RFSoC 시스템 온 모듈을 통해 차세대 소프트웨어 정의 무선 통신 장치 구축

소프트웨어 정의 무선 통신 장치(SDR)는 무선 통신 분야에서 가장 중요한 변혁 중 하나입니다. 고정 아날로그 회로망에 의존하여 필터링, 믹싱 및 변조를 수행하는 일반적인 무선 통신 시스템과 달리 SDR은 이러한 처리의 상당 부분을 디지털 영역으로 이전합니다. 하드웨어 중심의 기능을 소프트웨어 구동 알고리즘으로 대체하는 SDR은 비교 불가능한 수준의 유연성을 확보하여 설계자가 하드웨어를 재설계하지 않고도 기능을 업그레이드하고 새로운 프로토콜에 적응하며 시스템 수명 주기를 연장할 수 있도록 합니다.

이렇게 실시간으로 재구성할 수 있는 기능을 통해 SDR은 방위 시스템에서 항공 우주 및 5G 인프라, 위성 통신, 전자 테스트 장비에 이르는 광범위한 응용 분야에서 필수적입니다.

SDR이 전통적인 무선 통신 시스템과 다른 점

전통적인 RF 수신기에서는 아날로그 부품이 대부분의 작업 부하를 처리합니다. 즉, 믹서가 들어오는 신호의 주파수를 하향 변환하고, 필터가 스펙트럼을 형성하며 변조기 또는 복조기가 정보를 복원합니다. 이 아날로그 체인은 유연하지 않고 잡음에 민감하므로 각각의 새 주파수 대역 또는 표준에 대해 재설계가 필요할 수 있습니다.

이와 대조적으로, SDR은 아날로그 프런트 엔드를 대개 안테나와 기본 RF 프런트 엔드 회로만 남기는, 최소 구성으로 축소합니다(그림 1). 들어오는 파형이 ADC(아날로그-디지털 컨버터)에 의해 디지털화되면 소프트웨어에서 본격적인 작업이 수행됩니다. 변조, 복조, 채널 필터링, 오차 보정, 디코딩 모두가 디지털 방식으로 수행됩니다. 이와 마찬가지로, 송신의 경우에도 DAC(디지털-아날로그 컨버터)가 처리된 데이터를 RF 신호로 되돌리며 다시 소프트웨어 루틴으로 제어됩니다.

그림 1: 기본 SDR 프로세스(이미지 출처: iWave Global).

이러한 전환은 상당한 민첩성을 지원합니다. 동일한 무선 하드웨어에서 소프트웨어 업데이트를 통해 현재의 Wi-Fi, 미래의 5G 대역, 그 다음의 보안 전술 통신을 지원할 수 있습니다.

RFSoC: SDR을 위한 이상적인 플랫폼

고성능 SDR을 구축하려면 초고속 컨버터, 강력한 가공 패브릭, 저지연 데이터 경로가 필요합니다. AMD의 Zynq™ UltraScale+™ RFSoC 제품군은 다음을 통합하여 이러한 필요 사항을 해결합니다.

• 다중 기가샘플 RF-ADC 및 RF-DAC
• 실시간 DSP를 위한 FPGA 프로그래밍 가능 논리
• 소프트웨어 제어를 위한 임베디드 Arm® 프로세서
• 고속 메모리 및 트랜시버 인터페이스

RFSoC는 이전에 여러 개의 이산 칩을 요구했던 기능을 단일 장치에 통합하는 방식으로 기판 설계를 크게 간소화합니다. 이러한 통합은 전력 소비와 지연 시간을 줄이고 신호 무결성을 향상시킵니다. 타이밍 정밀도 및 성능이 절대적으로 중요한 실시간 RF 응용 분야에 대해 RFSoC는 매우 낮은 지연 및 정밀 동기화를 갖춘 모놀리식 솔루션을 제공합니다.

직접 RF 샘플링의 힘

RFSoC의 이점 중 하나는 다중 GSPS 범위에서 샘플링 속도를 지원하는 기능입니다. RF-ADC는 RF 주파수에서 직접 신호를 캡처하는 반면 RF-DAC는 초광대역 출력을 생성할 수 있으며, 둘 모두 중간 하향 변환 단계에 의존하지 않습니다.

이는 ‘사실상 올디지털’ 무선 통신 아키텍처를 가능하게 하며, 2.4GHz 대역의 Wi-Fi, 약 3.5GHz의 5G NR(New Radio), 800MHz ~ 1.8GHz의 셀룰러 대역과 같은 표준을 직접 디지털화해 처리할 수 있습니다. 반면, 여러 기성 SDR 플랫폼은 수십 MHz ~ 수백 MHz의 샘플링 속도로 제한되어, 신호를 중간 주파수로 내리기 위해 아날로그 믹서에 의존합니다.

RFSoC 기반 SDR은 그러한 아날로그 단계를 제거함으로써 더 높은 충실도, 더 낮은 지연, 더 콤팩트한 설계를 실현합니다(그림 2).

