NI 벡터 신호 분석기에서 기본 전력 측정 최적화하기

먼저 표준 GSM 버스트의 시간 영역 전력 포락선을 살펴보겠습니다. GSM 버스트는 GMSK 변조 방식을 사용하며, 버스트의 활성 구간 동안 전력 프로파일이 일정하기 때문에 전력 분석의 기초적인 논의에 적합합니다.

그림 1. 전력 vs. GSM 신호의 시간

그림 1에서 PvT 플롯은 GSM 신호 자체의 완전한 표현이 아니라, 일정 시간 동안 대역 통과 필터를 통해 측정된 포락선 전력을 나타냅니다. 그림 1의 GSM 버스트의 경우, 버스트의 활성 부분의 전력은 -10 dBm입니다.

이제 그림 1과 그림 2의 같은 신호와 연관된 대응하는 스펙트럼을 비교합니다. 연속파 (CW)와 마찬가지로 전력이 일정한 경우, 신호는 주파수에서 0이 아닌 일부 대역폭을 차지합니다. GSM 신호의 대역폭은 기술적으로 무한대이기 때문에 신호의 대역폭은 일반적으로 수집된 총 전력의 퍼센트로 선언됩니다.

그림 2. GSM 신호의 스펙트럼 (10k RBW, 참조. 레벨 -10dBm)

이 문서의 후반부에서 대역폭으로 돌아갈 것입니다. 이제 시간 영역과 주파수 영역 모두에서 파워 분석을 이해해 보겠습니다. 그림 1에서 신호의 파워에 대한 자세한 내용을 확인할 수 있습니다. 상위 레벨에서, 스펙트럼은 주기 동안 분석기가 수집한 신호의 주파수 영역 표현입니다. 주어진 신호에서 전력이 주파수 범위에서 어떻게 분산되는지 보여줍니다. 그림 1에서 채널 대역폭의 파워를 주파수 영역에 통합하면 관찰된 -10 dBm 파워 레벨이 같아야 하며, 이는 스펙트럼 트레이스(-20dBm)의 피크를 신호의 최대 파워로 선언하는 일반적인 실수와는 반대입니다.

그림 3에서 단순한 이산 스펙트럼을 살펴보면 이 문제를 이해할 수 있습니다. 각 포인트는 1MHz 주파수 대역의 파워를 보여줍니다. 스펙트럼은 단순히 일련의 특정 주파수의 더 작은 대역폭 파워 측정입니다.

그림 3. 주파수 bin으로 이산화된 파워를 보여주는 단순한 예제 스펙트럼

이 주파수 범위에서 총 파워를 결정하려면, 구간에 걸쳐 각 대역폭의 파워를 적분해야 합니다. 이렇게 하려면 데시벨 값을 더하기만 하면 안됩니다. 먼저 선형 단위로 변환한 후, 합계로 변환한 후 데시벨로 변환해야 합니다. dBm 변환 식은 다음과 같습니다:

P(dBm) = 10*log(P(mw)/1mW)

위의 테이블의 전력을 더하면 약 20 mW가 공급됩니다. 이제 위 방정식을 사용하여 아래와 같이 이를 dBm으로 변환합니다. 893M 및 896M의 전력은 894M 및 895M의 주요 전력보다 -30dB이며, 전체 신호에 무시할 정도의 전력을 공급합니다.

기본 전력 측정의 기본 셋팅

다음 섹션에서는 같은 GSM 웨이브폼 예제를 사용하여 VSA 또는 스펙트럼 분석기를 사용한 RF 전력 측정의 참조 레벨과 분해능 대역폭에 대해 설명합니다.

NI-RFSA 드라이버에서 [참조 레벨 설정] VI를 사용하여 VSA의 참조 레벨을 설정합니다. 이것은 niRFSA Initiate VI를 호출하기 전에 설정해야 합니다.

그림 4. NI-RFSA 도움말 문서에서 niRFSA Configure Reference Level VI의 스크린샷

참조 레벨 셋팅은 분석기에 들어오는 모든 신호의 예상 RMS 파워를 분석기에 알려줍니다. 이는 몇 가지 이유로 중요한 측정 셋팅입니다. 먼저 신호 경로의 이득과 감쇠 단계를 조정하여 증폭 단계에서의 압축을 줄이고 디바이스의 손상을 방지합니다. 두 번째로, 드라이버는 측정에서 노이즈를 최소화하기 위해 이득 및 감쇠 셋팅을 최적화하려고 시도합니다. 따라서 입력 신호의 특성을 이해하고 인스트루먼트에 적합한 참조 레벨을 선택하는 것이 중요합니다.

그림 1의 PvT 그래프에서 최대 RMS 파워가 -10 dBm에 가까웠음을 알 수 있습니다. 그림 5를 보면 분석기가 선형 범위 내에서 제대로 작동하는지 확인하려면 참조 레벨을 -10 dBm 이상으로 설정해야 합니다.

