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제목 위상 배열용 신속한 프로토타이핑이 가능한 멀티채널 RF-to-Bit 개발 플랫폼
작성자 analogworld1
작성일자 2021-10-18
위상 배열용 신속한 프로토타이핑이 가능한 멀티채널 RF-to-Bit 개발 플랫폼


2021-07-27
글: 피터 델로스(Peter Delos), 테크니컬 리더
찰스 프릭(Charles Frick), 시스템 애플리케이션 엔지니어
마이크 존스(Mike Jones), 수석 전기 설계 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
 
들어가며
미래의 안테나 설계는 위상 배열(phased array)을 구현하는 추세이다. 이러한 기술 동향은 개발 시간 단축을 요구하는 빠른 시장 출시 압력과 결합하여 위상 배열 시스템의 RF 설계자에게 여러 가지 과제를 안겨준다. RF 전자장치와 관련한 몇 가지 과제는 다음과 같다.
▶ 멀티채널 환경에서 RF 전자장치 확인
▶ 채널 간 동기화 및 캘리브레이션 확인
▶ 생산 하드웨어 개발과 병행한 소프트웨어 개발
 
이러한 과제를 해결하기 위해 소프트웨어로 구성 가능한 고속 컨버터를 기반으로 하는 새로운 멀티채널 RF-to-bit 개발 플랫폼이 출시되었다. 이 개발 플랫폼은 데이터 컨버터, RF 분배, 전력 제어, 16채널 클럭 공급, 다이렉트 S-밴드 샘플링 솔루션을 제공한다.
 
통합 RF 샘플링 고속 컨버터
최근 출시된 고속 컨버터는 모놀리식 실리콘에 ADC, DAC 및 디지털 시그널 프로세싱 블록을 통합했다. 그림 1에 보이는 MxFE™ 4채널 16비트 12GSPS 성능의 RF DAC와 4채널 12비트 4GSPS 성능의 RF ADC는 하나의 예이며, 4개의 ADC와 4개의 DAC 및 디지털 업/다운컨버터뿐 아니라 NCO(numerically controlled oscillator)FIR(finite-impulse response) 디지털 필터를 포함한다. DAC는 12GSPS 샘플링 속도로 정격 지정되고, ADC는 4GSPS로 지정된다. 아날로그 대역폭은 S-밴드에서 낮은 C-밴드까지 직접 샘플링 및 파형 생성을 제공한다.
이 컨버터는 더 많은 RF 스펙트럼 대역을 처리하고 DSP 기능을 온칩에 내장하고 있어 사용자는 특정 무선 신호 대역폭 요구사항을 만족하도록 프로그래밍 가능한 필터와 디지털 업/다운 컨버전 블록을 구성할 수 있다. 전용 실리콘에 임베디드 프로세싱 기능이 내장돼 있어 이러한 기능을 FPGA에서 수행하는 아키텍처보다 전력 소모를 크게 줄일 수 있다. 설계자는 자유롭게 이용할 수 있는 유용한 FPGA 자원을 확보할 수 있어, 보다 비용효율적인 FPGA를 사용하거나 또는 FPGA의 여유 자원을 더 높은 수준의 시스템 애플리케이션 프로세싱에 할당할 수 있다.
 
16채널, 다이렉트 RF 샘플링 개발 플랫폼(쿼드 MxFE)
16채널, 다이렉트 RF 샘플링 개발 플랫폼은 그림 2에서 볼 수 있으며, 블록 다이어그램은 그림 3에 나와 있다. 명명 규칙을 설명하면, 이 통합 컨버터는 혼성 신호 프런트엔드(MxFE)라고 부르며, 16채널 보드는 4개의 MxFE를 포함하므로 쿼드 MxFE라는 이름을 붙였다. 1개의 MxFE마다 각각 4개의 DAC와 ADC를 포함하므로 쿼드 MxFE에는 총 16개의 송신 채널과 16개의 수신 채널이 존재한다.
RF 부는 발룬, 증폭기, 필터를 포함하므로 RF 인터페이스를 간소화한다. 트랜시버 채널에는 DAC 이미지 억제를 위한 저역 통과 필터 및 DAC 출력에 이득 블럭이  함께 한다. 수신기 채널에는 2차 나이키스트 샘플링을 위한 대역 통과 필터와 함께 2개의 이득 단과 이득 제어가 포함된다. 필터는 미니서킷(Mini-Circuits)의 1206 필터 풋프린트에 들어가므로 사용자는 다른 애플리케이션을 위한 필터로 바꿀 수 있다.
채널 간격은 T/R쌍당 600mils로 구현되며, X-밴드, 반파장, 단극 요소 격자 간격을 지원한다. 이 풋프린트에서 이 제품은 최대 X-밴드 주파수까지 모든 요소의 디지털 빔포밍 시스템과 호환된다. 쿼드 MxFE가 S-밴드를 직접 생성하므로 별도의 RF 믹서 한 개를 추가하면 X-밴드 주파수 동작을 실행할 수 있다.
클러킹 회로가 포함되어 있으며, 모든 클럭은 공통 레퍼런스 주파수에서 가져온다. PLL은 컨버터별로 제공되며, 레퍼런스 주파수에 위상 동기되고 AD9081 클럭 입력을 제공한다. 대체 컨버터 클럭 소스를 이용한 평가를 위해 테스트 포인트 삽입 옵션이 제공된다. 디지털 클럭 또한 공통 레퍼런스 주파수에서 유도된다. 클럭 칩이 포함돼 동기화를 위해 AD9081에 SYSREF를, FPGA를 위해 필요한 클럭을 제공할 뿐 아니라, 옵션으로 AD9081에 내부 PLL을 사용할 수 있게 하는 레퍼런스 주파수를 제공한다.
그림 4를 보면 전력 분배와 레귤레이션이 포함되어 있는 것을 알 수 있다. 필요한 모든 전압은 단일 12V 입력에서 가져온다. 전력 분배 설계는 스위칭 레귤레이터 뒤쪽에, 예민한 아날로그 전압을 위한 저잡음 선형 레귤레이터가 결합되는 구조가 포함된다.






