기술기고문
혁신적인 통합 트랜시버 덕분에 간편해진 2G~5G 기지국 리시버 설계
혁신적인 통합 트랜시버 덕분에 간편해진 2G~5G 기지국 리시버 설계
기지국 리시버 설계 작업은 결코 만만치 않다. 리시버를 구성하는 믹서, 저잡음 증폭기(LNA), 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 같은 부품들은 시간이 지나면서 점진적으로 발전해 왔다. 하지만 아키텍처는 크게 달라지지 않았다. 아키텍처 선택이 제한적이기 때문에 기지국 설계 엔지니어들이 자신들의 제품을 차별화하기가 어려웠다. 최근 들어 통합 트랜시버 같은 향상된 제품들이 등장함에 따라 까다로운 기지국 리시버 설계도 훨씬 더 수월하게 작업할 수 있게 되었다. 또한 이러한 트랜시버가 새로운 기지국 아키텍처를 제공하는 덕분에 기지국 설계 엔지니어들은 자신의 제품 설계를 차별화할 수 있는 더 넓은 선택권을 갖게 되었다.
이 글에서 소개하는 통합 트랜시버 제품은 업계 최초로 2G부터 5G까지 모든 셀룰러 표준을 지원하며 6GHz 이하의 튜닝 대역 전체를 지원한다. 이러한 트랜시버 제품을 사용함으로써 기지국 설계 엔지니어들은 모든 주파수 대역 및 전력 요건에 대해 하나의 컴팩트한 무선 제품을 채택할 수 있게 됐다.
먼저, 다양한 기지국 유형에 대해서 알아보자. 잘 알려진 표준 기구인 3GPP는 여러 기지국 등급을 정의하고 있다. 이들 기지국 등급은 다양한 명칭으로 불린다. 가장 넓은 기지국인 광역 기지국(WA-BS)은 지리적으로 가장 넓은 범위와 가장 많은 수의 사용자를 지원한다. 이는 가장 높은 전력으로 출력하며, 우수한 리시버 감도를 제공해야 한다. 이보다 작은 기지국일수록 출력 전력과 리시버 감도 요구가 단계적으로 낮아진다.
표 1: 다양한 기지국 규모와 특성
3GPP는 변조 방식도 다양하게 정의하고 있다. 변조 방식은 크게 비-GSM 방식(LTE와 CMDA 포함)과 GSM 방식(특히 멀티캐리어 GSM(MC-GSM))으로 구분된다. 이들 중에서 GSM 방식이 RF 및 아날로그 성능 면에서 더 까다롭다. 갈수록 더 높은 쓰루풋이 요구됨에 따라서 싱글캐리어 GSM보다 MC-GSM이 더 일반화되는 추세다. 일반적으로 MC-GSM 성능을 지원할 수 있는 기지국 프런트엔드라면 비-GSM 방식도 처리할 수 있다. 따라서 MC-GSM을 처리할 수 있는 사업자가 시장 기회를 포착하는 데 있어서 더 유리할 것이다.
예전에는 기지국이 디스크리트 소자들을 사용해 설계되었다. 최근 출시되고 있는 통합 트랜시버 제품을 사용하면 여러 디스크리트 소자를 대체할 수 있으며 시스템 차원에서도 유리하다.
이제, 기지국 리시버 설계 시 고려해야 할 점들을 살펴보자.
광역 또는 매크로 기지국은 가장 까다롭고도 비용이 많이 드는 리시버 설계이자, 오늘날 무선 통신망의 중추 역할을 하고 있는 장비이다. 그렇다면 이 기지국을 설계하기가 어려운 이유는 무엇일까? 한 마디로 말하면 감도(sensitivity) 때문이다.
기지국 리시버는 특정 조건 아래에서 요구되는 감도를 달성해야 한다. 감도는, 기지국 리시버가 단말기로부터 전송되는 가장 약한 신호를 얼마나 잘 복조하느냐를 나타내는 성능 지표이다. 감도에 따라서 기지국이 단말기로부터 얼마나 멀리까지 떨어져 있을 수 있느냐가 결정된다. 감도는 다시 두 가지로 구분된다. 1) 외부적 간섭이 없을 때의 정적 감도와 2) 간섭이 있을 때의 동적 감도가 그것이다.