그림 5. 전력 vs. 참조 레벨이 있는 GSM 신호의 시간

비교를 위해, 그림 6과 관련된 스펙트럼에 대한 참조 레벨을 살펴봅니다. 참조 레벨은 스펙트럼 추적을 따라 피크 포인트보다 약 10 dB 높습니다. 이는 스펙트럼이 이전 섹션에서 설명한 것처럼 전체 신호 자체의 실제 적분 파워와 대조하여 주파수로 분리된 데이터를 보여주기 때문입니다.

그림 6. 참조 레벨이 있는 GSM 스펙트럼(10 kHz RBW, 참조. 레벨 -10 dBm)

참조 레벨이 너무 높음

시간 영역의 영향을 고려하십시오. 아래 그림 7은 더 높은 참조 레벨로 측정된 같은 신호 옆에 적절한 참조 레벨을 가진 수집된 GSM 신호를 보여줍니다. 더 높은 참조 레벨에서 측정의 노이즈가 더 커집니다. 이는 RF 감쇠가 너무 높기 때문에 신호가 분석기의 노이즈 플로어에 가까워지게 되고 측정의 신호 대 노이즈 비율이 감소하기 때문입니다.

그림 7. 왼쪽: 적절한 참조 레벨을 가진 GSM. 오른쪽: 너무 높은 참조 레벨을 가진 GSM.

이제 그림 8의 주파수 영역을 살펴봅니다. 노이즈 플로어의 증가가 더욱 눈에 띄기 때문에 GSM 채널의 전체 모양을 확인하기 어렵습니다. 신호 레벨이 더 낮으면, 과도한 RF 감쇠로 인해 노이즈 플로우가 이를 극복하게 됩니다.

그림 8. 왼쪽: 적절한 참조 레벨이 있는 GSM 신호. 오른쪽: 너무 높은 참조 레벨을 가진 GSM.

참조 레벨이 너무 낮음

아래 그림 9에서 그림 1을 너무 낮은 참조 레벨로 측정된 동일한 신호 옆에 비교합니다. 참조 레벨이 너무 낮게 설정되면 시간 영역에서 볼 수 있는 압축이 발생합니다. 같은 전력 신호에 대해 RF 감쇠가 적기 때문에, 증폭기가 압축으로 구동됩니다.

그림 9. 왼쪽: GSM 신호 전원 vs -10 dBm 참조 레벨의 시간. 오른쪽: GSM 신호 전원 vs 시간 -40 dBm 참조 레벨.

참조 레벨을 너무 낮게 설정하면 디바이스가 손상될 수 있습니다. 따라서 드라이버는 예상 참조 레벨보다 너무 높은 전원을 감지하면 사용자에게 경고를 보내거나, 너무 낮은 전원을 감지하면 에러를 발생시킵니다.

이제 주파수 영역을 보여주는 그림 8을 생각해 봅니다. 이제 그림 7의 PvT 플롯에서 관찰한 압축 때문에 스펙트럼이 왜곡됩니다. 왜곡으로 인해 추가적인 주파수 컨텐츠가 생성되어 노이즈 플로어가 증가합니다.

그림 10. 왼쪽: 적절한 참조 레벨을 가진 GSM 스펙트럼. 오른쪽: 참조 레벨이 너무 낮게 설정된 GSM 스펙트럼.

단점

위에서 참조 레벨을 너무 높거나 너무 낮게 조정하면 전력 측정에 어떤 영향을 줄 수 있는지 설명했습니다. 고려해야 할 다른 장점이 있습니다. 예를 들어, 파워가 노이즈 층에 매우 가까운 신호를 생각해 봅시다. 여러 수집의 평균값 연산을 사용하여 디스플레이된 노이즈 표준을 약간 떨어뜨려 신호를 해결할 수 있습니다. 이렇게 하면 신호를 측정할 수 있지만, 평균값 연산에 필요한 추가적인 수집 때문에 전체 측정 시간이 늘어납니다.

NI-RFSA 드라이버에서는 niRFSA Configure Resolution Bandwidth VI를 사용하여 해상도 대역폭을 설정합니다. niRFSA Initiate VI를 호출하기 전에 우선 설정해야 합니다.

그림 11. NI-RFSA 도움말 문서에서 얻은 niRFSA Configure Resolution Bandwidth VI의 스크린샷

분해능 대역폭에 대해 간략히 설명할 필요가 있습니다. 이는 기존의 튜닝된 스펙트럼 분석기와 관련이 있기 때문입니다. 삽입된 튜닝 분석기의 경우, RBW 필터는 바로 뒤에 전력 센서가 있는 하드웨어에 구현됩니다. 설정된 RBW와 구간에 따라, 신호는 주파수 윈도우의 평균 파워를 수집하기 위해 주파수 단계별로 필터를 통과합니다. 각 단계의 평균 파워는 스펙트럼에 플롯됩니다. 따라서, RBW가 작을수록 측정 시간이 더 길어지기 때문에, 신호를 여러 번 움직여야 설정된 전체 측정 범위를 차지할 수 있습니다. 또한 신호는 필터에 고유한 지연을 극복하기 위해 각 단계에서 충분히 기다려야 하며, 이는 또한 측정에 시간을 추가합니다.

