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혼합기, 합성기, IF 증폭기를 통합한 수신기 IC

2018-01-09
혼합기, 합성기, IF 증폭기를 통합한 수신기 IC
 
글. 마크 골드파브(Marc Goldfarb), 벤 워커(Ben Walker),러셀 마틴(Russell Martin),
톰 보시아(Tom Bosia), 에드 발보니(Ed Balboni), 드라고슬라브 쿨룸(Dragoslav Culum)
/ 아나로그디바이스
 
예전에는 실내 온도가 조절되는 넓은 공간에서만 무선 기지국을 건설할 수 있었다. 하지만, 지금은 주변환경의 제약 없이 어디에나 건설 할 수 있다. 무선 네트워크 서비스 제공업체가 장소의 제약 없이 서비스를 제공하고자 하면서, 기지국에 사용되는 부품을 제공하는 업체들은 더 작은 패키지에 더 많은 기능을 포함시켜야 하는 부담감을 느끼게 되었다.
아나로그디바이스에서 생산하는 한 쌍의 집적 회로(IC)는 수신기 프론트 엔드에 위치한 혼합기를 재정립함으로써 이에 대한 해결책을 제시한다. 이 집적 회로의 경우, 국부 발진기(Local Oscillator, LO), IF 증폭기와 같이 이전 수신기의 혼합기에 부착되어 있던 여러 부품들을 혼합기 집적 회로 내에 장착한다. 이들 제품을 활용하면 무선 기지국의 규모를 크게 줄일 수 있으며, 소프트웨어 정의 무선(SDR)을 다양하게 활용할 수 있어 여러 무선 표준을 지원할 수 있다.
 
해당 제품은 ADRF6612 및 ADRF6614로, 두 제품 모두 700MHz~3,000MHz의 RF, 200MHz~2,700MHz의 LO, 그리고 40MHz~500MHz의 IF 범위를 지원하도록 설계되어있다. 로우사이드(low side) 및 하이사이드(high side) LO 신호 입력과 함께 작동하며, 온보드 위상 동기 루프(Phase-Locked Loop, PLL) 및 여러 저잡음 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator, VCO)를 내장한다. 또한 두 제품 모두 7mm×7mm의 48리드 LFCSP 패키징을 사용한 것이 특징이다. 집적 및 부품 밀도 수준은 다양성 및 프로그래밍 작동성을 바탕으로 향상되었으며 오늘날 마이크로셀에서 요구하는 작은 크기로 다양한 무선 표준을 지원하고 있다.
이 두 고집적 혼합기 IC를 통해 절약된 공간을 판단하기 위해 2010년경 사용되었던 무선 기지국 수신기의 프론트 엔드(그림 1)를 떠올려보자. 듀얼 혼합기 아키텍쳐는 약 1GHz의 대역폭을 지원했으며, 당시 무선 주파수 범위인 800MHz~1,900MHz를 수용하기 위해 여러 부품을 필요로 했다. 주파수 합성은 별도의 PLL 및 협대역 VCO 모듈이 공급했는데, 이들의 성능을 최적화하기 위해서는 고유 PLL 루프 필터가 필요했다. 전용 VCO 모듈은 각각의 해당 대역에서 사용되었기 때문에 기지국 내 필요한 회로 보드 면적은 늘어났다.
 
그림 1. 2010년 경의 대표적인 무선 기지국 블록 다이어그램
 
뿐만 아니라, 이러한 개별 부품은 신호 손실의 원인이 되는 저임피던스 전송선으로 서로 연결되어 있었다. 그 결과, 혼합기가 신호 차단 조건에 못 미치는 저위상 잡음 및 잡음 지수를 생성할 수 있을 만한 수준으로 VCO 출력을 끌어올리기 위해서는 충분한 양의 전류를 필요로 했다.
 
사실 VCO가 통합된 수신기 IC 자체는 새로운 개념이 아니다. 그러나 이동통신을 위한 국제 표준 시스템 (Global System for Mobile Communications, GSM) 무선 네트워크용 글로벌 다중 반송파 시스템이 요구하는 광대역 및 저위상 잡음 수준을 구현하는 일은 쉽지 않았다. GSM의 채널 재활용 방식은 그림 2에서 보는 것처럼 대체 채널 오프셋 주파수인 800kHz에서 극히 낮은 수준의 수신기 LO의 위상 잡음을 필요로 한다. 이러한 대체 채널의 위상 잡음 수준이 지나쳐져 동일한 800kHz 오프셋 주파수에서 원치 않는 신호와 섞여버린다면, 위상 잡음이 IF 출력으로 해석되어 시스템 감도를 떨어뜨릴 수 있다.
그림 2. 채널 재활용 방식은 신호 차단으로 인한 성능 저하를 피하기 위해 GSM 무선 시스템에 위상 잡음이 나은 광대역 VCO를 필요로 한다.
 
