측정된 데이터에 의해 검증된 ADC 스퓨리어스 신호에 대한 배열 이득

2026년 04월 14일

글. 피터 델로스(Peter Delos) 선임 수석 엔지니어, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

이 글은 위상 배열 시스템에서 직접 샘플링 ADC의 스퓨리어스 성능을 최적화하기 위한 실용적인 원리를 소개한다. 이 원리는 상용 X-밴드 16T16R 직접 샘플링 플랫폼에서 측정된 데이터에 의해 뒷받침된다. ADC 스퓨리어스가 논의될 것이며, 이는 RF 믹서에서 잘 알려진 스퓨리어스 제한과 관련이 있다. 측정된 데이터는 개별 채널에서의 X-밴드 전반에 걸친 스퓨리어스 성능과, 채널이 결합됐을 때 동적 범위가 개선된 것을 보여준다. 아울러 글의 끝부분에서는 확장 가능한 시스템 설계와 관련한 아키텍처 고려 사항에 대해 소개한다.

서론

첨단 위상 배열 시스템이 디지털 빔포밍 방식으로 전환되면서 병렬 디지털 수신 채널 수가 증가하고 있다.(참고자료 1) 디지털 빔포밍 프로세스는 이러한 병렬 수신 채널을 합산한다. 오류 항이 채널 간에 서로 비상관적일 경우, 채널이 결합되면서 10logN의 성능 향상이 가능하다. 배열 이득에서 이러한 향상은 채널 수가 많아질수록 더욱 커지며, 전체 시스템에 추가적인 경제적 가치를 창출할 수 있다.

RF 데이터 컨버터 기술의 발전, 특히 더 높은 샘플링 속도는 위상 배열의 주어진 채널 간격 제약 내에서 채널 수를 늘릴 수 있게 하는 핵심 요소다. RF 데이터 컨버터의 동적 범위에 영향을 미치는 오류 항에는 노이즈와 스퓨리어스 신호가 모두 포함된다. 이 글에서는 RF 아날로그-디지털 컨버터(ADC)의 스퓨리어스, 단일 채널과 다중 채널 측정 비교, 그리고 ADC 스퓨리어스 성능에서 배열 이득을 확보하기 위한 방법에 초점을 맞춰 설명한다.

X-밴드 16T16R 검증 플랫폼

16T16R 설계

ADXBAND16EBZAD는 AD9084를 기반으로 하는 16채널 X-밴드 직접 샘플링 플랫폼이다. 모듈과 블록 다이어그램은 그림 1과 같다. 이 모듈은 4개의 IC, 클럭 분배 회로, RF 증폭기, 전력 분배 회로 등으로 구성된다. 또한 상용 FPGA 평가 보드와 결합하도록 설계되었으며, 신속한 특성 평가와 소프트웨어 개발을 위해 MATLAB® 인터페이스로 제어된다.(참고자료 2)

그림 1. ADXBAND16EBZ: X-밴드 16T16R 직접 샘플링 검증 플랫폼

그림 2. (a) 수신기 테스트 구성. (b) 결합된 채널(왼쪽)과 개별 채널(우측)을 보여주는 FFT 예시

수신기 테스트

단일 톤 수신기 측정은 신호 발생기를 16분배 네트워크에 입력하고, 그림 2a와 같이 16개 채널을 동시에 캡처하는 방식으로 수행되었다. 평가를 위해 데이터를 합산하기 전에, 채널 간 진폭과 위상을 일치시키기 위한 보정이 진행되었다. 채널 성능은 FFT를 이용해 평가됐다. 12.8GSPS ADC 클럭이 사용되었으며, 400MHz IQ 데이터 스트림에 디시메이션이 적용되었다. 그림 2b에는 개별 채널과 결합 채널의 대표적인 예가 제시되어 있다.

