베이스밴드 IC는 프로그래밍이 갈수록 더 강화되고 있지만, 다중 대역, 다중 표준 프런트엔드로 인한 기술적 과제는 더 많아졌다. 최근까지는 RF 실리콘 솔루션이 제공되지 않아 일련의 RF MEMS 스위치를 이용한 각기 다른 RF 프런트엔드 간의 스위칭 방식이 솔루션으로 생각되어 왔다. 그러나 프로그램 기능의 다중 대역, 다중 표준 트랜시버 IC를 개발하는 기업들이 하나 둘 성과를 보이면서 업계에 변화가 일고 있다.
프로그래밍 기능의 트랜시버 IC를 통한 펨토셀용 OEM 재고 최소화
글│에브리힘 부세리(Ebrahim Bushehri) CEO, Lime Microsystems
프로그래머블 트랜시버가 주파수에 꽤 민감하다면, 각기 다른 표준이나 지정학적 영역을 위한 개별 트랜시버 칩에 대한 요구를 제거한다. 이러한 칩들은 다양한 네트워크 구성, 대역폭, 데이터 전송속도 등에 대해 트랜시버의 기능을 신속하고 간단하게 재프로그래밍 할 수 있다.
이것은 OEM 업체들이 새로운 스펙트럼 할당이 발표될 때마다 반도체 공급업체를 찾아가서(제품 시장 출시 시기에 영향을 줄 수 있는) 다른 트랜시버 IC의 설계 및 구현을 요청할 필요가 없다는 것을 의미한다. 일단 한 제품이 특정 트랜시버를 바탕으로 개발되면, 이를 통해 설계 재사용을 극대화하고 다시 생산 주기를 단축한다. 이러한 요인들을 통해 OEM업체들은 시장 요구를 충족하는 새로운 제품을 신속하게 개발할 수 있다.
현재 RF MEMS에 대한 신뢰성 문제가 여전히 지속되고 있기 때문에 프로그램 가능한 실리콘을 통한 접근법은 OEM과 시스템 설계자들에게 실질적인 혜택을 제공하고 있다. 그림 1은 라임 마이크로시스템즈(Lime Microsystems)가 개발한 단일칩 트랜시버인 LMS6001을 나타낸 것이다.
그림 1. 라임의 LMS6001트랜시버는 컴팩트한 68핀 QFN 패키지로 제공된다.
라임의 트랜시버는 사용자 선택 가능한 대역폭을 통해 375MHz에서 4GHz까지의 주파수에서 Wi-MAX, 3G, LTE 등을 위한 트랜시버로 동작하도록 디지털적으로 구성이 가능하다.
이 칩은 LNA, PA 드라이버, Rx/Tx 믹서, Rx/Tx 필터, 신디사이저(synth-esizer), Rx 이득 제어, Tx 전력 제어 등의 기능을 통합하고 있어 외부 컴포넌트에 대한 요구를 최소화한다.
이와 같은 칩을 개발하는 데 있어서 주요한 기술적 과제는 트랜시버 회로에 대한 선형성 및 잡음 지수 예산과 함께 신디사이저의 위상 잡음 요건과 베이스밴드에서 정확한 롤오프(roll-off) 특성을 가진 다중 대역폭 필터링 기능을 유지하면서 동시에 요구되는 넓은 주파수 범위를 달성하는 것이다.
설계 내에 사용된 베이스밴드 필터는 WiMAX 및 LTE 대역을 모두 포괄하는 다중 대역폭에 대해 매우 정확한 롤오프 특성을 제공하며, 이 설계는 변형 트랜스컨덕턴스 증폭기-커패시터(gm-C) 셀에 기반하고 있다.
