개요: 이 애플리케이션 노트에서는 셀룰러 대역 CDMA 핸드셋의 설계와 성능에 영향을 미치는 주요 메커니즘에 대해 설명한다. 구체적인 내용에는 상호 혼합(reciprocal mixing)과 혼변조(cross-modulation)가 포함된다. 벤치 측정 결과는 Maxim의 V3.5 CDMA 기준 설계의 시스템 성능을 보여준다.
머리말
CDMA 셀룰러 무선 시스템은 CDMA에 앞서 미국의 셀룰러 대역에서 사용되었던 종전의AMPS(Advanced Mobile Phone System)와 동일한 무선 주파수 스펙트럼 내에서 동작하도록 설계되었다. AMPS RF 구조는 많은 수의 간격이 좁고 비교적 협대역의 FM 채널로 이루어진다. 반대로 CDMA RF 구조는 개수는 적지만 광대역인 RF 채널로 이루어져 있다. 그 결과, CDMA 채널 계획에는 기존의 AMPS 채널이 포함될 수 밖에 없는데, 이것이 방해파로 작용하여 CDMA 링크 품질을 저하시킬 수 있다.
이 애플리케이션 노트에서는 셀룰러 대역 CDMA 핸드셋의 설계와 성능에 영향을 미치는 다음 두 가지 주요 메커니즘을 살펴보기로 한다.
LO 위상 잡음이 원하는 수신 RF와 간섭하는 상호 혼합
핸드셋 송신기에서 발생하는 누설이 LNA를 오버드라이브하는 혼변조
또한 실제 시스템에 대한 측정을 실시함으로써 양호한 CDMA 시스템 성능을 얻을 수 있음을 증명한다.
셀룰러 대역 주파수 계획의 배경
AMPS 서비스는 다음과 같은 850MHz 미국 셀룰러 대역의 대역 세그먼트에서 수행된다.
824MHz ~ 849MHz 업링크 (핸드셋 송신기용 역방향 채널 대역)
869MHz ~ 894MHz 다운링크 (핸드셋 수신기용 순방향 채널 대역)
AMPS 채널은 30kHz 간격으로 배열되며, 피크 편차에서 각 채널은 약 24kHz를 차지한다.
CDMA 서비스는 AMPS와 동일한 미국 셀룰러 대역을 사용하고 CDMA 채널은 30kHz AMPS 주파수 대역(raster)으로 배열된다(즉, 인접 채널 간격 30kHz). 그러나 각 CDMA 채널은 1.23MHz 대역폭을 사용한다. 이러한 배치를 관리하기 위해 휴대전화 반송파는 12.5MHz 대역 세그먼트로 할당된다. 가장 가까운 AMPS 채널은 대역 세그먼트 경계에서 가장 가까운 CDMA 채널의 에지로부터 285kHz 떨어져 설정된다(즉, 채널 중앙까지 9개의 30kHz AMPS 채널 + 15kHz). 그림 1을 참조한다.
그림 1. CDMA 채널과 CDMA 채널에 대해 방해파로 작용하는 가장 가까운 AMPS 반송파 간의 관계
가장 가까운 AMPS 채널이 CDMA 신호 레벨보다 훨씬 더 강하면 AMPS 채널은 CDMA 채널에 대해 단일 톤 방해파로 작용한다. 간섭 요인 주파수 오프셋은 다음과 같이 식 1로 나타낼 수 있다.
따라서, 285kHz + 615kHz = 900kH는 가장 가까운 간섭 AMPS 채널에서부터 원하는 CDMA 채널 중앙까지의 오프셋이다. 원하는 CDMA 채널의 감도 레벨(-101dBm)과 관련한 방해파의 전력 레벨은 3GPP2 무선 인터페이스 표준(Air-Interface Standard)에서 최악의 조건 -30dBm에서의 테스트 톤으로 규정하고 있다.
CDMA 핸드셋을 위한 단일 톤 둔감도 규격
단일 톤 둔감도는 할당된 채널의 중앙 주파수로부터 주어진 주파수 오프셋에 인접한 협대역 방해 전파(jammer)가 존재할 때 할당된 채널 주파수에서 CDMA 신호를 수신하는 셀룰러 폰의 능력을 측정한다. 수신기 둔감도는 프레임 에러율(FER)에 의해 측정된다1.
