최근의 무선 시스템에서는 다양한 다이버시티 기법이 데이터 처리량을 최대화하고 전송 신뢰성을 향상시키기 위해 사용된다. 시간, 주파수 및 코드 다이버시티 기법은 다중 사용자에게 신호를 동시에 보내고 전송되는 데이터양을 최대화하는 데 이용된다. 서로 다른 시간, 다른 주파수 또는 골드 코드로 알려진 다른 바이너리 시퀀스로 전송하면 신호 간구별이 가능하고 에러 없이 수신할 수 있는 신호가 생성된다.
이러한 기법은 잘 알려져 있으며 십여 년 이상 사용되면서 완벽해지고 있다. 또한 이들 기법은 안테나 다이버시티 또는 공간 다이버시티와 함께 사용할 수 있다. 안테나 다이버시티는 다중 안테나를 이용해 신호를 송신 또는 수신하는 것을 포함한다. 단순한 안테나 다이버시티는 최상의 성능을 갖는 안테나 조합을 이용해 신호를 디코딩 한다.
더 복잡한 버전의 안테나 다이버시티는 MIMO(multiple input, multiple output) 시스템과 안테나를 송신기와 수신기에 배치해 공간 다이버시티를 증가시키는 빔 형성 애플리케이션을 포함한다. 다중 방송 안테나를 사용하는 경우 타이밍 편차를 각 채널의 디지털-아날로그 컨버터(DAC) 간에 피코초(pico second) 범위에 있도록 하는 것이 필수적이다.
따라서 전송되는 데이터가 동시에 방송되도록 하기 위해서는 함께 동기화할 수 있는 DAC를 갖춰야 한다. 이러한 기준을 만족하면 시스템은 다중 안테나를 통해 동일한 데이터를 공통 수신자에게 전송할 수 있게 되어 적절한 신호 수신 가능성을 최대화하고 송신기에서 신호 드롭 가능성을 최소화한다.
글 : 클라렌스 마요트(Clarence Mayott) 리니어테크놀로지 혼합 신호 제품 애플리케이션 엔지니어
<자료제공: 리니어테크놀로지(www.linear.com)>
TDMA·FDMA·CDMA = 통신 시스템은 몇 가지 종류의 다이버시티 기법을 사용해 다중 사용자를 처리할 수 있다. 가장 기본적인 다이버시티는 시간 분할 다중 접속(TDMA, time division multiple access)으로 이 방식은 기본적으로 데이터를 다른 시간에 여러 명의 사용자에게 전송하는 것을 포함한다.
그런 후에 수신기는 해당 타임 슬롯을 기다려 적절한 데이터를 디코딩 한다. 주파수 분할 다중 접속(FDMA, Frequency division multiple access)은 이와 매우 비슷한 방식이지만 주파수 영역에서 수행한다는 점이 다르다.
데이터는 지정된 주파수에서 서로 다른 사용자에게 전송되고 수신기는 해당 주파수상의 데이터만 디코딩 한다.
보다 최근의 시스템은 코드 분할 다중 접속(CDMA, code division multiple access)을 무선 시스템에 포함시킨다. CDMA에서는 전송하는 데이터를 전송 전 특정 코드로 콘볼루션 한다.
그런 다음 이 코드는 수신기에서 특별히 해당 사용자에게 전송된 데이터를 디코딩 하는 데 사용된다. 이러한 기법은 서로 다른 영역에서 구현되기 때문에 다이버시티를 극대화하기 위해 이들을 동일한 시스템에서 함께 사용할 수 있다.
이와 같은 기법은 여러 세대의 무선 프로토콜에 사용돼 왔으며 세대를 거듭하면서 시스템의 데이터 처리량을 향상시켰다. 또한 이들 기법은 어느 거리에서건 데이터를 전송할 때 페이딩으로 알려진 피할 수 없는 현상을 해결한다. 페이딩은 신호 전송 채널에서 발생하는 감쇄로 인해 신호의 진폭이 감소할 때 발생한다.
방송 안테나로부터 발생하는 신호는 의심할 여지 없이 수신기로 가는 중에 여러 개의 다른 경로를 취하게 되며 전송된 신호는 수신기로 가는 경로에서 위상이 변할 수 있다. 이러한 위상 차는 잠재적으로 수신기에서 신호를 감쇄시켜 페이딩을 초래할 수 있다.