정적 감도부터 알아보자. 엔지니어링 용어로, 감도는 시스템 잡음 지수(NF)에 의해서 결정된다. 잡음 지수가 낮을수록 감도가 우수하다. 원하는 감도를 달성하는 것은, 이득을 높여서 원하는 시스템 NF를 달성하는 방법으로 할 수 있으며, 이득은 저잡음 증폭기(LNA)라고 하는 비싼 부품을 사용해서 생성할 수 있다. 이득이 높을수록 LNA의 가격대와 전력대가 높아진다.
안타깝게도 정적 감도는 동적 감도와 절충 관계이다. 동적 감도란, 간섭(interference) 때문에 정적 감도가 나빠질 수 있다는 것을 의미한다. 간섭은 리시버 상에 원치 않는 신호가 나타나는 것을 말하는데, 시스템 외부로부터 들어오는 신호나 혼변조(intermodulation) 성분 같이 리시버가 의도치 않게 발생하는 신호 등이 포함된다. 이러한 맥락에서 선형성(linearity)은 시스템이 간섭을 얼마나 잘 처리하느냐를 나타낸다.
간섭이 존재하면 그도록 달성하고자 애썼던 감도가 나빠진다. 이러한 절충 관계는 이득이 높아질수록 악화된다. 통상적으로 이득은 선형성이 낮을 때 생겨난다. 다시 말해, 이득이 너무 높으면 선형성이 나빠진다. 이것은 간섭이 센 환경에서는 감도가 떨어지는 결과로 이어진다.
무선 통신망은 네트워크 성능 요구에 대한 부담이 단말기가 아니라 기지국 쪽으로 가도록 설계된다. WA-BS는 넓은 범위를 대응하고 우수한 감도를 달성하도록 설계된다. WA-BS는 단말기로부터의 신호가 매우 약한 기지국 망 가장자리에 있는 단말기들을 지원할 수 있도록 정적 감도가 우수해야 한다. 그런데 또 한편으로는 간섭이나 장애물이 존재하는 조건에서는 동적 감도 또한 우수해야 한다. 기지국 리시버는 가까이에 있는 단말기가 보내는 강한 신호가 간섭을 발생하는 환경에서도 멀리 있는 단말기로부터의 약한 신호에 대해서 여전히 우수한 성능을 나타내야 한다.
그림 1은 디스크리트 소자를 기반으로 설계된 시스템 리시버의 전형적인 신호 체인을 간단하게 나타낸 것이다. LNA, 믹서, 가변 이득 증폭기(VGA)를 합쳐서 RF 프런트엔드라고 한다. 이 그림에서 RF 프런트엔드는 잡음 지수가 1.8dB로 설계되었으며, ADC는 잡음 지수가 29dB이다. 그림 1에 나타난 시스템의 감도는 RF 프런트엔드 이득을 x 축에 스윕함으로써 살펴볼 수 있다.
이번에는 트랜시버 리시버 신호 체인과 비교해 보자. 트랜시버 리시버 신호 체인의 BOM이 디스크리트 리시버 신호 체인보다 더 적다는 것을 알 수 있다. 또한 트랜시버는 칩 상에 각각 2개씩의 트랜스미터와 리시버를 사용해서 설계된다. 통합으로 인해 겉으로 드러나지는 않지만, 이 리시버 설계는 통상 12dB의 잡음 지수를 달성한다.
그림 3은 앞서 설명한 두 가지 설계 구현에 대한 RF 프런트엔드 이득 대비 정적 감도를 보여준다. WA-BS가 동작하는 구간에서는 엄격한 감도 요구를 거의 충족한다는 것을 알 수 있다. 이와 대조적으로, 스몰셀이 동작하는 구간에서는 감도 곡선의 기울기가 매우 가파르며, 표준 요건을 간신히 충족한다. 이 트랜시버를 사용하면 WA-BS나 스몰셀 기지국 모두 훨씬 더 낮은 RF 프런트엔드 이득으로 원하는 감도를 달성할 수 있다.
