로데슈바르즈 신호 및 스펙트럼 분석기 포트폴리오

스펙트럼 분석기는 이름 그대로 선택한 스펙트럼 대역에 있는 신호를 탐지합니다. 기본적인 기능은 그래픽 디스플레이에서 신호를 진폭으로 나타내거나 y-축에 파워 레벨을 표시하고 x-축에 주파수를 표시하는 것입니다. 탐지된 신호의 진폭은 주파수 도메인에 표현됩니다. RF 스펙트럼 분석기는 전파와 Microwave 주파수에 대응합니다. 사전선택을 이용한 최대 주파수 대역은 현재 2 Hz부터 85 GHz까지 지원되며 이보다 높은 주파수는 외부 믹서를 사용하여 표시할 수 있습니다. 일반적으로 x-축 주파수에는 선형 스케일이 사용되며, y-축 진폭에는 로그 또는 데시벨 스케일(마찬가지로 로그)이 사용되어 크게 변동하는 진폭의 신호를 동시에 확인할 수 있습니다. 스펙트럼 분석기는 RF 테스트에서 필요 신호의 특성(예: 신호가 지정 대역폭을 점유하고 있는지 여부)을 표시할 뿐만 아니라, 불요 신호에 대한 탐색을 표시하는 데에도 광범위하게 사용되고 있습니다.

RF 테스트에서 주파수 대역의 스펙트럼 성분을 표시하여 해당 신호와 불요 신호의 레벨을 탐지하는 기능만 갖춘 스펙트럼 분석기는 거의 찾아보기 어렵습니다. 오늘날의 펄스 신호의 특성과 Transient signal에 대한 탐지 및 조사의 필요성에 따라 전파 수신기와 같은 슈퍼 헤테로다인의 원리를 이용한 기존 스펙트럼 분석기로는 간헐적으로 존재하는 Transient를 안정적으로 탐지할 수 없으며, 신호의 위상을 측정할 수도 없습니다. 해당 주파수 대역(주파수 스팬)이 데이터를 동시에 처리할 수 있는 스펙트럼 분석기의 성능을 초과할 경우 주파수 스팬이 아래부터 위로 스캔(스윕)됩니다. 주파수가 스윕되는 동안 Transient signal이 없는 경우에는 탐지되지 않습니다.

타임 도메인에서 주파수 도메인으로 FFT(Fast Fourier Transformation, 고속 푸리에 변환)를 이용한 디지털 처리는 슈퍼 헤테로다인 스펙트럼 분석기의 신호 탐지 및 분석 성능을 크게 확대했습니다. FFT는 주파수 스팬을 훨씬 빠르게 캡처하고 분석합니다. FFT를 동시에 사용함으로써 순간 대역폭이 훨씬 넓어지므로, 적절한 필터를 적용하면 Transient 및 펄스 신호까지 탐지할 수 있습니다. 대부분의 스펙트럼 분석기는 신호의 위상과 진폭을 분석하는 제로 스팬 모드도 제공하며 선택된 주파수에서 신호를 복조할 수 있습니다. 검출된 신호를 단순히 화면에 표시하는 것 이외에 노이즈, 게인, 위상, 점유된 신호 대역폭, 인접 채널 출력을 모두 측정할 수 있습니다. 디지털 신호를 내보낸 다음 소프트웨어로 후처리를 통한 추가 분석을 실시할 수 있습니다.

신호 분석기, 정확히 VSA(벡터 신호 분석기)는 복합적인 디지털 변조가 포함된 신호를 복조 및 분석하는 데 사용합니다. VSA는 스펙트럼 디스플레이의 스팬 또는 대역폭을 설정하는 필터를 사용하여 고정 중심 주파수에서 신호를 캡처하며, 스펙트럼 분석기는 더 넓은 주파수 대역을 스윕합니다. 전용 스펙트럼 분석기에 비해, VSA에는 위상 정보와 스펙트럼 분석기로 얻을 수 없는 신호 특성에 대한 고급 측정값이 추가로 포함되어 있으며, 디지털 I(In-phase) 및 Q(Quadrature) 변조 성분을 기준으로 신호를 복조하기 위해 디지털 처리를 사용합니다. VSA는 신호 대 잡음비(또는 반송파 대 잡음비), EVM(Error Vector Magnitude), 코드 도메인 파워와 같은 신호 특성을 분석합니다. Transient 및 펄스 신호에 대한 레벨, 주파수, 위상, 노이즈, 게인, 점유 신호 대역폭, 인접 채널값 등의 모든 특성을 측정할 수 있습니다.

