[첨단 헬로티]

신호들을 곧바로 무선 주파수 대역으로 합성할 수 있는 컨버터(RF 컨버터)가 기술이 성숙함으로써 기존 무선 디자인으로 변화를 가져올 정도가 됐다. RF 컨버터가 2GHz 또는 3GHz까지 이르는 높은 순간 신호 대역폭을 디지털화하고 합성할 수 있게 됨으로써 진정한 광대역 무선을 실현할 수 있게 됐다. 그럼으로써 무선 디자이너가 필요로 하는 하드웨어 양을 크게 줄일 수 있게 됐으며, 기존 무선 디자인으로는 가능하지 않았던 것을 소프트웨어를 통한 재구성으로 가능하게 됐다. 이 글에서는 새로운 차원의 데이터 포착 시스템과 광대역 무선을 가능하게 하는 RF 컨버터의 발전에 대해서 살펴보고, 소프트웨어를 통해서 구성을 할 수 있게 됨으로써 어떤 것들이 가능해지는지 설명한다.

머리말

모든 무선 디자이너들이 피해갈 수 없는 하나의 과제는, 신호 대역폭을 높여서 되도록 최대의 품질을 달성하도록 하느냐, 아니면 무선에 필요로 하는 전력 소모를 되도록 낮추도록 하느냐의 결정이다. 무선 디자이너가 이런 제약을 어떻게 충족하느냐에 따라서 무선 장치의 크기와 무게가 결정된다. 여기에 따라서 빌딩, 타워, 전신주, 차량, 가방, 주머니 안, 귓속, 안경 같이 무선 장치를 설치할 수 있는 장소 또한 영향을 받는다. 이런 각각 장소마다 사용할 수 있는 전력 양이 달라진다. 빌딩이나 타워는 주머니 속의 스마트폰이나 귓속의 블루투스 헤드셋보다 좀 더 많은 전력을 사용할 수 있다. 하지만 어떤 경우든 기본적인 진리는 같다. 무선 장치가 더 적은 전력을 취할수록 단위 전력 당 더 높은 쓰루풋을 제공할 수 있고, 무선 장치를 더 작고 가볍게 할 수 있다는 것이다.  바로 이 점이 지난 몇 년 사이에 통신 전자 업계가 혁신을 가속화하도록 하는 중요한 원동력이 됐다.

반도체 회사들은 동일한 혹은 더 작은 크기의 소자로 갈수록 더 많은 기능과 더 높은 성능을 집적해왔다. 그럼으로써 이런 반도체 부품을 사용해서 설계되는 장비들이 크기는 더 작게 하고, 더 많은 기능을 통합하고, 무게를 줄일 수 있게 됐다. 장비의 성능이 더 우수하고 더 많은 기능을 통합하면서도 더 작고 가벼워지면, 이전에는 가능하지 않았던 장소에다 설치하는 것이 가능해진다. 예를 들어서 건물에 설치해야 했던 것을 크기를 줄임으로써 타워에 설치할 수 있게 되며, 타워에 설치하던 무선 유닛의 크기와 무게를 줄여서 전신주에 설치할 수 있다. 더불어 무게 때문에 자동차에 싣고 다녀야 했던 장비를 가방에 매고 다닐 수 있게 된다.

오늘날 환경은 건물, 타워, 전신주, 자동차를 포함해서 기존의 설치가 혼재돼 있다. 갈수록 더 높아지는 연결성에 대한 요구를 충족하기 위해서 엔지니어들은 그때그때마다 당시에 입수할 수 있는 부품들을 사용해서 장비를 설계해 왔으며 오늘날과 같은 통신 환경을 구축하기에 이르렀다. 오늘날 우리는 모바일 네트워크, 무선 LAN, 애드 혹 근거리 무선 네트워크를 비롯한 각종 네트워크를 통해서 통화, 문자, IM, 사진, 다운로드, 업로드, 검색 같은 것을 거의 언제 어디서나 할 수 있게 됐다. 이런 모든 통신망이 광대역 유선 통신망으로 연결되며, 여기서는 RF 케이블과 광섬유를 통해서 데이터가 전송된다.

▲ 그림 1. RF 컨버터는 광대역 무선을 가능하게 한다. 