동적 감도는 어떨까? 이 트랜시버를 사용해서 광역 기지국을 설계하면 RF 프런트엔드 이득 영역에서의 동적 감도 역시 디스크리트 솔루션에 비해서 훨씬 더 우수하다. 이는 이득이 낮은 RF 프런트엔드일수록 주어진 전력 소모 조건에서 선형성이 더 높기 때문이다. 디스크리트 솔루션은 일반적으로 높은 이득을 사용하며, 선형성이 주로 RF 프런트엔드에 의해서 결정된다. 트랜시버를 사용하는 설계는 디스크리트 솔루션에 비해 간섭으로 인한 감도 저하를 크게 줄일 수 있다.
또 한 가지 주목할 만한 점은, 심한 간섭이 존재할 때 이 간섭이 허용 가능한 수준이 되도록 이득을 낮췄다가 간섭이 줄어들면 이득을 다시 높이도록 시스템을 설계할 수 있다는 것이다. 이것을 자동 이득 제어(AGC)라고 한다. 그런데 이득을 낮추면 감도 또한 낮아진다. 그러므로 시스템이 간섭을 허용할 수만 있다면 이득을 되도록 높게 해서 감도를 극대화하는 것이 좋다.
지금까지 설명한 내용을 요약해 보면, 이러한 트랜시버의 두 가지 우수한 점은 잡음 지수와 간섭을 견디는 능력이 뛰어나다는 것이다. 신호 체인에 이 트랜시버를 사용하면 설계자가 원하는 정적 감도를 훨씬 더 낮은 프런트엔드 이득으로 달성할 수 있다. 또한 간섭을 견디는 능력이 뛰어나므로 더 우수한 동적 감도를 달성할 수 있다. 만약 LNA를 사용할 필요가 있다고 하더라도 더 저렴한 LNA를 사용할 수 있고 전력 소모도 줄일 수 있다. 이러한 이점들을 활용한다면 시스템의 다른 부분들에서도 또 다른 절충이 가능할 것이다.
오늘날에는 광역 기지국 및 스몰셀 기지국 용으로 구성가능한 트랜시버 제품들이 출시되고 있다. 아나로그디바이스는 이러한 기술과 제품의 선도 기업이며, ADRV9009와 ADRV9008은 광역 기지국과 MC-GSM 방식에 사용하기에 적합한 트랜시버 제품이다. 또한 AD9371 제품은 비-GSM 방식(CDMA, LTE)에 적합한 뛰어난 성능과 대역폭 특성을 제공하면서도 전력 소모는 보다 최적화되었다.
기지국 리시버 설계와 관련해서는 감도 등 앞에서 살펴본 특성들 외에도 자동 이득 제어(AGC) 알고리즘, 채널 예측, 균등화 알고리즘 같은 문제들이 중요하다. 이러한 문제들에 대한 이해를 높임으로써 설계 작업을 더 수월하게 하고 더 향상된 리시버 시스템을 설계할 수 있을 것이다.
케니 맨(Kenny Man)은 25년 간 텔레콤 장비 회사와 반도체 회사에 근무하면서 무선 인프라와 관련한 고속 계측기와 무선 기지국용 시스템 설계, 시스템 애플리케이션, 시스템 아키텍처를 다뤄왔다. 현재는 제품 엔지니어링 업무를 맡고 있으며 통신 인프라의 빌딩블록을 구축하는데 기여하고 있다. 취미는 하이킹, 스노우 스키, 역사책 읽기이다. 연락처: kenny.man@analog.com
글: 존 랜포드(Jon Lanford), 케니 맨(Kenny Man) / 아나로그디바이스
기지국 리시버 설계 작업은 결코 만만치 않다. 리시버를 구성하는 믹서, 저잡음 증폭기(LNA), 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 같은 부품들은 시간이 지나면서 점진적으로 발전해 왔다. 하지만 아키텍처는 크게 달라지지 않았다. 아키텍처 선택이 제한적이기 때문에 기지국 설계 엔지니어들이 자신들의 제품을 차별화하기가 어려웠다. 최근 들어 통합 트랜시버 같은 향상된 제품들이 등장함에 따라 까다로운 기지국 리시버 설계도 훨씬 더 수월하게 작업할 수 있게 되었다. 또한 이러한 트랜시버가 새로운 기지국 아키텍처를 제공하는 덕분에 기지국 설계 엔지니어들은 자신의 제품 설계를 차별화할 수 있는 더 넓은 선택권을 갖게 되었다.
