■ 스펙트럼 분석기 측정시 유의점 (Ⅰ)
 

최근 전자산업계의 눈부신 발전으로 연구개발, 생산제조 및 유지보수 분야에서 스펙트럼분석기는 고주파 신호를 분석하는데 없어서는 안될 필수 측정기로 자리 잡고 있다. 스펙트럼분석기가 점차 고 기능화 되어감에 따라 올바르게 사용하기 위하여 반드시 알아야 할 측정시 유의점과 스펙트럼분석기를 이용한 CDMA신호 분석에 대하여 3회에 걸쳐 게재한다.

먼저 스펙트럼분석기의 올바른 측정을 위하여 유의하여야 할 사항에 대해 살펴보자. 스펙트럼분석기를 사용하여 고주파 신호를 분석할 경우 먼저 분석기의 성능을 파악하여야 한다. 첫째 주파수 범위는 기본주파수 신호와 고조파를 측정하기에 충분한가, 둘째 주파수 해상도는 근접한 두 신호를 충분히 구분할 수 있는지, 셋째 측정하기에 다이내믹 레인지는 충분한지, 넷째 레벨이 낮은 신호를 측정하기에 충분한 감도를 가지고 있는지, 다섯째 스펙트럼 분석기 내부에서 발생하는 왜곡은 피측정체의 왜곡 성분에 영향을 주지 않을 만큼 충분히 작은지, 마지막으로 측정코자 하는 신호의 레벨은 스펙트럼분석기의 최대입력레벨 또는 이득 압축한계를 넘지 않는지 등의 질문을 기초로 하여 스펙트럼분석기 사양 검토사항을 하나씩 살펴본 후 스펙트럼분석기의 적절한 set-up을 통하여 측정해야만 측정결과에 대해 확신을 할 수 있다. 그래서 문헌 등에서 쉽게 접할 수 있는 일반적인 스펙트럼 분석기의 원리, 구성 및 개념은 생략하고 운용시 고려하여야 할 중요한 기능인 중간주파수 필터, 검파모드 그리고 다이내믹 레인지 등 몇 가지 사항에 대한 설명을 하여 스펙트럼분석기의 올바른 set-up설정을 하는데 도움이 되고자 한다.

1. 중간주파수 필터(IF Filter)의 선택

IF 필터는 측정 신호를 검출하기 위해서 사용하는 대역 필터(Band Pass Filter, BPF)로써, 이 필터의 대역폭을 분해능 대역폭(Resolution Bandwidth, RBW)이라고 한다. 이 분해능 대역폭을 어떻게 설정하여 측정하느냐에 따라 측정되는 결과가 서로 상이할 수 있다.

위의 그림1에 나타난 것과 같이, 분해능 대역폭(RBW)을 점점 좁힘에 따라 선택도가 향상됨을 알 수 있다. 즉, 분해능 대역폭을 넓게 설정했을 때는 하나의 신호로 나타나다가 점점 분해능 대역폭을 좁힘에 따라 두 개의 신호로 나타나게 되는 것을 알 수 있다. 이렇게 선택도를 결정하는 중간주파수 필터는 아날로그와 디지털로 구분되어 진다.

가. 아날로그 필터

슈퍼 헤테로다인 분석기를 보다 면밀히 살펴보면, 왜 디스플레이 상의 신호 응답폭이 한정되어 있는지를 알 수 있다. 혼합기(mixer)에서 산출되는 결과물에는 원래의 신호 두 개(입력 신호와 국부발진주파수)와 이들 신호의 합과 차로 만들어진 신호가 포함되어 있다. 그리고 입력신호를 제외한 신호들은 sweep함에 따라 변화되고 단지 IF필터에 동조되는 신호에 한하여 디스플레이 된다. 그때 모양이 바로 아날로그 IF필터의 주파수응답특성곡선이며 대다수 가우시안필터를 사용한다.