광대역 무선을 통해서 스트리밍 비디오와 게임 같이 데이터 요구량이 높은 서비스들을 지원할 수 있다.

향상된 비디오 경험

많은 연구에서 보듯이, 데이터 수요량은 앞으로 계속해서 폭발적으로 늘어날 전망이다. 데이터 집중적인 콘텐츠들이 계속해서 늘어남으로써 대역폭에 대한 요구는 끊임없이 더 높아지고 있다. 케이블 텔레비전 사업자와 FTH(Fiber-To-The-Home) 사업자들은 가정용으로 광대역 서비스를 놓고서 더 높은 속도와 더 많은 고해상도 TV 채널을 제공하기 위해서 계속해서 경쟁하고 있다. 초고해상도(UHD, 4K 해상도) TV로 이전하기 위해서는 HD TV보다 두 배의 용량을 필요로 하며 현재 사용되고 있는 것보다 더 넓은 채널 대역폭을 필요로 한다.

4K UHD TV 말고도 가상현실(VR)이나 게임, 3D 효과(180도 뷰, 파노라마 뷰 등) 같은 몰입형 비디오를 위해서는 사용자당 최대 1기가비트에 이르는 대역폭을 필요로 한다. 그렇게 되면 단순히 4K UHD TV 방송, 스트리밍만으로도 이미 벅찬데 요구량이 그보다 훨씬 더 높아질 것이다. 온라인 게임은 통신망으로 대칭 데이터 대역폭이 요구된다. 그 이유는 지연시간이 매우 중요하기 때문이다. 이를 위해서 더 넓은 대역폭의 업스트림 전송 기능이 개발되고 있으며, 더 넓은 폭의 업스트림 기능을 위해서는 장비 업체들이 대칭적이며 넓은 대역폭의 전송이 가능하도록 자사 디자인을 업그레이드해야 한다. 

오늘날 RF 컨버터의 향상된 성능은 이런 풍부한 비디오 콘텐츠를 제공할 수 있도록 중요한 역할을 할 것이다. 256-QAM, 1024-QAM, 4k-QAM 같은 고차 변조 방식을 사용할 수 있으려면 스퓨리어스 없는 뛰어난 성능으로 높은 동적 범위의 신호를 생성할 수 있어야 한다. 각 채널의 스펙트럼 효율을 높이려면 고차 변조 방식이 필요하다. 기존에 설치된 동축 케이블 기반, 분배 증폭기가 1.2GHz부터 1.7GHz의 유한한 대역폭이기 때문이다. 헤드 엔드 전송 장비로 더 높은 성능이 가능하게 되면 설치된 장비 기반의 사용 가능한 수명을 연장하고, 설비 투자 예산을 감축할 수 있으며, MSO(종합 유선 방송 사업자)들이 자사 장비와 전송 시스템을 업그레이드할 수 있는 시간을 벌 수 있다. 

다중대역 다중모드 테스트

오늘날의 스마트폰은 갈수록 더 많은 기능을 통합하면서 전통적인 휴대전화에서 점점 더 탈피하고 있다. 이 중의 많은 기능들이 어떤 식으로든 무선을 사용함으로써, 오늘날 모바일 디바이스는 많게는 5개부터 7개까지 혹은 그 이상의 무선 장치들을 포함하게 됐다. 

스마트폰을 제조할 때는 이런 무선 장치를 각각 테스트해야 한다. 이것이 다중모드 통신 테스터를 개발하는 회사들의 새로운 과제가 됐다. 무선 장치의 수와 발맞춰 테스트 수가 늘어나고 있음에도 불구하고 테스트 비용을 낮추기 위해서는, 처리 속도를 높이는 것이 필요하다. 테스터의 크기와 가격대를 낮추자면, 모바일 디바이스에 사용되는 각 무선 장치에 대해서 각각 다른 무선 하드웨어를 사용하는 것은 현실적이지 않다. 모바일 서비스용으로 더 많은 대역들이 인가되거나 제안됨에 따라, 모바일 디바이스로 갈수록 더 많은 무선 장치들을 테스트하는 일이 점점 더 어려워질 것이다.

