전세계를 무선으로 연결하는 싱글칩, 6밴드의 UMTS 트랜시버 설계

RF Technology

글: Ms. Irina Prjadeha / Product Marketing, RF Engine Business Unit 인피니언테크놀로지스 / www.infineon.com Dr. Rainer Koller / RF Concept Engineering DICE GmbH & co.kgUMTS(Universal Mobile Telecommunications System)는 3G 모바일 커뮤니케이션 시스템용 기술로 떠오르는 핵심 기술 중 하나로 기존 GSM 시스템의 대처 기술로서 개발되고 있다. 또한 유럽, 아시아, 북미 및 일본 지역을 모두 커버하는 다양한 주파수 밴드로 진정한 세계표준으로 자리잡고 있다. 이러한 기술적인 혜택을 바탕으로 UMTS 휴대전화 설계자들은 더 작고 저렴한 부품을 사용함은 물론 글로벌 로밍을 비롯한 다양한 성능 및 더 빠른 데이터 전송율을 지원하기 위해 다중밴드의 필요성을 더욱 절실히 요구하고 있다. 이는 모든 통신 반도체 공급 업체들이 직면한 상황이다.이러한 상황에서 칩 설계자들은 차세대 RF(radio frequency) 트랜시버 설계 시 소형화, 저전력, 그리고 멀티 주파수 밴드 지원 등 3가지 주요 성능에 초점을 두고 개발에 주력하고 있다. 이러한 솔루션 개발을 위해서는 다중 밴드 기능을 하나의 싱글칩에 통합시켜야 하며, 이때 포함되어야 할 요소로는 적응형 수신 밴드 필터, 송수신을 위한 완벽하게 집적된 fractional-N PLL, 다양한 로직을 구현할 수 있는 FEM 제어 출력 등이 있다. 또한 칩 제조 공정은 최소형의 휴대전화 폼팩터 조건에 부합되는 크기에서 이루어져야 한다.가장 이상적인 솔루션은 싱글 칩의 저전력 CMOS RF 트랜시버 제품으로 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 밴드 기반의 UTRA FDD(UMTS Terrestrial Radio Access Frequency Duplex Division) 접속 방식에 명기된 모든 UMTS 주파수 밴드를 지원해야 한다. 하나의 칩으로 통합시킨 UMTS 폰은 유럽, 아시아, 북미 및 일본에서 사용 가능하며, 현재 전 세계적으로 가장 광범위하게 사용된다. 이러한 칩을 사용한 UMTS 폰은 기존 휴대전화에 의해 광범위하게 서비스되는 지역들에서의 손쉬운 접속을 가능하게 함으로써 유럽, 아시아, 북미, 일본에서 사용 가능하다.UMTS: 다양한 주파수의 세계 표준UMTS가 세계 표준으로 자리잡는 과정에서 UMTS에 의해 지정된 각각의 다른 주파수 밴드들은 향후 몇 년 동안 시장에서 어떤 주파수가 지원되어야 하는지에 대한 예측을 어렵게 한다(표 1은 각각 다른 UMTS 주파수 밴드와 각 밴드가 가장 광범위 하게 사용되고 있는 지역을 보여준다). 현재 대부분의 휴대전화 설계자들이 자주 요구하는 UMTS 주파수 조합은 글로벌 로밍을 고려한 밴드 I, II, V이다.이러한 조합은 휴대전화 네트워크 통신업체와 엔드 유저들의 기대치 및 선호, 그리고 각 시장의 니즈에 따라 변동될 수 있다.향후 어떤 변동이 일어날지에 대한 예측이 정확하지 않은 가운데, 최적화된 설계 유연성을 갖춘 다중 밴드 지원은 반도체 제공업체들이 해결해야 할 핵심 과제이다.현재 ITU에 의해 지정되고 북미의 독특한 상황(ITU에 의해 2G와 위성통신용으로 이미 1900MHz가 할당되어 있다)에서도 맞는 대부분의 UMTS 밴드들을 지원하는 단일칩 멀티밴드 트랜시버는 휴대전화 제조업체들이 전 세계 어디서나 동작 가능한 단일 디바이스를 만드는 것이 가능하게 함으로써 설계시간과 자원을 줄일 수 있게 한다시스템 개요인피니언 테크놀로지스의 SMARTi 3G는 현재 상용화되고 있는 모든 UMTS 밴드를 지원하는 하나의 싱글 칩 트랜시버 IC로 다중밴드를 완벽하게 지원하며, 유연성이 뛰어난 다중 밴드 애플리케이션용으로 물리적 밴드를 3가지까지 지원한다. 