오늘날 시장의 치열한 경쟁 속에서는 시장의 요구에 재빠르게 대응하는 것이 매우 중요한 차별화 요인이다. 시스템 업체는 이러한 요구에 부응하기 위해 공동으로 설계의 기반을 마련하여 간편하게 적응시킬 수 있는 유연한 플랫폼을 개발하고 있다. 이로써 대대적인 부품목록을 갖추지 않아도 납품 시간과 부품목록을 최적화하는 단기적인 기회를 포착할 수 있다.
글│Matthias Feulner, 텍사스 인스트루먼트
새로운 무선 기지국, 구체적으로 말해서 트랜스미터 아키텍처의 주된 요인은 비용이다. 하지만 이와 동시에 다양한 에어 인터페이스 및 주파수 대역을 충족할 수 있도록 간편하게 적용시킬 수 있는 유연한 플랫폼을 구축하고자 하는 요구와 더 높은 용량(더 높은 신호 대역폭 및 캐리어 밀도) 및 향상된 성능(스마트 안테나 시스템)에 대한 요구 또한 매우 중요한 요인이다.
비용 효율
비용은 트랜스미터(Tx) 구현에서 가장 중요한 기준이다. 비용은 부품 비용만을 최소화하는 것이 아니라 능동 신호 체인 소자, 수동 소자, 필터, LO 생성을 위한 신시사이저(Synthesizer)는 물론 보드 공간, 그 보다 더 중요한 전력 소비까지 고려한 전반적인 솔루션 비용을 최소화해야 한다.
효과적으로 비용을 낮추려면 이러한 모든 측면을 고려해야 한다. 대표적인 예가 2개의 중간 주파수(IF) 스테이지를 이용한 검증된 헤테로다인(Heterodyne) Tx 아키텍처(그림 1)를 제로 IF 변환이라고 하는 직접 상향 변환으로 전환하는 것이다. 이 기법은 쿼드러처 모듈레이터가 같은 위상을 취하고, 쿼드러처 위상 신호 부품이 이들을 직접 RF 반송파로 변조하는 것이다.(그림 2)
확장된 주파수 커버리지
점차 더 짧은 간격으로 새로운 에어 인터페이스 표준과 주파수 대역이 도입됨에 따라, 현재 여러 무선 표준들이 동시에 이용되고 있다(그림 3). 이에 따라, 기존 주파수 대역에서 벗어나서 더 높은 주파수(BTS Tx를 위한 2.62~2.69MHz 대역의 UMTS Long Term Evolution과 2.3~2.7GHz 및 3.3~3.8GHz 대역의 WiMAX)뿐만 아니라 더 낮은 주파수(GSM와 UMTS 모두 450MHz 대역이 인기가 높아지고 있음)로 확장해서 지원할 수 있는 능력이 반드시 필요하게 되었다.
유연한 플랫폼과 주파수 민첩성
오늘날 시장의 치열한 경쟁 속에서는 시장의 요구에 재빠르게 대응하는 것이 매우 중요한 차별화 요인이다. 시스템 업체는 이러한 요구에 부응하기 위해 공동으로 설계의 기반을 마련하여 간편하게 적응시킬 수 있는 유연한 플랫폼을 개발하고 있다. 이로써 대대적인 부품목록을 갖추지 않아도 납품 시간과 부품목록을 최적화하는 단기적인 기회를 포착할 수 있다.
더 높은 대역폭 요구
대역폭 요구는 주로 서비스에 가입하는 사용자의 증가, WCDMA 네트워크의 초기 커버리지 설치에서 대량 구축으로의 전환, HSDPA나 WiMAX 같은 고용량 데이터 서비스의 등장에 의해 증가하고 있다. 이에 따라 20MHz 및 그 이상에 달하는 신호 대역폭이 갈수록 일반화되고 있다.
이와 함께 첨단 디지털 전치 왜곡(DPD)을 이용해 전력 증폭기와 전반적인 시스템 효율을 향상시키려는 요구 덕분에 무선 트랜스미터의 대역폭 요구는 더욱 늘어나고 있다. 이는 효율적인 DPD 알고리즘을 구현하기 위해서는 전력 증폭기 비선형 동작이 생성하는 3차, 4차 고조파를 검출해야 하기 때문이다(그림 4). 그러므로 첨단 트랜스미터 아키텍처는 최대 100MHz, 소위 말하는 확장 대역폭을 지원해야 한다.
