2020년 12월 5일 토요일

T Technical Report

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SDR을 지원하는 유연하고 확장 가능한 프론트엔드 튜너

- 나자레노 로제티(Nazzareno Rossetti) 아날로그·전력관리 전문가 및 저자
- 키쇼어 레이첼라(Kishore Racherla) 맥심 인터그레이티드 자동차 RF 제품라인 비즈니스 매니저
- 아담 하이베르그(Adam Heiberg) 맥심 인터그레이티드 무선통신 개발자
 

전통적인 무선 수신기는 프론트엔드 튜너와 베이스밴드(baseband) 프로세서를 통합하며 하나의 특정 무선 표준으로 하드웨어에 내장되어 있다. 즉 표준 수만큼 라디오 수신기 칩이 있다는 뜻이다. 이와 대조적으로 소프트웨어 정의 무선(SDR·Software Defined Radio) 아키텍처는 소프트웨어를 사용해 베이스밴드 처리를 수행하고 단일 무선 플랫폼으로 다양한 무선 표준을 수신할 수 있다.
 

[그림 1] 자동차의 스마트 멀티미디어 터치스크린 시스템
 
<무선 수신기>
[그림 2]는 전형적인 무선 수신기의 블록 다이어그램이다. 프론트엔드 영역은 안테나에서 받은 신호를 저소음 증폭기(LNA)를 통해 확장하고 혼합기와 함께 하향 변환을 한다. 이 신호는 필터를 거친 후 디지털화되고 그 후 최적의 신호 품질과 복조기(demodulator) 효율성을 위해 디지털 처리가 된다. 이렇게 변환된 신호는 복조가 되고 복조기의 오디오 출력은 무선 오디오 출력으로 전송된다.
 

[그림 2] 전형적인 무선 수신기
 

[그림 2]에서 보듯 ADC 이후 모든 신호는 SDR 접근방식을 통해 처리된다. 효율성을 최대화하고 설계를 간소화 하기 위해 일부 기능은 프론트엔드의 하드웨어에서 구현할 수도 있다. 특히 하드웨어에서 구현하는 것이 훨씬 용이한 광대역 신호처리가 이에 해당된다. 또한 프론트엔드 기기와 SDR 프로세서 간 인터페이스 대역폭을 축소하는 데시메이션(decimation)을 프론트엔드에서 실행하면 인터페이스를 간소화할 수 있다. 이 경우 프론트엔드에서 실현되는 모든 신호 처리는 SDR 백엔드의 유연성을 해치지 않도록 충분히 조정할 수 있어야 한다.
 
SDR 구현이 이상적으로 이뤄지려면 특정 표준과 관련된 어떤 신호라도 SDR 기법을 이용해 처리할 수 있어야 한다. 이로써 SDR 소프트웨어를 통해 단일의 무선 프론트엔드를 수많은 통신 표준과 사용할 수 있다.
 
<무거운 SDR 통합 방식>
베이스밴드 처리는 SDR을 통해 소프트웨어로 구현할 수 있지만 이 소프트웨어는 여전히 일부 하드웨어 플랫폼 상에서 구동되어야 한다. [그림 3]에서 볼 수 있듯 한 가지 구현 방식은 자체 프론트엔드를 가진 2개의 베이스밴드 신호 처리 코어를 동일 칩에 두고 AM과 FM을 각각 처리한다. 이런 아키텍처는 표준이 한 개 이상 존재해 SDR 전략에 적합하지 않는다. 또한 복조 알고리즘은 베이스밴드 신호 처리 영역 내에 하드웨어로 구현되기 때문에 이상적인 SDR 방식에서처럼 다양한 기법과 진화하는 표준에 따라 변경하는 것이 불가능하다. 
 