CDMA 시스템의 주요 장점은 25개 이상의 핸드셋이 서로 중첩하여, 즉 동일한 채널 센터에서 동작할 수 있다는 점이다. 코드 분할 다중 방식(채널 차별화)의 경우 각 핸드셋에 대한 업링크와 다운링크 반송파는 다른 직교 확산 코드에 할당된다.
코드 분할 다중 작업을 위해 CDMA 기지국은 사용자 신호가 모두 동일한 입사 전력 레벨에서 수신될 수 있도록 각 핸드셋 송신기의 전력을 정확히 제어해야 한다. 이러한 요구사항을 만족하려면 핸드셋 수신기는 매우 넓은 이득 제어 범위에서 동작해야 한다. CDMA 핸드셋 수신기가 기지국에서 가장 멀리 떨어져 있을 때 순방향 경로의 통상적인 신호는 -110dBm에 불과하다.
문제는 인접한 AMPS 시스템이 동일한 방식으로 셀룰러 폰의 업링크 전력을 제어하지 못하기 때문에 일어난다. 특히 셀 사이트 경계 지역의 경우 CDMA 핸드셋이 감도 제한에서 수신 중이거나 감도 제한 가까이에서 수신 상태에 있을 때, 가까운 AMPS 기지국이 강력한 방해파를 전송할 수도 있다.
다행히 다운링크 확산 코드의 특성상 CDMA 핸드셋 수신기는 인접 채널의 방해파에 큰 영향을 받지는 않는다. 협대역 AMPS 방해파는 핸드셋 상관기(correlator)에서 '확산'되므로, 그 영향은 프로세싱 이득만큼 (약 25dB) 감소된다. 간섭 정도가 상당하기 때문에, 테스트는 CDMA 수신기가 인접 채널 간섭을 적절히 관리할 수 있도록 지정되어야 한다. 3GPP2 CDMA2000 표준은 단일 톤 둔감도 테스트에 대해 다음과 같은 테스트 조건을 규정하고 있다.
미국의 CDMA 시스템에서 셀룰러 대역 테스트 요구사항은 무지향성 방사 전력을 +23dBm으로 규정하고 있다. PCS 대역 테스트 요구사항은 +15dBm(테스트 1과 2) 및 +20dBm(테스트 3과 4)의 최소 유효 무지향성 방사 전력으로 규정되어 있다. 방해 전파 레벨은 -30dBm(테스트 1과 2) 또는 -40dBm(테스트 3과 4)이다2.
단일 톤 둔감도에 대해 CDMA 프런트 엔드 IC 또는 zero-IF 수신기를 테스트하는 경우, 단일 톤 방해 전파에 의해 발생되는 간섭 성분(interference components)에 주의를 기울여 테스트 셋업에서 이러한 영향을 재생하는 것이 중요하다. 두 가지 주요 요인인 상호 혼합과 혼변조가 단일 톤 둔감도에 영향을 미친다.
상호 혼합
단일 톤 방해 전파가 수신기의 로컬 발진기 신호(Rx LO)와 섞이면 상호 혼합이 발생한다. Zero-IF 시스템에서 Rx LO는 단일 톤 방해 전파와 섞여 중간 주파수(IF) 또는 베이스밴드에서 간섭 성분을 발생시키는 유한 위상 잡음을 갖는다(그림 2).
그림 2. 방해 전파 존재 시 상호 혼합
수신기 단일 톤 둔감도 규격은 LO 위상 잡음 요구사항을 결정하는 핵심 성능 파라미터이다. 정확한 단일 톤 둔감도 측정을 위해 단일 톤 방해 전파 자체의 위상 잡음도 전체 간섭 레벨에 영향을 미친다는 것을 유념한다. 따라서 랩 테스트에서는 낮은 위상 잡음을 갖는 RF 신호 소스를 선택해야 한다. 이렇게 하면 단일 톤 둔감도에 미치는 주 요인이 RF 신호 발생기가 아닌 Rx LO의 위상 잡음임을 알 수 있다.
예를 들어, MAX2538 프런트 엔드 IC와 MAX2308 IF 복조기 IC를 사용하는 Maxim의 슈퍼헤테로다인 CDMA 기준 설계(버전 3.5)를 고려해보자. 수신기는 셀룰러 대역에서 3dB 미만의 캐스케이드 잡음 지수(LNA 입력 기준)를 갖는다. 만약 모바일 핸드셋에서 약 3dB의 듀플렉서/다이플렉서 손실을 가정한다면, 식 2와 같은 값을 얻을 수 있다.
