 이 과정을 확산 변조라고 한다 수신측에서는 확산 변

조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산 시킨다 역확산된

신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로

일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

그림 2-1 확산대역 발생원리의 기본구조

그림 2-1은 확산내역 발생의 원리를 보여 주고 있다 보내고자하는 1비트

를 11비트로 된 신호(흔히 의사잡음신호)로 대역을 확산시키는 것을 보여준

다 확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다 이러한 특성

때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다 또한 확산 대역 신호

는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다 나아가서 협대역 신호에 비해 좀

처럼 방해받지 않는다 이러한 낮은 차단 가능성(LPI Low Probability of

Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은 과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된

확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다

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214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

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그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

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식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

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φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

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M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

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데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

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그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

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M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

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23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

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8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

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24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

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그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

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라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

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III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

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32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

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MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

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HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

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그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

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에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

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호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

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로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

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있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

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20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

214 DS와 FH방식

확산 대역 기술은 직접 시퀀스 확산 대역(Direct Sequence Spread

Spectrum DSSS) 방식과 주파수 도약 확산대역(Frequency Hopping Spread

Spectrum FHSS) 방식으로 분류할 수 있다 DSSS 방식은 전달될 각 비트

에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다 이 비트 패턴은 칩(chip)이나

chipping code라고 불린다 칩이 크면 클수록 원래의 데이터가 복원될 가능

성이 커진다(물론 더넓은 대역폭이 요구된다) 칩 안에 있는 하나 혹은 그

이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만 무선 장치에 적용된 통

계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다 관계없는 수신

기에 대해서는 DSSS는 저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며 대부분의

협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다 다시 말해 DSSS 방식은 스펙

트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변

환하는 방식이다 DSSS 방식은 신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨

다

FHSS 방식에서 데이터는 프로그램 된 순서나 랜덤한 시퀀스에 의해서 한

주파수에서 다른 주파수로 이동하며 수신단에서는 주파수가 이동하는 상황

을 파악하고 있어야 한다 이 기술은 상당히 안전하지만 수신단과 송신단이

정확히 동기가 맞아야 하므로 구성하기가 복잡하여 가격이 좀더 비싸진다

하지만 이 방식은 DSSS 방식보다 간섭 현상에 대해 강하다는 장점을 지니

고 있다

그림 2-2는 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다 보내고자하는 데이터는 협

대역의 신호였으나 보내는 과정은 스펙트럼이 넓게 퍼져 전송되는 것을 볼

수 있다

- 11 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

그림 2-2 스펙트럼의 확산

22 DQPSK 변조

본 논문에서 사용하는 여러 가지 변조 기법중에서 가장 대표적이고 공통

적인 변조기법인 차동-QPSK에 대해서 알아보자 디지털 무선 통신 방식들

중에서 M-ary PSK(M-ary Phase Shift Keying)는 위상을 이용해 변 복

조하는 방법으로 많은 응용 분야에서 널리 사용되고 있다 M-ary

DPSK(M-ary Differential Phase Shift Keying)는 M-ary PSK의 일종으로

심볼간의 위상차를 이용하여 변 복조하는 방법이다 M-ary DPSK는 복조

할 때 이전 신호를 기준신호로 사용하기 때문에 수신기의 구조를 간단히 할

수 있고 적은 비용으로 구현할 수 있다 이런 장점으로 인해 M-ary DPSK

는 여러 수신기에서 널리 적용되어 사용되고 있다

M-ary DPSK를 알아보기 전에 그것의 바탕이 되는 M-ary PSK를 살펴

보아야 할 것이다 M-ary PSK는 전송할 정보 신호에 따라 반송파의 위상

을 M개 중 하나로 변화 시켜 보내는 디지털 변조 방법이다 n번째 전송할

정보가 log 2M 비트로 이루어진 M개의 심볼 중 하나일 때 M-ary PSK 변

조된 신호는 다음과 같다

- 12 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

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에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

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호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

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을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

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그림 3-9 무선랜카드 하면사진

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IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

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42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

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우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

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43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

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다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

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432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

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전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

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434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

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스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

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이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

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437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

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44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

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441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

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442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

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443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

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45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

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V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

식(2-1)s( t)=2ETcos (ω0t+φn )

(E는 신호의 심볼 당 에너지 T는 심볼 주기)

식(2-1)에서 위상 φ n는 n번째 전송할 위상을 나타내고 이는 식(2-2)에서

와 같이 M개의 위상 중 하나로 정해진다

식(2-2)φ n=2πmM

m=01 M-1

M=2인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)의 경우 반송파의 위상은 0π

둘 중 하나로 결정되고 M=4인 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)의

경우 0π2π3π2중 하나가 된다 M-ary PSK 신호를 나타내는 식을 코

사인 공식을 이용해 식(2-3)으로 바꾸어 표현할 수 있다

식(2-3)s( t)= 2E

Tcos φncos ω0t-

2ETsinφn sinω0t

= scnφ0+ssnφ1

여기서

scn = Ecos φn φ0( t)=2Tcosω0t

ssn= E sinφn φ1( t)=-2Tsinω0t

- 13 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

φ0( t)와 φ1( t)는 서로 직교인 기저 함수가 된다 따라서 M-ary PSK 신호

는 각 심볼 주기에 전송되는 위상에 따라 scn와 ssn의 진폭을 갖는 두 개의

직교 반송파의 합으로 표현될 수 있다

다음으로 M-ary PSK의 복조 방법에 대해 알아보자 M-ary PSK 신호가

서로 직교인 기저 함수의 선형 조합으로 이루어졌다고 생각하면 2개의 상호

상관기를 이용하여 구현할 수 있다

각 상호 상관기의 출력은 다음과 같다

식(2-4)

Z0=T

0r ( t)φ0( t)dt

Z1=T

0r ( t)φ1( t)dt

Z0(nT)는 수신된 신호 r(t)의 동위상 성분을 나타내고 Z1(nT)는 직교 위

상 성분을 나타낸다 따라서 수신된 신호의 위상 Ψn은 식(2-5)로 나타낼 수

있다

식(2-5)Ψn = tan-1 Z 0 (nT)

Z 1 (nT)

