[RF 기초 가이드 4/9] 실시간 분석으로 하는 스펙트럼 모니터링 Leave a comment

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오늘날의 RF 엔지니어는 로컬·광역 네트워크에서 갈수록 늘어나는 데이터를 어떻게 전송할지 고민해야 합니다. IoT 분야에서는 블루투스(Bluetooth), Wi-Fi, 지그비(Zigbee) 같은 표준으로 데이터를 무선 전송하는 것이 가장 흔합니다. 무선 전송은 디지털 데이터를 복잡한 변조 방식으로 RF 반송파에 실어 보내고, 혼잡한 비면허 ISM 대역에서 간섭을 피하려고 주파수를 빠르게 바꿔 가며 전송합니다. 그 결과 시간과 주파수 대역에 따라 신호가 매우 빠르고 역동적으로 변합니다.

이 편의 핵심 — ① 스윕 방식 분석기는 한 번에 한 주파수만 보기 때문에 “사각 시간(blind time)”이 있다 ② 실시간 분석은 FFT를 겹쳐서(Overlap) 빈틈없이 계산한다 ③ POI는 100 % 정확도로 잡을 수 있는 가장 짧은 펄스 폭이다 ④ 일반(Normal), 밀도(Density), 스펙트로그램, 전력 대 시간(PvT) 네 가지 화면으로 시간 정보까지 본다

이 편의 예시는 RIGOL의 실시간 스펙트럼 분석기 RSA5000 시리즈의 RT-SA(실시간 분석) 모드를 기준으로 합니다.

스윕 방식 분석기의 한계: 사각 시간

기존 스윕 스펙트럼 분석기는 한 번에 한 주파수의 전력만 측정합니다. 아무리 빠르게 스윕해도 측정하지 못하는 구간(blind time) 이 생기고, 그 사이에 나타나는 과도 신호나 주파수 도약(hopping) 신호는 놓칠 수 있습니다.

그림 4-1. 사각 시간이 있는 스펙트럼 분석기의 스윕 결과. 같은 시점에 일부 정보가 사라지고, 스윕 점은 600 µs 뒤에 나타납니다.
그림 4-1. 사각 시간이 있는 스펙트럼 분석기의 스윕 결과. 같은 시점에 일부 정보가 사라지고, 스윕 점은 600 µs 뒤에 나타납니다.

예를 들어 블루투스처럼 빠르게 주파수가 바뀌는 신호를 스윕 분석기(SA)로도 측정할 수는 있지만 한계가 큽니다. 한 트레이스는 최대 유지(Max Hold), 다른 트레이스는 클리어 라이트(Clear Write)로 설정하더라도 한 번의 스윕으로는 모든 신호 성분을 잡을 수 없습니다. 스펙트럼의 모습을 완성하려면 여러 번 스윕해야 합니다.

그림 4-2. 스윕 분석기에서는 최대 유지 기능으로만 블루투스 신호가 보입니다.
그림 4-2. 스윕 분석기에서는 최대 유지 기능으로만 블루투스 신호가 보입니다.

이렇게 시간에 걸쳐 스펙트럼을 쌓으면 대략적인 모습은 볼 수 있지만, 모든 주파수 성분이 보이지는 않고, 시간 정보가 없으며, 이 신호가 주파수 도약 확산 스펙트럼(FHSS) 신호라는 것도 알 수 없습니다. 불규칙하게 나타나는 매우 빠른 신호는 아예 검출하지 못할 수도 있습니다.

게다가 스윕 분석기에서는 주파수, 스팬, RBW가 스윕 시간에 직접 영향을 줍니다. 더 세밀한 주파수 분해능이 필요해서 RBW를 줄이면 스윕 시간이 더 길어지고, 그만큼 빠르게 변하는 신호를 잡을 가능성은 더 낮아집니다.