RF 컨버터를 사용함으로써 바로 이런 요구를 잘 충족할 수 있다. 트랜스미터가 되었든 리시버가 되었든, RF 컨버터는 기존 무선 장치로는 할 수 없었던 유연성을 제공한다. 광대역 RF 컨버터는 모든 대역에서 동시에 신호를 포착하고 곧바로 합성할 수 있으므로, 모바일 디바이스에서 다중의 무선 장치들을 동시에 테스트할 수 있다. RF DAC과 RF ADC로 채널화기를 포함하면 이런 다중의 무선 신호들을 컨버터로 효율적으로 처리할 수 있다. [그림 2]에서는 RF DAC 하나당 3개의 채널화기를 사용하고 있다. 그럼으로써 3개 신호와 대역을 곧바로 합성하고, 결합하고, NCO(Numerically Controlled Oscillator)를 사용해서 디지털로 상향변환 할 수 있다. 그리고서 RF DAC에 의해서 RF 신호로 변환된다.

▲ 그림 2. 채널화기를 사용한 RF DAC 예

항공우주와 방위 분야용의 테스트 장비는 펄스 레이더와 군용 통신을 위해서 광대역 테스트 솔루션의 필요성이 높아지고 있다. 레이더, 전자 지능, 전자전 장비, 통신 장비 같이 각종 장비들을 테스트하기 위해서는 테스트 장비 업체가 다양한 기능들을 포함하는 유연한 장비를 설계해야 한다. 예를 들어, 임의 파형 생성기는 넓은 범위의 출력 주파수와 대역폭에 걸쳐서 선형 주파수 변조, 펄스 신호, 위상 코히어런트 신호, 변조 신호를 비롯한 다양한 신호를 생성할 수 있어야 한다. 측정 장비 역시 여자기나 트랜스미터를 테스트할 때 그러한 신호들을 수신할 수 있어야 한다. RF 컨버터는 이런 요구를 충족하기에 적합하다. 곧바로 RF 주파수로 RF 합성과 측정이 가능하기 때문이다. 이로써 상향 변환 또는 하향 변환을 하지 않아도 되고, 또 경우에 따라서는 이 횟수를 한 번의 변환으로 줄일 수 있다. 또 하드웨어를 간소화하고, 크기, 무게, 전력 소모를 줄일 수 있다. 채널화기, 보간기, NCO, 결합기 같은 디지털 기능들을 추가함으로써 전용 저전력 CMOS 기술을 사용해서 효율적인 신호 프로세싱을 할 수 있다.

소프트웨어 정의 무선(SDR)

RF 컨버터는 소프트웨어 정의 무선(SDR)을 위해서 중요한 역할을 할 수 있다. GHz 대역으로 무선 주파수를 곧바로 합성 및 포착할 수 있으므로 RF 컨버터를 사용해서 무선 아키텍처를 간소화할 수 있다. 전체적인 상향 또는 하향 변환 스테이지를 완전히 제거하고 이것을 디지털로 구현할 수 있기 때문이다.  아날로그 변환 스테이지와 그에 수반되는 믹서, LO 합성기, 필터를 제거할 수 있기 때문에 무선 장치의 크기, 무게, 전력(SWaP)을 줄일 수 있다. 그러므로 더 다양한 장소에 설치할 수 있으며 더 작은 크기의 전원을 사용해서 동작할 수 있다. 그러므로 무선 장치를 손에 휴대하거나, 지상 차량에 탑재하거나, 항공기, 헬리콥터, 무인 항공기(UAV) 같은 공중 장비에 탑재할 수 있을 만큼 작고 가볍게 만들 수 있다.

다양한 플랫폼에 걸쳐서 우수한 통신을 가능하게 한다는 점 이외에도, RF 컨버터를 사용해서 설계된 무선 하드웨어는 다중모드와 다중대역과 함께 다중 기능이 가능하다. RF 컨버터가 아래로 더 낮은 레이더 대역까지 미칠 수 있을 뿐만 아니라 조만간 위로 더 높은 대역까지 미칠 수 있게 되면, 단일 장비로 레이더와 전술 통신 링크 둘 다 가능하게 된다. 이런 장비는 현장 수리, 업그레이드, 조달 절차, 비용 등에 있어서 훨씬 더 유리할 것이다.

