[RF 기초 가이드 6/9] 송신기 시험 — 출력, 점유 대역, AM·FM, 고조파와 스퓨리어스 Leave a comment

RF 송신기는 전자기 스펙트럼의 RF 대역에서 의도적으로 신호를 만들어 내는 모든 기기를 말합니다. 송신기의 핵심 역할은 정해진 특성(전력, 주파수, 부호화/변조)을 가진 신호를 만들어 이 신호를 “읽을 수 있는” 수신기로 전달하는 것입니다. 대부분의 송신기는 무선 방식입니다. AM/FM 라디오 방송국, 블루투스, Wi-Fi 핫스팟은 공기를 매질로 쓰는 무선 송신기이고, 유선 RF 송신의 대표적인 예는 케이블 TV(CATV)입니다.

유선이든 무선이든 요구 조건은 같습니다. 송신 신호가 알맞은 주파수 대역에서 알맞은 진폭을 가져야 수신기가 받을 수 있습니다. 송신기 측정은 설계 과정 전반에서 흔히 하는 작업이고, 이미 운용 중인 송신기가 지정된 동작 대역을 벗어나지 않는지 감시하는 데도 쓰입니다. 예를 들어 AM·FM 라디오 방송국은 송신기가 면허받은 주파수 대역 안에서 동작하는지 상시 점검합니다.

이 편에서는 송신기 성능을 확인하는 대표적인 시험을 먼저 소개하고, AM, FM 같은 구체적인 송신 방식에서 쓰는 시험으로 이어 갑니다.

출력 전력(Output Power)

RF 송신의 세기는 여러 외부 요인의 영향을 받습니다. FM 라디오 신호가 방송국 안테나를 떠나 수신기에 도착하기까지 유리, 석고보드, 가구, 나무, 심지어 사람까지 지나가야 한다고 생각해 보세요. 공기 밀도, 습도, 폭풍 같은 날씨도 송신에 영향을 줍니다.

출력 전력을 측정하면 신호가 존재하는지, 수신기가 받을 만큼 충분한 전력이 있는지 확인할 수 있습니다. 출력 전력은 송신 신호의 세기를 나타내는 값입니다. 송신기에서 직접 출력 전력을 측정하면 송신기가 제대로 동작하는지 검증할 수 있습니다. 문제가 없다면 송신 경로를 따라 내려가면서, 송신기와 계측기 사이의 케이블 대신 안테나를 쓰는 원거리 측정을 합니다.

간단한 전력 측정은 전용 RF 파워미터나 스펙트럼 분석기로 할 수 있습니다. 파워미터가 대체로 더 정확하지만 측정 시간이 스펙트럼 분석기보다 긴 경우가 많습니다.

송신 대역(Transmission Band)

송신기의 특성을 파악할 때 송신 주파수도 꼭 측정해야 합니다. 송신 대역 시험은 신호가 RF 스펙트럼에서 차지하고 있는 주파수(경우에 따라 여러 개)를 직접 측정하는 것입니다. 수신기가 검출할 수 있는 올바른 주파수로 송신하는지, 원하는 주파수 근처의 다른 대역에 간섭을 주지 않는지 확인하는 것이 중요합니다. 인접 대역으로 새어 나가거나 점유하는 신호는 간섭을 일으켜서, 그 대역에서 수신해야 할 신호의 수신을 방해할 수 있습니다.

AM 송신 시험

진폭 변조(AM, Amplitude Modulation) 는 RF 신호에 정보를 싣는 대표적인 방법으로, 반송파의 진폭이 입력 신호에 비례해 변합니다. 주로 음성 정보 전송에 쓰였고, 20세기 초 무선 통신 연구에서 가장 먼저 쓰인 변조 방식입니다. 시간영역에서 전형적인 AM 신호는 다음과 같이 보입니다.

이 예에서는 반송파 주파수가 10 MHz이고 진폭 변조는 1 kHz입니다. 오실로스코프 화면의 기본 주기에서 시간축 파형에 주기적인 맥동(beat), 즉 반송파 진폭이 0에 가까운 부분이 나타납니다. 이 맥동 주파수가 진폭 변조 주파수 1 kHz와 일치하는 것을 볼 수 있습니다.

맥동 하나를 확대하면 반송파는 여전히 10 MHz로 존재합니다.

오실로스코프로도 AM 신호의 주파수와 진폭을 확인할 수 있지만, 보통은 스펙트럼 분석기를 더 많이 씁니다. 분석기는 임피던스 정합이 더 좋고, 특히 전력이 낮고 반송파 주파수가 높은 신호에서 송신기 성능을 더 정확하게 측정할 수 있습니다. 스펙트럼 분석기로 기본적인 AM 송신기 시험을 하는 방법은 다음과 같습니다.

