NI PXI를 사용한 RF 프런트 엔드 테스트

^{그림 1: 일반적인 휴대폰 레이아웃은 무선 통신을 가능하게 하는 많은 구성요소로 구성됩니다.}

안테나

휴대폰에 서로 다른 안테나를 통합하는 것은 어려울 수 있습니다. 표준 마다 주파수가 다른 경우, 최상의 성능을 얻으려면 특정 안테나를 선택하여 사용하는 것이 가장 좋습니다. 경우에 따라, 필터링을 사용하거나 비이상적인 안테나 길이로 인한 손실을 예상하여 안테나를 공유할 수 있습니다. 여러 국가에서 서비스를 제공하기 위해 여러 대역을 제공해야 하는 경우의 일반적인 휴대폰을 예로 들어 봅시다. 가령 최저 380 MHz에서 최고 1,900 MHz의 GSM 대역을 지원해야 할 수 있습니다. 무선 신호의 파장 계산을 기반으로 안테나 길이를 결정할 수 있습니다.

따라서 단순화된 다이폴 안테나 설계 공식에 따라 7.5 cm에서 37 cm까지 다양한 안테나 길이를 갖게 됩니다.

안테나의 공유 외에 휴대폰 제조업체가 안고 있는 또 다른 과제는 나머지 전자 부품의 임피던스와 비교한 안테나의 임피던스입니다. 안테나가 금속 테이블 또는 기타 간단한 접지 처럼 비이상적 매체와 접촉하기 때문에 안테나의 전기 임피던스에 변동이 발생합니다. 이 임피던스는 신호 반사를 일으키거나 더 악화시켜 휴대폰의 전원 관리를 어렵게 만듭니다. MEMS (마이크로 전자 기계 시스템, Microelectromechanical Systems)와 같은 새로운 기술은 이러한 임피던스 변화를 매우 빠른 속도로 기계적으로 제어할 수 있을 것으로 기대됩니다.

듀플렉서

듀플렉서를 사용하면 기본 셀룰러 신호의 송수신이 모두 동일한 공유 안테나에서 발생할 수 있습니다. 휴대폰에서, 듀플렉서는 빠른 스위칭 디바이스처럼 작동합니다. 기지국에서 받은 신호는 일반적으로 저노이즈 증폭기 (LNA)를 거쳐 게인을 추가한 후 RF 트랜시버에 의해 하향 변환되고 마지막으로 기저대역 프로세서로 전달됩니다 (그림 2). 생성된 신호는 PA를 거쳐 기지국으로 다시 전송하기 위해 게인을 추가합니다.

^{그림 2: 휴대폰이 왼쪽 이미지에서 RF 신호를 수신하고 오른쪽 이미지에서 RF 신호를 생성합니다.}

전력 증폭기

휴대폰에서 가장 중요한 부품 중 하나는 전력 증폭기 (PA)입니다. PA는 생성된 RF 신호에 게인을 더합니다. 표준에 따라 이것은 휴대폰에서 최대 30 dBm 또는 1와트의 전력을 출력합니다. 이는 휴대폰의 다른 부품보다 배터리 수명에 더 많은 영향을 미치므로 효율성을 최대화하도록 특별히 주의를 기울여야 합니다.

RF 트랜시버

RF 트랜시버는 기저대역 프로세서의 주요 프런트 엔드입니다. 선택한 RF 주파수로부터 신호를 일반적으로 100 MHz 미만의 중간 주파수로 하향 변환하고, 흔하게는 추가적인 신호 처리를 통해 기저대역 (0 Hz)으로 변환하여 원래 전송된 복잡한 데이터를 얻습니다. 또한 일반적으로 I/Q 변조기를 통해 프로세서의 기저대역 데이터를 직접 RF 주파수로 상향 변환합니다.

기저대역 프로세서

이 백서의 초점은 아니지만 이 부품을 기능을 이해하는 것은 중요합니다. 기저대역 프로세서는 RF 트랜시버에서 캡처된 데이터를 수집하고 복조 및 기타 신호 처리를 통해 원시 데이터를 추출합니다. 이 내용에는 오디오 정보에서 비디오, 또는 웹 서핑을 위한 브라우저용 정보에 이르기까지 모든 것이 포함될 수 있습니다. 또한 신호 처리와 데이터 변조를 통해 그 반대도 수행합니다. 데이터의 물리적 계층 부분만 관리하는 것 외에도 휴대폰이 기지국과 통신하기 위한 신호 요구 사항도 다룹니다.

PA와 같은 RF 프런트엔드 디바이스와 다른 모바일 디바이스 부품 사이 한 가지 차이점은 제조 방식입니다. 실리콘 (Si)은 마이크로파 신호에 대한 특성이 좋지 않기 때문에 RF 디바이스에는 일반적으로 사용되지 않습니다. 대신 PA 및 기타 RF 프런트엔드 디바이스는 가장 일반적인 반도체 화합물인 비화갈륨 (GaAs)으로 만들어집니다. 그러나 최신 디바이스는 인화인듐 (InP), 실리콘 게르마늄 (SiGe) 및 질화갈륨 (GaN)도 사용하고 있습니다. 이러한 화합물은 더 빠른 트랜지스터 접합과 더 높은 주파수 신호에 대한 허용성이라는 이점을 가지고 있습니다. 단점은 제조 비용이 더 많이 들고 웨이퍼 크기가 더 작다는 것입니다. 이러한 이유로 마이크로파 디바이스를 실리콘으로 바꾸기 위한 많은 연구와 개발이 이루어지고 있습니다.

