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스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer)는 알고 계신 가요?
아마 이 블로그를 보시는 분들의 대부분은 스펙트럼 분석기는 알고 계실 것이라고 판단됩니다.
EMI 테스트 리시버는 어떠신 가요? 혹시 궁금하시다면 아래 블로그를 참조하시길 바랍니다.
이번 주제는 EMI 시험 시 필수로 사용되는 EMI 테스트 리시버에 관한 이야기입니다. RF를 다루는 ...
그렇다면 오늘 주제인 모니터링 리시버(Monitoring Receiver)라는 장비를 알고 계신 가요?
아마도 모니터링 리시버가 생소한 분들이 많이 계실 것 같아 모니터링 리시버를 소개할까 합니다.
사실 위의 두 장비를 포함한 모든 장비는 같은 기능이지만 다른 장비입니다. 해당 장비들 모두 스펙트럼을 표시하는 장비이므로 동일한 기능이라고 할 수 있지만 명칭이 다른 만큼 분명한 차이가 존재하고 그 차이로 인해 각각 사용 용도가 달라지게 됩니다.
모니터링 리시버 vs 스펙트럼 분석기
아래 저희 Rohde & Schwarz의 대표적인 스펙트럼 분석기인 FSW와 모니터링 리시버인 ESMW 두 장비가 있습니다.
R&S®ESMW Ultra wideband monitoring receiver
두 장비 모두 고성능의 최신 모델이며 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 다만 두 장비의 사용분야는 확연하게 차이가 납니다.
우선 스펙트럼 분석기는 주로 민간 제조사나 기관 등에서 개발제품(DUT)의 성능을 측정/검증하는 용도로 사용됩니다.
그리고 모니터링 리시버는 주로 주파수와 신호를 관리 감독하는 기관에서 전파를 탐지하고 위치를 추적하며 신호를 분석하는데 활용됩니다.
조금 더 간단하게 표현하면 스펙트럼 분석기는 신호가 잘 만들어졌는가를 확인하는 목적이기 때문에 정확한 측정이 요구되고 이를 위해 주로 측정대상과 케이블로 연결하여 사용됩니다, 모니터링 리시버는 신호가 존재하는가를 확인하는 목적이기 때문에 안테나를 이용하여 신호를 확인합니다. 또한 정확한 측정을 위해 스펙트럼 분석기는 1년 혹은 2년 주기로 KOLAS 혹은 제조자 교정이 필요합니다. 하지만 모니터링 리시버는 장비 수명동안 교정이 필요하지 않기 때문에 장비 유지 관리 측면에도 장점이 있습니다.
안테나를 이용하여 신호를 확인하기 때문에 모니터링 리시버는 스펙트럼 분석기 보다는EMI 테스트 리시버와 조금 더 유사하다고 볼 수도 있습니다.
물론 최신의 장비들은 각 장비들의 기능적인 장점을 일부 서로 교차 지원하기 때문에 과거보다는 기능적으로 차이가 적어지는 면도 있습니다.
모니터링 리시버의 장점
그러면 오늘의 주제인 모니터링 리시버가 어떨 때 가장 큰 장점을 가지는지 확인해 보도록 하겠습니다.
모니터링 리시버의 주요 응용 분야는 스펙트럼 모니터링(신호 관찰 및 위치 추적), 신호 수집 및 분석입니다.
이러한 용도로 사용되기 위해서는 아래의 다양한 기능이 필요합니다.
[빠른 스캔 속도와 끊김 없는 신호 처리]
모니터링 리시버는 스펙트럼 모니터링에 최적화된 장비입니다. 이는 실시간으로 스펙트럼을 연속적으로 계산하면서 여러가지 까다로운 작업을 동시에 진행하기 위해서는 강력한 신호 처리 구조가 필요하게 됩니다.
모니터링 리시버는 2단 병렬 중첩 FFT신호 처리와 실시간 광대역 구조를 가지고 있습니다. 이를 통해서 모니터링 수신기는 신호 처리 시 블라인드 타임이나 갭 없는 신호 처리 및 실시간 측정이 가능하여 펄스와 같은 짧은 주기의 신호도 스펙트럼으로 표시할 수 있습니다.
최근의 스펙트럼 분석기도 실시간 처리가 가능하지만 실시간 대역폭 내에서 갭 없는 스펙트럼 출력은 보장되지 않으며 신호 처리 시 블라인드 타임으로 인해 광대역 스캔 시 스윕 시간이 상대적으로 길어지게 됩니다.
[안테나 매트릭스 및 Preselection(전치선택) 구조]
먼저 위에서 말씀드린 스펙트럼 분석기의 일반적인 측정 과정을 살펴보겠습니다. 스펙트럼 분석기를 이용한 측정은 일반적으로 케이블로 연결되고(물론, 챔버에서 안테나도 가능) DUT의 출력을 수신/측정하게 됩니다. 이때 통상적인 경우에 측정을 위한 신호는 하나만 존재합니다. 스펙트럼 분석기는 이러한 신호 처리를 위해 “이미지 제거(image rejection)” 필터가 내장되게 됩니다. High Pass, Low Pass, YIG 로 구성된 이러한 필터들은 모두 주파수 변화(Frequency conversion) 시 내부 왜곡을 피하기 위해서 사용됩니다.
반면 모니터링 리시버는 실외 스펙트럼 모니터링 작업에 최적화된 장비입니다. 따라서 주파수 대역별로 안테나 매트릭스는 물론 Preselection필터(필터 뱅크)를 가지고 있습니다.
