이름: RFDH
2002/11/13(수)
RF 송수신 시스템의 이해  

* 이 글은 IF(중간주파수), 그 존재의 이유의 연장선상의 내용입니다.

이제 IF의 장점이 어떤 것이 있는지를 대략 이해하셨을 것이라 생각됩니다. 그렇다면 이러한 IF에는 장점만 있을리는 만무합니다. 강력한 장점이 있지만 문제점도 있을 것이고, IF를 사용하기 때문에 발생하는 문제는 RF 송수신 시스템 자체의 문제가 됩니다. 왜냐구요? 대부분 IF를 쓰고 있으니까요.

IF의 장점에서 보셨듯이, IF의 장점을 잘들여다보면 RF와 관련된 다양한 개념들이 출몰합니다. IF라는 주요한 요소를 중심으로 다양한 방면에서 분석해보면, 결국 RF 송수신 시스템 자체에 대한 고찰이 가능해집니다. 이 글은 이러한 IF에 대한 이해를 바탕으로, RF 송수신 시스템의 기본 구조를 이해하기 위해 쓰여졌습니다.

RF부의 의무와 목표

우선, RF 송수신단의 목적을 좀더 개념적으로 풀어보고 시작하도록 하지요. 매우 기초적인 개념이므로 어느정도 안다 싶으신 분은 그냥 넘어가셔도 됩니다. ^^:

전자파에 신호를 담아서 보내고 받는 최종단인 RF부는, 언뜻 보면 무선통신이나 이동통신에서만 적용되는 개념처럼보입니다. 통신이란 개념을 막연히 두 지점간의 신호교류(예를 들어 전화..) 정도로만 이해하는 경우가 많은데, 전자파를 이용하기 시작하면 그 범위는 조금 더 큽니다. 굳이 통신만이 아니더라도 레이더나 각종 탐지 등에서처럼 무선상으로 신호가 전달되는 모든 경우가 통신시스템의 구조를 가지게 됩니다. 하지만 레이다를 통신 시스템으로 분류하지는 않습니다.

여기서 언급하고자 하는 요지는, 일단 공기중에 전자파를 쏘고 받아서 무언가 신호를 교류한다는 것 자체가 모두 유사한 시스템으로 구성되게 된다는 것입니다. 아시다시피 우리가 RF라는 놈을 쓰는 주요 목적은 선이 없이(wireless) 무언가 의미를 전달하거나 찾아내고 싶어서입니다.

위의 그림에서 자연스럽게 송신부와 수신부의 역할을 정리해볼 수 있습니다.

송신부
Tx
(Transmitter)

- 수신단에서 충분히 신호를 받을 수 있도록 적절한 최종단 전력으로 내보낸다.
- 자기가 사용하는 주파수 이외의 성분을 방출되지 않도록 주의한다.
- 여러 주파수 채널을 쓰는 경우, 서로 간섭이 없이 내보낼 수 있도록 주의한다.

수신부
Rx
(Receiver)

- 송신단에서 날아온 미약한 신호를 키워야 하므로 많은 증폭이 필요하다.
- 공기중에서 타고들어오는 많은 잡음들을 최대한 억제해야 한다.
- 여러 주파수 채널을 쓰는 경우, 원하는 채널만 정확하게 골라내어야 한다.
- 외부에서 잡스런 주파수 성분이 들어오는 것을 막거나 걸러내야 한다.

한가지 우선 명심할 것은, 이런 RF부의 구조나 특성은 수신단을 기준으로 되어 있다는 것입니다.

아시다시피 RF를 쓴다는 것 자체가 오만가지 잡질구레한 잡음과 남의 신호가 떠다니는 공기중을 매질로 한다는 것을 의미합니다. 그래서 전자파는 많은 잡음을 타게 되고, 또한 대기중의 여러 요소들로 인해 감쇄하게 됩니다. 그러한 악조건 속에서도 원하는 주파수의 신호를 정확히 골라내어 정확히 분석하는 것, 그것이 RF 시스템 자체의 최종적인 목적입니다. 이 말속에서 핵심은, 역시 수신부입니다. 그리고 송신단의 역할은 수신단에서 신호를 잘 받을 수 있도록 하기 위한 관점에서 구성되게 됩니다.

유선선로를 사용하는 유선통신의 경우, 그 선로에는 남의 신호가 존재하지 않습니다. 약간 잡음을 타는 정도에, 감쇄는 존재하기 때문에 중간중간에 증폭을 해주는 repeater만 적절히 배치되면 신호전송이 이루어집니다. 하지만 무선선로(공기중)는 유선선로와는 비교가 안될정도로 많은 잡음과, 남의 신호에 시달리게 됩니다. 그것들로 인해 무선통신에서는 유선통신과는 달리 특별한 변조방법들이 많게 되고, 많은 증폭과 믹싱, 필터링등의 고도의 기술이 집적되게 됩니다. 그것이 RF가 헤쳐나가야 할 지상과제이자, 또한 RF의 매력이기도 합니다.