트랜시버의 대역폭 특성은 광대역 신디사이저를 사용함으로써 획득된다. 신디사이저는 375MHz에서 4GHz까지의 연속 범위를 포괄하는 분수분주형(fractional-N) 시그마-델타 기반 아키텍처에 기반하고 있다. 시그마 델타 모듈레이터는 설계를 단순화하고 신디사이저 내의 아날로그 컴포넌트의 사양을 완화시키기 위해 매우 낮은 오버샘플링 속도(oversampling ratio)로 사용된다.
출력 노드에서 측정된 구현된 신디사이저의 위상 잡음 성능은 WiMAX 및 LTE 표준을 포함하는 주요 광대역 무선 표준의 모든 요건을 충족한다. 주파수 신디사이저는 디지털 제어 40MHz 레퍼런스 크리스털 오실레이터를 사용한다.
재구성 가능 설계
Zero-IF 트랜시버 칩은 OFDM 변조를 최대 64QAM까지 처리할 수 있으며, 64QAM이하에서는 7MHz 대역폭에서 -70dBM의 민감도로 FDD 및 TDD 전이중(full duplex) 변조를 지원한다. 동작 전류는 일반적으로 1.8V 및 3.3V에서 FDD 동작시 300mA이며, 소프트웨어 선택 가능한 파워다운 모드를 통해 1mA 이하의 대기 전류를 가진다. 변조 Tx RF 출력은 -10dBm이다.
LMS6001에 기반해 재구성 가능(reconfigurable) 다중-표준 MicroTCA 무선 트랜시버 시스템을 위한 독창적인 레퍼런스 설계가 개발되었다.
이는 1.5MHz~28MHz의 범위에서 6개의 사용자 선택 가능 채널 대역폭을 제공하고, 375MHz~4GHz까지의 대역에서 동작하도록 디지털적으로 구성이 가능하다. 이 재구성 가능 설계는 WCDMA/HSPA, WiMAX, LTE 등과 같은 다양한 네트워크 구성뿐만 아니라 다양한 대역폭을 지원하며, microTCA 포맷을 사용하는 업계 최초의 트랜시버 레퍼런스 설계이다. 그림 2는 라임의 레퍼런스 설계 보드를 나타낸 것이다.
그림 2. 라임의 레퍼런스 설계 보드
상용화 시 고려사항
결국 비용 측면에서 경쟁력을 확보하지 못한다면 프로그램 가능 실리콘은 펨토셀(femtocell) 제조업체의 관심을 절대 얻지 못할 것이다. ‘저비용’과 ‘프로그램 가능 실리콘’이라는 단어들을 동일한 문장에서 찾는 것이 일반적으로 쉽지 않다. 하지만, 단지 단위 비용이 아니라 보다 넓은 관점에서 문제를 고려한다면, 설득력 있는 조건이 새롭게 나타나게 될 것이다.
프로그램 가능 실리콘은 OEM 재고에 상당한 영향을 미치고 있다. 소형 셀 기지국의 전체 제품 범위에 대해 하나의 트랜시버 형식만을 구매하면 된다.
이것은 OEM이 다양한 지정학적 지역에 대해 제품을 선적하는 것을 목표로 할 때 특히 유용하다. 특정 지역에서 수요가 증가하더라도 영향을 받지 않고 필요로 하는 실리콘을 사전에 확보할 수 있다. 또한 OEM은 하나의 트랜시버를 복수의 제품 라인에서 사용함으로써 규모의 경제를 달성할 수 있다.
프로그램 가능 베이스밴드와 트랜시버에 대한 개발은 소형 셀 기지국 영역이 단일 BOM(bill of material)에 접근할 수 있도록 유도하고 있다.
이것의 목표는 모든 표준과 주파수를 지원하도록 하드웨어를 완벽하게 재프로그래밍 할 수 있는 단일 최종 제품을 달성하는 것이다. 전력 증폭기와 안테나 부문에서 추가적인 연구가 필요하기 때문에 이러한 목표에 아직 미치지 못하지만, 물류 절감 및 타임투마켓과 관련한 장점만은 분명하다.