PXIe-5668 소개 - 고성능 26.5GHz 광대역 신호 분석기

그림 1. PXIe-5668 VSA

그림 1의 PXIe-5668은 RF 측정 성능, 측정 속도, 유연성의 특별한 조합을 제공하는 우수한 제품입니다. 이 계측기는 업계 최고 수준의 동적 범위와 대역폭을 갖추고 있어 R&D 분야의 까다로운 측정 요구사항에 대한 이상적인 솔루션입니다. PXI 계측기로 구현되는 PXIe-5668은 대량 양산 테스트에 필요한 빠른 측정 속도를 제공하기도 합니다. 마지막으로 이 VSA에는 LabVIEW로 프로그래밍 가능한 Xilinx Kintex-7 FPGA가 포함되어 있어 트리거링 또는 신호 프로세싱 루틴을 추가함으로써 계측기의 동작을 원하는 대로 설정할 수 있습니다.

PXIe-5668은 PXI FFT(고속 푸리에 변환)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(ACLF) 측정부터 스퍼 및 고조파 측정까지 다양한 어플리케이션에 사용할 수 있는 뛰어난 동적 범위를 제공합니다. 표 1은 1GHz와 20GHz 중심 주파수에서의 PXIe-5668의 일반적인 성능을 보여줍니다.

표 1. 일반적인 PXIe-5668 성능

PXIe-5668은 내장된 2GS/s 디지타이저를 사용하여 매우 넓은 순간 대역폭을 확보합니다. 표 1에서 볼 수 있듯이 이 계측기는 중심 주파수 3.6GHz 이하에서는 320MHz의 순간 대역폭을, 3.6GHz – 26.5GHz의 중심 주파수에서는 최고 765MHz의 순간 대역폭을 보여줍니다.

동적 범위

PXIe-5668은 동적 범위 성능이 뛰어나기 때문에 혼변조 왜곡(IMD)에서 인접 채널 전력(ACP), 에러 벡터 크기(EVM)에 이르기까지 다양한 측정을 정확하게 수행할 수 있습니다. 그림 2와 3에서 볼 수 있는 계측기의 동적 범위 차트에서는 노이즈와 선형성을 믹서 레벨에 대한 함수로 보여줍니다.

그림 2. 1GHz에서의 PXIe-5668 동적 범위 차트

그림 3. 20GHz에서의 PXIe-5668 동적 범위 차트

그림 2을 보면 대다수 측정에 가장 적합한 믹서 레벨은 대략 -36dBm이지만 이 계측기는 1Hz 대역폭에서 약 117dB의 SFDR(spurious free dynamic range)을 제공한다는 것을 알 수 있습니다. 20GHz의 경우에도(그림 3) PXIe-5668은 약 -37dBm의 최적 믹서 레벨에서 비슷한 성능을 냅니다. 이 믹서 레벨에서 계측기는 대역폭이 1Hz일 때 115dB의 SFDR을 제공합니다.

IMD와 ACP를 측정할 때에는 뛰어난 선형성과 노이즈 플로어를 갖추는 것이 매우 중요합니다. 사실 이러한 측정을 수행할 수 있는 계측기의 역량을 가장 잘 보여주는 스펙은 3차 교차점(TOI)입니다. PXIe-5668은 1GHz에서 감쇠가 0dB일 때 +23dBm보다 더 뛰어난 TOI 스펙을 가지고 있습니다. 그림 4에서 확인할 수 있듯이, PXIe-5668은 1GHz에서 +25dBm의 공칭 TOI 성능을 보여주는데 이는 스펙보다 2dB 더 높은 것입니다.

그림 4. PXIe-5668 혼변조 왜곡 측정

RF 신호 분석기의 TOI 스펙은 보통 0dB의 감쇠 상태에서 정의되지만, RF 신호
분석기는 스펙보다 훨씬 높은 TOI를 측정할 수 있습니다. 실제로 사용할 때에는 PXIe-5668의 내부 감쇠를 최대 75dB까지로 변경하여 측정 시스템의 선형성을 최적화할 수 있습니다.

PXIe-5668는 높은 동적 범위를 가지고 있기 때문에 IMD 측정뿐만 아니라 ACP와 ACLR과 같은 스펙트럼 측정에도 이상적입니다. 그림 5는 WCDMA 신호의 ACLR 측정을 보여주며, 내재된 ACLR 플로어는 대략 85dB임을 알 수 있습니다.

그림 5. PXIe-5668 WCDMA ACLR 주파수 (468MHz에서)

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

PXIe-5668은 주파수 범위에 따라 320MHz 또는 765MHz의 순간 대역폭을 지원합니다. 한 차례 데이터를 수집하여 매우 넓은 대역폭을 측정할 수 있는 능력은 무선 통신 테스트나 레이더 펄스 측정과 같은 어플리케이션에서 유용합니다.   EVM과 같은 지표로 광대역 신호를 측정할 때에는 RF 신호 분석기의 순간 대역폭이 신호의 대역폭보다 커야 합니다. 예를 들어 IEEE 802.11ac 표준과 같은 무선 기술에서 EVM 측정을 수행하려면 160MHz의 순간 대역폭이 필요합니다. 또한 160MHz 802.11ac 신호에 대한 스펙트럼 마스크 요구사항에는 총 대역폭 480MHz에 중심 주파수로부터 240MHz이라는 제한이 포함됩니다. PXIe-5668은 765 MHz의 순간 대역폭을 가지고 있기 때문에 한 번 수집으로 160MHz 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 주 로브(main lobe)와 이론상으로는 무한한 사이드 로브(side lobe)가 모두 포함된 동기화 함수의 형태로 나타납니다.  