결론적으로, 이러한 아날로그 RF부의 의무와 목적을 순서대로 요약하면 아래와 같이 정리됩니다.

1. 베이스밴드단에서 만들어진 의미있는 전송신호를 고주파 신호로 변환하여 
2. 적절한 전력으로 증폭하여 남에게 간섭없이 전송하고,
3. 공기중의 각종 잡음과 남의신호 중에서 원하는 주파수대역만 걸러내어 수신한 후
4. 잡음을 최소화하면서 미약한 신호를 증폭하여 쓸 만한 크기로 만들어서
5. 베이스밴드 주파수로 낮추어서 실제 신호를 복구해낸다.

위의 설명은 IF부까지 완전히 포함된 개념입니다. IF부는 어차피 아날로그 RF파트의 성능개선을 위해 고안된 것이므로 일반적으로 IF부는 RF부에 포함된 개념으로 취급됩니다. 그리고 IF의 존재여부를 이해하는 것이 RF송수신부를 이해하는 지름길입니다.

Image frequency

이제 Rx/Tx단의 기능적인 설명을 하기 전에, IF의 결정적인 단점이라 불리우는 사항중 하나인 image frequency에 대해 자세히 고찰해보도록 하겠습니다.

주파수 변환을 위해서 사용하는 믹서란 놈은 원래가 비선형성을 직접적으로 이용하는 회로입니다. 그래서 입력성분들에 대한 여러 가지 조합의 자질구레한 출력주파수성분들이 튀어나오게 되는데, 송수신단 모두 떨거지 주파수들을 제거하기 위한 많은 노력이 필요해집니다. 그런데 IF를 사용한다는 얘기는 결국 mixer를 추가적으로 사용해야 된다는 얘기가 되서, IF를 사용할 때는 이러한 떨거지 spurious 주파수 제거문제가 보다 더 복잡하게 됩니다. 그래서 그 자체가 IF의 주요한 단점으로 지적되며, 결국 돈과 연결되는 문제가 됩니다. 그런데, 이것보다 더 치명적인 무언가가 있습니다!

믹서를 논할 때 image frequency란 말이 자주 나오는 것을 볼 수 있습니다. 초심자분들이 이해하기 어려워 하는 부분이지만, 사실은 간단한 산수로 증명되는 현상입니다. image frequency는 말그대로 상상의 주파수 혹은 거울처럼 반사된 주파수라고 해석되지요. 책에서 보면 음의 주파수 혹은 허수 주파수 성분으로 표현되기도 하는데.. 음의 주파수?? 허수의 주파수?? 처음 보면 참 이상한 개념처럼 보입니다.

일단 이것을 이해하기 위해 Low side LO 방식의 주파수 변환의 예를 들어보겠습니다.
아래의 단순한 up conversion 변환그림을 함 보시지요.

아무 책이나 펼쳐봐도 나오는 그림입니다. 그리고 저렇게 믹서를 통과하면 합과 차의 출력이 나오기 때문에, 결과적으로 출력단에서는 LO주파수 양쪽에 대칭형으로 합과 차가 나올 수밖에 없습니다. 산수해보면 아주 간단하지요. 그리고 아래 그림을 한번 보신다면 어떤 생각이 드시나요?

음의주파수 영역에 부호만 다른 주파수가 존재한다는 image frequency에 대한 그림입니다. 책에서 흔히 볼 수 있는 그림입니다. 저 그림을 처음 보면 도대체 왜? 음의 주파수란 존재가 있어야 하는지 의아해하게 됩니다. 마이너스 주파수란게 물리적으로 의미가 있는 것인가??

업믹서를 통과하면 항상 합과 차의 출력은 동시에 나오고, 이것은 결국 LO 양쪽으로 대칭으로 나옵니다. 그리고 원래 원하는 쪽 주파수가 아닌 LO 건너편의 주파수 성분을 우리는 image frequency라고 부르지요. 결국 mixing을 하면 항상 이렇게 나오기 때문에, 믹서에 집어넣기 전의 저주파 신호에서는 마치 -대역에 반대의 주파수가 존재하는 것처럼 가정할 수 있습니다. 아래그림을 보시죠!

그림상에서 보면 마치 LO주파수를 기준으로 음의 주파수대역에 묻혀있던 신호를 끄집어 낸 것처럼 보여집니다. 그렇기 때문에 이러한 LO 반대편 주파수는 원래 주파수의 image(거울로 반사된 듯한..) 처럼 표현됩니다. 주파수 상향변환을 하면서, f1성분뿐만 아니라 minus 주파수 영역에 있던 -f1 성분까지 그 위치 그대로 끄집어 낸 것처럼 보이지 않나요? 그래서 주파수 변환관계를 설명할 때, 기저대역이나 IF대역의 주파수 신호는 마치 음의 영역에 대칭한 주파수가 존재하는 듯표현하게 됩니다. 상향변환을 하면 그대로 그 음의 주파수가 그 위치 그대로 튀어나오니까요!

