Win-Win Tech - 오실로스코프를 이용한 정밀한 RF 파형 측정
WIN-WIN TECH는 정부출연연구소 등 공공연구기관으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
▲ 조치현 한국표준과학연구원 전자파센터 선임연구원 chihyun.cho@kriss.re.kr
최근 데이터 전송속도가 수십 Gbps에 이르는 다양한 고속통신 서비스가 상용화되고 있다.
USB 3.1은 기존에 비해 두 배 빠른 10Gbps를 제공할 예정이며, 차세대 와이파이라 불리우는 WiGig는 4.6Gbps의 전송속도를 지원한다.
이렇듯 전송속도가 수십 Gbps에 도달하다보니 종래의 디지털 신호 측정 접근방식으로는 더 이상 정확한 신호를 측정하기가 어려운 실정이다.
이에 계측기업체들은 이러한 고속 신호들을 측정할 수 있는 다양한 측정 솔루션들을 제공하고 있다.
이 중 오실로스코프는 직관성과 편리성으로 인해 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
하지만 전술한 바와같이 측정신호의 대역폭이 RF 영역으로 전환됨에 따라 예전에는 중요하게 생각하지 않았던 부분들이 점차 중요해지고 있는 실정이다.
예를 들어 종래의 디지털 신호 측정 시에는 프로브 등의 커패시티브 로딩 효과에 의한 상승·하강 시간의 지연만 중요하게 고려되었으나, 최근에는 정밀 파형 측정을 위해 임피던스 부정합도 고려되어야 할 중요한 요소 중 하나로 부각되고 있다.
이에 본 글에서는 초고속 신호의 측정이 가능한 High-End급 오실로스코프에서 최근 주목받고 있는 교정법들과 한국표준과학연구원에서 개발 중인 방법을 소개하려고 한다.
오실로스코프 임피던스 부정합 교정
RF 대역에서는 임피던스 부정합이 매우 중요한 요소이다.
특히 임피던스가 상이한 장비들을 연결하여 측정하였을 경우에는 반드시 임피던스 부정합 효과를 교정해야 한다.
통상 RF 대역폭 장비들은 사용주파수 대역까지 매우 낮은 정재파비(VSWR)를 갖도록 설계된다.
하지만 장비의 노후 정도나 제조과정의 오차로 인해 입력 임피던스 특성이 나빠질 수 있으므로 반드시 사용된 계측기 장비의 입력 임피던스를 측정하고 이를 교정해주어야 한다.
그림 1 은 각기 다른 두 종류의 50GHz 대역폭을 갖는 오실로스코프 입력 임피던스를 측정한 결과이다.
25GHz 이하에서는 2종의 오실로스코프 모두 우수한 입력 임피던스 특성을 보인다.
하지만 25GHz 이상에서는 두 스코프 모두 상이한 특성을 보인다. 장비 A는 25GHz~40GHz, 장비 B는 40GHz~50GHz 범위에서 비교적 높은 반사계수 특성을 보인다.
따라서 이 주파수 범위의 신호는 오실로스코프 입력단에서 많은 반사가 발생될 것으로 예측되며, 측정시 이러한 부분을 고려해야 한다.
정확한 임피던스 측정을 위해서는 벡터회로망분석기 교정 키트(VNA Calibration Kit)로 교정 받아야 하며, 한국표준과학연구원을 포함한 다양한 교정기관에서 서비스를 제공하고 있다.
샘플링 오실로스코프 시간축 왜곡 에러 교정
샘플링 오실로스코프는 등가시간 샘플링(Equivalent Time Sampling)이라는 방법을 이용하며, 통상 DC부터 80GHz에 이르는 신호를 고분해능 아날로그-디지털 변환회로(ADC)로 샘플링하여 수집한다.
이러한 방법은 이미 80~90년대에 상용화되어 많은 분야에서 폭넓게 이용되어 왔다.
다만 측정 대상이 되는 신호를 트리거링 신호와 동기시켜 반복적으로 오실로스코프에 입력해 주어야 하는 단점이 존재한다.
또한 등가시간 샘플링 방법을 이용하기 때문에 트리거링 지터와 내부 시간 지연 회로의 지터로 인해 시간축에서 수십 ps의 시간축 왜곡 현상이 발생한다.
일반적으로 이러한 왜곡 현상을 극복하기 위해 평균화 기법(Averaging Process)이 산업현장에서 많이 사용되지만, 지터가 큰 신호의 평균은 LPF(Low Pass Filter)를 통과하는 것과 같은 효과가 발생되므로 높은 대역의 신호를 정밀하게 측정하기 어렵다는 문제점이 있다.
따라서 이러한 시간 왜곡 현상을 제거하기 위한 다양한 방법들이 개발되었으며, 최근에는 상용 장비에 정밀 위상 동기 모듈이 탑재되어 이러한 문제점들을 일부 극복하고 있다.
이러한 모듈들은 가격이 수천만 원 정도 되는 고가 장비이므로 매우 정밀한 측정이 요구되는 분야가 아니면 거의 사용되지 못한다.
한국표준과학연구원에서는 최근 비교적 저렴한 방법으로 시간축 왜곡 현상을 교정할 수 있는 방법을 개발하였다.
그림 2 는 제안된 시스템 구성과 블록도를 나타낸다.
파형 측정시에 기준신호(f1, 후f2)를 동시에 입력하여 측정한 후, 이를 기준으로 샘플링 오실로스코프의 시간축 왜곡을 교정하는 방법이다.
그림 3 은 교정 전 측정 데이터와 교정 후의 결과를 보여준다.