이 글에서 소개하는 통합 트랜시버 제품은 업계 최초로 2G부터 5G까지 모든 셀룰러 표준을 지원하며 6GHz 이하의 튜닝 대역 전체를 지원한다. 이러한 트랜시버 제품을 사용함으로써 기지국 설계 엔지니어들은 모든 주파수 대역 및 전력 요건에 대해 하나의 컴팩트한 무선 제품을 채택할 수 있게 됐다.
먼저, 다양한 기지국 유형에 대해서 알아보자. 잘 알려진 표준 기구인 3GPP는 여러 기지국 등급을 정의하고 있다. 이들 기지국 등급은 다양한 명칭으로 불린다. 가장 넓은 기지국인 광역 기지국(WA-BS)은 지리적으로 가장 넓은 범위와 가장 많은 수의 사용자를 지원한다. 이는 가장 높은 전력으로 출력하며, 우수한 리시버 감도를 제공해야 한다. 이보다 작은 기지국일수록 출력 전력과 리시버 감도 요구가 단계적으로 낮아진다.
표 1: 다양한 기지국 규모와 특성
| 비-GSM 기지국 | GSM 기지국 | |
| 최대의 도달 범위, 사용자 수 , 전력 출력, 최고의 감도 | 매크로 또는 광역 기지국 | 일반 |
| 미디엄 | 마이크로 | |
| 최소의 도달 범위, 사용자 수, 전력, 완화된 감도 | 근거리 또는 스몰셀 | 피코 |
3GPP는 변조 방식도 다양하게 정의하고 있다. 변조 방식은 크게 비-GSM 방식(LTE와 CMDA 포함)과 GSM 방식(특히 멀티캐리어 GSM(MC-GSM))으로 구분된다. 이들 중에서 GSM 방식이 RF 및 아날로그 성능 면에서 더 까다롭다. 갈수록 더 높은 쓰루풋이 요구됨에 따라서 싱글캐리어 GSM보다 MC-GSM이 더 일반화되는 추세다. 일반적으로 MC-GSM 성능을 지원할 수 있는 기지국 프런트엔드라면 비-GSM 방식도 처리할 수 있다. 따라서 MC-GSM을 처리할 수 있는 사업자가 시장 기회를 포착하는 데 있어서 더 유리할 것이다.
예전에는 기지국이 디스크리트 소자들을 사용해 설계되었다. 최근 출시되고 있는 통합 트랜시버 제품을 사용하면 여러 디스크리트 소자를 대체할 수 있으며 시스템 차원에서도 유리하다.
이제, 기지국 리시버 설계 시 고려해야 할 점들을 살펴보자.
광역 또는 매크로 기지국은 가장 까다롭고도 비용이 많이 드는 리시버 설계이자, 오늘날 무선 통신망의 중추 역할을 하고 있는 장비이다. 그렇다면 이 기지국을 설계하기가 어려운 이유는 무엇일까? 한 마디로 말하면 감도(sensitivity) 때문이다.
기지국 리시버는 특정 조건 아래에서 요구되는 감도를 달성해야 한다. 감도는, 기지국 리시버가 단말기로부터 전송되는 가장 약한 신호를 얼마나 잘 복조하느냐를 나타내는 성능 지표이다. 감도에 따라서 기지국이 단말기로부터 얼마나 멀리까지 떨어져 있을 수 있느냐가 결정된다. 감도는 다시 두 가지로 구분된다. 1) 외부적 간섭이 없을 때의 정적 감도와 2) 간섭이 있을 때의 동적 감도가 그것이다.