그림 2: 단일 칩 RFSoC SDR 솔루션과 다중 칩 대안의 비교(이미지 출처: Zynq® UltraScale+™ RFSoC를 갖춘 소프트웨어 정의 무선 통신 시스템)

SDR 아키텍처의 비교: 단일 칩 대 다중 칩

RFSoC 통합의 이점은 일반적인 SDR 아키텍처와 비교할 때 더 명확해집니다(표 1).

표 1: 일반적인 SDR 솔루션과 RFSoC 비교

ADC, DAC, FPGA 논리 및 프로세서가 모두 하나의 패키지 내부에 포함되어 있는 RFSoC는 칩 간 통신의 단점을 피합니다. 개발자에게 이는 설계 주기의 단축, 비용 절감, 뛰어난 성능으로 해석됩니다.

RFSoC SDR에 시스템 온 모듈을 선택해야 하는 이유

RFSoC 자체가 고도로 통합되어 있기는 하지만 이를 기반으로 맞춤형 기판을 설계하는 것은 여전히 어려울 수 있습니다. 전력 시퀀싱, 클록 배분, 다중 기가비트 레이아웃에는 고급 전문 지식이 필요합니다. 시스템 온 모듈(SoM)은 실질적인 솔루션을 제공합니다.

SoM은 RFSoC, 메모리, 전력 관리, 고속 인터페이스를 통합하는 콤팩트하고 사전 검증된 모듈을 제공함으로써 엔지니어에게 다음과 같은 이점을 제공합니다.

• 프로토타이핑 가속화 및 설계 위험 최소화
• 베이스 기판 통합이 아니라 응용 분야별 혁신에 집중할 수 있음
• 항공 우주 및 방위 분야에 적합한, 소형 크기의 SWaP 최적화 설계(크기, 무게, 전력) 달성
• 장기적 가용성 및 생산 등급 품질을 신뢰할 수 있음

캐리어 기판은 각각의 사용 사례에 맞게 조정할 수 있고 SoM은 동일하게 유지되므로 팀이 IP(지적 재산)를 재사용하고 총 개발 비용을 줄일 수 있습니다.

그림 3: RFSoC SDR용 iWave 캐리어 기판(이미지 출처: iWave)

iWave의 RFSoC 시스템 온 모듈 포트폴리오

iWave는 각각 고성능 SDR 및 RF 응용 분야에 맞게 조정된 포괄적인 RFSoC SoM과 평가 플랫폼을 제공합니다.

• iG-G42M – ZU49/ZU39/ZU29DR RFSoC SoM
  • 16개 ADC(2.5GSPS) 및 16개 DAC(10GSPS) 제공
• iG-G42P – RFSoC PCIe 카드(ZU49/ZU39/ZU29DR)
  • PCIe Gen3 연결, NVMe 스토리지, SMA I/O, FMC+ 확장
• iG-G60M – ZU48/47/43/28/27/25DR RFSoC SoM
  • 최대 8채널 ADC/DAC(5GSPS/9.85GSPS)
• iG-G60V(출시 예정) – RFSoC ADC/DAC 3U VPX 플러그인 모듈
  • 항공 우주 및 방위 분야를 위한 강화된 폼 팩터

그림 4: iWave RFSoC SoM(이미지 출처: iWave)

이러한 모듈은 Linux BSP, JESD204B/C 지원, GStreamer 파이프라인, 참조 애플리케이션 등의 강력한 소프트웨어 스택으로 지원되어 프로토타이핑에서 생산에 이르는 매끄러운 경로를 보장합니다

RFSoC SDR의 실제 영향

직접 RF 샘플링, 통합된 디지털 처리, 모듈 수준 배포의 통합은 SDR 시스템에 다음과 같은 이점을 제공합니다.

• 고도의 유연성 – 여러 무선 표준에 대해 구성 가능
• 콤팩트성 및 효율성 – SWaP 민감 플랫폼에 최적화됨
• 고 충실도 – 신호 감쇠 최소화
• 확장 가능성 – 실험실 프로토타입에서 방위 및 전기 통신 인프라 배치까지 확장 가능

실시간 감시를 수행하는 무인 항공 시스템, 동적 스펙트럼 할당을 지원하는 5G 기지국 또는 광대역 신호를 분석하는 휴대용 테스트 장비에 대해, RFSoC SDR은 개별 설계로는 불가능했던 솔루션을 실현합니다.

결론

소프트웨어 정의 무선 통신 시스템은 무선 통신 시스템을 더욱 유연하게 만들고 업그레이드 가능성 및 미래 대응력을 지원하여 무선 통신의 판도를 바꾸고 있습니다. AMD의 Zynq UltraScale+ RFSoC는 컨버터, FPGA 패브릭, 프로세서를 하나의 실리콘 다이에 통합하여 이러한 개념을 실현합니다. RFSoC와 시스템 온 모듈을 연결하면 시장 출시 기간 단축, 위험 감소, 생산 등급의 신뢰성을 실현할 수 있습니다.

FPGA와 임베디드 시스템 분야에서 25년 이상의 전문 지식을 축척해온 iWave는 성능, 비용, 장기 지원의 균형을 이룬 RFSoC SoM과 ODM 서비스를 제공합니다.

iWave의 RFSoC 포트폴리오가 SDR 프로젝트를 가속화하는 방법에 대해 알아보려면 mktg@iwave-global.com을 방문하세요.