TJ Cartwright는 키사이트테크놀로지스에서 주로 아날로그 및 디지털 RF 신호 발생기를
담당하고 있는 제품 마케팅 매니저로, 의료 부문과 프로 오디오 및 비디오를 비롯하여
다양한 무선 통신 프로토콜, 반도체 설계 등 여러 산업 부문에서 경력을 이어왔습니다.
현재는 GNSS, 5G NR, Quantum에 대한 지식을 넓히는 데 주력하고 있습니다.


무선 통신 도구는 끊임없이 변화하는 기술에 필요한 부분을 발맞추어 항상 진화하고 있습니다. 신호 대역폭 확장, 더 큰 차수의 변조 및 공간 멀티플렉싱으로 무선 통신에서 더 빠른 데이터 전송 속도가 가능해졌습니다. 이렇게 증가하는 대역폭 덕분에 광대역 데이터와 관련한 사용자 경험이 개선되고 있습니다.

또한 무선 네트워크의 서비스 품질에 대한 사용자 기대치로 인해 신뢰할 수 있는 시스템 수준 성능에 대한 요구가 커지고 있습니다. 따라서 무선 개념이 시뮬레이션에서 테스트로 전환될 때 효과적인 제품 개발을 위해 불확실성을 줄이는 것이 필수적입니다.

측정 셋업을 위한 테스트 픽스처는 간단한 케이블부터 분배기와 커플러 및 신호 컨디셔닝이 포함된 복잡한 픽스처까지 다양합니다. 설계 엔지니어들은 테스트 대상 디바이스(DUT)의 성능을 자주 평가합니다.

설계자들은 테스트 픽스처를 교정하거나 디임베딩해 그러한 픽스처에 내재된 시스템적인 오류를 제거하여 DUT의 성능만을 분리할 수 있습니다. 측정 셋업에는 종종 DUT 성능 평가를 위해 벡터 신호 발생기(VSG)와 신호 분석기가 사용됩니다. 경로 손실과 주파수 응답을 통해 테스트 픽스처가 어떻게 부정확한 측정을 유발할 수 있는지 확인할 수 있습니다.

경로 손실은 올바른 관리가 요구되는 알고있는 문제입니다. 전송 중 신호 에너지가 손실되면 신호 발생기의 출력 신호보다 측정 플레인으로의 전력 전송이 적어지게 됩니다. 증폭 및 위상 오류를 포함한 주파수 응답 오류는 순시 대역폭에 영향을 미칩니다. 주파수 응답은 출력 신호의 크기와 위상을 입력 주파수의 함수로 측정합니다. 특정 대역폭의 주파수 응답이 일정하지 않으면 수신 신호의 크기와 위상이 영향을 받게 됩니다. RF 주파수에서도 더 큰 대역폭이 특히 주파수 응답으로 인한 영향에 민감합니다. 

테스트 픽스처

물리적인 세상에 늘상 있는 노이즈 외에, 순시 대역폭에서의 주파수 응답이 DUT 출력에 장애를 더합니다. 장애와 측정 결과 간 격리가 없으면 DUT 성능이 저하된 것으로 나타납니다. 때로 이퀄라이제이션이 주파수 응답을 줄일 수 있습니다. 그 이유는 채널 응답 분해능으로 인한 주파수 응답을 항상 완전히 수정할 수 있는 것은 아니기 때문입니다.

테스트 픽스처의 다양한 구성 요소가 주파수 반응과 경로 손실을 늘려 신호 대 노이즈 비율(SNR)과 오류 벡터 크기(EVM)가 감소할 수 있습니다. 디임베딩은 VSG와 신호 분석기를 포함하여 측정 설정의 수정을 위한 잘 알려진 프로세스입니다. 이 프로세스에서 테스트 픽스처가 생성하는 크기 및 위상 오류가 제거됩니다. 이 프로세스는 기준면 전환으로 알려져 있으며, RF 엔지니어는 기준면을 전환해 DUT를 정밀하게 특성화할 수 있습니다. 

현재 테스트 픽스처 특성화에 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 사용하는 것이 일반적입니다(그림 1). 텍스트 픽스처는 .S2P 파일을 신호 발생기로 전달하는 방식으로 크기와 위상에서 디임베딩됩니다. 테스트 픽스처의 경로 손실을 보상하는 데는 손실 보상 파일이 도움이 될 수 있습니다.
 