이와 같은 페이딩을 해결하기 위해 다중 송신 또는 수신 안테나를 사용할 수 있다. 신호를 다중 수신기 상에서 송신 또는 수신할 때 모든 경우에서 감쇄가 발생할 가능성은 매우 희박하다. 다중 안테나를 이용하는 것을 안테나 다이버시티라고 하며 이것은 무선 시스템에서 데이터 처리량을 더욱 향상시킬 수 있다.
안테나 다이버시티 = 무선 시스템에서 안테나 다이버시티를 구현하는 여러 가지 방법이 있다. 안테나 다이버시티는 안테나 간 공간을 이용해 신호를 구별하므로 공간 분할 다중 접속(SDMA, spatial division multiple access)을 구현하는 한 가지 방법이다. 이 경우 송신측에 다중 안테나와 수신측에 단일 안테나(MISO)를 사용할 수 있으며 단일 송신 안테나와 다중 수신 안테나 (SIMO) 또는 다중 송신 안테나와 다중 수신 안테나(MIMO)를 이용할 수 있다.
MIMO 기반 시스템은 안테나 다이버시티와 관련해 최상의 결과를 제공하지만 디코딩이 복잡해 정교한 송신기와 수신기가 필요하다. 끊임없이 변하는 환경에서는 일정한 채널 특성이 요구된다.
송신기와 수신기간 거리가 증가함에 따라 송신 안테나와 수신 안테나 간 채널의 복잡성이 불안정해지고 구별하기 어렵게 됨으로써 MIMO의 장점이 줄어든다. 다중 송신 안테나와 수신을 위한 단일 안테나를 사용하는 시스템은 무선 통신에서 매우 많이 사용되며 안테나 다이버시티 이점을 이용해 성능을 향상시킨다.
안테나 다이버시티를 사용하는 MISO 무선 시스템에서는 다중 DAC가 다중 안테나 상의 데이터를 동시에 전송한다. 송신 안테나는 예를 들면 송신탑과 같이 물리적으로 다른 위치에서 정렬되기 때문에 신호가 다른 길로 수신기에 전달되며 송신 안테나에서 수신기에 이르는 경로가 다르다.
채널마다 다중 경로가 특정하기 때문에 각 안테나에서 수신되는 신호는 서로 다르다. 송신된 파일럿 톤을 갖는 개별적인 각 채널의 특성이 수신기에게 각 채널 성능에 대한 유용한 정보를 제공한다.
이러한 정보는 전송 전에 데이터를 디지털로 수정하는 데 사용할 수 있으므로 수신기에서 수신 가능성을 극대화한다. 각 채널은 특정 수정과 교정을 필요로 하기 때문에 각각의 송신 안테나에 개별적인 DAC와 전용 디지털 신호 프로세서(DSP)가 필요하다.
만약 송신 DAC가 시간에서 완벽하게 정렬되지 않는다면, 송신된 신호는 잘못 정렬되고 빔 형성 정확도가 나빠진다. 이로써 송신기는 일대일로 안정적인 채널을 유지할 수 없다. 또한 수신기는 이러한 에러를 교정할 수 없다.
시간 영역에서 이를 피하려면 이러한 DAC를 동기화할 필요가 있다. 이것은 데이터를 동일한 시간에 각 DAC로부터 전송할 필요가 있다는 의미다. 시간에서 약간의 편차가 발생해도 시스템 성능을 저하시킬 수 있다.
동기화 = DAC가 기가헤르츠(㎓) 속도로 데이터를 출력할 경우 다중 장치에 걸쳐 그러한 출력을 동기화하기는 극히 어렵다. 만약 DAC가 2.7Gsps에서 샘플링 한다면 출력 코드는 370ps마다 변한다.
샘플 클록과 FPGA의 데이터 클록은 각 송신 DAC에 대해 정렬할 필요가 있다. LTC2000A, 2.7Gsps, 16비트 DAC는 DAC를 통해 데이터 지연을 조정할 수 있는 내부 레지스터를 포함함으로써 동기화를 간소화한다.