만약 RF 신호 발생기의 위상 잡음이 수신기 잡음 플로어보다 10dB 낮으면 다음과 같이 계산된다.
여기서 -30dBm는 테스트 1과 2(표 1)에 대해 규정된 단일 톤 레벨이다. 따라서 다음 식 4에서와 같이 새로운 수신기 잡음 플로어를 구할 수 있다.
그 결과, RF 신호 발생기에서 -148dBc/Hz 위상 잡음의 영향은 수신기 감도에 그다지 큰 영향을 미치지 않았음을 보여준다(불과 0.4dB 성능 저하).
CDMA 핸드셋 표준은 900kHz 오프셋 주파수에서 -144dBc/Hz의 최소 위상 잡음을 요구한다. 중심 주파수로부터 멀리 떨어진 위상 잡음에 대한 평탄 응답을 가정하면(관련 대역 전반에 걸쳐 -144dBc/Hz), 앞의 식에서 수신기 잡음 플로어는 -167dBm/Hz이다. 이러한 레벨은 방해파가 없을 때 -168dBm/Hz 잡음 플로어보다 1dB 떨어지므로, 이에 따라 CDMA 표준은 RF 간섭 발생으로 인한 수신기 감도와 둔감도 성능 저하를 1dB까지 허용한다.
표 1. CDMA 핸드셋에서 단일 톤 둔감도에 대한 최소 요구사항3
Parameter
Units
Tests 1 and 3
Tests 2 and 4
Tone offset from carrier
SR1
kHz
+900 (BC 0, 2, 3, 5, 7 and 9) +1250 (BC 1, 4 and 8)
-900 (BC 0, 2, 3, 5, 7 and 9) -1250 (BC 1, 4 and 8)
SR3
kHz
+2500
-2500
Tone power
dBm
-30 (Tests 1 and 2) -40 (Tests 3 and 4)
dBm/1.23MHz
-101
dB
-7
dB
-15.6 (SR1) -20.6 (SR3)
혼변조 간섭
강한 송신기 누설 신호가 수신기의 LNA 입력에 존재할 때 혼변조가 발생한다. 이렇게 변조된 방해파는 LNA에서 3차 비선형성에 의해 900kHz AMPS 톤과 혼변조된다. 이러한 혼변조는 수신기에서 원하는 RF 채널의 잡음 전력을 증가시킨다. 수신기의 IP3는 믹서의 IP3에 의해 결정되지만, 대부분의 혼변조는 LNA에서 발생한다. 이러한 현상이 발생하는 이유는 LNA와 믹서 사이의 대역통과 필터로 인해 믹서 입력에서의 Tx 누설이 매우 작기 때문이다.4 수신기 테스트 셋업에 이러한 영향을 포함시키려면 CDMA 역방향 채널의 변조 신호를 수신기에 주입해야 한다. 셀룰러 대역의 경우, LNA 입력에 주입된 Tx 전력은 식 5와 같이 나타낼 수 있다.
이 식에서는 듀플렉서의 Rx 포트에서 52dB의 Tx 제거, 안테나에서부터 듀플렉서의 Tx 포트까지 2dB의 손실을 가정한다.
CNR 방법을 사용한 테스트 예
그림 3은 셀룰러 대역에서 CDMA 수신기를 테스트하기 위한 완벽한 단일 톤 둔감도 셋업을 보여준다. 동일한 셋업을 PCS 대역 테스팅에 사용할 수 있지만, 방해 전파 오프셋과 방해 전파에 대한 레벨 및 Tx 신호는 위의 표 1에 나와 있는 테스트 규격에 따라 설정해야 한다. 이 테스트 셋업에서 우리는 CNR (carrier-to-noise ratio) 방법을 사용하여 단일 톤 둔감도를 측정한다.
그림 3. 셀룰러 단일 톤 둔감도 셋업
감도는 시간의 95% 동안 프레임 에러율(FER)이 0.5% 이하인 최소 수신 전력으로 정의된다. CNR 측정에서는 3GPP2 표준의 무선 구성 1(Radio Configuration1)에서 Traffic Ec/Ior은 -15.6dB이고, 9600bps의 데이터 전송률에 대한 Traffic Eb/Nt는 4.5dB임을 유념한다. 프로세싱 이득은 10log(1.2288Mcps/9600bps) = 21.072dB이다. 따라서 다음의 식 6과 같이 나타낼 수 있다.
