이동통신 기지국용 직접 변환 수신기 아키텍처는 적어도 하드웨어 측면에서 슈퍼헤테로다인 수신기 아키텍처보다 간단하다. 최신 제품들은 슈퍼헤테로다인 수신기의 멀티채널 구현을 이전보다 한층 더 소형화시킬 수 있다. 백분율 단위로 여전히 크지만, 그 차이가 중요하지 않을 수 있다. 따라서, 슈퍼헤테로다인은 이동통신 기지국에 대해 선호되는 수신기 아키텍처로 남게 될 것이다.

슈퍼헤테로다인 무선 아키텍처와 직접 변환(호모다인 또는 제로-IF) 무선 아키텍처 사이의 논쟁은 1930년대로 거슬러 올라간다. 각각은 특정 형태의 장비에 대해 나름대로의 장점을 제공한다. 슈퍼헤테로다인은 이동통신 기지국에서 인기가 있으며, 직접 변환은 지방 라디오(municipal radio) 등과 같은 SDR(Software-Defined Radio) 애플리케이션에 빠르게 확산되고 있다. 직접 변환 하드웨어의 단순성은 이동통신 서비스 업자들에게 인기 있는 슈퍼헤테로다인보다 낮은 비용, 낮은 전력 소모, 작은 보드 공간을 보장한다. 하지만, 하드웨어 단순성은 DC 오프셋과 관련된 고유한 문제들을 처리하기 위한 소프트웨어의 복잡성으로 인해 상쇄된다. 이 글은 단순한 소프트웨어 문제들은 무시하고 간단한 경로의 검토와 하드웨어 차이에 대한 인식과 현실에 대해 확인할 것이다.
이동통신망을 통해 전송되는 데이터 폭주는 이동통신 주파수 대역에서 인터넷에 액세스하는 스마트폰, 태블릿, 기타 다양한 기기들의 엄청난 발전에 기인한다. 이것은 기술적인 요구사항을 증대시키면서 한편으로는 업체들이 비용을 낮추도록 압박하고 있다. 최신 기지국은 전통적인 랙에서부터 수 와트의 전력만으로도 동작하는 보다 소형화된 기기에 이르기까지 매우 다양한 형태를 하고 있다. 아주 작은 기지국 폼팩터에서 복수의 채널들을 지원하기 위해 요구되는 회로는 통합을 위해 다양한 접근법을 가정한다. 최근의 개발 결과들로 인해 슈퍼헤테로다인 하드웨어와 직접 변환 하드웨어 사이에 얼마나 큰 차이가 있을까?

기본 아키텍처 검토
에드윈 암스트롱(Edwin Armstrong)은 수많은 평가를 통해 1918년 슈퍼헤테로다인 수신기 아키텍처를 발명했다. 이 일반적인 형태의 수신기에서 무선 주파수(RF) 신호는 로컬 오실레이터(LO) 신호와 혼합되어 이후 복조될 중간 주파수(IF)를 생성한다. LO 주파수는 RF 반송 주파수로부터 오프셋 되어 신호의 이미지를 생성한다. IF 신호가 통과할 때 모든 다른 이미지들은 필터링을 통해 제거된다. 최신 수신기의 경우, IF 신호는 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 통해 디지털로 변환된 후 디지털 영역에서 복조된다(그림 1 참조).
직접-변환 수신기는 슈퍼헤테로다인 수신기의 대안으로써 수년 후 개발됐다. 하지만, 슈퍼헤테로다인과 달리 LO 주파수가 오프셋 되지 않고 수신된 신호의 주파수와 동일하다. 단일 믹서가 2개의 믹서로 대체되는데, 하나는 RF 및 LO 신호를 전달받고 다른 하나는 RF 신호와 쿼드러처 LO 신호를 전달받는다. 결과는 베이스밴드에서 2개의 ADC 컨버터에 의해 디지털화된 복조 출력이다(그림 2 참조). 다시 말해, 중간 주파수가 0이다. 필터링 요구사항은 간단한데, 자체 대역통과(bandpass) 필터를 제공하는 슈퍼헤테로타인과 달리 저역통과(lowpass) 필터만 필요하기 때문이다.

