개요: 셀룰러 송신기는 선형성 및 동적 범위를 유지하기 위해서는 고성능 RF 변조기가 요구된다. 다중 반송파 송신기가 발전함에 따라, RF 변조기는 낮은 잡음 플로어를 유지하는 동시에 높은 수준의 우수한 성능을 제공해야 한다. 이러한 변조기 성능은 일반적으로 2차 및 3차 교차점에 의해 결정된다. 이 글에서는 이와 같은 요구사항을 설명하고, MAX2022가 어떠한 원리로 일반적인 4 반송파 WCDMA 송신기 구조의 요구사항을 만족시키는지 살펴볼 것이다.
개요
오늘날 거의 모든 셀룰러 기지국은 수퍼헤테로다인 구조를 사용하여 RF 신호를 송수신한다. 이 구조는 두 단계 이상의 업/다운 변환 단계, 중간 필터링 및 아날로그 신호 처리를 필요로 한다. 그림 1은 일반적인 듀얼 변환, 셀룰러 기지국 송신 블록 다이어그램이다. 이와 같은 송신기의 대부분은 단일 반송파 시스템으로 구현되었다. 다중 반송파 송신기는 단일 반송파 송신기가 다수 반복된 형태로 구성된 것이므로, 따라서 실실적으로 더 많은 시스템 하드웨어를 필요로 한다. 많은 시스템 설계자들은 송신기 비용을 낮추기 위해 다중 반송파 송신기와 직접 변환 RF 구조에 주의를 돌리고 있다.
그림 1. 일반적인 수퍼헤테로다인 송신 구조
다중 반송파 구조의 과제
다중 반송파 구조는 송신 채널의 수를 감소시킨다. 직접 변환 구조는 RF 신호를 기저대역으로부터 직접 변환함으로써 각 채널의 부품 수를 줄인다. 전체 시스템 요구사항을 만족하려면 두 구조는 모두 더 넓은 동적 범위와 더 높은 선형성을 갖는 부품을 필요로 한다. 그림 2는 직접 변환 송신기 구조의 일반적인 블록 다이어그램을 보여준다. 이러한 직접 변환 구조에서는 필요한 신호 처리단의 숫자가 크게 줄어듦을 확인할 수 있다. 다중 믹서, 증폭기, IF 및 RF 필터가 모두 단일한 집적 솔루션에 의해 대체된다.
그림 2. 직접 변환 구조
최근까지 디지털-아날로그 컨버터(DAC) 및 직접 변환 변조기 성능은 3세대(3G) 다중 반송파 셀룰러 기지국을 지원하기에는 충분하지 않았다. 오늘날의 3세대 통신 기지국 송신기 설계는 보다 저비용이면서도 보다 융통성있는 솔루션을 필요로 한다. RF 변조기의 선택은 비용과 유연성에 현저한 영향을 미치므로, 송신기의 기본 구조를 결정하게 된다.
단일 송신기 구조 문제의 해결
Maxim Integrated Products는 이러한 다중 반송파 송신기 요구를 해결하기 위해 직접 쿼드러처 RF 변조기 MAX2022를 개발했다. 이 소자는 뛰어난 동적 범위를 제공하므로 송신기 설계자는 시스템 성능을 잘 통제할 수 있게 된다.
-174dBm/Hz에 가까운 유례없는 출력 잡음 플로어와 함께 매우 높은 OIP2 및 OIP3 특성은 모든 관련 시스템 규격에 상당한 여유도를 갖는 진정한 다중 반송파 성능의 구현을 가능하게 한다. 이제 단일 송신기 구조는 CDMA2000으로부터 WCDMA와 OFDM에 이르기까지 최대 9 반송파까지 여러 종류의 변조를 지원할 수 있다. 더욱이, 이 변조기의 우수한 성능을 송신기 설계에 구현함으로써, 하드웨어 요구사항과 비용을 현저히 낮추고 라인업 유연성을 대폭 증가시킬 수 있다.
MAX2022 쿼드러처 변조기는 SiGe 프로세스를 사용하여 1500MHz ~ 2500MHz의 주파수 범위를 포괄한다. 그림 3은 회로의 내부 구조를 보여준다.
