Even though $3^{rd}$ mobile communication services have some differences from the $2^{nd}$ generation mobile communication services in technical point of view, the method of designing and measuring RF receivers has many similar points. This research discusses about a common methodology for design and measurement methodology of RF transceiver. In this research, two kinds of formulas for RF transceiver system level design are introduced and one of method for measurement of RF transceiver is proposed. Additionally, practical ways of approach for implementing RF transceiver are considered and applied into implementing the RF transceiver. By using proposed methodology, a heterodyne WCDMA RF transceiver is implemented and measured. The specific measured parameters of the implemented RF receiver is the voltage gain of 99.2 dB, noise figure of 10dB, and IIP3 of -6.5dBm. The implemented transmitter has maximum output power of 15dBm, ACLR of 34.5dB, and EVM of 5.28%. These values meet most of required specification except noise figure in receiver and maximum output power in transmitter. The implemented transmitter's spectral re-growth is explained with transmitter's non-linearity consideration. By proposed digital measurement method, the implemented receiver is tested in digital domain. The result shows that the receiver noise equation is well predicting receiver's performance in digital domain.
1세대 이동통신 서비스를 아날로그, 2세대를 초기 디지털 서비스라고 한다면, IMT-2000으로 불리는 3세대 서비스에서는 고품질의 음성 및 데이터나 영상의 서비스가 가능하며, 글로벌서비스 및 멀티미디어 서비스를 제공하는 것이 특징이다. 따라서 3세대 이동 단말기의 경우 증대된 Data 처리 능력을 위해 기존의 Cellular, PCS 와 같은 IS-95에서 요구하는 규격에 비해서 한층 강화된 규격이 적용되고 있다.
우리나라에서는 2003년 하반기 이후 본격적으로 실시될 3세대 이동통신 서비스는 2110~2170 MHz의 수신 대역과 1920~1980 MHz의 송신 대역을 사용하게 된다. 이중 FDD(Frequency Division Duplex) 방식의 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)의 경우 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)로 변조된 신호를 Direct Sequence CDMA 방식으로 3.84Mcps의 Chip Rate로 데이터를 전송하게 된다.
본 논문에서는 IMT-2000 규격 중 WCDMA라고 일반적으로 칭하는 3GPP (3rd Generation Partnership Project) specification의 FDD 부분의 규격을 중심으로 WCDMA RF 수신기의 최소 요구 성능을 도출하고 WCDMA UE 테스트 베드를 구현하였다.
RF system을 구현할 때는 기본적인 parameter인 gain, noise figure, IP2, IP3, phase noise, selectivity, ACLR 등의 목표 값을 추출하는 것이 필요하다. 이러한 parameter 들을 수신기에서는 제안된 Receiver Noise Equation을 사용하며, 송신기에서는 비선형 현상을 해석하기 위해서 가장 쉽고, 일반적으로 많이 사용하는 방법인, 디지털 신호를 band-limited AWGN으로 가정하여 ACLR과 IP3와의 관계를 추정하는 방법을 사용하여 목표 parameter 값을 추출 하였다.
Receiver Noise Equation은 일반적인 잡음뿐만 아니라, 방해 신호 (Interferer), 혼변조(Intermodulation), 위상잡음(phase noise), 불요파 응답(spurious response) 등의 신호를 AWGN으로 가정하고, 이를 입력환산 잡음원(input referred noise source)로 변환하여 이들 잡음원의 합을 전체 시스템의 잡음으로 가정하는 방법이다. 각각의 잡음원은 서로 상관관계(correlation)가 없으므로 단순한 합으로 전체 시스템의 잡음 수준을 판가름 할 수 있다. 이러한 방법을 통해서 수신기에서 신호의 수신을 방해하는 잡음과 외적 요인들에 대한 영향을 Eb/No로 나타낼 수 있고, 이를 통해서 간단하고도 직관적인 방법으로 시스템 단계에서 수신기를 설계할 수 있다.
송신기 쪽에서 설계시에 주로 고려해야 하는 요소는 송신기의 비선형성이다. 송신기의 출력된 I/Q 디지털 신호는 대역이 제한된 백색잡음 (band-limited AWGN)으로 가정할 수 있다. 백색잡음은 시간 영역과 주파수 영역간의 퓨리에 변환이 자유로우므로 시간영역에서의 멱급수 함수로 표현되는 비선형 시스템에 백색잡음의 자기상관함수 (auto-correlation)을 그대로 적용시켜 주파수 영역에서의 비선형 스펙트럼을 얻을 수 있다. 도출된 수식은 전통적인 IP3와 상관 관계가 있으므로, 인접 채널로의 전력 누설 관계와 IP3와의 관계식을 통해서 전체 송신기의 IP3의 요구 조건을 구할 수 있다.
WCDMA spec에서는 RF 송신기에서 요구하는 parameter의 최소 요구조건이 언급되어 있지는 않고, MODEM과 연동해서 BER이 일정 수준 이하가 되는 조건만 명시하고 있다. 따라서 앞장에서 추출된 WCDMA RF System의 주요 parameter들은 이 단계에서 simulation을 통해 검증되었다. 검증된 parameter는 전체 시스템의 parameter이므로 각각의 소자 별로 parameter의 배분이 된다. 회로 설계는 배분된 parameter에 맞게 현재 출시되어있는 상용 RF 소자를 이용하여서 설계하였고, 상용 RF 소자의 spec에 명시되어 있는 parameter를 Agilent사의 system simulation software인 ADS를 이용해서 MODEM과 연동하여 simulation 하여 system을 검증하였다.
실제 RF module은 PCB 상에서 구현된다. PCB에는 여러 기생성분이 존재하므로, PCB layout이 RF module의 성능을 결정하는 중요한 변수가 된다. 따라서, 신호의 특성을 파악해서 신중하게 구현되어야 한다. RF 신호와 analog, digital 신호의 분리, 전원의 안정적인 공급 방법 등이 spice simulation 및 측정을 통해 제시되었다.
기존의 고주파 송수신기의 성능 분석은 아날로그 통신에서 적용되던, 전통적인 잡음지수와 비선형성 측정을 통해서 이루어 졌다. 그러나 이러한 방법만으로는 현대의 디지털 통신 시스템에서의 신호 품질을 직접적으로 판단하기에 적합하지 않다. 본 연구에서는 EVM을 통하여 모뎀이 완성되지 않은 상에서도 RF 수신기를 디지털 영역에서 측정 방법을 제안하였다.
완성된 시스템의 성능은 다음과 같다. 수신기는 heterodyne 구조로, voltage gain: 99.2dB, NF : 10dB, IIP3 : -6.5dBm 이며, 송신기는 2step 구조로, 최대 power : +15dBm, ACLR 34.5dBc (5MHz offset), EVM 5.28% 이다. 송신기의 비선형성을 고려하여 인접 채널로의 전력 누설을 예측한 결과, 측정결과를 잘 설명하고 있다. 디지털 영역에서 측정결과 수신기의 sensitivity는 -105dBm으로 예측되었다. 이 값은 receiver noise equation을 측정된 AC 특성을 이용하여 예측된 결과와 근접한 값이다. 따라서 본 연구에서 제안된 고주파 무선 송수신기 구현 방법론은 새로운 송수신기를 구현하기 위한 하나의 지침이 될 것이다.