실시간 캡처와 분석

실시간 스펙트럼 분석기는 실시간 스팬 전체에서 데이터를 한 번에 수집한 뒤 FFT로 전체 스팬의 전력을 표시합니다. 모든 주파수 성분이 같은 데이터 캡처에서 계산되므로 순간적으로 나타나는 신호를 쉽게 볼 수 있고, 시간 정보가 있어서 신호의 시간적 거동도 빠르게 시각화할 수 있습니다.

다만 이 방식은 오실로스코프 FFT와는 계산 방법이 다릅니다. 스코프의 FFT는 FFT 취득 사이에 FFT를 만들고 표시할 시간이 필요합니다. 이 때문에 취득 간극(GAP) 이 생기고 신호 일부가 사라집니다.

그림 4-3. 계산 과정이 느려서 FFT 사이에 간극이 생기는 경우. 계산 시간 동안 신호를 놓칩니다.
그림 4-3. 계산 과정이 느려서 FFT 사이에 간극이 생기는 경우. 계산 시간 동안 신호를 놓칩니다.

그래서 일반 스코프 FFT는 스윕 분석기와 마찬가지로 FFT 취득 사이의 간극에서 신호를 놓칠 수 있어 펄스 신호 측정에는 쓸 수 없습니다.

실시간 분석에서는 여러 FFT 취득과 계산이 병렬로, 서로 겹쳐서 수행됩니다. 실시간 분석기는 이 추가 연산량을 처리하는 별도의 연산 능력을 갖추고 있어서 캡처, 계산, 표시를 실시간으로 처리합니다. 결과적으로 FFT 블록의 시간 취득이 간극 없이(Gap Free) 이어지고, RBW를 바꿔도 성능에 영향이 없습니다.

그림 4-4. 간극 없이 동작하는 실시간 스펙트럼 분석기의 FFT
그림 4-4. 간극 없이 동작하는 실시간 스펙트럼 분석기의 FFT

FFT 창(Window)과 오버랩

  • 한 번의 FFT 시간 취득에는 고정된 1024개의 샘플을 씁니다.
  • 각 FFT 계산에는 창 함수(window function) 를 적용합니다. 창은 계산할 이산 시간 점을 정하는 데 중요하며, 창의 크기는 시간영역에서 고정되어 있지 않습니다.
  • 창 크기를 바꾸면 실시간 RBW에 직접 영향을 줍니다. 반대로 RBW를 바꾸면 창 크기가 바뀝니다.
  • 펄스 같은 시간 신호가 FFT 창의 가운데 에 있어야 주파수 영역으로 올바르게 변환됩니다. 펄스가 두 FFT 사이에 걸쳐 있으면 필터의 사이드로브 때문에 진폭이 억제되어 부정확해집니다.
그림 4-5. 신호가 두 FFT 블록 사이에 걸려 있으면 진폭이 틀립니다.
그림 4-5. 신호가 두 FFT 블록 사이에 걸려 있으면 진폭이 틀립니다.

이런 신호 손실을 막기 위해 실시간 분석기는 FFT를 서로 겹치는(오버랩) 방식을 씁니다. 오버랩을 하면 같은 시간 동안 더 많은 스펙트럼을 얻을 수 있어 시간 분해능이 높아지고, 더 작은 이벤트도 측정할 수 있으며, 창 함수 때문에 FFT 한 번에서 생기던 신호 억제가 없어집니다.

그림 4-6. 실시간 스펙트럼 분석기의 FFT 오버랩 처리
그림 4-6. 실시간 스펙트럼 분석기의 FFT 오버랩 처리

다시 말해 FFT 오버랩은 실시간 분석기로 측정할 수 있는 가장 짧은 펄스 폭에 직접 영향을 줍니다.

RSA5000의 계산 예

항목 값 계산
FFT 속도 146,484 FFT/s –
계산 시간(Tcalc) 6.82 µs 1 / FFT 속도 = 1 / 146,484
최대 샘플 속도 51.2 MSa/s 실시간 스팬에 따라 4가지 샘플 속도 제공
한 번의 FFT 취득 시간 20 µs 1024 샘플 ÷ 51.2 MSa/s
오버랩 시간 13.18 µs (65.86 %) 20 µs − 6.82 µs
오버랩 샘플 수(Noverlap) 674 샘플 –

FFT 계산이 진행되는 동안에는 FFT 프레임을 겹칠 수 없으므로, 오버랩 시간은 “FFT 취득 시간 − 계산 시간”으로 구합니다.

