무선 FM 핸드셋 구현 지침
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무선 FM 핸드셋 구현 지침
  • 김민형
  • 승인 2009.11.06 00:00
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실리콘랩
무선 FM 핸드셋 구현 지침

미디어 플레이어 기능, 무선 통신을 위한 블루투스 그리고 뉴스, 음악 및 다양한 방송 컨텐츠를 위한 FM 수신기 등이 휴대폰에 빠른 속도로 통합되고 있다. 하지만 블루투스 무선 헤드셋으로 인해 FM 시스템의 기본 구성 요소인 안테나가 사라지는 아이러니한 상황이 벌어지게 되었다. 따라서 휴대형 디바이스 제조업체들은 현재 FM 수신 기능을 지원하면서 블루투스 및 연관된 무선 헤드셋까지 함께 지원하는 방법을 찾고 있다. 이러한 문제의 해결책을 구현하여  '무선'FM 개발을 원활하게 해주는 여러 방법의 양적 및 질적 장단점을 살펴보기로 한다.
 
글: 웨이드 길햄(Wade Gillham), 나탈리안 자이(Natalian Zhai)
실리콘랩(www.silabs.com

 휴대형 디바이스의 FM 안테나 내장과 관련된 추세 및 문제점

사용자들이 전체 음악 라이브러리를 휴대하는 데 익숙해지면서 휴대형 미디어 플레이어의 추세는 음악 산업을 돌이킬 수 없는 상태로 뒤바꿔 놓았다. 이러한 추세로 인해 삼성, LG, 노키아, 모토로라, 소니-에릭슨 같은 거대 핸드셋 업체들은 이 분야에 눈을 돌리게 되었다. 이들 대기업은 유비쿼터스 휴대형 핸드셋을 바탕으로 휴대형 미디어 플레이어 기능을 통합하기 위한 완벽한 플랫폼을 갖추고 있다. 애플을 비롯한 몇몇 업체를 제외하고 미디어 플레이어 업계는 계속해서 인수 합병을 거듭했으며 이제는 어디에서든 메모리 기능이 내장된 핸드셋을 쉽게 볼 수 있게 되었다. 또한 휴대형 미디어의 모체인 FM 라디오 역시 이러한 추세에 말려들어 현재 핸드셋 제조업체들은 전 세계적으로 판매되는 핸드셋의 40 이상에 FM 라디오 기능을 집어넣고 있다.
뿐만 아니라 '선이 없다는 점'도 깔끔하고 맵시 있는 디바이스와 무선의 자유에 매료된 사용자층의 눈길을 사로잡고 있다. 따라서 현재 50 이상의 핸드셋에 블루투스 단거리 무선 프로토콜이 채택되고 있는 상황이며, 2010년 말경이면 피처폰(Feature Phone)에서 로우엔드 제품까지 채택이 확장될 전망이다.
그러나 이러한 추세로 인해 흥미로운 문제가 발생하고 있다. FM 수신기에는 FM 방송을 수신하기 위한 안테나가 필요하다. 기존에는 휴대폰과 함께 제공되는 무선 헤드셋에 안테나가 제공되었지만 블루투스 헤드셋에는 이러한 선이 필요 없으므로 사용자들은 더 이상 이를 휴대하지 않게 되었다. 따라서 FM 라디오를 청취하려는 경우 헤드셋을 연결해야 한다는 화면 메시지가 나타나며, 연결하지 않을 경우 FM 라디오가 작동하지 않게 된다. 결과적으로 기술자들이 이러한 문제와 관련된 모종의 방법을 찾지 못하는 이상 FM 방송 수신을 위한 소프트웨어와 IC만 낭비되는 꼴이다.