또 RF 컨버터는 레이더 주파수를 곧바로 합성 및 포착할 수 있다는 점에서 위상 어레이 레이더 시스템에 사용하기에 이상적이다. 

곧바로 RF 컨버터 합성 및 포착을 함으로써 많은 기존 무선 하드웨어를 제거할 수 있고, 신호 체인을 훨씬 더 작고 가볍게 만들 수 있기 때문에 무선 기능을 더 작은 공간에다 집어넣을 수 있다. 또 선박용, 지상 위상 어레이 또는 여타의 소형 어레이와 장비를 더 작은 SWaP로 구현할 수 있다.

▲ 그림 3. RF 컨버터를 사용해서 설계된 SDR은 다양한 플랫폼에 걸쳐서 커넥티드 통신을 가능하게 한다.

RF 컨버터를 뒷받침하는 기술들

RF 컨버터를 가능하게 하는 중요한 기술 중의 하나는, 계속해서 축소되어온 CMOS 프로세스다. 기초를 이루는 CMOS 트랜지스터의 게이트 길이와 선폭 크기가 계속해서 축소됨으로써 디지털 게이트가 더 빨라지고, 작아지고, 전력이 낮아지게 됐다. 이로써 적당한 전력과 적당한 면적으로 칩상으로 RF 컨버터와 함께 상당한 디지털 신호 프로세싱을 통합할 수 있게 됐다. 

더불어 디지털 채널화기, 변조기, 필터를 통합할 수 있게 되고, 이들 요소들을 소프트웨어를 통해서 프로그램 할 수 있게 됨으로써 효율적이며 유연한 무선을 구현할 수 있게 됐다. 

이처럼 더 효율적인 DSP를 활용함에 따라 RF 컨버터는 디지털 프로세싱을 통해 아날로그 측의 결점을 교정할 수 있다. 또 아날로그 차원에서는 매 새로운 기술 노드마다 트랜지스터가 더 빨라짐으로써 더 우수한 매칭을 달성할 수 있다. 결과적으로 더 빠르고 정밀한 컨버터를 가능하게 한다.

이 뿐만 아니라 컨버터가 가능하게 되기까지 아키텍처의 진화도 빼놓을 수 없다. RF DAC에 선택된 아키텍처는 전류 스티어링 DAC 아키텍처다. 이런 타입의 DAC는 DAC를 구성하는 전류원 매칭에 따라서 성능이 좌우된다. 캘리브레이션을 하지 않은 전류원 매칭은 전류원 면적의 제곱근에 비례한다. 매 새로운 기술 노드마다 단위 면적당 매칭이 향상된다. 

하지만 아무리 첨단 노드라 하더라도 고분해능 컨버터로 임의적인 미스매칭이 충분히 낮은 전류원이 되기 위해서는 크기가 매우 커야 할 것이다. 큰 전류원을 사용하면 컨버터가 커질 것이고, 좀 더 중요하게는 이런 큰 전류원의 기생 커패시턴스는 DAC의 고주파 성능을 나쁘게 할 것이다. 이에 대한 해결책은 더 작은 전류원을 사용하고 원하는 수준의 매칭을 달성하도록 캘리브레이션 하는 것이다. 이로써 전류원으로부터 발생되는 추가적인 기생 성분을 크게 줄일 수 있고, 고주파 성능을 해치지 않으면서 원하는 선형성 성능을 달성할 수 있다. 제대로만 한다면 캘리브레이션을 온도에 걸쳐서 매우 안정적이게 만들 수 있으며, 캘리브레이션을 한 번만 하면 된다. 다시 말해서 백그라운드로 주기적으로 캘리브레이션을 할 필요가 없다. 그러므로 동작 전력을 절약할 수 있고, 백그라운드로 캘리브레이션을 실시하는 것으로 인해서 스퓨리어스 성분이 발생될 염려를 덜 수 있다. 

아주 높은 속도로 원하는 컨버터 성능을 달성할 수 있도록 아키텍처 차원에서 할 수 있는 또 다른 선택은 DAC 전류를 제어하는 데 사용되는 스위치 아키텍처다. 기존의 듀얼 스위치 구조[그림 4]는 매우 높은 속도로 작동할 때 여러 가지 단점이 있을 수 있다. 