NI 벡터 신호 분석기는 위에서 다루어졌던 Swpt-Tuned 분석기와는 달리 FFT 기반입니다. 주된 차이점은 주파수 선택 파워 분석을 위해 신호를 대역 통과 RBW 필터를 통과시키는 하드웨어에 의존하는 대신, RBW 필터는 빠른 푸리에 변환을 통해 소프트웨어에 구현된다는 점입니다. 이 방법의 주요 장점은 작은 주파수 범위의 분석이 더 빠른다는 점입니다. 또한 FFT 기반 분석기는 위상을 측정할 수 있어 복조를 수행할 수 있습니다.

일반적으로 RBW는 스펙트럼의 분해능을 컨트롤하는 방법으로 간주됩니다. 그러나 이것은 이야기의 절반에 불과합니다. PvT 측정과 같이 시간 영역의 영향을 고려하십시오. 그림 1과 PvT가 주어진 시점에서 분해능 대역폭(RBW) 필터를 통해 측정된 신호의 평균 파워를 측정하는 방법을 기억하십시오. RBW를 극단적으로 변경할 때 발생하는 현상을 살펴보고 시간 영역과 주파수 영역 모두에 미치는 영향에 대해 설명해 보겠습니다.

너무 높은 분해능 대역폭

RBW가 높을수록 더 많은 포인트를 가진 수집을 의미합니다. 따라서, RBW가 너무 크면 시스템 수집 메모리 에러가 발생할 수 있습니다. 포인트 개수가 클수록, 이로써 신호 처리 시간이 늘어납니다. 또한 필터가 더 넓고 더 많은 노이즈를 통과시키기 때문에 노이즈 플로어의 파워가 증가합니다.

그림 12. 왼쪽: GSM 전원 vs 1 MHz RBW의 시간. 오른쪽: GSM 전원 vs 80 MHz RBW의 시간.

스펙트럼에서 신호의 형태에 대한 분해능 또는 정의는 거의 없거나 전혀 없습니다. 이 경우 채널 대역폭과 노이즈 층을 구분하기 어렵습니다.

그림 13. 왼쪽: 10kHz RBW로 수집된 GSM 스펙트럼. 오른쪽: 1 MHz RBW로 수집된 GSM 스펙트럼.

해상도 대역폭이 너무 낮음

RBW가 낮을수록 단계마다 포인트가 적을수록 수집 시간이 길어집니다. 그러므로, RBW가 너무 작으면 중요한 신호 특성이 통과하지 못할 수 있기 때문에 이를 놓칠 수 있습니다. 이는 특히 짧은 시간 동안만 활성화된 버스트 신호의 경우에 해당하는 주파수 내용이 위치해 있습니다.

그림 14. 왼쪽: GSM 전원 vs 1 MHz RBW로 수집된 시간. 오른쪽: GSM 전원 vs 100 kHz RBW로 수집된 시간.

그림 15와 같이 대응하는 스펙트럼을 볼 때 분해능이 더 커지는 것을 확인할 수 있습니다. 이 경우, GSM 신호의 대역폭은 더 명확하고 쉽게 볼 수 있지만, RBW 필터가 전체 신호의 대역폭을 캡처할 만큼 넓지 않기 때문에 전원이 부정확합니다.

그림 15. 왼쪽: 10 kHz RBW로 수집된 GSM 스펙트럼. 오른쪽: 100 Hz RBW로 수집된 GSM 스펙트럼.

단점

올바른 RBW를 선택할 때 측정값과 측정되는 신호 타입에 따라 달라집니다. 버스트드 신호의 경우, RBW는 전체 신호의 대역폭을 캡처할 정도로 높아야 하지만, 노이즈 플로우가 너무 커지지 않아야 합니다.

또한 RBW는 측정 시간에 영향을 미칩니다. 스펙트럼을 완성하는데 필요한 RBW 포인트의 개수가 증가하여 측정 시간이 길어집니다.

이 문서는 적절한 참조 레벨과 RBW를 선택하는 방법과 측정에 너무 높거나 너무 낮은 값을 선택하는 결과에 대해 소개합니다. 이것의 의미는 GSM 신호의 예로 설명되어 있습니다. 참조 레벨과 RBW는 전력 측정에 눈에 띄게 영향을 미칠 수 있는 기본 셋팅이며, RF 전력 측정을 설정하고 분석할 때 약간의 직관을 적용하는 것이 중요합니다.

이 문서는 NI 벡터 신호 분석기에 중점을 두고 있지만, 이러한 개념은 다른 VSA에도 적용될 수 있습니다. 이 문서는 엔지니어들이 다른 설정과 RF 측정에 어떤 영향을 미치는지 살펴보도록 권장합니다.

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