- 14 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

M-ary PSK 변조된 신호를 복조하는 과정은 수신기의 φ0( t)와 φ1( t)의

위상이 수신된 신호의 위상과 일치하여야 한다 이렇게 수신된 신호의 위상

과 수신기의 기준위상을 일치시키기 위해 위상 동기 루프(Phase Locked

Loop)등을 사용하여 복조하는 방법을 동기 복조(coherent detection)라 한다

이러한 동기 복조는 만일 가우시안 잡음 환경하와 같은 양호한 채널 상태를

가정한다면 최적의 복조 방식으로 생각할 수 있다 하지만 복잡한 동기 회로

부분이 들어가야 하므로 수신기의 구조가 복잡해지고 구현이 어려워지게 된

다

한편 비동기 복조(noncoherent detection)는 수신된 신호와 수신기의 기준

신호의 위상 동기를 이루지 않고 복조하는 방법이다 비동기 복조는 수신기

의 기준 신호의 위상 동기를 필요로 하지 않기 때문에 수신기의 구조가 간

단해지고 적은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다 M-ary

DPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)는 비동기 복조를 수행하기

위해 전송될 비트를 차동 부호화(Differential Encoding)하여 변조하는 방법

이다

차동 부호화는 이전 심볼의 위상에 현재 심볼에 해당하는 위상을 더하여

신호의 위상차로 전송될 정보를 나타낸다 예를 들어 BPSK인 경우 전송될

비트 lsquo1rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상에 180 의 위상을 더하여 전송하게 되

고 전송될 비트 lsquo0rsquo은 이전 심볼의 반송파 위상과 동일한 위상으로 전송된

다

다음 표2-1은 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)의 차

동 부호화에 따른 위상 변화를 보여주고 있다

- 15 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

데이터 IQ 위상변화

00 0

01 π

10 π2

11 -π2

표 2-1 DQPSK 변조시 위상변화

그림 2-3은 차동 PSK신호의 생성 과정을 보여주고 있다 일반적인 M-ary

DPSK의 차동 복조기의 구조는 다음 그림 2-4과 같이 나타낼 수 있다

DPSK의 복조기의 경우 반송파를 재생시킬 필요 없이 결과 값의 극성만을

파악하여 신호를 구분한다

그림 2-3 DPSK 데이터 변조의 신호도

- 16 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

그림 2-4 DQPSK 송신부 구성 및 신호흐름

M-ary DPSK는 차동 부호화에 의해 위상이 결정되면 M-ary PSK와 동

일한 과정을 거쳐 변조된다 전송될 n번째 M-ary DPSK 신호는 식(2-6)과

같은 복소수 형태로 나타낼 수 있다

식(2-6)s( t)= 2ETej (ω0 t+ φn)

(φn은 차동 부호화를 거친 위상)

M-ary DPSK 신호의 위상은 식(2-7)로 표현할 수 있다

식(2-7)φn =φn-1+Δφn =2πmM

m=01 M-1

(위상차 Δφ n는 전송될 log 2M 비트의 심볼)

- 17 -

M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

- 18 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

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M-ary DPSK의 복조 방법은 다음과 같은 차동 복조(differential

detection) 방법으로 이루어진다 수신된 신호r(t)는 상호 상관기를 거쳐 심볼

주기 T마다 샘플링되어 식(2-8)이 된다

식(2-8)r n =r (nT)=2ET e

j (φ n+θ)+ nn

(θ는 위상 오프셋 nn은 잡음 샘플)

M-ary DPSK에서 유용한 정보는 신호의 위상차에 실려 있으므로 수신된

신호의 위상차를 구하기 위해 차동 복조기에서는 식(2-9) 같은 과정을 거친

다

식(2-9)r n rn-1=

2ET e

j(φ n-φ n-1 )+n n

(n n는 잡음성분)

n번째 수신된 신호의 위상을 Ψn이라고 할 때 수신된 신호의 위상차

ΔΨn=Ψn-Ψ n-1를 이용해 차동 부호화의 역과정으로 복조를 수행한다

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23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

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8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

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그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

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MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

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HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

23 CCK (Complementary Code Keying)

CCK는 11Mbps의 전송속도를 갖기 위한 변조기법으로 구현된 것으로써

복합 심볼 구조를 가진 IQ 변조 아키텍처를 사용하는 M-ary Orthogonal

Keying 변조의 일종이다 CCK는 직접확산 구조를 사용하는 24 GHz ISM

대역에서 멀티채널 작동을 허용한다 확산은 24 ~ 2483GHz 대역에서 세 개

의 비 간섭 채널을 갖는 80211 바커 워드 확산 기능과 같은 스펙트럼 형태

를 갖으며 같은 칩율을 갖는다

CCK는 M개 독특한 신호 코드 워드중에 하나가 송신을 위해서 선택되는

M-ary Orthogonal Keying 변조이다 그림 2-5는 CCK의 변조동작을 나

타내는 그림이다

그림 2-5 CCK 변조의 블록도

CCK는 심볼로부터 64개 복합 벡터집합으로부터 하나의 벡터를 사용하며

- 19 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

8개칩 확산코드 심볼중에 6비트를 64개 복합코드 중에서 하나를 선택하는

변조를 실시한다 나머지 두 비트는 전체 코드심볼의 QPSK변조를 위해서

보내진다 이것은 각 심볼은 8비트 변조되는 것이다 그림 2-6은 4가지 데

이터 레이트에 따라서 변조되는 과정을 표현한 것이다

그림 2-6 데이터속도에 따른 변조기술

- 20 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

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MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

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에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

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호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

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실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

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을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

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그림 3-9 무선랜카드 하면사진

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IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

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42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

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우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

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43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

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다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

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432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

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전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

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434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

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437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

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44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

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441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

24 CSMACA

유선랜 환경에서 사용하는 CSMACD(Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect)와 유사하게 무선랜에서 CSMACA(Carrier Sense Multiple

Access Collision Avoidance) 프로토콜을 사용한다 이는 각 스테이션들이

메시지를 전달하기 전에 채널을 감지하여 데이터의 충돌을 피하기 위해서

사용한다 CSMACA를 사용하기 위해서는 MAC(Media Access Controller)