채널 밀도와 스마트 안테나 시스템
표준 구성에서 무선 기지국은 일반적으로 3개의 섹터를 지원하며, 각각의 섹터는 각 트랜시버 카드로 지원된다. 더 소형화된 기계적 폼팩터가 등장하고 MIMO(Multi-ple Input/Multiple Output) 안테나 구성(그림 5)이 시스템 성능을 향상 시킬 것으로 기대되면서, 동일한 공간에 더 많은 트랜시버가 통합되고 있다.
이에 따라, 부품의 소형화(예를 들어 칩을 QFN이나 BGA 같은 더 소형의 패키지에 집어넣는 것)는 물론이고, 신호 경로를 통합(하나의 신호 체인을 따라 수직의 다중 채널 부품 및 수평의 다수 기능을 단일 부품으로 통합)하고 더 컴팩트한 아키텍처를 이용하려는 노력이 이루어지고 있다.
요구에 부합하는 첨단 아키텍처
아래의 솔루션은 상기의 요구를 충족하고 있다. 이것은 제로 IF 직접 상향 변환 트랜스미터로, 최소의 부품 수를 필요로 하기 때문에, 초소형의 크기를 제공하고 전반적인 시스템 비용도 최소화하며, 전력 소비도 두드러지게 감소시킨다. 이 솔루션은 다음과 같은 주요 부품들을 채택하고 있다.(그림 6)
디지털 기능을 이용한 듀얼 보간(DAC5687)
광대역 I/Q 쿼드러처 모듈레이터(TRF3703)
통합적 VCO/PLL RF 신시사이저(TRF3761)
샘플링 클록 신시사이저(CDCM7005)
각각의 부품은 최적의 솔루션을 제공하도록 설계되어, 수퍼 헤테로다인 아키텍처에 비해 공간, 전력 소비, 비용을 현저히 줄일 수 있도록 한다.
직접 변환 모듈레이터
직접 변환 아키텍처에서는 모듈레이터의 출력 주파수 범위가 곧바로 지원할 수 있는 신호 대역을 결정한다. 때문에 넓은 RF 주파수 범위가 필수적이다. TRF3703은 400MHz에서 4GHz로 동작하며, 기본적으로 GSM450, GSM900, DCS1800/ PCS1900, UMTS 대역 I - VII(BTS Tx용 869MHz~2690MHz), 2.3~2.7GHz 및 3.3~3.8GHz에 달하는 WiMAX 대역을 포함한 모든 무선 주파수 대역을 커버한다.
DAC에 대한 글루리스(Glue-Less) 수동 인터페이스: 부품 수를 최소화하려는 목표를 달성하고, 성능을 저하시키는 버퍼 증폭기의 사용을 피하려면, I/Q 모듈레이터의 공통 모드 입력 전압 범위가 DAC의 공통 모드 출력 범위와 일치해야 한다. 이 인터페이스는 DAC5687과 TRF3703의 인터페이스에서 이루어지기 때문에, 두 제품을 결합하기 위해서 단순한 수동 네트워크만으로 충분하다.
광대역 동작 및 선형성, 반송파, 사이드밴드 억제: 광대역 신호를 이용할 뿐만 아니라 넓은 신호 대역에 걸쳐 동작하는 시스템은 전체 동작 주파수 범위에 걸쳐, 모듈레이터의 반송파와 사이드밴드 억제(그림 7, TRF3703 표시)뿐만 아니라 선형성(3차 출력 인터셉트 포인트 OIP3) 등의 주요한 성능 파라미터가 일정한 수준을 유지해야 한다.
통합된 디지털 기능의 유연한 보간형 DAC
이 아키텍처에 이용된 디지털-아날로그 컨버터(DAC)는 듀얼 채널 디바이스로 상향 샘플링을 위한 보간(Interpolation) 필터, 보간을 이용할 때 입력 클록으로부터 출력 샘플링 클록을 도출하기 위한 클록 배율기(Multiplier) PLL, 디지털 IF 주파수를 발생시키는 수치 제어형 오실레이터(NCO) 및 디지털 믹서, I/Q 입력 채널로부터 변조 출력을 생성하기 위한 디지털 쿼드러처 모듈레이터, 외부 아날로그 쿼드러처 모듈레이터의 I/Q 불일치 교정을 위해 I/Q 채널의 이득, 위상, 오프셋에 필요한 교정 기능 등 모든 유형의 디지털 기능을 즉시 통합할 수 있으므로, 쉽게 시스템을 설계하고 통합적으로 구현할 수 있도록 한다. 그림 8은 주요 기능의 블록도와 그 구성을 보여준다.