모든 부품이 포함된 휴대폰을 개발할 때, 적절한 테스트를 하지 않으면 많은 문제 또는 에러가 발생할 수 있습니다. 이러한 에러는 복합적으로 작용하여 휴대폰의 전반적인 성능을 저하시킬 수 있습니다. 따라서 각 구성요소를 테스트하여 품질을 확인하고 전체 휴대폰 자체를 테스트하여 적절한 통합을 확인하는 것이 중요합니다. 일반적으로 반도체 부품에 대한 테스트는 패키징된 후에 수행됩니다. 그러나 새로운 웨이퍼 개발 및 프로세스 비용으로 인해 패키징 전에 실리콘과 관련된 문제를 파악하는 것이 더욱 중요해지고 있습니다.

이러한 일반적인 테스트 중 다수는 반도체 디바이스의 문제를 파악하는 데 가장 효과적인 것으로 입증된 것들입니다. 특성화 테스트의 경우, 칩의 기능에 대한 통찰력을 제공할 수도 있습니다. 다음 섹션에서는 특성화, 생산 또는 둘 다에 적합한 테스트에 대해 설명할 것입니다. 일부 테스트는 패키지된 칩과 웨이퍼 레벨 테스트 모두에 사용됩니다.

테스트는 다섯 가지 범주로 나눌 수 있습니다. RF 전력 측정, 스펙트럼 측정, 네트워크 분석, 변조 정확도 측정 및 DC 측정이 바로 그것입니다.

RF 전력 측정

Tx 전력 또는 전송 전력은 아마도 디바이스에 대해 수행되는 가장 일반적인 측정일 것입니다. 디바이스의 출력 전력은 설계를 준수해야 합니다. 전력계, 벡터 신호 분석기 (VSA), 벡터 네트워크 분석기 (VNA)를 포함한 다양한 측정 장비를 사용하면 이를 측정할 수 있습니다.

PVT (전력 대 시간)는 신호의 버스트 전력과 평균 전력을 측정합니다. 일반적으로 GSM 또는 WLAN과 같은 버스트 RF 신호에 사용됩니다. 종종 신호를 테스트할 수 있도록 하기 위해 신호 주위에 마스크를 배치합니다.

^{그림 3: PVT 측정은 일반적으로 버스트 신호에 사용됩니다.}

게인은 PA에서 중요한 측정입니다. 게인 = P_입력 – P_출력이며 여기서 P_입력은 증폭기에 대한 입력 전원이고 P_출력은 증폭 후 결과로 나오는 출력 전원입니다. 일반적으로 우수한 교정 기술을 사용하여 알려진 입력 전력을 가지고 이를 기준 P_입력으로 사용할 수 있습니다. 전력계 같은 매우 정확한 디바이스는 P_출력을 측정합니다. VSA와 같은 일부 측정 제품은 상대 게인을 측정하는 경우 게인도 측정할 수 있습니다.

반사 손실은 신호가 RF 프런트엔드 디바이스를 통과할 때 원 신호의 반사에 대한 통찰력을 제공합니다. 이는 최상의 임피던스 선택을 위해 전압 정재파비 (VSWR)를 측정할 때 특히 중요합니다. 입력 신호와 출력 신호의 비율을 참조하기 때문에 일반적으로 VNA 로 측정됩니다. 어떤 경우에는 벡터 신호 생성기 (VSG), VSA 및 커플러를 사용할 수 있지만 이 하드웨어의 시스템 교정을 수행할 때는 주의가 필요합니다.

전력 효율은 PA가 모바일 디바이스의 배터리 전원을 얼마나 잘 사용하는지를 결정하기 때문에 PA 측정에서 보다 중요한 것 중 하나입니다. 효율이 높을수록 배터리 수명이 길어지므로 디바이스 제조업체에 이상적입니다. 디바이스가 고게인 증폭기인지 여부에 따라 몇 가지 다른 방법으로 전력 효율을 계산할 수 있습니다.

여기서 P_출력은 증폭기로부터 측정된 전력이고, P_DC는 배터리 소스 또는 배터리 시뮬레이터로부터 공급된 전력이며, P_입력은 일반적으로 컨트롤러 톤 또는 연속 웨이브폼 (CW)인 입력 전력입니다.

1 dB 압축도 중요한 측정입니다. PA는 최대 출력 레벨까지 구동되면서 결국 비선형이 되기 때문에 이상적인 선형 출력에서 벗어나기 시작합니다. 이 편차는 그림 4에 가장 잘 나타나 있습니다.

^{그림 4: 1 db 압축은 이상적인 선형 증폭기와 실제 증폭기가 1 dB 차이 나는 지점입니다.}

전원 입력 또는 P_입력을 증가시키면 PA가 포화하기 시작하여 P_포화라는 최대 전원 출력에서 평탄해집니다. 이 때 이상적인 선형 증폭기와 실제 증폭기가 1 dB 차이 나는 지점을 1 dB 압축이라고 합니다. 신호는 자연적 포화점에 의해 압축됩니다. PA 설계에서는 이 레벨에 가까워졌을 때의 전력 효율 때문에 이 1 dB 점에 최대한 가깝게 갈 수 있게 하는 것이 이상적입니다.

