우주항공과 국방, 무선통신 같은 분야가 발전하면서 시스템 특성화 분석 및 트러블 슈팅은 더욱 어려워지고 있다. 일례로 레이더 및 전자전(EW) 시스템은 더욱 역동적이고 빨라져 전장 상공 수 제곱 마일까지 커버할 수 있게 됐다. 이러한 다중 포맷의 고효율 통신 시스템이 급증하면서 호환성(interoperability)에 대한 요구도 높아지고 있다.
   
신호가 점점 복잡하고 빨라지면서 점차 실시간 스펙트럼 분석이나 타임 캡처(time capture)같은 연속측정방식(gap-free measurement)이 점점 보편화되는 추세이다. 이런 측정 환경에 발맞춰 별도의 측정 장비 없이 기존의 PXA 신호 분석기로 위의 기능을 지원하는 애질런트 솔루션을 소개한다(그림 1).


애질런트 실시간 스펙트럼 분석(real-time spectrum analyzer, RTSA) 기능은 신제품 PXA에 제공되거나, 기존에 사용 중인 사용자라면 PXA 제품을 업그레이드해 사용할 수 있다. PXA 분석기는 구매 후에도 새로운 성능을 업그레이드할 수 있는 최초의 신호 분석기로 사용자는 새로운 실시간 분석기 구매비용의 약 1/10 정도로 실시간 분석 기능을 이용할 수 있다. 또한 사용자들은 RTSA 기능을 추가함으로써 실험실이나 현장에서 포착이 어려운 신호를 더 쉽게 보고, 포착해 이해할 수 있다. 이를 좀 더 깊이 분석하고자 한다면 실시간 PXA에 Agilent 89600 VSA 소프트웨어를 함께 사용하여 복잡한 신호(complex signal) 및 변조 신호(modulated signal)의 특성을 완벽하게 분석할 수 있는 솔루션을 이용해 개발할 수도 있다.

실시간 분석의 새로운 정의

‘실시간 분석(real-time analysis)’이란 용어는 다양한 분야에서 수많은 사람이 서로 다른 의미로 사용하지만, 일관된 의미는 다음과 같다. 즉 디지털 중간주파수(digital intermediate frequency)를 이용한 스펙트럼 및 신호 분석기 부문에서 실시간 작동(real-time operation)이란 모든 신호 샘플이 일정한 형태의 측정 결과 혹은 트리거링 동작(triggering operation)으로 처리되는 상태를 의미한다(그림 2). 대개 측정 결과는 기존의 스펙트럼 측정에 상응하는(파워 혹은 등급) scalar로 표기된다.
연속분석(gap-free analysis)과 더불어, 실시간 RF 분석기의 주요 기능에는 고속 측정, 일정한 측정 속도, 첨단 복합 표시장치(composite display) 및 주파수 마스크 트리거링(frequency-mask triggering, FMT) 등의 네 가지를 꼽을 수 있다.
일반적으로 실시간 처리를 통해 얻은 일련의 스펙트럼은 다음의 두 가지 중 하나의 방식으로 이용될 수 있다. 스펙트럼은 복합 스펙트럼 표시장치와 결합하거나, 연속적으로 limit mask와 비교되면서 FMT를 수행한다. RTSA 옵션을 갖춘 실시간 PXA는 이러한 두 가지 기능을 모두 제공한다.

PXA를 이용한 실시간 스펙트럼 분석

실시간 스펙트럼 전용 분석기 PXA는 샘플링된 신호 데이터를 ASIC들과 FPGA를 이용해 초당 약 300,000개의 신호 스펙트럼으로 변환한다. 이렇게 변환된 스펙트럼 데이터는 상호 조합되어 밀도(density) 및 히스토그램(histogram)같이 정보가 풍부한 표현 형태를 만들어낸다. 혹은 일련의 스펙트럼을 limit와 논리적 기준(logical criteria)으로 테스트하여 스펙트럼 마스크 트리거(spectrum specific mask trigger) 및 행동 관련 마스크 트리거(behavior specific mask trigger)를 생성한다.
애질런트 설계팀은 실시간 스펙트럼 분석에 의미 있는 결과를 얻기 위해 대역폭, 다이내믹 레인지, POI(probability of intercept), 그리고 통합 분석기능의 네 가지 주요 영역에 집중하고 있다.

