한 쌍의 통합형 단일 보드 범용 소프트웨어 무선 페리페럴(peripheral) 플랫폼은 강력한 설계 및 평가 도구를 지원하는 동시에 70 MHz ~ 6 GHz의 연속 주파수 범위를 제공한다. 이 글에서는 SDR이 광범위한 애플리케이션에서 어떻게 설계에 도움을 주는지에 대해 알아본다.

소프트웨어 정의 무선(SDR)은 점점 실용적이고 중요한 통신 시스템이다. 이론적으로 SDR을 통해 단일 하드웨어 설계로 GSM·LTE 기지국 및 MIMO 설계 등 다양한 형식과 프로토콜 및 주파수를 아우르는 통신을 지원할 수 있다. 기본적인 SDR 아키텍처는 최소한 ‘도면상’으로는 상대적으로 간소하다.

증폭된 무선 신호를 직접 디지털 변환 후 다운컨버전할 필요도 없고 로컬 오실레이터나 어떤 하드웨어 기반의 튜닝 없이 다양한 알고리즘을 사용해 디지털로 변환된 결과를 처리하기 때문이다. 하지만 SDR의 가능성을 조사하고 적합성을 평가하며 그 애플리케이션 제품을 개발하고자 하는 하드웨어 및 소프트웨어 엔지니어들이라면 모든 하드웨어 및 소프트웨어 부품을 한 공간에 넣어 준비해야 하는 어려운 문제와 마주하게 된다. 특히 아날로그 신호 체인의 부품의 경우, 대역폭과 동적 범위, 비트 수, 그 외 성능 파라미터에 관해 엄격한 기준을 요구한다.

SDR 플랫폼의 제공 가능 여부는 100 MHz에서 수 GHz에 달하는 넓은 관심 영역의 무선 스펙트럼을 지원하는 아날로그 프론트 엔드(AFE) 내 중복 디스크리트 채널에 대한 수요로 복잡했다. 결과적으로 보드 공간 내 부품 비용과 디바이스 개수, 전력 소모 및 광대역 SDR 구현 비용은 잠재적 SDR의 혜택을 압도하는 수준에 이르렀다. 게다가 적합한 툴과 지원 없이 기본 개발 하드웨어 및 소프트웨어만으로는 불충분하다.

아날로그 IC로 역경을 극복하다

이는 10년 넘게 SDR 분야를 선도해 온 이투스 리서치(Ettus Research™)가 범용 소프트웨어 무선 페리페럴(USRP™)의 설계를 착수했을 때 직면한 문제였다. USRP™란 다중형식, 프로토콜, 주파수로 구성할 수 있는 완전 통합 직접 변환 트랜시버이다. 이투스 리서치의 목표는 저가 시장을 공략하는 효율적이고 비용 효과적인 저가로 공급이 가능한 간편한 장비를 제작하는 것이었다.

또한 이투스 리서치는 성능 향상과 높은 데이터률, 더 낮은 비트에러율 구현 방안으로 많은 관심을 받고 있는 고도 기술 MIMO(다중 입력/다중 출력)를 지원하고 싶어 했다. 이투스 리서치가 당면한 하드웨어 관련 주요 난제는 스펙트럼이 중첩된 AFE 채널을 병렬로 사용하면 너무 복잡하고 비용이 많이 들기 때문에 단일, 광대역, 고성능 신호 체인에서 프론트 엔드 요구 조건을 충족시키는 것이었다.

다행히 이투스 리서치 엔지니어들은 SDR이 요구하는 유연성을 갖춘 무선 IC인 아나로그디바이스의 무선 고속 트랜시버 AD9361 덕분에 문제를 해결할 수 있었다. 듀얼 독립 채널을 갖춘 10 mm x 10 mm 칩 크기의 디바이스(그림 1)는 사용자가 조정할 수 있는 200 kHz ~ 56 MHz의 무선 대역폭, 12비트 분해능을 갖췄으며 70 MHz ~ 6 GHz의 신호 체인을 구축하는 데 필요한 여러 기능 및 성능을 제공한다.



이투스 리서치는 최종 SDR 설계를 통해 두 가지 제품을 만들어냈다. MIMO 애플리케이션용 기본 B200 1 x 1 채널(그림 2) 및 B210 2 x 2 채널(그림 3) USRP 플랫폼은 사용하기 쉽고 포괄적인 C++ API로 설계된 견고한 소프트웨어 에코시스템을 통해 지원된다.

각 단위는 연결성을 고려한 슈퍼스피드 USB 3.0과 함께 데이터 처리용 범용 리프로그래머블 스파르탄-6 FPGA도 포함한다. AD9361은 1 x 1ㆍ2 x 2 설계 모두에서 사용할 수 있어 비용효율이 높으며 1 x 1 설계는 한 쌍으로 구성된 두 번째 채널을 추가 지원하지 않는다. 이 완전 통합, 직접 변환 트랜시버는 FM 및 TV 방송 수신, OpenBTS와의 GSM 기지국 프로토타이핑, GNU 무선 GPS, 와이파이, ISM 등과의 개발용 신호의 평가 및 실험을 위해 구성될 수 있다.
USRP 하드웨어 드라이버™는 GNU 무선 내 소프트웨어 프로토타이핑을 쉽게 할 수 있도록 지원하고 오픈 소스 SDR 커뮤니티에 사용자가 참여할 수 있다. 이 설계에서 AD9361 사용의 추가적인 장점은 운영 측면에서의 유연성이다. 이득 및 대역폭과 같은 중요한 파라미터는 하드웨어 설계 시 미리 고정되지 않는다.