정적 감도부터 알아보자. 엔지니어링 용어로, 감도는 시스템 잡음 지수(NF)에 의해서 결정된다. 잡음 지수가 낮을수록 감도가 우수하다. 원하는 감도를 달성하는 것은, 이득을 높여서 원하는 시스템 NF를 달성하는 방법으로 할 수 있으며, 이득은 저잡음 증폭기(LNA)라고 하는 비싼 부품을 사용해서 생성할 수 있다. 이득이 높을수록 LNA의 가격대와 전력대가 높아진다.
안타깝게도 정적 감도는 동적 감도와 절충 관계이다. 동적 감도란, 간섭(interference) 때문에 정적 감도가 나빠질 수 있다는 것을 의미한다. 간섭은 리시버 상에 원치 않는 신호가 나타나는 것을 말하는데, 시스템 외부로부터 들어오는 신호나 혼변조(intermodulation) 성분 같이 리시버가 의도치 않게 발생하는 신호 등이 포함된다. 이러한 맥락에서 선형성(linearity)은 시스템이 간섭을 얼마나 잘 처리하느냐를 나타낸다.
간섭이 존재하면 그도록 달성하고자 애썼던 감도가 나빠진다. 이러한 절충 관계는 이득이 높아질수록 악화된다. 통상적으로 이득은 선형성이 낮을 때 생겨난다. 다시 말해, 이득이 너무 높으면 선형성이 나빠진다. 이것은 간섭이 센 환경에서는 감도가 떨어지는 결과로 이어진다.
무선 통신망은 네트워크 성능 요구에 대한 부담이 단말기가 아니라 기지국 쪽으로 가도록 설계된다. WA-BS는 넓은 범위를 대응하고 우수한 감도를 달성하도록 설계된다. WA-BS는 단말기로부터의 신호가 매우 약한 기지국 망 가장자리에 있는 단말기들을 지원할 수 있도록 정적 감도가 우수해야 한다. 그런데 또 한편으로는 간섭이나 장애물이 존재하는 조건에서는 동적 감도 또한 우수해야 한다. 기지국 리시버는 가까이에 있는 단말기가 보내는 강한 신호가 간섭을 발생하는 환경에서도 멀리 있는 단말기로부터의 약한 신호에 대해서 여전히 우수한 성능을 나타내야 한다.
그림 1은 디스크리트 소자를 기반으로 설계된 시스템 리시버의 전형적인 신호 체인을 간단하게 나타낸 것이다. LNA, 믹서, 가변 이득 증폭기(VGA)를 합쳐서 RF 프런트엔드라고 한다. 이 그림에서 RF 프런트엔드는 잡음 지수가 1.8dB로 설계되었으며, ADC는 잡음 지수가 29dB이다. 그림 1에 나타난 시스템의 감도는 RF 프런트엔드 이득을 x 축에 스윕함으로써 살펴볼 수 있다.
그림 1: 전형적인 디스크리트 리시버 신호 체인 개략도
이번에는 트랜시버 리시버 신호 체인과 비교해 보자. 트랜시버 리시버 신호 체인의 BOM이 디스크리트 리시버 신호 체인보다 더 적다는 것을 알 수 있다. 또한 트랜시버는 칩 상에 각각 2개씩의 트랜스미터와 리시버를 사용해서 설계된다. 통합으로 인해 겉으로 드러나지는 않지만, 이 리시버 설계는 통상 12dB의 잡음 지수를 달성한다.
그림 2: 전형적인 트랜시버/리시버 신호 체인 개략도
그림 3은 앞서 설명한 두 가지 설계 구현에 대한 RF 프런트엔드 이득 대비 정적 감도를 보여준다. WA-BS가 동작하는 구간에서는 엄격한 감도 요구를 거의 충족한다는 것을 알 수 있다. 이와 대조적으로, 스몰셀이 동작하는 구간에서는 감도 곡선의 기울기가 매우 가파르며, 표준 요건을 간신히 충족한다. 이 트랜시버를 사용하면 WA-BS나 스몰셀 기지국 모두 훨씬 더 낮은 RF 프런트엔드 이득으로 원하는 감도를 달성할 수 있다.