측정 기기에서 노이즈 레벨이 높아지면 대역폭은 낮아지며, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. VSA는 고정 주파수의 중심값에서 작동하므로 좁은 분석 대역폭으로 충분하며, 효과적으로 설계된 VSA는 낮은 노이즈 플로어와 뛰어난 감도로 저레벨 신호를 탐지할 수 있습니다.

대부분의 VSA에는 (불요) 신호 탐지에 더욱 적합한 스펙트럼 분석 모드가 탑재되어 있어 캡처된 신호의 스팬이 증가하지만, AM, FM 또는 /фM에 대한 복조 가능성도 감소합니다.

스펙트럼 분석기에 필요한 주파수 대역은 애플리케이션, 즉, 필요 신호와 불요 신호에 대해 조사할 주파수와 신호 탐지의 목적에 따라 달라집니다. 스펙트럼 모니터링의 경우 예를 들어 주파수 대역은 모니터링할 주파수만 포함하면 됩니다. 기기 개발 및 EMI 조사의 경우에는 대부분의 표준에서 기본 주파수의 3차 하모닉에서 간섭 신호의 측정을 요구합니다. Wi-Fi와 같은 2.4 GHz ISM 대역에서 작동하는 기기 또는 Bluetooth® 기기의 경우 7.2 GHz 이상의 주파수 대역이 요구됩니다. 표준을 준수하기 위해서는 5차 하모닉에 대한 스퓨리어스 신호 송출이 필요한 경우도 있습니다. 2.4 GHz 기기의 경우 12GHz 주파수 대역이 필요합니다. 24.25 ~ 27.50 GHz의 n258 대역에서 작동하는 5G 기기의 경우에는 필요한 최대 주파수인 82.5 GHz를 지원하는 스펙트럼 분석기가 매우 적습니다. ETSI, ANSI, 3GPP 등의 조직에서 제정한 표준은 대부분 기본 주파수와 훨씬 가까운 대역 외 송출신호에 대한 한도를 지정하고 있습니다. 항상 테스트할 기기에 적용되는 표준을 확인하고, 대략적으로 예상 최대치를 20% 초과하는 수준의 최대 주파수를 목표로 하십시오.

일반적으로 다이내믹 레인지는 기기가 측정할 수 있는 최대치와 최소치를 나타냅니다. 동시에 여러 신호를 탐지하도록 설계된 스펙트럼 분석기의 경우 강한 신호가 존재할 때 약한 신호를 탐지하는 기기의 성능으로 정의됩니다. 스펙트럼 분석기의 다이내믹 레인지는 큰 신호가 존재할 때 스펙트럼 분석기가 지정된 정확도에 따라 큰 신호 대비 측정할 수 있는 작은 신호의 비율(dB 단위)로 정의됩니다.

스펙트럼 분석기의 용도는 일반적으로 필요 신호가 존재할 때 간섭 신호를 탐색하는 것이므로 강한 신호가 존재할 때 분석기가 약한 신호를 탐지하는 성능이 기본적인 성능 기준입니다. 기기의 최대 신호 레벨 범위, 노이즈 플로어, 위상 노이즈, 스퓨리어스 응답 모두 다이내믹 레인지를 결정하는 데 중요한 요소입니다.

다이내믹 레인지의 약한 신호는 분석기의 내재 노이즈에 의해 제한되며 강한 신호는 비선형성에 의해 제한됩니다.

내재 노이즈는 DANL(Displayed Average Noise Level)로 지정되며(dBm 단위), 1 Hz 분해능 대역폭으로 정규화됩니다. 사전 증폭기는 DANL을 줄여 약한 신호를 탐지하는 데 도움이 되지만 실제로 전체 다이내믹 레인지를 줄입니다.

비선형성은 1 dB 압축점, 2차 하모닉 왜곡, TOI(Third-order Intercept)로 표시됩니다.

파형의 위상 노이즈란 스펙트럼 분석기 화면에서 주파수가 순간적으로 변동하는 것을 의미하며, 디스플레이에서 파형이 흐려지거나 크게 흔들리는 것처럼 나타납니다. 위상 노이즈는 신호의 출력을 인접 주파수로 분산해 노이즈 사이드밴드을 일으키거나 사용 가능한 신호 출력을 약화시키고 신호 품질을 떨어뜨립니다. 약한 신호는 강한 인접 신호의 위상 노이즈로 사라질 수 있습니다.

