직접 RF 샘플링 아키텍처의 장점

개요

컨버터 기술은 해를 거듭할수록 발전에 발전을 거듭하고 있습니다. 주요 반도체 기업의 아날로그 - 디지털 컨버터 (ADC) 및 디지털 - 아날로그 컨버터 (DAC)는 과거의 모델, 심지어 10년 전 제품에 비해 더 빠른 속도로 샘플링을 수행합니다. 예를 들어, 2005 년에 당시 세계 최고 속도를 자랑하던 12 비트 분해능을 가진 컨버터의 경우 250MS / s 속도에서 샘플링을 수행한 반면, 2018 년 기준, 12 비트 ADC는 6.4 GS / s 속도로 샘플링 할 수 있습니다. 이 같은 성능 향상 덕분에 컨버터를 사용하여 RF 주파수에서 직접 신호를 디지털화하고 최신 통신 및 레이더 시스템을 위한 동적 범위를 충분히 확보 할 수 있게 되었습니다.

이러한 높은 샘플링(주로 다이나믹 레인지)속도를 보이는 컨버터를 사용할 때는 트레이드 오프를 고려할 필요가 있지만, 이 기술을 사용하면 폭 넓게 사용되고 있는 헤테로다인 방식의 RF 아키텍처를 특정 애플리케이션용 직접 RF 아키텍처로 대체할 수 있습니다. 예를 들어, 보다 작은 폼 팩터 또는 비용 절감이 필요한 광 대역폭 RF 어플리케이션의 경우, 직접 RF 계측기의 간소화된 프론트엔드는 매우 효과적인 옵션이 될 수 있습니다. 특히, 이 기술은 레이더 및 전자전과 같은 항공 우주 및 방위 분야에서 탄력을 받고 있습니다.

내용

직접 RF 샘플링이란 무엇일까요?

직접 RF 아키텍처를 이해하기 위해서는 우선 다른 RF 아키텍처와의 차이점을 알아야 할 필요가 있습니다.

헤테로다인 방식의 아키텍처의 경우, 수신기가 RF 주파수에서 신호를 수신 한 후 중간 주파수 (IF)로 하향 변환하고 디지털화한 후 필터링 거친 다음 복조하는 과정을 거치게 됩니다. 그림 1은 헤테로다인 방식 수신기의 블록 다이어그램을 보여줍니다. 보시다시피, 이 계측기에는 대역 통과 필터, 저소음 증폭기, 믹서 및 국부 발진기(LO)로 구성된 RF 프론트 엔드가 있습니다.

그림 1. 이 헤테로다인 방식 수신기의 블록 다이어그램에서는 대역 통과 필터, 저소음 증폭기, 믹서 및 LO로 구성된 RF 프론트 엔드가 있는 계측기를 보여주고 있습니다.

하지만 직접 RF 샘플링 수신기 아키텍처는 저소음 증폭기, 적합한 필터 및 ADC로만 구성되어 있습니다. 그림 2의 수신기는 믹서와 LO를 사용하지 않으며, ADC는 RF 신호를 직접 디지털화하여 프로세서로 전송합니다. 이 아키텍처에서는 디지털 신호 처리 (DSP)에서 수신기의 여러 아날로그 구성 요소를 구현할 수 있습니다. 예를 들어 믹서 대신 디지털 직접 변환(DDC)을 사용하여 표적 신호를 분리할 수 있습니다. 또한 대부분의 경우에는 안티 앨리어싱 필터 또는 재구성 필터를 제외하고는 아날로그 필터링의 대부분은 디지털 필터링으로 대체할 수 있습니다.

이유는 아날로그 주파수 변환을 요하지 않기 때문에 직접 RF 샘플링 수신기의 전체 하드웨어 설계 작업이 훨씬 간단하여 폼 팩터를 줄이면서도 설계 비용을 낮출 수 있습니다.