그림 3. MAX2022 블록 다이어그램
MAX2022는 단일 종단 LO 입력, 내부적으로 50 으로 정합되어 있으며, -3dBm ~ +3dBm의 입력 LO 구동을 수용한다. LO는 쿼드러쳐 스플리터에 의해 분배되고, 2개의 고성능 수동 믹서에 인가된다. 이 소자의 쿼드러처 I 및 Q 입력은 44 입력 임피던스를 갖는 차동 입력이다. 1GHz를 초과하는 뛰어난 입력 대역폭은 소자를 기저대역 직접 RF 변조기 또는 쿼드러처 IF 입력 기능이 있는 이미지 제거 믹서로 사용할 수 있도록 한다. 쿼드러처 입력은 특별히 전류 출력 DAC와 직접 인터페이싱하도록 설계되었다. 이러한 기능은 성능을 제한하고 비용을 증가시키는 중간 버퍼 증폭기의 필요를 제거한다. 믹서 출력은 결합되어, 내부적으로 50으로 정합되는 단일 종단 RF 출력에 인가된다.
MAX2022 RF 변조기 성능
RF 변조기 성능은 몇 가지 독립적인 파라미터에 의해 결정된다. MAX2022는 모든 중요한 영역에서 뛰어난 성능을 제공한다. OIP3는 +22dBm이고, +12dBm의 P1dB를 갖는다. 다중 반송파 간의 상호변조 곱성분은 OIP3에 의존한다. 높은 OIP3 값은 낮은 레벨의 상호변조 왜곡을 보장한다. OIP2는 zero-IF 애플리케이션을 위한 또 하나의 중요한 파라미터이다. MAX2022의 OIP2는 UMTS 대역에서 +50dBm이다. OIP2도 기저대역 신호에 중요하다. 기저대역 신호에서의 2차 고조파 영향은 RF 출력에서 스펙트럼 확산을 생성하며, 이는 ACLR 성능을 저하시킨다. 결과적으로, 높은 OIP2 값은 낮은 레벨의 ACLR 왜곡을 보장한다. 그림 4는 1500MHZ ~ 2500MHz 주파수 범위에서 OIP2, OIP3 및 출력 전력에 대한 소자의 성능 변화를 보여준다.
그림 4. MAX2022의 주파수 대비 OIP2, OIP3, POUT
MAX2022의 잡음 플로어 성능은 수동 믹서를 변조기로 사용하면 크게 향상된다. 수동 믹서는 과도한 잡음을 발생시키지 않으므로, 일반적인 출력 신호 레벨의 경우 소자는 -174dBm/Hz의 출력 잡음 레벨에 근접할 수 있다. -10dBm을 초과하는 신호 레벨의 경우 LO 버퍼의 위상 잡음이 중요해진다. LO 버퍼는 -164dBc/Hz의 특히 낮은 위상 잡음을 갖도록 설계되었다.
그림 5. 잡음 플로어 vs. 출력 전력
RF 변조기 성능 비교에 유용한 측정 중 하나는 P1dB로 표시되는 최대 실질 신호 레벨과 잡음 플로어 간의 차인 소자의 동적 범위이다. MAX2022는 다른 모든 집적 RF 변조기의 동적 범위보다 매우 우수한 186dB의 동적 범위를 갖는다.
LO 누설 레벨은 PCS 및 UMTS 대역에서 -40dBm 미만이며, 이러한 대역에 대한 측대역 억제는 45dB를 초과한다. 디지털 전치 왜곡 제어 루프는 이러한 레벨을 더욱 감소시킬 수 있어, LO 누설은 -80dBm 미만까지, 측대역 억제는 60dB 이상까지 되도록 한다. RF 통과 대역 평탄도는 100MHz에서 0.5dB 이상이므로, 광대역 시스템에서 소자의 사용을 가능하게 한다.
UMTS 대역에서 다중 반송파 WCDMA 생성
이러한 많은 성능 파라미터의 궁극적인 이점은 실제 반송파를 생성할 때 이러한 파라미터의 상호작용에 있다. 바로 여기에서 MAX2022의 진정한 우수성이 드러난다.