서보잉은 PA 고유의 개념입니다. 교정된 출력 전력을 알아야 하기 때문에 전력 제어 기술을 사용하여 이 최종 게인 양을 결정합니다. 이는 원하는 출력 전력을 캡처하는 제어 루프를 만들고 해당 출력 전력에 도달할 때까지 발전기 전력을 제어하여 이뤄집니다. 간단히 말해서, 비례 제어 루프를 사용하여 출력 전력 레벨이 원하는 전력과 수렴할 때까지 전력 레벨을 앞뒤로 조절하는 것입니다.

^{그림 5: PA 서보잉에서 제어 루프는 출력 전력 레벨과 원하는 전력이 수렴될 때까지 전력 레벨을 앞뒤로 바꿉니다.}

TOI (3차 교차점, Third-order Intercept)와 IM3 (혼변조 왜곡, Intermodulation Distortion)는 RF 시스템의 선형성을 계산하는 데 사용되는 밀접하게 연관된 두 가지 스펙입니다. 두 스펙 모두 계측기의 전력 대비 3차 왜곡의 레벨과 관련한 통찰을 제공합니다. 3차 왜곡은 원래 신호와 간섭을 일으켜 신호 대 노이즈비 특성을 낮출 수 있습니다. 이는 더 높은 차수 또는 더 복잡한 변조 방식이 시스템에서 제대로 작동하기 어렵게 만듭니다.

고조파는 또한 디바이스의 출력에 영향을 미칠 수 있기 때문에 측정하는 것이 중요합니다. 이는 다른 RF 신호를 간섭하거나 연방 통신 위원회 (Federal Communications Commission) 또는 기타 정부 통신 기관의 규정 준수 문제를 일으킬 수 있습니다. 다양한 표준에 대해 7차까지 고조파를 측정할 수 있습니다. 예를 들어, 1,800 MHz PCS 대역의 고조파를 7차까지 측정할 수 있으며, 이는 약 12.6 GHz 입니다.

스퍼또한 일반적으로 설계 중에 측정됩니다. 이는 신호 대 노이즈비 (SNR)에 영향을 미치므로 측정된 스펙트럼에서 이를 제거하도록 설계가 수정됩니다.

스펙트럼 측정

인접 채널 전력은 특정 채널과 두 개의 인접 채널이 전력을 분배하는 방식을 측정합니다. 채널의 총 전력과 둘러싼 상위 및 하위 채널의 총 전력을 계산하면 이 측정을 수행할 수 있습니다. 측정 기술 표준에 따라 인접 채널 전력 측정에는 여러 기준이 존재합니다. 예를 들어, CDMA (Core Division Multiple Access) 무선 표준에서는 전송파가 4.096 MHz 대역폭 내에 있어야 합니다. 또한 5 MHz 오프셋에서 측정된 인접 채널 전력은 채널 내 평균 전력보다 최소 70 dB 낮아야 합니다.

ACLR (인접 채널 전력 누출 비)은 인접 채널 전력 레벨에 대한 반송파 전력의 비율입니다. 이것은 광대역 CDMA 측정에 가장 일반적으로 사용됩니다. 다른 표준에서는 일반적으로 ACPR (인접 채널 전력비)이라고도 합니다. 이 측정을 하는 주된 이유는 다음 두 가지입니다. 이것은 관심 반송파 외부의 다른 스펙트럼에 영향을 미칠 수 있는 모든 인접 채널 간섭을 측정하며, 더 중요하게는 이 반송파가 추가한 3차 혼변조 왜곡을 측정하는 또 다른 방법입니다. 그림 6은 주어진 WCDMA 신호에 대한 이러한 측정을 보여줍니다.

^{그림 6: 이 WCDMA 웨이브폼은 ACPR 또는 ACLR를 보여줍니다.}

출력 RF 스펙트럼 (ORFS)은 3GPP 스펙에 정의된 변조 및 스위칭으로 인한 이동국 송신기의 채널외 스펙트럼 에너지 분포에 대한 정보를 제공하는 협대역 측정입니다. 이 측정은 데이터 송수신에 GMSK 변조 (위상만)가 사용되는 GSM, GPRS 및 EGPRS에 일반적으로 사용됩니다.

ORFS 측정은 반송파 주파수에서 오프셋된 다양한 주파수에서의 전력을 계산하여 버스트가 다른 주파수 대역으로 얼마나 누출되는지 확인합니다. 각 오프셋의 전력은 반송파 전력으로 재참조되며 dBc 단위로 보고됩니다.

ORFS 측정에는 두 가지 유형이 있습니다. 변조 ORFS 측정은 버스트 중심의 주파수 성분을 검사하는 반면, 스위칭 ORFS 측정은 버스트의 램프 업 및 램프 다운 부분의 주파수 성분을 측정합니다. 일반적으로 주어진 주파수에서 스위칭 ORFS가 변조 ORFS보다 더 높은 값을 보고합니다. 3GPP 스펙에서는, 선별된 주파수 오프셋이 변조 및 스위칭에 사용됩니다.

• 변조: +/-200 kHz, +/-250 kHz, +/-400 kHz, +/- 600 kHz, +/-1.2 MHz, +/-1.8 MHz
• 스위칭: +/-400 kHz, +/-600 kHz, +/-1.2 MHz, +/-1.8 MHz

^{그림 7: 이것은 GSM 신호의 ORFS입니다.}

QPSK 또는 16QAM과 같은 진폭 및 위상 변조를 도입할 때는 EVM (에러 벡터 크기) 측정을 대신 사용하는 것이 일반적입니다.