그림 2. 직접 RF 샘플링 수신기 아키텍처는 저소음 증폭기, 적합한 필터 및 ADC로 구성될 수 있습니다.

직접 샘플링은 어떤 방식으로 이루어 지나요?

최근 들어 컨버터 기술의 발전이 있기 전까지는 컨버터 샘플 속도 및 분해능에 있어서의 한계 때문에 직접 샘플링 아키텍처는 실용적이지는 못했습니다. 여러 반도체 회사들은 컨버터 내부의 노이즈를 저감시키기 위한 방편으로 새로운 기법을 활용하여 보다 높은 샘플링 주파수에서 분해능을 높일 수 있었습니다. 보다 높아진 분해능을 자랑하는 더 빠른 속도의 컨버터가 제공되면서 직접 RF 입력 신호를 최대 수 기가에 달하는 헤르츠로 변환 할 수 있습니다.

이 같은 변환율은 L 밴드 및 S 밴드에서 매우 넓은 순시 대역폭으로 디지털화를 가능하게 해줍니다. 컨버터의 지속적인 발전에 따라 다른 대역 (예: C 및 X 대역)에서의 직접 RF 샘플링 역시 가능해질 것입니다.

직접 RF 샘플링 아키텍처는 어떤 경우 사용을 고려해야 하나요?

직접 RF 샘플링으로 인한 주요 이점은 보다 단순화된 RF 신호 체인, 채널당 비용 감소, 그리고 채널 밀도의 감소입니다. 직접 RF 아키텍처를 갖춘 계측기는 적은 수의 아날로그 부품으로 구성되어 일반적으로 크기는 더 작은 반면 전력 효율은 더 높습니다. 고 채널 카운트 시스템을 구축하는 경우, 직접 RF 샘플링 수행하게 되면 시스템 공간 및 비용을 절감할 수 있습니다.  이는 최대 수백 또는 심지어 수천 개의 안테나에서 방사된 신호를 위상 천이를 통해 빔을 형성하는 완전 능동형 위상 배열 레이더와 같은 시스템을 구축 할 때 특히 중요합니다. 동일 시스템에서 이처럼 많은 RF 신호 발생기와 분석기를 사용하는 경우 채널당 크기 및 비용이 중요한 요소가 됩니다.

크기, 무게 및 전력 (SWaP) 감소뿐만 아니라 단순화된 아키텍처는 RF 계측기 자체에서 LO 누설 및 직교 장애와 같이 잠재적인 소음, 영상 및 기타 오류의 원인을 제거해줍니다.

끝으로, 직접 RF 샘플링 아키텍처를 통해 동기화를 단순화 할 수 있습니다. 예를 들어, RF 시스템의 위상 일관성을 유지하기 위해서는 LO 뿐만 아니라 반드시 RF 계측기의 내부 클러킹 동기화를 진행하여야 합니다. LO를 필요로 하지 않는 직접 샘플링의 경우 디바이스의 클럭 동기화에만 집중하면 됩니다. 다시 말해, 위상 일관성이 반드시 필요한 여러 개의 RF 수신기가 있는 위상 배열 레이더 어플리케이션의 경우에는 설계 단순화를 가능하게 하는 매력적인 옵션이 될 수 있습니다.

NI의 역할은 무엇인가요?

NI는 다수의 RF 아키텍처 유형의 여러 가지 RF 계측기를 제공하고 있습니다. FlexRIO IF 트랜시버 는 직접 RF 샘플링을 활용한 최초의 NI 계측기입니다. 고속 컨버터의 기능이 확대됨에 따라서 NI는 공급 업체와 긴밀한 협력을 통해 이러한 신기술이 고객에게 신속하게 제공될 수 있도록 할 것입니다. 트랜시버, 리시버 및 제너레이터를 포함한 NI의 RF 계측기 포트폴리오에 관한 자세한 사항은 ni.com/flexrio를 참고하시기 바랍니다.