하드웨어의 진화
두 아키텍처 모두 지난 수십 년 동안 지속적인 개선이 이루어졌다. 모든 IC 컴포넌트의 성능이 지속적으로 향상되면서 이와 동시에 전력소모는 낮아지고 PCB 공간에 대한 요구는 줄어들었다. ADC 해상도와 샘플 처리 속도는 보다 높은 대역폭 신호와 보다 높은 입력 주파수를 지원할 수 있도록 개선됐다.
직접 변환 수신기의 초기 매력은 기저대역(baseband)에 대한 단일 주파수 변환이었다. 과거 수십 년 동안 슈퍼헤테로다인 수신기는 복수의 주파수 하향 변환 단을 사용했다. 단계적으로 믹서와 필터 기술이 개선되면서 이들 복수의 단들이 일반적인 슈퍼헤테로다인 수신기가 아날로그에서 단지 1개의 주파수 변환 단과 DSP로 구현된 1개의 디지털 하향 변환 단을 사용할 수 있는 지점에 이르게 됐다.
직접 변환 아키텍처의 또 다른 매력은 저역통과 필터링이다. 슈퍼헤테로다인 아키텍처는 IF에서 대역통과 필터를 요구한다. 대부분의 경우, 대역통과 필터는 최고 수준이거나 SAW(Sur-face Acoustic Wave) 형태다. SAW 필터는 밀폐형 패키지를 요구하며 일반적으로 상당히 크고 비용이 높다. SAW 필터 기술과 패키징 분야에서 대폭적인 개선이 이루어졌지만, 저역통과 필터가 여전히 보다 매력적인 것으로 평가되고 있다.

최신 하드웨어 비교
비용, 전력, 보드 공간에 대해 합리적인 비교를 하기 위해서는 20 MHz 신호 대역폭에 적합한 소형 기지국을 위해 4개의 수신기 채널을 구현하는 데 필요한 컴포넌트들을 수집해야 한다. 각각의 슈퍼헤테로다인 수신기는 단일 믹서, 가변이득 증폭기, SAW 필터, 보조 IF 증폭기 단, 고속 ADC를 사용한다. 각각의 직접 변환 수신기는 I/O 디모듈레이터 1개, 기저대역 증폭기 2개, 고속 ADC 2개를 사용한다. 예제 보드 레이아웃은 예상되는 이러한 컴포넌트들이 요구하는 보드 공간을 비교하기 위해 사용되며, 일반적인 전력 소모는 데이터 시트 파라미터를 통해 간단하게 계산할 수 있다. 직접 변환 아키텍처가 모든 측면에서 상당히 우수한 것으로 입증될 것으로 예상했다.

