PXIe-5668R 소개 - 고성능 26.5 GHz 광대역 신호 분석기

내용

개요

PXIe-5668R 벡터 신호 분석기(VSA)는 765 MHz의 대역폭과 함께 동급 최고의 성능 및 속도를 제공합니다. 이 고성능 마이크로웨이브 신호 분석기는 무선 통신, RF 통합 회로(RFIC) 특성화, 레이더(Radio Detection And Ranging, RADAR) 테스트, 스펙트럼 모니터링/SIGINT 등과 같은 어플리케이션의 까다로운 요구사항을 충족합니다.

그림 1. PXIe-5668R VSA

 

그림 1의 PXIe-5668R은 RF 측정 성능, 측정 속도, 유연성을 모두 복합적으로 제공하는 제품입니다. 이 계측기는 업계 최고 수준의 다이나믹 레인지와 대역폭을 갖추고 있어 R&D 어플리케이션의 까다로운 측정 요구사항에 대한 이상적인 솔루션이라 할 수 있습니다. PXI 계측기로 구현되는 PXIe-5668R은 대량 생산 테스트에 꼭 필요한 빠른 측정 속도도 지원할 수 있습니다. 마지막으로 이 VSA에는 LabVIEW로 프로그래밍 가능한 Xilinx Kintex-7 FPGA가 탑재되어 있어 트리거링 또는 신호 프로세싱 루틴을 추가하면 계측기의 동작을 원하는 대로 설정할 수 있습니다.

 

RF 측정 성능

PXIe-5668R은 PXI FFT (Fast Fourier transform)를 기반으로 한 신호 분석기로 고급 스펙트럼 분석과 벡터 신호 분석에 모두 적합합니다. 위상 노이즈와 노이즈 플로어가 낮고 2차 및 3차 교차점이 높기 때문에 인접채널누설비(ACLR) 측정부터 스퍼 및 고조파 측정에 이르기까지 다양한 어플리케이션에 사용할 수 있는 뛰어난 다이나믹 레인지를 제공합니다. 테이블 1은 1 GHz와 20 GHz의 중심 주파수에서 PXIe-5668R의 일반적인 성능을 보여줍니다.

 

  1 GHz 20 GHz

PreAmp가 있는 경우의 노이즈 플로어(RMS) 

-155 dBM/Hz

-166 dBm/Hz

-153 dBm/Hz

-

IP3 +23 dBm +20 dBm
SHI +64 dBm +68 dBm
이미지 제거 -100 dBc -80 dBc
위상 노이즈(10 kHz 오프셋에서) -129 dBc/Hz -116 dBc/Hz
순간 대역폭 320 MHz 765 MHz

테이블 1. 일반적인 PXIe-5668R의 성능

 

PXIe-5668R은 2 GS/s 디지타이저를 사용하기 때문에 매우 넓은 순간 대역폭을 확보합니다. 테이블 1에서 볼 수 있듯이 이 계측기는 중심 주파수 3.6 GHz 이하에서 320 MHz의 순간 대역폭을, 3.6 GHz ~ 26.5 GHz의 중심 주파수에서 최고 765 MHz의 순간 대역폭을 보여줍니다.

 

다이나믹 레인지

PXIe-5668R은 다이나믹 레인지 성능이 뛰어나기 때문에 혼변조 왜곡(IMD)에서 인접 채널 전력(ACP), EVM에 이르기까지 다양한 측정을 정확하게 수행할 수 있습니다. 그림 2와 3에서 볼 수 있는 계측기의 다이나믹 레인지 차트에서는 노이즈와 선형성을 믹서 레벨에 대한 함수로 보여줍니다.

그림 2. 1 GHz에서 PXIe-5668R의 다이나믹 범위

 

그림 3. 20 GHz에서 PXIe-5668R의 다이나믹 범위

 

그림 2를 보면 대다수 측정에 가장 적합한 믹서 레벨은 대략 -36 dBm이며, 이 계측기는 1 Hz 대역폭에서 약 117 dB의 SFDR (spurious free dynamic range)을 제공한다는 것을 알 수 있습니다. 20 GHz의 경우에도(그림 3) PXIe-5668R은 -37 dBm의 최적 믹서 레벨에서 비슷한 성능을 냅니다. 이 믹서 레벨에서 1 Hz의 대역폭일 때에는 115 dB의 SFDR을 나타냅니다.

IMD와 ACP를 측정할 때에는 뛰어난 선형성과 노이즈 플로어를 갖추는 것이 매우 중요합니다. 사실 PXIe-5668R이 이러한 측정을 수행하는데 적합하다는 것을 가장 잘 보여주는 스펙은 3차 교차점(TOI)입니다. PXIe-5668R은 1 GHz에서 감쇠가 0 dB일 때 +23 dBm 이상의 TOI 스펙을 가지고 있습니다. 그림 4에서 확인할 수 있듯이 PXIe-5668R은 1 GHz에서 +25 dBm의 공칭 TOI 성능을 보여주므로 스펙보다 2 dB 더 높습니다.

