FM 튜너 아키텍처의 진화 FM 튜너 아키텍처의 진화
정용한 2008-02-01 11:23:05

FM 튜너 아키텍처의 진화

이 글에서는 FM 시스템의 일반적인 아키텍처를 이해하기 위해 전통적인 FM 트랜스미터와 FM 수신기 아키텍처를 살펴볼 것이다. 또한 FM 수신기를 위해 새로운 디지털 로우 IF 아키텍처를 주도하는 FM 튜너의 여러 발전 모습에 중점을 둘 것이다. 이 아키텍처가 단지 하나의 외부 바이패스 커패시터를 이용해 FM 튜너의 고성능과 고집적을 어떻게 실현하는지에 대해서도 다룰 것이다.

                                      글│Lawrence Der, Ph.D, 실리콘 래버러토리스

지난 10년 동안 무선 주파수(RF) 통신 회로 설계 분야는 상당한 발전을 이룩했다. 이러한 기술 진보는 낮은 집적도, 높은 전력소비, 열악한 공정 기술로 인해 불가능하다고 여겨졌었던 새로운 RF 아키텍처에서 출발한다. 또한, 고성능의 밀도가 높은 서브마이크론 CMOS 기술의 상용화는 디지털 기법을 구현시킴으로써 RF 통신 회로를 설계하는 기법을 급격히 변화시켰다.
설계자는 이러한 기법들을 GPS, WLAN, 셀룰러 폰 표준과 같은 수많은 무선 통신 표준에 적용해, 전반적인 시스템 성능과 신뢰성을 향상시키는 강력하고 고도로 집적된 칩셋 솔루션을 구현시켰다. 디지털 베이스밴드와 외부 부품 및 RF 회로의 통합을 통해 이룩한 장점들은 BOM(Bill-Of-Material)을 감소시키고, 필수 보드 공간을 감소시킬 뿐만 아니라, 애플리케이션의 보드 레벨 설계를 단순화시켜 제조력을 향상시킨다.
제조력의 향상은 칩에서 시스템의 완벽한 통합이 구현되는 것에서 출발한다. 이것은 테스트를 필요로 하는 외부 부품 수를 감소시킨다. 고집적에 관련된 사례는 수많은 현대식 통신 애플리케이션에 쉽게 볼 수 있으나, 최근까지도 주파수 변조(FM: Frequency Modulation) 라디오 방송 표준은 이 같은 기술 향상이 결여되어 왔다.
오늘날의 디지털 시대에서조차도, 수많은 휴대형 FM 라디오는 15개 이상의 외부 부품을 여전히 포함하고 있다. 라디오 제조업체들은 자신들의 설계를 고비용의 집적도가 낮은 바이폴라 혹은 Bi-CMOS 공정으로 설계된 구식의 아날로그 기술에 기반을 두고 있다.
FM 튜너와 관련된 제품 시장이 지속적으로 성장하고 있음에도 불구하고, FM 튜너 라디오 아키텍처는 실제적으로 변화되지 않고 있다. 최근 출시된 고도로 집적된 100% CMOS 디지털 로우 IF 아키텍처는 10년 만에 FM 튜너 라디오 아키텍처에 대한 최초의 획기적인 진화를 보여준다. 기존에 설계자들은 FM 튜너를 위해 여러 개의 RF 아키텍처를 사용해 왔다.
각각의 아키텍처들은 나름대로 장점과 단점을 제공한다. 이 글에서는 FM 시스템의 일반적인 아키텍처를 이해하기 위해 전통적인 FM 트랜스미터와 FM 수신기 아키텍처를 살펴볼 것이다. 또한 FM 수신기를 위해 새로운 디지털 로우 IF 아키텍처를 주도하는 FM 튜너의 여러 발전 모습에 중점을 둘 것이다. 이 아키텍처가 단지 하나의 외부 바이패스 커패시터를 이용해 FM 튜너의 고성능과 고집적을 어떻게 실현하는지에 대해서도 다룰 것이다.
그림 1은 전통적인 FM 트랜스미터와 수신기를 보여준다. FM 트랜스미터는 먼저 프리앰퍼시스(Pre-Emphasis) 필터를 통해 좌우 오디오 신호를 통과한다. 그 다음 트랜스미터는 RDS(Radio Data Systems) 데이터와 신호를 결합해 MPX (Multiplex) 메시지 신호 m(t)를 생성한다. 그 다음, 트랜스미터는 메시지 신호의 주파수를 변조하여 이것을 RF 트랜스미터로 통과시킨다.