[그림 3] SDR에 대한 고집적 방식
 

SDR에 따른 유연성을 극대화하기 위해 더욱 유연한 아키텍처가 필요하다. 따라서 맥심 인터그레이티드는 모든 주요 아날로그 및 디지털 라디오 표준(표 1)을 실행할 수 있는 독립형 프론트엔드 튜너(그림 4)로서 WBR(World Band Radio)을 제안한다. 맥심의 유연한 WBR 튜너는 SDR 백엔드와 결합해 단일 무선 플랫폼이 전세계 모든 무선 표준을 수신할 수 있게 해준다.
 아날로그  AM
 FM
 디지털  DAB (EU)
 DRM (INDIA)
 HD (US)
 DMB
[표 1] 무선 표준
 
강력한 멀티코어 프로세서가 등장하면서 이 같은 SDR 방식이 가능해졌다. 멀티코어 프로세서 덕분에 SDR이 요구하는 소프트웨어 유연성은 한 개 코어마다 전용 표준이 있는 메인 애플리케이션 프로세서 내에서 구현된다. 시스템 내 이미 존재하는 멀티코어 애플리케이션 프로세서를 보다 효율적으로 이용함으로써 무선 설계를 간소화하고 비용을 절감할 수 있다.

[그림 4] WBR IC
 
<유연성과 확장성>
WBR 아키텍처는 진정한 SDR을 실현하고 뛰어난 유연성과 확장성을 제공한다. [그림 5]에서 일반 자동차 무선은 3개의 WBR 튜너 IC를 이용하는데 각각 메인 스테이션 백그라운드 스캔(대체 주파수 검색) 및 위상 다양성 목적으로 이용된다.
 

[그림 5] WBR 확장 가능한 아키텍처
 
수신기>
MAX2175 IC는 자동차 수신 환경의 SDR 솔루션을 위해 RF to Bits® 프론트엔드를 장착한 고급 아날로그/디지털 하이브리드 무선 수신기다. MAX2175 고집적 튜너는 VHF Band-III와 L-Band를 지원하면서 디지털 오디오 방송(DAB)과 디지털 멀티미디어 방송(DMB) 애플리케이션을 위해 직접 변환을 이용한다. 또한 Low-IF와 베이스밴드로 디지털 변환을 이용해 FM DRM+ FM-HD 및 웨더-Band 수신을 지원한다. AM(LW MW 및 SW)과 DRM 수신은 직접 샘플링과 베이스밴드로 디지털 변환을 이용해 지원한다(그림 6).
 

[그림 6] MAX2175 WBR 수신기
 
MAX2175는 멀티 튜너 시스템을 지원하기 위해 기준 주파수에 대한 버퍼 상태의 차등 출력을 제공한다. MAX2175 설계는 모든 키 블록(key block)을 통합하며 고급 베이스밴드 솔루션으로 저전력의 튜너 탑재(tuner-on-board) 설계를 가능하게 한다. 이 튜너에는 MIPS 최소화를 위한 디지털 필터링이 포함되어 있는데 이는 원하는 채널을 복조하기 위해 베이스밴드 프로세서에서 꼭 필요한 것이다. 그 결과 I-채널 및 Q-채널 데이터 워드가 업계 표준 I2S 디지털 인터페이스를 통해 베이스밴드로 전송된다. MAX2175 IC는 노출 패드(exposed pad)와 함께 48핀 TQFN 패키지(7mm x 7mm) 형태로 이용할 수 있다. 40°C ~ +85°C 온도 범위에서 성능이 보장된다.
 
고집적 솔루션은 SDR을 완벽 실현하는데 필요한 유연성이 부족하다. 따라서 맥심 인터그레이티드의 WBR 수신기인 MAX2175는 이에 대한 최상의 대안이 될 수 있다. MAX2175는 고급 아날로그/디지털 하이브리드 무선 수신기로서 멀티코어 애플리케이션 프로세서를 더욱 효율적으로 이용함은 물론 SDR 구현의 유연성과 확장성을 극대화하고 비용을 절감할 수 있다.