에서 그 기능을 수행하지만 기본적으로 RF 수신부에서 그 기능을 가지고

있어야 하는데 우선 사용하고자 하는 채널에서 에너지가 수신되는지를 감

지한다거나 correlation을 수행하여 신호가 감지 되는지 검사하여 어떤 신호

나 에너지가 감지되면 송신을 기다렸다가 수행하는 것이 기본적인 원리다

그림 2-7 CSMACA 동작도

- 21 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

그림 2-7에서 살며보면 스테이션 1이 스테이션 2에게 어떤 데이터를 송신

하고 스테이션 2는 수신되는 데이터가 자신의 것임을 확인하고 수신을 한

다 스테이션 3 4는 채널이 비어있는지를 분석하고 채널이 busy하면 송신

을 미룬다 스테이션 2는 short deferral 동안에 스테이션 1로 ACK신호를 보

내면 스테이션 3 4는 이 ACK 신호를 감지하고 채널이 busy하다는 것을

감지하고 Distributed Inter-frame deferral을 기다린다 스테이션 3의 경우

두 번째 Distributed Inter-frame deferral을 감지하고 일정치 않은 랜덤기간

후 송신을 실시한다 스테이션 4가 하지 못하는 것은 랜덤기간이 스테이션 3

에 비해 길어서 이다

여기서 설명한 것은 노트북끼리 자체망을 연결하는 경우로서 Ad Hoc Mode

라고 부르며 또는 Peer to Peer Network이라고도 한다

액세스포인트와 통신하는 것도 이와 유사하다 통신개설에 사용하는 신호는

RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send)가 사용된다

25 프레임 포맷

DSSS 무선랜에서 사용하는 통신 프래임 포맷은 아래 그림 2-8과 같

다 크게 보면 두 개의 구역으로 나눌수 있는데 무선전송을 위해서 사용되

는 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 프리앰블 및 헤더부와 전송

데이터인 MPDU(MAC Protocol Data Unit)이다

따라서 MAC에서는 전송하고자 하는 데이터를 별도의 프래임 구조를 갖

추어서 무선송수신부로 보내면 무선송수신부에서는 그 내용에 관계치 않고

자신의 헤더부 뒤에 붙여서 무선으로 전송한다

각각의 기능을 살펴보면 SYNC는 12비트로 구성되어 있는데 필요에 따

- 22 -

라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

- 23 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

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라 변경시킬 수 있다 이 신호의 기능은 전체 프레임의 동기화를 위해서 사

용된다 SFD는 Start Frame Delimiter로써 링크 프레임의 타이밍을 계산하

는 기준이 된다 그 다음 SIGNAL필드는 사용하고 있는 데이터 레이트를 표

시한다

그림 2-8 프레임 포맷

SERVICE 필드는 데이터길이가 모호할 때 사용하는데 보통 사용치 않는다

LEHGTH 필드는 데이터의 길이를 표시한다 다음의 CRC는 Cyclic

Redundancy Check로써 에러유무를 판별하기 위해서 사용한다 MAC과 관

련된 부분은 송수신기 측면에서는 상위계층이므로 상세한 사항은 생략한다

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III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

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32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

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MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

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HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

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그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

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에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

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호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

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로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

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있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

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20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

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실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

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을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

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그림 3-9 무선랜카드 하면사진

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IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

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42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

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우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

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43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

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다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

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432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

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전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

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434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

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스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

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이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

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437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

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44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

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441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

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442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

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443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

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45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

