개요: Maxim은 단일 칩의 수퍼헤테로다인 RF 수신기 소자에 고유한 고속 스타트 발진기 시스템을 통합시켰다. ISM (US) 대역 300MHz ~ 450MHz의 애플리케이션에 적합한 이 수신기는 수신기의 시동 시간을 단축함으로써 배터리 전력을 보존한다. 고속 스타트 발진기 회로는 수신기 스캐닝을 위해 더 낮은 듀티 싸이클을 가능하게 해준다.
간단한 형태의 RF 데이터 전송 애플리케이션으로서 널리 쓰이는 것 중의 하나는 최근 많이 출시되는 차량의 도어 잠금 장치, 트렁크 개폐, 그리고 보안용 알람의 제어 등에 사용되는 원격 키없는 입력 (RKE: remote keyless entry) 시스템이다.
앞으로는 차량의 위치 파악 및 원격 시동에 RKE가 사용될 전망이다.
RKE 시스템의 동작은 단순하다. 이 시스템은 하나의 열쇠고리 형태의 송신기(일반적으로 사용자 당 1대)와 차량에 장착되는수신기로 구성되어 있다. 동작 주파수는 보통 300MHz ~ 450MHz이나, 유럽의 일부 신형 시스템에서는 ISM 대역의 868MHz로의 주파수 할당을 고려하고 있다. 통신 방식은 심플렉스, 즉 데이터가 송신기로부터 수신기로만 전달되는 형태이다. 이러한 구조를사용하는 이유는 여러 가지가 있으나, 가장 많이 거론되는 것은 낮은 원가와 열쇠고리 쪽의 배터리 수명 연장 등이다.
회로의 동작은 사용자가 열쇠고리의 버튼을 눌러서 내장 마이크로 컨트롤러로 하여금 RF 송신기로 즉각 데이터 스트림을 출력하게하는 것으로 시작된다. 데이터 스트림에는 데이터 프리앰블, 실제 명령(예를 들어 '도어 잠금'), 타 차량의 문을 제어하지않도록 해주는 차량 간 보안용 롤링 코드, 그리고 (보통은) 몇 개의 체크 비트로 구성되어 있다(그림 1).
그림 1. RKE (원격 키리스 입력) 시스템의 열쇠고리 버튼을 누르면 짧은 데이터 스트림이 전송되기 시작한다.
전체 데이터 패킷(64b ~ 128b)은 일반적으로 2.4kHz ~ 20kHz의 속도로 전송되는데, RF 변조는 ASK (amplitude shift keying: 진폭 천이 변조) 또는 OO K(온 오프 변조 - 변조도가 0% 또는 100%로만 구성된 ASK) 방식으로 이루어진다. 이러한 변조 방식을 사용함으로써 원가를 최소화하고 열쇠고리의 배터리 수명을 연장하게 된다.
독자들도 잘 아시다시피, 낮은 단가와 긴 배터리 수명이라는 요소는 매우 중요하다. 사용되는 시스템의 수(수천만 대)를 생각해보면 저가형 제품에 대한 필요성은 당연하다. 송신기와 수신기 모두 배터리 수명의 극대화는 매우 중요한 문제이다.
열쇠고리 송신기에 있어, 배터리 수명이 길어지면 사용자에 의한 배터리 교체의 회수가 줄어들게 된다. 이상적인 배터리 수명이라면차량의 수명만큼 지속되는 것이겠고, 또 이러한 배터리가 이제는 실현 가능하기도 하지만, 아직 이 경우에는 열쇠고리가 너무 커져서주머니 또는 지갑에 넣고 다니기 힘든 상태이다. 차라리 열쇠고리를 더 작게 만드는 것이 더 편하겠지만, 이것도 배터리를 두달에 한 번씩 갈아 줘야 한다든가 하면 안 될 것이다. 현재 대부분의 제품은 이 둘 사이 정도에 위치해 있어서, 열쇠고리의크기는 적당히 작은 편이고 배터리 수명은 2 ~ 5년 정도가 되어 있다.
수신기에 있어서도 배터리 수명 문제는 중요하다. 수신기 배터리는 항상 켜져 있어야 하는데, 왜냐하면 사용자가 언제 명령을송신할지 모르기 때문이다. RKE 수신기는 차량용 배터리(차량 시동용으로 쓰이는 배터리)로 구동된다. 만약 수신기의 전력 소모가너무 높다면 시동을 걸 만한 배터리 용량이 남아 있지 않을 수도 있게 되는 것이다!
이런 일이 벌어질 것을 걱정하는 것이 우습게 보일 수도 있다. 차량용 배터리는 상당히 크고, 일반적인 수신기는 기껏해야 1mA에서 5mA 정도의 전류를 소비한다. 이러한 소량의 전류 소모는 매일 쓰는 자동차에서는 걱정할 것이 아니지만, 예를 들어 공항에몇 주 이상 차량을 주차해 놓는다든가 하는 경우에는 문제가 달라진다.