위 그림2와 그림3에서 3㏈ BW는 사용자가 선택하는 RBW 값이며 그리고 통상 선택도 (혹은 Shape factor)는 60㏈ 대역폭에 대한 3㏈ 대역폭의 비율로 규정하며 아날로그의 경우 15:1정도이고 디지털의 경우 5:1 정도이다.

나. 디지털 필터

신형 스펙트럼 분석기 중에는 디지털 기술을 활용하여 가장 대역폭이 좁은 분해능 대역폭(RBW) 필터를 두 개 내지 세 개 실현하고 있다. 그림4에서 보는 바와 같이, 선형 아날로그 신호는 4.8㎑까지 혼합되어, 폭이 300㎐ 밖에 되지 않는 대역통과 필터를 통과한다. IF신호는 그 후 증폭 과정을 거쳐, 6.4㎑에서 샘플링 되고, 디지털화 된다.

일단 디지털 형식으로 변환된 신호는 빠른 푸리에 변환 알고리즘을 거치게 된다.

적절한 신호를 변환하기 위해서는 분석기를 고정-동조 (스위프하지 않고) 해야 한다. 다시 말해, 시간 영역의 신호에서 처리되어야 한다는 것이다. 그래서, 이들 분석기는 디지털 분해능 대역폭 중 하나가 선택되고 나면, 연속적으로 스위프하는 대신, 300㎐씩 단계적으로 동조(tuning)되며 이런 디지털 프로세싱의 장점은 대역폭 분리감도가 약 5:1이고 이와 같은 가장 폭이 좁은 필터에서 제공되는 것으로 가까이 배치된 두 신호를 분리시키는데 사용한다.

2. 검파모드의 설정

스펙트럼 분석기는 측정 신호를 CRT화면에 나타내기 위해서 중간주파수(IF)를 포락선 검파기를 통하게 하여 베이스밴드 또는 비디오 신호로 변환시킨다.

요즘의 스펙트럼 분석기는 디지털 디스플레이를 사용하고 있어 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 이용하여 아날로그의 영상신호를 디지털 신호로 변환시키며, 측정된 영상신호는 다수의 상이한 모드로 선택할 수 있으며 각각의 모드마다 디스플레이된 값이 상이하다. 왜냐하면 측정기 CRT화면에는 분해능과 무관하게 가로, 세로로 각각 일정한 bin(또는 트레이스, 셀 등)수로 구성되어 있고 각각의 bin에서는 변화되는 아주 많은 측정값들을 갖고 있다. 그러나 CRT화면에는 단지 각 bin마다 1개의 값만을 디스플레이 할 수 있다. 즉, bin속의 많은 측정값들 중 어떤 값을 선택하느냐에 따라 다음과 같은 모드가 선택되며 이 모드에 따라 상이하게 표시되어 진다.

- positive-peak mode: 피크 값을 포착하여 표시

- negative-peak mode: 최소 값을 포착하여 표시

- sample mode: 랜덤 값을 포착하여 표시

- normal mode :신호가 단조증가 또는 단조감소 할 경우 positive-peak mode로 동작하고 비단조 신호의 경우 positive와 negative-peak mode를 변환하여 표시함 으로써 positive-peak mode에 비해 랜덤 노이즈를 잘 표현하면서도 sample mode의 신호누락 문제를 피할 수 있다.

참고로 MAX hold를 선택할 경우 스펙트럼분석기는 자동으로 positive-peak mode로 동작하고 정해진 트레이스들 중에 최대 값을 표시한다.

3. 다이내믹 레인지(Dynamic range)

Dynamic Range는 측정기 입력 상에 동시에 존재하는 두 개의 신호를 장비에서 제공하는 정확도까지 측정 가능한 레벨간의 최대 비율을 의미한다. 큰 신호는 분석기의 최대허용입력에 제한을 받게 되고 또 다른 신호는 이보다 훨씬 작은 값으로 두개의 신호를 인가하였을 때 분석기의 잔류응답, 큰 쪽 신호의 고조파 왜곡 그리고 분석기의 내부 노이즈 등이 포함되어 측정범위를 제한 받게된다. 이렇게 다이내믹 레인지에 관계되는 인자들의 영향에 대해 설명코자 한다.

