[논문]다양한 변조 신호의 1.8 GHz 대역 VSWR 측정 개선에 관한 연구

박상진; 강성민; 구경헌

doi:10.5515/kjkiees.2011.22.9.833

다양한 변조 신호의 1.8 GHz 대역 VSWR 측정 개선에 관한 연구
Improvement of VSWR Measurement for Various Modulated Signals at 1.8 GHz Band 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.22 no.9, 2011년, pp.833 - 839

박상진 (인천대학교 전자공학과) , 강성민 (에이스 테크놀로지) , 구경헌 (인천대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 다양한 변조 신호에 대한 1.8 GHz 대역 VSWR을 구하는 방법을 제시하였다. 방향성 결합기를 이용하여 입사 전력과 반사 전력을 측정하였으며, 측정 회로 크기와 비용을 최소화하기 위해 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치를 사용하여 한 개의 검파기와 한 개의 AD(Analog to Digital) 변환기로 회로 구현이 가능하게 되었다. MCU(Micro Control Unit)를 이용하여 전압 반사 계수와 VSWR을 계산하였으며, 다양한 변조 신호에 대한 측정오차를 줄이고 MCU의 처리 시간 및 부하를 최소화하기 위해, 간단한 버블정렬 알고리즘을 적용하여 비적용한 경우보다 0.2의 VSWR 오차를 개선할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper has suggested a technique for measuring VSWR at 1.8 GHz band for various modulated signals. By using directional coupler the power of incident and reflected wave is measured, and in order to minimize the size and cost of the measuring circuit, a SPDT(Single Pole Double Throw) switch is adopted to realize the circuit with just one detector and one A/D(Analog to Digital) converter. MCU(Micro Control Unit) is used to calculate the voltage reflection coefficient and VSWR, and the measured VSWR error has improved by approximately 0.2 with applying a simple bubble sorting algorithm to reduce the measurement error, the MCU process time and load.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 사용된 VSWR 측정 회로는 1,805～1,880 MHz 대역의 GSM, EDGE, WCDMA, LTE 시스템에서 안테나 선로 상태를 감지하기 위해 제작되었다. VSWR 측정 정확도를 높이기 위해 35 dB 이상의 방향성을 확보하였고, 다양한 입력 범위에서 동작을 확인하기 위해 3 dBm부터 48 dBm까지 인가한 상태에서 가변 VSWR 장비를 안테나 포트에 연결하여 다양한 VSWR 조건에서 측정하였다^[6].

