WGM-447XS9 WGM-447XA9 EM Tech 대전대덕구대화동 289-1 공구상가 5 동 227 호 TEL: (042) 623-4470 http:// - 1 -
1. 주요기능및규격 GMSK UHF 송수신기 (447.9MHz) 공통 Digital GMSK 변복조방식 Scrambler & Descrambler 기능 Narrow Band (Occupied bandwidth : < 8.5KHz, 변조 < ±2.5KHz) 통신지연 : 2.5 Bit 이하 ( 송신기 : 1 Bit, 수신기 : 1.5 Bit) 단일 5V±0.5V 전원송신모드 : < 50mA 수신모드 : < 35mA 간단한인터페이스 (TxD,RxD,Power) Half Duplex Communication Data Rate : 1200 ~ 9600 bps (Ordering Information 참조 ) NRZI Encoder / Decoder PCB Antenna or SMA Connector Type (Ordering Information 참조 ) 송신부 송신출력 : 10mW (10dBm) Deviation : < ±2.5kHz 빠른자동모드전환 (Rx Mode Tx Mode) 수신부 슈퍼헤트로다인수신기 DPLL 클럭을사용한 Digital Data Slicer 기능수신감도 : -107dBm 용도 무선조종기원격검침및제어방범및화재경보시스템출입문관리 / 통제빌딩환경컨트롤 / 모니터링컴퓨터및전자기기의데이터전송 Ordering Information Model Frequency Band Type Antenna Speed WGM- 447 X A 9 419MHz(China) 424MHz(Korea) 429MHz(Japan) 433MHz(Europe) 447MHz(Korea) T: Transmitter R: Receiver X: Transceiver A: PCB Antenna S: SMA Connector 1 : 1200 bps 2 : 2400 bps 4 : 4800 bps 9 : 9600 bps - 2 -
2. 송수신기블록및핀설명 WGM 모델송수신기의주요특징은 1)Scrambler& Descrambler 기능, 2)GMSK Modem 기능, 3) 자동모드전환기능, 4) Digital Data Slicer 기능, 5) NRZI 변환기등을내장하고있다. Scrambler 기능을내장하고있어 Bit coding( 맨체스터방식등 ) 이나 Byte Coding 방식이필요가없이, UART 의데이터를직접연결하여사용할수있다. 그리고국내미약전파로사용할수있는주파수대역 (424MHz 와 447MHz) 의사용은점유주파수가 8.5KHz 이하로제한이있어일반적인 FSK 모뎀의경우전송속도가 1200bps 를많이사용하고있다. GMSK 모뎀의경우는 FSK 모뎀보다는점유대역을좁게설계할수있어전송속도를최대 9600bps 를구현하였고, 데이터의송신시자동모드전환기능이있어별다른 H/W I/F 없이 UART 와 I/F 가가능하다. 데이터의수신회로중에서무엇보다중요한회로가 Data Slicer 회로이다. 일반적으로비용절감차원에서 Data Slicer 는 AF 신호의자체바이어스와비교기를사용해서데이터를출력을하는방식을많이사용하고있다. 그러나 WGM 모델의송수신기는 DPLL 클럭과정확한기준전압 (2.4V) 을사용해수신데이터의한비트의중앙에서 3 번샘플링해서 2 번이상검출된값을 DPLL 클럭에동기시켜서데이터를출력을하는방식을사용하고있어 AF 신호의노이즈나페이지에러등을보정해서데이터의수신율을높여주고, 데이터의출력이정확히송수신속도에맞춰서출력이되는장점을가지고있다. 데이터의수신시 Descrambler 가안정화된후정확한출력이됨으로송신기에서최소 3bytes 의 Preamble 데이터를송신후사용자데이터를보내주어야한다. 안정적인동작을위해서는 Preamble 데이터 0xFF 를 7bytes 를보내주는것이좋다. (GMSKtest.exe 프로그램설명참조 ) ANTENNA Mode Controller SCK/SDEN/SDATA RxD Bit Sampler Scrambler 1 + X^12 + X^17 NRZI Decoder GMSK Modulator HPF & 3nD LPF TxAudio DPLL & BRG (X64) DPLL Clk 2.4V Ref TH7122 (Transceiver) TxD Descrambler NRZI 1 + X^12 + X^17 Encoder DPLL DPLL Clk & BRG (X64) Digital Data Slicer AF HPF & 3nd LPF RxAudio LD Figure 1. 송수신기블록도 주의 ) PCB 안테나버전의사용시에는전파차폐가잘되는금속케이스사용을피하고, 플라스틱계열의케이스를사용하는것이좋다. - 3 -