측정 설정에서의 임피던스 부정합 또한 문제입니다. DUT 입력의 임피던스 부정합은 새로운 문제는 아니지만 측정에 어떻게 영향을 미치는지에 대해 더 집중해야 할 필요가 있습니다. 임피던스 부정합은 신호 소스로 돌아가 건설적 또는 파괴적으로 상호 작용해 입사 신호에 추가 주파수 리플을 더하는 반사파를 유발합니다. 입사파와 반사파가 케이블에서 공존하면 측정 결과가 영향을 받을 수 있습니다. 더 높은 차수의 직교 진폭 변조(QAM)를 사용하는 조밀한 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)에서는 반사파가 측정 결과에 미치는 영향이 더 큽니다.

반사 신호의 에너지는 DUT로 전달되는 전력을 줄이는 것이 일반적입니다. 반사계를 사용하면 임피던스 부정합 문제가 해결됩니다. VNA 사용자는 DUT 임피던스 부정합 문제를 해결하기 위해 VNA 구조에 반사계를 통합하는 작업에 친숙합니다. 신호 발생기 및 신호 분석기 측정 셋업을 위한 외부 반사계는 시중에서 구할 수 있지만 수정 방법이 복잡해 널리 사용되지는 않습니다.

여러 개의 DUT와 테스트 시스템을 사용할 때에는 임피던스 부정합 문제 해결의 복잡성이 증가하게 됩니다. 각 테스트 시스템마다 다른 임피던스 정합이 존재합니다. 따라서 여러 테스트 플랫폼을 사용한 DUT 테스트 시 측정 결과와 상관 과제가 달라지게 됩니다. 테스트 스테이션 유형이 다양하기 때문에, 임피던스 부정합 문제를 해결해 테스트 시스템들 간 재현성을 확보하는 것이 필수적입니다. 또한 이 단계로 설계 검증 및 제조 단계에 소요되는 시간이 단축될 수 있습니다.  

오늘날에는 신호 발생기와 분석기를 사용하여 측정 설정에서 경로 손실 수정 및 디임베딩을 수행하는 것이 필수적입니다. 반사계를 사용하면 정합 수정 신호 생성이 가능합니다. 이를 통해 사용자는 대상 주파수에서의 크기와 위상 모두에 대해 신호 발생기, 테스트 픽스처, 임피던스 부정합 조합을 디임베딩할 수 있습니다(그림 2). 하지만 이러한 수정은 매우 어렵기 때문에, 대부분의 신호 발생기와 신호 분석기 구성에는 정합 수정 신호 생성이 사용되지 않습니다.
 

EVM 측정으로 디지털 변조 신호에 대한 수많은 성능 지수를 파악할 수 있습니다. 다른 많은 문제들 중에서도 로컬 오실레이터(LO) 위상 노이즈, 전력 앰프(PA)의 노이즈 및 IQ 변조기 문제가 부정확성을 유발하는 주된 요인일 수 있습니다. 

EVM 측정은 송신기와 수신기 성능에 대한 유용한 통찰력을 제공합니다. EVM이 디지털 변조 형식과 관련해 신호의 크기와 위상 궤도를 바꾸는 신호 결함에 민감하다는 점 때문입니다. 또한 수신기의 믹서의 입력 레벨, 디지타이저의 SNR, 위상 노이즈 오류를 조정하여 EVM 측정 정확도를 높일 수 있습니다. 주파수 응답과 SNR은 EVM에 바로 영향을 미칩니다. EVM 성능을 개선하기 위해서는 DUT로 전달되는 전력을 최적화하고 주파수 응답 소스를 최대한 많이 제거해야 합니다.

무선 시스템에서는 주파수 응답 영향을 줄이는 데 이퀄라이제이션이 도움이 됩니다. 때로 채널 응답 분해능이 부족해 주파수 응답을 완전히 수정할 수 없기 때문에 이퀄라이제이션이 간혹 문제에 대한 부분적인 해결책에 그치기도 합니다. 5G NR 및 Wi-Fi 6 / 7 표준은 송신 시스템의 이득 응답을 평탄화하는 데 이퀄라이제이션을 채택하므로 측정 시 주파수 응답으로 인한 성능 저하가 덜 나타납니다. 그런데 모든 무선 표준이 이퀄라이제이션을 채택하는 것은 아닙니다. 예를 들어, 무선 백홀 및 위성 통신은 일반적으로 이퀄라이제이션을 사용하지 않습니다.

디임베딩이 갖는 이점

대역폭이 더 넓으면 주파수 응답 오류가 증가합니다. 테스트 픽스처의 모든 구성 요소에 대해 순시 대역폭에서 주파수 응답을 수정하면 EVM 결과가 직접적인 영향을 받을 수 있습니다. 이는 테스트 픽스처의 교정과 디임베딩이 갖는 이점을 잘 보여주는 예시입니다.

