KR100901196B1 - 저전력 전력선통신모뎀을 위한 ａｃ 커플러 - Google Patents

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이 발명은 송신용 커플링부와 수신용 커플링부의 차단주파수를 다르게 설계하여 수신대기상태에서의 소모전력을 절감하고 송신시의 신호 감쇄도 줄일 수 있는 저전력 전력선통신모뎀을 위한 AC 커플러에 관한 것이다.
이 발명에 따른 전력선통신모뎀에 구비된 AC 커플러는, 제1차단주파수로 설계되어 상기 제1차단주파수보다 높은 주파수의 송신 전력선신호를 전력선으로 통과시키는 송신용 커플링부와, 제1차단주파수보다 높고 캐리어 주파수의 하한 주파수보다 낮은 제2차단주파수로 설계되어 상기 제2차단주파수보다 높은 주파수의 수신 전력선신호를 상기 전력선으로부터 통과시키는 수신용 커플링부와, 상기 수신용 커플링부를 통과한 수신 전력선신호를 증폭하는 증폭부와, 상기 송신용 커플링부와 수신용 커플링부 중 하나의 커플링부만이 상기 전력선에 접속될 수 있도록 조절하는 스위칭수단을 포함한다.
PLC, 전력선통신, 전력선통신모뎀, AC커플러, 피상전력

Description

저전력 전력선통신모뎀을 위한 ＡＣ 커플러{AC coupler for low power consumption PLC Modem}
이 발명은 전력선통신모뎀에 관한 것으로서, 송신용 커플링부와 수신용 커플링부의 차단주파수를 다르게 설계하여 수신대기상태에서의 소모전력을 절감하고 송신시의 신호감쇄도 줄일 수 있는 저전력 전력선통신모뎀을 위한 AC 커플러에 관한 것이다.
전력선 통신(PLC : Power Line Communication)이란 전력을 공급하는 전력선을 매개체로 음성과 데이터를 수백 KHz 내지 수십 MHz 이상의 고주파 신호에 실어 통신하는 기술이다. 이 기술을 응용할 경우, 홈 네트워킹, 정보가전, 전력망 관리 등이 가능해 관련 업계는 전력선통신으로 신규 서비스와 잠재 시장을 활성화할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히, 전력선 통신을 응용한 고속 액세스 기술과 홈 네트워킹을 통한 저속 제어기술은 국내외 통신업체나 전력업체로부터 차세대 통신기술로 주목받고 있다.
전력선통신시, 송신측에서는 데이터를 9KHz ~ 30MHz의 캐리어 주파수로 변조하여 전력선을 통해 전송하고, 수신측에서는 고주파 필터를 이용하여 전력선으로부터 캐리어 주파수를 분리한 후 복조하여 데이터신호를 수신한다. 국내에서 사용되는 전력은 60Hz의 교류신호로서, 가전기기는 전력변화기(트랜스포머)를 통해 교류를 직류로 변환하여 사용하는데, 전력선통신에서의 캐리어 주파수는 고주파 저출력의 신호이므로 일반 가전기기 작동에 어떠한 영향도 미치지 아니한다.
전력선통신을 전송속도를 기준으로 분류하면, 60bps ~ 수백bps의 저속 전력선통신, 2.4Kbps ~ 19.2Kbps의 중속 전력선통신, 1Mbps 이상의 고속 전력선통신 등 크게 3가지로 분류할 수 있다. 중/저속 전력선통신에서의 캐리어 주파수는 주로 9KHz ~ 450KHz 대역을 이용하고, 고속 전력선통신에서의 캐리어 주파수는 450KHz ~ 30MHz 대역을 이용한다. 그 용도를 살펴보면, 중/저속 전력선통신은 인터넷, 정보가전, 방범, 방재 등의 홈네트워킹에 주로 이용되며, 고속 전력선통신은 액세스 네트워킹(Access Networking)에 주로 이용된다.
