매크로셀 기지국 성능 요구사항을 충족하면서 어느 정도까지 통합이 가능할까? 공정 기술은 여전히 특정 주요 기능들을 특수한 공정으로 제조할 수 있다는 것을 보여주고 있다: RF 분야의 경우, GaAs와 SiGe, 고속 ADC의 경우, 미세 선폭 CMOS가 있고, high-Q 필터는 반도체 재료로는 구현이 불가능하다. 하지만, 시장은 보다 높은 집적도를 요구하고 있다.

이를 고려하여 우리는 SiP(system-in-package) 기술을 사용하여 0.5inch2(약 3cm2) 크기의 수신기를 구축하기로 결정했다. 수신기의 한계는 50Ω RF 입력, 50Ω LO 입력, ADC 클록 입력, 디지털 ADC 출력이다. 이로 인해 LNA와 RF 필터링을 입력, LO 및 클록 생성, 그리고 디지털 입력의 디지털 처리를 위해 추가해야 한다.
15mm x 22mm 패키지에 SiGe 고주파수 컴포넌트, 디스크리트 수동 필터링, 미세 선폭 CMOS ADC 등을 이용한 신호 체인을 제공한다. 다음은 2가지 μModuleⓇ 제품, 즉 직접 변환 수신기를 구현한 LTM9004와 IF-샘플링 수신기를 구현한 LTM9005에 대한 설계 분석 자료이다.

설계 목표
설계 목표는 UMTS 업링크 FDD 시스템으로 3GPP TS25.104 V7.4.0 규격에서 상세히 설명된 Operating Band I의 Medium Area Base Station이다. 민감도가 수신기의 1차적인 고려사항이다. 요구사항은 -19.8dB/5MHz의 입력 SNR에 대해 -111dBm 이하이다. 이것은 수신기 입력의 유효 잡음 플로가 -158.2dBm/Hz 이하가 되어야 한다는 것을 의미한다.

설계 분석 - Zero-IF 또는 직접 변환 수신기
LTM9004은 직접 변환 수신기로 (그림 1)에 나타낸 바와 같이 I/Q 복조기, 베이스밴드 증폭기, 듀얼 14bit 125Msps ADC를 사용한다. LTM9004-AC 저역통과 필터는 9.42MHz에서 0.2 dB 코너를 제공하여 4개의 WCDMA 반송파를 지원한다. LTM9004를 RF 프론트 엔드와 함께 사용하여 완벽한 UMTS 대역 업링크 수신기를 구축할 수 있다.

RF 프론트 엔드는 디플렉서, 1개 이상의 LNA(low noise amplifier), 세라믹 대역통과 필터로 구성된다. 이득 및 위상 불균형을 최소화하기 위해서 기지국 체인은 고정 이득 토폴로지를 구현해야 하며, 따라서 RF VGA는 앞서 설명한 LTM9004가 필요하다. 이와 같은 프론트엔드를 위한 일반적인 성능 예는 다음과 같다.
‧ Rx 주파수 범위 :1920MHz~1980MHz
‧ RF 이득 :최대 15dB
‧ AGC 범위 :20dB
‧ 잡음 지수 : 1.6dB
‧ IIP2 :+50dBm
‧ IIP3 :0dBm
‧ P1dB :-9.5dBm
‧ 20MHz에서 제거 : 2dB
‧ Tx 대역에서 제거 : 96dB