내장형 FM 안테나

그림 1. 고정 공진 개념도
'내장형'이라는 단어는 FM 안테나가 어떤 형태로든 핸드셋의 일부로 구성되어 있다는 것을 말하며, 실제로 이는 가능한 일이다. 현재 FM 수신기가 계속해서 FM 방송을 수신할 수 있도록 핸드셋 본체 내에 또는 본체의 일부로 FM 안테나를 디자인하는 데 사용할 수 있는 다양한 옵션이 개발되어 있다. 사용 가능한 옵션을 간단히 살펴보면 칩 안테나, 연성 플라스틱 회로(FPC), 인쇄 회로 기판(PCB) 트레이스, 쇼트 와이어(Short Wire), 저잡음 증폭기(LNA) 등이 있다. 각 옵션에 간단한 설명은 아래 나와 있지만 그보다 먼저 FM 방송 에너지와 이러한 에너지를 캡처하는 안테나에 대해 살펴봐야 할 것이다.
FM 방송은 특수하게 변조된 에너지 파동을 공중에 송신하는 것이다. 안테나 이론의 기본적인 물리학에 따르면 일반적으로 안테나가 커질수록 에너지가 늘어나므로, 큰 FM 안테나는 대량의 FM 방송 에너지를 캡처하게 된다. 최적의 FM 안테나 길이는 대개 3m 정도다. 상용화된 핸드셋에는 보다 짧은 1/4파장 안테나가 사용된다. 또한 유선 헤드셋의 와이어로도 구현된다.
가장 강한 FM 에너지를 캡처하는 데 영향을 미치는 1/4파장 안테나의 효율은 안테나 및 필요한 FM 주파수에서 공진되는 연관된 회로에 따라 달라진다. 일반적인 디자인에서 FM 안테나는 고정 주파수에서 공진되도록 만들어지므로 최적의 FM 대역 지점에서 캡처되는 FM 방송의 양을 극대화한다. 안테나는 고정 주파수에서 최적화되도록 정의되어 있으므로 다른 주파수는 최적화되지 않기 때문에 '최적'의 공진 주파수를 선택하는 과정에는 절충이 필요하다. 수신되는 신호의 세기를 수신된 FM 에너지의 양에 대한 측정 기준으로 사용할 경우 1/4파장 고정 공진 안테나는 아래 그림 1의 녹색 점선처럼 나타날 것이다.
경사도가 완만하기 때문에 안테나의 효율은 해당 공진 지점에 대한 대역 경계에서 비슷하다.
보다 짧은 내장형 안테나는 공진되는 경사도가 훨씬 가파르게 나타나는데, 이는 그림 1에 파란색 실선으로 표시되어 있다. 이러한 경사도는 대상 주파수에서 공진을 최적화하는 데 유용하지만 짧은 안테나의 경사도가 너무 가파르기 때문에 대상 고정 공진 외부의 주파수에 대해서는 안테나의 효율이 매우 떨어진다. 이것은 내장형 안테나 기술의 일반적인 문제다.
실리콘 랩(Silicon Labs) 같은 업체들의 신기술 개발로 인해 고정 공진의 개념이 진화할 수 있게 되었다. 실리콘 랩은 핸드셋 및 휴대형 디바이스 시장에 '튜닝 공진(Tuned Resonance)' 기술이 통합된 FM 수신기, FM 송신기 및 FM 송수신기 IC를 제공하고 있다. 연관된 외부 부품을 전혀 사용하지 않는 실리콘 랩의 튜닝 공진은 안테나의 공진을 주파수 간에 '이동'함으로써 여러 주파수에서 얻는 방송 에너지를 극대화할 수 있다. 그림 2는 튜닝 공진의 개념을 묘사한 것이다. 본질적으로 이러한 개념을 통해 실리콘 랩의 튜너가 각 튜닝 주파수에서 안테나의 효율을 극대화할 수 있는 것이다.

그림 2. 튜닝 주파수 개념도

내장형 안테나 옵션

칩 안테나
칩 안테나는 셀룰러 대역용 핸드셋에 널리 사용되며, 현재는 셀룰러 대역 칩 안테나를 제조하는 여러 업체들이 FM 에너지에 대한 저마다의 기술을 변형시켜 선보이고 있는 수준이다. 이러한 칩 안테나는 FM 에너지를 캡처하는 성능이 뛰어나며 길이 25~30mm, 가로/세로 약 5×5mm의 작은 크기를 자랑한다. 또한 칩 안테나는 작은 크기와 표면 실장 패키지 덕분에 핸드셋에 디자인 및 제조하기가 비교적 용이하다. 단점은 다른 옵션보다 비용이 많이 들며 가뜩이나 부족한 PCB 공간을 잡아먹는다는 점이다.

연성 플라스틱 회로(FPC)
FPC는 소재에 인쇄된 와이어로, 매우 훌륭한 FM 안테나가 될 수 있으며 핸드셋 디자인의 작은 공간에 들어갈 수 있다. 또한 보다 큰 구조 소재의 일부이므로 본질적으로 다른 솔루션보다 구조면에서 더욱 견고하다. 폴더형 핸드셋의 양쪽 사이에 라우팅하거나 PCB와 본체 사이에 놓는 등 디자인을 다양한 영역에 배치할 수 있는 특징이 있다. FPC는 저렴하며 핸드셋 제조업체가 자체 생산 시설에서 만들 수 있다. 따라서 전체 솔루션의 비용을 줄여줄 뿐 아니라, 연관된 재고 또는 공급업체 관리 부담을 원활하게 처리하는 데 도움이 된다. FPC 안테나의 단점은 칩 안테나보다 크기 때문에 핸드셋 내에 디자인하는 데 어려움이 따를 수 있다는 점이다. 안테나의 FM 수신 기능을 최적화하려면 FPC의 배치 및 그에 따른 모양을 사전에 세심하게 고려해야 한다.