필요한 장비

• 스펙트럼 분석기
• 송신기
• 송신기와 분석기를 연결할 케이블, 어댑터 또는 안테나
• (선택) 분석기로 들어가는 신호 전력을 제한하기 위한 외장 감쇠기

시험 순서

1. 송신기를 케이블/어댑터 또는 송신 안테나에 연결합니다.
2. 케이블/어댑터의 다른 쪽 끝 또는 수신 안테나를 스펙트럼 분석기의 RF 입력에 연결합니다. 외장 감쇠기를 쓴다면 분석기 RF 입력에 장착합니다.
3. 분석기의 중심 주파수를 입력 신호의 반송파 주파수로 설정합니다. 아래 예에서는 900 MHz AM 송신을 모니터링합니다.
4. 분석기의 주파수 스팬을 예상 변조 주파수의 10배로 설정합니다. 반송파가 1 kHz로 변조되므로 스팬은 10 kHz로 설정합니다.
5. RBW를 변조 주파수보다 작게 설정합니다. 아래 예에서는 RBW를 100 Hz로 설정했습니다. RBW가 변조 주파수와 비슷하면 변조를 볼 만큼 분해능이 충분하지 않을 수 있습니다.

가운데 피크가 반송파 주파수 900 MHz이고, 나머지 두 피크는 반송파에서 1 kHz 떨어져 있는 것을 볼 수 있습니다. 신호의 전력도 측정할 수 있는데, 이 예에서 반송파는 −50 dBm입니다.

실제 음성·오디오 신호를 변조할 때

위 예의 입력 신호는 고정된 1 kHz로 변조되었습니다. 음성이나 오디오 정보로 변조된 AM 신호는 변조 피크가 시간에 따라 달라집니다. 분석기에는 이런 실제 측정에 도움이 되는 기능이 있습니다.

• 최대 유지(Max Hold) 트레이스: 히스토그램과 비슷하게, 각 주파수 구간의 최댓값만 표시하고 더 큰 값이 측정될 때까지 다음 스캔에도 값을 유지합니다. 여러 번의 스캔 동안 전체 변조 포락선을 쌓아 갈 수 있습니다.

• 합격/불합격(Pass/Fail) 마스크: 분석기가 지원한다면 한계 마스크를 설정해 신호가 시험 한계 안에 있는지 바로 확인할 수 있습니다.

FM 편이(Deviation) 시험

주파수 변조(FM, Frequency Modulation) 도 RF 신호에 정보를 싣는 대표적인 방법으로, 반송파의 주파수가 입력 신호에 비례해 변합니다. 주로 음성 정보를 전송하는 데 쓰입니다. 시간영역에서 전형적인 FM 신호는 다음과 같이 보입니다.

이 예의 반송파는 10 MHz, 주파수 변조는 1 kHz입니다. 대부분 오실로스코프의 트리거 방식 때문에 FM 신호는 오실로스코프로 포착하기 어렵습니다. 입력 신호의 주파수 성분 변조를 눈으로 보려면 화면의 잔상(persistence) 시간을 늘려야 합니다. 잔상 시간은 파형을 화면에 남겨 두는 시간으로, 길수록 오랜 시간 동안 파형을 비교할 수 있습니다. 위 그림에서는 파형 가장자리 근처의 두께가 두꺼운 것으로 사인파 주파수가 시간에 따라 변하는 것을 알 수 있습니다.

주파수가 계속 변하기 때문에 FM 신호는 FFT 기능이 있는 오실로스코프로도 분석하기 어렵습니다. 스펙트럼 분석기는 주파수 정보를 표시하므로 FM 시험에 매우 편리합니다. 다음은 스펙트럼 분석기로 기본 FM 송신기 시험을 하는 순서입니다.

필요한 장비

• 스펙트럼 분석기
• 송신기
• 송신기와 분석기를 연결할 케이블, 어댑터 또는 안테나
• (선택) 분석기로 들어가는 신호 전력을 제한하기 위한 외장 감쇠기

시험 순서

1. 송신기를 케이블/어댑터 또는 송신 안테나에 연결합니다.
2. 반대쪽 끝 또는 수신 안테나를 분석기 RF 입력에 연결합니다(외장 감쇠기는 분석기 RF 입력에 장착).
3. 분석기 중심 주파수를 입력 신호의 반송파 주파수로 설정합니다. 아래 예에서는 100 MHz FM 송신을 모니터링합니다.
4. 주파수 스팬을 예상 변조 주파수의 10배로 설정합니다. 반송파가 1 kHz로 변조되므로 스팬은 10 kHz입니다.
5. RBW를 변조 주파수보다 작게 설정합니다. 예에서는 100 Hz로 설정했습니다.