여기서, 이것은 출력 xFM(t)을 생성하는 무선 주파수로 업컨버터 된다. 설계자는 FM 변조기와 RF 트랜스미터 기능을 구현할 수 있는 VCO(Voltage-Controlled Oscillator)를 사용할 수 있다. 개념적으로, FM 변조의 직접적인 방법은 원활하게 동작할 것이다. 그러나, 실질적인 문제에서, 설계자는 PLL(Phase-Locked Loop)를 일반적으로 사용해 주파수 드리프트 및 안테나를 구동시키기 위한 전력 증폭기에서 캐리어 주파수를 안정화시킨다.
FM 수신기는 RF 신호 xFM(t)를 베이스밴드로 다운 컨버터 시키기 위해 RF 수신기를 사용한다. 이상적으로, FM 디모듈레이터는 변조 과정을 거꾸로 함으로써 원래 메시지를 재생시킨다. 수신기는 그 다음 메시지 신호 m(t)를 MPX 디코더에 적용시켜 오디오 신호 및 RDS 데이터를 분리시킨다. 수신기는 디앰퍼시스(De-Emphasis) 블록을 통해 좌, 우 오디오 신호를 통과시켜 프리앰퍼시스 필터로 발생되는 리니어 왜곡을 보정한다. 프리앰퍼시스 및 디앰퍼시스 필터의 캐시케이드(Cascade) 동작은 좌, 우 신호에 영향을 미치지 않는다. 그러나 이것은 고주파수 잡음과 간섭을 실질적으로 완화시킬 수 있으며, 이론적으로 약 13dB의 신호대잡음비(SNR) 향상을 제공한다.
FM 튜너의 성능을 결정하는 것은 주로 RF 수신기와 FM 디모듈레이터 블록이다. 가장 기본적인 FM 디모듈레이터 아키텍처는 시간 영역의 미분기(Differ-entiator)와 엔벨로프(Envelop) 검출기로 구성된 주파수 판별기(Frequency Discriminator)이다. 이런 유형의 디모듈레이터를 이용하면, 미분기는 정보가 위상에 함축되어 있는 FM 신호를 정보가 진폭에 함축된 AM 신호로 전환시킨다.
그러나, FM 캐리어의 진폭 변화는 주파수 판별기의 디모듈레이트된 출력을 붕괴시킬 수 있다. 따라서, 진폭 리미터는 주파수 판별기보다 일반적으로 우선하여, 캐리어의 진폭 변화를 제거시킨다. FM 주파수 판별기의 공통적인 다른 유형들은 Foster-Seeley 판별기 및 무선 검출기이다. 대부분의 초창기 제조업체들은 트랜스포머, 트랜지스터, 다이오드, 레지스터, 커패시터와 같은 디스크리트 부품을 사용해 주파수 판별기를 갖춘 FM 디모듈레이터를 설계했다.
보급화된 현대식의 FM 디모듈레이터 토폴로지는 PLL이다. 그림 2는 PLL와 리니어 모델의 일반적인 블록 다이어그램을 보여준다. PD는 위상 검출기(Phase Detector)이며, KPD는 위상 검출기 이득이다. HLF(s)은 루프 필터 전송 함수이며, KVCO/s는 VCO 전송 함수이다. PLL은 네거티브 피드백 시스템으로 입력 신호 xFM(t)에 대해 피드백 신호 xVCO(t)의 위상을 잠근다. FM 신호 xFM(t)는 다음 등식에 의해 제공된다.

Ac는 캐리어의 진폭이며, fc는 캐리어 주파수이고, KVCO는 주파수 변환 상수에 대한 전압이며, m(t)는 정보 또는 메시지 신호이다. 루프가 잠겨 있을 때, 위상 오류 фe는 일정하다. 피드백 신호 xVCO(t)는 다음 등식으로 나타난다.