그림 1. AD9081 기능 설명






그림 2. 16채널, 다이렉트 RF 샘플링 개발 플랫폼(쿼드 MxFE)






그림 3. 쿼드 MxFE 블록 다이어그램




그림 4. 쿼드 MxFE 전력 분배
 
소프트웨어 제어
소프트웨어, 펌웨어 및 FPGA 코드는 플랫폼을 더 높은 수준의 프로세싱 언어로 제어할 수 있도록 개발되었다. 또한 모델을 개발하는 시스템 엔지니어가 MATLAB 환경에서 하드웨어에 직접 연결할 수 있도록 MATLAB® 스크립트와 GUI가 작성되었다. MATLAB 인터페이스는 시뮬레이션에서 시험된 맞춤형 파형을 하드웨어에서 직접 평가할 수 있게 해준다. 수신 데이터 캡처 인터페이스를 활용하면 수신 데이터에 대한 특정 프로세싱이 가능하다.
소프트웨어와 펌웨어는 모두 오픈소스로서, 이 점은 ADI의 최신 트랜시버 또는 컨버터를 기반으로 하는 다른 아나로그디바이스 모듈 제품들과 유사한 특성이다.
 
결론
쿼드 MxFE RF-to-bit 개발 플랫폼은 범용 프로토타이핑 환경을 구현하며, 다음과 같은 기능을 포함한다.
▶ 전체 컨버터 IC 및 보드에서 멀티채널 동기화를 보여주는 개발 플랫폼
▶ 멀티채널을 동시에 테스트하기 위한 유일한 목적으로 생산설계를 진행하기 전에 평가 보드 환경에서 멀티채널 성능 검증
▶ 하드웨어 생산과 소프트웨어 개발을 병행할 수 있게 하는 통합 및 기능 수준
▶ RF I/O, 클러킹 및 동기화 회로, 전력 분배, 고속 디지털 I/O 라우팅을 포함하여 고속 컨버터를 둘러싼 모든 회로의 완벽한 레퍼런스 디자인
이러한 기능의 조합은 멀티채널 RF 시스템 제품 개발에서 프로토타이핑 단계를 제거할 수 있어, RF 엔지니어는 이러한 구현을 활용함으로써 시스템 솔루션에 보다 집중할 수 있다. RF-to-bit 개발 플랫폼은 애초에 설계된 목적은 위상 배열 개발을 위해서였지만 플랫폼이 제공하는 범용성 덕분에 레이더, EW, 5G 및 계측 애플리케이션과 같은 모든 멀티채널 RF 시스템에 적용할 수 있다. 그 결과, 사용자들은 진정한 의미의 소프트웨어 정의 멀티채널 환경을 제공하는 단일 하드웨어, 다중 애플리케이션 플랫폼을 만날 수 있다.
 
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저자 소개:
피터 델로스(Peter Delos)는 아나로그디바이스(노스캐롤라이나주 그린스버로)의 항공우주 및 방위 그룹 테크니컬 리더이다. 1990년에 버지니아 공과대학에서 BSEE를, 2004년에 NJIT에서 MSEE를 받았다. 25년 넘게 업계에 종사해 오면서 경력의 대부분을 아키텍처, PWB 레벨 및 IC 레벨에서 첨단 RF/아날로그 시스템 설계에 바쳤다. 현재는 위상 배열 애플리케이션을 위한 고성능 수신기, 파형 생성기, 합성기 설계 소형화에 매진하고 있다. 문의: peter.delos@analog.com 
 
 
찰스 프릭(Charles (Chas) Frick)은 아나로그디바이스(노스캐롤라이나주 그린스버로)의 항공우주 및 방위 그룹 내 시스템 애플리케이션 엔지니어이다. ADI에 입사하기 전 2016년에 우스터폴리텍 연구소에서 로봇공학과 전기공학으로 2개의 학사학위를 받았다. 2016년에 ADI 입사 후 PCB 설계, 임베디드 C 코드, MATLAB GUI, Python™ 테스트 자동화, 버전 제어 시스템 등을 담당했다. 직장 밖에서는 암벽 등반장, 롤러스케이트장이나 퍼스트® 로봇틱스에서 그를 볼 수 있다. 문의: charles.frick@analog.com
 
 
마이크 존스(Mike Jones)는 아나로그디바이스(노스캐롤라이나주 그린스버로)의 항공우주 및 방위 그룹 수석 전기 설계 엔지니어이다. 아나로그디바이스에는 2016년에 입사했다. 2007~2016년까지는 제너럴 일렉트릭(GE, 노스캐롤라이나주 윌밍턴 소재)에서 마이크로파 포토닉스 설계 엔지니어로서 원자력용 마이크로파 및 광학 솔루션 개발을 담당했다. 2004년에 노스캐롤라이나 주립대학에서 BSEE 및 BSCPE, 2006년에 노스캐롤라이나 주립대학에서 MSEE를 각각 취득했다. 문의: michael.jones@analog.com 
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