여하튼 믹싱을 하면 항상 LO 양쪽으로 합과 차가 나오지만, 항상 그 둘중 한가지만 필요하고 나머지는 쓸데없는 신호가 됩니다. 일반적인 경우 송신입장에서 image frequency 는 불필요한 놈이므로 필터로 걸러져 버립니다.

자, 이것은 송신단 믹서의 예를 들어서 설명한 image frequency의 개념입니다. 수신단에서도 다운믹서를 사용하므로 똑같이 image frequency라는 개념이 적용될 수 있습니다. 그런데 수신단에서는 조금 다른 방향으로 image frequency 문제가 발생하는데, 송신단보다 훨씬 치명적인 문제를 유발합니다.

위의 그림은 정상적인 수신부의 다운믹싱(down mixing : 주파수하향변환) 그림입니다. 그런데 이런상황에 아래와 같은 경우가 추가적으로 발생한 것을 생각해보도록 하겠습니다. LO주파수에서 IF주파수 만큼 아래로 떨어진 지역에 f3라는 주파수 입력이 존재하는 상황입니다.

계산식에 의거하여, 똑같은 IF주파수를 만들어버립니다. 하지만 저 괴주파수 성분 f3은 원래 원하는 정보가 담긴 신호의 캐리어주파수가 아닙니다. 그러므로 저렇게 두 개의 주파수 성분이 동시에 들어오게 되면, 같은 LO 주파수를 두고 더하고 빼는 과정속에서 똑같은 IF주파수 성분을 만들어내게 되버립니다. 저렇게 LO를 기준으로 반대편에 존재하는 주파수 성분을 역시 image frequency라고 부릅니다.

image frequency로부터 LO와 섞이면서 변환된 IF주파수 성분은 철저하게 잡음으로 작용하여 위와 같이 신호해독에 결정적인 걸림돌이 되어버립니다. 동시에 두 신호가 LO와 함께 mixing되지만 결과는 하나로 합쳐져서 요상한 신호결과를 만들어버립니다. 이런! 절대로 있어서는 안되는 일입니다. 물론 위의 경우, image frequency는 내부적으로 만들어지는 것이 아니라 외부에서 유입되는 주파수 성분입니다. 그러므로 실제로 image freqeucny에 해당하는 주파수신호가 수신단에 들어올지 아닐지는 알 수 없는 노릇입니다. 하지만 만에 하나 원래 RF 신호와 함께 image frequency가 유입되는 경우가 발생하면 수신된 신호가 제대로 복조될 수가 없습니다. 그러므로 image frequency가 외부에 실제로 존재하든 안하든 절대로 들어올 수 없게 반드시 막아놓아야 하는데, 그것을 위해 사용하는 것이 바로 image filter입니다.

image filter 혹은 image reject filter 로 흔히 불리우는 이미지 필터는 수신단내의 믹서 앞단에서 image frequency 유입을 원천봉쇄하게 됩니다. 송신단의 image frequency는 그냥 spurious(원치 않는 주파수 성분)일 뿐이지만, 수신단 입장에서 본 image frequency는 IF주파수를 직접 교란시키는 매우 치명적인 문제로 나타날 수 있다는 점을 꼭 기억해두어야 합니다.

IF를 사용하지 않는다면, LO주파수가 RF주파수와 같아서 이런 image frequency 자체가 존재하지 않기 때문에, 이문제는 수퍼헤테로다인 시스템의 주요한 단점으로 지적되게 됩니다. 대신에 direct conversion엔 이와 비슷한 계열의 현상이라 할 수 있는 DC offset 현상이 일어납니다. (사실은 그게 더 해결하기 힘듭니다 -.-; 그러니까 IF를 쓰지요~)

수신단의 image filter는 image frequency말고도 각종 spurious의 유입도 죽여주는 역할을 하지만, 부가적으로 RF단과 IF단을 격리(isolation)시켜서 민감도를 떨어뜨리는 역할도 겸하고 있습니다. 사실 image filter가 맘먹고 그런 일을 한다기 보다는 그냥 그 자체가 중간에 가로막고 있기 때문에 isolation 특성이 나타나는 것입니다. image filer 자체는 그냥 inband 주파수만 통과시켜주는 평범한 BPF지만, 그 자체로 image와 spurious는 물론 덩달아 Tx leakage주파수까지 차단하게 되기 때문입니다. 즉 out of band의 신호를 다시한번 깨끗하게 걸러내고 억압해주는 역할도 겸하게 되는데, 이러한 점에서 image filter는 꽤 수신단의 안정성에 지대한 역할을 하고 있는 놈입니다.

image frequency 문제 말고도, IF를 사용할 때는 여러 믹서단에 의해 추가적인 spurious가 다량 발생한다는 문제점이 있지만, 사실 이것은 필터링으로 그리 어렵지 않게 제거될 수 있는 부분입니다. 한마디로 돈이 해결해 버린다는 얘기지요. ^^;

RF 수신부 (Rx)

RF 수신부의 일반적인 구조는 아래와 같습니다. (single IF의 예입니다) 이 예제에 사용된 블록도가 모든 통신시스템에서 똑같지는 않지만, 기본적인 수신구조를 설명하기 위한 개념도는 비슷비슷합니다.