이 예의 입력도 고정된 1 kHz로 변조되었습니다. 실제 FM 신호는 오디오나 음성 정보로 변조되기 때문에 주파수 변화가 비선형일 수 있고, 그래서 주파수가 시간에 따라 달라집니다. AM 신호와 마찬가지로 Max Hold 트레이스가 있으면 켜서 쓸 수 있습니다. 일정 시간 동안 스윕 데이터를 수집하면 FM 주파수 편이(Frequency Deviation) 를 측정할 수 있습니다.

FM 편이 측정은 송신에 쓰이는 주파수를 시각적으로 확인할 수 있어서 중요합니다. 편이가 너무 크면 송신이 인접 채널에 간섭을 줄 수 있습니다. 송신을 모니터링해서 알맞은 송신 특성을 유지하고 지정된 대역 안에 머물도록 조정할 수 있습니다.

고조파와 스퓨리어스

이상적인 송신기는 의도한 신호만 정확히 내보내고 불필요한 성분이 전혀 없을 것입니다. 하지만 이상적인 송신기는 없습니다. 실제 송신기에는 지나친 고조파(harmonics)나 스퓨리어스(spurs) 같은 원하지 않는 신호 성분이 생길 수 있습니다. 다행히 이를 찾아서 줄이는 방법이 있습니다.

고조파(Harmonics)

송신기는 신호 세기를 높이려고 증폭기를 쓰는 경우가 많습니다. 안타깝게도 대부분의 증폭기 설계는 출력 신호의 고조파를 만들어 내고 증폭합니다. 1편에서 사인파의 중첩과 고조파로 다양한 파형을 만드는 것을 살펴봤습니다. 고조파는 의도한 신호 주파수의 정수 배 주파수를 가진 파형입니다. 예를 들어 기본 주파수가 10 MHz인 사인파의 2차 고조파는 20 MHz, 3차는 30 MHz입니다.

아래 그림은 고품질 RF 신호원의 10 MHz 사인파를 스펙트럼 분석기로 캡처한 화면입니다.

2차 고조파는 기본 주파수의 2배인 20 MHz에 있고, 세 번째 피크는 3배인 30 MHz에 있습니다. 신호원을 10 MHz 출력으로 설정했는데도 출력 사인파에는 추가 성분이 남아 있습니다.

• 고조파를 찾을 때는 분석기 스팬을 넓혀야 합니다. 송신기의 기본 주파수가 100 MHz라면 100 MHz ~ 500 MHz 또는 그 이상을 보는 것이 좋습니다.
• 고조파는 기본파보다 전력이 훨씬 낮은 경향이 있습니다. 위 그림에서 기본파(약 −10 dB)와 고조파(−64 dBm, −73 dBm) 사이의 전력 차이가 큽니다. 이 때문에 오실로스코프로 잡기는 어렵습니다.
• RBW를 낮추고 프리앰프(있다면)를 쓰면 분석기의 노이즈 레벨이 내려가서 이런 낮은 전력의 신호를 분리해 볼 수 있습니다.
• 과도한 고조파가 문제가 되면, 필터를 쓰거나 송신기 설계를 바꿔서 상당 부분 줄일 수 있습니다.

스퓨리어스(Spurs)

스퓨리어스(Spurious emissions) 도 문제가 됩니다. 스퍼는 보통 회로나 송신 경로의 비선형 소자가 만드는 원치 않는 결과입니다. 비선형 소자에는 증폭기, 믹서, 다이오드가 있고, 케이블과 어댑터 접합면의 산화층이 원인이 되기도 합니다.

스퍼를 찾는 방법은 고조파를 찾는 것과 비슷합니다. 스퍼가 있을 것으로 예상되는 위치를 모두 덮을 만큼 분석기 스팬을 넓게 설정하고, RBW와 프리앰프(있다면)로 노이즈 플로어를 낮춥니다. 다만 스퍼는 원인이 다양해서 고조파처럼 기본 주파수의 배수가 아닌, 예상 밖의 주파수에 나타나기도 합니다. 많은 스퍼는 의도했거나 의도하지 않은 신호 혼합(mixing)의 결과이므로, 알고 있는 신호들의 혼합 성분이 나타날 위치부터 조사하는 것이 좋은 출발점입니다. 3편에서 믹서와 혼합 성분을 설명했습니다. 가장 단순한 경우 믹서는 두 신호를 입력으로 받아서, 출력에 원래 신호와 입력의 합, 차 성분을 만들어 냅니다.

가장 이상적인 방법은 스퍼의 원인을 찾아서 필터링으로 불필요한 성분을 줄이는 것입니다. 그와 함께 커넥터 체결 토크(연결의 조임 정도)와 물리적 연결부의 청결을 점검하는 것도 도움이 됩니다.

다음 편 예고

다음 편은 수신기 시험입니다. 스피커부터 RF 단까지 수신기의 각 단계를 어떻게 점검하는지 살펴봅니다.

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