대역폭(Bandwidth)

측정해야 하는 신호의 대역폭과 주파수가 증가할수록 더 넓은 대역폭이 필요하다. PXA는 실시간 측정 시, 최대 160 MHz의 대역폭으로 RTSA를 장착해 오늘날의 광대역 신호와 신호 환경에 적합하다. 이러한 연속대역폭은(gap-free bandwidth) 실시간 스펙트럼 분석부터 FMT와 연속 타임캡처(gap-free time capture) 및 IF 트리거를 위한 실시간 magnitude calculation에도 적용할 수 있다. 실시간 PXA는 다른 유사 분석기와 달리 최대 160 MHz의 대역폭에서도 연속데이터(gap-free data)를 수집한다는 점이 특징이다. 이를 통해 사용자는 실시간 모드로 간헐적이며, 혹은 빠르게 변환되는 신호에 관한 세부 정보를 계속 수집할 수 있다.

다이내믹 레인지(Dynamic range)

실시간 PXA는 160 MHz 전체 대역폭에서 최대 -75 dB까지의 전송 불요신호 없는 다이내믹 레인지(spurious-free dynamic range)를 제공해 큰 신호 속의 작고, 순간적이며, 불규칙한 신호를 추적할 수 있다. 다이나믹 레인지(Dynamic range)는 PXA 본체의 낮은 노이즈 플로어(low noise floor)로 강화되고 있으며, 아주 작은 신호를 다룰 때에는 고수준의 신호를 다루면서 동시에 민감도도 높여주는 ‘낮은 노이즈 경로(low noise path)’ 옵션으로 더욱 보강되고 있다. 따라서 어떤 상황에서도 PXA의 낮은 노이즈 플로어(low noise floor)로 신호와 잡음을 분리할 수 있다.

포착률(Probability of intercept)

POI(probability of intercept)는 실시간 스펙트럼 분석의 주요 기준으로, 실시간 PXA는 5.0 ns 정도의 짧은 신호를 감지할 수 있으며, 3.57 μs 정도의 짧은 신호도 100% POI로(그리고 완전한 진폭 정확도로) 탐지할 수 있다. 연속분석(gap-free analysis)은 POI의 많은 요소 중 하나에 불과하다. POI에 기여하는 다른 요소들로는 분석기와 다이내믹 레인지(프로세서 민감도 포함), 샘플 대역폭, 처리 지속성(processing continuity)과 FFT processing overlap 등이 있다.

통합 분석 기능(Integrated analysis capabilities)

어떤 경우에는 포착하기 어려운 신호를 찾는 것만으로도 충분할 때가 있다. 어떠한 신호가 그 자리에 존재하는 것, 혹은 그 전체적인 스펙트럼의 모양만으로도 의문을 풀거나, 문제를 확인하거나, 해법을 제시할 수도 있다. 반면에 신호를 찾는 것이 어떤 시스템 혹은 신호 환경에서 일어난 문제를 푸는 첫걸음에 불과할 때도 있다.
실시간 PXA와 함께 VSA 소프트웨어를 이용하면 실시간 모드에서 얻어진 신호의 철저한 분석과 복조(demodulation)를 할 수 있다. 또한 실시간 FMT를 복조와 타임 캡처(time capture)를 포함한 VSA의 모든 측정 기능을 매우 포착하기 어려운 신호에 집중하는 데 이용할 수 있다(그림 3). 이러한 기능은 특히 변조된 주파수 호핑 신호와 주파수 안정화, 그리고 전압제어 오실레이터(VCO)와 같이 신호 소스 내의 바람직하지 못한 과도현상을 확인하는 데 특히 효과가 있다.

실시간으로 수집된 데이터의 활용

추가로 살펴봐야 할 두 가지 기능은 히스토그램이라고도 하는 밀도 디스플레이, 주파수 마스크 트리거가 있다.

