개요: 이 애플리케이션 노트는 2.3GHz WCDMA 애플리케이션을 예로 들어, MAX2721을 광대역 송신기에 사용하는 방법에 대해 설명하고 있다. 2.4GHz에서의 직접 변환은 I/Q 진폭과 위상 정합이 매우 좋아야 하기 때문에 어려운 과제이다. MAX2721은 일반적으로 ±0.2dB 및 ±1도의 정합을 제공하며, 31dB 반송파 억제, 35dB 측파대 억압 그리고 32dB의 이득 제어 범위를 제공한다. 드라이버 증폭기 성능은 +12.5dBm이며 압축 포인트는 1dB이다. 성능 요약을 보면 2300MHz에서 WCDMA의 EVM은 6.6%임을 알 수 있다.
무선 업계에서는 고품위 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해 보다 향상된 데이터 전송률과 채널 용량에 대한 요구가 늘고 있다. 이러한 시스템은 종종 IEEE® 802.11b를 기준으로 하는 2.4GHz 무선 LAN 애플리케이션을 위한 DSSS(direct-sequence spread spectrum)의 고속 확장과 같은 확산 스펙트럼 기법을 필요로 한다. 3GPP 및 WLL(wireless local loop)과 같은 3세대 시스템 역시 WCDMA 변조 방식을 채용하여 각각 5MHz 및 10MHz 채널 간격으로 동작한다.
MAX2721 직접 업컨버터 쿼드러처 변조 IC는 특별히 2.4MHz 대역에서의 광대역 송신기 설계를 단순화하기 위한 목적으로 설계되었다. 이 소자는 IF 기반 송신기 아키텍처에 비해 시스템 비용을 절감할 수 있는데, 이는 IF 발진기와 합성기가 불필요하기 때문이다. 이 애플리케이션 노트에서는 2.3GHz WLL 애플리케이션에서 동작하는 전체 직접 업컨버터 WCDMA 송신기의 시스템의 성능을 특성화하여 IF 기반 송신기에 대한 새롭고 단순하며 보다 명쾌한 대안을 제시하고자 한다. 그림 1에는 특성화를 위한 송신기의 블록 다이어그램이 나와 있다.
그림 1. MAX2721 직접 변환 송신기의 블록 다이어그램
광대역 송신기의 요구사항 및 주안점
MAX2721 I/Q 입력 포트는 1kΩ에 대해 20MHz에서 -1dB의 대역폭을 갖는다. -1dB 입력 대역폭은 300Ω에서 44MHz 및 50Ω에서 250MHz 등으로 실험을 통해 정해졌다. MAX2721은 이러한 넓은 베이스밴드 대역폭을 요구하는 어떠한 새로운 무선 표준도 충분히 수용할 수 있도록 되어 있다.
2.4GHz 대역에서의 직접 변환 변조는 특히 I/Q 진폭-위상 균형 및 LO 신호에서 요구되는 쿼드러처 정확도 측면에서 RF IC 설계자들에게 몇 가지 설계상의 과제를 안겨준다. 일반적으로 쿼드러처 변조기는 300MHz 미만의 IF 주파수에서 동작한다. 이보다 높은 동작 주파수에서는 진폭-위상 정합의 구현이 더 어려워진다. 쿼드러처 LO 생성이 불충분할 경우 2.4GHz에서의 진폭 불균형 및 DC 오프셋 등에 의해 불충분한 측파대 및 반송파 억제가 발생할 수 있다. 벡터 진폭 및 위상 정확도는 오류 벡터 크기(EVM: error vector magnitude)의 측정치에 의해 가장 특성화가 잘 된다. DSP에서 파생된 I/Q 신호 변조가 진폭/위상 오차와 DC 오프셋이 최소임을 가정하면, MAX2721의 이득 및 위상 불균형은 각각 ±0.2dB 및 ±1.0도이고, 31dB 반송파 억제와 35dB 측파대 억압을 구현한다.
또 하나의 문제점은 전력 증폭기(PA)의 강한 신호 레벨에 의한 송신 합성기의 VCO 주입 풀링 현상이다. VCO의 튜닝 주파수를 중심으로 하는 PA의 고출력 변조 파형은 전도 또는 방사의 형태로 VCO로 다시 누설된다. 따라서 설계자들은 PA와 VCO 간에 적절한 분리가 이루어지도록 PCB 레이아웃과 차폐 기법에 세심한 주의를 기울여야 한다. MAX2721은 LO 체배기를 갖추고 있어 이러한 주입-풀링 현상을 억제한다. 전도에 의한 분리 성능을 더욱 강화하려면 MAX2472 VCO 버퍼를 사용한다. MAX2472의 평균 역방향 분리도는 2.4GHz에서 26dB이다.
