AISG v3.0 표준과의 호환성을 위한 물리계층 모뎀 설계

글: 마틴 D. 스토어(Martin D. Stoehr) GMSL 애플리케이션 엔지니어링 선임 매니저 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

머리말

지난 10년 간 셀룰러 네트워크와 단말기가 폭발적으로 확산함에 따라 모바일 통신 인프라를 지원하는 전자장치에 대한 수요가 크게 늘어났다. 이와 함께 갈수록 더 높은 대역폭이 요구됨에 따라 네트워크 사업자들은 자신들의 커버리지를 계속해서 확장하고 있으며 셀 밀도를 높이고 있다. 이는 다시 인프라 하드웨어에 대한 수요를 더욱 높이는 요인으로 작용한다.

15년 전 무렵 제조사들은 셀룰러 무선 장비의 상호운용성을 위한 표준화에 착수했으며, 이로써 안테나 기어와 증폭기 등을 사용해서 셀룰러 기지국을 조립할 때 선택의 폭이 넓어지게 되었다. AISG(Antenna Interface Standards Group)는 2003년과 2004년에 처음으로 이 통신 표준을 내놓았다¹. 이후로 AISG 표준은 시장 확대에 발맞춰서 진화를 거듭해 왔다. 현재와 미래의 상호 운용 가능한 통신 요구 사항을 충족하기 위해 몇 가지 고려해야 특성들이 있다.

AISG v2.0과 물리계층 모뎀

통합 변조기-복조기(모뎀)는 널리 사용되는 RS-485 인터페이스와, 셀룰러 RF 신호와 동일한 케이블을 사용하는 통신 표준에서 정의하고 있는 2.176MHz OOK(on-off keying) 신호와의 변환을 위한 완전하고 전문적인 솔루션을 제공하기 위해 2009년에 출시됐다. 이 IC 솔루션을 사용하면 시스템 공간과 전력과 부품 수를 줄이고 시스템 크기를 축소할 수 있다. 또한 이 모뎀은 공장에서 철저하게 테스트를 거친 단순하고 안정성이 검증된 디바이스를 1개의 소형 패키지로 제공한다.

새로운 AISG v3.0 표준

AISG는 2019년에 이 성공적인 표준의 업그레이드 버전을 발표했다. 새로운 v3.0 버전은 이전 세대의 성공을 바탕으로 일차 모뎀과 그에 딸린 안테나 라인 디바이스(ALD)의 상호운용성은 그대로 유지하면서 새로운 기능들을 추가했다.

새로워진 AISG v3.0은 디바이스 인식, 연결 맵핑, 다중 일차 제어 같은 기능을 포함한다. 시스템 설계 엔지니어 입장에서는 새로운 표준에서 보다 고차원적인 기능을 위한 여러 유용한 업그레이드를 확인할 수 있지만, v2.0에서 v3.0으로 오면서 물리계층(PHY)은 그렇게 많이 바뀌지 않았다[2][3]. 그러므로 v2.0 용으로 설계된 모뎀이 새로운 AISG v3.0 표준과 여전히 완벽하게 호환된다.

1개 이상의 AISG 채널 필요

AISG v2.0에서 v3.0으로 오면서 물리계층은 거의 바뀌지 않았지만, 새로운 v3.0 표준에서는 모든 연결된 RF 채널로 핑(ping) 패킷을 전송하고 검출할 수 있어야 한다고 규정하고 있다. 이 규정은 케이블 연결 맵핑을 가능하게 하고, 최종 사용자가 여러 개의 일차와 이차를 식별할 수 있도록 하며, 최초의 조립 및 유지보수 중에 결함을 찾아낼 수 있는 수단을 제공한다. 각 채널이 AISG를 인식할 수 있도록 한 것은 최종 사용자에게는 편리하지만, 이전에는 한 채널에만 통신 기능이 필요하던 것이 이제는 가능한 모든 RF 채널에 통신 기능을 포함해야 하므로 하드웨어 설계 엔지니어에게는 커다란 부담이 된다.

AISG v2.0 아키텍처를 곧바로 v3.0 호환 애플리케이션으로 변환하기 위해서는 이전 세대 설계보다 두 배 이상 많은 모뎀이 필요하다. 이전에는 6개 모뎀(그림 1에서 회색 블록들)이 필요하던 것이 이제는 15개 모뎀(회색 블록에다 빨간색 블록들을 더한 것)이 필요하다.