POI(Probability of Intercept, 포착 확률)

POI는 100 % 진폭 정확도로 측정할 수 있는 가장 짧은 펄스 폭을 말합니다. 또 모든 펄스가 빠짐없이 포착되는 최소 펄스 폭이기도 합니다. RIGOL RSA5000의 가장 짧은 100 % POI는 7.45 µs입니다.

그림 4-7. 7.45 µs 펄스(주기 1초, 진폭 −35 dBm)의 측정. 모든 펄스가 올바른 진폭으로 포착됩니다.
그림 4-7. 7.45 µs 펄스(주기 1초, 진폭 −35 dBm)의 측정. 모든 펄스가 올바른 진폭으로 포착됩니다.

POI는 FFT 속도, 선택한 RBW, 설정한 스팬에 따라 달라집니다. 스팬 40 MHz(= 51.2 MSa/s), RBW 3.21 MHz(Kaiser 창)를 예로 들면 다음과 같습니다.

  • 계산 시간 때문에 두 번째 FFT 취득은 6.82 µs 뒤에 시작합니다.
  • 실시간 모드의 창 크기는 RBW에 따라 결정됩니다. Twindow = 1 / RBW
  • 첫 FFT 취득의 시작 위치부터 두 번째 FFT 취득의 끝 위치까지가 POI 시간입니다.

POI는 다음 식으로도 계산할 수 있습니다.

TPOI = (Nwindow + Nfix − 1 − Noverlap) / 샘플 속도 = (32 + 1024 − 1 − 674) / 51.2 MSa/s = 7.45 µs

이 POI와 속도라면 RSA5000의 RT-SA 모드로 블루투스 신호를 최대 유지(Max Hold) 없이도 측정할 수 있습니다. RT-SA 모드에서는 6가지 RBW를 설정할 수 있고, RBW를 바꿔도 속도는 영향을 받지 않습니다.

실시간 시각화: 네 가지 화면

실시간 분석은 측정에 시간이라는 차원을 더해 줍니다. 그래서 설계를 빠르게 디버깅할 수 있는 여러 화면을 선택할 수 있습니다.

  • 일반(Normal) 트레이스 분석
  • 밀도(Density) 분석
  • 스펙트로그램(Spectrogram)
  • 전력 대 시간(PvT, Power vs Time)

1) 일반 모드(Normal)

현재 시점의 트레이스 정보를 보여 줍니다. 겉보기에는 스윕 분석기의 트레이스와 비슷하지만, 실시간 스윕 덕분에 같은 시간에 더 많은 정보가 보입니다. 일반 트레이스 분석은 주파수에 대한 전력을 보는 2D 측정입니다.

그림 4-8. 일반 모드 화면 (중심 주파수 2.4 GHz, 스팬 30 MHz)
그림 4-8. 일반 모드 화면 (중심 주파수 2.4 GHz, 스팬 30 MHz)

2) 밀도 분석(Density)

신호가 얼마나 자주 반복되는지를 분석합니다. 밀도 모드는 각 주파수의 발생 확률을 색으로 표현합니다(파랑 = 0 %에서 빨강 = 100 %). 일정 시간 안에 같은 점(전력 대 주파수)을 신호가 지나는 횟수가 많을수록 확률이 올라가고 그 픽셀의 색이 바뀝니다.

  • 연속파(CW) 신호는 빨간색으로 보입니다.
  • 아주 짧게 한 번 나타난 신호는 파란색으로 보입니다.

밀도 화면은 겹쳐 있는 신호를 찾아내고, 같은 주파수를 쓰는 신호를 분리하고, 시간에 따라 변하는 신호나 주파수 도약 신호를 볼 때 특히 유용합니다.

