RF 칩은 최신 무선 통신 및 내비게이션 시스템의 핵심 구성 요소로서 전체 시스템의 정확도, 안정성 및 통합 수준에 직접적인 영향을 미칩니다. GNSS(글로벌 내비게이션 위성 시스템) RF 프론트엔드에서 주파수 합성기는 로컬 발진기 신호를 생성하는 핵심 모듈로, 고정밀 및 낮은 스퓨리어스 주파수 합성을 달성하기 위해서는 분수 주파수 분할 기술이 필수적입니다. 이 백서에서는 RF 칩의 분수 주파수 분할 문제에 초점을 맞춰 두 가지 주요 변조기 구조를 분석하고 다중 모드 내비게이션 시스템에서의 적용 이점과 개발 전망을 살펴봅니다.

1. RF 칩과 분수 주파수 분할 기술의 배경

GNSS 수신기에서 RF 칩은 안테나에서 수신한 약한 위성 신호를 증폭, 필터링 및 다운컨버팅합니다. 다운 변환에 필요한 로컬 발진기 신호는 위상 고정 루프(PLL) 주파수 합성기에 의해 생성되며, 출력 주파수 fof_ofo와 기준 주파수 freff_{ref}fref가 만족합니다:

fo=N.F×freff_o = N.F \times f_{ref}fo=N.F×fref

여기서 N.FN.FN.F는 일반적으로 정수가 아닌 총 분할 비율입니다. 기존의 정수 주파수 분할은 다중 주파수 및 고정밀 로컬 발진기의 요구 사항을 충족할 수 없기 때문에 분수 주파수 분할 기술이 등장하게 되었습니다. 그러나 분수 주파수 분할은 “분수 스퓨리어스'를 발생시키며, 스퓨리어스 주파수가 루프 대역폭 내에 있으면 필터링할 수 없어 RF 칩의 출력 스펙트럼 순도와 시스템 성능에 심각한 영향을 미칩니다.

2. 분수 주파수 분할 변조기의 두 가지 일반적인 구조

어큐뮬레이터 구조 변조기

누산기 구조는 분수 주파수 분할을 위해 초기에 일반적으로 사용된 방법입니다. 다단계 누산기를 캐스케이딩함으로써 분할 비율이 NNN과 N+1N+1N+1 사이를 전환하여 통계적 평균 분수 주파수 분할을 달성할 수 있습니다. 이 구조는 간단하고 구현하기 쉽지만 저주파 스퓨리어스가 집중적으로 발생하기 때문에 스퓨리어스 전력이 높아 하이엔드 RF 칩에는 적용이 제한됩니다.

MASH1-1-1 Δ-Σ 구조 변조기

MASH(멀티 스테이지 노이즈 쉐이핑) 구조는 여러 개의 1차 Δ-Σ 변조기를 계단식으로 사용하여 양자화 노이즈의 고역 통과 쉐이핑을 달성합니다. MASH1-1-1의 경우 전달 함수는 다음과 같습니다:

Y(Z)=Z-3⋅X(Z)+(1-Z-3)⋅E3(Z)Y(Z) = Z^{-3} \cdot x(z) + (1 - z^{-3}) \cdot e_3(z)y(z)=z-3⋅x(z)+(1-z-3)⋅e3(z)

이 구조는 에러 신호 e3(z)e_3(z)e3(z)를 더 높은 주파수로 밀어내어 낮은 주파수에서 더 깨끗한 출력 스펙트럼을 생성합니다. 또한 출력 제어 워드 범위가 더 넓어(예: -7에서 7까지) 분할 비율이 여러 값 사이에서 무작위로 점프할 수 있어 스퓨리어스 에너지를 더욱 분산시키고 대역 내 위상 잡음과 스퓨리어스 성능을 크게 개선합니다.

3. 성능 시뮬레이션 및 비교 분석

3.996MHz의 중간 주파수와 16.368MHz의 기준 주파수를 사용하는 GPS L1 및 BD-2 B1 주파수를 사용하는 일반적인 GNSS 시스템 시나리오의 경우, ADS를 사용하여 두 구조를 시뮬레이션했습니다. 결과는 다음과 같습니다:

누산기 구조는 0~2MHz 범위에서 상당한 스퓨리어스 피크가 발생하여 PLL 대역 내 성능에 영향을 미칩니다.

MASH1-1-1 구조는 노이즈 쉐이핑을 통해 스퓨리어스 에너지를 더 높은 주파수(예: 2MHz 이상)로 밀어내어 중요한 저주파 범위에서 스퓨리어스 억제를 크게 향상시킵니다.

PLL 루프 대역폭은 일반적으로 기준 주파수(약 1.6MHz)의 1/10이므로 루프 필터를 통해 고주파 스퓨리어스를 효과적으로 필터링할 수 있습니다. 따라서 MASH 구조는 주파수 합성기의 고정밀 GNSS RF 칩에 더 적합합니다.

4. RF 칩의 분수 주파수 분할 기술 개발 동향

내비게이션 시스템이 다중 모드(BeiDou/GPS/갈릴레오/GLONASS), 다중 주파수, 고정밀 애플리케이션으로 발전함에 따라 RF 칩의 주파수 합성기 성능에 대한 요구가 점점 더 커지고 있습니다. 향후 분수 주파수 분할 기술의 개발이 집중될 것입니다:

고차 Δ-Σ 변조기: 노이즈 형성 효율을 더욱 향상시키고 대역 내 위상 노이즈를 줄입니다.

완전 디지털 PLL(ADPLL) 통합: RF 칩에서 보다 유연한 변조기 구조와 보정 메커니즘을 구현합니다.

프로세스 변동 방지 설계: 나노미터 공정에서 변조기 성능 일관성 보장.

다중 주파수 빠른 전환: 인지 탐색 및 전파 방해 방지 요구 사항을 충족하기 위한 동적 분할 비율 구성 지원.

5. 결론

분수 주파수 분할 기술은 RF 칩의 스펙트럼 성능과 시스템 통합을 향상시키는 핵심 링크입니다. 누산기 구조는 간단하고 사용하기 쉽지만 스퓨리어스 성능이 제한적입니다. 반면, 우수한 잡음 형성 기능을 갖춘 MASH1-1-1 Δ-Σ 구조는 고성능 GNSS RF 칩의 주파수 합성기에 더 적합합니다. 기술 및 알고리즘 최적화의 발전으로 분수 주파수 분할 기술은 계속해서 더 낮은 전력 소비, 더 높은 정밀도, 더 강력한 전파 방해 방지 기능을 향해 RF 칩을 구동하여 차세대 내비게이션 및 통신 시스템을 견고하게 지원할 것입니다.