그러므로 CDMA 신호를 복조하는 데 필요한 CNR은 -1dB이다(1.23MHz 채널 대역폭에서 측정). 테스트 셋업에는 3kHz RBW 설정을 사용하고, 250kHz에서의 비트 노트 (beat-note) 테스트 톤 전력을 615kHz I-Channel 대역에서 모두 합친 총 채널 잡음 전력과 비교한다. 수신된 원하는 신호 전력이 -101dBm이고 허용된 총 잡음 전력이 -100dBm이므로, 시스템의 감도 요구사항을 만족하기 위해서는 -1dB의 CNR이 필요하다는 것을 알 수 있다.
이 방법을 증명하기 위해 온 칩 VCO가 내장된 zero-IF 단일 수신기 IC(MAX2585)를 사용하여 Maxim의 N-CDMA V4.1 기준 설계에서 수행된 측정을 고려한다(그림 4). 녹색 곡선은 방해 전파 또는 Tx 신호가 없을 때 원하는 신호를 보여준다. (원하는 신호를 위해 CDMA 순방향 채널 변조 신호 대신 250kHz에서 주입된 단일 톤을 사용하고 -101dBm에서 채널 주파수로부터 오프셋한다.) 파란 곡선은 방해 전파와 CDMA Tx 신호가 모두 켜져 있을 때 잡음이 상승하는 것을 보여준다. 다음 절차는 테스트 셋업을 요약한 것이다.
그림 4. 단일 톤 방해 전파와 CDMA TX 신호로 인한 잡음 상승
3dB 패드 입력을 기준으로 -101dBm 입력을 수신하도록 시스템 이득을 조정한다. 이 과정은 듀플렉서 손실을 시뮬레이트하는 것이다. MAX2585 수신기 IC의 경우 8.5mVRMS의 공칭 출력 신호 레벨에 대한 이득을 설정한다(50에 -28.5dBm).
-24dBm에서 CDMA Tx 신호(3dB 패드 입력을 기준으로 Rx 채널 주파수에서 45MHz 미만)를 켠다.
3dB 패드 입력을 기준으로 -30dBm에서 CW 방해 전파 톤을 켠다. 잡음 플로어 상승을 관찰한다.
베이스밴드에서 615kHz까지 모두 합친 총 잡음 전력이 원하는 신호 레벨보다 1dB 더 높도록 잡음 플로어 상승에 대한 CW 방해 전파 레벨을 조정한다. 이 예에서는 분석기에서 DC 누설을 피하기 위해 25kHz ~ 615kHz까지 모두 합친다.
-1dB CNR에서 방해 전파 레벨을 기록하고 단일 톤 둔감도 여유도를 계산한다.
이 예에서 25kHz ~ 615kHz까지 모두 합친 총 잡음 전력은 -27.5dBm이다. 출력에서 수신된 톤은 -28.5dBm이며, 이는 -1dB CNR 요구사항을 만족한다. 단일 톤 방해 전파 레벨은 -1dB CNR 포인트에서 -27dBm이며, 이는 MAX2585 IC가 테스트 주파수에서 3dB 여유도를 가지면서 단일 톤 둔감도 요구사항을 만족한다는 것을 보여준다.
요약
본문에서는 3GPP2 표준별 단일 톤 둔감도와 단일 톤 둔감도의 주요 요인에 대해 살펴보고, CDMA 수신기에서 단일 톤 둔감도를 측정하기 위한 실제적인 방법을 제시하였다. Maxim의 슈퍼헤테로다인 및 직접 변환 수신기 IC에 대한 자세한 내용은 Maxim 웹사이트 무선, RF 및 케이블 IC를 참조한다.
유사한 기사가 RF Design 2005년 5월호에 게재되었다.
참고 자료
"Recommended Minimum-Performance Standards for cdma2000 Spread Spectrum Mobile Stations," 3GPP2 C.S0011-A, 2001, page 3-21 (pg.85 in the pdf version of the document).
"Recommended Minimum-Performance Standards for cdma2000 Spread Spectrum Mobile Stations," page 3-23 (pg.87 in the pdf version of the document).
"Recommended Minimum-Performance Standards for cdma2000 Spread Spectrum Mobile Stations," page 3-23 (pg.87 in the pdf version of the document).
Walid Y. Ali-Ahmad, "RF system issues related to CDMA receiver specifications," RF Design, September 1999, pp.22-32.
다운로드, PDF 형식
에 -28.5dBm).