보완 누적 분포 함수 (CCDF)는 신호의 전력 특성을 분석하는 데 사용할 수 있는 통계적 측정 방법입니다. 이는 정의된 시간 동안 특정 전력 레벨에서 신호가 머무르는 시간을 보여줍니다. CDMA 또는 WCDMA 신호에서는 고전력 피크가 신호 전송과 함께 드물게 발생합니다. 이러한 피크는 적절한 데이터 전송에 필요한 것이지만, 너무 오래 지속되면 PA 디바이스에서 압축 현상이 나타난 것일 수 있습니다. 이는 그림 8의 그래프에서 확인할 수 있습니다. 이 그래프는 주어진 시간 동안 정상 피크 전송보다 더 많은 피크 전송을 보여줍니다.

^{그림 8: 보완 누적 분포 함수}

네트워크 분석

전압 정재파 비율 (VSWR)은 다음 공식과 같이 결과적인 간섭파의 최대 진폭과 최소 진폭의 비율입니다.

  여기서p는 다음과 같이 정의된 반사 계수입니다.

A = 반사파, R = 입사파

^{그림 9: p 또는 반사 계수의 정의}

전송 라인을 따라 임피던스 불일치가 발생하면 전파 신호가 부분적으로 반사됩니다. 임피던스 차이는 반사의 크기를 결정합니다. 일치하지 않는 섹션의 길이는 해당 섹션에서 반사되는 가장 낮은 신호 주파수를 결정합니다. VSWR은 해당 신호 반사를 측정한 것입니다.

반사 손실도 VSWR과 같은 반사 측정값이지만 일반적으로 dB로 표시됩니다. 위와 똑같은 반사 계수를 사용하여 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

반사 손실 (dB) = –20 log (p)

PA와 같은 RF 프런트엔드 디바이스에서 가장 일반적인 순방향 반사 손실, 또는 RF 트랜시버에 사용할 수 있는 역방향 반사 손실을 측정할 수 있습니다.

변조 정확도 측정

위상 및 주파수 에러 (PFER)는 GSM, GPRS 및 EGPRS 신호에 대한 일반적인 측정값입니다. 변조된 신호는 진폭 변화 없이 전적으로 동위상을 기반 (GMSK)으로 하기 때문에 해당 위상의 품질과 그에 따른 변조 품질을 확인할 수 있는 측정 방법이 필요합니다. RMS (root-mean-square)와 피크 위상이 모두 일반적으로 측정됩니다. RMS 위상 에러는 전체 버스트에 걸친 위상 에러의 RMS 평균을 나타내는 반면, 피크 위상 에러는 버스트에서 측정된 최악의 위상 에러를 나타냅니다.

에러 벡터 크기 (EVM)는 장애가 있을 때 복조기의 성능을 측정한 것입니다. 수신된 기호의 에러 벡터는 I/Q 평면에서 수신된 심볼과 이상적인 심볼 위치 사이의 벡터로 정의됩니다. EVM을 계산하려면, 에러 벡터의 크기와 기대 성좌점 크기 사이의 비율을 취합니다.

MER (변조 에러 비율)은 디지털 변조된 신호의 신호 대 노이즈비 (SNR)를 측정한 것입니다.

DC 측정

전류는 RF 프런트엔드의 여러 부분에서 측정될 수 있습니다. 디바이스에 전원을 공급하는 공급 전압에서 측정할 수 있습니다. 또한 디지털 라인의 액세서리 채널, 즉 V_램프또는 모드 및 주파수 제어 라인에서 측정할 수도 있습니다.

누출 전류 측정은 RF 프런트엔드와 같은 반도체 디바이스에서 종종 이뤄집니다. 누출 전류 측정은 반도체 디바이스의 핀 간 절연을 확인하는 데 도움이 됩니다. 소스 측정 유닛 (SMU)을 사용하면 주어진 핀의 누출 전류를 측정할 수 있습니다.

V_감지 측정은 PA의 출력 제어 라인에 대한 전압 측정입니다. 이 V_감지는 디바이스의 배터리에 대한 제어 신호를 출력하여 PA의 V_배터리에 필요한 전력량을 나타냅니다.

^{그림 10: 이것은 일반적 모바일 디바이스 PA가 어떻게 생겼는지 보여줍니다.}

모바일 디바이스 대역의 큰 차이로 인해 PA에는 RF 입력 (1)과 (2) 두 개 이상의 서로 다른 입력이 있습니다. 예를 들어, GSM은 800 MHz 범위와 1.8 GHz의 PCS 범위에서 작동할 수 있습니다. 이를 위해서는 주파수 차이를 처리할 수 있는 별도의 증폭이 필요합니다. 또한 차세대 모바일 디바이스용 멀티모드 PA는 종종 GSM을 WCDMA 또는 LTE와 같은 다른 표준과 혼합합니다. PA에는 4개 이상의 입력이 있을 수 있습니다. 이 경우, 모드는 서로 다른 주파수를 갖는 고대역과 저대역으로 구분되며, 증폭 효율을 최적화하기 위해 서로 다른 표준에서 서로 다른 입력을 가집니다.

V_배터리는 배터리 또는 배터리 시뮬레이터 계측기에서 PA로 공급되는 전원입니다.