이러한 전력선통신시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이 송신데이터를 캐리어 주파수로 변조하여 전력선(11)을 통해 전송하고 전력선(11)을 통해 수신된 전력선신호로부터 캐리어 주파수를 분리하고 수신데이터를 복조하는 전력선통신모뎀(12)과, 전력선통신모뎀(12)에 송신데이터를 제공하는 송신기(13) 및 전력선통신모뎀(12)으로부터 수신데이터를 제공받는 수신기(14)를 구비한다. 또한, 이 전력선통신모뎀(12)은 캐리어 주파수를 전력선(11)에 싣고, 전력선(11)으로부터 캐리어 주파수를 분리하는 AC 커플러(15)와, 송신데이터를 캐리어 주파수로 변조하고 수신 데이터를 복조하는 아날로그 변복조기(16)를 구비한다.
이 AC 커플러(15)는 RC필터(R, C), 이 RC필터와 직렬로 연결된 트랜스포머(L)로 이루어진다. 이 AC 커플러(15)는 고역통과필터로서 기능을 하여 전력선신호로부터 캐리어 주파수를 분리하며, R, C, L 값에 의해 차단주파수가 결정된다. 즉, AC 커플러(15)은 차단주파수보다 높은 주파수의 신호를 통과시키고 차단주파수보다 낮은 주파수의 신호를 차단한다. 전력선통신을 위해서는 AC 커플러(15)의 차단주파수는 적어도 캐리어 주파수의 하한 주파수보다 낮아야 한다.
현재 판매되는 대부분의 전력통신모뎀의 캐리어 주파수의 하한 주파수는 100KHz 내외이다. 예컨대, 캐리어 주파수로서, A사는 120KHz 단일, 100K ~ 400KHz, 95K ~125KHz를 사용하고, B사 및 C사는 115KHz, 132KHz를 사용하며, D사는 100K ~ 400KHz를 사용하고, E사는 100K ~ 450KHz를 사용한다.
AC 커플러의 차단주파수를 캐리어 주파수의 하한 주파수(약 100KHz) 근방으로 설정하면, 전력선신호의 필터링이 가능하기는 하나 AC 커플러에서의 신호 감쇄가 매우 크다. 그래서 종래에는 AC 커플러의 차단주파수를 10KHz 정도로 아주 낮게 설계하였다. 그러나, 이와 같이 AC 커플러의 차단주파수를 낮게 설계하면, AC 커플러에서의 신호 감쇄는 줄어드나 수신대기상태에서의 전력소모가 커진다.
전력선통신모뎀의 경우, 송신은 평균 하루 10 ~ 20회 정도, 많아야 30 ~ 40회 정도이고 시간으로 보면 하루 24시간 중 1분이 채 되지 않는다. 그렇다고 AC 커플러의 차단주파수를 높게 설계하면 송신시의 전력선신호의 신호 감쇄가 커지기 때문에 신호증폭을 하여야 하고, 이때의 송신 전력선신호의 신호 증폭을 위해 더 많은 전력소모가 요구된다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 이 발명의 목적은, 송신용 커플링부의 차단주파수를 낮게 설계하고, 수신용 커플링부의 차단주파수를 높게 설계하며 수신 전력선신호를 증폭함으로써, 수신대기상태의 소모전력을 줄이고 아울러 송신시의 신호 감쇄도 줄일 수 있는 저전력 전력선통신모뎀을 위한 AC 커플러를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 이 발명의 한 실시예에 따른 저전력 전력선통신모뎀을 위한 AC 커플러는, 전력선통신모뎀에 구비된 AC 커플러에 있어서,
제1차단주파수로 설계되어 상기 제1차단주파수보다 높은 주파수의 송신 전력선신호를 전력선으로 통과시키는 송신용 커플링부와,
제1차단주파수보다 높고 캐리어 주파수의 하한 주파수보다 낮은 제2차단주파수로 설계되어 상기 제2차단주파수보다 높은 주파수의 수신 전력선신호를 상기 전력선으로부터 통과시키는 수신용 커플링부와,
상기 수신용 커플링부를 통과한 수신 전력선신호를 증폭하는 증폭부와,
상기 송신용 커플링부와 수신용 커플링부 중 하나의 커플링부만이 상기 전력선에 접속될 수 있도록 조절하는 스위칭수단을 포함한 것을 특징으로 한다.