통신 시스템의 전반적인 효과와 스루풋에 전력 앰프가 매우 중요한 역할을 합니다. 그런데 PA는 기본적으로 비선형성이므로 인접 채널 간섭과 대역 내 왜곡이 모두 유발될 수 있습니다. 대역 내 왜곡은 통신 시스템의 EVM과 비트 오류율(BER) 및 데이터 스루풋 저하를 유발합니다.

WLAN, LTE, 5G NR 및 상용 위성 표준을 포함하여 최신 무선 표준에 OFDM이 사용되는 사례가 점점 더 많아지고 있습니다. OFDM 변조 형식을 사용하면 사용자가 필요로 하는 넓은 대역폭 데이터 애플리케이션이 가능해집니다. 설계 엔지니어들은 매우 높은 데이터 전송 속도에서 스펙트럼 선형성을 구현해 사용자들이 기대하는 서비스 품질을 확보할 수 있습니다. 스펙트럼 효율성 요건으로 인해 무선 표준에 더 높은 차수의 QAM과 매우 조밀한 OFDM 변조 구조가 채택되며, 그로 인해 피크 대 평균 전력비(PAPR) 상승 또는 신호 엔버로프의 큰 변동이 유발됩니다.

디지털 전치 왜곡(DPD)은 최신 통신 시스템의 기본 선형화 방법입니다. DPD는 뛰어난 선형성으로 전반적인 효율성을 유지할 수 있으며 디지털 신호 프로세서와 A/D 변환기의 지속적인 발전을 활용할 수 있습니다. 성공적인 DPD 배포를 위해, 알고리즘이 PA 동작을 정확하고 효과적으로 모델링해야 합니다.

설계자들은 DUT 작동 방식을 사전에 이해하기 위해 최신 무선 통신 신호의 PAPR이 제공된 경우 정확한 측정 설정에서 DUT를 시뮬레이션해야 합니다. 작동 조건이 더 다양해지고 있기 때문에, S-파라미터와 같이 과거에 디바이스 성능에 대한 양호한 예측치를 제공하던 측정이 더 이상 성능에 대한 적절한 예측 수단으로 간주되고 있지 못합니다. VSG와 신호 분석기는 실용적인 변조 설정에서 구성 요소, 모듈 및 통합 무선에 대한 특성화를 평가하는 데 사용되는 일반적인 측정 장비입니다. 실제 변조 조건이 DUT 신호 경로에 유발하는 선형 및 비선형 효과를 보상하는 방법을 측정 셋업에 마련해야 하는 사례가 점점 더 증가하고 있습니다.

이퀄라이제이션은 DUT와 테스트 시스템 모두의 크기와 위상 응답을 고려합니다. 따라서 테스트 픽스처와 소스의 주파수 응답은 선형 디바이스 테스트 시 EVM에 전혀 영향을 미치지 않습니다. 즉, DUT 입력에서 테스트 시스템으로 인해 발생하는 선형 오류는 앰프의 비선형 응답으로 인한 것이므로 이퀄라이제이션이 도움이 될 수 없는 복잡한 오류가 유발됩니다. 이 수정을 잘못 적용하면 앰프의 측정 성능이 저하되어 DPD 모델이 훨씬 더 어려워집니다.

결론

현재 VNA, 외부 반사계, 수정의 생성 및 적용 관련 전문 지식이 수정 작업에 도움이 될 수 있습니다. 하지만 현 상태로 이 작업을 하기는 까다로울 수 있습니다. VSG에 반사계를 임베딩하면 현 상태로 버튼을 한 번 눌러 전류 부하에 입사되는 정합 수정 신호 생성이 가능합니다.

이 기능은 패딩이나 시스템 성능에 미치는 영향 없이 측정 결과를 개선합니다. 또한 키사이트 VSG는 PathWave 신호 생성 디임베딩 소프트웨어를 사용해서 VNA에서 .S2P 파일을 가져와 교정 플레인을 DUT 입력으로 확장할 수 있습니다. 이 조합을 통해 사용자는 테스트 시스템과 DUT 사이 픽스처와 부정합 상호 작용을 제거해 테스트 결과의 정확도를 개선할 수 있습니다. N5186A MXG VSG의 새로운 임베디드 반사계는 키사이트가 측정 정확도를 높여주는 산업계 통찰력에 기여하고 있다는 점을 보여줍니다.