V_램프는 PA의 게인을 제어하는 데 도움이 되는 제어 입력 라인입니다. 신호 프로파일이 중요한 버스트 GSM/GPRS/EDGE/EDGE+ 신호의 경우 특히 중요합니다.

복잡도에 따라, PA는 스위칭 전력 제어 (Mode/Band/SPI)를 위한 별도의 모드 및 대역 제어 라인을 포함할 수 있습니다. 예를 들어, 모드 제어가 GSM 모드에서 EDGE 모드로 바뀔 수 있습니다. 대역은 PA가 작동할 수 있는 다양한 주파수 대역에 맞게 조정됩니다. 이를 위해 차세대 PA에서는 SPI (시리얼 주변 장치 인터페이스, Serial Peripheral Interface)와 새로운 고속 직렬 인터페이스인 MIPI를 사용하는 경향이 있습니다. SPI 및 MIPI는 PMIC (전원 관리 IC), CPU 및 휴대폰의 기타 칩을 통해 통합할 수 있는 고속 디지털 컨트롤 인터페이스를 사용합니다.

입력과 유사하게, 오늘날 PA에는 RF 출력 (1)과 (2)의 두 개 이상의 출력이 있습니다. 이들은 서로 다른 주파수 대역용입니다. 최신 PA의 추세는 여러 표준, 모드 및 주파수를 사용하는 것입니다.

V_감지는 디바이스의 배터리에 대한 제어 신호를 출력하여 PA의 V_배터리에 필요한 전력량을 나타냅니다.

특성화 및 생산 테스트를 위해 RF 프런트엔드 디바이스와 연결할 때는 일반적으로 여러 장비를 사용합니다. 다음 섹션에서는 가장 일반적인 계측과 이를 RF 프런트엔드 디바이스와 연결하는 방법에 대해 설명합니다.

^{그림 11: 이 계측기 모음은 RF 프런트엔드 디바이스 테스트를 위한 전통적 테스트 설정입니다.}

스펙트럼 분석기는 모든 RF 디바이스 개발 실험실 또는 시설에서 널리 사용됩니다. 알 수 없는 신호에 대한 뛰어난 전력 측정을 제공하며 RF 신호 캡처를 위해 쉽게 설정할 수 있습니다. RF 프런트엔드 테스트에서는 일반적으로 스퍼 및 고조파 테스트와 같이 더 높은 주파수의 RF 신호 캡처에 사용됩니다. WLAN 디바이스를 7차 측정해야 하는 경우 최대 40 GHz까지 측정할 수 있는 분석기가 필요합니다. 분석기에는 네이티브 대역 통과 필터가 없기 때문에 1차 반송파 입력에 외부 필터를 추가하여 고조파 또는 스퍼를 측정하기에 충분한 동적 범위를 갖는 것이 일반적입니다. 셀룰러 대역 또는 WLAN, Bluetooth, ZigBee 등의 무선 네트워크 대역에서는 서로 다른 필터 뱅크가 사용되는 경우가 많습니다.

벡터 신호 분석기 (VSA)는 RF 프런트엔드 디바이스 테스트를 위한 가장 중요한 테스트 장비 중 하나입니다. 전력 측정을 위한 스펙트럼 분석기와 유사하게, 변조 정확도 측정에 중요한 위상 정보를 측정할 수 있습니다. 이 위상 및 크기 캡처 기능 외에도, RF 신호의 매우 빠른 디지털화 (하향 변환 후 수행) 기능이 있어 신호를 동적으로 캡처할 수 있습니다. 이것은 WCDMA 또는 WLAN과 같은 스펙트럼 확산 기술에서 선호됩니다. 연속 위상 정보와 함께 30 MHz의 대역폭이 필요할 수 있습니다. VSA는 PA의 RF 출력 (1)과 출력 (2)에 연결됩니다 (그림 10 참조).

연속파 (CW) 생성기라고도 하는 RF 함수 생성기는 정확한 RF 신호를 제공하여 RF 프런트엔드 디바이스에 입력합니다. 이러한 발생기는 일반적으로 시스템 교정에 사용되거나 IMD 및 IP3용 멀티톤 생성을 위해 또는 인접 채널 간섭자로 결합됩니다.

벡터 신호 생성기 (VSG)는 RF 프런트엔드 디바이스 개발을 수행하는 실험실 또는 시설에서 가장 일반적인 유형의 생성기입니다. 전력과 주파수 모두에 대한 제어된 RF 신호 출력뿐만 아니라 위상 제어된 출력 신호도 제공합니다. 이는 일반적으로 슈퍼헤테로다인 아키텍처 또는 I/Q 변조기 아키텍처를 통해 수행됩니다. 또한 VSG를 시스템 교정, 멀티톤 생성 및 인접 채널 간섭에 사용할 수도 있습니다. 그러나 더 중요한 것은 변조된 신호를 RF 프런트엔드 디바이스로 제공할 수 있다는 것입니다. 이는 신호가 디바이스를 통과한 후 신호의 변조 정확도를 테스트하는 데 필수적입니다. VSG는 PA 디바이스의 RF 입력 (1)과 입력 (2)에 연결됩니다 (그림 10 참조).