이 발명에 따르면 송신시에는 기존과 같이 낮은 차단주파수의 AC 커플러로 정합하여 신호감쇄가 거의 발생하지 않고, 수신대기시에는 높은 차단주파수의 AC 커플러로 정합하고 수신된 전력선신호를 증폭하여 수신대기상태에서의 소모전력을 절감할 수 있기 때문에, 동일 성능의 저전력화가 가능한 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 이 발명의 한 실시예에 따른 저전력 전력선통신모뎀을 위한 AC 커플러를 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 이 발명의 AC 커플러가 적용된 저전력 전력선통신모뎀을 도시한 구성 블록도이다.
이 발명의 AC 커플러는, 제1차단주파수로 설계되어 제1차단주파수보다 높은 주파수의 송신 전력선신호를 전력선(21)으로 통과시키는 송신용 커플링부(22)와, 제1차단주파수보다 높고 캐리어 주파수의 하한 주파수보다 낮은 제2차단주파수로 설계되어 제2차단주파수보다 높은 주파수의 수신 전력선신호를 전력선(21)으로부터 통과시키는 수신용 커플링부(23)와, 수신용 커플링부(23)를 통과한 수신 전력선신호를 증폭하는 증폭부(24)와, 송신용 커플링부(22)와 수신용 커플링부(23) 중 하나의 커플링부만이 전력선(21)에 접속될 수 있도록 조절하는 스위칭수단을 포함한다.
상기 스위칭수단은 송신 전력선신호가 송신되는 동안에 전력선(21)과 송신용 커플링부(22)를 접속하는 제1스위치(SW1)와, 송신 전력선신호가 송신되지 않는 동 안에 전력선(21)과 수신용 커플링부(23)를 접속하는 제2스위치(SW2)와, 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)를 연동 제어하는 스위칭제어부(25)를 포함한다.
이 발명의 예시로서, 제1차단주파수는 약 10KHz(예컨대, 8KHz ~ 12KHz)로 하고, 제2차단주파수는 약 70KHz(예컨대, 60KHz ~ 80KHz)로 한다. 예컨대, 송신용 커플링부의 저항(R1) 값을 470KΩ, 커패시터(C1) 값을 330nF, 트랜스포머의 인덕터(L1) 값을 1mH 로 설계하고, 수신용 커플링부의 저항(R2) 값을 1MΩ, 커패시터(C2) 값을 5nF, 트랜스포머의 인덕터(L2) 값을 1mH 로 설계할 수 있다.
위 예시의 제1차단주파수와 제2차단주파수는 응용의 범위 내에서 자유롭게 변경, 설정할 수 있다.
증폭부(24)는 수신용 커플링부(23)의 트랜스포머의 1차측과 2차측의 비를 1:n(n은 1이상 10 이하의 실수)로 하여 구현할 수 있다.
도면에서 아날로그 변복조기(16)와 송신기(13)와 수신기(14)의 기능은 종래와 동일하다.
상기와 같이 구성된 이 발명에 따른 AC 커플러의 동작을 설명한다.
먼저, 저전력 전력선통신모뎀이 수신대기상태인 경우, 제1스위치(SW1)는 오픈되고 제2스위치(SW2)는 단락되어 수신용 커플링부(23)가 전력선(21)과 접속된다. 수신용 커플링부(23)의 커패시터(C2) 값이 매우 낮기 때문에 수신대기상태에서의 소모전력은 매우 낮다. 이때, 전력선으로부터 전력선신호가 수신되면, 이 수신 전력신호는 수신용 커플링부(23)에서 정합되는 과정에서 신호감쇄가 발생한다. 그렇 더라도 바로 후단의 증폭부(24)에 의해 수신 전력선신호가 증폭되기 때문에 수신기(14)는 정상적으로 수신데이터를 복조할 수 있다.