фe = фFM - фVCO가 루프가 잠겨있을 때 일정하기 때문에, VCO에 대한 제어 전압은 m(t)와 동일할 것이다. 직관적으로, PLL의 네거티브 피드백 동작은 VCO 주파수를 입력 신호 주파수와 동일하게 할 것이다. 이것은 VCO의 제어 전압을 조절함으로써 실현된다. 따라서 위상 오류는 일정하게 남는다. xFM(t)에서 메시지 신호를 제거하게 되면, VCO 주파수는 자동 추적되어 캐리어 중앙 주파수 fc에서 발진하게 될 것이다.
m(t)가 존재할 때, xFM(t)는 중앙 주파수에서 벗어나게 될 것이다. 루프가 잠겨있을 경우, PLL은 xFM(t)의 주파수 이탈을 추적하기 위해 VCO의 제어 전압을 변화시킬 것이다. VCO의 출력 주파수는 VCO 제어 전압(Δfout = KVCOΔVCONTROL)에 곧바로 비례하며 xFM(t)의 주파수 이탈은 메시지 신호(Δf = KVCOm(t))에 비례하기 때문에, VCO 제어 전압은 메시지 신호 m(t)와 동일하게 될 것이다.
엔지니어는 FM 디모듈레이터로써 PLL을 자주 사용한다. 그 이유는 PLL이 주파수 판별기 디모듈레이터와 비교해 더 낮은 FM 임계값을 갖도록 설계될 수 있기 때문이다. PLL, FLL(Frequency-Locked Loop) 및 FMFB(Frequency Demodulators With Feedback)은 관련이 있으며, 모두 FM 디모듈레이터의 임계값을 확장할 수 있는 성능을 가지고 있다. 다른 FM 모듈레이터 아키텍처가 존재하나, 설계자는 아날로그와 디지털 기법으로 집적회로에서 이러한 디모듈레이터를 가장 흔하게 구현시킨다.
FM 튜너의 무선 환경은 희망 신호 대역(미국과 유럽에서 88MHz~108MHz, 일본에서 76MHz~90MHz)으로 구성되어 있다. 여기에는 튜너의 대역폭 내에서 통과하는 모든 다른 신호들을 포함한다. 그림 3은 FM 튜너의 RF 프런트엔드에 대한 간단한 블록 다이어그램을 보여준다. RF 대역 통과 필터(BPF: Band-Pass Filter)는 대역 에지에서 채널을 감쇄시키지 않는다. 따라서, 전체 FM 대역 보다 약간 더 넓게 되도록 설계된다. 그러나, 고성능 FM 튜너는 강력한 FM 채널 덕분에 대역 외부와 대역 내 간섭을 감쇄시키는 더욱 강력한 대역폭으로 RF 트랙킹 필터를 이용한다.
대부분의 저가형 FM 수신기는 RF 트랙킹 필터를 사용하지 않는다. 왜냐하면, 이것은 필터의 중앙 주파수를 변화시키기 위해 다양한 BPF와 제어 메커니즘을 필요로 하기 때문이다. 따라서, RF 수신기의 핵심적인 요소들 중의 하나는 대역 외부와 대역 내 신호 모두에서 간섭을 조절하는 것이다. 다른 요소들에는 채널 선택을 제공하고 메시지 신호의 신호대잡음비(SNR: Signal-to-Noise Ratio)을 저하시키지 않으면서 소형 RF 신호를 증폭시키는 것이다.

수퍼헤테로다인 수신기


1990년대 후반까지, 거의 모든 상업용 FM 라디오 수신기는 수퍼헤테로다인 수신기 형태로 설계되었다. 그림 4는 수퍼헤테로다인 수신기의 블록다이어그램을 보여준다. 수퍼헤테로다인 수신기는 FM 디모듈레이션 전에 FM 신호를 하나 또는 그 이상의 중간주파수(IF: Intermediate Frequency)로 이동시킨다. RF BPF는 FM 대역을 통과시키고 대역외부의 간섭을 감쇄시키기 위해 설계된 사전-선택(Pre-Select) 필터이다.


