KR20030068265A - 디지털 로직을 이용하여 10 베이스 티를 2선식으로구현하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 데이터 전송 기술 분야에 속하며, 송신 선로와 수신 선로를 별도로 필요로 하는 이더넷(Ethernet) 데이터를 전화선을 통하여 전송할 수 있도록 하는 기술로서, 저가 구현을 위해 아날로그 능동 소자를 사용하지 않고 디지털 로직만을 사용하여 4선식 데이터를 2선식으로 전송할 수 있도록 하는 기술이다. 본 발명에서는 송신 신호와 수신 신호를 분리하고 상대방 신호와 자기 신호간의 충돌을 감지하고 제어하기 위한 방편으로 이더넷의 MII(Media Independent Interface) 신호를 활용하는 방법을 창안하여 디지털 로직으로 구현할 수 있도록 하였고, 이더넷 물리계층의 송 수신선 4선을 손실 없이 2선에 연결하고 선로의 임피던스에 매칭되도록 구현하였으며, 또한 시중에서 쉽게 구할 수 있는 부품 값을 이용하여 필터를 설계하여 음성과 데이터(2선식 10 BASE T)를 동일한 선으로 전송할 수 있게 하였다. 따라서 본 발명은 가정이나 소규모 사무실과 같이 데이터 전용선이 설치되어 있지 않은 장소에서도 LAN을 쉽게 구축할 수 있도록 하는데 크게 기여할 것이다.

Description

디지털 로직을 이용하여 10 베이스 티를 2선식으로 구현하는 방법 {The method of realizing 2 wired 10 BASE T using digital logic}

10 BASE T(10Mbps, Twist pair, Ethernet)는 LAN에서 가장 많이 쓰이고 있는 기술 중의 한가지 기술로서 송신 신호 및 수신 신호를 위하여 각각 2선씩 사용한다. 그러나 소형 건물이나 가정에는 LAN을 위한 전용선이 설치되어 있지 않는 경우가 대부분이기 때문에 LAN 구성을 위한 4선을 확보하는데 어려움이 있을 수 있다. 따라서 2선만을 가지고도 10 BASE T 데이터를 전송할 필요가 있다. 10 BASE T는 전이중 방식(Full Duplex Mode)과 반이중 방식(Half Duplex Mode)로 동작할 수 있다. 전이중 방식의 신호를 2선으로 전송하기 위해서는 주파수 분할 다중화(Frequency Division Multiplexing) 방식, 시분할 다중화(Time Division Multiplexing) 방식, 코드 분할 다중화(Code Division Multiplexing) 방식 중 한 방식으로 변조시켜야 하며 결과적으로 시스템이 상당히 복잡해진다. 따라서 실질적으로 10 BASE T 신호를 2선으로 전송하기 위해서는 반이중 모드가 적합하다. 도 1은 반이중 방식의 10 BASE T 신호를 2선으로 전송하는 종래의 방법을 나타낸 그림이다. 상기 방법은, 송신 신호를 출력시키고자 할 경우에는 수신단의 증폭기(11)에 제어 신호를 가하여 송신 신호가 수신단에 유입되는 것을 차단하고, 송신 신호가 없는 경우에는 제어 신호를 제거하여 수신 신호를 받아들일 수 있도록 하는 방법으로서, 다수의 아날로그 능동 소자를 필요로 한다. 수신단의 신호 유입을 제어하는 신호는, 이더넷 제어기(Ethernet Controller)에서 나오는 제어 신호를 이용할 수도 있으며, 이더넷 칩과는 독립적으로 송신 신호의 파형을 이용하여 제어 신호를만들어서(13) 사용할 수도 있다. 제어 신호를 얻는 방식과는 무관하게 송신단과 수신단에 아날로그 디바이스를 사용하게 되면 이더넷의 출력 신호 파형 및 입 출력 임피던스 특성이 변하기 때문에 이를 보상하기 위한 회로가 부가되어야 한다.