그림 6. 100MHz 대역폭 내에 포함된 20ns 펄스의 주 전원 로브.

펄스 상승 시간과 같은 RADAR 펄스 관련 측정을 수행하려면 VSA가 주 로브와 몇 개의 사이드 로브를 모두 포착해야 합니다. X나노초(ns)의 펄스 상승 시간을 측정하기 위한 일반적인 규칙은 계측기의 순간 대역폭이 3/X가 되어야 한다는 것입니다. 예를 들어 5ns의 펄스 상승 시간을 측정하려는 경우, 계측기에 필요한 순간 대역폭은 3/(5ns), 즉 600MHz입니다. 그림 7에서는 PXIe-5668 신호 분석기의 넓은 대역폭 덕분에 극도로 정확한 펄스 상승 시간 측정이 가능하다는 사실을 확인할 수 있으며, 이 경우 상승 시간은 8ns입니다.

그림 7. 제로 스팬 모드를 사용하는 20ns 펄스의 시간 도메인

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

PXIe-5668 RF 신호 분석기의 마지막 주요 속성은 원하는 대로 다시 설정할 수 있는 유연성입니다. PXIe-5668은 LabVIEW FPGA로 프로그램 가능한 타겟이므로 계측기 자체에 맞춤형 신호 처리 알고리즘을 삽입할 수 있습니다. 예를 들어 LabVIEW 예제 코드를 활용하여 이 계측기를 실시간 스펙트럼 분석기(RTSA)로 설정할 수도 있습니다. RTSA의 특성을 갖도록 설정하면 그림 8과 같이 시간 영역 기록에 발생하는 간극 없이 극도로 넓은 대역폭의 스펙트럼을 실시간 분석할 수 있습니다.

그림 8. PXIe-5668의 실시간 스펙트럼 분석 기능은 지속성 디스플레이와 같은 고유한 시각화 도구를 지원합니다.

마지막으로, 이 계측기는 모듈형 아키턱처로 구성되어 있기 때문에 다운컨버터와 디지털 모듈을 추가하여 다채널 리시버 설정을 지원할 수 있습니다. PXIe-5668 VSA는 로컬 오실레이터(LO)와 기타 타이밍 신호를 여러 모듈에서 공유하는 기능을 제공하며 각 RF 채널 사이에서 위상 응집을 지원합니다. 다채널 리시버의 위상 응집은 방향 탐지, 빔포밍(beamforming), MIMO (multiple input, multiple output) 장비 테스트 등의 어플리케이션에서 매우 중요합니다. 그림 9는 2채널 RF 신호 분석기의 설정 예를 보여줍니다.

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

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

PXIe-5668은 두 개의 서로 다른 신호 경로를 사용하여 넓은 순간 대역폭과 동급 최고의 RF 성능을 모두 제공합니다. 3.6GHz 이하의 저대역 경로에서는 3단계 수퍼헤테로다인 설계에 전치 증폭을 선택 적용합니다. 3.6GHz 이상의 고대역 경로에서는 2단계 설계에 사전 선택을 위한 YTF(yttrium-iron-garnet tuned filter)를 함께 사용합니다.   

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

그림 10. PXIe-5668의 단순화된 블록다이어그램

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

3.6GHz의 높은 대역에서는 YTF가 3.6GHz – 26.5GHz 에서 사전 선택기 역할을 하는데, 스펙트럼 분석에서는 기본적으로 YTF가 활성화됩니다.  초광대역 벡터 신호 분석에서는 YTF를 비활성화하여 765MHz의 전체 계측기 대역폭을 활용할 수 있습니다.

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

PXIe-5624 디지타이저의 광대역 아날로그 프런트엔드는 수퍼헤테로다인 리시버 아키텍처에 최적화되어 있습니다. IF 신호를 IQ 데이터로 변환하는 온보드 디지털 다운컨버터(DDC)도 내장하고 있습니다. 그 결과 PXIe-5624는 PXIe-5668 VSA의 일부 또는 독립 IF 디지타이저로 사용할 수 있습니다.

PXIe-5668은 다양한 분야에서 이상적인 고성능 26.5GHz VSA입니다. 뛰어난 아날로그 성능, 초광대역폭, 최상의 유연성을 골고루 갖추고 있어 ACLR 측정부터 레이더 검증, 스펙트럼 모니터링에 이르는 여러 가지 까다로운 측정 어플리케이션 문제를 해결할 수 있도록 지원합니다.

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