광대역 안테나에 연결된 실외 측정을 수행할 때 모니터링 수신기는 매우 높은 주변 신호들을 수신하게 됩니다. 일반적으로 필터 뱅크(Sub-octave, YIG)로 구성된 Preselection필터는 입력 신호 대역 별로 필터링 하기 때문에 대도시나 고출력 송신소와 가까운 신호 밀도가 매우 높은 환경에서 왜곡 없이 신호 처리가 가능합니다.
또한 모니터링 리시버의 주파수 범위는 단일 안테나 보다 넓은 수신 대역을 가지고 있기 때문에 모니터링 수신기의 전체 수신 대역의 신호를 수신하기 위해서는 여러 개의 안테나를 동시에 연결해야 하며 수신 주파수에 따라서 안테나를 자동으로 선택해야 합니다. 따라서 모니터링 리시버는 이러한 기능이 가능한 안테나 매트릭스가 필수적으로 필요합니다.
[강력한 신호 처리 구조]
모니터링 리시버는 기본적으로 병렬 처리가 가능하도록 설계된 장비이기 때문에 동시 여러 작업을 수행할 수 있습니다. 광대역의 신호를 수신할 때 마스킹 트리거를 이용하여 여러 신호를 동시에 감시하고 필요 시 레코딩을 할 수 있습니다. 또한 Waterfall 기능을 활용하여 짧은 펄스 신호를 탐지하거나 일반적인 스펙트럼 분석기로는 구분 불가능한 짧은 주기의 신호 분석이 가능하며 동시에 레코딩된 신호를 재생하는 등 모든 작업이 처리 가능합니다.
또한 Polychrome 기능을 활용하여 동일 채널 상(in-band) 존재하지만 서로 다른 시간적인 특성을 가진 신호에 대해서 모니터링 수신기는 두 신호에 대한 서로 다른 시간 프레임을 측정할 수 있기 때문에 Bluetooth나 WIFI같은 신호의 중첩 신호를 스펙트럼으로 확인할 수 있습니다.
모니터링 리시버가 스펙트럼 분석기와 다른 근본적인 차이는 병렬 신호 처리 구조입니다.
일반적인 스펙트럼 분석기는 단일 신호 처리 구조이기 때문에 한번에 하나의 작업만 가능합니다. 하지만 모니터링 리시버의 경우 2단 병렬구조로 각각 독립적으로 신호 처리가 가능합니다.
첫번째 처리 경로에서 실시간 신호 처리를 통해 끊임없는 스펙트럼 획득/처리가 가능하며 광대역 스펙트럼을 확인할 수 있습니다. 두번째 처리 경로를 통하여 독립 주파수에 대한 복조가 가능하며 복조된 데이터 혹은 IQ데이터를 외부 출력할 수 있습니다. IQ데이터 출력의 경우 하나의 광대역으로 출력하거나 DDC기능을 이용하여 여러 개의 협대역 IQ신호를 별도로 출력할 수도 있습니다.
[실제 전파 환경 하에서의 신호 수신 비교]
실제 전파 환경을 안테나를 이용하여 수신할 때 발생할 수 있는 상황에 대해서 스펙트럼 분석기와 모니터링 리시버를 비교하면 모니터링 리시버가 필요한 이유를 쉽게 이해할 수 있습니다.
다만 이는 예시의 경우로 반드시 모든 경우에 발생하는 것은 아닌 것을 미리 말씀드립니다.
아래 그림에서 통상의 1GHz이하 대역의 신호를 가정해보면 FM, DMB, 무전기, TV 방송, LTE까지 다양한 매체가 주파수를 사용하고 있습니다. 이중 400 MHz대역의 무전기 신호를 모니터링하고자 할 때
스펙트럼 분석기의 경우 1 GHz이하의 대역은 아래 그림과 같이 통상 이미지 제거 목적으로 광대역의 필터를 사용하기 때문에 안테나를 통해서 광대역 신호가 수신될 때 개별 신호들에 대한 개별 필터링이 되지 않습니다. 따라서 개별 신호의, 여기서는 DMB신호, 하모닉 성분을 억제 할 수 없습니다. 따라서 아래 그림과 같이 모니터링하고자 하는 400 MHz대역의 무선국 신호에 DMB신호의 2차 하모닉 성분이 보일 수 있으며 이는 안테나를 통해서 수신된 신호가 아니며 스펙트럼 분석기가 자체 생산한 신호입니다. 따라서 이런 경우 스펙트럼 분석기로 신호를 수신하는 것은 문제가 될 수 있습니다.
반면 모니터링 리시버의 경우 입력단의 전치선택기(필터 뱅크)가 있어 아래 그림과 같이 입력되는 주파수 별로 필터가 적용되기 때문에 신호 별 이미지 억제가 가능합니다. 따라서 실제 리시버에서는 스펙트럼 분석기와는 다르게 하모닉 성분의 신호가 제거된 상태로 순수한 무선국 신호만 수신되게 됩니다.
결론적으로 안테나를 이용하여 실제 전파 환경을 확인하는 것은 예상되는 신호와 예상하지 못한 신호를 모두 관찰해야 하며 또한 인접한 강전계 신호가 함께 유입될 경우도 있습니다 따라서 이러한 환경에서는 실시간으로 빠른 신호 처리가 필요하며 신호 왜곡을 방지할 뛰어난 전치선택기(필터 뱅크)가 필요하게 됩니다. 이러한 요구사항을 반영한 장비가 바로 모니터링 리시버입니다. 용도와 목적에 맞는 장비 선택으로 효과적인 업무 수행이 가능합니다.
이상으로 모니터링 리시버에 대한 내용을 마치며, 다음에는 더욱 유용한 글로 찾아뵙도록 하겠습니다.
작성자 : 로데슈바르즈코리아 기술지원팀
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