제안 방법

VSWR 계산은 MCU에서 측정된 입력 신호와 반사 신호의 비로 계산하며, 이중 스터브 위상 가변기 튜너를 이용하여 종단 VSWR 및 반사 손실을 가변 시키며 측정하였다. 이때 설정한 종단 VSWR 및 반사 손실의 정확한 값은 네트웍 분석기로 측정하여 기준치로 설정하였으며, 이 기준치 값과 본 연구에서 제작한 VSWR 측정 모듈을 이용하여 다양한 변조 신호를 인가하였을 때 측정한 값과의 차이로 측정 오차를 정의하여 오차를 계산하였다.
본 논문에서 사용된 VSWR 측정 회로는 1,805～1,880 MHz 대역의 GSM, EDGE, WCDMA, LTE 시스템에서 안테나 선로 상태를 감지하기 위해 제작되었다. VSWR 측정 정확도를 높이기 위해 35 dB 이상의 방향성을 확보하였고, 다양한 입력 범위에서 동작을 확인하기 위해 3 dBm부터 48 dBm까지 인가한 상태에서 가변 VSWR 장비를 안테나 포트에 연결하여 다양한 VSWR 조건에서 측정하였다^[6].
검파기는 동작 범위가 60 dB 이상이고, dB당 50 mV를 출력하는 아날로그 디바이스사의 AD8362를 사용하였으며, SPDT 스위치는 1.8 GHz 대역에서 포트 간 45 dB 이상 격리도 특성을 갖도록 하였다.
8 GHz 대역 VSWR 측정 회로를 SPDT 스위치 및 검파기, AD 변환기 한 개씩으로 구성하여 소형화 및 경제적 구현을 달성하였다. 기존 연구는 단일 중심 주파수에서 측정하였으나, 본 연구에서는 75 MHz 주파수 대역폭에 대하여 측정하였다. 측정 결과, VSWR 1.
기존 논문에서 두 개의 검파기와 두 개의 AD 변환기를 사용한 방법에 비하여 회로 복잡도 및 크기가 감소하는 장점이 있다. 또한 설계한 VSWR 측정 회로를 이용하여 1.8 GHz 주파수의 75 MHz 대역폭(1,805～1,880 MHz)의 GSM, EDGE, W_CDMA, LTE 시스템 신호를 인가하여 검파기를 통해 출력된 신호를 살펴보고, VSWR 측정 정확도를 높이기 위해 버블 정렬 알고리즘을 적용하였을 때 개선된 측정 정확도에 대하여 제시하고자 한다.
본 논문에서는 1.8 GHz에서 동작하는 SPDT 스위치를 사용하여 한 개의 검파기와 한 개의 AD 변환기를 사용하였으며, 타 대역의 근접 신호 간섭으로 인한 측정 오차 발생을 줄이기 위해 대역 통과 필터를 사용하였다. 기존 논문에서 두 개의 검파기와 두 개의 AD 변환기를 사용한 방법에 비하여 회로 복잡도 및 크기가 감소하는 장점이 있다.
본 연구에서는 1.8 GHz 대역 VSWR 측정 회로를 SPDT 스위치 및 검파기, AD 변환기 한 개씩으로 구성하여 소형화 및 경제적 구현을 달성하였다. 기존 연구는 단일 중심 주파수에서 측정하였으나, 본 연구에서는 75 MHz 주파수 대역폭에 대하여 측정하였다.
VSWR 계산은 MCU에서 측정된 입력 신호와 반사 신호의 비로 계산하며, 이중 스터브 위상 가변기 튜너를 이용하여 종단 VSWR 및 반사 손실을 가변 시키며 측정하였다. 이때 설정한 종단 VSWR 및 반사 손실의 정확한 값은 네트웍 분석기로 측정하여 기준치로 설정하였으며, 이 기준치 값과 본 연구에서 제작한 VSWR 측정 모듈을 이용하여 다양한 변조 신호를 인가하였을 때 측정한 값과의 차이로 측정 오차를 정의하여 오차를 계산하였다. 그림 8은 입력 신호는 40 dBm, 동일 위상 및 반사 손실 조건으로 고정한 상태에서 CW, GSM 1 TS, GSM all TS, EDGE 1 TS, EDGE all TS, WCDMA, LTE 신호를 10 usec 주기로 샘플링한 데이터를 합산한 후 샘플링 개수로 단순 평균한 경우와 제안한 버블 정렬 알고리즘을 적용한 경우에 대하여 측정값을 비교한 것이다.
VSWR 계산은 입력 신호가 3 dBm부터 48 dBm 사이에서 사용자가 정한 기준을 넘을 때 실행을 하도록 한다. 입력 신호 크기가 설정한 기준 이하이면 반사 전력 측정을 수행하지 않도록 하여 MCU에 필요 없는 부하를 주지 않도록 하였다. VSWR 측정에서 GSM과 EDGE는 TDMA 방식으로 한 개의 프레임(frame)은 8개의 시간 슬롯(time slot)으로 구성된다.

대상 데이터

그림 4는 실험을 위해 제작한 VSWR 모듈로서, 결합도는 약 30 dB, 방향성은 30 dB를 확보하였으며, FR4 기판을 사용하여 40 mm×40 mm 크기로 제작되었다.

데이터처리

그림 6의 (a),(d)와 같이 유효 신호 구간이 가장 짧은 1개 시간 슬롯인 경우를 고려하여 한 개의 프레임에 대하여 10 usec 주기로 샘플링하여 얻은 데이터를 버블 정렬하여 크기 순서대로 정리 후 상위 5개 데이터를 평균하여 VSWR 계산에 적용하였다.