1. Antenna (안테나)
공기중의 전자기파(electromagnetic wave) 신호를 수신하여 도선상의 전기적 변화로 전달해줍니다.

2. Band select filter (대역선택 필터)
안테나로 수신된 신호는 잡스런 주파수들이 섞여 있으므로, 원하는 주파수 대역만 증폭시켜줄 수 있도록 대역통과 필터링을 합니다. 채널을 여러개 쓰는 경우 채널들 전체(in-band)를 통과시켜주어 하며, 동일한 안테나를 쓰는 경우에는 duplexer가 band select filter의 역할을 겸합니다.

3. Low Noise Amplifier (LNA, 저잡음 증폭기)
공기중의 잡음이 잔뜩 묻어온 수신신호를, 잡음까지 증폭되는 것을 최대한 억제하면서 신호가 증폭될 수 있도록 해줍니다.

4. Image reject filter (이미지 제거필터)
LNA에서 증폭된 신호중에서 치명적인 image frequency가 믹서로 전달되는 것을 막기 위해 다시한번 대역통과 필터링을 합니다. 부가적으로 spurious 주파수들을 제거하고, RF단과 IF단을 분리하여 수신부의 안정성을 도모합니다.

5. RF down mixer (RF -> IF 하향변환 혼합기)
적당히 저잡음 증폭된 RF 신호를 IF 대역으로 주파수를 하향변환해줍니다.

6. RF local oscillator (RF LO, RF 국부발진기)
RF down mixer에 주파수 합성을 위한 LO주파수를 공급해줍니다. 채널 선택이 필요한 통신의 경우에는 LO 주파수를 변화시켜 채널선택을 할 수 있습니다.

7. Phase Locked Loop (PLL, 위상고정루프)
RF LO의 출력주파수가 흔들리지 않고 일정한 주파수에서 고정될 수 있도록 잡아줍니다.(locking) 또한 control 입력을 통해 RF LO로 사용되는 VCO(전압조정 발진기)의 전압을 정교하게 조절해서 RF LO 출력 주파수를 원하는 주파수로 이동하고 고정시켜줍니다. 즉 주파수 튜닝 기능을 하는 조절부입니다.

8. Channel select filter (채널선택 필터)
IF 주파수로 변환된 신호들은 여러 채널들을 다 포함하고 있습니다. 이들중에서 원하는 채널만을 대역통과 필터링하여 선택하는 기능으로서, 매우 중요한 역할을 합니다. 각 채널간의 간격은 대부분 좁기 때문에, 스커트 특성이 좋은 필터가 필요하게 됩니다.

9. IF amplifier (IF 증폭기)
RF단의 LNA만으로는 미약한 수신신호를 충분히 증폭시킬 수 없습니다. 그래서 채널 필터링을 거친 후에 IF amp를 통해 상당량의 신호증폭을 수행해야 합니다. 정교한 전력조절이 필요한 경우에는 IF amp의 gain을 VGA(Variable Gain Amplifier)나 AGC(Auto Gain Control)의 형태로 임의 조절할 수 있는 형태로 사용하게 됩니다.

10. IF down mixer (IF -> 기저대역 하향변환 혼합기)
IF단에서 채널선택과 증폭을 마무리하고, 캐리어 주파수를 제거하여 원래 신호가 담긴 주파수대역인 기저대역(baseband)로 변환하기 위해 다시 하향변환 믹싱을 합니다.

11. IF local oscillator (IF LO, IF 국부발진기)
IF를 baseband로 변환하기 위한 IF mixer에 LO 주파수를 공급해줍니다. LO주파수를 고정시키기 위해 IF PLL이 부가적으로 사용되기도 합니다.

RF 송신부 (Tx)

RF 송신부의 일반적인 구조는 아래와 같습니다. 아래 노란 박스의 부분은 수신부의 LNA이후의 블럭도를 그대로 뒤집은 것과 거의 유사하므로 그 이후단의 역할만 설명하도록 하겠습니다.

1. Drive amplifier (DA, 구동증픅기)
Tx단은 Rx단과 달리 일정한 입력신호를 갖고 있습니다. 그 입력신호를 꽤 큰 전력의 신호로 증폭시켜야 하는데, 그 역할은 Power amp(PA)가 하고 있습니다. 그러나 PA는 구조상 충분한 gain을 갖고 있지 못한 경우가 많고, 또한 Power amp가 충분한 전력으로 증폭을 하기 위해선 입력신호 역시 어느정도 수준의 전력을 가져야 합니다. Drive amp는 Power amp의 gain부족을 해결하고, 동시에 PA에 충분한 입력전력을 만들어주는 역할을 합니다.