또한 도 1과 같은 기존의 방법은 자기측 송신 신호와 상대측 송신 신호가 충돌하고 있는지를 알 수 없으며, 만일 어느 한쪽에서 충돌을 감지하더라도 잼 패킷(Jam Packet)을 상대측이 받아들일 수 없기 때문에 데이터를 양쪽에서 연속적으로 보내는 경우에는 전송 특성이 매우 나빠지게 된다. 도 1과 같은 시스템에서 충돌을 감지하기 위해서는 송신단 증폭기(12)의 앞단과 뒤단의 파형을 비교하는 방법이 도입되어야 한다. 송신단 증폭기(12)의 출력 신호는 선로의 특성에 따라 크게 변화하기 때문에 상기 충돌 감지 방법을 적용한다면 아날로그 증폭기와 선로의 임피던스 및 손실 특성을 보상해 줄 수 있는 회로가 또한 추가로 필요하게 된다.

10 BASE T 데이터를 2선으로 전송하는 종래의 기술은 도 1에서 나타나는 바와 같이 디지털 디바이스에 비하여 상대적으로 고가인 아날로그 증폭기가(11, 12) 다수 소요되며 선로의 임피던스 및 손실 특성을 보상하기 위한 회로가 소요되며, 또한 충돌 감지 기능을 추가시킨다면 아날로그 증폭기와 아날로그 비교기(Comparator)와 선로 손실을 정확하게 예측하기 위한 등화기(Equalizer) 등이 추가로 소요되기 때문에 실제적으로 구현하기에는 부적합하다.

따라서 본 발명에서는, 아날로그 능동 소자를 사용하지 않고 디지털 로직만을 사용하여 10 BASE T 데이터를 2선으로 전송할 수 있도록 하기 위하여, 송신 신호가 수신단에 되돌아오지 못하게 하는 방법을 디지털 로직으로 처리할 수 있게 하였으며, 이더넷 물리계층의 송 수신 4선을 2선으로 결선하는 과정에서 고 입력 임피던스 증폭기(High Impedance AMP) 없이도 이더넷(Ethernet) 신호 파형의 특성을 유지하고 선로의 임피던스를 매칭시킬 수 있도록 하였으며, 이더넷 물리계층의 송 수신 데이터를 이용하여 상대측 송신 신호와 자기측 송신 신호간에 충돌 상태를 감지하고 제어할 수 있도록 하였으며, 시중에서도 쉽게 구할 수 있는 부품을 이용한 필터를 설계하여 동일한 선로 상에서 음성과 2선식 10 BASE T 신호를 동시에 전송할 수 있도록 하여서, 전화선으로도 쉽게 LAN을 구현할 수 있도록 하는 기술을 제공하고자 하는데 목적이 있다.

도 1은 10 BASE T(10Mbps, Twist pair, Ethernet) 신호를 2선으로 전송하는 기존의 방법을 나타낸 그림이다.

도 2는 이더넷의 MII(Media Independent Interface) 및 RMII(Reduced Media Independent Interface) 신호를 이용하여 디지털 로직으로 수신 신호를 제어하는 방법을 나타낸 그림이다.

도 3은 이더넷 물리계층(Ethernet Physical Layer)의 송 수신선 4선을 2선으로 결선하는 방법과 선로의 임피던스를 매칭시키는 방법을 나타낸 그림이다.

도 4는 이더넷 물리계층의 송 수신 데이터를 이용한 충돌 감지 기법을 나타낸 그림이다.

도 5는 도 4의 충돌 감지 기법을 적용한 2선식 10 BASE T를 나타낸 그림이다.

도 6는 MII 및 RMII 신호의 타이밍 도(Timing Diagram)를 나타낸 그림이다.

도 7은 음성 신호와 2선식 10 BASE T 신호를 동시에 동일한 전화선을 통하여 전송하는 방법을 나타낸 그림이다.