벡터 네트워크 분석기 (VNA)는 RF 프런트엔드 디바이스 실험실의 다른 계측기만큼 일반적이지 않지만, 일부 측정에 중요한 기능이 있습니다. 주로 반사 손실, 삽입 손실, VSWR과 같은 반사 및 전송 측정에 사용됩니다. 이는 매우 우수한 상대 정확도를 가지며, 이는 위의 비율 측정에 중요합니다. 때때로 외부 커플러가 CW 생성기 및 스펙트럼 분석기와 함께 사용되지만 VNA와 같은 정확도를 제공하지는 않습니다.

RF 스위치는 특히 고가의 생성기 또는 분석기의 추가 비용 없이 디바이스에 더 많은 RF 채널을 추가하려고 할 때 쓰일 수 있습니다. RF 신호의 엄격한 스펙 때문에, RF 프런트엔드 디바이스 테스트에서 전자 기계 스위치를 사용하는 것이 가장 일반적입니다. 반도체 디바이스가 발전함에 따라 반도체 디바이스를 솔리드 상태 스위치(Solid State Switch)로 대체할 수 있을 것이며, 이는 스위칭 수명과 속도를 증가시킬 것입니다.

고속 디지털 분석기/생성기 (HSDIO)는 모드 (CDMA 또는 LTE와 같은 표준), 주파수 대역 및 기타 디바이스 설정을 변경할 수 있도록 RF 프런트엔드 디바이스를 제어합니다. 모바일 디바이스가 더욱 정교해짐에 따라 모든 칩 사이에서 공통 통신 프로토콜을 제공하기 위해 MIPI와 같은 표준이 채택되고 있습니다. HSDIO는 MIPI 및 SPI 프로토콜에 대한 간단한 정적 명령 또는 고속 시리얼 명령을 제공할 수 있습니다. 이는 디지털 인터페이스가 기존의 병렬 디지털 인터페이스보다 더 빠른 속도의 직렬 인터페이스로 전환됨에 따라 더욱 필요해질 것입니다. HSDIO는 PA 디바이스의 모드/대역/SPI 포트에 연결됩니다 (그림 10 참조).

임의 웨이브폼 생성기 (AWG)는 PA의 V_램프 신호를 제어합니다. 많은 RF 신호가 연속 전송이 아닌 버스트 신호이므로 신호의 정확한 프로파일을 생성하는 것이 중요합니다. V_램프 제어 라인 (그림 10 참조)은 AWG에 연결됩니다. V_램프는 PA의 게인 제어 프로파일을 담당합니다. AWG를 사용하면 아날로그 웨이브폼을 완벽하게 제어하여 합성할 수 있습니다. 100 MS/s 또는 더 빠른 AWG를 사용하면 다양한 종류의 맞춤형 램프 프로파일을 쉽게 얻을 수 있습니다.

배터리 시뮬레이터는 RF 프런트엔드의 1차 전원을 위한 것입니다. 모바일 디바이스 PA에서 이 전류는 증폭하는 신호의 표준과 주파수에 따라 3A 이상일 수 있습니다. 전원 공급 장치의 또 다른 중요한 요구 사항은 버스트 RF 신호의 올바른 전원 프로파일을 보장하기 위해 빠른 과도 응답을 갖는 것입니다. 그림 10의 V_배터리는 일반적으로 특히 GSM 또는 이와 유사한 버스트에 민감한 신호의 경우, 배터리 시뮬레이터에서 공급됩니다.

소스 측정 유닛 (SMU)은 RF 프런트엔드 디바이스에 일반적으로 사용되는 특수 배터리 공급 장치입니다. 이는 나노암페어 이하의 전류 범위에서 리드백 기능을 제공한다는 점에서 표준 전원 공급 장치와 다릅니다. 또한 사분면 작동을 제공하여 신호 전력의 소싱 또는 싱킹을 지원합니다. SMU는 RF 프런트엔드 디바이스의 여러 라인과 연결될 수 있습니다. 그림 10에서 V_램프, V_감지, V_배터리와 이는 전류 및 라인 성능을 측정하기 위한 모드/대역/SPI 포트가 될 수 있습니다. 생산 테스트에서 SMU는 HSDIO와 결합되어 PPMU (핀당 전력 측정 유닛)라는 제품을 만들 수 있습니다. 이 디바이스는 일반적인 HSDIO 계측기와 동일한 기능을 가지고 있지만 SMU와 같은 전력 및 측정 기능도 갖추고 있습니다. 일반적으로 SMU 자체만큼 정확하지는 않지만 훨씬 더 밀도가 높은 채널 수를 가질 수 있습니다.

디지털 멀티미터는 아마도 실험실에서 가장 일반적인 계측기 중 하나일 것이며 RF 프런트엔드 디바이스 실험실에서도 볼 수 있습니다. SMU만큼 중요하지는 않지만 여러 라인의 전압 강하 또는 동일한 제어 및 모니터링 라인의 여러 부분에서 누출 전류를 측정할 수 있습니다. 디지털 멀티미터는 SMU만큼 정확한 전류 및 전압 측정을 할 수 있습니다.

오실로스코프 또는 디지타이저는 시간 도메인 측정용입니다. RF 프런트엔드 디바이스에 대해서는, 특히 높은 샘플링 속도를 갖추고 있기 때문에 유용한 문제 해결 도구입니다. 그림 10의 V_감지 라인은 빠르게 변하는 값 때문에 디지타이저를 사용하여 측정됩니다.