2. Band select filter (대역선택 필터)
Drive amp는 어차피 비선형성을 가진 증폭기이기 때문에 불필요한 주파수 출력성분이 나타날 수 있습니다. 그러한 spurious 주파수성분이 Power amp에서 증폭되는 것을 피하기 위해 사용중인 채널대역들만 통과시키는 대역통과 필터링이 필요합니다.

3. Power amplifier (PA, 전력증폭기)
RF tx부의 최고 핵심 부품으로서, 최종단에서 충분한 전력을 가진 신호를 내보낼 수 있도록 전력증폭하는 기능을 합니다. gain을 갖고 신호를 증폭하되, 다른 amp들과 달리 출력에서 많은 전류를 흘릴 수 있도록 설계되어 출력상에서 높은 dBm의 전력을 소화할 수 있습니다. Tx의 규격은 철저하게 PA의 spec에 따라 결정되는 경우가 많습니다. 소형단말 시스템의 경우에는 출력매칭과 일부 주요 소자를 PA MMIC barechip과 함께 집적한 PAM(Power Amp Module)로 사용하는 경우가 많습니다. PAM을 이용하면 Tx 면적을 줄이면서도 출력매칭의 민감도가 떨어져서 시스템을 구현하기가 쉬워지며, 무엇보다 가장 고장률이 높고 민감한 부품인 PA의 신뢰성에 대한 부담을 PAM을 통해 개선할 수 있게 됩니다.

4. Isolator (아이솔레이터)
송신단은 신호를 보내는 단이지 신호를 받는 단이 아닙니다. 그럼에도 불구하고 안테나를 통해 신호가 역으로 유입될 가능성이 존재하기 때문에, 특정 방향으로만 신호가 전달될 수 있도록 신호의 방향을 고정할 필요가 있습니다. 출력방향으로는 신호가 흐르고, 역방향으로 들어온 신호는 termination 시켜 버려서 역으로 전달되지 않도록 하는 소자가 바로 아이솔레이터입니다. 이를통해 신호가 역으로 유입되어 PA 출력단의 임피던스를 교란시키는 것을 막아서 PA가 파손되는 것을 방지합니다. 또한 많은 PA들은 출력쪽을 부정합(mismatch)시키고 파워매칭을 하기 때문에 출력쪽의 반사계수(S22)가 나쁘게 됩니다. 그것으로 인해 VSWR이 높아져서 PA출력단에 불필요한 정재파 전압이 걸려서 PA가 파손되는 것을 막는 역할도 겸하게 됩니다. 아이솔레이터는 커플러처럼 그 자체로 입출력 임피던스가 매칭되어 버리는 것처럼 되는 소자이기 때문입니다. 아이솔레이터는 가격이 상당히 비싼 부품에 속하기 때문에 꼭 필요하다고 판단되는 경우에만 사용하게 됩니다.

5. Band select filter (대역선택 필터)
Drieve amp단과 마찬가지로 비선형 증폭기 후단에 비선형적인 spurious 주파수성분들이 나타날 수 있으므로 그것들을 잘라내고 원하는 주파수대역만 외부로 방출하기 위해 마지막으로 대역통과 필터링이 필요합니다. 수신단과 안테나를 공유하는 시스템이라면 duplexer가 이 역할을 겸합니다.

6. Antenna
최종적으로 도선상의 전기적 신호변화를 공기중의 전자기파로 복사(radiation)시켜줍니다.

Direct Conversion

IF를 사용한다는 얘기는 주파수변환을 여러차례 추가적으로 해야 한다는 의미가 됩니다. 그렇기 때문에 직접적으로 가장 걸리적 거리는 문제는 아무래도 돈문제입니다. 믹서가 붙을 때마다 필터가 붙어야 하고, IF단만이 사용하는 각종 필터와 증폭기, 주변회로들로 인해 통신시스템의 단가를 죽~죽~ 올려놓습니다. 그럼에도 불구하고 성능이 좋고 구현이 쉬우니까 결국 사용하게 되지만요.

성능적으로 본다면, 반복되는 주파수변환으로 인해 잡스런 신호가 많이 발생한다는 문제가 있습니다. 비선형 특성이 많이 가미되다 보니 별의 별 intermodulation이나 spurious같은 것들이 대량 발생합니다. 그래서 결국 여러 BPF에 의존하는 수밖에 없고, 그것이 결국 단가를 높이는 원인이 됩니다. 특히 SAW 필터가 단가상승의 핵심부품이 되지요.

물론 이런 문제는 돈으로 해결됩니다. 단점에 비해서 성능적으로 얻을 수 있는 잇점 - 선택도, 안정도, 민감도 등등.. - 이 많기 때문에 결국 IF를 이용하는 수퍼헤테로다인 방식의 통신시스템을 사용하게 되는 것입니다.

하지만 이런 단가부담 및 시스템의 복잡성 문제 때문에 서서히 IF를 없애는 시도가 재시도 되고 있는 상황입니다. 소위 말하는 Direct Conversion (Zero -IF) 이 바로 그것입니다.