DAC-모듈레이터 IF 개념: DAC 출력 인터페이스를 선택할 때는 다음과 같은 3가지 구성이 가능하다.
- 외부 아날로그 I/Q 모듈레이터에 대한 베이스밴드 DAC 출력
- 통합적 NCO와 믹서를 이용해 디지털 IF 생성하는 사실적인 IF 출력
- 외부 아날로그 I/Q 모듈레이터에 대한 복합적인 IF 출력
복합적인 IF 구성은 DAC의 디지털 성능을 최대한 활용한다. DAC를 복합 IF 모드로 작동하는 것은 LO 억제를 현저하게 향상시킨다. 모듈레이터의 LO 주파수가 신호 대역으로부터 멀리 이동되기 때문이다. 뿐만 아니라 아날로그 I/Q 모듈레이터와 더불어서 단일 사이드밴드 상향 변환이 이루어져서 예기치 않은 사이드밴드의 억제를 향상시킨다.
I/Q 입력 채널에 대해서 복합 믹싱을 실시함으로써, 2개 DAC 출력에서 2개의 Hilbert 변환 쌍이 생성되고 이들 쌍이 모듈레이터로 전달되어 사이드밴드의 하나가 현저하게 억제된다.(그림 9, 상단 사이드밴드 상향 변환) 이로써, 필터링과 조정에 대한 요구(특히, 아날로그 I/Q 모듈레이터)를 감소시키고, 이에 따른 제조 공정을 단순화시키고, 관련된 비용 또한 절감한다.
뿐만 아니라 다양한 송신 DAC를 동기화하는 기능을 통합함으로써, 성능을 향상시키고자 빔 형성에 다중 트랜스미터를 이용한다. 개별 Tx 체인 사이에 위상 관계를 엄격하게 유지해야 하는 새롭게 등장한 스마트 안테나나 MIMO 아키텍처에 유용할 것으로 보인다.
프로그래머블 통합형 LO 신시사이저
주파수 민첩성에 직접적으로 영향을 미치는 또 다른 빌딩 블록이 LO 신시사이저다. 이 신시사이저는 최소한 한 동작 대역 내 전체 주파수 범위를 지원해야 하며, 다른 대역으로 변경할 수도 있어야 한다. 여기서 설명하는 통합형 VCO/PLL 신시사이저 기법이 이러한 요구를 충족하고 동시에 필요한 시스템 비용 및 보드 공간을 대폭 절감한다. 또한, 위상 잡음과 스퓨리어스(Spurious) 신호에 대한 까다로운 요구를 만족시킨다.(그림 10)
적용
신시사이저 변종을 줄이고 다양한 주파수 버전의 트랜시버 보드를 다루어야 하는 것과 관련된 물류를 간소화하기 위해서는 예를 들어, 신시사이저가 BTS Tx일 때, 2110MHz ~2170MHz에 이르는 UMTS 대역 I과 같이 최소한 자신의 동작 주파수 대역의 전 범위를 지원해야 한다.
뿐만 아니라 다른 주파수 범위의 다른 핀 호환 버전 디바이스로 교체함으로써, 간편하게 다른 주파수 대역으로 변경할 수 있다. 위의 도표에서 총 6개의 신시사이저(그림 11)가 1500MHz~2404MHz에 달하는 주파수 범위를 커버하며, /2 및 /4 출력 디바이더 모드를 이용하면 이 범위는 375MHz ~2404MHz에 달한다.
성능
지금까지 이 혁신적 구현이 시스템 비용, 공간, 전력을 눈에 띄게 절감하는 방법을 살펴보았다. 이제 이 구현이 어떤 성능을 제공하는지 살펴보자. 여러 애플리케이션 중, DAC가 모듈레이터에 대해 122.8MHz의 복합 IF 출력으로 동작하는 3반송파 WCDMA 신호의 테스트 사례를 살펴볼 것이다.
그림 12에서 ACPR(인접 채널 전력비, 트랜스미터 성능을 나타내는 주요 지수)은 5MHz 오프셋일 때 66dBc 이상이고, 10MHz 오프셋일 때 63dBc 이상이라는 것을 알 수 있다. 따라서, 이 유연하고 고도로 통합된 직접 상향 변환 트랜스미터 아키텍처는 본래 가진 이점과 더불어 기지국 인프라에 필요한 성능을 제공한다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 04월호>