III 설 계

31 시스템 구성

본 설계에서는 기본적으로 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말

기 개발을 목표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜 송수신기를 제작

하였다

무선랜 송수신기 카드는 크게 MAC(Media Access Controller)부 기저대

역처리부 RF 및 안테나 등 크게 네 부분으로 구성되어 있다 그림 3-1은

시스템 전체를 표현한 블록도이다 제어부는 송수신에 관련된 제어 및 호

스트 인터페이스를 제공하고 베이스밴드 프로세서는 변복조에 대한 처리를

실시한 다 RF부에서는 무선송수신을 위한 반송파 변복조 처리를 실시한다

그림 3-1 무선랜 송수신기 블럭도

- 24 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

32 시스템 설계

시스템에 대한 상세 설계를 살펴보면 아래 그림 3-2와 같이 각 블록으로

처리 된 것이 하나의 주요 기능을 하는 것으로서 각 부분에 대한 설계를

다음 절부터 각 부분 별로 설명하였다

그림 3-2 시스템 상세블럭도

사용한 각 부품은 Intersil 사의 HFA 3841 HFA3861 HFA 3783 HFA3683A

HFA3983을 사용하였고 플래쉬 메모리는 ST사의 AM29LV010B-70EC SRAM은

ISSI사의 IS62LV1024-55H VCO는 MARUWA사의 MVN-2074-28-K681과

- 25 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

MVE-748-28-K682를 사용하였고 대역통과필터는 SAW사의 855653을 사용하였다

그외 부수적인 부품은 용도에 맞게 선정하여 사용하였다 그리고 시스템 clock 은

44MHz오실레이터를 사용하였다

33 제어부

MAC(Media Access Control)는 개인용 컴퓨터(PC 또는 노트북)와 접

속되는 인터페이스를 제공하며 무선랜 통신 프로토콜 변환 기저대역 처리

부의 각종 레지스터 데이터 설정 RF 및 IF단의 주파수 합성기 레지스터 설

정을 수핸하며 half duplex기능을 수행하기 위한 제어신호를 발생시킨다

구성은 MAC(Media Access Control) 마이크로프로세서 코어를 내장한 전

용 MAC(Media Access Control HFA3841) 컨트롤러 주변 입출력 소자 두

개의 SRAM과 하나의 Flash Memory로 구성 되어 있다

그림 3-3 HFA3841 내부블럭도

- 26 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

HFA 3841은 dual buffer를 액세스할 수 있고 4Mbyte RAM까지 외부메

모리로써 인터페이스를 지원한다 또한 내부에 보안을 위한 IEEE80211

WEP를 만드는 내부 Encryption 엔진을 갖고 있다 그 내부의 기능은 그림

3-3과 같다

그림에서 호스트 컴퓨터와 인터페이스는 PCMCIA규격을 사용하고 있다

그리고 시스템 클럭은 44MHz를 사용한다 시리얼 콘트롤 블록은 송수신기

의 반이중통신을 위한 제어신호를 발생하는 기능을 갖는다

34 기저 대역 처리부

기저대역 프로세서는 HFA3861로 구성하였다 이 칩은 여러 가지 기능

을 갖는데 변복조를 위한 기능을 갖고 있어서 전송속도에 따라서 정해진 변

복조를 실시하고 무선전송을 위한 프리앰블과 헤더를 발생하고 MAC에서

보내오는 데이터를 덧붙여서 무선전송용 데이터 프래임 포맷을 형성한다

수신시에는 데이터의 수신 상태에 따라서 AGC(Automatic Gain Control) 기

능을 수행하고 수신 데이터의 프리앰블 및 헤더부에 대한 CRC(Cyclic

Redundancy Check)수행하여 데이터의 오류검사를 실시한다 또한 대역확산

기능을 보유하고 있다 그림 3-4는 기저대역처리부인 HFA3861의 기능 블록

도를 나타낸 것이다

기저 대역처리부는 송수신을 위한 데이터 프레임 파형을 NRZ(Non Return

to Zero) 형태를 사용하며 또한 CCA(Channel Clear Assessment) 기능을

수행한다최대 지원 가능한 데이터 레이트는 CCK(Complementary Code

Keying) 모드 송수신인 경우 11Mbps이다

- 27 -

그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

- 28 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

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42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

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우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

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그림 3-4 기저대역 처리부의 기능블록도

그림 3-5는 기저대역 처리기에서 수행하는 기능에 대한 것으로서 MAC로

부터 디지털 데이터를 입력 받으면 이 데이터를 먼저 스크램블 처리한다

스크램블처리는 데이터의 변화율을 많이 주기 위해서이다 다시 말하면 0과

1의 변화가 빈번하도록 하는데 목적이 있다 이는 송신의 목적보다는 수신시

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에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

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호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

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로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

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있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

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20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

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실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

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을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

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IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

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42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

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우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

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43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

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다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

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432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

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전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

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이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

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437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

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44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

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441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

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442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

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45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

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때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