이러한 트랜시버 설계는 3개의 제로(zero)-IF(intermediate frequency) RX paths, 3개의 Direct conversion TX paths, 2개의 Fractional-N synthesizer 구성된다.SMARTi 3G는 북미의 독특한 주파수대역에서의 동작을 가능하게 하는 하이브리드 필터 모드(hybrid filter mode)로 구동되는 노치 필터를 포함하며, UMTS Band II와 III에서의 동작조건을 만족시키기 위한 소프트웨어로 구동되는 또 하나의 노치 필터도 가능하다.다이렉트 컨버전(Direct conversion) 수신기는 각 밴드에 대해 전적으로 차동 신호(fully differential signal)로 동작한다. 수신단에서 신호는 첫째로 정확히 조정된 능동 기저대역(BB, Baseband) 필터와 두 번째로 프로그래밍 가능한 2.7MHz 노치 필터에 의해서 필터링된다. 모든 DC 오프셋은 내부 회로에 의해 자동으로 보정된다.일반적으로 수신기는 뛰어난 선형성 설계를 제공하며 핵심 파라미터 중의 하나인 감도 부분에서 매우 뛰어난 성능을 갖는다. RX PGC(programmable gain control) 또한 매우 선형적이기 때문에 휴대전화 생산 공정에서 교정 포인트가 줄어들어 시간 절약 및 비용이 절감된다.그림 1은 두 가지의 수신기 성능을 보여주는데, UMTS 밴드 I에서 작동하는 수신기의 다양한 입력 파워의 값에 따른 composite EVM(Error Vector Magnitude)과 SNR(Signal-to-Noise Ratio)를 나타낸다.송신기 패스는 3차 버터워스(Butterworth) 타입의 능동 베이스밴드(BB) 필터, 다이렉트 업컨버터, VGA단(stage) 및 고전력 출력 드라이버 단 등을 포함한다. VGA단에서의 가변 바이어싱은 전체 출력 대역에서 최소의 전류소모를 가능하게 한다. 각각의 다이렉트 컨버전 송신기 경로는 차이가 생기는 BB 입력신호를 다루기 위해 차동(fully differential), 프로그래밍 입력버퍼를 사용한다.또한 3차 버터워스 타입의 BB 필터는 수신 신호에 악영향을 주지 않는 범위 내에서 DAC의 잡음과 far-off 잡음 같은 불필요한 신호를 제거한다.전반적으로 TX는 고선형성(high linearity)을 나타내며 뛰어난 잡음 지수와 출력 파워 값을 보인다. 그림 2는 밴드 I, TX 1950MHz용 캐리어로 인해 특정화된 오프셋의 FDD 신호(파란색)를 3GPP(3rd Generation Partnership Project)에 의해 지정된 분광 마스크(빨간색)와 비교한 것이다. 이 그림은 완벽한 시스템을 위해 충분한 마진을 갖춘 트랜시버의 성능을 나타내고 있으며, 이는 3GPP의 조건을 만족시킨다. RX와 TX는 모두 칩 자체에 내장된 루프필터와 기본 저항으로 이루어진 fractional-N PLL을 사용함으로 외장 부품수는 최대한으로 줄일 수 있다. 모든 동작 가능한 밴드를 커버하고 양산시의 충분한 주파수 마진을 위해 광대역 차동 VCO가 사용된다. UMTS 밴드 V와 VI 는 VCO RF 출력 상의 부가적인 2분 주기를 사용하여 동작된다. 적절한 VCO 밴드는 내부 정렬 알고리즘에 의해 선택되는데 이는 PLL이 시작되거나 새로운 주파수가 셋팅될 때마다 작동된다. 