본 발명은 신호 제어부(24), 선로 정합부(30), 충돌 감지부(41), 대역 필터부(71, 73)로 구성된다. 신호 제어부(24)는 이더넷의 MII(Media Independent Interface) 신호를 이용하여 송신 신호가 수신단에 되돌아오는 것을 방지하는 수단을 제공하며, 선로 정합부(30)는 이더넷(Ethernet) 장비의 송 수신 신호를 위한 4선을 2선으로 결선하는 수단과 선로 임피던스를 매칭시키는 방법을 제공하며, 충돌 감지부(41)는 데이터 통신에 참여하고있는 두 단말이 양측에서 동시에 패킷을 송신함으로써 발생하는 충돌 상태를 감지하는 수단을 제공하며, 대역 필터부(71, 73)는 전화선으로 데이터 통신을 하는 경우에 음성과 데이터를 동시에 전송할 수 있는 수단을 제공한다.

신호 제어부(24)의 역할은 다음과 같다. 이더넷 랜(Ethernet LAN; 10 BaseT)은 송신 신호를 위하여 2선, 수신 신호를 위하여 2선이 각각 필요하기 때문에 최소한 4선이 소요된다. 이더넷 신호를 2선으로 전송하기 위해서는 송신 신호를 위한 선로와 수신 신호를 위한 선로가 어떠한 형태로든지 결선되어야 한다. 송신 선로와 수신 선로를 연결하게 되면, 자기측의 송신 신호가 상대측의 수신단에 전송됨은 물론 자기측의 수신단에도 나타나게 된다. 이 때 이더넷 물리계층(Ethernet Physical Layer)은 수신단으로 되돌아온 자기측 패킷을 상대측 패킷으로 오인해서 정상적인 동작을 하지 않게 된다. 신호 제어부(24)는 이더넷 물리계층의 수신단에 입력된 자기측의 송신 패킷이 이더넷 물리계층 다음 단에는 전달되지 않도록 차단하는 역할을 하는 것으로, 도 2의 인터페이스 로직(interface logic)에 해당된다. 인터페이스 로직은 이더넷 물리계층과 이더넷 제어기(Ethernet Controller)를 연결하는 표준 인터페이스 규격인 MII 또는 RMII 신호를 이용하여 자기측의 송신 신호가 수신단에 되돌아오는 것을 방지한다. 도 6에 나타나는 바와 같이 TX +/- 신호는 TXEN이 'High' 상태가 된 후 약 740 nsec 뒤에 이더넷 물리계층의 송신단에서 출력된다. 이더넷 물리계층단에서 출력된 송신 신호는 선로를 타고 다시 자기측 수신단에 나타나고 이 신호는 이더넷 물리계층에 의하여 RXD 데이터로 복원된다. RXD 데이터는 MII(Media Independent Interface)인 경우에는 RXD0, RXD1, RXD2, RXD3이 있으며, RMII(Reduced Media Independent Interface) 인 경우에는 RXD0, RXD1이 있어서 RXD 포트를 차단하기 보다는 RXDV 포트를 이용해서 차단하는 것이 효율적이다. MII나 RMII 인터페이스를 가진 표준 이더넷 제어기는 RXDV 신호가 없으면 RXD 데이터를 무시해 버리기 때문에 RXDV 포트를 이용해서 수신 데이터를 차단하는 것이 가능하다. 따라서 송신할 데이터가 있으면 이더넷 제어기(또는 이더넷 스위치)에서 출력되는 TXEN 신호를 취하여 TXEN 신호가 'High'로 유지되는 동안에는 RXDV 포트를 'Low'로 만들고, 송신 신호가 없으면 RXDV 신호를 정상적으로 동작하게 하도록 한다. 상기 방법을 적용하면 2선 전송을 위하여 송신과 수신 선로를 서로 연결하였을 때도 상대측 수신 신호는 정상적으로 받아들여지며 자기측 송신 신호는 이더넷 물리계층 다음단에 전달되는 것을 막을 수 있기 때문에 정상적인 데이터 전송이 가능하게 된다. 그러나 이더넷 물리계층단에서 내보내는 TXEN 신호는 이더넷 물리계층단으로 되돌아오는 RXD 신호나 RXDV 신호보다 먼저 소멸되기 때문에 이더넷 물리계층의 RXDV가 'High'로 유지하는 동안은 이더넷 제어기(또는 이더넷 스위치)의 RXDV단(도 2에서 RXDV-C)을 'Low'로 유지시켜야 한다. 상기 기능들을 제공하는 부분이 신호 제어부(24)이다.