엄밀히 말하면 원래 통신방식은 이런 캐리어 - 베이스밴드간을 바로 변환하는 방식으로 가야 정상이었을 것입니다. 하지만 이러한 직접변환은 많은 문제점을 야기시키기 때문에 성능을 개선하는데 한계가 있었습니다. 그래서 예전의 통신학자들이 이런 직접 변환의 문제를 해결하기 위해 고안해낸 것이 결국 IF인 것입니다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이, DCR(Direct conversion receiver)는 IF가 생략되기 때문에 수신기 구조가 간단해집니다.

하지만 뒤집어말하면, Direct conversion은 IF를 이용하면서 해결할 수 있는 각종 문제를 떠안고 있습니다. IF를 사용하지 않음으로써 시스템이 간단해지고, 그로 인해 one-chip화의 가능성이 커지고, 결국 단가를 낮출 수 있다는 시장원리적 장점을 제외하곤 성능적으로는 많은 문제점이 지적됩니다. 발진문제, 선택도문제 등등은 물론 특히 mixer에 대한 역할부담이 커지게 되며 특히 DC offset과 같은 치명적인 문제를 야기시킵니다.

위의 그림에서처럼 RF주파수를 바로 베이스밴드로 내리다보면 RF주파수와 LO주파수가 같게 됩니다. 이때 아무 신호가 실리지 않은 LO주파수의 leakage가 발생할 수 있는데, 특히 LNA등을 거쳐서 증폭되 버린 LO leakage신호가 mixer에서 진짜 LO주파수랑 믹싱되면, 아무 의미없는 DC 신호성분이 나와버립니다. 자기 주파수에서 자기 주파수를 빼면 남는 것은 바로 주파수가 0Hz인 DC term이 나오게 되니까요. 중간에 필터가 있긴 하지만 RF나 LO나 주파수가 같아서 leakage를 줄이는데 한계가 있습니다. RF를 통과시켜야 하는 BPF인지라 LO역시 같이 통과해 버리니까요.

그리고 외부에서 다른 주파수의 강한 신호가 들어오면, LO path에 leakage를 일으켜서 mixer에서 자기 신호끼리 쿵짝대면서 또다른 DC offset 성분을 만들 수도 있습니다. 이 모든게 RF와 LO가 같아야 하는, Direct conversion 고유의 운명에 기인합니다. 이렇게 발생한 DC offset 신호는 원래 복조되어야 할 신호 한복판에서 신호의 정보를 망가뜨리게됩니다.

이것을 제거하기 위해서는 다양한 방법들이 시도되고 있으며, GSM과 같이 time slot을 이용하는 pulsed mode 통신에서는 통신이 이루어지지 않는 시간중에 DC 전하를 방전시키는 방법으로 해결하고 있습니다. 무선랜에서는 DC 주파수 영역에 아예 신호를 싣지 않도록 고안된 OFDM방식을 이용하여 해결하고, CDMA의 경우는 변조방법이 더욱 복잡하기 때문에 난해한 self-calibration방법등이 동원되고 있습니다. 즉 이러한 치명적 DC offset 제거방법은 통신방식에 크게 의존하고, 모든 시스템에서 쉽게 해결가능한 문제로 보기에 힘든, 그렇고 그런 문제라서 참으로 골칫거리입니다.

하지만 아시다시피 세계적으로 이동통신을 주축으로한 통신시장이 커지면서 시장은 더욱 치열해지고 있습니다. 그러다 보니 역으로 예전에 하다말던 Direct conversion 방식의 경제성이 부각되고, 결국 그것의 단점들을 극복해보기 위한 기술적 노력들이 계속되어 상당한 수준에 이르게 된 것입니다. 아직 미진한 부분도 있지만 점차 이동통신 단말분야에서 direct conversion 방식이 확산되고 있는 분위기입니다. 값싸고 작다는 강력한 시장논리에 의해 소형단말과 같은 특정 분야에서는 발전이 가속화되고 있는 것이지요.

그렇다면 Direct conversion 기술이 완전히 자리잡으면 IF단은 사라지게 될까요? 이러한 Direct conversion 방식은 주로 가격경쟁이 치열한 이동통신 단말분야나 무선랜 분야에 집중되고 있습니다. 또한 기존의 IF방식이 가진 안정적인 성능을 무시할 수 없기 때문에, 모든 통신시스템에서 IF를 버릴 가능성은 거의 없습니다. 아마도 direct conversion 방식과 IF 방식이 공존하게 되며, 일부 저가형 통신단말기를 제외한 기존의 통신시스템 대부분은 여전히 IF를 사용하게 될 것입니다.

IF는 어떻게 결정되는가?

그렇다면 IF의 값은 어떻게 결정할까요? 이것은 시스템을 이해하는데 매우 흥미로운 소재가 됩니다.