RF 프론트 엔드에 유효 잡음이 영향을 미치는 경우에 LTM9004로 인한 최대 허용 가능 잡음은 -142.2dBm/Hz가 되어야만 한다. LTM9004의 일반적인 입력 잡음은 -148.3dBm/Hz이며, 시스템 민감도로 전환하여 계산하면 -116.7dBm가 된다.
일반적으로 이와 같은 수신기는 ADC를 통과한 디지털 신호에 대한 몇 가지 DSP 필터링의 이점을 활용한다. 이 경우, DSP 필터는 0.22의 알파를 가진 64탭 RRC 저역통과 필터이다. 동일 채널(co-channel) 간섭 신호가 존재하는 경우에도 동작하기 위해서 수신기는 최대 민감도에서도 충분한 동적 범위를 제공해야 한다. UMTS 규격은 -73dBm의 최대 동일 채널 간섭을 필요로 한다. LTM9004의 IF 통과대역 내에서 -1dBFS를 위한 입력 수준이 10dB 파고율(crest factor)로 변조된 신호에 대해 -15.1dBm라는 것에 주의해야 한다. LTM9004 입력에서 이것은 -53dBm 또는 -42.6dBFS의 디지털 신호 수준이다.
최소 이득을 위한 RF AGC(automatic gain control) 세트를 통해 수신기는 단말기로부터의 최대 예상 요구 신호를 복조할 수 있다. 이러한 요구사항은 궁극적으로 LTM9004가 -1dBFS 이하에서 포함해야 하는 최대 신호를 설정한다. 규격에서 요구하는 최대 경로 손실은 53dB이며, 단말기의 평균 전력을 +28dBm로 가정한다. 최대 신호 수준은 수신기 입력에서 -25dBm이다. 이것은 최고 -14.6dBFS와 동일하다.
UMTS 시스템 규격에는 몇 가지 블록커 신호(blocker signal)에 대해 상세하게 설명하고 있다. 이러한 신호가 나타날 경우에 단지 지정된 양의 감도 억제가 허용된다. 민감도 규격은 -115dBm이다. 이 중 첫 번째는 -42dBm 수준에서 5MHz가 차이가 나는 인접 채널이다. 디지털화된 신호의 수준은 최고 -11.6dBFS이다. DSP 후처리 기능을 통해 추가적으로 51dB가 제거되기 때문에 이 신호는 수신기 입력에서 -93dBm의 간섭 신호와 같다. 최종 민감도는 -112.8dBm이다.
수신기는 또한 10MHz 이상 차이가 나는 -35dBm 간섭 채널 역시 처리해야만 한다. μModule 수신기의 IF 제거 기능은 최고 -6.6dBFS의 동등한 디지털화된 신호 수준으로 이를 감쇠시킬 것이다. DSP 후처리 기능을 통해 이것은 수신기 입력에서 -89.5dBm가 되며, 최종 민감도는 -109.2dBm이다.
대역외 블록커 역시 수용해야 하지만, 이것은 이미 처리된 대역내 블록커와 동일한 수준이다.
이 모든 경우에서 LTM9004의 -1dBFS를 위한 일반적인 입력 수준은 최대 예상 신호 수준보다 높다. 주의할 것은 변조된 채널을 위한 파고율이 10dB~12dB 정도가 되기 때문에 이것의 최대값은 LTM9004 출력에서 약 -6.5dBFS의 최고 출력에 도달하게 될 것이다.
최대 차단 신호는 수신기 대역 경계보다 20MHz 이상 높은 -15dBm CW 톤이다. RF 프론트 엔드는 이 톤에서 37dB를 제거하기 때문에 이것은 -32dBm 조건에서 LTM900의 입력에서 나타나게 될 것이다. 다시 말해, 이 수준의 신호는 베이스밴드 μModule 수신기의 감도를 억제시켜서는 안 된다. 동등한 디지털화된 수준은 최고 -41.6dBFS이기 때문에 민감도에 영향을 미치지 않는다.
필요하지 않은 신호 전력의 또 다른 소스는 트랜스미터로부터의 누설이다. 이것은 FDD 애플리케이션이기 때문에 여기에서 설명한 수신기는 트랜스미터 동작과 동시에 연결될 것이다. 95dB의 격리를 수신하기 위한 송신의 경우에 트랜스미터 출력 수준을 +38dBm 이하로 가정한다. LTM9004 입력에서 나타나는 누설은 -31.5dBm이며, 최소 130MHz까지 수신 신호로부터 오프셋된다. 동등한 디지털화된 수준은 최고 -76.6dBFS이기 때문에 감도 억제는 없다.
직접 변환 아키텍처의 기술적 과제 중 하나는 2차 선형성이다. 불충분한 2차 선형성은 원하거나 원하지 않거나 상관없이 모든 신호가 베이스밴드에서 DC 오프셋 또는 의사-난수(pseudo-random) 잡음을 형성하도록 만든다. 이 의사-난수 잡음이 수신기 잡음 수준에 근접하게 되면 앞서 상세하게 설명한 차단 신호가 민감도를 저하시키게 된다.
시스템 규격은 각각의 경우에 이러한 블록커가 나타나는 경우에 대해 민감도 저하를 허용하고 있다. 시스템 규격에 따라 -35dBm 차단 채널은 민감도를 -105dBm까지 저하시킬 수 있다.
우리가 앞서 살펴본 바와 같이 이 블록커는 수신기 입력에서 -15dBm의 간섭 신호에 영향을 미친다. LTM9004 입력에 의해 생성된 2차 왜곡은 온도 잡음보도 낮은 약 16dB이며, 최종 예상 민감도는 -116.6dBm이다.
-15dBm CW 블록커 역시 2차 산출물을 증가시킨다. 이 경우, 산출물은 DC 오프셋이다. DC 오프셋은 바람직하지 않은데, 이것이 A/D 컨버터가 처리할 수 있는 최대 신호를 낮추기 때문이다. DC 오프셋의 영향을 완화시킬 수 있는 한 가지 진정한 방법은 베이스밴드 μModule 수신기의 2차 선형성을 충분히 높게 보장하는 것이다. 이 신호로 인한 예상 DC 오프셋은 ADC 입력에서 1mV 미만이다.
주의해야 할 것은 트랜스미터 누설은 시스템 규격에 포함되어 있지 않기 때문에 이 신호로 인한 민감도 저하는 최소한으로 유지해야 한다는 것이다. 95dB의 격리를 수신하기 위한 송신의 경우에 트랜스미터 출력 수준을 +38dBm 이하로 가정한다. LTM9004에서 생성된 2차 왜곡