선로 정합부(30)의 역할은 다음과 같다. 이더넷 시스템은 송신 신호를 위하여 2선, 수신 신호를 위하여 2선이 각각 필요하기 때문에 2선을 이용하여 전송하기 위해서는 송신 선로와 수신 선로를 서로 연결하여야 한다. 이더넷 물리 계층(Ethernet PHY) 칩을 위해서는 일반적으로 이더넷 송신단의 부하(Load) 저항은 TX+와 TX- 단자에 각각 50옴 저항으로 Pull Up 시키며, 수신단의 부하 저항은 TX+와 TX- 단자에 각각 50옴 저항을 콘덴서를 통해 GND(Ground)에 연결한다. 따라서 이더넷 장비의 송신 선로와 수신 선로를 직접 연결하게되면 출력 임피던스와 입력 임피던스가 각각 1/2로 줄어들며 선로의 임피던스와 일치되지 않게 된다. 이와 같은 문제를 해결하는 기존의 방법은 이더넷 물리계층의 수신단 전단에 고입력 임피던스 증폭기(high impedance AMP)를 두는 것이다. 본 발명에서는 상기 문제를 해결하기 위하여 도 3에서 나타나는 바와 같이 이더넷 물리계층단의 송신단 부하(Load) 저항과 수신단 부하 저항을 송신단과 수신단에서 공동으로 이용하도록 하였다. 이 방법은 고가의 아날로그 증폭기(AMP)를 사용하기 않고도 4선식 전송 시스템을 2선으로 구현이 가능하도록 하고 송신단의 출력 임피던스와 수신단의 입력 임피던스가 모두 100옴이 되기 때문에 100옴의 특성 임피던스를 갖는 케이블을 이용하여 전송하기 적합하며, 전화선 등 임피던스가 100옴이 아닌 선로를 사용하는 경우에는 부하 저항을 선로 임피던스의 1/2에 해당되는 저항으로 바꿔주면 회로를 거의 수정하지 않고도 쉽게 임피던스 매칭을 시켜줄 수 있다. 또한 정상적인 이더넷 시스템의 경우에는 송신단과 수신단을 위하여 2개의 트랜스포머가 필요하였으나 본 발명의 경우에는 트랜스포머가 단지 1개만 소요되는 장점도 있다. 상기 기능들을 제공하는 부분이 선로 정합부(30)이다.

