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RF 트랜시버를 위한 간단한 베이스밴드 프로세서

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글/르지쉬 쿠티(Rejeesh Kutty), 아나로그디바이스

개요

오늘날, 무선 시스템은 언제 어디서나 존재하고 있으며, 무선 기기 및 서비스의 개수도 지속적으로 증가하고 있다. 완전한 RF 시스템을 설계하는 일은 여러 전문분야에 걸쳐 많은 노력이 필요한 작업으로 아날로그 RF 프론트 엔드와 더불어 가장 중요한 분야이다. 그러나 AD9361과 같은 통합 RF 트랜시버를 사용하면 이러한 설계 시 RF와 관련된 문제를 크게 줄여준다. 이 통합 트랜시버는 아날로그 RF 신호 체인용 디지털 인터페이스를 제공하며, 베이스밴드 처리용 ASIC 혹은 FPGA에 쉽게 통합시킬 수 있다. 베이스밴드 프로세서(baseband processor, BBP)는 최종 어플리케이션과 트랜시버 기기 사이의 디지털 영역에서 사용자 데이터를 처리할 수 있게 해준다. 또한, 시뮬링크(Simulink)와 같은 시스템 모델링 툴을 사용하면 베이스밴드 프로세서를 설계하기도 쉽다. 그러나 초보 사용자라면 통신 시스템의 이러한 퍼즐 조각을 이해하고 해결하기가 어렵다고 느낄 수 있다. 이 글에서는 OTA(over the air) 통신 시스템에 사용되는 간단한 RF 베이스 밴드 프로세서를 설계하고 구현할 적합한 방안에 대해 살펴본다. 이 설계는 AD9361 FPGA 레퍼런스 설계 프레임 워크를 사용해 AD-FMCOMMS2 -EBZ 및 자일링스(XilinxⓇ)의 ZC706 플랫폼 상에서 구현된다.

이 글의 전반부에서는 이러한 베이스밴드 프로세서 설계 시 일반적인 설계 원리에 대해 상세히 설명한다. 이 부분에서는 BBP를 이해하기 위한 이론적 소개를 주로 다룬다. 후반부에서는 아나로그디바이스의 AD9361 FPGA 레퍼런스 설계를 사용해 BBP의 실제 하드웨어 구현에 대해 살펴본다. 설계 시 주요 목표는 가급적 간단한 BBP 설계를 유지하고 연구실 환경에서 빠른 OTA 데이터 전송을 시연하는 것이다. RF 스펙트럼을 사용하고 그 결과 발생하는 간섭에 대한 규제 및 다른 영향이 있을 수 있다.

기본 설계

그림 1은 Direct Conversion 방식이 아닌 일반적인 RF 시스템을 나타내고 있다. 그림1에서는 단일 데이터 경로만 보여지고, 그 반대 방향은 이 데이터 경로를 좌우 대칭한 모습을 보여준다. 이 글에서 다루는 그림 1의 베이스밴드 프로세서는 데이터를 2개의 RF 시스템 사이에서 무선(over the air)으로 전송하는 방식으로 처리된다. 기본 설계 요건은 아래에서 설명된다.

데이터는 두 직교 신호 I 및 Q 상에서 반복된다

반송파(carrier)는 서로 독립적이고 비동기식이라는 점에 주목해야 한다. 그렇다보니 송신 및 수신 반송파 사이에는 위상 및 주파수 오프셋이 존재한다. 이 오프셋은 수신기의 복조에 악영향을 준다. 이로 인해 발생할 수 있는 심각한 문제 중 하나가 신호 반전(signal inversion)으로, 이때 오프셋이 주기적으로 합쳐졌다 멀어졌다를 반복함에 따라 직교 신호의 역할이 반전될 수 있다. 이러한 모호함을 해결하는 간단한 방법은 양쪽 직교 신호에 모두 동일한 데이터를 반복시켜 주는 것이다.

데이터는 직렬 송수신한다(비트 방식(Bit-Wise))

대부분의 경우 BBP와의 RF 프론트 엔드 인터페이스는 아날로그 신호의 디지털 인터페이스인 DAC와 ADC이다. 따라서 데이터를 간단히 DAC 입력으로 전송 시, ADC 출력에서 이와 동일한 결과를 기대하기는 어렵다.

데이터는 직렬로 전송되며, DAC의 전해상도(full resolution)에 단일 비트 데이터를 매핑한다. 이와 마찬가지로 데이터의 수신도 직렬로 이루어지며, ADC의 전해상도로부터 디매핑(demapping)된다. 이렇게 하면 상당한 양의 데이터가 중복된다. 16비트 컨버터를 사용했다면 수신기는 65,536개의 가능한 데이터셋으로부터 1이나 0을 결정하게 된다. 이 문제 하나만 해결해도 디코딩이 상당히 간소해진다...(중략)