설계자는 RF BPF 다음에 LNA(Low -Noise Amplifier)를 추가한다. 이것은 이득으로 그 다음 수반되는 단에서 잡음을 감소시키며, 수신기의 감도를 향상시킨다. 믹서가 LO 주파수 이상 및 이하의 IF와 동일한 주파수 오프셋으로 신호를 동일하게 다운컨버트 시키기 때문에, 수신기는 이미지-거부 BPF를 필요로 해 희망 신호를 선택하고 이미지를 거부한다.
IF 대역-통과 필터, IF1 BPF, IF2 BPF는 채널 선택을 제공하는 고정 주파수 필터이다. 리미터(Limiter)는 FM 디모듈레이터에 적용되기 전에 다운 컨버터된 신호에서 진폭 변화를 제거한다. 수신기의 IF 선택은 RF에 비해 일반적으로 더 작은 주파수에 존재하며, 이를 통해 설계자는 저전력소비로 이득 및 필터링을 쉽게 구현할 수 있다.
수퍼헤테로다인 아키텍처는 다른 주파수 범위에 걸쳐 이득 분포 및 필터링을 가능하게 하며, 높은-Q 필터 없이 잡음 및 간섭에 대한 우수한 성능을 제공한다. 그러나, RF, 이미지 및 IF 대역-통과 필터, PLL VCO, 루프 필터를 포함해 수많은 디스크리트 외부 부품도 필요로 하여, 결과적으로 크기가 커지고 비용이 많이 들게 된다.

아날로그 로우 IF 수신기


아날로그 로우 IF 아키텍처는 하나의 IF 단을 갖춘 수퍼헤테로다인 아키텍처와 유사하다. 주요한 차이점은 RF PLL과 믹서가 쿼드러처 신호로 설계되어, 온-칩 이미지 제거가 가능하다는 점이다. 이미지 주파수는 희망 신호에서 멀어진 2xIF에 위치된다. 따라서, IF 신호 주파수가 낮을 경우, 이미지는 희망 신호에 상대적으로 근접해, 정확한 높은-Q 이미지 거절 필터를 지정한다.
그러나, 쿼드러처 믹서를 사용해, 설계자들은 취소 기법을 사용해 이미지를 약하게 할 수 있다. 심지어 낮은 중간 주파수를 이용할 수도 있다. 이미지 제거가 수행된 다음, 채널 선택은 IF 대역 통과 필터로 제공된다. 다시, 증폭(제한)과 채널 선택성은 더 높은 IF와 비교해 낮은 중간주파수나 RF에서 달성하는 것이 훨씬 쉽다. 아날로그 로우 IF 수신기의 주요 장점은 소수의 외부 부품만 필요하다는 것이다.
실제로, 엔지니어가 RF PLL과 함께 RF 및 IF 대역 통과 필터를 온-칩에서 구현할 수 있다면 어떠한 것도 필요하지 않다. 주요한 결함은 성능이 아날로그 부품에 의존된다는 것이다. 이것은 공정, 전압, 온도 변화에 영향을 받기 쉽다. 이러한 변화는 일반적으로 약 25~30dB까지 이미지 제거(Image Cancellation)를 제한한다. 따라서 이미지 신호는 IF 선택에 따라 대규모가 될 수 있다. 대규모 이미지는 희망 신호와 간섭될 수 있으며, 2개의 차동 LO 주파수에서 FM 튜너의 오디오 출력에서 들릴 수 있다.
게다가, 예민한 IF 채널 필터는 상당한 양의 커패시턴스와 칩 면적의 상당한 양을 요구한다. 순수한 아날로그 방식은 약 35~40dB까지 인접한 채널 감도를 일반적으로 제한해, 간섭 성능이 좋지 않은 결과를 초래한다. 시스템은 FM 디모듈레이터를 통해 제공되는 대규모 간섭 신호를 통해 과부하 될 수 있거나 인터모드(Intermod) 왜곡 제품을 더욱 쉽게 생성할 수 있다.

디지털 로우 IF 수신기


그림 6은 디지털 로우 IF 수신기의 블록 다이어그램을 보여준다. 디지털 로우 IF 아키텍처는 인 (I)위상과 쿼드러처 (Q)위상 IF 신호를 디지털 IF 신호로 변환하기 위해 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 사용하는 혼합 신호 아키텍처이다. ADC 출력은 디지털 쿼드러처 믹서를 이용해 그 결과 베이스밴드에 다운컨버트 된다. 이 아키텍처는 디지털 회로 구현의 반복성(Repeatability)과 신뢰성(Reliability)을 통해 아날로그 로우 IF 아키텍처의 통합된 장점을 가지고 있다.