에 편리를 위한 것이다 다음은 데이터 포맷터로써 변조의 종류에 따라서

바이트단위나 니블(nibble)단위로 데이터를 만든다 이렇게 만들어진 데이터

는 변조방식에 따라서 대역확산 처리를 하고 디지털변조를 하여 디지털을

아날로그 처리하여 출력한다

그림 3-5 데이터 변조 절차

그림 3-6은 수신데이터의 복조시 동작을 나타낸 것이다 먼저 신호는

CMF(Channel Matched Filter)와 Timing Interpolator를 거치면서 처리된다

시간보상기는 송신기와 수신기간 시간 drift를 제거하기 위해 CMF내 샘플

스트림을 조정한다 CMF는 채널 임펄스 응답의 복소수 공액(complex

conjugate)로 입력되는 신호를 필터링하는 RAKE 수신기 기능을 갖고 있다

그런 다음 신호는 믹서 작동을 위한 complex multipler를 사용하는 반송파

추적루프에 들어간다

다음은 순수 CCK파형을 만들기 위해서 Fast Walsh Transform(FWT) 상관

기를 적절히 사용한다 FWT를 수행하여 가장 큰 상관성을 보이는 복합신

호벡터를 추출한다 여기서 6비트를 복조하고 다음으로 차동복조를 실시하

여 나머지 2비트를 복조한다 이들 신호를 descramble을 처리하여 원래 신

- 29 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

호로 복원한다

그림 3-6 데이터 복조절차

35 중간주파수(IF) IQ 변복조기

주 부품은 HFA3783로써 그림 3-2에 묘사된 것처럼 AGC 콘트롤을

위한 감쇄기와 믹서 및 주파수 합성기로 구성되어 있다 전압제어 발진기로

써 MVE_748은 주파수가 748~753 MHz이며 이 주파수는 HFA3783 내에서

12로 분주되어 사용된다

IF변복조기와 RF상하향변환기 사이에는 수신신호에 대한 필터용으로

374MHz 대역통과필터(855653 saw tech사)를 사용하였으며 이 필터는 스펙

트럼상에서 부엽신호를 억제하기 위해 사용하였다 374MHz 대역통과 필터

는 24Hz의 3dB 대역폭을 갖으며 삽입손실은 85dB를 갖는다

중간주파수 변복조기는 기저대역 디지털 IQ 신호를 중간주파수(IF

Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 공급하거나 또는 상하향 변환기

- 30 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

로부터 입력되는 변조 중간주파수 신호를 기저대역 디지털 IQ 신호로 변환

하여 기저대역 처리부로 제공한다 PLL과 VCO를 위한 기준신호는 44MHz

를 사용한다

36 RF 상하향 변환기

RF 상햐향 변환기는 HFA3683A를 메인으로 해서 VCO Loop Filter

VCO 출력 증폭기로 구성되어 있다 RF 상하향 변환기의 기본적인 기능은

송신시 IF 송신데이터용 TX+- 신호를 RF 송신신호로 변환하며 수신시

RX_RF신호를 RX+-로 변환하는 것이 주기능이고 반송주파수를 주파수 합

성기 설정에 따라 변화시키는 것이 중요한 기능 중에 하나이다

HFA3683A은 프로그램 가능한 주파수합성기 믹서 송신증폭기 수신신호

에 대한 이득조정가능한 LNA 등으로 내부가 구성 되어있다 LNA의 이득이

최고시에는 25dB 저이득시에는 -5dB 이고 송신신호에 대한 믹서 및 증폭

기는 25dB의 이득을 갖는다

44MHz 발진기를 시스템클록 및 PLL용 주파수합성기 기준 발진기로 사

용한다 그리고 칩내에 구현된 PLL 회로를 구동하기 위해서

VCO(MVN_2074)와 VCO 출력 증폭용 Amp(UPC2745TB)를 사용하며 루프

필터는 L C로 설계하였다

전압제어 발진기(VCO)는 사용자에 의해서 선택된 주파수로 변경할 수 있

는데 전압제어 발진기의 가변 주파수 범위는 2038 ~ 2110MHz 이며 출력은

-3plusmn3dBm 이다 송신주파수의 셋팅을 위해서 RF_LE 라인을 통해서 칩내

부의 PLL 설정하여 정해진 RF 주파수 채널을 선택한다 이 신호는 MAC

로부터 들어온다 RF 주파수 채널은 표3-1과 같이 5MHz의 간격으로 되어

- 31 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

있다

표 3-1 RF 주파수 채널표

Channel Number Channel Frequency

1 2412MHz

2 2417MHz

3 2422MHz

4 2427MHz

5 2432MHz

6 2437MHz

7 2442MHz

8 2427MHz

9 2452MHz

10 2457MHz

11 2462MHz

12 2467MHz

13 2472MHz

37 RF AMP부 설계

HFA3983을 메인으로 입력측과 출력측에 대역통과 필터를 연결하고 다음

에 스위치를 달았다 HFA3983(RF Amp)는 사용주파수 범위가 24 ~ 25GHz

까지 사용하며 파워이득은 30dB 일반적인 출력전력은 18dBm이고 1st side

lobe는 -30dBc 보다 작고 2nd side lobe는 -50dBc이다 또한 출력상태를

감지할 수 있는 출력 검출포트가 있는데 정밀도가 +- 10dB이다 입출력

라인들은 50 Ω이며 구동전원은 27 ~ 36V를 사용한다

대역통과필터는 TOKO사의 TDFS8A_2450_13A로 Center Frequency가

2450MHz Passband Width plusmn50 MHz Passband Insertion Loss 는

- 32 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

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시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

20dB(max) Passband Ripple은 07dB(max)인 제품을 사용하였다

RF 스위치로는 NEC사의 μPG152TA를 선정하였으며 구동신호는 기저대

역 처리부에서 온다 이 부품은 100MHz ~ 2GHz사이에서 사용가능하며 스

위칭 스피드는 30ns이다

38 안테나 설계

무선랜카드용 안테나는 소형화 경량화를 목표로 평면형 인쇄형 모노폴

안테나로 설계하였다 다이폴 안테나를 사용하는 것은 24 GHz대역용 안테

나라면 너무 크기 때문에 모노폴을 사용하며 모노폴도 그 크기가 너무 커

서 기판의 솔더 사이드에 안테나의 패턴을 형성하여 구현하였다

그림 3-4 안테나 설계도

- 33 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

- 34 -

을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

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V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

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참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

실효고 증가 및 안테나의 공진주파수를 낮추기 위해서 T형 구조로 설계하

였으며 안테나의 크기를 줄이기 위해 접힌 모양으로 구현하였다 안테나의

전체길이는 14λ이며 안테나가 형성된 기판의 뒷면은 그라운드 면이 없다

안테나의 피딩은 위 그림과 같이 마이크로 스트립 전송선으로 하였으며

PCB의 제작 과정과 RF 스위치등 여러 가지 요소로 인하여 발생한 피딩의

부정합을 제거하기 위해 L C로 조정을 하였다

39 전원설계

회로 설계상에서 RF 증폭기(HFA3983)의 전압과 전류는 호스트 인터페

이스로부터 공급되는 전원을 사용하도록 설계하였고 RF 상하향 변환기

(HFA3683) 전압제어 발진기(MVN-2074) 및 증폭기(UPC2745)는 두 레귤

레이터(MAX8867)중 하나에서 공급받도록 설계하였고 IF IQ변환기

(HFA3783)과 전압제어발진기(MVE-748)는 나머지 레귤레이터에서 공급받도

록 하였다 기저대역 처리기(HFA3861)은 아날로그 전원과 디지털 전원을 각

각 공급받도록 되어있어서 입력전원을 직렬 L과 병렬 C 구조를 이용해서

아날로그 전원과 디지털 전원으로 구분한 뒤에 사용토록 하였다 마지막으로

MAC(HFA3841)와 SRAM (IS62LV1024) 그리고 Flash memory

(M29W010B) 오실레이터 (SCO-10(3))는 디지털 전원을 공급하였다

그외 여러 가지 설계를 위한 자료는 각 부품에 대한 데이터 시트를 참조

하였고 인터넷을 통한 기술자료를 확보하여 설계에 응용하였다

310 제작된 보드

제작된 보드의 크기는 105times46times08 mm이며 노드북의 PCMCIA 슬롯

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을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

- 35 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

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IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

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우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

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전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

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시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

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V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

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본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

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감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

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을 사용하도록 제작하였다

3101 보드상면

보드의 우측부터 네 개의 섹션으로 크게 구분되어 있다 우측부터

그림 3-8 무선랜카드 상면사진

검은색의 칩부터 설명을 하면 중간주파수 IQ 변조기 RF 상하향 변환기

RF 증폭기 안테나이다 안테나 아래의 보드가 잘려진 것은 안테나의 방사

특성을 개선 시키려는 목적으로 제거하였다 그러나 효과적이지 못하였다

3102 보드하면

우측부터 설명하면 플래쉬 메모리 SRAM 2개 MAC(Media Access

Controller) 그리고 그 아래 기저대역 프로세서 44MHz OSC로 구성되어있

다

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그림 3-9 무선랜카드 하면사진

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IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

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42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

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우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

그림 3-9 무선랜카드 하면사진

- 36 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

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전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

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스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

IV 측정과 분석

41 안테나 측정

네트워크 분석기를 이용하여 안테나의 전압정재파비(VSWR)을 측정하

였다 사용주파수대역인 24GHz에서 VSWR 21의 대역폭은 각각 37의

광대역 특성을 얻었다 그림 4-1은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나

타낸 것이다 그림 4-2는 실제 안테나를 측정한 것인데 실제 제작한 것이

시뮬레이션 결과보다 광대역 특성을 갖는 것으로 측정되었다

그림 4-1 VSWR 시뮬레이션 결과

그림 4-2 VSWR 측정 결과

- 37 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

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V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

42 안테나 빔패턴 분석

그림4-3 안테나 설정 좌표축

(a) 수평면 (b) 수직면

그림4-4 안테나의 방사 패턴시뮬레이션 결과

- 38 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

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감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

