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표제지

국문초록

목차

용어 및 약어 설명 12

제1장 서론 13

제1절 연구의 배경 및 목적 13

제2절 논문의 구성 19

제2장 LoRa modulation 20

제1절 Spread Spectrum Communications 20

1. Shannon - Hartley 정리 20

2. Spread-Spectrum Principles 23

3. Spread Spectrum의 종류 24

4. Chirp Spread Spectrum 26

5. LoRa Spread Spectrum 26

6. LoRa 외 IoT 기술 비교 28

제3장 RF 통신 모듈 설계 29

제1절 RF 통신 모듈 Block Diagram 29

제2절 RF 모듈 설계 구조 33

1. Transceiver 33

2. SAW Filter 35

3. RFIC 38

제4장 RF 통신 모듈 구현 및 측정 40

제1절 RF 통신 모듈 보드 40

제2절 Test Board 구성 42

제3절 Transmit measurement 45

1. Transceiver Output Power measurement 45

2. SAW Filter Insertion Loss measurement 47

3. RFIC Gain measurement 49

4. Antenna Port measurement 50

제4절 Receive measurement 58

제5절 Link Budget 60

제6절 LOS measurement 62

1. LoRa RF 성능 검토 62

2. ZigBee RF 성능 검토 63

3. Sub-Giga RF 성능 검토 65

제5장 결론 67

참고문헌 69

ABSTRACT 71

[표 1-1] LoRaWAN Spreading Factor 당 data rate 및 대기 시간... 17

[표 1-2] IoT 기술 비교 28

[표 3-1] RF 통신 모듈 Description 32

[표 4-1] Transceiver Level에 따른 출력 값 46

[표 4-2] SAW Filter Insertion Loss 측정 값 48

[표 4-3] RFIC 입력 Level에 따른 Gain 측정 값 49

[표 4-4] RF 통신 모듈 Level에 따른 출력 측정 값 51

[표 4-5] Channel 별 Link Budget 계산 61

[표 4-6] LOS Location에 따른 LoRa PER 측정 값 63

[표 4-7] LOS Location에 따른 ZigBee PER 측정 값 64

[표 4-8] LOS Location에 따른 Sub-Giga PER 측정 값 65

[표 5-1] RF 통신 모듈 성능 비교 67

[그림 1-1] LoRaWAN 적용 케이스와 카테고리 13

[그림 1-2] 국가별 IoT 적용사례(1) 14

[그림 1-3] 국가별 IoT 적용사례(2) 15

[그림 1-4] IoT 적용분야 15

[그림 1-5] IoT의 소비전력과 전송거리에 따른 기술 세분화 16

[그림 2-1] Modulation / Spreading 프로세스 23

[그림 2-2] Modulation / De - spreading 프로세스 24

[그림 3-1] 일반적인 RF 시스템 블록도 29

[그림 3-2] 일반적인 Transmitter 블록도 29

[그림 3-3] 일반적인 Receiver 블록도 30

[그림 3-4] RF 통신 모듈 블록도 31

[그림 3-5] Transceiver SX1276 블록도 33

[그림 3-6] Transceiver SX1276 설계 회로도 34

[그림 3-7] SAW Filter TA1561A 설계 회로도 35

[그림 3-8] SAW Filter TA1561A BPF 특성 36

[그림 3-9] SAW Filter TA1561A S11 SWR 특성 36

[그림 3-10] SAW Filter TA1561A S22 SWR 특성 37

[그림 3-11] RFIC RFX1010 블록도 38

[그림 3-12] RFIC RFX1010 설계 회로도 39

[그림 4-1] EMI 발생 원리 40

[그림 4-2] RF 통신 모듈 PCB Layout 41

[그림 4-3] Test Board MCU 설계 회로도 42

[그림 4-4] Test Board MCU decoupling 설계 회로도 43

[그림 4-5] Test Board USB Controller 설계 회로도 43

[그림 4-6] Test Board Top 사진 44

[그림 4-7] Test Board Bottom 사진 44

[그림 4-8] Transceiver 측정 구성도 45

[그림 4-9] SAW Filter 블록도 47

[그림 4-10] SAW Filter 측정 구성도 47

[그림 4-11] RFIC 측정 구성도 49

[그림 4-12] RF 통신 모듈 측정 구성도 50

[그림 4-13] Channel Power 측정 (917.1 ㎒) 52

[그림 4-14] Channel Power 측정 (920.9 ㎒) 53

[그림 4-15] Channel Power 측정 (923.3 ㎒) 53

[그림 4-16] Occupied Band Width 정의 파형 54

[그림 4-17] Occupied Band Width 측정 파형 (917.1 ㎒) 54

[그림 4-18] Occupied Band Width 측정 파형 (920.9 ㎒) 55

[그림 4-19] Occupied Band Width 측정 파형 (923.3 ㎒) 55

[그림 4-20] (미래창조과학부 고시 제2016-102호) 무선설비 기술기준 56

[그림 4-21] Harmonic Noise 측정 파형 (917.1 ㎒) 56

[그림 4-22] Harmonic Noise 측정 파형 (920.9 ㎒) 57

[그림 4-23] Harmonic Noise 측정 파형 (923.3 ㎒) 57

[그림 4-24] RF 통신 모듈 Receive 구성도 58

[그림 4-25] RF 통신 모듈 Receive Smith chart 측정 59

[그림 4-26] RF 통신 모듈 Receive S11 측정 59

[그림 4-27] Link Budget 시스템 구성도 60

[그림 4-28] LOS 테스트 지역 62

초록보기

 무선통신기술의 발전 및 서비스의 보편화로 인하여 적은 양의 데이터를 송수신 하는 장치의 요구가 증가하고, 보안성과 신뢰성을 확보할 수 있는 통신 애플리케이션의 관심이 증대되고 있다. IoT는 차세대 이동통신 서비스의 생태계 구축을 위해 중요한 역할을 수행할 것으로 기대되고 있다. 기존의 이동통신네트워크 망을 활용하는 것이 아닌 비면허 주파수 대역을 활용하여 독자적인 저 전력 통신망을 구축하고 기존 무선 통신의 단점을 보완하며 IoT 환경에 적합한 LPWA(Low Power Wide Area)기술을 적용하고 있다.

본 논문은 IoT 서비스를 위한 LPWA기술이 적용 된 LoRa RF 통신 모듈을 설계하기 위해 연구 되었다. 주파수 범위는 국내의 917 ~ 923.5 MHz 비 면허 주파수 대역을 목표로 하였다. RF 통신 모듈의 구조는 FR-4 재질의 4-Layer 구조로 되어있으며, 1층부터 SIGNAL-GND-VCC-GND로 구성하였다. 제작된 RF 통신 모듈의 modulation방식은 LoRa를 사용 한다. 송신레벨은 최소-12dBm부터 최고 27dBm까지 Power Control이 가능하도록 설계하였으며, 수신감도는 125KHz Bandwidth일 때 전송속도 1.757kbps로 Max -127dBm을 갖는다. 전원 노이즈 감소를 위해 GND와 Decoupling capacitor를 추가 하였고, IF외의 하모닉을 감쇠시키기 위해 BPF를 3-pole로 구성하였다. 917 ~ 923.5MHz 대역의 500mW LoRa RF 통신 모듈은 IoT 서비스의 다양한 활용분야에 적용 될 수 있을 것이다.

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