고성능 실시간 감지 애플리케이션이 확산되고 있다. 이에 따라 이들 신호를 전달하는 전송 라인에서는 대역폭 기능이 강조되고 있다. 오늘날 디지털화의 트렌드는 센서의 발전을 한층 가속하여 다기능 센서와 다양한 센서를 결합하는 센서 융합 기법이 확대되고 있으며, 이에 따라 대역폭 확대에 대한 요구 또한 점점 더 거세지고 있다. MOOG가 회전 플랫폼에서의 효과적인 데이터 전송 방법을 조언했다. 

대부분의 센서 애플리케이션에서 데이터는 신호 무결성을 유지하기 위해 충분한 대역폭에서 프로세서로 전송되어야 한다. 데이터 전송 속도는 경로의 가장 느린 요소에 의해 결정되기 때문에 경로의 각 요소에 대한 대역폭 특성을 파악해야 한다. 특히 센서가 회전해야 하는 경우, 회전하는 인터페이스를 통해 데이터가 전달되는 방법이 중요하다. 회전 인터페이스의 데이터 병목 현상을 피하기 위해서는 대역폭을 증가시켜야 하기 때문이다. 

회전 플랫폼의 데이터 전송 요소
고성능 센서가 회전 플랫폼에 배치되는 경우, 회전 인터페이스의 데이터 전송 경로가 센서 성능을 제한하지 않도록 주의해야 한다. 로터리 시스템의 데이터 전송을 위한 핵심 요소는 다음과 같다.

●슬립 링 : 회전 플랫폼의 동력과 데이터 시스템의 주춧돌로, 접점을 통하여 전기 신호와 전원을 전달한다. 하지만 대역폭의 제약이 존재한다.
●FORJ : 로터리 인터페이스를 통해 광 신호를 전송할 수 있다. 무제한 대역폭이지만 채널 수에 제약을 받으며, 중앙을 가로지르는 라인이 요구된다. 
●HSDL : 신호 조절 장치와 전기적 회전 인터페이스를 갖춘 능동형 데이터 전송 장치이다.
●멀티플렉서 : 하나의 전송 라인에 여러 채널을 결합하여 대역폭을 최대한 활용할 수 있도록 한다.
●미디어 컨버터 : 전기 신호를 광 신호로 또는 그 반대로 변환하는 장치이다.

데이터 전송을 위한 패시브 장치는 신호 처리없이 신호를 전송하며, 신호 감쇄 및 노이즈 특성과 같은 일반적인 전송라인의 특성을 사용하여 분석·지정될 수 있다. 회전 플랫폼에서 오고 가는 데이터를 고속으로 전송하기 위한 2개의 패시브 구성 요소는 슬립 링^{slip ring}과 FORJ^{Fiber Optic Rotary Joint}이다. 
액티브 회전 전송 장치는 신호 처리 장치를 사용하여 변환하여 전송하고, 이후 원래 형식으로 다시 변환시킨다. 액티브 방식은 HSDL^{High Speed Data Link} 기술로도 불린다.

전송 매체의 선택
데이터 경로 결정에서 가장 중요한 요소 중 하나는 구리/광섬유와 같은 전송라인의 재질 결정이다. 중요한 점은 이 선택이 회전 인터페이스만이 아닌 전체 시스템 성능을 최적화하는 관점에서 이뤄져야 한다는 것이다. 

예를 들어 EMC 절연, 대역폭 특성 또는 중량 절감 등에 초점을 맞췄다면, 광섬유가 합리적인 선택이다. 하지만 이와 달리 광섬유가 고속 전송에 더 유리하다는 인식에 따라 무턱대고 광섬유를 선택한다면, 시스템 옵션 제한 등의 문제를 만나게 될 것이다. 일반적 인식과 달리 구리선의 경우에도, 데이터 전송을 위한 고급 기술이 개발되어 대역폭을 지속적으로 확장시키고 있으며, 이에 많은 고속 데이터 애플리케이션에서 유용한 전송 매체로 활용되고 있다. 

