[논문]Zero Cross Point를 이용한 전력선 통신 모뎀의 FPGA 설계

이원태; 최성수; 원동선; 임자용; 이영철

Zero Cross Point를 이용한 전력선 통신 모뎀의 FPGA 설계
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이원태 (한국전기연구원) , 최성수 (한국전기연구원) , 원동선 ((주)플레넷) , 임자용 ((주)플레넷) , 이영철 (경남대학교)

전력선 통신(Power Line Communication)은 전력선과 연결되어 있는 디바이스들을 간단히 제어하기 위한 기술로 제안 되었으며, 홈오토메이션, 원격 검침(AMR) 분야에서 많이 사용되고 있다. 최근에는 스마트 홈, 유비쿼터스와 관련해 다양한 홈 네트워크 시스템들이 제안되면서 이들 시스템을 효과적으로 구현할 수 있는 방안으로 전력선 통신기술이 많이 제안되고 있다. 전력선 통신은 많은 유용성에도 불구하고 전력선 채널에 대한 정확한 채널 모델링과 전력선 모뎀의 성능에 관해서는 많은 문제점을 나타내고 있다. 본 논문에서는 전력선 통신을 위한 전송선로의 주파수에 대한 잡음과 임피던스 특성 및 전력선 채널에 데이터 신호를 Chirp-SS(Spread Spectrum) 신호로 맵핑하여 채널의 Zero Cross Point 구간에 전송하였을 때의 시뮬레이션 결과와 설계된 FPGA 보드를 비교분석 하였다. 채널 모델은 배경 잡음과 할로겐 잡음, 전송선로의 감쇄 특성만을 고려하였으며, 전력선 채널 상에서의 Zero Cross Point를 이용한 전력선 통신 모뎀의 성능을 분석하였다.

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문제 정의

이러한 현상을 극복하기 위한 방안으로 OFDM 변조방식과, Spread Spectrum 방식, BPSK 변조방식이 적용되고 있다. 본 논문에서는 전력선 통신에서 전송선로의 채널 상에 나타나는 여러가지 특성을 분석하고, Chirp-SS 방식과 Zero Cross Point를 적용한 전력선 통신 모뎀을 FPGA로 설계하고 성능을 분석하였다.
본 논문은 신호감쇄 및 배경 잡음, 할로겐 잡음 성분이 존재하는 전력선 채널에서 Zero Cross Point 구간의 이용에 따른 전력선 통신 모뎀의 통신 성능을 비교 분석하였다. 송신측과 수신측의 신호 감쇄 비를 100(dB)로 설정한 실험 환경에서는 Zero Cross Point 구간의 이용과 상관없이 100회 송신 시 에러발생 없이 100회 모두 수신함을 확인하였다.

제안 방법

본 논문에서는 모뎀을 구성하는 각 블록들을 Mentor사의 Model sim을 이용하여 기능 시뮬레이션을 하였다. 기능 검증을 마친 후 Synplify Pro 를 이용하여 Altera사의 Stratix EP1S25F672C₇ FPGA 칩으로 합성하였고, 타이밍 시뮬레이션은 Altera사의 QUARTUS II를 이용하여 FPGA 칩이 가지고 있는 게이트 지연을 적용시켜 기능 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증하였다.

대상 데이터

그림 8은 FPGA로 구현한 전력선 모뎀이다. 제작된 모뎀은 커플러부, 전원부, AFE부, RX부, TX부, MCU 인터페이스로 구성되어 있다.

데이터처리

기능 시뮬레이션을 하였다. 기능 검증을 마친 후 Synplify Pro 를 이용하여 Altera사의 Stratix EP1S25F672C₇ FPGA 칩으로 합성하였고, 타이밍 시뮬레이션은 Altera사의 QUARTUS II를 이용하여 FPGA 칩이 가지고 있는 게이트 지연을 적용시켜 기능 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증하였다. 그림 4와 그림 5는 전력선 채널의 ZCP 구간을 이용하지 않은 경우와 이용한 경우에 대한 데이터 송신 시뮬레이션 결과를 보이고 있다.

성능/효과

성능을 비교 분석하였다. 송신측과 수신측의 신호 감쇄 비를 100(dB)로 설정한 실험 환경에서는 Zero Cross Point 구간의 이용과 상관없이 100회 송신 시 에러발생 없이 100회 모두 수신함을 확인하였다. 앞선 환경에 할로겐 잡음 성분을 부가하면 Zero Cross Point 구간을 이용하지 않는 전력선 통신 모뎀은 전혀 통신이 되지 않으며, Zero Cross Point 구간을 이용하는 전력선 통신 모뎀의 경우 100회 송신 시 100회 모두 수신함을 확인하였다.
송신측과 수신측의 신호 감쇄 비를 100(dB)로 설정한 실험 환경에서는 Zero Cross Point 구간의 이용과 상관없이 100회 송신 시 에러발생 없이 100회 모두 수신함을 확인하였다. 앞선 환경에 할로겐 잡음 성분을 부가하면 Zero Cross Point 구간을 이용하지 않는 전력선 통신 모뎀은 전혀 통신이 되지 않으며, Zero Cross Point 구간을 이용하는 전력선 통신 모뎀의 경우 100회 송신 시 100회 모두 수신함을 확인하였다. 통신 테스트 결과 전송속도의 감소가 발생하지만 전력선 통신에서 중요시되는 통신의 신뢰성을 확보하였다.
앞선 환경에 할로겐 잡음 성분을 부가하면 Zero Cross Point 구간을 이용하지 않는 전력선 통신 모뎀은 전혀 통신이 되지 않으며, Zero Cross Point 구간을 이용하는 전력선 통신 모뎀의 경우 100회 송신 시 100회 모두 수신함을 확인하였다. 통신 테스트 결과 전송속도의 감소가 발생하지만 전력선 통신에서 중요시되는 통신의 신뢰성을 확보하였다. 향후 연구로는 전송속도의 감소 없이 통신의 신뢰성을 확보할 수 있는 전력선 통신 모뎀의 개발이 진행되어야 한다.

후속연구

통신 테스트 결과 전송속도의 감소가 발생하지만 전력선 통신에서 중요시되는 통신의 신뢰성을 확보하였다. 향후 연구로는 전송속도의 감소 없이 통신의 신뢰성을 확보할 수 있는 전력선 통신 모뎀의 개발이 진행되어야 한다.

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