예를 들어, WCDMA 변조를 사용하여 4 반송파를 생성하는 문제를 고려해 보자. 오늘날의 송신기 설계는 WCDMA 반송파 자체의 대역폭으로 20MHz를 수용해야 한다. 이 밖에도 시스템은 전력 증폭기에 의한 이후의 왜곡을 보정하기 위해 송신 신호를 디지털로 미리 왜곡하는데 필요한 대역폭을 지원해야 한다. 이 대역폭은 100MHz를 초과할 수 있다. 그림 6은 이와 같은 신호의 스펙트럼을 보여준다.
그림 6. 4 반송파 UMTS 스펙트럼
특별히 넓은 대역폭은 송신 출력 스펙트럼을 UMTS 대역 제한 밖으로 밀어낸다는 것을 알 수 있다. 따라서 스퓨리어스 신호와 잡음 레벨을 트리밍하기 위한 RF 필터를 사용하지 않으면서 대역 에지 밖에서 송신기 시스템의 잡음 성능이 송신기 마스크 요구사항을 만족시켜야 한다. 이러한 요구사항은 RF 변조기 부담을 특히 가중시킨다. 그러나 MAX2022의 넓은 대역폭과 특별히 우수한 동적 범위는 이러한 시스템 설계를 가능하게 한다.
그림 7은 UMTS 대역에서 1, 2 및 4 반송파 WCDMA를 생성하는 ACLR 성능을 보여준다. 아주 우수한 ACLR 값은 MAX2022의 넓은 동적 범위로 인해 매우 넓은 출력 전력 레벨에서 유지된다. 이와 같이 넓은 범위의 사용 가능한 출력 전력은 시스템 설계에 유용하다. 표시된 잡음 플로어 성능은 선택된 ACLR 성능에 대한 총 사용 가능한 동적 범위를 보여준다. 예를 들어, 4 반송파 WCDMA 신호는 반송파 당 -28dBm에서 66dB의 ACLR과 -173.5dBm/Hz의 출력 잡음 플로어를 갖는다.
그림 7. 1, 2 및 4 반송파 WCDMA ACLR 및 잡음 플로어
이와 같이 예외적으로 높은 수준의 성능은 OFDM, QAM과 같은 다른 변조를 생성하는 데에도 매우 적합하다. CDMA2000 및 TD-SCDMA는 최대 9 반송파까지 지원될 수 있다. 단일 하드웨어 구성으로 이러한 모든 변조를 임의로 또는 모두 생성할 수 있다.
시스템 수준의 설계
MAX2022 인터페이스는 보조 회로 요구사항을 최소화하도록 설계되었다. 이러한 설계는 전체 시스템 비용을 현저히 낮춘다. 임피던스 정합, 통합된 LO 버퍼 및 발룬은 -3dBm ~ +3dBm의 낮은 LO 전력 레벨에서 단일 종단 LO 인터페이스의 사용을 가능하게 한다. 통합된 RF 발룬은 단일 종단 RF 출력을 허용하며, RF 출력은 50으로 임피던스 정합된다. 기저대역 I 및 Q 입력은 차동 인터페이스에 44 내부 임피던스를 제공한다. 이러한 입력은 중간에 버퍼 증폭기 없이 고성능 전류 출력 DAC의 출력에 대한 직접 연결을 수용한다. MAX2022의 매우 높은 성능 수준에서는 소자 성능을 크게 떨어뜨리지 않는 외부 기저대역 증폭기를 찾기는 상당히 어렵다. 다행히, 이 설계에서 기저대역 증폭기는 필요하지 않다. 그림 8은 권장되는 MAX2022에 대한 DAC 종단 인터페이스를 보여준다. 접지에 대한 50 저항이 DAC를 적절히 종단시키고, 20mAP-P의 일반적인 풀 스케일 전류가 MAX2022의 기저대역 입력에 최대 0dBm를 제공한다.
그림 8. 기저대역 입력에 대한 DAC 인터페이스
MAX2022에 내재하는 잠재적인 성능을 실현하기 위해서는 신중한 시스템 수준 설계가 요구된다. 그림 9는 디지털 전치 왜곡 기능을 갖는 WCDMA 변조의 4 반송파 생성을 위해 제안되는 라인업이다. 신호 레벨, 잡음 레벨 및 ACLR은 각 단계의 출력에서 케스케이드되는 라인업에 대해 표시된다.