따라서 자동차 제조업체는 배터리 크기를 이러한 상황에 맞게 조정한다. RKE 시스템에 있어 배터리 크기(용량)는 수신기에의한 전력 소모량에다가 이 시스템에 전원이 공급되는 날짜의 수를 곱한 값에 정확히 비례한다. 따라서 차량이 30일 이상 주차되어있는 경우에는 조심해야 한다. 이제 이 문서의 제목으로 다시 돌아가 보자. 수퍼헤테로다인 수신기 발진기의 고속 기동은 배터리수명에 어떤 영향을 미치는가?
계산을 간단히 하기 위해서 일종의 중간 정도의 값들을 사용하겠다. 데이터 패킷과 송신 속도 이야기로 돌아가서, 데이터 패킷은 100b이고 데이터 전송 속도는 10kHz(데이터 비트 당 0.1ms)라고 가정하자. 따라서 100b의 패킷은 10ms만에 전송된다. 수신기에서의 전력을 절감하기 위해, 이 수신기의 동작을 시간 단위로 잘게 나눠서 켜져 있는 시간을 아주 짧게 할수 있을 것이다. 즉 유효한 신호 전송이 일어나는지 확인할 수 있을 만큼만 길게 하는 것이다. 이 "on 시간"의 값은 일반적으로 약 10%의 듀티 사이클이 된다.
수신기의 동작 시간이 잘게 나뉘어져 있으므로, 수신기가 요청된 작업 중 하나를 올바로 검출하도록 추가적인 송신 내용을 제공해야한다. 일반적으로, 열쇠고리에서의 전송은 3회 더 반복되어 총 4회의 전송이 이루어진다. 따라서 열쇠고리 쪽에서의 전송 시간은 4 × 10ms이므로 40ms가 된다. 수신기가 동작하기 위해서는 이 100b(10ms)짜리 전송 내용 중 최소 1회를 완전히 디코딩해야 한다.
최소한 하나의 완전한 전송 내용을 받아들이기 위해서는 수신기를 폴링하여 유효한 데이터가 존재하는지를 판별해야 한다(수신기를계속 켜 놓으면 되겠지만 전력 소모가 발생하게 된다). 주어진 40ms의 전송 패킷은 반복되지 않을 수도 있으므로, 최소한하나의 10ms짜리 전송 내용을 잡아낼 수 있을 만큼은 자주 수신기에 대한 폴링을 수행해야 한다. 이러한 필요 사항에 의해수신기 폴링 간의 최대 시간은 30ms가 된다.
그러나 이러한 시간 간격은 너무 띄엄띄엄 설정되어서 명령을 지나칠 가능성이 있다. 시스템 타이밍이 약간 어긋날 수도 있고,간섭이나 잡음 등 데이터가 깨질 가능성도 있다. 안전하게 하자면, 시스템의 설정은 최소한 두 개의 완전한 전송 내용을 받을수 있도록 되어야 한다. 따라서 수신기 시간 분할 회로의 설정은 20ms로 하였다. 매 20ms마다 수신기가 기동하여 송신내용에 대해 디코딩을 시도한다. 만약 유효한 데이터가 있으면 수신기는 이를 디코딩한다. 그렇지 않을 경우에는 다시 20ms 동안 꺼져 있게 된다.
유효한 데이터를 검출하기 위해서 수신기는 정보의 디코딩을 위해 7b ~ 8b의 데이터 또는 0.75ms의 시간이 필요하다. 이
조건은 송신기가 데이터를 정해진 주파수와 형식으로 보내고 있는지를 파악할 수 있게 해 준다. 따라서 수신기는 매 20ms마다 0.75ms 정도를 깨어 있어야 한다. 불행히도 거의 완벽한 수신기만이 이러한 성능을 낼 수 있다.
수신기 회로도 일어나는(기동하는) 데 시간이 필요하다. 수신기 내의 대부분의 증폭기는 짧은 시간에 기동하여 안정화되지만,발진기는 그렇지 않다. 압전 크리스털은 발진을 시작하는 데까지 시간이 필요하며, 원하는 주파수에서 안정화 되기까지는 더많은 시간이 필요한 전기 기계적 구성요소이다.
어떤 수신기는 이 사양을 구체적으로 밝혀 놓지 않은 것들이 있다. 중요한 사양은 수신기를 켜고 발진기 주파수를 안정한범위가 되게 하는 시간 간격이다. 유효 IF 출력 같은 다른 사양들로는 성능을 정확하게 파악하기 어렵다. IF 출력은 발진기가 동작을 하게 되면 유효하게 되는 것이다. 그러나 수신기는 송신기와 정확하게 주파수 동조가 되지 않을 수도 있다. 라디오를 90MHz로해 놓고 92MHz 방송을 수신하는 것과 비슷한 상황이다. 물론 동작은 하지만 제대로 된 수신이 이루어지지는 않는 것이다.
