휴대장치를 위한 UHF 멀티프로토콜 RFID 베이스밴드 모뎀 프로세서 설계 및 구현

휴대장치를 위한 RFID 리더는 기존의 산업용처럼 많은 태그를 빠른 시간에 인식하는 것이 아니라 그림 1에서 보듯 원하는 태그를 밀집된 리더 환경에서도 리더 충돌을 해결하며 읽을 수 있도록 구현되어야 한다. 리더 충돌을 해결하기 위해 산업용 리더는 리더 사이의 간격을 이격시키거나 리더마다 다른 채널을 할당하고 있지만 모바일 환경에서는 이러한 방법을 사용할 수 없으며, 이에 대한 적절한 대안을 제시하지 못하고 있다. 또한 모바일 환경에서는 긴 작동시간을 위해 소비전력이 적어야 하고, 태그 충돌에 의한 채널 효율 저하를 효과적으로 방지해야 하며, 사용자의 요구에 부응하는 다양한 응용을 위해 어플리케이션과의 인터페이스가 유연해야 한다. 또한 다양한 스펙의 RF회로와 연동되어야하며, 시장 상황에 적응하여 새로운 프로토콜의 이식/검증이 빠르고 쉬워야 한다. 이를 위해 모뎀은 충분한 기본 기능을 제공하면서도 각 기능 블록을 선택적으로 사용할 수 있어야 하고, 인터페이스는 단일화해서 어플리케이션의 요구에 맞춰 원하는 RF 회로를 붙일 수 있도록 해야 한다. 우리가 설계한 베이스밴드 모뎀은 그림 2의 리더구조에서 보듯 응용프로그램으로부터의 명령을 받아 해석하고 모뎀 자신과 RF회로를 제어하여 필요한 작업을 수행한 후 작업 결과를 응용프로그램에게 알려준다. 다양한 프로토콜을 지원할 수 있도록 모뎀 내 하드웨어 모듈은 대부분의 프로토콜에서 공통적으로 사용할 수 있는 부분으로 이루어져 있으며 프로토콜에 따라 다른 부분, 예를 들어 비트인코딩/디코딩이나 태그 검출 알고리즘 등은 소프트웨어로 처리할 수 있도록 하였다. 베이스밴드 모뎀은 그림 2에서 보듯 RF 회로와 Handset의 응용프로그램을 제외하고 크게 2개의 블록으로 구성된다. 첫 번째로 베이스밴드 하드웨어 로직은 지역별 주파수 사용 규약을 지키기 위해서 전송 마스크를 위한 필터와 함께 여러 변조방식을 지원하기 위한 트랜스포머로 구성된 변조기, 그리고 태그가 어떤 방식으로 인코딩하여 전송하더라도 I/Q 신호로부터 원하는 비트 심벌을 찾을 수 있도록 구성된 복조기가 있으며 아날로그 신호를 베이스밴드에서 처리하기 위해 DAC와 ADC를 포함하였다. 특히 복조기의 경우 일반적인 수동형 태그의 경우 링크 주파수의 오차가 크므로 주파수 변화에 둔감하게 타이밍 복원을 해야 한다. 우리는 이러한 문제를 해결할 수 있는 Transition trigger방식의 복조기를 고안하여 적용하였다. Transition trigger 방식은 일반적인 상관 검출기에 의한 비트 추출 방법보다 잡음과 DC 오프셋에 강한 특성을 갖는다. 또한 베이스밴드 모뎀에는 RF회로를 제어하기 위한 SPI(Serial Peripheral Interface)가 하드웨어 로직으로 구현되어 있다. 두 번째의 소프트웨어 부분들은 ARM 프로세서 위에서 동작하며 4개의 계층으로 세분되는데 이러한 계층 구조는 단말기에서 RFID 리더의 기능을 사용하는 응용프로그램을 하드웨어 독립적으로 작성할 수 있게 해준다. 각 계층은 다음과 같다.