성능/효과

다양한 변조 신호에 대하여 정확한 VSWR 측정을 위해 획득한 데이터에 대하여 버블 정렬 알고리즘을 적용한 결과, GSM과 EDGE 1 시간 슬롯 신호에 대하여 0.2이상의 VSWR 측정 오차를 개선할 수 있었다. 향후 입력 신호 크기에 따른 검파기 응답 특성을 고려하여 신호 크기에 따른 측정 오차 감소를 위한 추가 연구를 진행할 계획이다.
CW, GSM all TS, EDGE all TS, WCDMA, LTE 등은 검파기의 포락선 출력 신호가 일정하기 때문에 개선 알고리즘을 적용한 경우와 단순 평균의 경우에 차이가 거의 없지만, GSM 1 TS와 EDGE 1 TS의 경우에는 시간 슬롯 개수에 따라 바닥 전압이 발생하는 구간까지 포함하여 샘플링한 데이터를 합산 후 샘플링 개수로 평균화 하면 측정 오차가 발생한다. 따라서 유효하지 않은 바닥 전압 구간의 샘플링 값을 제외하기 위해 버블 정렬 알고리즘을 적용 후 평균화한 결과, VSWR 측정에서 오차가 약 0.2 개선된 결과를 나타내었다.
기존 연구는 단일 중심 주파수에서 측정하였으나, 본 연구에서는 75 MHz 주파수 대역폭에 대하여 측정하였다. 측정 결과, VSWR 1.5～3.5 구간에 대하여 최대오차를 비교한 결과, 기존 논문보다 본 논문 측정 결과가 0.2만큼 오차가 더 작은 값을 나타내었다^[3].

후속연구

2이상의 VSWR 측정 오차를 개선할 수 있었다. 향후 입력 신호 크기에 따른 검파기 응답 특성을 고려하여 신호 크기에 따른 측정 오차 감소를 위한 추가 연구를 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LTE는 무엇인가?	WCDMA는 정보를 디지털화한 후 가용한 전체 대역폭에 확산시키는 기술로, 아날로그 FDMA 방식에 비해 대역폭당 사용자 채널을 최대 10～20배 증가시킨다. LTE는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 변조 방식을 사용하며, 이는 FDM 방식의 일종으로 송신 데이터를 다수의 반송파로 분할하고, 이 반송파들을 동기시켜 변조하는 직교 함수계를 사용하여 반송파간의 간격을 최소화 하는 방식이다[1],[2] .
	안테나 VSWR은 무엇으로 정의되는가?	안테나 VSWR은 이동 통신 기지국에서 안테나의 정합 상태를 나타내는 중요한 파라미터이며, 안테나 연결 선로상의 최대 크기 전압과 최소 크기 전압의 비로 정의한다. 편의상 VSWR 을 ρ로 표시하기로 한다[4] .
	VSWR 측정 모듈이 MCU의 점유율을 최소화해야 하는 이유는 무엇인가?	이때 VSWR 측정 모듈은 MCU의 점유율을 최소화하면서 필요한 계산을 하고 알람 범위를 가변 가능하며, 측정한 VSWR 값에 따라 경 경보와 주 경보를 보고하는 기능을 가져야 한다. 계산 과정에서 MCU의 점유율을 최소화해야 하는 이유는 시스템 장비의 주 기능이 장비 간의 통신 또는 트래픽 처리, 선형화를 위한 신호처리 이기 때문이다. 또한, GSM(Global System for Mobile Communication), EDGE(Enhanced Data for GSM Environment), WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), LTE(Long Term Evolution) 등 여러 통신 규격의 다양한 변조 조건에서 정밀한 측정을 지원해야 한다[1] .

참고문헌 (6)

김민구, "차기 이동 통신 시장을 향한 3GPP LTE업계의 최근 동향", 대한전자공학회 하계종합학술대회, 31(1), pp. 5-6, 2008년.
A. Ghosh, R. Ratasuk, "LTE-advanced: Next-generation wireless broadband technology", IEEE Wireless Communication, pp. 10-22, Jun. 2010.

상세보기
X. Wang, J. She, and Z. Feng, "Real time measurement of VSWR with directional couplers", International Conference on Microwave and Millimeter Wave Thchnology Proceedings, pp. 719-722, 2004.
K. Chang, RF and Microwave Wireless Systems, Wiley Interscience, pp. 17-27, 2000.
J. Huang, J. She, "A six-port coupler with high directivity for VSWR measurement", APMC2005 Proceedings, Dec. 2005.
B. Weinschel, G. Sorger, "Precision coaxial VSWR measurements by coupled sliding-load technique", IEEE Trans. Instrumentation and Measurements., vol. 13, pp. 292-300, 1964.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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