ADC 스퓨리어스

RF 믹서와의 유사성

RF 믹서에서는 혼합 과정에서 생성되는 IF 및 LO 주파수의 고조파 성분으로부터 스퓨리어스가 발생한다. 이러한 스퓨리어스는 입력 주파수의 정수배를 의미하는 n과 m으로 표현되는 nxm 성분으로 설명된다. 스퓨리어스의 주파수는 정확하게 예측할 수 있으며, 스퓨리어스 성분 차트(spurious products chart)에 표시할 수 있다.(참고자료 3)

ADC 스퓨리어스는 이러한 믹서 스퓨리어스와 유사하며, 동일하게 스퓨리어스 성분 차트에 표현할 수 있다. ADC 스퓨리어스는 RF 입력 신호의 고조파 성분, 클럭 신호, 그리고 인터리빙 오류가 결합되어 생성된다. 그림 3은 12.8GSPS 클럭 주파수를 사용하는 AD9084의 특정 사례를 보여준다. x축은 입력 주파수, y축은 폴딩된 1차 나이퀴스트 출력 주파수를 나타낸다. 이 그래프에는 2차 및 3차 고조파, 2배 및 4배 인터리빙 성분, 그리고 이들 고조파와 인터리빙 성분이 혼합된 항들이 포함되어 있다. 선들이 교차하는 지점을 확인하는 것만으로도 문제를 일으킬 수 있는 스퓨리어스 주파수를 눈으로 쉽게 파악할 수 있다.

그림 3. 12.8 GSPS 샘플링 속도에서의 ADC 스퓨리어스

스퓨리어스 측정

단일 채널과 16채널 결합 시의 스퓨리어스-프리 동적 범위(SFDR) 측정 결과가 그림 4에 제시되어 있다. 단일 채널 측정값은 얇은 선으로 표시되며, 결합된 측정 결과는 진한 파란색 선으로 나타난다.

그림 4. X-밴드 SFDR 측정 결과

측정 결과를 통해 다음과 같은 몇 가지 사항들을 확인할 수 있다.

1. 그림 3에서 스퓨리어스 선이 교차하는 주파수 지점이 SFDR 데이터에서도 확인된다.

2. 모든 경우에서, 단일 채널 SFDR과 관계없이, 채널을 결합하면 SFDR이 향상된다.

3. 그림 4와 그림 2를 비교하면, 16채널 SFDR 측정값이 85dBc 이상인 경우는 노이즈 플로어에 의해 제한되는 것을 확인할 수 있다. 이는 AD9084를 사용하는 직접 샘플링 시스템에서 X-밴드 절반 구간에 걸친 400MHz 순시대역폭(IBW)이 스퓨리어스가 전혀 없는 상태임을 시사하는 매우 고무적인 결과이다.

ADC 스퓨리어스의 비상관화 유도

측정 결과에 따르면, ADC 인터리빙 스퓨리어스와 고조파는 채널 간 비상관 상태로 유도할 수 있으며, 이를 통해 ADC 스퓨리어스 신호에 대한 배열 이득을 실질적으로 구현할 수 있다. 이러한 결과를 확보하기 위해서는 일정 수준의 랜덤화 기법이 필요하며, 이는 위상 배열 아키텍처에 포함되어야 한다. 채널 간 주파수 랜덤화는 스퓨리어스를 분산시키는 방법이 될 수 있다.(참고자료 4, 5) 그러나 ADC 클럭의 경우 이러한 방식은 실용적이지 않을 수 있다. 반면, 위상 랜덤화는 ADXBAND16EBZ 설계를 활용할 때 매우 실용적으로 적용 가능하다. ADF4382 클럭 소스는 채널 간 위상을 조절할 수 있는 기능을 제공한다. 이번 측정에서는 AD9084의 디지털 수치 제어 발진기(NCO) 위상 제어를 사용해 ADC 클럭 위상을 보정했다.

각 스퓨리어스 유형과 위상 간의 관계에 대해서는 다음과 같은 고려가 필요하다.

• 고조파는 기본 주파수의 정수배로 동일 위상(in-phase)으로 회전한다. 2차 나이퀴스트 샘플링에서는 고조파 간 위상을 서로 다르게 회전시킬 수 있다. 배열 보정 이후 SFDR 최적화 사례는 'SFDR 최적화를 위한 하이브리드 빔포밍 송신 보정 방법(Hybrid Beamforming Transmit Calibration with SFDR Optimization)'이라는 제목의 기사에서 확인할 수 있으며, 이는 직접 샘플링 데이터 컨버터의 스퓨리어스 성능에도 동일하게 적용된다.