그림 4. PXIe-5668R의 혼변조 왜곡 측정

 

RF 신호 분석기의 TOI 스펙은 보통 0 dB의 감쇠 상태에서 정의하지만, RF 신호 분석기는 정의된 스펙보다 훨씬 높은 TOI를 측정할 수 있습니다. 실제로 사용할 때에는 PXIe-5668R의 내부 감쇠를 최대 75 dB까지로 변경하여 측정 시스템이 최적의 선형성을 확보하도록 할 수 있습니다.

PXIe-5668R는 높은 다이나믹 레인지를 가지고 있기 때문에 IMD 측정뿐만 아니라 ACP나 ACLR과 같은 스펙트럼 측정에도 이상적입니다. 그림 5는 WCDMA 신호의 ACLR 측정을 보여주며, 내재된 ACLR 플로어는 대략 85 dB입니다.

그림 5. 468 MHz에서 PXIe-5668R의 WCDMA ACLR 성능

 

UMTS ACLR 측정 뿐만 아니라 PXIe-5668R을 NI 무선 표준 소프트웨어 툴킷과 함께 사용하면 GSM/EDGE, UMTS/HSPA+, LTE/LTE Advanced, Bluetooth, 802.11a/b/g/n/p/ac 등의 기술을 사용하는 장비를 테스트할 수 있습니다.

 

넓은 순간 대역폭

PXIe-5668R은 주파수 범위에 따라 320 MHz 또는 765 MHz의 순간 대역폭을 지원합니다. 한 차례 신호를 수집하여 극도로 넓은 대역폭을 측정할 수 있는 기능은 무선 통신 테스트나 레이더 펄스 측정과 같은 어플리케이션에서 상당히 유용합니다. EVM과 같은 메트릭스로 광대역 신호를 측정할 때에는 RF 신호 분석기의 순간 대역폭이 반드시 신호의 대역폭보다 커야 합니다. 예를 들어 IEEE 802.11ac 표준과 같은 무선 기술에서 EVM 측정을 수행하려면 160 MHz의 순간 대역폭이 필요합니다. 또한 160 MHz 802.11ac 신호에 대한 스펙트럼 마스크 요구사항에는 총 대역폭이 480 MHz에 중심 주파수로부터 ± 240 MHz이 되어야 한다는 제한사항이 들어있습니다. PXIe-5668R은 765 MHz의 순간 대역폭을 가지고 있기 때문에 한 번 수집으로 160 MHz 스펙트럼 마스크와 같은 측정을 수행할 수 있습니다.

RADAR 펄스 측정과 같은 유형의 어플리케이션에도 매우 넓은 순간 대역폭이 필요합니다. 일반적인 레이더 펄스의 경우 신호의 주파수 영역 특성은 그림 6과 같이 메인 로브(main lobe)와 이론상으로는 무한한 사이드 로브(side lobe)가 모두 포함된 동기화 함수의 형태로 나타납니다.

그림 6. 100 MHz의 대역폭 안에 포함된 20 ns 펄스의 메인 파워 로브(main power lobe).

 

펄스 상승 시간과 같은 RADAR 펄스 관련 측정을 수행하려면 VSA가 메인 로브와 몇 개의 사이드 로브를 모두 포착해야 합니다. 일반적으로 X 나노초(ns)의 펄스 상승 시간을 측정하기 위해서는 계측기의 순간 대역폭이 3/X가 되어야 합니다. 예를 들어 5 ns의 펄스 상승 시간을 측정하려는 경우, 계측기에 필요한 순간 대역폭은 3 / (5 ns) 또는 600 MHz입니다. 그림 7에서는 PXIe-5668R 신호 분석기의 넓은 대역폭 덕분에 극도로 정확한 펄스 상승 시간 측정이 가능하다는 사실을 확인할 수 있으며, 여기서 상승 시간은 8 ns입니다.

그림 7. Zero Span Mode를 사용했을 때 20 ns 펄스의 시간 영역

PXIe-5668R은 넓은 대역폭을 확보하고 있어 정확한 펄스 측정을 수행하기에 이상적일 뿐만 아니라, 순간 대역폭 역시 넓기 때문에 스팬이 계측기의 순간 대역폭보다 작은 상황에서도 더욱 빠르게 스펙트럼 측정을 수행할 수 있습니다.

 

유연성

PXIe-5668R RF 신호 분석기의 마지막 주요 속성은 유연성으로, 사용자가 원하는 대로 재설정이 가능합니다. PXIe-5668R은 LabVIEW FPGA로 프로그램 가능한 타겟이므로 계측기 자체에 맞춤형 신호 처리 알고리즘을 삽입할 수 있습니다. 예를 들어 LabVIEW 예제 코드를 활용하여 이 계측기를 리얼타임 스펙트럼 분석기(RTSA)로 설정할 수도 있습니다. RTSA의 특성을 갖도록 설정하면 그림 8과 같이 시간-영역 기록에 불연속점 없이 극도로 넓은 대역폭의 스펙트럼을 실시간 분석할 수 있습니다.