▲ 그림 4. 듀얼 스위치 DAC 셀

듀얼 스위치로 구동되는 데이터는 하나의 클록 사이클에서부터 다수의 클록 사이클에 이르기까지 어느 지점에서든 동일하게 유지되므로 안정화를 위해서 테일 노드로 데이터 종속적인 시간 양을 필요로 한다. 클록 레이트가 충분히 느려서 이 노드가 단일 클록 피리어드에 안정화 할 수 있다면 문제가 되지 않겠지만, 클록 레이트가 아주 높다면 이 노드가 한 클록 피리어드에 완전히 안정화되지 못할 것이다. 또 데이터 종속적인 안정화 시간으로 인해서 DAC 출력으로 왜곡을 일으킬 것이다. 

하지만 [그림 5]에서 보는 것과 같은 쿼드 스위치를 사용하면, 데이터 신호들을 모두 0으로 되돌리게 된다. 이로써 테일 노드 전압이 데이터 입력과 무관해지며, 위에서 같은 문제를 완화한다. 또한 쿼드 스위치는 클록의 상승 및 하강 에지 모두로 DAC 데이터를 업데이트할 수 있다. 그러므로 클록 주파수를 두 배로 하지 않고서도 실제적으로 DAC 샘플 레이트를 두 배로 높일 수 있다.

▲ 그림 5. 쿼드 스위치 DAC 셀

오늘날 극미세 CMOS 프로세스와 더불어 잘 설계된 전류원 캘리브레이션 알고리즘과 쿼드 스위치 전류 스티어링 셀을 사용하면 뛰어난 동적 범위와 매우 높은 속도로 샘플링 하는 DAC를 설계할 수 있다. 

또  넓은 주파수 범위에 걸쳐서 고품질 신호를 합성할 수 있다. 이런 광대역 DAC와 지원 DSP를 결합함으로써, 앞에서 언급된 다양한 애플리케이션의 필요에 맞게 신호를 구성할 수 있는 유연한 고성능 무선 트랜스미터를 얻을 수 있다.

향후 전망

오늘날 RF 컨버터는 무선 아키텍처 디자인으로 근본적인 변화를 가져오고 있다. 하지만 앞으로 더 많은 변화가 올 것이다. 프로세스 기술이 계속해서 진화하고 RF 컨버터 디자인이 향상됨에 따라서, RF 컨버터의 무선 장치의 전력 소모와 크기에가 차지하는 비중은 계속해서 줄어들 것이다. 때마침 꼭 필요로 하는 발전된 기술이 나와 줌으로써 매시브 MIMO 같은 5G 무선 기지국 애플리케이션, 대규모 위상 어레이 레이더, 빔 형성 같은 차세대 무선 애플리케이션이 가능하게 됐다. 

극미세 리소그래피가 발전할수록 RF 컨버터 다이로 더 많은 디지털 회로를 통합할 수 있을 것이다. 디지털 전치왜곡(DPD)이나 파고율 감소(CFR) 알고리즘 같은 연산 집중적 기능들을 통합함으로써 전력 증폭기 효율을 높이고 전반적인 시스템 전력을 현저히 낮출 수 있다. 또 전력 소모적인 FPGA 로직에 대한 의존을 줄이고 이런 기능들을 전력 절약적인 전용 로직으로 옮길 수 있다. 더불어 RF 컨버터와 디지털 엔진을 RF, 마이크로파, 밀리미터파 아날로그 소자들과 통합함으로써 크기를 더욱 줄이고 무선 디자인을 더 간소화할 수 있으며, 동시에 비트에서부터 안테나까지 이르는 시스템 차원의 포괄적인 솔루션을 제공할 수 있다. RF 컨버터는 한 발 앞서서 미래를 이끌어가는 기술이 될 것이다. 

글: 다니엘 E. 페그(Daniel E. Fague) 고속 제품 그룹 엔지니어링 이사

    스티븐 로즈(Steven Rose) 고속 제품 그룹 선임 설계 엔지니어

    아나로그 디바이스(Analog Devices)