낮은 VCO 위상 잡음은 보통 고품질 지수(high-Q) 탱크 및 협대역 설계를 사용해 구현한다. 주파수 분할 역시 잡음을 줄이는 데 사용 가능하다. VCO를 수신기의 LO 주파수의 정수배에서 동작시키면 그림 3에서처럼 분할될 때마다 위상 잡음이 6dB/oct씩 감소한다. 1,800MHz~1,900MHz대역에서 GSM의 위상 잡음 요건은 800MHz~900MHz 대역일 때보다 거의 두 배가 될 정도로 매우 까다롭다.
그림 3과 같은 VCO 회로구성으로 옥타브 대역을 구현한다
 
낮은 위상 잡음 외에도, 오늘날 기지국 수신기 설계는 현재 무선 통신 네트워크에서 사용되는 다양한 변조 방식을 지원해야 한다. GSM 외에 다른 변조 방식에는 광대역 코드 분할 다중 접속(Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA) 및 LTE(long-term evolution) 시스템이 있다. 수신기 설계는 흔히 기지국 내의 옥타브 대역을 처리할 수 있도록 적당한 위상 잡음 성능 수준을 갖춘 여러 개의 VCO로 구성된다.
다수의 VCO가 최고 작동 주파수에서 옥타브 대역을 생성하도록 구성되면, 낮은 LO 주파수는 이 분열(binary division)을 통해 구현될 수 있다. 이러한 접근법을 사용하는 것이 ADRF6612 수신기 및 믹서로, 이때 VCO 기본 주파수는 2.7GHz~5.6GHz를 포함하며, 2단계의 주파수 분할로 1에서 32까지 나눔으로써 200MHz~2,700MHz까지의 LO 주파수를 구현한다. MC-GSM 역시 포함하는 애플리케이션의 경우, ADRF6614 수신기 믹서에는 고성능 VCO 코어를 2개 추가하여 1,800MHz~1,900MHz GSM 대역에서 필요한 LO 주파수를 제공한다.
 
오늘날 무선 마이크로셀은 실내 온도가 조절되는 환경의 이점을 살리지 못하기 때문에, 이러한 수신기 IC와 같은 부품들이 광범위한 온도 범위에서 지속적이고 안정적인 성능을 제공해야 한다. 넓은 작동 온도 범위에서 특정 성능을 구현하기 위해서는 ADRF6612, ADRF6614 IC의 PLL 및 VCO에 여러 보정 기술이 내장되어 있다.
넓은 대역에서 낮은 잡음을 제공하기 위해 각각의 VCO 코어에는 8비트 정전용량 DAC가 사용되어 주어진 LO 주파수에 대해 자동으로 보정 대역(128개 중 하나)을 선택한다. VCO 탱크 진폭의 변화는 시스템 내에서 면밀히 모니터링 되며, 자동 레벨 제어(Automatic Level Control, ALC) 시스템을 사용하여 최적의 출력 진폭으로 보정된다. 각 IC는 작동 주파수가 재프로그래밍 될 때마다 보정 절차를 밟는다. 이로 인해, 선택된 대역이 동조 전압에 중심을 두게 되어 최적의 범위에서 VCO 동조 버랙터 다이오드(tuning varactor diode)가 요구되는 작동 온도 범위에 대해 합성기를 일정하게 유지할 수 있도록 만들어준다.
ADRF6612 및 ADRF6614 IC에 각각 내장된 4개의 VCO 코어를 배치할 때에는 변화하는 환경 요건 및 장치의 제작 공차에 대응할 수 있도록 동작 범위가 적절하게 겹쳐져야 한다. 코어는 일반적으로 환경 및 프로세스의 변화에 따라 같은 방향으로 주파수를 이동시키기 때문에 충분히 범위가 겹쳐지도록 배치함으로써 주파수 합성기가 언제나 고정된 조건을 만족시킬 수 있도록 해야 한다.
보정용 솔루션이 결정되면, 주파수는 항상 일정하게 유지되어야 하며, 동조 전압 범위는 요구되는 고정(hold-in) 범위를 지원해야 한다. 기지국이 시간 단위로 주파수를 바꿀 수 있는 시분할 이중 통신 방식(TDD) 시스템은 마이크로초 단위로 작동 시간을 측정할 수 있도록 만들어준다. 반대로 주파수 분할 이중 통신 방식(FDD) 시스템은 장시간 주파수 고정을 필요로 한다.
 