그림 4-9. 밀도 모드 화면
그림 4-9. 밀도 모드 화면

3) 스펙트로그램(Spectrogram)

일반 모드와 밀도 모드에서 스펙트로그램을 켤 수 있습니다. 스펙트로그램은 시간에 따른 주파수를 워터폴(폭포) 형태로 보여 줍니다. 블루투스 신호처럼 펄스의 지속 시간을 재거나, 시간에 따른 주파수 변화를 분명하게 보거나, 간섭을 찾는 데 쓰입니다. 신호 레벨은 색으로 나타냅니다(DANL = 0 % 파랑, 기준 레벨 = 100 % 빨강).

밀도와 스펙트로그램을 함께 쓰면 4D 측정이 됩니다. 주파수에 대한 전력, 반복률, 시간에 대한 전력을 동시에 봅니다.

그림 4-10. 밀도 스펙트로그램으로 측정한 블루투스 신호 (위: 밀도, 아래: 스펙트로그램)
그림 4-10. 밀도 스펙트로그램으로 측정한 블루투스 신호 (위: 밀도, 아래: 스펙트로그램)

4) 전력 대 시간(PvT)

PvT 모드에서는 설정한 실시간 대역폭 안에서 신호의 시간영역을 볼 수 있습니다. 이 측정에서는 취득 시간을 바꿀 수 있고, 스윕 분석기의 제로 스팬 설정처럼 RBW가 아니라 사용 중인 실시간 대역폭을 기준으로 표시됩니다. 변조 신호의 버스트와 펄스를 표시해 듀티 사이클과 펄스 진폭을 측정하거나, 일정 시간 동안의 펄스 열을 볼 수 있습니다. PvT는 일반 트레이스 분석(주파수 스펙트럼), 스펙트로그램과 함께 쓸 수 있습니다.

그림 4-11. 블루투스 신호의 일반 트레이스, 스펙트로그램, PvT 비교
그림 4-11. 블루투스 신호의 일반 트레이스, 스펙트로그램, PvT 비교

스윕 분석기 vs 실시간 분석기

블루투스 신호를 측정한 위 결과와 앞의 스윕 분석기 결과(그림 4-2)를 비교하면, 실시간 분석에서 엔지니어가 얻을 수 있는 정보가 훨씬 많다는 것을 알 수 있습니다.

비교 항목 스윕 스펙트럼 분석기 실시간 스펙트럼 분석기
측정 방식 한 번에 한 주파수만 측정 실시간 대역폭 전체를 한 번에 캡처 후 FFT
사각 시간 있음 (과도 신호·도약 신호를 놓칠 수 있음) 없음 (FFT 오버랩으로 간극 없음)
시간 정보 없음 있음 (스펙트로그램, PvT)
주파수 도약 확인 최대 유지로 대략만 확인 도약 패턴과 데이터 블록 길이까지 분석 가능
RBW와 속도 RBW를 줄이면 스윕 시간이 길어짐 RBW를 바꿔도 속도 영향 없음
PvT RBW에 의존 RBW와 무관하게 실시간 대역폭 기준

설정한 실시간 대역폭 안에서는 모든 주파수 성분을 측정할 수 있고, 스펙트럼 측정과 시간 정보를 동시에 볼 수 있습니다. 이 신호가 주파수 도약 확산 스펙트럼 신호라는 것과 데이터 블록의 길이도 확인할 수 있습니다. 주파수 영역과 시간 영역을 한 화면에서 함께 볼 수 있다는 점이 실시간 분석의 큰 장점입니다.

다음 편 예고

다음 편에서는 실제 RF 부품 시험으로 넘어갑니다. 트래킹 제너레이터로 필터를 시험하고, 케이블·커넥터 손실, 안테나 VSWR을 측정하는 방법을 소개합니다.

RF 기초 가이드123456789📑 전체 목차

본 시리즈는 RIGOL RF Basics Technology Guide를 한국어로 옮기고 읽기 쉽게 재구성한 것입니다.

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