사실은 엔지니어가 IF주파수를 얼마로 쓸지 고민하는 경우는 그리 많지 않습니다. IF주파수는 그때그때 설계자가 결정하는 경우보다는, 통신시스템마다 주로 사용되는 IF가 일반적으로 정해져 있기 때문입니다. 물론 시스템 설계자가 임의로 설계할 수도 있지만, 괜시리 비규격적인 IF 주파수를 사용하면 그에 합당하는 부품이나 칩을 구하기가 힘들어지는 문제가 있습니다.

하지만 엔지니어로서, 어떤 기준으로 특정한 IF 주파수가 선정되게 된 것인지 알아보는 것은 의미가 있습니다. 이것은 결국 IF 주파수가 높고 낮음에 따라 어떤 특징이 있느냐를 따지는 문제가 됩니다. 일단 대표적인 특징을 표로 만들면 아래와 같습니다.

 특성

IF 가 높을때

IF 가 낮을때

선택도

보다 높은 Q값의 BPF로 채널을 선택해야 하므로 나빠짐

Q값이 낮은 필터로 채널선택을 할 수 있으므로 좋아짐

민감도

잡신호 제거가 쉬워서 민감도가 좋아짐

잡신호 제거가 어려워서 민감도가 나빠짐

영상주파수

영상주파수가 RF신호와 멀리 떨어짐으로써 제거하기가 쉬움

영상주파수가 RF 근처에 발생해서 완벽히 제거하기 어려움

가장 중요한 두가지 문제는 선택도와 주파수간섭문제입니다.

선택도는 위에서 설명했다시피, IF주파수가 낮을수록 채널필터의 Q값요구가 작아지기 때문에 더 좋은 선택도를 구현하기가 쉽습니다. 반면 주파수간섭문제 (영상 주파수와 스퓨어리스)는 IF가 높을수록 문제가 적어집니다.

위의 그림에서 보여지듯이, IF 주파수가 너무 낮아 버리면 선택도는 좋아질지 몰라도 이미지 주파수가 원래 LO신호와 너무 가까워지는 딜레마에 빠지게 됩니다. 한마디로 선택도와 주파수간섭문제는 정반대의 trade off 특성을 갖고 있습니다. 그래서 선택도와 주파수간섭문제를 동시에 고려해서, 높지도 낮지도 않은 적절한 IF주파수를 골라야만 합니다. 그렇다고는 해도, 혹시 선택도와 주파수간섭 문제를 동시에 해결할 방법은 없을까요?

그래서 결국 이 문제를 해결하기 위해 사용하는 방법이 double conversion 방식입니다. 실제로 이동통신이나 기타 많은 통신 시스템은 성능강화를 위해 IF주파수를 두개씩 사용하고 있습니다.

그림에서처럼 첫 번째 IF주파수는 높게 책정하여 주파수간섭문제를 어느정도 격리시킨 후, 두 번째 IF주파수를 낮게 또한변 변환시켜서 채널을 선택함으로써 선택도 문제를 해결합니다. 더더욱 돈이 많이 드는  복잡한 방법이지만, 성능면에선 더욱 유리하기 때문에 어쩔 수 없이 또 이렇게 사용합니다.

이런 식으로 여러 가지 trade off를 거쳐서 시스템에서 사용될 적절한 IF 주파수 하나 혹은 두 개가 결정됩니다. 이에 추가적으로 주파수가 높던 낮던간에, 베이스밴드대역의 하모닉 주파수와 IF주파수가 겹치지 않도록, 또한 IF주파수의 하모닉 성분이 RF주파수나 또다른 IF 주파수와 겹치지 않게 결정할 필요가 있습니다. 그런 하모닉 관계들이 재수없게 겹치면 어떤 이상증세가 나올지 모릅니다. 경우에 따라double conversion을 쓰는 경우는, 하나의 LO주파수에 divider등을 추가로 이용햐여 교묘하게 두개의 IF주파수를 만들 수 있도록, 두 IF를 배수관계로 설정하는 기지도 발휘할 수 있습니다.

만약 IF주파수를 직접 선정해야 할 상황이라면 이보다는 좀더 깊이 있게 학습할 필요가 있습니다. 특히 이론도 이론이지만 시장에서의 부품수급현황에 대한 검토도 선행되어야 합니다. 일반적으로 권장되는 IF주파수와 그 주요용도는 아래와 같습니다.

Common IF frequency

IF 주파수

주요 이용용도

455 kHz

 일반장비

10.7 MHz

 일반 수신기

21.4 MHz

 고성능 수신기

45 MHz

 TV, 셀룰러폰

70 MHz

 위성 TV, 군사용

160 MHz

 위성장비

지금까지의 흐름을 따라와 보신 분은 아시겠지만 IF주파수는 주로 수신단에서의 입장에서 고려됩니다. 꼭 위의 주파수를 선택하라는 규칙은 없으며, 단지 일반적인 권장주파수일 뿐입니다. IF 선택의 문제와 관련해서는 Radio Receiver Design 라는 좋은 책의 뒷부분에 설명이 잘 나와 있으니 관심있는 분들은 참고하시기 바랍니다.

LO주파수의 위치는?

