개요: 이 응용 노트는 MAX2721을 광대역 송신기에 사용하는 방법을 설명하고 있다. 2.3GHz WCDMA 애플리케이션을 예로 들고 있다. I/Q 진폭과 위상 매칭이 매우 좋아야 하는 관계로 2.4GHz에서의 직접 변환은 어려운 과제이다. MAX2721은 일반적으로 ±0.2dB 및 ±1도의 매칭률을 제공하며, 반송파 억제율 31dB, 측대역 억제율 35dB, 그리고 이득 제어 범위 32dB 등의 성능을 갖고 있다. 드라이버 증폭기는 +12.5dBm의 증폭도를 제공하며 압축 포인트는 1dB이다. 성능 요약을 보면 2300MHz에서 WCDMA의 EVM은 6.6%임을 알 수 있다.
무선 업계는 현재 고품위 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해 보다 빠른 데이터 전송 속도와 보다 많은 채널 용량에 대한요구를 느끼고 있는 상황이다. 이러한 시스템은 종종 IEEE® 802.11b를 기준으로 하는 2.4GHz 무선 LAN애플리케이션을 위한 DSSS(직접 시퀀스 확산 스펙트럼)의 고속 확장과 같은 확산 스펙트럼 테크닉을 필요로 하게 된다. 3GPP 및 WLL과 같은 제3세대 시스템 역시 WCDMA(광대역 코드 분할 다중 접속) 변조 방식을 채용하며, 각각 5MHz 및 10MHz 채널 간격으로 동작한다.
MAX2721 직접 상향변환 쿼드러처 변조 IC는 2.4MHz 대역에서의 광대역 송신기 설계를 단순화하기 위한 목적으로 특화 설계되어 있다. 이 소자는 IF 기반 송신기 아키텍처에 비해 시스템 구성 비용을 절감할 수 있는데, 이는 IF 오실레이터와 신서사이저가 불필요하기 때문이다. 이 응용 노트에서는 2.3GHz WLL 애플리케이션에서 동작하는 전체 직접 상향변환 WCDMA 송신기 시스템의 성능을 기술하여 IF 기반 송신기에 대한 새롭고 단순하며 보다 훌륭한 대안을 제시하고자 한다. 그림 1에는 특성화 작업을 위한 송신기 회로의 블록 다이어그램이 나와 있다.
그림 1. MAX2721 직접 업컨버전 송신기의 블록 다이어그램
광대역 송신기의 요구사항 및 주안점
MAX2721 I/Q 입력 포트는 1kΩ 임피던스에 대해 20MHz에서 -1dB의 대역폭을 갖는 것으로 되어 있다. -1dB 입력 대역폭은 300Ω에서 44MHz 및 50Ω에서 250MHz 등으로 실험을 통해 정해졌다. MAX2721은 이러한 넓은 베이스밴드 대역을 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 면에서 RF IC 설계자들에게 몇 가지 설계상의 과제가 된다. 일반적으로 쿼드러처 변조기는 300MHz 이하의 IF 주파수에서 동작한다. 이보다 높은 주파수에서는 진폭-위상 매칭의 구현이 더 어려워진다. 쿼드러처 LO 생성이 불충분할 경우 및/또는 2.4GHz에서의 진폭 불균형 및 DC 오프셋 발생 등에 의해 측대역 및 반송파 억제가 부족해질 수 있다. 벡터 진폭 및 위상 정확도는 오류 벡터 크기(EVM: error vector magnitude)의 측정치에 의해 가장 특성화가 잘 된다. DSP로부터의 I/Q 신호의 변조에 있어 진폭/위상 오차와 DC 오프셋이 최소임을 가정하면 MAX2721은 이득 및 위상 불균형 ±0.2dB 및 ±1.0도이다. 또한 반송파 억제율과 측대역 억제율은 각각 31dB, 35dB이다.
또 하나의 주안점은 전력 증폭기의 강한 신호 레벨에 의한 송신 신서사이저의 VCO 주입 풀링 현상이다. VCO의 튜닝 주파수를 중심으로 하는 PA로부터의 고출력 변조 파형은 전도 혹은 방사의 형태로 VCO로 다시 누설된다. 따라서 엔지니어들은 PA와 VCO 간에 적절한 절연이 이루어지도록 PCB 레이아웃과 차폐 테크닉에 극도의 주의를 기울여야 한다. MAX2721은 온칩 LO 체배기를 갖추고 있어 이러한 주입-풀링 현상을 억제한다. 전도에 의한 절연 성능을 더욱 강화하기 위해서는 MAX2472 VCO 버퍼를 사용한다. MAX2472의 평균 역방향 절연도는 2.4GHz에서 26dB이다.
MAX2721은 일반적으로 32dB의 가변 출력 제어 범위를 갖고 있다. 이 값은 IEEE 802.1b 애플리케이션에 충분한 수치이며 송신기 라인업에서의 추가적인 가변 이득 증폭기가 전혀 필요치 않다. WLL 애플리케이션을 위한 추가적인 전력 제어 범위는 PIN 다이오드 감쇠기 및 가변 이득 PA로 구현하여 전력 증폭기 효율을 개선할 수 있다. 그림 1의 PA 회로에서 게이트와 드레인 전압은 모두 PHEMT 소자 상에서 변경이 가능하므로 가변 이득을 제공함과 동시에 저전력 동작시 드레인 전류를 감소시킬 수 있다. 또한 MAX2721은 +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 인터페이스를 하기에 충분한 양의 선형 출력을 제공한다. 표 1에는 송신기의 성능이 요약되어 있다.
표 1. 성능 요약
Output Frequency
2300MHz
Modulation
WCDMA
I/Q Chip Rate
4.096Mcps, α =
0.22 (HP-E4433B)
Input I/Q Level
200mVP-P
Maximum Power Output
+21dBm
ACPR
-38dBc (integrated over 4.9MHz BW, POUT = +21.8dBm)
EVM
6.6% (typ)
Carrier Suppression
30dBc
Power-Control Range
25dB (65dB with PIN attenuator and variable-gain PA)
LO Input Frequency
1150MHz (fO/2)
LO Input Level
-13dBm
PLL Synthesizer Step Size
125kHz
PLL Tuning Speed
2ms to ±1kHz of final frequency
DC-Supply Voltage
+3.6V and +5.0V for PA
그림 2와 그림 3에는 각각 ACPR과 EVM 측정 방법이 나와 있다. LO PLL은 1150MHz으로 합성되어 있다. LO 체배기가 켜져 있으며, VGA 튜닝 전압은 +2.5V로 설정되어 있다.4.9MHz 대역에 대해 적분이 된 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. 송신기 집합과 안테나 포트에서의 EVM 디스플레이
결론
MAX2721은 2.4GHz 대역에서의 광대역 송신기 애플리케이션에 이상적이다. 이 소자는 넓은 베이스밴드 대역폭, 내장 LO 체배기, 가변 이득 증폭기, 그리고 선형성이 높은 드라이버 증폭기 등을 갖고 있어 기본적인 빌딩 블록으로서의 역할과 원가 절감형 송신기 애플리케이션을 훌륭하게 구현할 수 있게 해준다. 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 Engineers의 등록 서비스 마크이다.
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