정상적인 수퍼헤테로다인 수신기는 기동에서 안정까지의 시간이 2ms ~ 5ms 정도 걸린다. 여기서는 2.25ms로 가정한다.데이터 디코딩을 위한 0.75ms의 시간을 더하면 도합 3ms의 "on 시간"을 20ms 마다 열쇠고리의 송신 내용을 검출하기 위해 필요하게 된다(그림 2). 반면에 MAX1740 수퍼헤테로다인 수신기에는고속 기동 발진기가 있어서 크리스털 내의 진동을 유지함으로써 턴온 시간을 최소화시키고, 이로써 일반적인 2.25ms의 턴온시간을 0.25ms로 짧게 바꾸어 준다. 0.25ms의 턴온 시간과 0.75ms의 데이터 디코딩 시간을 합하면 20ms 마다 1ms만 있으면 열쇠고리의 송신 내용을 검출할 수 있게 된다. 따라서 MAX1470은 동일한 측정 기능을 3분의 1의 시간에 수행함으로써 전력을 절약할 수 있게 해 주는 것이다.
그림 2. 열쇠고리의 신호 전송을 모니터링 하기 위해, RKE 수신기는 회로 기동, 안정화, 그리고 수신 신호의 디코딩에필요한 시간들을 할당해야 한다.
대부분의 고성능 수퍼헤테로다인 수신기(감도가 좋은 수신기)는 동작 중에 5V에서 5mA의 전류를 소모한다. MAX1470 수신기는 3.3V의 전원으로 5mA를 소비할 때 최상의 수신 감도를 제공한다. 보다 낮은 전원을 사용함으로써 얻어지는 전력 절감은 상당한 것이다. 일반적인 수퍼헤테로다인 수신기는 25mW의 전력을 필요로 한다. MAX1470은 16.5mW가 있으면된다. 각 20ms의 폴 사이클에 시간 함수를 더하면(그림 3) 보통의 수퍼헤테로다인 수신기의 경우 25mW x 3ms = 75µJ,그리고 MAX1470의 경우 16.5mW x 1ms = 16.5µJ의 에너지를 각각 소모하게 된다. 따라서 고속 기동 수신기를 사용했을 경우의 에너지 절약에 의해 배터리 수명은 4배에서 5배까지 길어지게 된다.
그림 3. 기동 시간이 짧아짐에 따라 전원 전압을 낮추는 것과 같이 에너지 절감 효과가 생긴다.
따라서, 주어진 배터리 수명 사양에 대해 배터리 크기를 줄이고 원가를 절감하거나, 또는 동일 출력을 가지고 보다 자주 샘플링을하고 송신기 배터리의 크기를 줄일 수도 있을 것이다. 차량용 배터리는 일반적으로 시동용 앰프를 기준으로 크기가 정해지고 용량이유지되므로, 크기를 줄일 수 있다는 것이 큰 비용적 이점이라 할 수는 없을 것이다. 반면에, 송신기 배터리의 크기를 줄이면특히 새로운 타이어 압력 모니터링 (TPM) 시스템과 같은 곳에 적용하는 데 이점이 있을 것이다.
말하자면 TPM은 열쇠고리가 타이어(일반적으로 타이어의 밸브 스템)에 장착된 것으로 생각하면 된다. 이 장치는 압력과 온도를측정해서 RKE 열쇠고리와 똑같이 데이터 패킷으로 전송하게 된다. 그러나 정보의 송신이 (키 눌림에 대한 응답보다는) 더 자주이루어지는데, 왜냐하면 타이어 팽창 문제는 즉각 검출해야 하기 때문이다. 느리게 일어나는 공기 누설을 감지하기 위해, 시스템은 차량이 정차되어 있는 상황에서도 각 타이어를 모니터링한다.
휠 밸런스가 깨어지지 때문에 큰 배터리를 밸브 스템에 부착할 수는 없다. 수신기 배터리 역시 쉽게 교체할 수 없으므로, 열쇠고리의경우보다 배터리가 꽤 오래 가야 한다. 따라서 TPM의 경우에는 저전력 신호 전송이 필수적이다. RKE 송신기의 설계자들은저전력 동작에 대해 자연스럽게 관심을 갖게 되겠지만, 시스템 엔지니어는 수신기의 개량 역시 전력 소모에 영향을 줄 수 있다는것을 알고 있다. 이러한 목적을 위해, 시스템 엔지니어는 수퍼헤테로다인 RKE 수신기에 고속 기동 발진기를 장착하는 것을고려해 볼 만하다.
Planet Analog 잡지 2002년 10월 21일자 판에 이와 유사한 기사가 게재되어 있습니다.
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