한편, 사용자가 데이터를 송신하고자 할 경우, 스위칭제어부(25)는 제1스위치(SW1)를 단락시키고 제2스위치(SW2)를 오픈시키고, 그러면 송신용 커플링부(22)가 전력선과 접속된다. 송신용 커플링부(22)는 신호 감쇄없이 송신 전력신호를 전력선(21)으로 통과시킨다.
이 발명의 AC 커플러가 적용된 저전력 전력선통신모뎀의 성능을 4가지 방식(감쇄(attenuator) 테스트, 노치필터(notch filter) 테스트, 연속파(continuous wave) 테스트, 커패시터 부하 시뮬레이터(capacitor load simulator))으로 테스트한 결과, 이 4가지 방식의 테스트에서 모두 기존의 전력선통신모뎀과 동일한 성능을 얻었다.
아래 테스트 결과는 A사의 모뎀에 본 발명을 적용하여 테스트한 예이다.
감쇄(attenuation) 테스트는 라인 상의 전력선신호가 어느 정도까지 감쇄되었을 때까지 통신이 가능한 지를 측정하는 테스트로서, 감쇄 테스트 결과는 아래의 표 1과 같다.
감쇄 (attenuation) 감쇄 (attenuation) 테스트
기존의 PLC 모뎀 (수신횟수/전송횟수) 이 발명이 적용된 PLC 모뎀 (수신횟수/전송횟수)
0 dB 10 / 10 10 / 10
-40 dB 10 / 10 10 / 10
-80 dB 10 / 10 10 / 10
-90 dB 10 / 10 10 / 10
-100 dB 10 / 10 10 / 10
-110 dB 10 / 10 10 / 10
-120 dB 5 / 10 4 / 10
노치필터(notch filter) 테스트는 전력선통신에 사용하는 캐리어 주파수대역에서 노치가 발생할 때 통신이 가능한 지를 측정하는 테스트로서, 노치필터 테스트 결과는 아래의 표 2과 같다.
Item 노치필터(notch filter) 테스트
기존의 PLC 모뎀 (수신횟수/전송횟수) 이 발명이 적용된 PLC 모뎀 (수신횟수/전송횟수)
60 KHz 10 / 10 10 / 10
70 KHz 10 / 10 10 / 10
110 KHz 10 / 10 10 / 10
135 KHz 10 / 10 10 / 10
160 KHz 10 / 10 10 / 10
연속파(continuous wave) 테스트는 부하가 없는 상태에서 전력선통신에 사용하는 캐리어 주파수 대역의 노이즈를 수신측에 인가한 상태에서 감쇄성능을 측정하는 테스트로서, 연속파 테스트 결과는 아래의 표 3과 같다.
Item 연속파(Continuous wave) 테스트
기존의 PLC 모뎀 (수신횟수/전송횟수) 이 발명이 적용된 PLC 모뎀 (수신횟수/전송횟수)
80 KHz / 350 mV -51 dB -52 dB
90 KHz / 350 mV -51 dB -51 dB
100 KHz / 350 mV -41 dB -43 dB
110 KHz / 350 mV -38 dB -37 dB
120 KHz / 350 mV -46 dB -48 dB
130 KHz / 350 mV -55 dB -56 dB
140 KHz / 350 mV -56 dB -58 dB
커패시터 부하 시뮬레이터(capacitor load simulator)는 가정이나 실내에서 많이 발생할 수 있는 두 지점간 커패시터(capacitor) 부하 및 거리를 가상으로 구성하여 얼마나 원활한 통신이 가능한지 검증하는 테스트로서, 커패시터 부하 시뮬레이터 결과는 아래의 표 4와 같다.