충돌 감지부(41)의 역할은 다음과 같다. 이더넷 시스템은 송신 신호를 위하여 2선, 수신 신호를 위하여 2선을 별도로 사용하기 때문에 신호가 선로상에서 실제적으로 충돌하는 현상은 없으나, 반이중 모드(half duplex mode)로 동작하는 경우에는 송신 신호를 내보내고 있는 중에 수신 신호가 있으면 충돌로 판단하고 상대측에도 잼 패킷(jam packet)을 내보내어 충돌 상황을 알리게 된다. 그러나 송신 신호와 수신 신호를 위해서 2선만 사용하는 경우에는, 신호 송신 중에 수신 신호가 선로상에 존재하는지 안 하는지를 알아내기가 어렵다. HomePNA와 같이 미리 2선식 전송을 고려하여 설계한 시스템의 경우에는 충돌 감지를 위해 패킷의 헤더 부분에충돌 감지를 위한 기능을 미리 준비해 놓을 수 있으나, 4선식만을 고려해서 설계한 10 BASE T 이더넷 시스템에서는 충돌 방지를 위해서 패킷을 새롭게 다시 만드는 것은 비실용적이다. 기존의 통신 시스템에서 일반적으로 사용되는 충돌 감지 방법을 이더넷 시스템에 적용한다면, 도 1에서와 같이 TX 단에 선로 구동기(Line Driver;12)를 두어 선로 구동기의 입력단과 출력단 신호간의 차이를 측정하여, 그 차이 값이 정상 상태일 때 보다 크면 충돌 상태로 판단하면 된다. 그러나 선로에 따라 선로 구동기(12) 출력 파형이 크게 차이가 날 수 있으므로 선로의 조건을 잘 반영해야만 한다. 따라서 충돌 상태를 정확하게 판단하기 위해서는 등화기(equalizer), 증폭기(AMP), 아날로그 비교기(comparator) 등이 필요하게 된다. 본 발명에서는, 송 수신 신호간의 충돌 상태를 감지하기 위하여 수신 데이터를 이용하는 방법을 고안하여, 도 4와 같이 디지털 로직으로 구현할 수 있도록 하였다. 도 3에서 송신 선로와 수신선로간의 연결은, 이더넷 물리계층의 송신단을 통하여 전송된 데이터 TXD가 수신단으로 되돌아와서 다시 RXD로 나타나게 한다. 이때 선로상에 상대측의 신호가 출력되지 않은 경우, 즉 수신 신호가 없을 경우에는 수신단에 송신 신호(되돌아온 RXD)만 존재하기 때문에 TXD와 RXD가 정확하게 일치하게 된다. 선로상에 상대측의 신호가 있는 경우에는 자기측 송신 신호와 상대측 송신 신호가 서로 더해져서 RXD는 TXD와 다르게 나타나게 된다. 이 현상을 이용하여, 송신 중에 TXD 값과 RXD 값을 계속 비교하도록 하고 만일 값이 서로 틀리게 나타나면 충돌 상태로 판단하도록 하였다. 송신 신호는 없고 수신 신호만 있을 경우에는 충돌 현상을 감지하지 않고 정상적으로 처리하면 된다. 도 6에서 나타나는 바와 같이, 송신 신호가 있을 경우에 수신단을 통하여 되돌아온 수신 데이터 RXD는, TXEN 이 'High'로 된 시점에서 RXCLK로 5클럭(clock) 내지 6클럭 뒤 클럭의 Falling Edge에서 TXD와 일치하게 된다. 송신 데이터 TXD가 되돌아와서 수신 데이터 RXD로 복원되는데 까지 걸리는 시간은 매 패킷 마다 변화하지만 한 패킷 내에서는 변화하지 않는다. 따라서 TXD 데이터를 각각 5클럭 또는 6클럭씩 이동(Shift)시켜 가면서 RXD와 비교한다. RXD와 5클럭 이동(Shift)한 TXD와 일치하면 해당 패킷 동안 계속 비교하고, 중간에 일치하지 않은 값이 나타나면 충돌이 발생한 것으로 판단한다. 만일 RXD가 5클럭 이동(Shift)한 TXD와 일치하지 않으면 6클럭 이동(Shift)한 TXD와 비교한다. 이때 RXD가 6클럭 이동(Shift)한 TXD와 일치하면 해당 패킷 동안 계속 6클럭 이동(Shift)한 TXD와 RXD를 비교하고, 도중에 일치하지 않은 값이 나타나면 충돌이 발생한 것으로 판단한다. 따라서 아날로그 디바이스를 사용하지 않고도 송 수신 신호간 충돌 현상을 감지할 수 있게 된다. 상기 기능들을 제공하는 부분이 충돌 감지부(41)이다. 도 5는 상기 충돌 감지 기능을 적용하여 2선식 10 Base T를 구현한 그림이다. 2선식 10 BASE T에서, 만일 충돌 감지 및 제어를 하지 않으면 양쪽 단말에서 동시에 긴 패킷을 전송하는 경우에는 전송 효율이 크게 떨어질 수 있다.