슈퍼헤테로다인 예제
슈퍼헤테로다인의 4개 채널의 경우, 일반적으로 5 mm × 5 mm QFN 패키지로  제공되는 듀얼 믹서가 있다. RF 및 LO 입력을 위한 통합 발룬(balun) 트랜스포머와 내부 매칭 컴포넌트의 경우, 수동 부품의 수가 최소이며, 거의 0201 및 0402의 크기를 가진다. 이들은 직접 변환을 위해서도 요구되기 때문에, 이번 비교에서 제외했다. 이와 마찬가지로 적합한 주파수 범위에서 제공되는 듀얼 디지털 VGA가 있다. 이와 같은 듀얼 VGA 역시 5 mm × 5 mm QFN 패키지로 제공되며, 4개의 채널을 구현하는데 2개가 필요하다. 믹서 단 다음에 소량의 필터링이 요구될 수 있기 때문에, 몇 개의 0402 인덕터와 0201 커패시터가 적합하다. 요구되는 민감도를 달성하기 위해서 SAW 대역통과 필터가 슈퍼헤테로다인 수신기를 위해 필요하다. 4개의 채널 각각에 대해 독립적인 SAW 필터가 필요하다. RF 주파수의 경우, SAW 필터가 상당히 작을 수 있다. 70 MHz에서 192 MHz까지의 일반적인 IF 범위에서 5 mm × 7 mm 패키지로 제공되는 SAW 필터를 사용할 수 있다. 심지어 앞에 있는 VGA의 출력과 뒤에 있는 증폭기의 입력은 50 Ω일지라도 SAW 필터는 몇 개의 매칭 컴포넌트를 요구한다. 일반적으로 필터의 삽입손실을 보상할 수 있는 다른 이득 단이 필요하다. 하지만, 증폭기를 통합한 새로운 쿼드 ADC가 SiP(System in Package)로 제공되고 있는데, 리니어 테크놀로지의 LTM9012-AB μModule짋 ADC이다. 15 mm × 11.25 mm 크기로 제공되기 때문에, 4개의 차동 증폭기, 관련 바이패스 커패시터, 안티-앨리어스 필터 컴포넌트들을 제공하는 등가의 쿼드 ADC보다 작다. 20 dB의 이득과 함께 68.5 dB의 SNR(Signal to Noise Ratio)과 79 dB의 SFDR(Spurious-Free Dynamic Range)을 달성한다. LTM9012-AB 내의 증폭기와 필터링 기능은 입력 주파수를 약 90 MHz로 제한한다. 따라서, 70 MHz IF가 적합하지만 기지국 애플리케이션의 슈퍼헤테로다인 수신기를 통해 보다 높은 IF를 구현하는 것은 적합하지 않다. 그럼에도 불구하고 이것은 가장 콤팩트한 구현 방법을 제공한다.
LTM9012는 통합에 대해 다른 접근법을 제공한다. μModule 또는 SiP 패키징을 통해 독립적인 다이를 다양한 수동부품들과 함께 적층 기판(lami
nate substrate)에 어셈블리 할 수 있으며, 몰딩하여 일반적인 BGA IC와 같은 형태를 가질 수 있다. 이 경우, ADC는 미세 선폭의 CMOS 공정을 통해 저전력 특성과 양호한 AC 성능을 달성할 수 있도록 최적화된다. 증폭기는 SiGe(Silicon-Germanium) 공정을 사용하여 그 성능을 극대화할 수 있다. 이들은 전통적인 차동 증폭기이기 때문에, 이득은 저항값으로 10V/V 또는 20 dB 조건을 설정할 수 있다. 완벽한 OP 앰프 입력은 고주파 수 샘플링 그리치를 신호 경로로부터 절연시킴으로써 매칭을 단순화시키며, 또한 단일 단(single-ended) 신호를 차동 ADC 입력과 내부적으로 일치시킬 수 있다. 이득을 전혀 제공하지 않는 버퍼링 프론트-엔드를 제공하는 대부분의 모놀리식 ADC는 여전히 차동이며, 단지 그리치를 절연시킨다. 광대역 증폭기 노이즈를 제한하는 안티-앨리어스 필터링의 이점은 동일하다. 전체 보드 공간과 관련하여 모든 레퍼런스 및 공급 바이패스 커패시터가 패키지 내부에 있기 때문에, 성능을 저하시키지 않으면서 전체 시스템 설계를 패키징 할 수 있다. 레퍼런스 및 전원용 바이패스 커패시터가 디지털 신호와 너무 떨어져 있거나 가까이 있어서 데이터 변환 과정을 방해할 경우에 이와 같은 절충이 일반적으로 이루어진다. 마지막으로 기판을 통해 핀 할당을 논리적으로 흐르게 할 수 있다. 즉, 패키지의 한쪽에는 아날로그 입력을, 다른 한쪽에는 디지털 입력을 할당할 수 있다.
이 예에서, 능동 부품의 수는 5개이며, 4개의 SAW 필터와 80개의 다른 소형 수동부품들이 사용된다(그림 3 참조). 전체 크기는 약 43 mm × 21 mm = 903 mm2이지만, 비록 전체 공간이 사용되지는 않기 때문에 유효 공간은 700 mm2이다. 물론, 이것은 보드의 한 면이며 회사별 설계 규칙에 따라서 보다 콤팩트한 설계를 달성할 수 있다. 전력 계산을 위해 이 예제는 듀얼 믹서로 LT5569를, 듀얼 VGA로 AD8376을, 보조 증폭기 단과 쿼드 ADC의 통합으로서 LTM9012-AB를 사용한다. 믹서는 능동 형태로 300 MHz에서 4 GHz까지의 넓은 주파수 범위에 대해서 동작하기 때문에, 단일 부품으로 700 MHz에서 2.7 GHz까지의 전체 이동통신 대역에서 동작할 수 있도록 구성할 수 있다. 최상의 전력 소모 특성을 위해 이것은 또한 노이즈 지수를 크게 저하시키지 않으면서 강한 인-밴드 차단 간섭 신호를 견딜 수 있는 강건한 입력을 제공한다. 4-채널 시스템의 전체 전력 소모 특성은 4.9 W이며, 이것은 저항 분배기에서 소모될 수 있는 전력은 포함하고 있지 않다.

직접 변환 예제
4개의 직접 변환 채널을 위해 우리의 유일한 선택사항은 개별 I/Q 디모듈레이터이기 때문에, 5 mm × 5mm QFN 패키지로 제공되는 4개의 채널이 필요하다. LT5575와 같은 일부 제품들은 통합 RF 및 LO 발룬을 제공하여 외부 부품을 최소화시킬 수 있다. 적은 필터링이 유용하며, 물론 일부 소형 바이패스 커패시터도 유용하다. 저역통과 필터의 경우, 복수의 L-C 및 R-C 영역들이 이루어진다. 이득 단에 대해서는 LTM9012-AB가 역시 적합하다. 쿼드로서 이것은 2개의 직접 변환 채널만을 지원하기 때문에 두 번째 디바이스도 필요하다.
이 예제에서 능동부품의 수는 6개이며 소형 수동부품의 수는 84개이다(그림 4 참조). 전체 공간은 약 27 mm × 24 mm = 648 mm2이다. 전력 계산을 위해 이 예제는 LT5575 I/Q 디모듈레이터와 2개의 LTM9012-AB를 사용했다. 4개 채널의 전체 전력 소모는 5.1 W이며 저항 분배기들에서 소모될 수 있는 전력을 포함하지 않았다. 하지만, ADC는 125 Msps의 조건으로 샘플링하는데, 이것은 일반적이지만 10 MHz를 위해 필요한 것보다는 많다. 65 Msps의 조건에서는 ADC가 한층 더 적은 전력을 소모하게 하면서도 동일한 기능을 수행할 수 있다. 전력소모를 재계산하면 총 4.6 W의 값을 새롭게 얻을 수 있다.