히스토그램 혹은 밀도 디스플레이(Histogram or density displays)

실시간 스펙트럼 분석기는 빠르게 움직이는 신호나 순식간에 사라지는 신호를 캡처하기 위해 매초 수천 개의 스펙트럼을 생산한다. 하지만 이것은 육안으로 식별하기 어려워 대량의 측정 데이터를 단일한 디스플레이 트레이스에 나타낼 필요가 있다. 예를 들면 실시간 PXA를 통해 초당 약 300,000개의 스펙트럼이 생산되지만, 대부분 사람들이 볼 수 있는 것은 초당 30개의 스펙트럼뿐이다. 따라서 실시간으로 얻은 결과를 유의하게 표기하려면 각각의 디스플레이 업데이트(display update)마다 약 10,000개의 결과를 나타내야 한다.

실시간 분석기는 통계를 수집하고 특정한 측정값이 얼마나 자주 나타나는지를 표시해 유용한 정보를 제공해주는 정보화면 디스플레이(informative display)를 생성한다. 측정 결과의 히스토그램은 스펙트럼 측정 결과를 강화시켜 발생 빈도를 표시할 수 있다. 이러한 디스플레이는 색상 혹은 강도를 이용해 코드화되며, 신호 지속 기능(persistence function)을 더하여 과거의 데이터가 사라지는 동안 좀 더 최근의 이벤트에 집중할 수 있다. 가장 최근에 업데이트된 단일 디스플레이 같은 데이터 추적이나 어떤 평균 등도 전통적 스펙트럼 측정법과 유사하게 보이는 trace로 오버레이할 수 있다. 이러한 접근법을 통해 엔지니어들은 간헐적인 사건이나 일시적인 현상을 보고 집중하여 이들을 다른 행동으로부터 분리할 수도 있다. 또한 지속성(persistence)이나 색상 구분을 통한 값 표시(color-weighing value) 혹은 형식을 바꾸면 특정 행동을 강조할 수도 있다. 실시간 PXA는 결과를 해석하고 분석할 수 있고, 지속성 표시(persistence display)를 통해 완전한 경로 마커(trace-marker) 기능을 제공한다.

FMT 기술과 활용법

FMT는 특정 신호를 찾을 때 고속 데이터 스트림을 사용자가 지정한 스펙트럼 마스크와 비교한다. 이때 마스크가 초과되거나, 신호가 마스크 영역으로 들어가면 트리거가 형성된다. 이러한 기능은 시그널이 마스크를 나가거나 재진입하는 등의 행동에 대한 조건부 트리거(conditional triggering)에서 더 유용하다.
실시간 PXA에서 이러한 마스크는 상한과 하한을 조합할 수 있으며, 숫자나 그래프에 입력할 수 있다. 본 분석기는 측정된 신호 환경을 이용해 마스크를 자동적으로 형성하며, 필요할 경우 사용자는 이를 조정할 수 있기 때문에 설정에 필요한 시간을 절약할 수 있다. 마스크는 이 과정을 단순화하기 위해 live measured trace와 함께 표시된다. FMT는 비교적 높은 빈도로 연속적 트리거(successive trigger)를 발생시키는 데 이용할 수 있다. 하지만 반대로 FMT를 가장 강력하게 사용할 수 있는 상황은 측정하고자 하는 구간 사이의 시간 간격이 수 분에서 수 시간인 경우이다. 이때 VSA 소프트웨어를 활용하면 트리거 전후의 설정 시간 지연 기능을 이용하여 한 이벤트의 시작과 끝, 그리고 그 사이에 일어난 모든 것들을 캡처할 수 있다.

이미 익숙해진 툴의 활용도를 높이는 방법

최근의 경제적 상황으로 인해 대부분 기관에서는 사용 중인 신호 분석기 등 보유한 측정기를 최대한 활용해야 한다는 압박에 시달리고 있다. 하지만 다른 한 편으론 빡빡한 예산으로 전용 실시간 분석기와 같은 단일 목적의 기구를 이용하는 것도 점점 어려운 실정이다.
이 점은 애질런트가 RTSA를 신형과 구형을 막론한 모든 PXA 신호 분석기에서 이용할 수 있는 업그레이드 옵션으로 만든 이유이다. 또한 PXA가 개발 첫 단계부터 RTSA와 같은 새로운 기능을 추가할 수 있는 구조로 설계된 이유이기도 하다. 그 결과로 탄생한 것이 하나의 단일기기만으로 전통적 분석과 실시간 분석을 모두 제공하며, 어떠한 모드로 이용하든 일정한 성능을 보여주는 신호 분석기이다.