RF 프런트엔드 디바이스에서는 전력계가 중요합니다. RF 전력 정확도는 실험실에서 이 디바이스를 통해 발전합니다. 일반적으로 스펙트럼 분석기 또는 VSA 보다 10배 더 나은 전력 정확도를 제공합니다. 다른 종류의 아키텍처를 사용하여 전력을 수집하며, 이 아키텍처로 인해 일반적으로 전력 범위가 제한됩니다. 그러나 시스템 교정에서 참조로 자주 사용되며, 따라서 범위를 벗어난 측정과, 더 빠르게 측정도 가능합니다. RF 프런트엔드 디바이스는 올바른 파워 레벨 출력을 보장하기 위해 전력계를 사용하여 직간접적으로 특성화되어야 합니다.

로드 풀은 RF 프런트엔드 디바이스 실험실의 다른 계측기만큼 흔하지는 않지만, 실제 시뮬레이션을 위한 중요한 장비입니다. 일반적으로 PA에 연결된 안테나의 임피던스는 환경에 따라 다릅니다. 금속 구조물 근처에 있거나 카시트에 기대어 세워져 있을 수 있습니다. 이는 RF 프런트엔드 디바이스와 안테나 사이의 조정 임피던스에 영향을 미칩니다. 이는 이어서 VSWR을 증가시켜 RF 프런트엔드가 보상을 위해 더 많은 전력을 제공하여 배터리를 더 빨리 소모시키도록 합니다. 로드 풀은 RF 입력 또는 출력의 임피던스를 조정하여 이 조건을 시뮬레이션합니다. 이를 통해, PA를 더 강력하게 설계하여 배터리가 과도하게 소모되는 것을 방지할 수 있습니다.

증폭기가 종종 RF 프런트엔드 디바이스의 압축 테스트에 필요한 더 높은 전력 조건을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 대부분의 발생기 (CW 또는 VSG)는 출력 전력 레벨이 +10 dBm 이하로 낮습니다. RF 프런트엔드 디바이스에 대한 더 높은 전력 입력을 시뮬레이션하려면 이 신호를 종종 +18 또는 +20 dBm까지 증폭해야 합니다. CW 또는 VSG에서 생성된 RF 신호는 증폭기를 통과하여 적절한 게인을 출력합니다.

이제 RF 프런트엔드 테스트에 사용되는 다양한 측정, 구성요소 및 계측에 대해 더 잘 이해했으므로, PXI 기반 시스템을 사용할 때 이것이 어떤 모습인지 확인할 수 있습니다.

^{그림 12: 이 시스템은 RF 프런트엔드 디바이스를 테스트하기 위해 설정되었습니다.}

다음 제품은 기본적인 PXI 기반 RF 프런트엔드 디바이스 테스트를 구성합니다.

• PXI 컨트롤러—빠른 병렬 또는 복합 측정을 위한 멀티코어 임베디드 프로세서

• HSDIO—모든 디지털 컨트롤 신호용 HSDIO, 최대 20개 라인에서 SPI, MIPI, I²C, 사용자 정의 디지털 및 정적 디지털 제어와 함께 작동 가능

• AWG—16비트 분해능, 내장 스크립팅 및 정밀한 V_램프 제어를 위한 트리거링을 갖춘 임의 웨이브폼 생성기

• 배터리 시뮬레이터—RF 모바일 디바이스 테스트용으로 제작된 특수 전원 공급 장치, 버스트 RF 신호에 대한 초고속 과도 응답

• RF 벡터 신호 생성기—2G에서 4G까지의 셀룰러 신호와 WLAN과 같은 무선 네트워크 신호를 지원하는 100 MHz 폭의 VSG

• RF 벡터 신호 분석기—2G에서 4G까지의 셀룰러 신호와 WLAN과 같은 무선 네트워크 신호를 지원하는 50 MHz 폭의 VSA

• 디지타이저—최대 43 MHz의 대역폭에서 V_감지신호 또는 기타 빠른 과도 신호를 캡처하기 위한 고분해능 디지타이저

^{그림 13: 이 다이어그램은 일반적인 설정에서 사용되는 장비를 보여줍니다.}

• RF 전치 증폭기 (RF Preamplifier)—최대 50 dB 게인의 프로그래밍 가능한 전치 증폭기/증폭기, NI PXIe-5673E의 출력을 +21 dBm까지 높일 수 있으며, 이는 PA의 1 dB 압축 테스트에 중요. +21 dBm을 초과하는 경우, 대안은 외부 증폭기

• RF 스위치—생성기 및 분석기 채널을 전환하기 위한 여러 RF 스위치 중 하나 (대부분의 디바이스에서 다중 대역이 지원되므로 RF 프런트엔드 디바이스까지의 경로가 두 개 이상 필요합니다. 생성기와 분석기를 더하는 대신 고품질 스위치를 자동화하여 입력과 출력을 변경할 수 있습니다.)