위의 예에서는 기지국 제조사들 간의 호환성을 유지하도록 각 안테나 쌍에 2개의 모뎀이 남아 있다. 하지만 TMA(tower mounted amplifier)에는 7개 혹은 8개의 모뎀이 필요하다. 4개는 업스트림 안테나 어레이로 연결되는 포트들에 사용되고, 4개는 기지국에 핑을 전송하기 위한 다운스트림 포트들에 사용된다. 기지국에는 추가적인 모뎀들이 필요한데, 하나는 원래의 AISG 채널을 위한 것이고, 다른 3개는 TMA로부터 핑 패킷을 수신하기 위한 것이다.

15개 혹은 16개의 모뎀 IC를 사용해야 한다면 그 수가 너무 많고 비효율적이므로, 바이패스 회로나 RF 스위치를 사용해서 RF 포트들 사이에 AISG 신호를 공유함으로써 이 수를 줄일 수 있다. v2.0 시스템에서 1개의 RF 채널만 AISG 명령을 전송하면 됐을 때는 기존의 바이패스 회로가 유용했다. 하지만 새로운 v3.0 시스템에서는 포트들을 개별적으로 식별해야 하기 때문에 설계 엔지니어가 업스트림 분기와 다운스트림 분기를 분리해야 하는데, 이전의 바이패스 아키텍처를 사용해서는 그렇게 하기가 훨씬 어렵다.

여러 포트들에 걸쳐서 AISG 액세스를 관리하면서 부품 수를 과도하게 늘리지 않는 궁극의 솔루션은 일련의 RF 스위치를 사용하는 것이다. 이 스위치, 즉 일-대-다 MUX(multiplexer)를 사용함으로써 선택한 포트로부터 OOK 신호를 더 적은 수의 모뎀으로 전달하면 되고, 표준 AISG 통신과 핑 동작 사이에서 시스템을 재구성할 수 있다.

Figure 1. An example application of AISG v2.0 vs. v3.0. — 그림 1: AISG v2.0과 v3.0의 애플리케이션 예시

Figure 2. Transmit power and receive threshold. — 그림 2: 송신 전력과 수신 임계

조절 가능한 송신기 전력

이전 AISG 시스템과 마찬가지로, 송신기의 전력 증폭기(PA) 출력 레벨을 조절할 필요가 있었다. 이 기능은, 그림 1의 v2.0 TMA 예시에서 볼 수 있는 바이패스 채널 같이, 회로에 전력 스플리터를 사용하는 경우에 유용하다. 신호 전력 조절은 RF 필터링이나 심한 손실로 인해서 2.176MHz 대역에 과도한 감쇠가 발생하는 경우에 유용하다. 이전의 모뎀은 외부 저항 값을 선택해서 이러한 조절이 가능했다. 이 저항을 사용해서 PA 바이어스 포인트를 설정하고 모뎀이 AISG 신호 요건을 충족하도록 조절할 수 있었다(그림 2-A와 2-B). v2.0 모뎀에서는 이러한 약간의 유연성은 가능했으나, 설계 단계에서 PA의 출력 전력은 기본적으로는 고정적이었다. 전력을 조절할 수 있는 방법이 바이어스 저항을 교체하는 것뿐이기 때문이다.

송신기 전력이 약해지는 것과 마찬가지로, 수신기 임계도 전력 스플리터, 인라인 필터링, RF 채널 상의 다른 많은 감쇠 요인에 의해 영향을 받을 수 있다. 그런데 PA 전력을 조절할 수 있는 것과 달리, v2.0 모뎀에서 온/오프 임계를 조절할 수 있는 방법은 없다.

절전 모드

전력 소비를 줄이는 것은 시스템 설계 엔지니어에게 항상 높은 우선 순위를 차지하는 요구사항이다. 전력 예산에 대한 제약은 갈수록 더 심해지고 있으며, 특히 ALD 하드웨어는 갈수록 더 많은 채널을 지원하도록 확장하면서도 풋프린트는 계속해서 축소해야 하는 추세이다. 그러므로 AISG 모뎀 같이 중요도가 덜한 회로에 유연성을 높이면 설계 엔지니어는 이 시스템의 중요한 블록들에 더 많은 전력 예산을 할애할 수 있다.

시장에 출시된 일부 AISG v2.0 모뎀은 저전력 대기 모드를 사용해서 송신 회로를 셧다운함으로써 약간의 전력을 절약하도록 한다. 송신기뿐 아니라 수신기 블록과 그 밖에 다른 사용되지 않는 부분까지 셧다운한다면 더 우수한 시스템 설계를 달성할 수 있을 것이다. 이 모뎀에 단지 절전 기능만이 아니라 레퍼런스 공유 같은 또 다른 방법들을 결합해서 유연성을 더욱 높일 필요가 있다.