송수신기 (SMA 컨넥터버전 ) 송수신기 (PCB 안테나버전 ) Figure 2. WGM-447Xxx Dimension Pin No Name I/O Description 필수 연결 선택 1 VCC Power Power Input (DC 5±0.5V) O 2 GND Ground Ground O 3 PWMout O GMSK 변조출력 O 4 breset I Reset(Active Low) O 5 Tst/LD I/O Test 입력 ( 제작시사용 )/LD O 6 GND Ground Ground O 7 TxD O Received Data O 8 RxD I Transmit Data O Table 1. 송수신기핀설명 % 선택연결핀의경우연결할필요는없으며동작의확인등을위해서사용할수있다. % - 4 -
3. Application I/F Example MCU 의내장된 UART 나 SCC(Serial Communication Controller) 등과같이송수신기를 연결하여사용하는경우에는데이터통신선과전원만을연결시켜주면된다. ANTENNA MCU/UART TxD RxD RxD WGM-447XA9 TxD (Transceiver) Figure 3.MCU/UART 송, 수신기 I/F Example PC 와송수신기의연결은 COM port 와 USB Serial Converter 를사용하여연결하는 2 가지 방법이있으며, USB Serial 변환기모듈중에는 Serial Data 와 USB 전원을사용할수 있도록된제품이있어 USB 전원을송수신기에제공해줄수있어서편리한점이있다. ( 주의 : 그림에서설명상 USB 와 COM port 를같이연결이되어있지만실제연결시는 COM Port 나 USB Port 중에서하나만연결시켜주어야한다.) ANTENNA PC (COM Port) TxD RxD RS-232 Driver/Receiver (MAX232) RxD WGM-447XA9 TxD (Transceiver) PC (USB Port) USB <---> Serial Figure 4. PC 송, 수신기 I/F Example - 5 -
4. Scrambler & Descrambler 기능 송신데이터의연속된 Low 나 High Serial 데이터가입력이되어도연속된 Low 나 high 데이터가생성이되지않도록 Scrambler 회로를내장하고있어, 부가적인 Manchester coding 회로나 S/W 적으로 Bit coding 이나 Byte coding 이필요가없어, UART Serial 데이터를직접연결시켜주면된다. 변환된데이터는수신시에 Descrambler 에서원래의데이터로복원되어출력된다. Figure 5. Scrambler Circuit(scrambling polynomial is 1 + X^12 + X^17) 5. NRZI 변환기 NRZI 변환기는 GMSK 모뎀과송수신기 I/F 시 Audio 신호의위상반전에따른위상의반전문제가생기는것을방지하기위해서내부에 NRZ 신호를 NRZI 로변화시켜주는기능과 NRZI 신호를 NRZ 로복원해주는기능을내장하고있어데이터반전이되지않는다. NRZI 는데이터의변화를 Low 로인식을하고데이터의변화가없는경우 High 로인식을한다. Figure 6. Data Encoding Methods - 6 -
6. 자동모드전환송수신기는데이터를송신하는송신모드 (TxMode) 와데이터를수신하는수신모드 (RxMode) 가있다. 모드의전환은송수신기의내부에서자동으로제어가되고있어사용자가별도의회로나프로그램에서제어해줄필요는없고, 모드는 TxAudio 파형으로확인을할수있다. TxAduio 가 2.4V 의 DC 로출력이될때는수신모드이고 Audio 가포함된경우는송신모드이다. RxD 라인의변화가있으면자동으로송신모드로전환하여 10mW 의출력으로데이터를전송을시작하게되고, 데이터입력라인 (RxD) 이 Idle 상태가 (High 나 Low 가 ) 16bit 이상연속해서입력이되면송수신기는데이터를수신하는수신모드로자동적으로전환된다. Packet 의전송중에송신모드에서수신모드로잘못전환이되지않도록전송할데이터의 Byte 와 Byte 사이에 Gap 이있으면안된다. 가능하면데이터전송을인터럽트방식을사용하는것이바람직하다. CH1: RxD RxMode TxMode RxMode CH2: TxAudio Figure 7. RxMode TxMode Change - 7 -