그림 3: 디스크리트 리시버 vs. 트랜시버/리시버 감도 비교
동적 감도는 어떨까? 이 트랜시버를 사용해서 광역 기지국을 설계하면 RF 프런트엔드 이득 영역에서의 동적 감도 역시 디스크리트 솔루션에 비해서 훨씬 더 우수하다. 이는 이득이 낮은 RF 프런트엔드일수록 주어진 전력 소모 조건에서 선형성이 더 높기 때문이다. 디스크리트 솔루션은 일반적으로 높은 이득을 사용하며, 선형성이 주로 RF 프런트엔드에 의해서 결정된다. 트랜시버를 사용하는 설계는 디스크리트 솔루션에 비해 간섭으로 인한 감도 저하를 크게 줄일 수 있다.
또 한 가지 주목할 만한 점은, 심한 간섭이 존재할 때 이 간섭이 허용 가능한 수준이 되도록 이득을 낮췄다가 간섭이 줄어들면 이득을 다시 높이도록 시스템을 설계할 수 있다는 것이다. 이것을 자동 이득 제어(AGC)라고 한다. 그런데 이득을 낮추면 감도 또한 낮아진다. 그러므로 시스템이 간섭을 허용할 수만 있다면 이득을 되도록 높게 해서 감도를 극대화하는 것이 좋다.
지금까지 설명한 내용을 요약해 보면, 이러한 트랜시버의 두 가지 우수한 점은 잡음 지수와 간섭을 견디는 능력이 뛰어나다는 것이다. 신호 체인에 이 트랜시버를 사용하면 설계자가 원하는 정적 감도를 훨씬 더 낮은 프런트엔드 이득으로 달성할 수 있다. 또한 간섭을 견디는 능력이 뛰어나므로 더 우수한 동적 감도를 달성할 수 있다. 만약 LNA를 사용할 필요가 있다고 하더라도 더 저렴한 LNA를 사용할 수 있고 전력 소모도 줄일 수 있다. 이러한 이점들을 활용한다면 시스템의 다른 부분들에서도 또 다른 절충이 가능할 것이다.
오늘날에는 광역 기지국 및 스몰셀 기지국 용으로 구성가능한 트랜시버 제품들이 출시되고 있다. 아나로그디바이스는 이러한 기술과 제품의 선도 기업이며, ADRV9009와 ADRV9008은 광역 기지국과 MC-GSM 방식에 사용하기에 적합한 트랜시버 제품이다. 또한 AD9371 제품은 비-GSM 방식(CDMA, LTE)에 적합한 뛰어난 성능과 대역폭 특성을 제공하면서도 전력 소모는 보다 최적화되었다.
기지국 리시버 설계와 관련해서는 감도 등 앞에서 살펴본 특성들 외에도 자동 이득 제어(AGC) 알고리즘, 채널 예측, 균등화 알고리즘 같은 문제들이 중요하다. 이러한 문제들에 대한 이해를 높임으로써 설계 작업을 더 수월하게 하고 더 향상된 리시버 시스템을 설계할 수 있을 것이다.
저자 소개
존 랜포드(Jon Lanford)는 아나로그디바이스 그린스보로에 속한 트랜시버 제품 그룹의 시스템 및 펌웨어 검증 매니저이다. 2003년에 노스캐롤라이나 주립대학에서 전기공학 석사학위를 취득하고 ADI에 입사했다. 이전에는 기가샘플 파이프라인 ADC 설계 및 교정 알고리즘 설계, 그리고 트랜시버용 테스트 개발에 관련된 엔지니어링 업무를 담당했다. 연락처: jonathan.lanford@analog.com케니 맨(Kenny Man)은 25년 간 텔레콤 장비 회사와 반도체 회사에 근무하면서 무선 인프라와 관련한 고속 계측기와 무선 기지국용 시스템 설계, 시스템 애플리케이션, 시스템 아키텍처를 다뤄왔다. 현재는 제품 엔지니어링 업무를 맡고 있으며 통신 인프라의 빌딩블록을 구축하는데 기여하고 있다. 취미는 하이킹, 스노우 스키, 역사책 읽기이다. 연락처: kenny.man@analog.com
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