가. 분해능 대역폭 (RBW)의 영향

Pn(노 이즈 전력) KTB이므로 B(즉, RBW)가 적을수록 측정에 소요되는 시간은 많아지나 스펙트럼분석기의 디스플레이 되어지는 노이즈레벨은 작아진다. 즉, RBW가 10배만큼 감소할 때 노이즈레벨은 10㏈만큼 감소 ( K:볼쯔만상수, T:절대온도, B:대역폭 )

그림8. RBW변화에 따른 노이즈와 신호레벨 변화　

나. 입력신호 세기

측정장비의 디스플레이 되어지는 노이즈레벨은 입력신호의 레벨과 무관하게 일정함으로 입력신호의 레벨을 크게 할수록 입력신호와 노이즈레벨간의 차가 커져 측정범 위가 커진다.(단, 혼합기의 한계입력레벨과 비선형으로 동작하는 compression레벨 주의)

 

다. 혼합기의 왜곡

측정장비내의 중간주파수변환장치인 혼합기가 능동회로이므로 입력신호를 인가할 때 측정장비 자체에서 고조파가 생성되며, 이 생성된 고조파는 실제 측정하고자 하는 고조파 측정시 두 신호의 합이 디스플레이 된다.

참고로 비선형소자의 왜곡성분은 기본파의 증가분에 따라 2nd Order의 경우 제곱, 3rd Order의 경우 세제곱으로 증가한다.

 

라. 노이즈 사이드밴드(Noise sideband)

다이내믹 레인지에 있어서의 마지막 요인은 스펙트럼 분석기의 국부발진기위상의 비 안정성에 의해 발생되는 위상노이즈 또는 노이즈 사이드밴드 이며, 반송파로부터 100㎑∼1㎒(반송파주파수에 의존) 내의 인접한 낮은 레벨 신호 측정시 다이내믹 레인지는 노이즈 사이드밴드에 의해 결정된다.

마. 스펙트럼분석기의 성능표를 이용한 다이내믹레인지 분석의 예
 

 

위 그림은 분해능1㎑, 내부감쇠 0㏈이며 CRT디스플레이 범위 80㏈일때 측정기 성능표이며, 이것을 이용한 다이내믹 레인지 분석은 다음과 같다.

- 최대입력레벨: 계산상145㏈까지 측정이 가능하나 믹서포화레벨이상의 신호가 인가됨으로 비선형적으로 동작하여 측정값을 신용할 수 없으며 믹서파손의 우려가 있다. 최대 CRT디스플레이 범위까지 측정 가능

- 믹서포화레벨: 최대 105㏈까지 측정 가능하나 CRT디스플레이 범위까지 측정가능

- 3rd order: 제3고조파와 같은 3rd order신호 측정시 최대 다이내믹 레인지를 갖는 입력 값이 -35㏈m이며 80㏈까지 측정

- 2nd order: 제2고조파와 같은 2nd order신호 측정시 최대 다이내믹 레인지를 갖는 입력 값이 -45㏈m이며 70㏈까지 측정

- 노이즈사이드밴드: 반송파에서 1㎑떨어진 지점 측정시 60㏈까지 측정하며 다이내믹 레인지를 가장 많이 제한한다.

이상 설명한 바와 같이 최적의 다이내믹 레인지 확보를 위해 분해능은 측정시간 등을 고려하여 적정하게 선택하여야 하고, 왜곡신호 즉 고조파와 상호변조 등과 같은 신호 측정은 혼합기에 생성되는 2nd Order 또는 3rd Order와 같은 측정기내부왜곡의 영향을 고려하여 입력신호의 크기를 외부 감쇠기 등을 통하여 적정한 레벨로 인가하며 반송파와 인접한 신호의 측정의 경우는 노이즈사이드밴드를 고려하여야 한다.

※ 출처 - http://www.kora.or.kr/