주파수 도메인의 위상 노이즈는 타임 도메인의 지터에 해당하며, 주파수가 변동할 경우 시간에 따라 신호의 엣지에도 차이가 나타납니다.

위상 노이즈(및 지터)의 원인은 파형을 기록하는 오실레이터의 성능에서 불규칙성이 발생하기 때문입니다.

이상적인 오실레이터는 순수한 사인파를 발생하며 신호의 모든 출력은 단일 주파수에 있습니다. 하지만 실제 모든 오실레이터는 위상-변조 노이즈 성분을 일으키는 불안정적 요소가 있습니다. 위상 노이즈 성분은 신호의 출력을 인접 주파수로 분산시킵니다. 오실레이터 위상 노이즈에는 저주파수 플리커 노이즈가 포함되는 경우가 많으며 화이트 노이즈가 포함될 수도 있습니다. 위상 노이즈는 주파수 도메인에서 오실레이터의 안정성을 나타내는 반면 지터는 타임 도메인에서의 안정성을 나타냅니다.

위상 노이즈는 DUT(테스트 기기)의 위상 노이즈가 스펙트럼 분석기의 로컬 오실레이터의 위상 노이즈에 비해 큰 경우에만 스펙트럼 분석기를 이용하여 측정할 수 있습니다.

스펙트럼 분석기의 내재 위상 노이즈로 인해 위상 노이즈 측정 성능이 제한되며, 특히 Narrowband 신호와 같은 디지털 변조 신호에서 EVM(Error Vector Magnitude) 측정에 영향을 미칠 수 있습니다.

일부 스펙트럼 분석기는 정확도를 높여 위상 노이즈 측정의 감도를 개선한 오실레이터를 옵션으로 별도 판매합니다.

이 질문에는 "정답"이 없습니다. 최고의 스펙트럼 분석기는 각각의 상황에 따라 다릅니다. 핵심적인 결정 요인은 측정할 신호의 주파수, 측정할 신호의 특성, 정확히 필요한 측정, 신호의 측정 장소, 가용 예산입니다. 스펙트럼 분석기의 주파수 대역에 따라 측정 가능한 최소 주파수와 최대 주파수가 결정됩니다. 필요한 측정 속도, 분석 대역폭, 위상 노이즈, 다이내믹 레인지, 감도는 측정할 신호와 필요한 정확도에 따라 달라집니다. 분석 성능은 개별 요구사항과 일치해야 합니다. 또한 휴대성, 무게, 최초 구입 후 추가 성능 탑재를 위한 옵션 컨셉, 서비스 및 교정 지원, 기존 테스트 인프라에 대한 적합성, 신규 분석기로 이전 장비를 대체할 수 있는가 여부 등의 문제를 추가적인 기준으로 고려해야 합니다.

로데슈바르즈 스펙트럼 분석기 포트폴리오에는 일반 목적의 측정과 특정 산업 표준을 위한 솔루션이 포함되어 있습니다. 다음과 같은 애플리케이션에 적합합니다.

• 엔트리급 스펙트럼 분석기(예: R&S®FPC1500): 주파수 대역은 5 kHz ~ 1 GHz를 지원하며 3GHz까지 업그레이드 가능, 기초 교육부터 전문 용도의 예산에 적합하며 풀옵션 업그레이드 가능.
• 휴대형 스펙트럼 분석기(예: R&S®FPH): 최대 31GHz 주파수까지 모든 유형의 현장 작업에 사용 가능.
• 범용 기기(예: R&S®FSV3000, R&S®FPL1000): 뛰어난 RF 성능과 5G NR을 포함한 다양한 신호 분석 옵션을 제공하며 포괄적 사용자 인터페이스와 자동 컨트롤 탑재.
• 컴팩트 기기(예: R&S®FPS Signal and Spectrum Analyzer): 사용자 인터페이스가 탑재되어 있지 않으며 생산, 시스템, 모니터링 애플리케이션에 사용. 초고속 측정, 뛰어난 성능, 최소화된 크기, 무게, 전력 소비.
• 고성능 기기(예: R&S®FSW). 이 등급의 기기는 최고의 RF 성능과 독자적인 90 GHz의 최대 주파수, 8.3 GHz 분석 대역폭을 제공합니다.