엔지니어들은 아날로그 및 디지털 회로의 조합을 통해 대규모 이미지를 거부할 수 있다. 그 이유는 디지털 회로가 완벽하게 매치되어 아날로그의 불완전함을 제거하기 위해 조정될 수 있기 때문이다. 또 다른 장점은 IF 낮은 통과 필터가 통합적인 채널 필터링을 제공할 필요가 없다는 것이며, 여러 경우에, 교류의 채널 간섭요인을 제거할 수 있는 충분한 필터링만 제공하여 ADC를 위한 안티앨리어싱(Anti-Aliasing) 필터링을 제공한다.
엔지니어는 디지털 영역에서 채널 필터링을 구현해 예리한 필터 롤오프(Roll-Off) 및 감쇄 효과를 달성하면서 실리콘 면적을 최소화하고 고밀도 서브-마이크론 CMOS의 장점을 활용한다. 디지털 로우 IF 아키텍처를 이용한 주요한 단점은 고성능 ADC가 필요하다는 점이다. ADC의 실제 요구조건은 중간주파수(Intermediate Frequency)를 비롯해 ADC 이전에 필터링 되는 간섭 양, 입력 신호의 동적 범위 요건에 좌우된다. 이 아키텍처는 실리콘 래버러토리스 Aero£ 수신기를 이용한 GSM/GPRS 셀룰러 수신기에 성공적으로 배치되었다.

실제 사례-Si4700 FM 튜너


Si4700은 디지털 로우 IF 아키텍처와 100% CMOS 공정 기술을 이용한 업계 최초의 무선 튜너 IC로, 하나의 전원 바이패스 커패시터와 20mm2 미만의 보드 공간만 필요로 하는 고도로 집적된 솔루션이다. 그림 7은 Si4700/01 FM 튜너의 블록 다이어그램을 보여준다.

디지털 로우 IF 아키텍처는 아날로그 공정의 변화로 인해 외부 부품과 팩토리 조정의 제거를 가능하게 한다. 이 같은 혼합 신호 아키텍처를 통해 DSP(Digital Signal Processing)는 채널 선택, FM 디모듈레이션 및 스테레오 오디오 프로세싱을 수행할 수 있어 기존 아날로그 아키텍처와 비교해 더욱 우수한 성능을 달성한다.
Si4700 FM 튜너는 외부 매칭 회로를 사용하지 않고도 2.5μV의 감소 레벨을 달성한다. 이 제품은 또한 108dBμV의 IP3를 사용해 과부하 면역성을 가지며 각각 50dB 및 70dB의 인접 채널 선택 및 교류 채널 선택을 가진다. DSP는 다양한 신호 수신 조건을 위해 최적의 음질을 제공하기 위해 이용된다.
높은 수준의 집적도, 성능, 간섭 제거는 디지털 로우 IF 무선 아키텍처, 채널 선택 및 FM 디모듈레이션 기능의 디지털 구현에 직접적으로 영향을 준다. 설계 시간을 단축시키는 것 이외에, 디지털 로우 IF 아키텍처의 고집적은 품질을 향상시키고 제조력을 향상시킨다. 그 이유는 외부 부품을 필요로 하지 않기 때문이다.

결론


새로운 시대의 FM 튜너는 디지털 로우 IF 수신기 아키텍처를 FM 튜너에 구현함으로써 시작되고 있다. 디지털 아키텍처는 하나의 IC에 FM 수신기의 전체 CMOS 통합을 실현함으로써 FM 튜너 설계에 급진전한 변화를 주고 잇다. 실리콘 래버러토리스의 Si4700 FM 튜너는 고집적도를 실현하면서 뛰어난 감도 및 간섭 성능을 제공하고 있다.
CMOS 기술에서 지속적인 기술 향상 또한 디지털 로우 IF 튜너에 혜택을 줄 것이다. 그 이유는 모든 FM 신호 처리 기능들이 디지털 영역에서 구현되고 있기 때문이다. 단일-칩 FM 튜너는 설계 과정을 단순화함으로써 거의 모든 휴대형 컨수머 전자 기기에서 FM 튜너 채택을 쉽게 할 수 있다.
칩에서 통합형 시스템은 외부 BOM을 최소화시킨다. 게다가, 설계자는 IC 제조업체 테스트 시설에서 통합 시스템을 테스트하고 보장할 수 있다. 이것은 최종 제품의 품질과 제조력를 향상시킨다. 궁극적으로 소비자의 요구는 휴대형 전자 기기에 FM 튜너 채택을 주도할 것이며, 새로운 디지털 로우 IF-FM 튜너는 설계 및 제조 방식을 계속해서 단순화 시킬 것이다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 06월호>

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