신속한 RF 측정을 위한 새로운 기술

소프트웨어 정의된 PXI RF 인스트루먼트와 기존 인스트루먼트를 벤치마크 비교하면 소프트웨어 정의된 PXI RF 인스트루먼트의 속도가 향상되었음을 알 수 있습니다. WCDMA 측정 결과에서 볼 수 있듯이 내재적으로 병렬처리 방식인 LabVIEW 측정 알고리즘은 멀티코어 프로세서를 활용할 때 기존의 인스트루먼트보다 신속한 실행 속도를 구현합니다.

오전 7시, 클래식 록 음악 소리에 기상합니다. 라디오 알람 시계의 RDS 수신기는 지금 나오는 음악이Guns N Roses의 Welcome to the Jungle이라는 것을 알려줍니다. 그 후, 아침 커피를 마시면서 WLAN 트랜시버를 통해 이메일을 확인합니다. 출근 준비가 되고 현관으로 걸어나가면 315 MHz FSK 트랜스미터를 사용하여 자동차 문을 엽니다. 진입로를 따라 자동차를 운전하면서, 위성 라디오에서 광고 없이 제공되는 오락 프로그램을 즐길 수 있습니다. 잠시 후, 귀에 꽂힌 Bluetooth 트랜시버가 3G 핸드폰과 통신합니다. 몇 분 내에 GPS 네비게이션 시스템이 3D 위치 추적 정보를 획득하여 목적지로 주행합니다. GPS 수신기가 톨게이트를 알려주며, 톨게이트를 지날 때 RFID 리더가 자동차의 통행료를 지불합니다.

본 가상 시나리오에서 볼 수 있듯이 RF 기술은 모든 곳에 사용됩니다. RF 기술이 소비자에게 미치는 영향은 쉽게 살펴볼 수 있지만, 사실 RF 테스트 엔지니어에게는 더욱 큰 영향을 미칩니다. 무선 디바이스의 가격이 하락함에 따라 업무에서의 활용을 더욱 자유롭게 만들었습니다. 그러나 차세대 RF 자동화된 테스트 시스템 설계시에는 새로운 문제가 유발됩니다. 그 어느 때 보다도 테스트 비용 절감이라는 과제가 대두되고 있습니다. 따라서, 현재 자동화된 테스트 시스템의 가장 큰 이슈 또한 전체 테스트 시간을 줄이는 것입니다.

새로운 6.6 GHz RF 테스트 플랫폼 출시
이 같은 요구에 대응하여 NI는 6.6 GHz 고속 RF 측정 플랫폼을 개발하였습니다. 새로운 제품인 NI PXIe-5663 벡터 신호 분석기 (VSA) 및 NI PXIe-5673 벡터 신호 생성기 (VSG)는 자동화된 RF 측정을 위한 고속의 유연성 있는 솔루션을 제공합니다. NI PXIe-5663은 최고 50 MHz 동시 대역폭으로 10 MHz~6.6 GHz 신호 분석이 가능합니다. NI PXIe-5673은 85 MHz~6.6 GHz의 신호 생성을 제공하며 100 MHz의 동시 대역폭을 제공합니다. (그림 1 참조)

그림 1. 새로운 6.6 GHz RF 테스트 플랫폼을 갖춘 PXI 시스템

6.6 GHz RF 테스트 플랫폼은 자동화된 테스트 어플리케이션에 이상적입니다. 고도로 병렬화된 NI LabVIEW 측정 알고리즘을 사용하는 PXI 모듈형 계측은 기존의 계측보다 대폭 향상된 측정 속도를 구현합니다. PXI 모듈형 계측이 기존 계측에 비해 어떻게 측정 속도가 빨라졌는지를 이해하기 위해서는 PXI 모듈형 계측기와 기존 계측기간의 구조적 차이를 이해해야 합니다. 두 가지 시스템이 여러 가지 유사한 컴포넌트를 사용하지만, 주요 차이점은 PXI 시스템이 고성능 멀티코어 CPU를 사용한다는 점입니다. 본 개념에 대한 설명을 위해 그림 2에서 계측 유형에 대한 블록 다이어그램을 살펴보십시오.

그림 2. 사용자 정의된 CPU는 PXI RF 인스트루먼트의 핵심 컴포넌트입니다.

PXI 및 기존 계측기가 여러 유사점을 공유하는 반면, PXI 모듈형 계측기에서 사용 가능한 사용자 정의된 멀티코어 CPU는 더욱 빠른 측정 시간을 구현합니다. 여러 경우에 있어, RF 측정 알고리즘은 내재적으로 병렬처리 방식인 LabVIEW 프로그래밍 언어로 작성됩니다. 그 결과로, 더 많은 프로세싱 코어가 있는 프로세서로 업그레이드됨으로써 전체 측정 속도는 증가합니다. CPU 클럭 속도 (또는 코어 개수)가 무어의 법칙에 따라 증가하면서 현재의 PXI RF 테스터는 더욱 증대된 측정 속도를 구현할 수 있습니다. 본 문서의 벤치마크 데이터를 살펴보면 아시겠지만, 여러 PXI VSA는 기존의 벤치탑 VSA보다 최고 30배 빠른 프로세서 집약적인 RF 측정 알고리즘을 실행할 수 있습니다.