7. GMSK 변조파형 GMSK 변조는송신데이터 (RxD Pin) 를송신기에 FM 변조를위한 Audio 신호를생성시켜주는부분으로거의사인파와유사한신호를생성하여 FM 변조가됨으로협대역으로 FSK 모뎀보다고속의데이터를전송이가능하며, GMSK 모뎀이 FSK 모뎀보다노이즈에강하고데이터의전송률이높다. 아래의파형은 Preamble 데이터 0xFF 가 Scrambler 와 NRZI Eecoder 에의해서생성된데이터가전송 Audio 신호로변환되어출력된신호이다. CH1: RxD RxMode TxMode CH2: TxAudio Figure 8. GMSK Modulation Audio Signal - 8 -
8. WGM-447XC9 Transmit Spectrums CW Output Spectrum GMSK Modulation Spectrum(9600 bps) Occupied Bandwidth Figure 9. WGM-447XC Spectrums - 9 -
9. Digital Data Slicer 수신기에서무엇보다중요한회로가 Data Slicer 회로이다. 일반적으로비용절감차원에서 Data Slicer 는 AF 신호의자체바이어스와비교기를사용해서데이터를출력을하는방식을많이사용하고있으나, WGM 모델의 Digital Data Slicer 기능은 Bit Sampler 에서데이터의변화와 BRG(Baud Rate Generator) Clock(64X) 으로 DPLL Clock 을생성하고. 1bit 데이터는내부에서 SampleClk 에의해서 Sample1~3 신호를생성후샘플링된데이터에서 2번이상샘플링된데이터 DpllData 를생성하여 NRZI Encode 와 Descrambler 에서사용이되고, DPLL Clock(1X) 에동기된수신데이터가 TxD 로출력이된다. 그림에서 ACO 는기준전압 (2.4V) 와 AF 신호의비교기출력값이며, 실제데이터의출력은 1.5Bit 지연이되어 TxD Line 으로출력이된다. Digital Data Slicer 의장점은 AF 신호의 DC 바이어스와위상노이즈에따른문제를보정해데이터의수신율을향상시켜주며, 데이터의출력이송수신속도에정확히맞추어출력되는장점이있다. ACO 1 0 1 1 DpllClk SampleClk Sample1 Sample2 Sample3 DpllData Figure 10. Digital Data Slicer & DPLL Signals - 10 -
10. RSSI,AF & TxD Signal RSSI(Received Signal Strength Indicator) 는수신기의주파수수신강도를나타내며, AF 신호는수신된데이터의 Audio 신호로 Digital Data Slicer 의입력으로사용이된다. 아래의파형은수신기의 RSSI 신호, AF 신호와복조된데이터의파형이다. 그림의앞부분을살펴보면단순한비교기만을사용한회로와다르게 Digital Data Slicer 에서의복조데이터출력이전송속도에정확히맞추어출력됨을알수있다. CH1: RSSI CH2: AF Signal CH3: TxD Figure 11. RSSI,AF & TxD Signal CH1: TxAudio (Master) CH2: RSSI (Slave) CH3: AF Signal (Slave) Figure 12.RSSI,AF & TxAudio Signal - 11 -
11. PCB 안테나측정 안테나의성능은네트워크분석기를사용하여 S11 과 Smith Chart 를측정한결과로중심 주파수 447.9MHz 에서 S11 값이 -23.70dB 로측정이되었고, 임피던스는 43.93+1.215j 이 측정되었다. Figure 13. PCB Antenna 측정결과 - 12 -