우선 앙상블에서 그림4-3과 같이 layout을 그려 시뮬레이션을 하였을 경

우 a방향은 수평면(Horizontal) 방사패턴(자계면 방사패턴)이 되고 b방향은

수직면(vertical) 방사패턴(전계면 방사패턴)을 나타낸다 일반적인 모노폴 안

테나의 경우(일반적인 모노폴의 경우를 말함)라면 수직면에 대해서는 8자 지

향성을 갖고 수평면에 대해서는 무지향성의 특성을 갖는다

안테나의 상단을 좌우로 펼침으로 인해 안테나의 실효고를 증가 기켰으

며 이로 인해 안테나의 상단에서 좌우로 펼쳐지는 점에서의 전류값이 그림1

의 상단(이때는 전류가 0)과는 달리 0의 값을 갖지 않게 하였다

이로 인해 그림4-4(a)에서 볼 수 있듯이 pi성분은 무지향성특성을 나타내나

theta의 성분이 특이하다는 것을 알 수 있다 즉 theta의 성분이 8자 지향성

을 갖는 것이 아니라 약 45도를 기준으로 대칭적인 8자 지향성 특성을 나타

냄을 알 수 있다

사실 그림 4-4(a)에서 theta의 성분은 pi의 성분에 비해 약 -30 dB 정도로

상대적으로 아주 작음을 알 수 있다 (즉 무시해도 됨 즉 대부분의 전계성

분은 pi성분임)

그림4-4(b)의 경우에서 알 수 있듯이 이 경우는 theta의 성분이 주종을 이룸

을 알 수 있다

또한 이때 pi의 성분이 무지향성이 아닌 다소 상측으로 지향성을 갖는 특성

을 나타내는데 이는 상단을 좌우로 접음으로 인해 패턴이 변화된 것이다 사

실 이 값도 상대적으로 너무 작기 때문에 크게 고려하지 않아도 된다

- 39 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

- 40 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

43 송신계통 신호측정

그림 4-5 송신계통 측정포인트

그림 4-5에서 나타냈듯이 송신계통을 추적하여 MAC(Media Access

Controller)의 기능을 갖는 HFA3841에서 전송하고자하는 송신데이터가 어떤

변화를 거치면서 안테나를 통해서 전파로 복사되는지를 신호의 파형이나 파

워스펙트럼의 변화를 계통을 따라서 측정하고 그 상태를 분석하였다

HFA3841에서 출력된 데이터 파형을 오실로스코프로 측정하였고 이 신호

가 Tx IQ +- 신호로 변환 TP2 점에서 신호의 변화를 측정하였으며 TP3

에서는 기저대역의 신호를 IF대역의 신호로 변환된 후 신호의 스펙트럼을

측정하여 정확한 IF주파수로의 변조가 이루어 졌는지를 측정하였다 TP4에

서는 IF의 신호를 RF 반송파 주파수로 변조되었는지를 스펙트럼 분석기를

이용하여 측정 하였으며 TP5에서는 RF신호의 증폭후 신호의 증폭된 상태

및 파워이득 등을 측정하였다 그리고 IF 및 RF 변조에 사용되는

VCO(Voltage Control Oscillator)출력 주파수의 안정도 및 파워를 측정 하였

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다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

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432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

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전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

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스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

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437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

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442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

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443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

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45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

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때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

다 그외 제어라인은 주로 TXRX 반이중통신(half duplex)을 위한 또는 송

신수신 AGC(Automatic Gain Control) 제어선으로써 별도 측정그림을 표시

하지는 않았다 측정에 사용된 계측기는 오실로스코프로 텍트로닉스사의

TDS684A와 스펙트럼분석기로 HP사의 8593E를 사용하였다

431 TP1 측정

MAC로부터 기저대역 처리부에 공급되는 전송데이터의 파형을 오실

로스코프로 측정한 것이다

그림 4-6 송신 TP1 측정파형

파형은 전압범위는 Vpp ≒ 33V 가장 작은펄스의 폭을 측정하면 약

11Mbps의 전송속도로 데이터를 정상적으로 보내고 있음을 볼 수 있다

- 41 -

432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

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432 TP2 측정

TP2의 신호는 기저대역처리부에서 처리한 신호로서 MAC에서 받은 데이

터를 무선전송에 필요한 프리앰블 및 헤더부를 덧붙여서 공통모드 및 차동

모드로 변환하여 IF IQ변복조기로 전송하는 신호를 오실로스코프로 측정한

것이다 측정된 신호를 보면 13Vdc 기준공통모드 (Referance Common

Mode)를 사용하므로 13VDC의 바이어스 전압을 갖고 있으며 실제 전송데

이터는 250mv범위의 변화 파형이 데이터이다 이 신호는 IF IQ 변환기에서

기준 DC 바이어스 전압을 전제로 받아들이므로 실제 데이터는 그림에 표시

된 것처럼 250mV 레인지로 변하는 것을 변조한다

스코프 상의 두 신호는 동일 데이터에 대한 I신호와 Q신호이다 중간의 null

지점은 수신을 실시하기 위해서 송신이 중단된 상태이다

그림 4-7 송신 TP2 측정 파형

- 42 -

전송데이터

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

433 TP3 측정

기저대역 프로세서로부터 수신한 데이터를 IF IQ 변복조기에서 IF 변

조를 실시한 후 출력되는 신호의 스펙트럼을 측정하였다 점유 대역폭

(null-to-null)은 약 22MHz를 차지하고 있으며 중심주파수는 374MHz 파워

는 -541dBm을 보이고 있다 실제 데이터는 11Mbps의 전송속도를 갖고 있

음을 고려할 때 대역폭이 두 배정도 되는 것을 볼 때 정상적인 스펙트럼을

보인다고 판단되며 무엇보다도 중심주파수가 정해진 중간주파수로 변환된

것은 주파수374MHz로 제대로 IF변조가 이루어 지고 있음을 볼 수 있다 이

신호는 대역통과필터를 거치면서 필터링이 이뤄진다 대역통과필터는 3dB

passband는 plusmn12MHz를 갖는다

그림 4-8 송신 TP3 측정 스펙트럼

- 43 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

- 44 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

434 TP4 측정

RF 상하향 변환기에서 IF신호를 RF신호로 변환을 시킨 후 측정한 신

호의 스펙트럼이다 이 신호의 주요 측정 포인트는 중심 주파수와 점유대역

폭이다 주파수 lsquo채널 1rsquo은 주파수가 2412MHz로 규정되어 있는데 측정 결과

2412MHz로 잘 나오고 있다 그리고 1st side lobe가 메인로브에 붙어 있는

것을 볼 수가 있다 최종적으로 메인로브와 1st 부엽의 상대적인 크기의 차

이는 30dB이상이어야 한다 이 신호는 대역통과 필터를 거쳐 증폭기로 공급

될 것이다

그림 4-9 송신 TP4 측정 파형

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스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

