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SDR 리시버 애플리케이션에서 ADC에 대한 기회와 도전 과제 ②
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지난 글에 이어 이번 글에서는 SDR 리시버의 구조에 대한 이해와 고려사항에 대해 알아보겠다.

SDR 리시버는 일반적으로 신호 대역에 따라 RF 샘플링 리시버, IF 샘플링 리시버, 베이스밴드 샘플링 리시버 등 세 가지로 구분할 수 있다.

RF 샘플링은 이상적인 SDR 구조에 가장 근접하다. 그러나 성능에 방해가 되는 두 가지 주요 장애물인 RF 디바이스와 ADC로 인해, 적절한 비용 내에서 구현하기가 가장 어려운 구조이기도 하다. 이 글에서는 RF 샘플링에 대해서는 다루지 않는다.

다른 두 가지 가운데 가장 대중적인 것은 Zero IF 리시버, Low IF 리시버 및 대역 통과(Bandpass) 서브 샘플링 High IF 리시버다.

Zero IF 리시버의 경우 ADC가 믹서 뒤에 배치되어 있어서 ADC에 대한 성능 제약이 가장 느슨하다. 로컬 오실레이터(LO: Local Oscillator) 주파수(fLO)와 믹서로 들어가는 RF 신호의 중심 주파수(fRF)가 동일하므로(fLO = fRF), ADC는 기저 대역 신호만 처리하면 된다. 

이상적인 상황이라면 영상 주파수 방해는 없다. 따라서 이미지 제거 필터가 필요 없고 값비싼 SAW(Surface Acoustic Wave) 필터 장착으로 인한 관련 비용도 발생하지 않는다. 

하지만 Zero IF의 가장 큰 문제는 직교 오차(Orthogonal Error)와 더불어 DC 오프셋을 통제할 수 없거나 특히 개별 부품을 사용하여 구현할 때 교정 알고리즘이 지나치게 복잡하다는 점이다.

DC 오프셋은 대개 비이상적인 믹서에서 발생한다. 믹서의 로컬 오실레이터 신호가 새어 나와 기생 성분(Parasitic)을 통해 리시버 신호 경로로 다시 들어가며, 이를 로컬 오실레이터 누설 신호(LO Leakage)라고 한다. 

이는 해당 루프의 송신기 안테나에 의해 증폭되기도 한다. 이와 같은 간섭은 송신기 증폭을 통해 진폭을 변경할 뿐 아니라, 주파수도 리시버로 들어가는 fLO와 동일하기 때문에 믹서 출력에서 시간 가변적 DC 오프셋이 발생하게 된다. 

인접한 물체가 안테나를 지나가면 상황이 더 복잡해진다. DC 오프셋은 심각한 과부하로 이어질 수 있다. 다시 말해서 신호 중심 주파수에서 강력한 차단이 발생할 수 있는 것이다.

직교 오차는 주로 채널 간 고유 오차의 부정합으로 인해 발생한다. 이산형 구조에서는 이 상황을 해결하기가 특히 더 어렵다. 이로 인해 영상 주파수 방해가 발생하고 부호 간 간섭(ISI: Inter Symbol Interference)과 같은 배열 사양(Constellation Specifications)의 악화로 이어질 수 있다. 

더욱이 시스템에서 지터가 심해질수록 시스템의 SNR도 그만큼 더 나빠진다. LTE 표준용 고효율 64 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 등과 같은 고효율 변조 또한 SNR을 악화시킬 수 있다. 

따라서 이를 극복하기 위해 복잡한 자기 학습 알고리즘이 필요한 온도, 소비전력, 소프트웨어 프로그램 절차 등에서의 실시간 변동을 올바르게 처리하려면 비용 문제가 발생할 수 밖에 없다.

표 1. 일반적인 SDR 리시버 구조 비교

Low IF 리시버의 경우 필요한 ADC 대역폭이 Zero IF 아키텍처의 2배가 되어야 한다. Low IF 리시버는 fRF와 다른 fLO를 사용하여 필터 사양은 약간만 높아진다. DC 오프셋이라는 중대한 문제도 피해갈 수 있다. 

결과적으로 로컬 오실레이터 누설 신호와 강한 차단 신호를 보다 효과적으로 통제한다. 이 구조에서도 직교 오차와 부정합이라는 문제는 여전히 남아 있다. 결론적으로 보다 균형 잡힌 블록 사양을 갖춘 Low IF SDR이 Zero IF에 비해 더 경제적이고 효과적이라 할 수 있다.

세 번째로 널리 사용되는 구조는 대역 통과 서브 샘플링 High IF 리시버로, 일반적으로 High IF로 알려져 있다. 이 구조에서 ADC 대역폭은 Zero IF나 Low IF 리시버보다 더 높은 주파수에서 요구되고, 이는 현대의 ADC 기술을 적용하여 적절한 비용으로 달성할 수 있다.

Low If나 High IF 리시버를 구현하는 한 가지 편리한 방법은 슈퍼헤테로다인(super-heterodyne) 프론트엔드를 고도로 디지털화된 백엔드와 결합하는 것이다(그림 2). 

그림 2. 소프트웨어 정의 IF 무선 리시버 시스템의 구조도

이 방식은 전통적인 슈퍼 헤테로다인 구조에서의 고정 IF 주파수 전략을 더 이상 고수하지 않는다는 것이 핵심이다. 그 대신 협소한 대역폭의 전형적인 약점 극복을 위해 소프트웨어가 채널 변수를 조정한다.

Low IF와 High IF 리시버 방식이 모두 하향 변환을 필요로 하므로 믹서가 필요하다. 디지털 믹서(흔히 NCO(Numerically Controlled Oscillator)의 형태를 취함)의 경우 I/Q(In-Phase/Quadrature) 신호 주파수는 로컬 오실레이터 주파수와 상관없이 정확할 수 있다. 

이와 같은 유형의 믹서는 아날로그 믹서보다 훨씬 높은 광대역 주파수 해상도를 달성할 수 있다. 직류(DC)로 하향 변환한 경우에도 신호에 DC 오프셋이나 뚜렷한 영상 주파수 방해가 생기지 않는다. 디지털 믹서, 오실레이터, 데시메이션 필터를 결합한 것을 일반적으로 DDC(Digital Down-Converter)라고 부른다.

 

글 : 라이언 리우(Ryan Liu) / 애플리케이션 엔지니어 / 마이크로칩테크놀로지

 

최태우 기자  taewoo@itbiznews.com

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