1. 전력선통신 커플링 회로 - 배경지식

큰맘 먹고 전력선 통신모뎀에 사용되는 커플링 회로에 대한 기본 이론을 포스팅 하려 합니다. 본 내용은 애쉴론사의 PL 스마트트랜시버를 이용한 저속 전력선 통신을 기반으로 하지만 기본적인 이론은 고속이나 혹은 다른 하이패스 필터와 이론을 같이 하고 있습니다. 자 그럼 시작하겠습니다. 앞으로 내용은 애쉴론 PL칩의 데이터북에 나와있는 내용을 기초로 작성할 예정입니다.

전력선 통신 커플링 회로 배경 지식

전력선 통신 칩은 매우 정교한(sophisticated) 디지털 신호 프로세싱 기술로, 아주 낮은 출력 임피던스와 매우 넓은(>80dB) 동적 범위 리시버를 이용하여 전력선 통신에서의 신호 감쇠와 noise inherent를 극복하는 transmit power amplifier를 사용합니다. PL 스마트 트랜시버의 통신 성능을 최대한 활용하기 위해서는, 트랜시버과 연결된 커플링 회로 설계에 있어서 매우 조심스런 선택과 구현이 필요하게 됩니다. 이 포스팅에서는 커플링 회로 선택 및 구현을 이해하기 위한 기초로써 신호 감쇠의 원인(source)에 대하여 먼저 설명하고자 합니다.

감쇠(attenuation)는 PL 송신단에서의 출력 신호 레벨과 수신단에서의 입력 신호 레벨의 차이를 말합니다. 일반적으로 감쇠는 power level의 비율(ratio)로 정의되지만, 여기서는 송신된 신호 전압레벨(voltage)과 수신단에서 입력된 신호 레벨 전압레벨의 비율로 계산합니다. 전압레벨의 비율은 측정하기에 좀더 편리하다는 이점이 있는데, 왜냐하면 전력(power)을 측정하는 방법은 위치와 시간에 따라 변화하는 임피던스회로에 관한 지식이 필요하기 때문입니다. 

전력선 통신에서의 전송 신호의 감쇠는 범위가 매우 크기 때문에, 일반적으로 데시벨(dB)로 표현하게 됩니다. 전압의 감쇠에서 dB는 20log10 (Vtransmit/Vreceive) 으로 계산하게 됨으로 20dB의 감쇠라는 뜻은, 신호가 수신단에 도착하였을 때 원래의 1/10으로 감소했다는 의미이며, 40dB는 1/100, 60dB는 1/1000, 이런 식으로 계산하게 되는거죠. PL 스마트 트랜시버는 노이즈가 거의 없는 라인 – dedicated twisted wire pair과 같은 - 에서는 신호가 80dB(1/10000 감쇠)까지 감쇠되어도 안정적으로 통신이 가능하게 설계되었습니다. 즉, 송신된 신호가 7Vp-p (2.5VRMS) 였다면, 700μVp-p (250μVRMS)까지 신호가 작아진다 하여도 수신이 가능하다는 것입니다.

 

힘들어도 가긴 간다....

전력선 네트워크에서의 감쇠의 원인(source)에 대해 좀 더 이해하고 싶다면, 전력 분배 (power distribution network)의 간략화된 모델을 살펴보는 것도 도움이 됩니다. 아래의 그림은 하나의 전력 분배 패널(power distribution panel)과 2개의 상이 있는 배선 모델이라 할 수 있습니다. 물론 많은 전력선 통신 어플리케이션들이 여러 가지 상, 토폴로지, 전압, 그리고 전선 타입을 사용하지만, 이 예시는 PL 스마트 트랜시버의 성공적인 어플리케이션에 대한 핵심 이슈를 나타내고 있습니다.

 

위 그림은 하나의 벽 소켓(wall socket)부터 시작해서 빌딩의 전기 배선을 통해 circuit breaker 패널을 통과하여, 전력 상을 넘어 결국 다른 벽 소켓까지 도달하는, 전력선 통신에서의 신호가 지나갈 수 있는 하나의 경로를 보여주고 있습니다. 네트워크에서의 각 소켓에는 통신 신호에 노이즈나 부하를 주는 장치가 연결될 수가 있을거고요. 참고로, 뉴트럴과 어스 선은 생략했습니다.

감쇠는 송신단의 출력 임피던스, 회로의 여러 branch들의 임피던스, 그리고 branch circuit에 존재하는 다른 부하들로 이루어진 분압기(voltage divider) 회로를 통해 가장 쉽게 이해될 수 있습니다. PL 스마트 트랜시버가 이용하는 통신 주파수 대역(70kHz~138kHz)에서는, 배선 자체에서의 직렬 임피던스(inductance), 라인과 뉴트럴 사이의 capacitive 부하 및 resistive 부하, 그리고 상 간의 상호 inductance 및 parasitic capacitance로 인한 커플링 인덕터 사이 주요 임피던스가 존재합니다. 만약에 이들 임피던스들을 하나로 묶고, 하나의 주파수가 전송된다고 가정한다면, 아래 그림과 같은 모양의 간단한 감쇠 모델이 됩니다.

이 모델은 직렬의 임피던스를 최소화하고 line-to-return 패스의 임피던스를 최대화하는 것이 전송 신호의 감쇠를 최소화하는 방법이라는 것을 보여주고 있습니다.

그럼 다음 포스트에서는 커플링회로의 기초에 대해 다루도록 하겠습니다.

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