• 인터리빙 스퓨리어스는 인터리브된 슬라이스 간의 타이밍 및 이득 오차에 의해 제한된다. 이때 채널 간 잔여 오차는 서로 상관되지 않고 채널마다 다르게 나타나도록 하는 것이 중요하다. 이는 측정 결과에서도 확인된다.

지금까지 설명한 내용은 단일 톤 스퓨리어스 신호에 대해 유효하다. 중요한 점은, 채널 보정이 완료되면 상호변조(intermodulation) 성분은 여전히 상관된 상태로 유지된다는 것이다.(참고자료 1, 3, 6) 따라서 디지털 빔포밍 과정에서 상호변조 성분은 배열 이득의 혜택을 받지 못한다. 대신, 채널 수가 증가할수록 각 채널에 입력되는 전력이 감소한다는 점에서 상호변조 성분의 이점을 누릴 수 있다.

결론

이 글에서는 ADC 스퓨리어스와 다중 채널 시스템에서의 고려 사항에 대해 살펴보았다. 적절한 아키텍처와 스퓨리어스 랜덤화 기법을 적용하면, ADC 스퓨리어스는 채널 간 비상관 상태로 만들 수 있으며, 이를 통해 ADC 스퓨리어스에 대한 배열 이득을 실제로 구현할 수 있다.

감사의 글

이 간략한 ADC 스퓨리어스 측정 요약을 가능하게 한 것은 대규모 엔지니어링 팀의 노력 덕분이다.

1. 아나로그디바이스(ADI)의 모든 현장 엔지니어들에게 감사를 전한다. 이들은 “이것이 고객에게 어떻게 도움이 될 수 있는가?”라는 질문을 끊임없이 던진다. 단순해 보이지만, 이러한 목표가 모든 엔지니어링 활동의 기반이 된다.

2. ADI 아폴로(Apollo) 팀 전체에게도 감사의 인사를 드린다.

3. ADI 시스템 애플리케이션 팀, 특히 ADXBAND16EBZ 보드를 설계한 샘 링우드(Sam Ringwood)와 실험을 수행한 시드 다스(Sid Das)에게도 특별한 감사를 남긴다.

참고자료

1. Salvador H. Talisa, Kenneth W. O’Haver, Thomas M. Comberiate, Matthew D. Sharp, and Oscar F. Somerloc. “Benefits of Digital Phased Array Radars.” Proceedings of the IEEE, Vol. 104, No. 3, March 2016.

2. “Apollo MxFE: 16Tx/16Rx X-band Radar Platform.” Analog Devices, Inc., June 2023.

3. Bert C. Henderson. “Mixers in Microwave Systems: Part 1.” WJ Communications, Inc., 2001.

4. Peter Delos and Mike Jones. “Digital Arrays Using Commercial Transceivers: Noise, Spurious, and Linearity Measurements.” IEEE Phased Array Conference, October 2019.

5. Peter Delos, Michael Jones, and Mark Robertson. “RF Transceivers Enable Forced Spurious Decorrelation in Digital Beamforming Phased Arrays.” Analog Devices, Inc., August 2018.

6. Peter Delos, Michael Jones, and Hal Owens. “A Measurement Summary of Distributed Direct Sampling S-Band Receivers for Phased Arrays.” Analog Devices, Inc., January 2022.

저자 소개

피터 델로스(Peter Delos)는 미국 노스캐롤라이나주 그린즈버러에 위치한 아나로그 디바이스(Analog Devices)의 항공우주 및 방산 그룹에서 기술 책임자로 근무하고 있다. 그는 1990년 버지니아 공과대학교(Virginia Tech)에서 전기공학 학사(B.S.E.E.)를, 2004년 뉴저지 공과대학교(NJIT)에서 전기공학 석사(M.S.E.E.)를 취득했다. 피터 델로스는 30년 이상의 산업 경력을 보유하고 있으며, 대부분의 경력은 아키텍처 수준, PWB 수준, 그리고 IC 수준에서의 첨단 RF/아날로그 시스템 설계에 집중되어 있다. 현재 그는 위상 배열 애플리케이션을 위한 고성능 수신기, 파형 발생기, 합성기 설계 소형화에 주력하고 있다.