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[RF 기초 가이드 4/9] 실시간 분석으로 하는 스펙트럼 모니터링 Leave a comment
이 글의 목차
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
본 시리즈는 RIGOL RF Basics Technology Guide를 한국어로 옮기고 읽기 쉽게 재구성한 것입니다.