그림 9. Tx 라인업과 신호 분석
DAC부터 살펴보면, 우리가 필요로 하는 부품은 50MHz의 대역폭과 이러한 설계를 위해 목표값인 65dB보다 훨씬 더 우수한 ACLR을 가지며 낮은 잡음 및 스퓨리어스 플로어에서 신호를 생성할 수 있어야 한다. 이러한 요구사항을 만족시키는 부품의 예로 MAX5895 듀얼 인터폴레이팅 DAC가 제안된다. DAC가 고출력 샘플 레이트와 상대적으로 낮은 입력 데이터 레이트에서 동작할 수 있도록, 이 애플리케이션에 DAC를 인터폴레이팅할 것을 권장한다. 다음으로, 인터폴레이션 필터의 감쇄가 중요하다. DAC 다음의 저역 통과 필터는 인접한 인터폴레이션 이미지에 대해 큰 감쇄 효과가 없기 때문이다. DAC를 인터폴레이팅하면 각각의 기저대역 입력 데이터 레이트에서 기저대역 신호의 이미지가 생성된다. 이러한 이미지는 변조기 입력으로부터 적절히 제거되지 않을 경우 변조기 RF 출력에 적지 않은 측대역을 생성시킨다. MAX5895는 인터폴레이션 이미지에 대해 95dB 감쇄를 제공하므로 이러한 목적에 이상적이다. 이러한 감쇄는 DAC 다음의 기저대역 저역 통과 필터의 복잡성을 근본적으로 감소시키므로, DAC 설계를 단순화하고, 인터폴레이션 이미지가 광대역 신호에서 전체 시스템의 위상 응답에 미치는 영향을 최소화한다.
다음으로 변조기 출력을 살펴보면, 출력 신호 레벨이 반송파 당 -28dBm, 총 -22dBm이라는 것을 알 수 있다. ACLR은 변조기의 성능에 의해 +66dB에서 설정된다. (여기에서 DAC의 성능은 제한 사항이 아니다.) 그러나 잡음 플로어는 변조기만으로 -174dBm/Hz에서 -170dBm로 저하되었다. 이는 DAC의 케스케이드되는 잡음 레벨로 인한 것이다. 여기에서, 전반적인 최고 수준의 성능을 달성하기 위해서는 모든 구성 요소를 신중하게 선택해야 한다는 점이 분명해진다.
캐스케이드되는 ACLR의 성능 저하를 방지하기 위해서는 선택하는 RF 증폭기는 낮은 잡음 특성과 적절한 OIP3를 가져야 한다. 이득이 12dB일 경우, 이 단계에서 +30dBm보다 큰 OIP3를 권장한다. 캐스케이드되는 ACLR의 성능 저하를 피하려면 높은 OIP3를 갖는 출력 단계를 선택한다. 전체 라인업 이득을 조정하여 반송파 당 -6dBm, 총 0dBm에서 출력 레벨을 설정할 수 있도록 MAX2057 RF VGA를 제안한다. +37dBm의 OIP3는 케스케이드되는 ACLR이 +65dB에서 유지되도록 보장한다.
이러한 케스케이드되는 송신기 설계는 +65dB의 뛰어난 ACLR를 생성하면서 동시에 각 개별 반송파에 대해 -139dBc/Hz의 잡음 플로어를 유지한다. RF 필터링을 사용하지 않고도 잡음 플로어 및 스퓨리어스 레벨 성능이 달성된다. 이에 따라 동일한 하드웨어 구성을 변경할 필요 없이 여러 대역에서 사용할 수 있다. 더욱이, 소수의 소자로 구성되는 이러한 설계의 단순성은 고성능 송신기를 위한 초소형의 비용 효율적인 솔루션을 제공한다.
결론
변조기 신제품 MAX2022는 송신기 애플리케이션에서 전례없는 수준의 성능을 달성한다. MAX2022는 zero-IF와 이미지 제거 믹서 구조를 모두 허용한다. 또한 고도로 간소화되고 비용 효율적인 유연한 송신기 구조의 구현을 용이하게 하므로, 송신기 설계자의 설계 효율성이 증대된다.
이 글과 유사한 내용의 원고가 Microwaves & RF 2005년 4월호에 게재되었다.
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