양측부하/거리 커패시터 부하(capacitor load) 테스트 (3.5㎌/15m씩 증가하면서 테스트)
기존의 PLC 모뎀 (수신횟수/전송횟수) 이 발명이 적용된 PLC 모뎀 (수신횟수/전송횟수)
7㎌ / 15m 10 / 10 10 / 10
10.5㎌ / 30m 10 / 10 10 / 10
14㎌ / 45m 10 / 10 10 / 10
18.5㎌ / 60m 2 / 10 3 / 10
이상에서 살펴본 바와 같이 이 발명에 따른 AC 커플러를 적용한 전력선통신모뎀은, 종래의 AC 커플러를 적용한 전력선통신모뎀에 비해 결코 성능이 뒤지지 않는다.
그에 반해 기존의 AC 커플러를 적용한 전력선통신모뎀의 소비전력과, 이 발명의 AC 커플러를 적용한 저전력 전력선통신모뎀의 피상전력(유효전력과 무효전력의 합)을 비교한 결과는 아래의 표 5와 같다.
기존의 AC커플러 적용 전력선통신모뎀 이 발명의 AC커플러 적용 전력선통신모뎀
A사 B사 A사 B사
피상전력 5.53 [VA] 5.82 [VA] 0.134 [VA] 0.14 [VA]
위 표에서 알 수 있듯이, 이 발명에 따른 수신대기상태에서의 소모전력(무효전력)이 절감됨으로써, 이 발명의 AC 커플러가 적용된 전력선통신모뎀의 피상전력은, 기존의 AC 커플러가 적용된 전력선통신모뎀의 피상전력보다 약 1/40로 절감된다.
이 발명은 전력선통신모뎀에 적용할 수 있으며, 전력선통신을 통한 홈 네트워킹 기술과 고속 액세스 기술에 적용할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 AC 커플러가 적용된 전력선통신모뎀을 도시한 구성 블록도,
도 2는 이 발명에 따른 AC 커플러가 적용된 저전력통신모뎀을 도시한 구성 블록도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >
21 : 전력선 22 : 송신용 커플링부
23 : 수신용 커플링부 24 : 증폭부
25 : 스위칭제어부 SW1 : 제1스위치
SW2 : 제2스위치

Claims (5)

  1. 전력선통신모뎀에 구비된 AC 커플러에 있어서,
    제1차단주파수로 설계되며 상기 제1차단주파수보다 높은 주파수의 송신 전력선신호를 전력선으로 통과시키는 송신용 커플링부와,
    상기 제1차단주파수보다 높고 수신 전력선신호의 캐리어 주파수의 하한주파수보다 낮은 제2차단주파수로 설계되며 상기 제2차단주파수보다 높은 주파수의 수신 전력선신호를 상기 전력선으로부터 통과시키는 수신용 커플링부와,
    상기 수신용 커플링부를 통과한 수신 전력선신호를 증폭하는 증폭부와,
    상기 송신 전력선신호가 송신되지 않는 수신대기상태에서 상기 수신용 커플링부를 상기 전력선에 접속시키고 상기 송신 전력선신호가 송신되는 동안 상기 송신용 커플링부를 상기 전력선에 접속시키는 스위칭수단을 포함한 것을 특징으로 하는 AC 커플러.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스위칭수단은
    상기 송신 전력선신호가 송신되는 동안에 상기 전력선과 상기 송신용 커플링부를 접속하는 제1스위칭부와, 상기 송신 전력선신호가 송신되지 않는 동안에 상기 전력선과 상기 수신용 커플링부를 접속하는 제2스위칭부와, 제1스위칭부와 제2스위칭부를 연동 제어하는 스위칭제어부를 포함한 것을 특징으로 하는 AC 커플러.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1차단주파수는 8KHz ~ 12KHz 에 포함된 것을 특징으로 하는 AC 커플러.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제2차단주파수는 60KHz ~ 80KHz 에 포함된 것을 특징으로 하는 AC 커플러.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 증폭부는 상기 송신용 커플링부의 트랜스포머의 1차측과 2차측의 비를 1:n(n은 1이상 10 이하의 실수)로 하여 구현한 것을 특징으로 하는 AC 커플러.
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