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혼합기, 합성기, IF 증폭기를 통합한 수신기 IC

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글/마크 골드파브(Marc Goldfarb), 벤 워커(Ben Walker),러셀 마틴(Russell Martin),
    톰 보시아(Tom Bosia), 에드 발보니(Ed Balboni), 드라고슬라브 쿨룸(Dragoslav Culum)
    아나로그디바이스

예전에는 실내 온도가 조절되는 넓은 공간에서만 무선 기지국을 건설할 수 있었다. 하지만, 지금은 주변환경의 제약 없이 어디에나 건설 할 수 있다. 무선 네트워크 서비스 제공업체가 장소의 제약 없이 서비스를 제공하고자 하면서, 기지국에 사용되는 부품을 제공하는 업체들은 더 작은 패키지에 더 많은 기능을 포함시켜야 하는 부담감을 느끼게 되었다.
아나로그디바이스에서 생산하는 한 쌍의 집적 회로(IC)는 수신기 프론트 엔드에 위치한 혼합기를 재정립함으로써 이에 대한 해결책을 제시한다. 이 집적 회로의 경우, 국부 발진기(LO), IF 증폭기와 같이 이전 수신기의 혼합기에 부착되어 있던 여러 부품들을 혼합기 집적 회로 내에 장착한다. 이들 제품을 활용하면 무선 기지국의 규모를 크게 줄일 수 있으며, 소프트웨어 정의 무선(SDR)을 다양하게 활용할 수 있어 여러 무선 표준을 지원할 수 있다.
해당 제품은 ADRF6612 및 ADRF6614로, 두 제품 모두 700MHz~3,000MHz의 RF, 200MHz~2,700MHz의 LO, 그리고 40MHz~500MHz의 IF 범위를 지원하도록 설계되어있다. 로우사이드 및 하이사이드 LO 신호 입력과 함께 작동하며, 온보드 위상 동기 루프(PLL) 및 여러 저잡음 전압 제어 발진기(VCO)를 내장한다. 또한 두 제품 모두 7mm×7mm의 48리드 LFCSP 패키징을 사용한 것이 특징이다. 집적 및 부품 밀도 수준은 다양성 및 프로그래밍 작동성을 바탕으로 향상되었으며 오늘날 마이크로셀에서 요구하는 작은 크기로 다양한 무선 표준을 지원하고 있다.
이 두 고집적 혼합기 IC를 통해 절약된 공간을 판단하기 위해 2010년경 사용되었던 무선 기지국 수신기의 프론트 엔드(그림 1)를 떠올려보자. 듀얼 혼합기 아키텍쳐는 약 1GHz의 대역폭을 지원했으며, 당시 무선 주파수 범위인 800MHz~1,900MHz를 수용하기 위해 여러 부품을 필요로 했다. 주파수 합성은 별도의 PLL 및 협대역 VCO 모듈이 공급했는데, 이들의 성능을 최적화하기 위해서는 고유 PLL 루프 필터가 필요했다. 전용 VCO 모듈은 각각의 해당 대역에서 사용되었기 때문에 기지국 내 필요한 회로 보드 면적은 늘어났다.
뿐만 아니라, 이러한 개별 부품은 신호 손실의 원인이 되는 저임피던스 전송선으로 서로 연결되어 있었다. 그 결과, 혼합기가 신호 차단 조건에 못 미치는 저위상 잡음 및 잡음 지수를 생성할 수 있을 만한 수준으로 VCO 출력을 끌어올리기 위해서는 충분한 양의 전류를 필요로 했다.
사실 VCO가 통합된 수신기 IC 자체는 새로운 개념이 아니다. 그러나 이동통신을 위한 국제 표준 시스템 (GSM) 무선 네트워크용 글로벌 다중 반송파 시스템이 요구하는 광대역 및 저위상 잡음 수준을 구현하는 일은 쉽지 않았다. GSM의 채널 재활용 방식은 그림 2에서 보는 것처럼 대체 채널 오프셋 주파수인 800kHz에서 극히 낮은 수준의 수신기 LO의 위상 잡음을 필요로 한다. 이러한 대체 채널의 위상 잡음 수준이 지나쳐져 동일한 800kHz 오프셋 주파수에서 원치 않는 신호와 섞여버린다면, 위상 잡음이 IF 출력으로 해석되어 시스템 감도를 떨어뜨릴 수 있다.
낮은 VCO 위상 잡음은 보통 고품질 지수(high-Q) 탱크 및 협대역 설계를 사용해 구현한다. 주파수 분할 역시 잡음을 줄이는 데 사용 가능하다. VCO를 수신기의 LO 주파수의 정수배에서 동작시키면 그림 3에서처럼 분할될 때마다 위상 잡음이 6dB/oct씩 감소한다. 1,800MHz~1,900MHz대역에서 GSM의 위상 잡음 요건은 800MHz~900MHz 대역일 때보다 거의 두 배가 될 정도로 매우 까다롭다.
낮은 위상 잡음 외에도, 오늘날 기지국 수신기 설계는 현재 무선 통신 네트워크에서 사용되는 다양한 변조 방식을 지원해야 한다. GSM 외에 다른 변조 방식에는 광대역 코드 분할 다중 접속(WCDMA) 및 LTE 시스템이 있다. 수신기 설계는 흔히 기지국 내의 옥타브 대역을 처리할 수 있도록 적당한 위상 잡음 성능 수준을 갖춘 여러 개의 VCO로 구성된다...(중략)