슬립 링 : 데이터 경로 결정 프로세스에서 또다른 핵심은 고속 데이터 전송에 있어 패시브 슬립 링의 기능을 이해하는 것이다. 슬립 링은 슬라이딩 전기 접점을 사용하여 회전 인터페이스에서 신호와 전력을 전달하는 데 사용되어 온 전통적인 장치이다. 대역폭 증대 요구에 부응하여 최근 수 년간 슬립 링의 대역폭은 크게 증가하여 최대 1.5Gbps의 데이터를 전송할 수 있게 됐다. 하지만 시스템 설계에 있어 슬립 링을 활용할 경우, 노이즈를 우려하지 않을 수 없다. 슬립 링은 접점 자체에서 발생하는 노이즈(브러시 노이즈, 브러시 바운스 등)를 갖고 있기 때문이다.

이에 대한 연구 결과는 “신뢰성에 영향을 미칠 정도가 아니다”이다. 적절히 설계된 슬립 링의 접촉 노이즈는 디지털 전송 시스템의 잡음 플로어보다 매우 작다. 따라서 데이터 속도와 상관없이 전송 신뢰성에 어떤 영향도 미치지 못한다. 
슬립 링의 대역폭은 접점이 아니라 인터페이스 회로의 구성에 더 영향을 받는다. 예를 들어 광대역 플래터 설계 기법을 사용하면, 링의 대역폭 성능이 개선된다. 

FORJ^{Fiber Optic Rotary Joint} : FORJ는 슬립 링과 같은 대역폭 제한은 없다. 하지만 통합될 수있는 광섬유 경로의 수에 몇 가지 제한을 지닌다. FORJ에서 중요한 성능 지수는 삽입 손실로, 광섬유 전송 라인에 삽입된 구성 요소가 신호 감쇄를 발생시키게 된다. 따라서 시스템 설계자는 감지기에서 수신된 광학 신호가 신뢰할 수 있는 신호를 생성하기에 충분한 전력을 갖도록 하기 위해 모든 손실을 고려해야 한다. 

광섬유 전송 라인의 장점은 FORJ에 그대로 적용된다. 다시 말해 거의 무제한의 대역폭을 지니며, 전자파 방해로부터 자유로운 이점을 갖는 것이다.
하지만 시스템에서 FORJ를 사용할 때 아래와 같은 두 가지 핵심 쟁점을 고려해야 한다.

§ 모든 실질적인 목적을 위해 쓰루-보어through-bore를 지닌 수동형 FORJ는 존재하지 않는다.
§ 두 개 이상의 광섬유 채널 사용에 따라 FORJ의 복잡성(크기, 무게 및 비용)은 매우 증가하게 된다.

다중 채널 FORJ의 문제는 시스템 아키텍처를 고려할 때 특히 중요하다. 예컨대 FORJ를 사용한다면, 와이어 추가가 간단하고 추가 비용도 높지 않아 더 많은 채널이 필요할 때 유용한 구리선의 유용성이 떨어지게 된다. 좌측의 그림은 FORJ의 비용과 크기가 1~2 채널, 2~3 채널, 19~20 채널의 세 지점에서 급격히 증가 함을 보여주는 것으로, 이러한 점프는 로터리 인터페이스의 광섬유 사용을 하나 또는 두 개로 제한해야 하는 이유가 된다.

FORJ에서 채널 수를 줄이는 가장 효과적인 방법은 가능한 경우 광섬유에서 구리로 변환한 다음 다시 매체 변환이 필요한 경우에도 가능한 한 액티브 고속 슬립 링 채널을 사용하는 것이다.

회전 플랫폼에서 광섬유 채널을 사용할 때 고려해야 할 가장 중요한 사항은 로터리 조인트가 시스템 아키텍처 결정의 중요한 부분이 되어야 한다는 것이다. 광섬유 회선 수를 제한하는 이점은 일반적으로 로터리 인터페이스를 고려할 때만 완전히 이해될 수 있다. 모든 회로 최적화 연구에서는 다중 채널 FORJ(3개 이상의 채널)이 최선의 선택으로 제시된다. 파이버 채널은 포맷에 구애받지 않으며, 다중 채널 FORJ는 회전 인터페이스에서 많은 수의 채널과 데이터 양을 전송할 수 있는 공간 효율적인 방법이다.

HSDL^{High Speed Data Link} : HSDL 장치는 패시브 구리선와 패시브 광섬유 로터리 조인트 사이의 대역폭 갭을 연결하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. HSDL 기술은 특히 다음과 같은 경우에 유용하다.