이러한 기능을 사용하려면 각 DAC에 대한 데이터 라인과 클록 라인의 타이밍 부정합이 샘플 클록 주파수의 0.4사이클 이내이어야 한다.
[그림 1]은 2개의 LTC2000A의 이상적인 라우팅을 보여준다. 개별적인 DAC에 대한 데이터 경로와 클록 경로의 트레이스 길이는 피코초 내로 일치시킬 필요가 있다. 이러한 정합은 적절한 디지털 라우팅 기법을 통해 달성된다. 이러한 기준이 충족되면, 데이터는 디바이스에서 디바이스까지 한 사이클 내에 있도록 보장된다.
[그림2] 주파수 영역 그래프는 단일 갭 채널을 갖는 LTC2000A에 의해 생성된 16채널 CDMA를 보여준다.
LTC2000A 내에는 데이터 파이프라인의 지연을 프로그래밍할 수 있는 내부 레지스터가 있다. 각 DAC 레지스터는 개별적으로 설정할 수 있으므로, 궁극적으로 시간 영역의 모든 DAC를 정렬할 수 있다.
이것은 모든 다이버시티 기법을 사용할 때 최대 성능을 달성할 수 있게 한다. 송신 DAC의 수를 늘리는 것 역시 가능한 다이버시티를 증가시킨다. 많은 DAC를 동기화하면 안테나 다이버시티를 향상시키고 더 큰 안테나 어레이를 구현할 수 있다.
성능 = LTC2000A는 또한 탁월한 AC 성능으로 무선 시스템의 성능을 더욱 향상시킨다. [그림2]는 갭 채널(gap channel)을 제거한 16채널 CDMA의 스펙트럼을 보여준다. 각 캐리어의 전력은 -36dBm이고 갭 채널은 -96dBm이다. 이는 LTC2000A의 뛰어난 스펙트럼 순도를 보여준다.
LTC2000A의 높은 스펙트럼 순도는 전송 전 LTC2000A의 출력 필터링을 최소화하므로 DAC의 출력 네트워크를 간소화한다.
[그림3]은 LTC2000A로부터 출력 드라이버를 구동하는 데 사용할 수 있는 간단한 네트워크를 보여준다. LTC2000A는 최대 2.7Gsps까지 업데이트되므로 1㎓ 이상으로 가용 대역폭을 확대할 수 있다.
높은 샘플 레이트는 까다로운 통신 애플리케이션에 충분한 대역폭을 제공하면서 탁월한 스펙트럼 및 잡음 성능을 제공한다.
LTC2000A은 최대 500㎒ 신호에 대해 잡음 스펙트럼 밀도가 158dBc/rHz 이상으로 우수해 넓은 범위의 생성된 주파수에 대해 신호 대 잡음비(SNR)를 높게 유지한다.
또한 SFDR(spurious free dynamic range)이 최대 500㎒에 대해 74dB 이상 우수하고 최대 1㎓의 출력 주파수에 대해 65dB 이상 우수하다.
따라서 스퓨리어스 발생 없이 신호를 생성할 수 있어 최소 필터링만 필요하다. 가장 정확한 빔 형성 애플리케이션을 위해 16비트 버전의 LTC2000A가 최고 정확도를 제공한다. 보다 낮은 성능의 애플리케이션을 위해 LTC2000A는 핀 호환 가능한 14비트 및 11비트 버전을 제공한다. LTC2000A는 모든 무선 통신 시스템의 성능을 향상시킨다.
결론 = 최근의 무선 설계는 끊임없이 성능 한계를 돌파하고 있다. 안테나 다이버시티를 위해 다중 안테나를 사용하면 항상 존재했던 다중 경로 페이딩 문제를 제거할 수 있다. LTC2000A는 동기화 특성을 이용해 다중 안테나를 구현할 수 있게 한다.
간단히 제어 레지스터의 비트를 변경하면 얼마든지 많은 LTC2000A를 동기화할 수 있다. 많은 수의 LTC2000A를 동기화할 경우 단일 또는 다중 안테나를 포함해 복잡한 빔 형성 애플리케이션에서 이를 사용할 수 있다. LTC2000A는 또한 시간, 주파수, 코드와 같은 다른 다이버시티 기법과 함께 사용할 수 있다.
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