12. WGM-447XC9 & WGM-447XA9 규격 항목 단위 규격 설명 사용전원 V 5±0.5 소비전류 ma Tx Mode: < 50 Rx Mode: < 35 중심주파수 MHz 447.9 점유주파수대폭 KHz < 8.5 주파수편차 ppm ±7 RF Impedance ohm 50 PCB Antenna 해당없음 Data Rate bps 9600 변복조방식 GMSK(FM) 통신지연 Bit < 2.5 RF 출력 dbm 10 Deviation KHz < ±2.5 모드전환 us RxMode TxMode : < 2.0 ms TxMode RxMode: < 1.7 수신방식 Super heterodyne 수신감도 dbm -107 BER 3/1000 Figure 14. WGM-447XC9 & WGM-447XA9 Spec - 13 -
13. Serial Communication Protocol (Example) 수신기의데이터의수신은 Descrambler 의 17bit 와 UART 의 Start Bit 을정확히인식하기전까지는부정확한데이터가출력이됨으로송신시사용자데이터앞에최소 30bit 이상의 Preamble 데이터를부가적으로전송을해주어야정확한데이터를수신을할수가있다. 그리고사용자데이터는 Packet 화하여전송해주는것이좋으며, 데이터의정합을확인하기위한 CRC-16 데이터를사용하는것이좋다. Preamble 0xFF 데이터를최소 3Bytes 수신기의안정적인동작을위해서는 User Packet DA SA FT INFO CRC-16 7Bytes 을사용하기를권장한다. Table 2. Packet Example DA: Destination Address SA: Source Address FT: Frame Type INFO: data CRC-16: 16bit CRC 데이터 13.1. 데이터 Packet 화방법 (RFC-1055) 일반적으로 UART 데이터는 Packet 의시작과끝을알수없다. RFC-1055(SLIP Protocol) 은이런데이터를 Packet 화하는방법을제시하고있다. RFC-1055 문서를간략하게설명을하면 Packet 의시작과끝은 16 진수 0xC0(FEND) 을사용하고 User data 의 0xC0 는 0xDB(FESC) 와 0xDC(TFEND) 로변환해서전송을하고, 0xDB(FESC) 는 0xDB(FESC) 와 0xDD(TFESC) 로변환해서전송을하고수신하는쪽에는반대의동작을수행하는것으로정의하고있다. SLIP 프로토콜의사용하면 Packet 의시작과끝을정확히알수있어 Packet 데이터처리가용이하다. 보다자세한것은 RFC-1055 문서와 GMSKTest 프로그램의 SLIP.C 와 SLIP.H 프로그램소스코드를참조하기를바란다. - 14 -
14. 송수신기 Test 송, 수신기의정상적인동작확인과테스트를위해서제공하는 GSMtest.exe 프로그램은 PC COM port 나 USB-Serial 변환기를송수신기와연결하여테스트해볼수있다. GMSKtest.exe 를실행시키면아래와같은윈도우가나타난다. Figure 15 GMSKtest 초기화면 우선화면의좌측하단의 Port Setting 명령버튼을마우스로클릭하여 Serial port 를설정하는 화면이나오면, 송수신기와연결된 COM Port, Baud Rate, Data Bits 등을선택후 Ok 버튼을 Click 하면 Port Information Window 에설정된상태가디스플레이된다. Figure 16. Serial Port Setting Window - 15 -
Figure 17.Preamble Byte 수선택 Group Box Port 설정을끝낸후메인화면의하단중앙의 Preamble Group Box 내의 - 명령버튼과 + 명령버튼을이용하여 Preamble Byte 개수를 3 ~ 10 Byte 로설정할수있으며, 안정적인 동작을위해서는 5 Byte 이상을사용하는것이좋다. 디폴트값은 7 Byte 로되어있다. Figure 18. GMSKtest.exe Window 메인화면의좌측하단의 Tx Test(Run/Stop) 명령버튼은토글형태로되어있어 (Run) 으로표시되어있는경우는테스트를멈춘상태이고, (Stop) 으로표시된상태는테스트를진행중인상태를나타낸다. 테스트가진행중인경우에무작위데이터를비주기적으로데이터를연속적으로보내는테스트를진행할수있어송신된 Packet 의개수와수신된 Packet 의개수를서로비교하여성능을확인할수있다. 송수신된개수는 Clear 명령버튼을 Click 하면 0 으로초기화된다. Send One Packet 명령버튼은마우스로클릭할때마다한개의데이터를전송한다. Data Transmitted 와 Data Received 윈도우에는송, 수신데이터의 16 진수값이화면에디스플레이된다. - 16 -