대역 필터부(71, 73)의 역할은 다음과 같다. 4선식 이더넷 시스템을 상기 방법들을 적용하여 2선식으로 구현하였을 때, 전용선을 이용하여 데이터만을 전송하는 경우에는 도 3의 콘넥터(25)에 케이블을 바로 연결하면 상대측 단말과 통신이 된다. 그러나 기존의 소형 건물이나 가정에서 전용선 설치가 용이하지 않은 경우에는 전화선을 이용하여 데이터를 전송할 필요가 있다. 전화와 데이터를 같은 선로로 전송하게 될 때는 대역 필터부(71, 73)가 필요하며, 대역 필터부(71, 73)는 음성 대역만을 통과시키기 위한 저역 필터(73)와 데이터 신호만을 통과시키기 위한 고역 필터(71)로 구성된다. 대역 필터는 저가로 손쉽게 구현 할 수 있도록 일반적으로 가장 많이 사용하는 부품 값으로 설계하였다. 도 7은 2선식 10 BASE T에 대역 필터부(71, 73)를 적용한 그림이다. 저역 필터의 각 부품의 값은 전화의 입력 임피던스 600옴과 매칭(matching)이 되도록 설정하였으며, 고역 필터의 각 부품의 값은 이더넷 송 수신단의 입출력 임피던스 100옴과 매칭이 되도록 설정하였다. 선로의 임피던스가 100옴 보다 작거나 큰 경우에는 도 3의 부하(Load) 저항(31의 R)을 선로 임피던스의 1/2 값으로 변경시키고, 고역 필터(71)의 부품들은 선로 임피던스에 맞는 값으로 변경시켜 주면 된다. 저역 필터(73)와 고역 필터(71)는 전화 선로의 발란스(balance)를 위하여 모두 발란스 타입으로 구현하였다. 전화 선로의 발란스를 좀더 좋게 하기 위해서 저역 필터에 인턱터 대신 트랜스포머를 사용하였다. 트랜스포머를 이용해서 정상적인 저역 필터의 특성을 얻기 위해서 트랜스포머의 방향을 도 7과 같이 각각 반대 방향으로 놓이게 설계하였다. 선로상의 발란스가 문제가 되지 않는 경우에는 트랜스포머 없이 일반적인 인턱터를 사용해서 손쉽게 구현하는 것도 가능하다. 상기 기능들을 제공하는 부분이 대역 필터부(71, 73)이다. 또한 도 7은 본 발명에 해당되는 구성부를 모두 나타낸 그림으로 40은 신호 제어부(24)와 충돌 발생부(41)가 포함되어 있는 블록이며, 31, 32는 선로 정합부, 71, 73은 대역 필터부를 각각 나타내고 있다.

상기 설명한 바와 같이 본 발명은 아날로그 능동 소자를 추가하지 않고 디지털 로직만을 사용하여 저렴한 가격으로 10 BASE T 데이터를 2선으로 전송할 수 있도록 하였으며, 2선식 10 BASE T 데이터와 음성 신호를 동일한 전화선으로 동시에 보낼수 있도록 하여서, 집이나 사무실에서도 손쉽게 LAN을 구성할 수 있도록 하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.

Claims (3)

1. 아날로그 능동 소자를 사용하지 않고 디지털 회로만을 사용하여 10 BASE T 데이터를 전화선으로 전송하기 위한 방법으로, 송 수신 신호를 분리하기 위한 신호 제어부, 4선을 2선으로 결선하기 위한 선로 정합부, 송 수신 신호의 충돌을 감지하고 제어하기 위한 충돌 감지부, 2선식 신호(상기 기능에 의해 10 BASE T를 2선으로 보낼 수 있도록 만들어진 신호)를 전화선을 통해 음성과 같이 전송하기 위한 대역 필터부를 포함하여 구성한 2선식 10 BASE T 구현 방법.
2. 제 1항에 있어서 이더넷 물리계층과 이더넷 제어기(Controller) 간의 인터페이스 신호인 MII(Media Independent Interface) 및 RMII(Reduced Media Independent Interface) 신호를 이용하여, 송신 신호가 수신단에 되돌아오지 못하도록 하는 방법 및 송신 데이터(TXD)와 수신 데이터(RXD; 이더넷 물리계층에서 송신 데이터가 loop back 되어 나타난 수신 데이터)를 비교하여 송 수신 신호간 충돌을 감지하는 방법.
3. 제 1항에 있어서 트랜스포머를 1개만 이용하여 이더넷 물리계층의 송 수신 4선을 2선으로 결선하고 선로의 임피던스 매칭을 위해서 송 수신 부하(load) 저항을 공동으로 사용하는 방법.