레퍼런스 오실레이터 공유

모든 AISG 모뎀은 2.176MHz 반송파를 생성하기 위한 레퍼런스 신호가 필요하다. 이를 위해 흔히 8.704MHz 크리스털과 통합 오실레이터 회로를 사용한다. 시장에 출시된 모든 기존 AISG 모뎀들은 시스템에 일차/이차(마스터/슬레이브) 회로를 사용함으로써 크리스털을 줄이고, 그로 인해 BOM 비용을 낮출 수 있다.

각각의 칩은 SYNCOUT 핀을 통해서 신호를 버퍼링함으로써 다운스트림 모뎀을 위한 일차 크리스털 오실레이터(XO)로 동작할 수 있다. 이 SYNCOUT 신호는 오픈 드레인 출력이며, 적절한 동작을 위해서는 아날로그 전원에 간단한 외부 풀업 저항이 필요하다. 그러면 이 신호는 일차 모뎀에서 다운스트림의 이차 모뎀으로 전달된다. 다운스트림 모뎀의 수는 제한적이지만, 이 레퍼런스 공유 옵션을 활용할 수 있다.

이 공유 아키텍처 사용 기법은 한 가지 단점이 있는데, 기존의 v2.0 모뎀을 사용하면 일차가 이차 모뎀만큼 많은 전력을 소모한다는 것이다. 그러므로 시스템 설계 엔지니어가 부품 수를 줄일 수 있어도 전력 소모는 줄이지 못한다.

스펙트럼 방사

마지막으로, PHY 층에 대한 AISG 표준의 또 다른 중요한 요구는 모뎀 송신기의 스펙트럼 순도이다. 스펙트럼 성능은 AISG v3.0.0.3의 10.3.11 - 모듈형 특성(Modular Characteristics)에서 정의하고 있다. 이 항에서 PA의 대역외(out-of-band) 스펙트럼 방사에 대해서 엄격하게 규정하고 있다. 특히 30MHz 무릎에서 고조파 잡음이 절대 전력에서 -67dBm 이하여야 하며, 이 지점에서 테스트 장비의 분해능 대역폭(RBW) 설정이 가장 혹독하다. PA 출력 스펙트럼 또한 전반적인 전력 레벨(조절 가능한 TX 전력)과 균형을 이루어야 하며, 스펙트럼 마스크의 절대 한계 이내로 유지되어야 한다. PA 전력을 너무 높이면 스펙트럼 마스크에 결함을 일으킬 수 있다.

방사 마스크는 바뀌지 않았으므로 v2.0용으로 출시된 모뎀은 v3.0 표준과 호환이 가능하다. 다만 30MHz 변곡점에서 1 ~ 4dB의 적은 마진만을 제공하므로 PA 출력 전력의 상단 한계를 제한한다.

Figure 3. AISG v3.0 standard modem spectrum emissions mask. — 그림 3: AISG v3.0 표준의 모뎀 스펙트럼 방사 마스크

새로운 v3.0 시스템에서 v2.0 모뎀 사용하기

위에서 언급한 모든 기능들을 기존의 v2.0 모뎀에서 사용할 수 있다. PHY 층은 기본적으로 바뀌지 않았으므로 이전의 모든 모뎀이 ALD 시스템 설계 엔지니어의 필요를 충족한다. 다만 기존 AISG 솔루션을 그대로 사용한다면 보드 공간을 더 많이 차지하고, 시스템 복잡성에 영향을 미치고, 전력 예산을 늘리며, 어떠한 성능 향상이나 기능의 업그레이드를 바랄 수 없을 것이다. 다행히 AISG v3.0용으로 새롭게 향상된 제품들이 출시되고 있다.

새로운 AISG 모뎀에 활용할 수 있는 향상된 기능들

아나로그디바이스(Analog Devices)는 MAX9947이라는 최초의 AISG v2.0 모뎀 제품을 출시한 바 있다[4]. MAX9947은 RS-485와 2.176MHz OOK 신호 사이에 인터페이스를 위한 포괄적 솔루션을 제공한다. 따라서 새로운 AISG v3.0 표준과 완벽하게 호환이 가능하다. 그렇더라도 v3.0 표준의 확대된 규정을 완벽하게 충족하려면 업그레이드된 제품이 필요하다.

아나로그디바이스가 새롭게 출시한 MAX11947[5]은 성능 향상을 이루고 새로운 기능들을 추가함으로써 이전 세대 IC를 사용할 때의 한계점들을 극복하도록 한다. 신제품의 가장 큰 특징은 4:1 MUX를 포함한다는 것이다. 이 MUX는 실제로는 단일 칩으로 4개의 모뎀을 제공하며 자동 스캐닝이 가능하다. 이는 개발자가 예전 모뎀과 거의 동일한 PCB 풋프린트를 사용하면서 최대 4개의 RF 포트와 상호작용할 수 있게 해준다. 그러므로 RF 스위치 같은 추가적인 회로들을 설계 및 테스트해야 하는 필요성을 크게 줄이고 BOM도 낮춘다.

