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노이즈 성분 측정을 위한 스펙트럼 분석기 설정 가이드
계측기에는 다양한 종류가 있지만, RF 신호를 확인하고 분석하기 위한 용도로 스펙트럼 분석기가 주로 사용됩니다. 특히, 노이즈 성분은 RF 시스템의 성능을 저하시키는 주요 요인이기에 이러한 노이즈 성분을 확인하고 제거하는 과정이 필요합니다. 따라서 이번 포스팅에서는 노이즈 성분 측정 시 영향을 줄 수 있는 Noise floor에 대한 개념과 Noise floor에 영향을 미치는 스펙트럼 분석기의 각종 설정에 대해 알아보도록 하겠습니다.
Noise floor란?
Noise floor는 스펙트럼 분석기의 자체적인 노이즈 성분으로, 스펙트럼 분석기에 신호를 인가하지 않더라도 [그림 1]과 같이 낮은 레벨의 노이즈 성분이 화면에 나타나게 됩니다. 이러한 Noise floor 가 [그림 2]와 같이 측정하려는 신호의 레벨보다 높다면, 해당 신호는 Noise floor에 묻혀 측정할 수 없습니다.
3차 하모닉 성분을 예를 들어 설명드리겠습니다. 원신호가 비선형 소자를 통과하게 되면 원신호의 주파수에 체배된 위치에 [그림 3]의 왼쪽 그림과 같이 하모닉 성분들이 생성됩니다. 이 중, 3차 하모닉 성분은 신호 레벨이 낮아 사용자가 설정한 파라미터에 의해 Noise floor에 묻혀 [그림 3]의 오른쪽 그림처럼 측정되지 않을 수 있습니다.
레벨의 신호를 측정 시 Noise floor에 의해 신호 확인 유/무가 달라질 수 있기 때문에 분석기의 어떤 설정에 의해 Noise floor의 레벨이 달라질 수 있는지 알고 계셔야 합니다. 따라서 다음 순서에서는 Noise floor를 낮출 수 있는 두 가지 설정(RBW, 내부 Attenuator)에 대해 알아보도록 하겠습니다.
설정에 따른 Noise floor 레벨
스펙트럼 분석기는 RBW(Resolution Bandwidth) 값과 계측기 내부 Attenuator 설정값을 변경해 줌으로써 Noise floor 레벨을 낮출 수 있습니다.
RBW 정의 및 설정
우선 RBW 설정을 통해 Noise floor 레벨을 낮출 수 있는 방법에 대해 알아보도록 하겠습니다. 스펙트럼 분석기는 내부에 존재하는 측정 필터를 통해 인가된 신호를 측정합니다. 이러한 필터의 대역폭을 RBW로 정의합니다. RBW는 일반적으로 [그림 4]와 같이 필터의 피크 레벨 기준 3dB 낮은 구간의 폭을 나타냅니다. (다만, EMC 분야에서는 3dB가 아닌 6dB 기준의 필터도 사용하기도 합니다.)
[그림 5]를 보시면 RBW 값이 작아질수록 측정 필터의 폭이 점점 좁아지는 것을 확인하실 수 있습니다. 또한 두 개의 신호 존재하고 이 신호들이 서로 인접하여 있을 때 RBW 값이 충분히 작다면 스펙트럼 분석기는 [그림 6]의 노란색 트레이스와 같이 두 개의 신호를 구분하여 측정할 수 있습니다. 반면 RBW 값이 충분히 작지 않다면 [그림 6]의 파란색 트레이스와 같이 두 개의 신호가 하나의 신호로 측정될 수 있습니다. 따라서 RBW 값이 작을수록 신호를 구별할 수 있는 성능의 척도인 분해능은 높아져 인접한 서로 신호들을 정확히 측정을 할 수 있습니다.
앞서 설명드린 것과 같이 RBW 값을 줄이면 분해능이 높아질 뿐만 아니라, Noise floor의 레벨 또한 낮출 수 있습니다. [그림 7]을 보시면 RBW 설정값에 따라 측정 필터의 폭과 함께 Noise floor의 레벨이 변하는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 측정 필터의 폭이 작아질수록 필터를 통해 수집되는 장비의 노이즈 양이 줄어들기 때문입니다.
