차세대 항공우주 및 방위 플랫폼이 수반하는 도전과제들은 개별 장치의 최적화만으로는 달성할 수 없는 수준의 솔루션을 요구한다. 소프트웨어 제어 및 인지 능력을 무선 장치로 더 많이 통합시키려면 주파수와 대역폭의 변화에 유연한 RF 설계가 필요하다. 이 목표를 달성하려면 정적 필터(static filter)를 파장 가변 필터(tunable filter)로 대체해야 한다.
마찬가지로 공통 플랫폼의 개념은 개발기간 및 제조비용을 절감하고 시스템간의 상호운영성을 높일 수 있게 한다. 공통 플랫폼은 RF 시스템이 예로부터 상이한 아키텍처를 사용해 온 애플리케이션들을 대상으로 최대 성능을 제공할 수 있어야 사용 가능하다. 그 결과 미래의 플랫폼을 구현하기 위해 크기와 전력 요구량이 극단적인 수준으로 변화하고 있다.
소형 군용 무선 장치는 더욱 정교해지고 유능해지고 있는 동시에 보다 향상된 배터리 효율성을 요구하고 있다. 소형 무인항공기(UAV)는 대형 항공기만큼의 전력을 생산할 수 없으며 RF 시스템에서 소비되는 모든 전력은 배터리 중량의 페이로드로 직접 변환되기 때문에 비행시간이 줄어들게 된다. 이러한 문제점을 해결하고 차세대 항공우주 및 방위 솔루션을 개발하기 위해서는 새로운 무선 아키텍처가 필요하다.
슈퍼헤테로다인 아키텍처와 수확 체감
슈퍼헤테로다인 아키텍처는 도입 단계부터 지금까지 항공우주 및 방위 시스템용 무선 설계의 근간을 이루어 왔다. 싱글 또는 듀얼 믹싱 단계의 슈퍼헤테로다인 아키텍처는 소형 군용 무선 장치, UAV 데이터 링크 및 신호 정보(SIGINT) 수신기를 아우르는 가장 일반적인 선택지다.
이러한 설계의 장점은 명확하다.
적절한 주파수 계획을 통해 매우 낮은 스퓨리어스 방사가 가능하고 IF(intermediate frequency) 필터로 채널 대역 및 감도를 설정할 수 있으며 단계별 이득 분배를 통해 잡음 지수 최적화와 선형성 사이에서 균형점을 찾을 수 있다는 것이다.
슈퍼헤테로다인 아키텍처의 성능은 100년이 넘는 사용 기간 동안 신호 체인 전반에서 상당한 진전을 보였다. 마이크로파와 RF 장치의 성능이 향상된 한편 전력 소비는 줄어들었다. ADC와 DAC의 샘플 속도, 선형성, 유효 비트 수(ENOB)도 증가했다.
무어의 법칙에 따라 FPGA와 DSP의 처리 능력 역시 시간의 흐름과 함께 증가해 왔으며 효율적인 알고리즘, 디지털 보정 및 집적도 향상이 구현됐다. 패키징 기술의 발달로 장치 핀 밀도가 줄어들었고 동시에 열처리 성능 또한 증가했다.
그러나 이처럼 장치에 특화된 개선 사항들은 수확 체감 지점에 가까워지기 시작했다. RF 부품의 크기와 무게 및 전력 소비(SWaP)는 감소 추세이지만 고성능 필터의 물리적 크기는 변함이 없고 맞춤 설계를 해야 하는 경우가 많아 전반적인 시스템 비용이 증가로 이어진다.
뿐만 아니라 IF 필터가 플랫폼의 아날로그 채널 대역폭을 설정하기 때문에 다양한 시스템에서 재사용될 수 있는 공통 플랫폼 설계에 장애를 유발한다. 패키징 기술의 경우 대부분의 제조 라인에서 볼 피치(ball pitch)가 0.65㎜나 0.8㎜ 미만으로는 떨어지지 않는데 이는 여러 입출력(I/O) 요건이 필요한 복잡한 장치의 물리적 크기를 줄이는 데 한계가 있음을 뜻한다.
제로-IF(ZIF) 아키텍처
최근 들어 슈퍼헤테로다인 아키텍처의 대안으로 다시 한 번 떠오르고 있는 솔루션은 제로-IF(ZIF) 아키텍처다. ZIF 수신기는 해당 주파수 대역으로 직접 설정된 국부 발진기(LO)가 있는 단일 주파수 믹싱 단계를 사용해 수신된 신호를 위상(I)과 쿼드러처(Q) 신호의 기저대역으로 다운 변환한다.
모든 아날로그 필터링이 기저대역에서 발생하며 기저대역에서는 맞춤 RF/IF 필터보다 필터 설계가 쉽고 비용도 저렴하기 때문에 ZIF 아키텍처는 슈퍼헤테로다인 아키텍처의 엄격한 필터링 요건을 완화해 줄 수 있다.
ADC와 DAC는 이제 기저대역의 I/Q 데이터에서 작동하기 때문에 변환된 대역폭에 비례하는 샘플 속도가 줄어들어 전력 소비를 크게 낮출 수 있다. 설계 측면에서 봤을 때 ZIF 트랜시버는 아날로그 프론트 엔드의 복잡성과 부품 수를 줄여줌으로써 SWaP을 상당히 낮출 수 있다.
그러나 이러한 ZIF 아키텍처에도 해결해야 할 단점은 있다. 기저대역으로의 직접 주파수 변환으로 인해 반송파 누설과 이미지 주파수 성분이 발생한다. 수학적으로라면 I와 Q신호의 이미지 성분은 서로의 직교성 때문에 상쇄된다[그림3].