개발된 교정 방법을 적용할 경우 시간축 왜곡 현상을 1ps 내로 축소시킬 수 있다.
보유 시스템에 따라 1개의 기준신호만 사용가능하더라도 지터를 2ps 내로 감소시킬 수 있다.
실시간 오실로스코프 채널 부정합 교정
실시간 오실로스코프는 단 한 번의 트리거링으로 수십 GHz에 이르는 RF 신호를 수집할 수 있는 장비로 최근 많은 분야에서 각광을 받고 있다.
다만 실시간으로 데이터를 수집해야 하기 때문에 샘플링 오실로스코프에 비해 낮은 분해능 성능을 갖는다. 등가시간 샘플링 기법과 달리 실시간으로 데이터를 수집해야 하므로 실시간 오실로스코프는 통상 시간 인터리빙(Time Interleaving) 기법을 사용한다.
그림 4 는 시간 인터리빙 ADC의 블록 다이어그램을 간략히 보여주고 있으며, 여러 개의 ADC 회로를 사용하여 입력신호를 순차적으로 샘플링 한다.
따라서 각 ADC 회로들의 특성이 동일해야 한다는 조건이 요구된다.
하지만 현실적으로 모든 ADC의 회로를 동일하게 만들기는 어려우며, 오프셋과 이득, 그리고 샘플링 시간에 따른 오차가 약간씩 발생한다.
이로 인해 주기적인 에러가 측정시 발생하며 이를 채널 부정합에 의한 왜곡이라고 부른다.
특히 수 GHz까지 측정이 가능한 장비들은 통상 이득과 샘플링 시간 오차가 주파수에 따라 변하여 그 교정이 매우 어렵다.
최근 한국표준과학연구원에서는 이러한 주파수 의존적인 채널 부정합도 정확히 교정할 수 있는 방법을 개발하였다.
그림 5 는 개발된 방법을 적용하여 채널 부정합 효과를 교정한 결과이다.
상용 실시간 오실로스코프에 2Tone을 입력하여 측정한 결과이다.
측정 데이터를 주파수 영역으로 변환하게 되면 채널 부정합에 의해 많은 Spurious들이 관측된다.
하지만 채널 부정합 교정 기법을 적용하면 이러한 Spurious들이 대부분 제거된 교정결과를 얻을 수 있다.
오실로스코프 시스템 응답 특성 교정
오실로스코프에 1V의 신호가 입력단에서 반사 없이 인가되더라도 지시값은 약간 상이할 수 있다.
더구나 인가되는 신호의 주파수가 점점 증가하게 되면 그 지시값의 오차도 점차 증가하게 된다.
오실로스코프를 일종의 선형시스템으로 간주하고 이러한 오차 특성을 구하면 시스템 응답특성이 된다.
따라서 측정된 신호들은 앞서 전술한 오실로스코프의 시간축 왜곡이나 채널 부정합 등의 계통오차(Systematic Error)들을 우선 교정한 후, 입력 임피던스 부정합과 함께 시스템 응답 특성이 교정되어야 한다.
오실로스코프의 시스템 응답특성 측정방법으로는 Swept Sine 측정법과 Nose To Nose측정법, 그리고 특성을 알고 있는 펄스를 이용한 측정방법 등이 알려져 있다.
Swept Sine 측정법은 신호발생기에서 정현파 신호를 발생시킨 후 교정된 전력계를 이용하여 입력신호의 세기를 측정한 다음, 오실로스코프에 입력하여 측정한 진폭과 비교하는 방법이다.
다만 이 방법은 오실로스코프의 진폭응답 특성밖에 측정할 수 없는 단점이 있다.
Nose To Nose 방식은 샘플링 오실로스코프의 독특한 특성을 이용한 것으로 특정 조건하에서는 샘플링 모듈에서 펄스가 발생되어 내부 회로에서 샘플러 입력단 외부로 전달되는 현상을 이용한다.
이때 발생된 펄스를 다른 샘플링 오실로스코프로 측정하게 되면 측정 데이터는 두 오실로스코프의 시스템 응답 특성의 곱에 비례하게 된다.
따라서 이론적으로 각기 다른 세 개의 오실로스코프를 이용하면 각 오실로스코프의 시스템 응답특성을 구할 수 있다.
그림 6 은 Swept Sine 측정법과 Nose To Nose 측정법을 이용하여 샘플링 오실로스코프의 진폭 응답 특성을 비교한 예이다.
통상 Nose To Nose 측정법은 15GHz 전후로 진폭과 위상 특성을 정확하게 측정할 수 있는 것으로 알려져 있다.
한국표준과학연구원에서는 최근 초고속 펄스를 이용하여 100GHz 대역까지 오실로스코프의 시스템 응답특성을 평가하기 위한 연구를 시작하였다.
이를 위해서 우선 초고속 펄스의 특성을 정확히 알아야 한다.
통상 반도체 기반의 전자장비로는 이러한 초고속 펄스의 정밀한 측정이 어렵기 때문에 전기광학 방식을 이용한 펄스의 특성평가가 진행 중이다.
앞서 전술한 다양한 기법들을 활용하면 오실로스코프를 이용해 보다 정확한 RF 파형 측정이 가능하다.
한국표준과학연구원 전자파센터에서는 이러한 기법들을 이용하여 디지털 통신신호의 품질 측정 서비스를 조만간 진행할 예정이다.
이를 통해 국내 다양한 통신산업에 신뢰성 있는 정밀 측정기술을 제공할 수 있을 것으로 기대한다.