동시에 추가 교정을 통해 루프 필터 코너 주파수 확장과 같은 PLL에서 발생 할 수 있는 모든 이탈 현상을 최소화하였다.IC의 모든 기능은 읽기/쓰기가 가능함은 물론 후방 호환성(Backwards-compatibility)이 있는 3 wire-bus 프로그래밍 인터페이스로 조정된다. 휴대전화 제조업체 및 플랫폼 공급업체들은 표준 아날로그 인터페이스 구현을 통해 다중 3G 베이스밴드 프로세서를 이용함으로써 상호 운영 체계를 갖출 수 있다. 이는 최상의 부품조합을 위해 다양한 부품업체들로부터 다른 제품을 선택한 후 조합이 가능하도록 한다.3밴드 설계 시 고려 사항모든 UMTS 밴드와 다양한 밴드 조합을 위해 설계자들은 동시에 구성될 수 있는 3가지 물리적 밴드인 로우, 미들, 하이가 필요하다. IC의 운용 밴드는 6밴드와 프론트엔드 제어 출력 핀의 적절한 조합을 이용한 3-와이어 버스(3-wire bus)를 통해 RX와 TX에 각각 독립적으로 선택될 수 있다. 그림 3은 전형적인 3밴드 애플리케이션의 예이다. 3밴드 UMTS 솔루션의 전형적인 PCB 폼팩터는 겨우 74개의 부품을 포함하여 그 크기가 370mm²불과하다. 이는 하나의 싱글 밴드만을 지원하는 다른 솔루션들에 비해 50% 감소된 수치이다.멀티밴드 및 멀티 모드 작동에 의한 프론트엔드의 복잡성이 증가하면서 외부 부품, 즉 파워증폭기(PA), 스위치 등을 효과적으로 제어하는 것이 필요해졌다. 이는 매우 유연한 소프트웨어로 프로그래밍되는 프로트엔드 컨트롤을 구현시켜 6개의 전용 RXBAND와 TXBAND 출력 핀을 상황에 따라 조절한다기본 프론트엔드 컨트롤 성능은 각 밴드를 위해 3개의 단독 프로그램 세트를 제공한다. 이러한 성능을 기반으로 프론트엔드 부품의 신호 경로가 채택된다. 프론트엔드 컨트롤은 RXBAND 출력 핀에 맞는 스위칭 지연에 의해 확장된다. TX 경로의 전원이 꺼진 후 전원이 들어온 상태로 다시 셋팅되면 TXBAND 출력은 ‘Low’ 출력 상태를 위해 추가적으로 프로그램될 수 있다.HSDPA 특징비디오 시그널 스트리밍과 같은 UMTS의 새로운 서비스들은 급속도로 증가된 데이터 처리율을 요구한다. 3GPP W-CDMA 릴리즈 5는 HSDPA 기술을 사용시 최대 14.4Mbps(이론적 한계)의 데이터 처리속도를 정의한다. HSDPA를 통해 업그레이드 된 UMTS 네트워크는 현재 유럽 지역에 배치되어 있으며 데이터 처리 속도는 1.8과 3.6Mbps 사이이다. 2007년 말에는 처리 속도가 7.2Mbps에 이르는 HSDPA 카테고리 8이 주류를 이룰 것으로 전망된다.기술이 HSDPA로 빠르게 이전되고 있는 가운데 그 중요성이 날로 높아지고 있는 휴대전화과 함께 HSDPA가 지원되는 첫 번째 애플리케이션으로는 PC 데이터 카드가 있다. 네트워크 개발은 아직 개발 단계에 있는 반면 인피니언의 SMARTi 3G RF 트랜시버 제품처럼 HSDPA 카테고리 8을 지원하는 RF 및 BB 휴대전화 부품은 이미 상용화가 가능한 단계이다.HSDPA는 빠르고 효율적인 주파수 전송을 위해 공유 다운링크 채널, HS-DSCH(High Speed Downlink Packet Access), 새로운 모듈레이션 기술, 그리고 링크 어댑테이션(Link Adapta- tion)을 요구함으로 인해 하드웨어 구현을 더욱 복잡하게 만든다. 예를 들어 트랜시버의 TX 측면에서 HSDPA의 추가는 ACLR 성능 과 최대 출력 파워에 영향을 미치며, 이를 위해서는 디자인 과정이 세심하게 고려되어야 한다. 더 높은 데이터 처리율을 확보하기 위한 더 높은 차수의 모듈레이션은 특히 수신부 선형성에 부담을 주는 강력한 송신부 성능을 수반한다. 반면 RX 측면에서는 EVM이 직접적으로 영향을 받게 되는데 이는 증가한 데이터 처리율이 SNR 조건을 증가시키기 때문이다.