그림 8. PXIe-5668R의 리얼타임 스펙트럼 분석 기능으로 잔광 디스플레이(persistence display) 등과 같은 독특한 시각화 툴을 활용할 수 있다.

 

한편 이 계측기는 모듈형 아키텍처로 구성되어 있기 때문에 다운컨버터와 디지털 모듈을 추가하여 다채널 리시버 설정을 지원할 수 있습니다. PXIe-5668R VSA는 로컬 오실레이터(LO)와 기타 타이밍 신호를 여러 모듈에서 공유하는 기능을 제공하며 각 RF 채널 사이에 위상 동기화를 가능하게 합니다. 다채널 리시버의 위상 응집은 방향 탐지, 빔포밍(beamforming), MIMO (multiple input, multiple output) 장비 테스트 등의 어플리케이션에서 매우 중요합니다. 그림 9는 2채널 RF 신호 분석기 설정의 예제를 보여줍니다.

그림 9. 여러 개의 PXIe-5668R 계측기를 적절하게 설정하여 다채널 위상 동기 RF 신호 수집을 수행할 수 있습니다.

 

그림 9에 소개된 설정을 사용하면 다채널 측정 어플리케이션 사이에 긴밀한 채널간 동기화를 구현할 수 있습니다.

 

아키텍처

PXIe-5668R은 두 개의 서로 다른 신호 경로를 사용하여 넓은 순간 대역폭과 동급 최고의 RF 성능을 모두 제공합니다. 3.6 GHz 이하의 저대역 경로에서는 3단계 수퍼헤테로다인 설계에 최적의 preamp를 적용하여 사용합니다. 3.6 GHz 이상의 고대역 경로에서는 2단계 설계와 프리셀렉션을 위한 YTF (yttrium-iron-garnet tuned filter)를 함께 사용합니다.

PXIe-5668R에는 저대역(3.6 GHz 이하)에서의 측정 성능을 향상시키기 위한 몇 가지 기능이 포함되어 있습니다. 그림 10은 단순화된 블록다이어그램입니다. 여기서는 30 dB preamp를 사용하여 낮은 레벨 신호를 측정할 때 계측기에 내재된 노이즈 플로어를 감소시킬 수 있다는 것을 보여줍니다.

그림 10. PXIe-5668R의 블록다이어그램 개요도

 

또한 그림 10을 보면 첫 번째 혼합 단계에 들어가기 전에 두 개의 고역 통과 필터가 있습니다. 이 필터로 1,350과 2,200 MHz의 고역 통과 컷오프를 실시함으로써 1 GHz 부근에 있는 일반적인 무선 통신 대역의 원 주파수를 억제할 수 있습니다. 이러한 필터를 작동시키면 계측기가 각각 2 GHz와 3 GHz 부근에서 로우 레벨의 2차 고조파와 3차 고조파를 보다 정확히 측정할 수 있게 됩니다.

3.6 GHz의 높은 대역에서는 YTF가 3.6 GHz ~ 26.5 GHz 사이의 작동을 위한 프리셀렉터의 역할을 하며, 스펙트럼 분석에서는 기본적으로 YTF가 활성화됩니다. 극도의 광대역 벡터 신호 분석에서는 YTF를 비활성화하여 765 MHz의 전체 계측기 대역폭을 활용할 수 있습니다.

 

유연한 IF 구조

이 VSA의 다운컨버터는 2 GS/s의 디지타이저 샘플 속도와 함께 유연한 IF 구조를 가지고 있어 고도의 스펙트럼 분석과 광대역 벡터 신호 분석을 모두 지원합니다. 예를 들어 두 톤 혼변조 왜곡(IMD)나 ACLR과 같이 매우 높은 다이나믹 범위가 필요한 측정을 원활하게 수행하기 위해 협대역 300 kHz 아날로그 필터를 사용할 수 있습니다. 벡터 신호를 분석할 때에는 아예 IF 필터링 자체를 비활성화하여 중심 주파수에 따라 최대 320 MHz 또는 765 MHz의 대역폭을 전부 활용하는 것도 가능합니다.

PXIe-5624R 디지타이저의 광대역 아날로그 프런트 엔드는 수퍼헤테로다인 리시버 아키텍처에 최적화되어 있습니다. 또한 PXIe-5624R에는 IF 신호를 IQ 데이터로 변환하는 온보드 디지털 다운컨버터(DDC)도 내장되어 있습니다. 따라서 PXIe-5624R을 PXIe-5668R VSA의 일부로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 독립적인 IF 디지타이저로 사용할 수도 있습니다.

 

요약

PXIe-5668R은 다양한 범위의 어플리케이션에 이상적인 고성능 26.5 GHz VSA입니다. 뛰어난 아날로그 성능, 매우 넓은 대역폭, 최상의 유연성을 골고루 갖추고 있어 ACLR 측정부터 레이더 검증, 스펙트럼 모니터링에 이르는 여러 가지 까다로운 측정 어플리케이션 문제를 해결할 수 있도록 도와주는 제품입니다.

PXIe-5668R에 대한 보다 자세한 정보는 ni.com/microwave에서 확인하십시오.