ADRF6612 및 ADRF6614 IC의 시스템 작동 기간에는 어떠한 대기 시간도 허용되지 않는다. 따라서, 온도 변화 및 부품 노화로 발생되는 영향은 잠재적으로 145°C 온도 범위에 대한 버랙터의 동조 전압 범위 및 VCO의 주파수 동조 감도(kV)로 처리된다. 각 IC는 지속적으로 부품 온도를 모니터링 해 필요한 만큼 VCO 바이어스를 보정한다.
각 IC는 스퓨리어스 신호의 수신기 감도 저하를 최소화하기 위해 독특한 접근 방법을 사용한다. 합성기의 정수 모드를 타이트 루프 필터와 함께 사용하면 레퍼런스 스퓨리어스 신호를 −100dBc미만으로 낮출 수 있다. 스퓨리어스 신호를 최소로 유지하는 것은 MC-GSM와 같은 변조 방식에 있어 매우 중요하다. LTE 및 기타 변조 방식이나 높은 품질의 주파수 단계가 필요한 경우라면, 합성기를 분주형 N 분할 모드로 작동시킬 수 있다. 레퍼런스 경로에는 13비트 분주기가 포함되어 있으며, 정수 및 분주형 경로에는 활용을 위해 16비트 분주기가 각각 내장되어 있다.
 
동일한 장소에 배치되며, 위상 추적 수신 채널이 필요한 다중입출력(MIMO) 시스템과 같은 애플리케이션의 경우, 여러 개의 ADRF6612 및 ADRF6614 IC를 데이지체인 방식으로 연결하면 하나의 장치가 마스터 합성기의 역할을 함으로써 외부 LO 출력 및 입력 포트 각각을 통해 추가되는 슬레이브 수신기를 지원할 수 있다. 이를 통해 추가 LO 분배 증폭기의 개수 및 이에 따른 위상 잡음 증가를 최소화할 수 있다.
 
하이사이드 및 로우사이드 LO 삽입을 지원하기 위해서 각 IC의 LO 체인은 그림 4에서 보는 것처럼 유연한 신호 처리 방식을 제공한다. 1~32까지의 정수 분할 비율을 사용하면 IF가 높은 700MHz 대역에 대해서도 로우 사이드 주입이 가능하다. LO 단계 역시 200MHz~2,700HMz에 이르는 LO 범위에 대해 구형파로 수동 믹서 코어를 구동할 수 있다.1

그림 4. 해당 LO 신호 체인은 무선 기지국 수신기 지원에 사용된다.
 