MAX2721은 일반적으로 32dB의 가변 출력 제어 범위를 제공한다. 이 값은 IEEE 802.11b 애플리케이션에 충분한 수치이며 송신기 라인업에서의 추가적인 가변 이득 증폭기가 필요하지 않다. WLL 애플리케이션을 위한 추가적인 전력 제어 범위는 PIN 다이오드 감쇄기 및 가변 이득 PA로 구현하여 전력 증폭기 효율을 개선할 수 있다. 그림 1의 PA 회로에서 게이트와 드레인 전압은 모두 PHEMT 소자상에서 변경이 가능하므로 가변 이득을 제공함과 동시에 저전력 동작 시 드레인 전류를 감소시킬 수 있다. MAX2721은 또한 +12.5dBm의 1dB 압축 포인트를 갖는 드라이버를 내장하고 있다. 변조 파형의 피크 대 평균값 비율에 따라 이 드라이버 증폭기는 무선 업계에 사용되는 다양한 전력 증폭기와 인터페이싱하는 데 충분한 선형 출력을 제공한다. 표 1에는 송신기의 성능이 요약되어 있다.
표 1. 성능 요약
출력 주파수
2300MHz
변조
WCDMA
I/Q 칩 레이트
4.096Mcps, α =
0.22 (HP-E4433B)
입력 I/Q 레벨
200mVP-P
최대 전력 출력
+21dBm
ACPR
-38dBc (4.9MHz BW에서 적분, POUT = +21.8dBm)
EVM
6.6% (typ)
반송파 억제
30dBc
전력 제어 범위
25dB (PIN 감쇄기 및 가변 이득 PA의 경우 65dB)
LO 입력 주파수
1150MHz (fO/2)
LO 입력 레벨
-13dBm
PLL 합성기 스텝 크기
125kHz
PLL 튜닝 속도
2ms ~ 최종 주파수의 ±1kHz
DC 공급 전압
PA +3.6V 및 +5.0V
ACPR과 EVM 측정은 각각 그림 2와 그림 3을 참조한다. LO PLL은 1150MHz로 합성되어 있다. LO 체배기는 인에이블 상태이며, VGA 튜닝 전압은 +2.5V로 설정되어 있다. 4.9MHz 대역폭에서 적분된 ACPR 측정값은 -38dBc이다. 채널 출력은 듀플렉서의 안테나 포트에서 +21.8dBm으로 기록되어 있다. EVM은 5.9%(최소), 6.6% RMS(일반), 7.9% RMS(최대)로 기록되었다.
그림 2. 안테나 포트에서의 송신기 스펙트럼 디스플레이
그림 3. 안테나 포트에서 송신기 배치 및 EVM 디스플레이
결론
MAX2721은 2.4GHz 대역에서의 광대역 송신기 애플리케이션에 이상적이다. 이 소자는 넓은 베이스밴드 대역폭, 내장 LO 체배기, 가변 이득 증폭기, 그리고 고선형성 드라이버 증폭기 등을 갖고 있어 기본적인 빌딩 블록으로서의 역할과 비용 절약형 송신기 애플리케이션을 훌륭하게 구현할 수 있도록 한다. 2.3GHz에서의 테스트 데이터를 보면 WCDMA 시나리오에서 탁월한 EVM 및 ACPR 성능을 제공함을 알 수 있다.
참고 자료
Draft Supplement to Standard [for] Information Technology. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer Specifications: Higher Speed Physical Layer Extension in the 2.4GHz Band. IEEE Standard 802.11b/D7.0, July 1999.
Razavi, Behzad, RF Microelectronics, Prentice Hall,
Inc. 1998.
MAX2720/MAX2721,
1.7GHz to 2.5GHz, Direct I/Q Modulator with VGA and PA Driver data sheet, Rev 0, January, 2000.
MAX2472/MAX2473,
500MHz to 2500MHz VCO Buffer Amplifiers data sheet, Rev 0, June, 1999.
IEEE는 Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.의 등록 서비스 마크이다.
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