스펙트럼의 형태가 중간 중간 비어 있는 것은 수신기능을 수행하느라 실제

송신기능을 멈추기 때문이다 반대로 말하면 송수신의 교체되는 시간간격을

스펙트럼 분석기의 sweep time이 따라가지 못하기 때문이다 가령 송신을

계속적으로 한다면 스펙트럼은 null 지역이 없어 질 것이다 이 스펙트럼은

정상적인 송수신을 실시 중에 측정한 것이다

435 TP5 측정

RF Amp 출력의 측정결과 -9dBm으로 측정하였는데 탐침 및 케이블의

손실이 8dBm임을 감안하면 출력은 약 -1dBm정도가 된다

그림 4-10 송신 TP5 측정 스펙트럼

- 45 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

이 출력은 다소 약한데 좀 더 임피던스의 정합이 필요한 것으로 보이며 참

고로 무선랜카드의 출력은 10dBm이하로 제한되어 있다 점유대역폭은

22MHz정도로 IEEE의 27MHz이내 제한을 준수하였다 1st 부엽의 상대적인

크기는 메인로브와 30dB로 차이가 나야하는데 만족하는 것으로 판단된다

436 TP6 측정

IF IQ 변복조기의 LO를 만드는데 사용되는 VCO의 출력을 측정하였다

측정결과 748MHz로 측정 되었다 원하는 중간주파수는 374MHz이며 여기

서 측정된 주파수는 748MHz는 정확히 374MHz의 두배이다 이는 IF IQ 변

복조기의 내부에서 748MHz를 divide2하여 사용하기 때문이다 따라서 정상적인

주파수 발생을 하고 있다

그림 4-11 송신 TP6 측정 스펙트럼

- 46 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

437 TP7 측정

측정된 VCO의 출력은 RF 반송주파수를 생산하기 위해서 사용되는

VCO로써 여기서 생산된 2038MHz와 입력신호 IF 374MHz를 합하면

2412MHz로 출력된다 이 주파수는 주파수 채널 1번에 해당되며 따라서 RF

반송주파수를 변경하려면 이 VCO의 출력을 변경하여 사용코자하는 채널

주파수로 이동시킬 수 있다 따라서 채널주파수의 변경은 이 VCO의 출력이

변경됨에 따라서 이루어 진다

그림 4-12 송신 TP7 측정 스펙트럼

- 47 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

44 수신 계통 측정

그림 4-13 수신계통 측정점

그림 4-13에서 나타낸 것은 수신 계통의 주요 측정점을 설정하여 수신 신

호의 변화를 측정하였다 안테나를 통해서 수신된 신호를 측정하였고 IF

대역으로 하향변환한 것을 측정 하였다 최종적으로 원 데이터 신호를 복원

된 신호를 측정 하였다

- 48 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

441 TP1 측정

수신되는 주파수도 송신주파수와 같다 이는 반이중통신(Half duplex)

을 전송방식으로 채택하기 때문이다 LAN나 기타 수신 신로에 때한 증폭을

시키지 않은 신호이므로 매우 약하게 보이나 이 정도의 신호도 송신지가 매

우 가깝기 때문에 측정 가능하다 측정에서 얻을 수 있는 것은 2GHz대의 어

떤 무선 신호가 안테나를 통해서 들어온 것을 확인 할 수 있다

그림 4-14 수신 TP1 측정 스펙트럼

- 49 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

442 TP2 측정

RF 주파수를 IF 주파수로 하향 변환한 신호의 스펙트럼이다 IF 신호주파

수인 374MHz로 정상적인 하향 변환이 된다 또한 파워를 비교하면 RF신호

의 파워가 -70dBm이었는데 IF변환후의 신호는 -약60dBm으로 약 10dB정

도의 증폭이 이루어 졌음을 알 수 가있다

그림 4-15 수신 TP2 측정 스펙트럼

- 50 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

443 TP3 측정

측정한 파형은 기저대역으로 복원한 디지털 파형을 측정한 것이다 송

신 파형과 비교하면 동일한 범위로 복원된 것을 확인할 수 있다

그림 4-16 수신 TP3 측정 파형

- 51 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

45 전송속도 시험

그림4-17은 노트북과 노트북간에 11 통신으로 전송속도를 측정하는 시

험을 실시중인 화면이다 측정 방법은 두 무선카드를 15m간격으로 이격하

여 노트북 컴퓨터를 이용하여 전송량 측정을 실시하였다 측정 결과에서 알

수 있듯이 실제 전송량은 4Mbps를 약간 상회한다

그림 4-17 전송속도 측정화면

이것은 무선 전송을 위한 오버헤드가 차지하는 것과 에러부분을 포함하는

것으로 분석된다 통신시간이 짧은 경우에 에러가 많이 가지고 있는 것은 통

신개설 초기에는 에러가 대량으로 발생하다가 점차적으로 에러가 줄어들기

- 52 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

때문이다

표 4-1 전송속도 측정결과

항 목 1회 2회 3회 4회 5회

통신시간(초) 4588 6384 7883 524 713

비트 전송속도(Kbps) 41434246 4135323 4174184 4139 4150

패킷전송속도(ps) 53386 53400 53902 53452 535

PER()