위의 표 2는 모듈레이션 기술, 코드 개수, 데이터 처리율에 따라 구분된 HSDPA 카테고리이다.각 HSDPA 카테고리를 참조한 최대 데이터 처리율은 코드 개수, 모듈레이션 방식 및 코드율(TFRC: Transport Format and Resource Combination)에 의해 구분된다.UMTS 트랜시버 공정에 선호되는 CMOSCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 기술의 구현은 다중 밴드 및 HSDPA 성능 지원만큼이나 모든 트랜시버 제공 업체들이 필요로 하는 요소이다. CMOS 기술은 트랜시버 설계에 필요한 기술로 SiGe(silicon germanium)와 BiCMOS(bipolar CMOS) 공정을 대처할 수 있다. 첨단 트랜시버를 공급하고 있는 대부분의 업체들은 실제로 설계 과정에서 CMOS 공정을 적용 중이다.CMOS는 마스크와 프로세싱 단계를 줄여 BiCMOS와 SiGE와 같은 기존의 RF 기술에 비해 직접적인 가격 혜택을 제공한다. CMOS 기술은 더욱 빠른 전송률은 물론 차지하는 공간도 줄어들어 설계에 필요한 크기도 대폭 감소시킨다. 통합 성능 향상에 따른 가격 감소는 CMOS를 타깃으로 한 차세대 RF 디자인에 매우 핵심적인 요소이다.인피니언의 SMARTi 3G 트랜시버 제품에서 알 수 있듯이 CMOS는 전반적으로 디지털 로직을 기반으로 구현된다. 이는 DC 오프셋 및 필터 교정과 같은 다양한 보정 기술 집적에 있어서 높은 유연성을 발휘한다. 또한 fractional-N PLL을 위해 잠금 시간(locking time)을 단축시키고 주파수 셋팅을 신속하게 처리한다. 절전 모드에서 특정 RAM에 프로그램을 사전에 등록 셋팅한 후 웨이크-업(wake-up) 단계에서 그것을 기억하게 하는 RAM 리드백(readback)과 같은 일부 특수 기능들은 오로지 CMOS 공정에서만 가능하다.CMOS는 반도체 제조업체들에 의해 사용되기 때문에 같은 종류의 기술 공정 및 생산 라인을 이용할 경우 동일한 다이를 가진 휴대전화의 디지털, RF 및 혼합 시그널 요소의 모놀리식 집적 구현이 가능하다. 이를 통해 크기는 더욱 작아지고 집적도는 더욱 높아진다.리서치 기관인 아이서플라이(iSuppli)에 따르면 RF CMOS 기술은 향후 몇 년에 걸쳐 급속한 성장을 거둬 2009년까지 약 40%의 시장 점유율에 이를 전망이다.[2]결론다중밴드 휴대전화의 수요가 늘어남에 따라 여러 주파수 밴드를 지원하는 고성능의 가격 경쟁력이 있는 RF 트랜시버 제품에 대한 니즈도 높아지고 있다. 설계자들은 인피니언의 SMARTi 3G와 같은 고성능의 다중밴드 싱글칩을 이용함으로써 같은 RF 플랫폼 설계 시 다양한 휴대전화 솔루션을 개발할 수 있는 유연성을 얻게 됐다. 재활용이 가능함에 따라 이러한 트랜시버를 기반으로 한 시스템은 다양한 밴드 조합에 쉽게 적응되는 장점을 제공하며 소프트웨어 및 하드웨어가 최소화된 미래형 모바일 애플리케이션의 조건도 만족시킨다. 시스템 설계자들은 더 빠른 데이터 처리 속도를 제공하는 HSDPA를 통해 비용과 설계 시간을 단축시킨 같은 아키텍처를 기반으로 차세대 UMTS 휴대전화를 좀 더 쉽게 구현할 수 있게 됐다.참고문헌[1] 3GPP TS25.306, “UE Radio Access Capabilities Definition,” version 5.8.0.[2] “CMOS use rises in mobile handsets, says iSuppli,” EETimes, 09/07/2005

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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