그러나 공정상의 변수나 신호 체인의 온도 변화 같이 현실적인 요인들 때문에 I와 Q 신호 사이에 완벽한 90° 위상 오프셋을 유지하기란 불가능하며 이로 인해 이미지 제거 성능이 저하된다.
뿐만 아니라 믹싱 단계에서의 불완전한 LO 절연으로 인해 반송파 누설 성분이 발생한다. 이를 방치할시 이미지와 반송파 누설로 인해 수신기의 감도가 저하되며 원치 않는 전송 스펙트럼 방사가 발생할 수 있다.
과거의 사례를 보면 I/Q 불균형은 ZIF 아키텍처에 적합한 애플리케이션의 범위를 제한해왔다. 여기에는 두 가지 이유가 있다.
첫째, ZIF 아키텍처를 개별적으로 구현하면 일체형 장비와 인쇄 회로 기판(PCB)에서 불일치가 발생한다. 둘째, 일체형 장치는 각각 다른 제조 공정을 거칠 수 있어 내재된 공정상의 변수로 인해 불일치가 일어나기 쉬웠다. 개별 구현 방식에서는 RF 부품과 물리적으로 분리된 프로세서도 존재하기 때문에 쿼드러처 보정 알고리즘을 주파수, 온도, 대역폭에 따라 다르게 구현하기에 매우 어려움이 따른다.
집적 트랜시버로 SWaP 솔루션 제공
차세대 시스템 개발은 ZIF 아키텍처를 일체형 트랜시버 장치에 통합시키는 데에서 출발할 수 있다. 하나의 실리콘 부품에 아날로그 및 RF 신호 체인을 구현하면 공정상의 변수가 최소화할 수 있다.
더불어 DSP 블록이 트랜시버에 내장될 수 있어 쿼드러처 보정 알고리즘과 신호 체인 사이의 경계를 허물 수 있다. 이러한 접근 방식을 사용하면 SWaP을 크게 개선할 수 있으며 슈퍼헤테로다인 아키텍처와 필적할 만한 성능 및 사양을 구현할 수도 있다.
ADI는 현재 항공우주 및 방위 시장의 요구를 충족시켜주는 AD9361과 AD9371 트랜시버 2종을 판매하고 있다. 이 장치들은 RF 전체, 아날로그 및 디지털 신호 체인을 하나의 CMOS 장치에 통합시킨 제품들로 모든 공정, 주파수, 온도의 변화에 따라 실시간으로 쿼드러처 및 반송파 누설을 보정하는 디지털 처리장치를 내장하고 있다.
AD9361은 중간 수준의 성능 및 사양을 갖추고 있으며 소비 전력이 작아 UAV 데이터 링크, 휴대용 소형 통신 시스템, 소형 폼팩터 SIGINT 등에 적합하다. AD9371는 고성능 사양에 초점을 맞추어 AD9361보다 소비 전력이 높은 편이다.
뿐만 아니라 AD9371에는 고급 보정 제어용 통합 ARM 마이크로프로세서와 전력 증폭기(PA) 선형화용 관측 수신기 및 유휴 대역 감지용 스니퍼 수신기가 포함돼 있다.
이를 통해 여러 종류의 애플리케이션에 걸쳐 사용할 수 있는 새로운 설계 제작 가능성이 열린다. 광대역 파형을 사용하거나 불연속 스펙트럼을 차지하는 통신 플랫폼은 이제 훨씬 작은 폼팩터에 구현될 수 있다.
또 높은 동적 범위와 넓은 대역폭을 사용할 수 있어서 RF 스펙트럼의 밀도가 높은 장소에서도 SIGINT와 전자전 시스템(EW), 위상 배열 레이더 작동이 가능하다.
차세대 아키텍처가 눈앞에
슈퍼헤테로다인 아키텍쳐는 지난 100년 동안 최적화를 통해 플랫폼의 크기와 전력 소비를 점차 줄이면서 성능을 상당히 향상시켰다. 그러나 이러한 향상 속도는 물리적인 한계로 인해 느려지기 시작했다.
따라서 차세대 항공우주 및 방위 플랫폼의 RF 설계에 새로운 방식으로 접근해야 한다. 수 제곱인치의 기존 플랫폼이 하나의 장치로 통합되고 소프트웨어와 하드웨어의 경계가 모호해져 현재로써 불가능한 최적화 및 집적화 수준을 달성해야 하며, SWaP이 줄어들더라도 성능은 낮아지지 않아야 한다.
AD9361와 AD9371를 함께 사용하는 항공우주 및 방위 설계자는 불과 몇 년 전만 해도 불가능했던 시스템을 만들어 낼 수 있게 된다. 두 장치는 파장 가변 터 모서리, 광대역 LO 생성, 성능의 다양화, 보정 알고리즘 등 다양한 요소들을 공유한다. 하지만 핵심적인 차이점도 있어 서로 다른 애플리케이션에 각 부품을 최적화된 상태로 구동시킨다.
AD9361은 SWaP이 주요 동인이 되는 단일 반송파 플랫폼에 초점을 맞추고 있다. 반면 AD9371은 성능 요건이 훨씬 더 까다로운 광대역 불연속 플랫폼에 초점을 맞춘다. 이들 두 트랜시버는 차세대 항공우주 및 방위 신호 체인을 구현하는 데에 필요한 핵심 요소가 될 것이다.
<글 : 와이어트 테일러(Wyatt Taylor) 아나로그디바이스 선임 RF 시스템 엔지니어, 데이비드 브라운(David Brown) 아나로그디바이스 RF 시스템 어플리케이션 엔지니어>
<자료제공 : 아나로그디바이스(www.analog.com)>
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