예를 들어 설명드리면 흙탕물의 흙을 분석기가 자체적으로 생성하는 노이즈라고 가정했을 때, 작은 컵을 통해 흙탕물을 퍼 올릴 경우, 큰 컵을 사용했을 때에 비해 흙(노이즈)을 더 적게 가지고 오는 것과 같은 원리라고 생각하시면 쉽게 이해하실 수 있을 겁니다. 하지만, RBW 값을 줄여 분석기의 Noise floor를 낮출 수는 있으나, 너무 작은 RBW를 설정하였을 경우 측정하는데 걸리는 시간 (=Sweep time)이 증가되어 [그림 8]과 같이 간헐적으로 발생하는 노이즈를 측정할 수 없게 됩니다. 결과적으로 RBW 값은 측정 신호 구성과 측정 시간 등을 고려하여 설정할 필요가 있습니다.
스펙트럼 분석기 내부 Attenuator 설정
다음 순서로 스펙트럼 분석기의 내부 Attenuator 값 설정을 통해 Noise floor의 레벨을 낮출 수 있는 방법에 관하여 알아보도록 하겠습니다. 스펙트럼 분석기의 내부 구조를 간단하게 도식화한 모습은 [그림 9]와 같습니다.
스펙트럼 분석기에는 측정하려는 신호를 중간주파수로 변환하기 위한 소자인 Mixer가 들어가 있습니다. 스펙트럼 분석기는 3개의 Mixer를 사용하며 이 중 첫 번째 Mixer가 받아들일 수 있는 최대 레벨은 계측기에 따라 상이하지만 대략 -10dBm에서 -30dBm 정도입니다. 실제 입력되는 원신호의 레벨이 첫 번째 Mixer가 받을 수 있는 레벨보다 높을 경우, 첫 번째 Mixer에 과입력이 인가되어 분석기가 손상될 수 있습니다. 따라서 첫 번째 Mixer 앞 단에 내부 Attenuator가 위치하며 첫 번째 Mixer에 과입력이 인가되지 않도록 인가 신호의 레벨을 감쇄해 주는 역할을 하게 됩니다. 이렇게 감쇄된 신호는 Mixer 단을 통과한 이후 IF Amplifier에 의해 감쇄된 만큼 다시 증폭되는 절차를 거칩니다. (분석기는 감쇠한 값을 알고 있기 때문에 증폭 값을 따로 설정할 필요는 없습니다.) 결과적으로 스펙트럼 분석기에 인가되는 원신호는 감쇄 및 증폭 과정을 통해 동일한 레벨로 측정됩니다.
원신호와 달리 스펙트럼 분석기에 의해 자체적으로 생성되는 노이즈 성분은 Mixer 단에서 인가됩니다. 따라서 [그림 9]와 같이 인가된 노이즈는 감쇄되지 않고 증폭의 과정만을 거치게 되어 Noise floor의 레벨을 높여주게 됩니다.
아래 [그림10]를 보시면 내부 Attenuator의 감쇠 값이 0 dB로 설정된 노란색 트레이스가 감쇠 값이 20 dB로 설정된 파란색 트레이스보다 Noise floor 레벨이 20 dB 낮은걸 확인하실 수 있습니다. 따라서 첫 번째 Mixer에 과입력을 받지 않은 조건에서 내부 Attenuator 값을 설정해 주신다면 노이즈 측정 성분 측정 시 Noise floor의 영향을 줄이실 수 있습니다.
정리 및 결론
지금까지의 노이즈 성분 측정 시 Noise floor 레벨과 관련된 스펙트럼 분석기의 설정과 그 원리에 대해 설명드렸습니다. 결과적으로 스펙트럼 분석기의 RBW 및 내부 Attenuator 값을 낮춰 Noise floor 레벨을 낮출 수 있지만, 위에서 서술한 바와 같이 Sweep time 과입력 레벨 등 측정 상황과 목적을 고려하여 설정값을 입력해 주셔야 합니다.
이번 포스팅을 통해 스펙트럼 분석기를 사용하여 낮은 레벨의 노이즈 성분을 측정하고 싶으신 분들에게 조금이나마 도움이 되셨으면 좋겠습니다. 로데슈바르즈 코리아는 앞으로도 계측기에 관한 다양한 정보를 포스팅할 예정이니 지속적인 관심 부탁드립니다.
작성자 : 로데슈바르즈코리아 기술지원팀
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