^{그림 14: 보다 전문화된 테스트는 소스 튜너와 로드 튜너 (로드 풀)를 사용하여 비선형 동작과 입력/출력 임피던스 변화를 테스트합니다.}

• VNA—RF 프런트엔드 디바이스의 삽입 손실, 반사 손실 및 VSWR을 측정하기 위한 2포트 VNA (그림 14는 VNA의 연결을 나타내는 점선 표시)

• 소스 튜너 및 로드 풀—Maury Microwave 및 Focus Instruments와 같은 회사의 계측기

• 전력계—하나의 유닛에 결합된 독립형 USB 기반 파워 센서, 임피던스 측정 및 시스템 교정을 위한 고전력 정확도

RF 프런트엔드 테스트에서 긴밀한 트리거 및 타이밍 통합을 위해 PXI 폼 팩터 사용하기

RF 프런트엔드 테스트의 중요한 측면은 다양한 테스트를 수행하는 데 필요한 타이밍 및 트리거 통합입니다. 트리거는 PA 디바이스를 테스트할 때 중요한 역할을 합니다. 정밀한 트리거 제어가 없으면 디바이스는 잘못 정렬된 디바이스 전력, V_램프 또는 RF 신호 생성 및 캡처로 인해 잘못된 결과를 내놓을 수 있습니다.

예를 들어, 그림 10의 PA 디바이스를 다시 살펴보십시오. 이 디바이스를 테스트하려면, 여러 라인을 동시에 제어하고 읽어야 합니다. PA의 V_배터리 핀에 전원이 공급되어야 하며, 배터리로 구동되는 디바이스를 시뮬레이션하기 때문에 버스트 전력이어야 하고, 이는 RF 신호가 PA로 보내질 때 입력 트리거되어야 합니다. 또한 신호 V_램프의 게인을 제어해야 하며, 이를 위해서는 일반적으로 AWG로 올바른 램프를 만들어야 합니다. 타이밍을 통해 제어할 필요는 없지만 모드와 주파수도 제어되어야 합니다. 마지막으로, RF 입력 신호는 특정 타이밍 시퀀스를 통해 버스트되어야 합니다. 이것은 그림 15에 잘 나타납니다.

^{그림 15: PA 테스트용 트리거 참조 다이어그램}

어떤 모듈에서나 백플레인을 통해 PXI를 트리거할 수 있으므로, 위에서 언급한 모든 디바이스는 물론 VSA 및 디지타이저와 같은 캡처 전용 디바이스에서도 동일한 트리거 참조를 공유할 수 있습니다 (그림 16). 아니면 VSA와 디지타이저의 경우, NI PXIe-5663의 I/Q 전력 트리거 기능을 사용하여 RF 신호 파워 레벨을 기반으로 수집함으로써 자체 트리거를 참조할 수도 있습니다. 트리거 전 버퍼링된 데이터는 신호 램프 업, 프로파일 및 램프 다운으로 관심 신호를 캡처하도록 설정될 수 있습니다.

^{그림 16: PXI 백플레인은 VSG와 배터리 시뮬레이터 간의 트리거 연결을 보여줍니다.}

PXI의 측정 시간 이점

PXI는 RF 프런트엔드 디바이스 테스트의 기존 계측 장비에 비해 시간을 상당히 절약할 수 있습니다. 테스트 시간은 다음 4가지 영역에서 단축됩니다.

1. 가장 빠른 신호 처리를 위한 최신 기성 프로세서
2. 리얼타임 신호 처리 및 측정을 위한 FPGA 기술
3. 데이터 이동 및 호스트 컨트롤러와의 저지연 통신을 위한 고속 PCI Express 백플레인
4. 최적화된 시스템 설정 및 통신을 위한 유연한 소프트웨어

가장 빠른 신호 처리를 위한 최신 기성 프로세서

PA 테스트를 위한 신호 처리도 더 빠른 CPU의 이점을 얻는 다른 어떤 어플리케이션과 마찬가지의 이점을 얻습니다. RF 신호는 저주파 신호보다 신호 처리 강도가 높기 때문에 테스트 시간이 오래 걸리는 경우가 많습니다. 신호가 하향 변환을 통해 더 높은 주파수에서 들어올 뿐만 아니라 더 많은 광대역 콘텐츠를 포함합니다. LTE 및 802.11ac와 같은 새로운 기술의 등장으로 대역폭은 80 MHz를 쉽게 넘을 수 있어, ADC는 200 MS/s 이상의 속도로 샘플링해야 합니다. 신호가 디지털화되면 변조 정확도 향상 또는 스펙트럼 측정을 위해 기저대역 포맷 (IF 신호에서 디지털 하향 변환이 수행된다고 가정)에서 처리되어야 합니다. 여기에는 펄스 형태 필터 제거, 채널 디코딩, 스펙트럼 측정을 위한 복조 또는 포맷팅이 포함될 수 있습니다. 200 메가 샘플의 데이터를 처리할 때, 이는 많은 처리를 요구하는 작업입니다.

이 처리를 수행하는 보다 일반적인 방법은 멀티코어 프로세서를 사용하는 것입니다. PXI 테스트 시스템은 임베디드 컨트롤러 또는 원격 MXI를 사용하는 기성 PC로 멀티코어 프로세싱을 제공합니다. 멀티코어 프로세서는 클럭 속도가 증가함에 따른 프로세서 발열 문제의 결과로 등장했습니다. 물이나 질소와 같은 보다 정교한 냉각 장치가 없다면 마이크로프로세서의 클럭 속도를 제한할 수밖에 없었습니다. PXI는 계측을 병렬로 실행하고, 멀티스레딩을 사용하고, 복합 측정을 수행하여 여러 코어를 활용합니다.

아래 테이블은 듀얼 코어 프로세서에서 쿼드 코어 프로세서로 갈 때의 테스트 시간 차이를 보여줍니다. 이 측정은 GSM 및 EDGE 신호에 대한 것입니다.

GSM/에지