§  패시브 FORJ의 옵션을 제거한 고속 데이터를 위해 스루-보어가 요구된다.
§  대역폭이 패시브 슬립 링의 한계를 초과하며, 구리 입출력이 필요하다.
§  광섬유 라인 수가 2개 이상이다.

미디어 컨버터^{Media Converter} : 미디어 컨버터는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 장치로, 회전 인터페이스에서 디지털 데이터 전송에 사용할 수있는 옵션을 최대화하기 위해 센서 데이터를 회전시키는 경우에 특히 유용하다. 미디어 컨버터의 대표적인 예는 작은 회전 센서 헤드 내에서 전기적으로 처리되지만 센서 헤드 출력에서 긴 전송선 거리를 수용하기 위해 광섬유로 변환되는 데이터이다. 또한 소형 미디어 컨버터를 사용하면, 한 시스템 내에서 다른 전송 매체를 활용할 수 있다. 

멀티플렉서^Multiplexer : 회전 시스템의 데이터 전송 아키텍처 설계에 있어 멀티플렉서도 중요하다. 광 시스템이 좋은 예로, 멀티플렉싱은 하나의 광섬유에 다수의 광 채널을 결합하여 높은 대역폭 기능을 활용할 수 있게 한다.

멀티플렉서 기술은 크게 시간과 파장의 분할로 나눠진다.
먼저 시분할 멀티플렉싱^{TDM : Time Division Multiplexing}은 별개의 신호를 각각 샘플링한 후 출력되는 고속 데이터 스트림에서 각 신호의 개별 샘플링된 부분에 시간 슬롯을 할당하여 수행된다. 이 단일 고속 신호는 적절한 고속 전송 회선을 따라 전송된 다음 디멀티플렉서에 의해 수신단에서 재구성되거나 개별 신호로 분리된다. 일반적으로 출력은 광 신호이지만 본질적으로 TDM은 전자 프로세스이며, 일반적으로 SERDES 컨버터 또는 FPGA^{Field-Programmable Gate Arrays}를 사용하여 수행된다.

웨이브 분할 멀티플렉서는 개별 데이터 채널에 대해 서로 다른 파장의 광을 사용하고 전송을 위해 이러한 여러 파장을 단일 파이버에 결합하는 방식으로, DWDM^{Dense Wave Division Multiplexing}의 경우에는 파장을 수 나노미터로, CWDM^{Course Wave Division Multiplexing}은 파장을 20nm로 넓게 분리한다. 이 중 센서 시스템에서는 온도 제약이 적은 CWDM이 주로 활용된다. 

최적의 멀티플렉싱 방식은 TDM, WDM 기술을 함께 사용하여 광섬유의 대역폭 성능을 최대한 활용하는 것이다. 예를 들어 TDM 멀티플렉싱을 많은 수의 데이터 채널을 결합하는 데 사용하고, 이에 따라 생성된 고속 채널은 다른 고속 채널과 WDM 멀티플렉싱을 활용할 수 있다. 광섬유를 최상으로 활용하는 핵심은 전체 대역폭을 사용하는 것이며, 멀티플렉싱은 이러한 목표를 달성하는 방법이다.

멀티플렉싱과 광섬유 솔루션의 이점 중 하나는 미래지향적인 센서 시스템을 사용할 수 있게 하는 역량이다. 회전 인터페이스를 통해 하나 또는 두 개의 광섬유를 배치하면 무한한 용량의 데이터 파이프 라인이 제공되며, 로터리 조인트 설계에 영향을 주지 않으면서 전자 장치의 간단한 변경만으로 업그레이드도 손쉽게 수행할 수 있다.

시스템 솔루션
고성능 센서가 활용됨에 따라 센서 데이터 전송은 시스템 설계자에게 까다로운 과제가 되고 있다. 이때 중요한 점은 최적의 결정은 개별 구성 요소뿐만 아니라 전반적인 시스템 요구 사항을 바탕으로 이뤄져야 한다는 것이다.

지금까지 살펴본 멀티플렉서, 미디어 컨버터 등에 대한 이해는 로터리 인터페이스 문제를 해결할 때 패시브 로터리 조인트에 의존하는 것보다 훨씬 더 많은 선택 옵션을 갖게 만든다.

오현식 기자 다른기사 보기