오늘날 무선 기지국의 대역 내 신호는 보유한 주파수가 낮은 수준의 입력 신호와 비슷하기 때문에 무선 수신기가 폐쇄 신호의 역할을 할 수 있다. 이 경우, 폐쇄 신호 주변의 LO 증폭기에서 발생되는 위상 잡음은 IF 출력 대역과 혼합되어 원하는 신호 위에 직접 가해진다. 이는 잡음 플로어를 증가시키고 수신기의 신호대잡음비(SNR)를 줄이는데 그 정도가 상당한 경우도 있다.
폐쇄 신호의 전력이 클 수도 있기 때문에 VCO 위상 잡음이 매우 낮으면서 LO 체인이 폐쇄기 오프셋에서의 잡음 플로어를 저하시키지 않는 등 이 두 가지 조건이 매우 중요하다. 이처럼 매우 높은 폐쇄 수준에서 수신기 잡음 지수는 결국 폐쇄 신호에 좌우되며 폐쇄기의 전력 수준에 따라 저하된다.
수신기 체인을 개별로 구현하는 경우 LO 경로에 어느 정도의 필터링을 적용할 수 있어 VCO 및 LO 분배 증폭기로부터 발생하는 폐쇄기 오프셋의 위상 잡음을 최소화할 수 있다. 그러나 통합 프론트 엔드에서는 LO 체인에서의 위상 잡음이 추가로 발생하지 않도록 주의를 기울여야 한다.
ADRF6612 및 ADRF6614 IC는 고이득 LO 체인과 하드 리미팅(hard limiting) 증폭기를 사용하여 LO 체인을 제한한다. 각 단계에서 하드 리미팅이 적용되면 위상 잡음을 증가시킬 수도 있는 LO 체인의 작은 신호 이득이 상당히 줄어들어 폐쇄 조건에서 잡음 지수 감소를 최소화한다.
폐쇄 신호로 인한 잡음 폴드오버는 수신기의 출력 잡음 스펙트럼을 저하시키고, 그 결과 출력 잡음 플로어를 증가시킴으로써 결과적으로 수신기 잡음 수치 역시 줄어든다. ADRF6612 및 ADRF6614 수신기 IC는 그림 5에서 보는 것처럼 수신기의 잡음 수치 저하를 최소화시켜 상당한 신호 폐쇄를 견딜 수 있도록 설계되었다. 극단적인 폐쇄 신호 수준에서 변환 이득은 1dB만큼 압축된다 하더라도, 10dBm의 입력 폐쇄 신호 수준에서 수신기의 잡음 수치는 반송파의 10MHz 오프셋에서 3.2dB만 줄어든다.
그림 5. 이 그래프는 ADRF6614 수신기 IC의 출력 잡음 스펙트럼을 저수준 및 고수준 폐쇄 신호(각각 왼쪽과 오른쪽)와 비교해 보여준다.
 
이러한 수신기 IC의 높은 통합 수준으로 인해 그림 6에서 보는 것처럼 오늘날 설계자들이 무선 기지국의 성능을 상당히 개선하고 소비 DC전력을 크게 줄일 수 있었다. 해당 IC는 온칩 믹서를 둘러싸며 RF 및 IF 단계를 최적화하는 기술을 구현한다. 2 해당 기술은 ADRF6612에 먼저 도입되었으며 전력 소비가 낮은 상태에서 전체 주파수 및 온도 범위에 대해 25dBm이상의 최소 IIP3, 전체 온도 범위, 최대 2GHz 주파수에서 29dBm의 최소 IIP3을 제공한다. 또한 그림 7에서 보는 것처럼 최적의 수신 경로 잡음 지수 성능과 높은 변환 이득 역시 제공한다.3,4
 
그림 6. 신호 체인은 일반적인 무선 기지국 수신기에서 사용되는 부품을 나타낸다.
 
그림 7. 이 그래프는 ADRF6612 수신기 IC에서 측정된 이득, 잡음 수치, IIP3(input third-order intercept point)를 보여준다.
 
*감사의 말
통합 수신기 체인에 내재된 통합 수준이 점점 증가함에 따라 개발팀의 규모도 더욱 더 커지게 되었다. 이번 개발에 참여한 이들의 목록을 모두 나열할 수는 없지만, 다음 업계 전문가들의 노고에 감사를 표할 수 있어서 기쁘다. Kurt Fletcher와 Dominic Mai는 뛰어난 레이아웃을 구현하면서도, 대칭성을 유지하고 원치 않는 결합을 피하기 위해 오랜 시간 노력해 왔다. Vincent Bu는 벤더들과 협력하여 필요한 패키지 개발에 힘썼다. Susan Stevens는 외부 주문 생산 업체들과 훌륭한 업무 관계를 유지하도록 애썼다. Craig Levy와 Rachana Kaza는 이들 부품의 생산 테스트 방식을 개발했다. Wendy Dutile, Ed Gorzynski, Chris Norcross는 모두 오랫동안 테스트 회로의 프로토타입 개발에 참여했다. Mark Hyslip는 이 프로젝트를 성공시키기 위해 사업적인 측면을 조율했다. 또한 동료였던 Edward J. Gorzynski를 추억하며 이번 프로젝트를 그에게 바친다.
 
*참고문헌
1 Marc Goldfarb, Russel Martin, and Ed Balboni. “Novel Topology Supports Wideband Passive Mixers.” Microwaves & RF, pp. 90, October 2011.
2 Marc Goldfarb. “Apparatus and Method for a Wideband RF Mixer.” Analog Devices, 2012.
3 ADRF6612 Data Sheet. Analog Devices, Inc., 2016.
4 ADRF6614 Data Sheet. Analog Devices, Inc., 2016.
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