인식과 현실
얼마 전까지만 해도 슈퍼헤테로다인 수신기는 각 채널에 대해 복수의 믹서와 복수의 SAW 필터를 사용했다. 그리고 당시 SAW 필터의 크기는 25 mm × 9 mm이었다. 수동 코어 믹서는 삽입손실을 보상하기 위해서 추가적인 이득 단들을 필요로 했다. 이와 같은 최근의 역사로 인해 슈퍼헤테로다인과 직접 변환 수신기 사이의 하드웨어 복잡성에 대한 인식의 차이가 형성되었다. 백분율 기준으로 슈퍼헤테로다인 수신기를 위해 사용되는 보드 공간은 직접 변환보다 39% 이상 큰데, 이것은 상당한 비율이지만 실제 PCB 공간에서 그 차이는 그리 크지 않다. 903 mm2의 39%는 352 mm2 또는 엄지손가락 지문 크기이다. 전력 소모 차이는 백분율 기준으로 전혀 크지 않다.
슈퍼헤테로다인 수신기가 크기와 전력 측면에서 상당히 불리하다는 인식은 기지국 수신기 자체의 전체 크기와 물론 관련이 있다. 전통적인 랙-마운트 폼팩터의 경우, 엄지손가락 크기의 PCB 공간이 크게 문제가 되지 않을 수 있다. 하지만, 손바닥 크기에 들어올 수 있는 소형 기지국의 경우, 엄지손가락 크기의 PCB 공간은 매우 중요하다.
현실에서는 통합이 지속적으로 이루어졌는데, 때로는 매우 느리게 때로는 큰 폭으로 달성되었다. 보드 공간 또는 전력 소모의 절감은 다른 것보다 크게 한 아키텍처에 적용될 수 있다. 슈퍼헤테로다인에 적용되는 최근의 예들은 LT5569 듀얼 능동 믹서 등과 같은 제품들이다. 필자는 이동통신용 기지국 애플리케이션을 위해 제공되는 모든 듀얼 I/Q 디모듈레이터를 알지는 못하며, 상대적으로 낮은 주파수 범위의 다른 애플리케이션을 위해 존재할 수도 있다. 두 아키텍처 모두에 적용되는 통합의 최근 예는 증폭기를 통합한 LTM9012 쿼드 ADC이다. 디바이스의 LVDS 시리얼 인터페이스는 ADC를 보다 소형화시킬 뿐만 아니라, FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 DSP(Digital Signal Processor)가 병렬 인터페이스를 사용하는 4개의 ADC보다 소형화시킬 수 있다. 하지만, 직접 변환 아키텍처는 여전히 2배의 ADC 수를 필요로 한다.
위에서 소개한 예제는 이동통신용 기지국의 성능 요구사항이 전체 체인을 통해 이와 같은 고성능 컴포넌트들을 요구한다는 것을 가정하고 있다. 예제에 사용된 제품들은 그렇지 않을 경우에 상호 통합을 위해 좋지 않거나 최소한 성능 저하가 없는 SiGe 또는 CMOS 공정과 같은 최적화된 반도체 공정을 사용한다. 특정 크기의 기지국은 펨토셀 등과 같은 고집적 단일 칩 트랜시버를 사용할 수 있도록 해주는 성능 요구사항을 가지고 있다. 이와 같은 칩들의 통합 블록의 개선을 통해 이들을 보다 큰 기지국에 적용할 수 있다. 그리고 여기서 2개의 아키텍처가 신호 필터라고 하는 장벽에 부딪힌다. 직접 변환 수신기는 실리콘으로 구현할 수 있는 저역통과 필터를 사용한다. 최근에 슈퍼헤테로다인에 사용되는 대역통과 필터를 실리콘으로 구현하는 것이 극히 어렵다는 것이 확인됐다. 이것은 영원한 장벽이 아니라 일시적인 현실이다. 아마도 언젠가는 기술적인 혁신이 이루어지고 민감도가 매우 높은 대역통과 필터가 온-칩으로 제공될 것이다. 그 때까지 직접 변환 수신기 아키텍처가 성능이 지원하는 전체 수신기 체인의 잠재적인 통합을 위해 탁월한 이점을 제공한다.