PCB 트레이스
연성 플라스틱 회로(FPC) PCB 트레이스는 매우 저렴한데다 제조하기도 상당히 쉽다. 또한 FM 안테나로서 성능이 뛰어난 것은 물론, FM 에너지 수신 성능에 영향을 미칠 수 있는 다른 물체로 인해 변화가 발생하지 않기 때문에 배치 상태가 상당히 견고하고 디자인 규격서에서 변경될 일이 없다. 세심하게 디자인된 PCB 트레이스는 튜닝 공진을 사용하여 매우 뛰어난 성능을 낼 수 있다.

쇼트 프리 와이어
쇼트 프리 와이어는 뛰어난 FM 안테나이며 저렴할 뿐 아니라 핸드셋 제조업체가 자체 생산 시설에서 만들 수 있다. 핸드셋 개념에서 신중하게 디자인된 경우 플라스틱 사이에 끼우거나, 배터리를 둘러싸거나, 케이스에 내장시키는 등 자유롭게 배치할 수 있다.
저잡음 증폭기
위의 옵션 중 하나와 LNA를 함께 사용하면 선택한 옵션의 성능을 향상시킬 수 있다. LNA는 대개 회로에 신호와 잡음을 모두 끌어들이지만 잡음과 비교하여 수신기가 뚜렷하게 복조를 수행할 만큼 안테나의 FM 신호량이 충분치 않은 경우에는 안테나에 추가될 수 없다. LNA는 능동 회로이므로 전력을 소모하는데, 이것이 단점이 될 수 있다. 또한 내장형 안테나 및 관련 회로 외에도 LNA 구성품을 구매 및 관리하는 것과 연관된 비용이 들게 된다.

여러 내장형 안테나 옵션의 성능
먼저 짚고 넘어갈 부분은 위에서 설명한 내장형 안테나 옵션은 모두 기존의 1/4파장 FM 안테나보다 성능이 떨어진다는 점이다. 뿐만 아니라 고정 공진 구현의 경우 위에서 언급한 내장형 옵션은 모두 실리콘 랩의 튜닝 공진 같은 솔루션과 함께 사용하는 경우보다 성능이 낮다.
그림 3에서는 고정 공진, 실리콘 랩의 튜닝 공진 그리고 전통적인 헤드폰 안테나를 각각 사용하여 다양한 내장형 안테나 구현에 대해 수량 테스트를 실시한 결과를 보여 준다. 이러한 측정 결과는 약한 신호, 중간 신호 및 강한 신호 환경에서 각 솔루션의 신호 대 잡음비(SNR)를 나타낸다. SNR을 사용하는 이유는 잡음에서 식별할 수 있는 신호의 양을 의미하는 최종 사용자의 청취 경험을 SNR이 가장 정확하게 나타내는 때문이다.

실제 내장형 안테나 구현

그림 3. 고정 공진, 튜닝 공진, 전통적인 헤드폰 안테나를 사용한 내장형 안테나에 대한 수량 테스트

핸드셋 제조업체에서는 고정 공진과 튜닝 공진을 모두 사용하여 내장형 안테나를 구현하고 있다.  회로의 부품 수가 많고, 고정 회로 및 LNA를 사용하여 구현 규모가 큰 것(오프칩 PCB 면적 70㎟)을 알 수 있다. 이 구현은 규모가 크기 때문에 핸드셋이 FM 수신기 회로 주변에 가상으로 디자인되어 있다. 따라서 오늘날의 시장에서 타당성을 인정받을 수 있는 디자인 목표는 아니라는 점을 감안해야 한다.
칩 안테나 및 실리콘 랩의 FM 수신기와 함께 튜닝 공진을 사용하여 구현한 것이 Si4704이다. 전체 회로는 약 20~30㎟의 공간에 꼭 들어맞으며 부품 수가 매우 적다. 이 구현은 크기 및 복잡도 면에서 LNA를 사용한 경우보다 월등히 뛰어나며, 함께 나와 있는 큰 LNA 구현과 성능이 유사하다.

요약

핸드셋 제조업체들은 통합에 대한 노력을 계속 진행하고 있으며 최근에는 미디어 플레이 기능, 블루투스 무선 프로토콜, FM 수신기까지 통합하고 있다. 하지만 위에서 살펴보았듯이 블루투스와 FM의 경우 블루투스 무선 헤드셋으로 인해 이전에 FM 안테나로 사용되어 온 와이어가 사라지는 근본적인 문제점을 안고 있다. 그러나 실리콘 랩 같은 혁신적인 업체들이 새로운 FM 안테나 기술을 선보임에 따라 핸드셋 제조업체는 성능에 영향을 주지 않고 핸드셋 내에 소형 FM 안테나를 내장시킬 수 있게 되었다.