(Packet Error Rate)183 181 186 286 262

46 실내환경 통신시험

약 80평정도의 실내환경에서 액세스포인트를 사무실 중앙에 설치하고

무선랜 카드를 노트북에 장착하여 통신을 실시하였다 실내환경은 석고보드

로 파티션이 되어 있다

그림 4-18 사무실 환경 측정위치

16 5

4

23

8

7

10

911

- 53 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

시험을 실시한 결과 가시선 내에 위치할 경우 양호한 통신상태를 보였고

석고보드(점선으로 표시)를 통과한 지역의 경우 약 20 ~ 30정도 기능(데

이터 전송에러)이 저하되었으나 전송상태가 유지 되었으며 인터넷 사용에

큰 문제가 없었다 콘크리트(실선)로 가려진 8 9지역은 통신이 완전히 불가

능 하였으며 10번 지역은 링크만을 유지하는 상태였다

47 전송거리시험

학교 건물내 복도를 이용하여 액세스 포인트와 무선랜카드 사이의 전

송거리 시험을 실시하였다 액세스 포인트는 유선 랜 케이블에 연결 고정을

시킨 후 노트북 컴퓨터에 무선랜카드를 장착하여 전송거리를 멀리하며 이동

하였을 시 실험한 결과 최대전송거리 200 ~ 300m정도까지 통신이 되는 것

을 확인하였다 그러나 200m이상시에는 장애물이나 안테나의 방향에 따라

통신상태가 급격하게 저하되는 것을 확인하였다

그림 4-19 전송거리 시험

- 54 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

V 결 론

본 논문에서는 IEEE80211b 표준안에 부합하는 무선랜 단말기 개발을 목

표로 전송속도 11Mbps급의 직접확산 무선랜용 송수신기 및 안테나를 설계

제작하였다

제작된 안테나는 VSWR 21 에 대해서 대역폭 25 37를 얻었으며 또한

무선랜 송수신기는 인터실사의 칩을 기본으로 구성하였으며 측정결과

wireless 랜 송수신기가 잘 설계되었음을 확인할 수 있었다 또한 최종적

으로 제작된 안테나와 송수신기를 이용하여 데이터 통신 실험을 한 결과 최

대 200 ~ 300 m 까지 통신이 가능함을 확인하였다

송수신카드의 집적도가 매우 높아서 각 칩간의 간섭과 각 데이터 라인의

임피던스 매칭에 따라서 원하지 않는 주파수 대역의 신호발생과 부엽이 매

우 크게 나타나는 것을 볼 수가 있었다 이러한 수정사항을 보완하는데 많

은 시간을 소비하였으며 기판 제작시 설계에서 원하는 전송라인 임피던스

50 오옴을 정확히 맞추지 못하기 때문에 회로 L C의 값을 변경하여 임피던

스 정합을 해야 하였다

본 논문에서 설계 및 제작된 무선랜용 안테나와 송수신기는 멀티미디어

통신용 무선랜 보드로 활용 가능할 것으로 보이며 그 물리적인 크기는 작지

만 시스템으로써의 역할을 수행하는 무선랜카드를 제작하여 측정과 시험을

실시한 경험은 어떤 통신용 부품이나 모듈을 개발하는 것과 다른 다양한 전

공지식이 필요하였다 또한 본 논문에서는 다루지 않았지만 디바이스 드라이

버 개발이나 MAC의 알고리즘 개발등 각 분야마다 별도의 연구 아이템이

될 것이다

- 55 -

본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

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본 논문에서 설계 제작한 무선랜카드는 IEEE80211a규격의 초고속 무선

랜시스템 개발이나 유사 24GHz 통신기 개발을 위한 기반 기술로써의 활용

도 높다

- 56 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

참 고 문 헌

[1] wwwintersilcom

[2] B Madsen D Fague Radios for the Future Designing for DECT

RF Design 1993

[3] U Rohde Microwave and Wireless Synthesizers Theory and

Design New York John Wiley amp Son 1997

[4] Mitel Semiconductor 24 ~ 25 RF and IF Circuit Preliminary

Information 1997

[5] IJ Bahl P Bhartia M icrostrip Antennas 2nd Edition Artech House

second edition 1982

[6] 조형래 외 대역확산통신 시스템 기술 및 적용사례 과학기술정보연구소

1991

[7] Bernard Sklar Digital Communications Fundamentals and

Applications PTR Prentice Hall 1988

[8] setongsetongcokrproductwirehtml

[9] www3comcom

[10] 김두현외 5명 인터넷 정보가전 기술개발 및 표준화동향 전자통신연구

원

[11] John G Proakis D igital Communications McGRAW-HILL 1995

[12] 어수관 이동통신 알고리즘의 이론과 실습 서두로직 1993

[13] 조용수 lt테마특강gt 고속무선LAN 모뎀 표준안lsquoIEEE 80211a 전자신

문 2000

- 57 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

- 59 -

[14] 전자부품종합기술연구소 무선LAN용 핵심 모듈 개발에 관한 연구 정

통부 1997

[15] 성균관대학교 디지털 이동무선통신 시스템 기술개발에 관한 연구 상공

부 1993

[16] HARRIS Semiconductor Wireless LAN Solutions 1999 Wireless

Seminar 1999

[17] 김정기 박영기 RF 회로설계 도서출판 우신 1996

- 58 -

감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

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감사의 글

학위과정동안 학문적 지도편달과 인간적인 배려를 아끼지 않고 베풀어주신

안병철 교수님과 바쁜 와중에도 논문심사와 지도를 하시고 따뜻한 충고를

아끼지 않으신 이인성 교수님 신병철 교수님에게 머리 숙여 감사드립니다

또한 학위과정동안 교과수업을 위해 아낌없는 교육을 하시는 황인관 교수님

께 감사드립니다

석사과정동안 같은 연구실원들 방방장 재훈군 재치덩어리 석곤이 멋쟁이

영민이 똑똑이 소현이에게도 고마움을 전하고 대학원 과정을 많이 망설일

때 시작할 수 있도록 큰 힘이 된 태욱이에게 진심으로 고마움을 표합니다

그리고 논문을 완성하는데 도움을 아끼지 않은 양기성군에게도 고마움을 전

하며 김명일 홍두의 박상진 이상연군에게 감사를 드립니다 학위과정동안

만난 여러 친구들 홍열 호창 승익 휘원 등등 에게도 감사를 드립니다

10여년의 같은 직장 생활을 한 국방과학연구소 무인항공기 체계실원과 연

구소 동기들 많은 친우들에게도 감사를 드립니다

석사과정중에 작은 수술 교통사고 이직 등으로 적지 않은 걱정과 우려속

에도 믿고 힘을 준 아내 노은영과 아들 민형이 그리고 멀리서 우애로써 격

려해준 아우 동복 동일 그리고 어머님 장인어른 장모님과 이 기쁨 함께 하

고 싶습니다 그리고 먼저 하늘나라에 가신 아버님과 아우 동춘이와도 기쁨

을 나누고 싶습니다

2000년 12월

이 동 국

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