대신에 SPI 포트 인터페이스로 소프트웨어 및 프로세서에 설정되거나 ‘즉시’ 변경할 수 있다. 이는 알고리즘이 특정 대역과 대역폭, SNR, 관심 형태에 따라 타협이나 차선의 장단점을 받아들일 필요 없이 하드웨어 성능을 최적화시키는 알고리즘을 가능하게 한다.

GNU 무선 SDR 설계 환경을 이용한 신호처리를 위해 USRP B200 실시간 시스템이 호스트 PC에 제공하는 쿼드 러처 신호 기준 쓰루풋은 56 MHz의 대역신호에 대해 초당 61.44 MS이다. UHD(USRP 하드웨어 드라이버) 소프트웨어에 대한 완벽한 지원은 사용자가 즉시 GNU 무선으로 개발을 시작하고, OpenBTS로 사용자의 GSM 기지국을 프로토타이핑하며 B200을 고성능 산업용 USRP 플랫폼으로부터 쉽게 코드 전환이 가능하도록 기존 설계로부터 유연하게 코드 재사용이 가능하다.


SDR의 성과가 극적으로 나타나다

이는 소프트웨어 정의 무선의 가치를 강조하는 측면도 있지만, SDR이 현실에서 무엇을 할 수 있는지를 보고 읽는 것이 더욱 강렬한 경험일 것이다. 이를 구체적으로 시연하기 위해 이투스 리서치의 발린트 시버(Balint Seeber) 엔지니어는 하나의 B200과 노트북을 가지고 한 주간 밤낮으로 최근 샌프란시스코 지역을 탐사했다.

지리적 정보를 찾아 나서던 이전의 탐험가들과는 달리, 발린트 시버의 탐사는 주변 무선 환경에 초점을 맞추고 있었다. 이투스리서치 블로그(www.ettus.com/blog)에 올라온 인터뷰 (2013년 9월 12일)에서 그가 발견한 흥미로운 신호를 포함한 ‘숨겨진 세상’에 대해 확인할 수 있다. 오랫동안 SDR은 광범위한 애플리케이션 종류에서 설계에 어떤 도움을 줄 수 있는지 이해하려는 많은 설계자에게 흥미로운 미스터리로 남았던 것이 사실이다. 고도로 통합된 최고의 광대역 무선 고속 트랜시버 IC인 아나로그디바이스의 AD9361를 사용한 이투스의 B200 및 B210는 엔지니어에게 SDR을 탐색하고 적용하는 동시에 SDR에 대한 오랜 미스터리를 해결할 기회를 제공한다. 

ADI, 업계 최고 속도 쿼드 IF D/A 데이터 컨버터 출시

ADI는 업계 최고 속도의 쿼드 IF D/A 컨버터를 발표했다. AD9144는 4채널, 16비트, 2.8 GSPS D/A컨버터로 높은 데이터 레이트와 매우 넓은 신호 대역폭을 제공해 새로운 대역폭과 다대역 무선 애플리케이션이 가능하다. AD9144는 82 dBc의 SFDR(spurious-free dynamic range)과 최대 2.8 GSPS의 샘플레이트를 특징으로 하며 최대 나이퀴스트 주파수까지 다중 반송파 생성을 허용한다.

AD9144는 또한 업계 최고 수준의 164 dBm/Hz 잡음 스펙트럼 밀도를 통해 송신기의 동적 범위를 높일 수 있다. AD9144의 SFDR과 왜곡을 낮춘 독보적인 첨단 설계 기법은 기저대역에서 높은 중간 주파수에 이르기까지 광대역 신호 합성의 질을 높인다. 8레인 인터페이스와 두 개의 D/A 컨버터 클록 사이클에 내재하는 낮은 지연율을 갖춘 JESD204B는 멀티칩 동기화를 가능하게 하는 동시에 하드웨어와 소프트웨어 설계를 간소화한다.

1.5 W의 저전력 동작 조건에서 프로그래머블 보간율(interpolation rate), 높은 샘플레이트를 제공하므로 D/A 컨버터 출력 주파수 선택 시 시스템 설계자에게 유연한 선택의 폭을 제공한다. 이는 4개, 또는 6개의 반송파를 갖춘 GSM 전송 사양 및 기타 통신 표준을 충족시키는 데 특히 도움이 된다.

AD9144는 6개의 반송파를 갖춘 GSM IMD에서 75 MHZ IF기준 77 dBc로 작동한다. 30 MHz의 D/A 컨버터 출력 주파수에서 온칩 PLL(phase-locked loop)과 함께 작동하는 AD9144는 4개의 반송파를 갖춘 WCDMA 애플리케이션에서 76 dB의 ACLR(adjacent-channel leakage ratio)을 가진다.