앞에서 AISG v2.0 시스템에서는 6개 모뎀이 필요하던 것이 v3.0 시스템에서는 16개의 모뎀이 필요할 수 있다고 설명했는데, 이 통합 4:1 MUX(그림 1에서 보라색 블록들)를 사용하면 모뎀 수를 단 5개로 줄일 수 있다. 이 새로운 모뎀/MUX 조합은 코드를 개발할 필요가 없고 마이크로컨트롤러도 사용하지 않아, 사용자 개입을 최소화하면서 포트를 스캔하고 핑 캐리어 신호를 식별할 수 있다. 이 자동 포트 스캐닝 기능은 하드웨어 인터커넥트를 맵핑하고 RF 케이블 시스템 내의 결함을 찾아낸다.

새로운 SPI 인터페이스는 MUX와 모뎀 제어뿐 아니라 이전에 외부 부품을 사용해서 관리하던 기능들을 통합할 수 있게 해준다. 송신 전력을 디지털로 조절할 수가 있어 PA 전력 바이어스 네트워크(저항) 같은 소자들을 제거할 수 있다. 또한 이 모뎀 제품은 수신 감도를 조절할 수가 있다. 이 두 가지 조절 기능은 다른 인라인 감쇠 문제와 더불어 바이패스 시스템에서 근본적인 전력 스플리팅 문제를 해결한다. TX 출력을 -0.5dBm ~ +7.0dBm까지의 범위에서 0.5dB 간격으로 조절할 수 있으며, RX 비교 레벨을 독립적으로 조절할 수 있다. 그러므로 캐리어 검출 임계를 약 -15dBm부터 -21.5dBm까지 조절할 수 있다. TX 전력과 RX 임계는 실행 중에 조절이 가능한데, 이로 인해 시스템 설계 엔지니어는 이러한 유연성을 최종 사용자에게까지 전달해 줄 수 있고, 제품이 설치된 후에도 현장에서 시스템 성능을 향상할 수 있게 해준다.

MAX11947은 또한 동작 모드, 대기 모드, 파워다운 모드의 다양한 전력 모드를 제공한다. 따라서 시스템 설계 엔지니어는 다양한 방식으로 전력 소모를 줄일 수 있다. 대기 모드는 v2.0 시대의 고전적 모뎀들처럼 송신기 회로를 정지시킴으로써 동작 모드보다 11mA를 저감한다. 파워다운 모드를 사용해서 송신기와 수신기 회로를 둘 다 정지시키면 더 많은 전력을 저감할 수 있다(통상적으로 동작 모드보다 20mA 저감). SYNCOUT 버퍼까지 셧다운하면 동작 모드에 비해서 23mA 이상을 저감할 수 있다.

또한 MAX11947은 이전 세대 모뎀에 비해서 스펙트럼 적합성을 더욱 더 향상함으로써 시스템 설계 엔지니어가 30MHz 포인트에서 스펙트럼 마스크에 약 15dB의 마진을 확보할 수 있게 해준다. 이는 송신기 전력 설정에 있어서 보다 높은 유연성을 부여한다.

Figure 4. Comparative spectral performance. — 그림 4: 스펙트럼 성능 비교

끝으로, MAX11947의 또 다른 특징으로 시리얼 인터페이스를 들 수 있다. 시리얼 인터페이스를 통해서 모든 기존 모뎀 신호를 SPI 레지스터로 미러링 할 수 있다. 그러므로 모뎀 신호와 인터페이스하기 위해서 마이크로컨트롤러에 추가적인 GPIO, UART, 그 밖에 다른 포트 핀이 필요치 않다. 미러링된 비트를 읽고 씀으로써 레지스터를 통해서 인터페이스와 제어가 둘 다 가능하다. 시스템 설계 엔지니어는 이제 이 모뎀을 RF 포트와 MCU 사이에 브리지로 사용할 수 있게 되었다.

맺음말

MAX11947은 새로운 AISG v3.0 시스템의 필요를 충족하도록 설계되었다. 향상된 성능으로 모뎀의 역할을 확장하고, 높은 유연성으로 설계 시간을 단축하며, BOM 비용을 줄일 수 있게 해준다.

MAX11947에 관한 추가 정보는 아나로그디바이스 웹사이트https://www.analog.com/en/products/max11947.html에서 확인할 수 있다.

참고문헌

4. MAX9947 Data Sheet 19-5029 Rev 4; 4/16, MAX9947.pdf from www.analog.com, Apr 2016.

5. MAX11947 Data Sheet 19-100411; Rev 0; 2/20, MAX11947.pdf from www.analog.com, Feb 2020.