소프트웨어 정의 무선(SDR)으로 초광대역 주파수 튜닝 마스터하기

주파수 메커니즘이란?

이 문맥에서 주파수 메커니즘은 고주파 신호를 ADC 샘플링에 적합한 범위로 다운컨버팅하는 과정과 신호가 디지털화된 후 발생할 수 있는 후속 주파수 변환을 의미합니다. 신호 주파수에 따라 특정 무선 경로가 선택되며, 서로 다른 경로가 서로 다른 범위에 최적화되어 있습니다. 각 체인 내에서 주파수는 아날로그 컨버터(업/다운컨버팅)나 FPGA의 디지털 수단으로 믹싱될 수 있습니다.

직접 샘플링

직접 샘플링은 최소한의 또는 중간 아날로그 구성 요소 없이 안테나에서 RF 신호를 직접 포착합니다. 전체 RF 대역이 디지털화되어 소프트웨어로 처리됩니다. 단순하지만 고속 ADC와 클럭이 필요하며 샘플링 레이트에 의해 제한됩니다.

상용 ADC는 최대 3GSPS까지 샘플링할 수 있어 다수의 상용 셀룰러 대역을 포함한 여러 주파수 대역을 단일 패스로 포착할 수 있습니다. 광대역 SDR에서 직접 샘플링 체인은 아날로그 다운컨버터가 지원하는 범위 아래로 동작 주파수가 떨어질 때 자동으로 선택됩니다.

그림 1: 직접 샘플링은 최소한의 아날로그 구성 요소로 안테나에서 신호를 직접 전송합니다. 출처: Per Vices

베이스밴드 전송 메커니즘

송신 모드에서 사용자 애플리케이션이 생성한 샘플을 FPGA가 qSFP+ 포트를 통해 수신합니다. FPGA는 수치 제어 발진기(NCO)를 사용해 리샘플링과 디지털 업컨버팅을 수행합니다. 디지털로 시프트된 샘플은 DAC로 전송되어 아날로그 신호로 변환됩니다. 안티 이미지 필터가 스퓨리어스 이미지를 억제한 후 신호가 증폭되어 안테나를 통해 방사됩니다.

직접 IQ

직접 IQ(In-phase/Quadrature) 샘플링은 들어오는 RF 신호를 두 위상 시프트된 구성 요소로 분할해 두 ADC 채널로 샘플링하는 직접 샘플링의 변형입니다. 아날로그 안티 앨리어싱 필터가 대역폭을 ADC의 나이퀴스트 존으로 제한합니다. 디지털화 후 FPGA가 NCO와의 믹싱으로 신호를 디지털 다운컨버팅한 후 사용자 정의 대역폭으로 데시메이션합니다.

그림 2: 직접 IQ 수신기는 두 채널로 위상 시프트된 신호를 샘플링합니다. 출처: Per Vices

수퍼헤테로다인

수퍼헤테로다인 수신기는 들어오는 RF 신호를 로컬 오실레이터와 믹싱해 아날로그 전자장치로 처리하기 쉬운 중간 주파수(IF)를 생성합니다. 일반적으로 IF는 이미지 간섭을 줄이기 위해 가청 범위 위에 선택됩니다. 아날로그 믹서와 LO 생성 보드가 IF를 생성합니다. IF는 디지털화된 후 추가로 디지털 처리될 수 있습니다.

그림 3: 수퍼헤테로다인 수신기의 IF는 아날로그 처리를 단순화하기 위해 선택됩니다. 출처: Per Vices

트레이드오프 이해하기

튜닝 방법을 선택할 때 동작 주파수와 필요 대역폭을 고려해야 합니다. 베이스밴드나 직접 샘플링 모드는 아날로그 믹서를 피하지만 ADC 클럭 속도에 의해 제한됩니다. 더 높은 주파수는 일반적으로 신호를 ADC 범위로 가져오기 위해 수퍼헤테로다인 프론트엔드 같은 하나 이상의 아날로그 믹싱 단계를 필요로 합니다. 각 접근법은 트레이드오프를 도입합니다: 아날로그 믹서는 이미지 아티팩트를 생성할 수 있고, 고속 ADC는 비용과 전력 소비를 증가시킵니다.

광대역 SDR 설계에서 검증된 경험을 가진 공급업체 선택이 필수적입니다. 제품 사양, 지원 애플리케이션, 프로젝트의 특정 주파수와 대역폭 요구사항에 맞춘 하드웨어 커스터마이징 능력을 평가하세요.

>> 이 기사는 원래 자매 사이트인 EDN에 게재되었습니다.

Victor Wollesen은 Per Vices Corporation의 CEO입니다.

Eldrich Rebello은 캐나다 풍력 에너지 연구소의 전기 엔지니어입니다.