IF가 결정된다면, RF에서 IF로 변환하기 위한 LO주파수는 자동으로 결정되는 것처럼 보입니다. 예를 들어 900MHz의 RF와 45MHz의 IF를 쓰기로 했다면, 마치 855MHz의 LO를 입력해주면 될 것 처럼보이지요. 하지만 잘 생각해보면, 945MHz의 LO를 사용해도 차의 공식에 의해 RF와 IF간을 변환시킬 수 있습니다. 그렇다면 무엇을 선택하는가? 라는 문제에 부딪치게 됩니다. 그래서 우리는 High side LO를 쓸 것인지, Low side LO를 쓸 것인지 결정하게 되는 것이죠.

나름대로 일장일단들이 있는데, 그것들을 정리하면 아래의 표와 같습니다.

변환방식

장점

단점

HSLO 상향변환

- spurious 해결이 쉬움
- 구조가 간단해서 가격이 싸고 쉽다
- image 성분을 제거하기가 쉽다

- Dynamic range가 줄어든다
- energy distortion이 생긴다
- IMD의 영향을 많이 받는다

LSLO 상향변환

- IF/image rejection이 잘 된다

- 안테나로의 leakage의 우려가 있다
- IF 주파수를 높게 잡아야 한다

HSLO 하향변환

- LO와 RF 하모닉의 영향이 거의 없다

- image rejection이 필요하다
- 결국 수신기가 복잡해진다

LSLO 하향변환

- HSLO와 비슷한 장점을 가진다

- HSLO와 비슷한 단점을 가진다.

위의 대략적인 설명을 일일이 자세히 하기엔 지면이 모자르고, 여하튼 저런 특성들이 있다는 것을 대략 알아둘 필요가 있습니다.  이미지 필터의 위치 문제, 하모닉이 겹치는 문제, 부품수급과 가격문제, LO leakage, spurious 제거와 image rejection의 용이함등이 주요 결정 기준이 됩니다. 보시다시피 하향변환일 때는 크게 차이가 없는데 주로 상향변환할 때 차이가 있습니다. 하나의 시스템에선 LSLO냐 HSLO냐 둘중의 하나로 통일해서 결정해야 하고, 어느 한쪽이 일방적으로 좋은 경우는 별로 없기 때문에 결국 이것저것 상황을 고려해서 case by case로 결정하게 됩니다.

또한 IF를 먼저 결정한다기 보다는 사용하기 편한(또는 가격이 싼) LO를 먼저 선택하고 IF를 결정할 수도 있는 문제입니다. 한마디로 어떤 틀에 박힌 룰이 아니라, 시스템 설계자가 제반 배경을 이해하고 어느정도 frequency planing을 할 필요가 있는 부분입니다. 이런 사항들을 판단하기 위한 이론적 배경이 궁금하신 분은 RF MicroelectronicsRadio Receiver Design와 같은 관련 서적을 참고하시기 바랍니다.

RF의 매력

IF를 중점 개념으로 한 RF 송수신 시스템에 대한 개략적인 고찰을 해보았습니다. 아직 시스템에 익숙지 않은 분이라면 전체적인 그림을 그리는데 도움이 되셨으리라 생각됩니다. 하지만 위에 언급한 사항들은 RF송수신단에 대한 극히 기본적인 내용들입니다. 보다 깊이 있는 내용은 각종 도서와 자료를 토대로 각자 내공을 쌓아야 하며, 이 내용들은 일종의 길잡이일 뿐입니다.

결국 RF 부품은 RF 시스템을 위해 필요한 것이지만, 시스템 역시 부품현황이나 실제 구현가능한 성능여부에도 의존하는 상호 보완관계를 갖고 있습니다. 그래서 먼저 시스템을 이해하면 부품의 어떤 기능이 필요해지는지 알 수 있고, 부품의 특성수준을 이해하면 시스템이 구현가능한 성능을 짐작할 수도 있는 법인 것입니다.

IF의 단점은 성능상의 단점보다는 대부분 돈문제와 size문제, 복잡성 문제로 귀결됩니다. 하지만 반대급부로 성능상의 장점이 크다는 점도 잘 기억해둘 필요가 있으며, 그와 더불어 direct conversion의 태생과 사용이유를 이해하는 것도 중요합니다. RF단은 아날로그단으로써, 고전적인 기술이 중요하면서도 여전히 새로운 기술이 적용될 여지가 있는 첨단분야입니다. IF의 사용이유, RF송수신단의 특성을 이해하면 할수록, RF란 놈이 참 재미있는 놈이라는 사실을 느끼게 될 것입니다.

어떻게 공기중에 떠다니는 무지하게 작은 전자파 신호를 잡아채서 원래 신호를 복구해내는 거지?
신기하지 않나요? RF 엔지니어 입장에서도 가끔 하늘을 쳐다보며 생각해보면 참 신비롭습니다.
이런 보이지 않는 적과 싸우는 것이 바로 우리 RF엔지니어의 몫이자, RF의 매력이 아닐까요? ^^;


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