PXI 계측의 장점을 이해하기 위해서 대용량 무선 디바이스 테스트와 같은 어플리케이션을 살펴보십시오. 본 시나리오에서 테스트 시간은 제품의 매출 원가 (COGS)에서 큰 부분을 차지합니다. 또한, 3G UMTS (WCDMA) 표준과 같은 무선 통신 프로토콜의 경우, 프로세서 집약적인 측정 알고리즘은 상당한 처리 능력을 요구합니다. 본 어플리케이션을 위해, 내쇼날인스트루먼트의 얼라이언스 파트너인 AmFax社에서는 WCDMA 물리 계층 측정을 위해 고도의 병렬 측정 알고리즘을 제공하고 있습니다. 이 경우, NI RF 계측 및 파트너 소프트웨어가 결합되어 저가형, 고속 및 고정밀 테스트 플랫폼을 구현합니다.

더욱 신속한 WCDMA 측정을 구현하기 위해 LabVIEW 사용
NI PXIe-5663 RF VSA의 측정 속도 및 정확도를 설명하기 위해, 기존의 주요 계측기와 1대1 비교해보겠습니다. (테이블 1 참조) 두 가지 계측기는 상대적으로 새로운 RF VSA이며, 전체 NI PXIe-5663 RF 측정 시스템보다 비교적 가격이 비쌉니다.

1계측기 A는 Rohde & Schwarz FSG입니다.
2계측기 B는 Rohde & Schwarz FSQ입니다.
테이블 1. PXI와 기존 계측기의 비교

가장 현실적인 벤치마킹 데이터를 제공하기 위해 PXI와 기존 계측기는 표준 측정 형태로 시간이 측정됩니다. WCDMA 어플리케이션의 경우, 광범위한 측정을 위한 계측기 성능을 고려하십시오. CCDF (상보누적함수)와 같은 PHY 계층 측정을 위해서는 장시간의 측정이 요구되며, 프로세서 속도에 영향을 적게 받습니다. 그 반면, EVM (error vector magnitude)과 같은 복조를 요구하는 측정의 경우, 상당량의 신호 처리가 요구됩니다. 마지막으로, ACLR (adjacent channel leakage power ratio), OBW (점유 주파수 대역폭)와 같은 주파수 영역 측정 또한 DFT(이산 푸리에 변환) 연산을 요구하기 때문에 테스트되어야 합니다.

NI TestStand 소프트웨어와 같은 일반적인 테스트 관리 아키텍처를 사용하면 자동화된 측정의 시퀀스를 신속하게 구성할 수 있습니다. NI TestStand 소프트웨어가 측정 시퀀싱을 위한 내장된 프레임워크를 제공할 뿐만 아니라, 각 테스트를 위한 측정 시간 보고를 위해 구성될 수도 있습니다. 그림 3은 자동화된 테스트 시퀀스에 대한 NI TestStand의 측정 시간 보고를 보여주는 스크린샷입니다.

그림 3. 제품 테스트 환경에서 측정을 자동화하는 NI TestStand

그림 3에서, EVM 측정 단계 (“Configure NI EVM” 및 “Measure NI Composite EVM”)를 둘러싼 For 루프를 확인하십시오. 바깥쪽의 For 루프는 주어진 측정에 대한 평균 수를 결정하며, 안쪽의 for 루프는 동일한 측정 설정 값의 여러 경우를 거쳐 시퀀스로 나타냅니다. 동일한 구성 설정 값으로 여러 측정을 수행하면 측정 데이터의 통계적인 분석을 수행하여 결과 평균치 및 표준 편차를 결정할 수 있습니다.

RF 계측기 구성하기
계측기 벤치마킹을 수행할 때, 최고의 측정 성능을 얻도록 각 계측기를 구성하는 것이 매우 중요합니다. 기존 계측기의 경우, 각 트레이스를 수동으로 평균화하지 않고 계측기의 온보드 평균 함수를 사용하여 최상의 결과를 얻습니다. 추가적으로, 측정 진행 중에 프런트 패널 디스플레이는 반드시 꺼져 있어야 합니다. 마지막으로, 가장 효율적인 인스트루먼트 컨트롤 버스를 선택하는 것이 중요합니다. 그 이유는 본 측정에 대한 데이터 크기가 작고, 선택된 인스트루먼트 컨트롤 버스가 지연시간에 최적화되어야 하기 때문입니다. 따라서 최적의 지연 결과를 위해 LAN에서 GPIB 버스를 선택하십시오. 일반적으로, 지연은 평균이 거의 적용되지 않았을 때 측정에 더욱 큰 영향을 미칩니다.

RF VSA의 측정 속도를 벤치마크하기 위해서는 RF VSG와 함께 루프백 모드에서 구성되어야 합니다. NI PXIe-5663 VSA를 평가하기 위해서는 테스트 입력을 소싱하는 새로운 NI PXIe-5667 6.6 GHz RF VSG를 구성할 수 있습니다. WCDMA 표준과 일관되는 본 입력은 1.95 GHz의 중앙 주파수에 있어야 합니다. -10 dBm의 RF 출력 전력을 설정하고, 생성기를 VSA로 케이블을 사용하여 직접 연결합니다. 그림 4는 하드웨어 구성입니다.

그림 4. 벡터 신호 분석기를 벡터 신호 생성기에 직접 연결

측정 반복성과 같은 특성을 결정하기 위해 실제 device under test (DUT)를 사용해야 하며, 루프 백 방식으로 얻을 수 있는 장점은 계측기 측정 성능을 설명하는데 사용 가능하다는 점입니다.

측정 시간 벤치마크 결과
위에서 설명된 구성을 사용하여 다음의 각 측정에 대한 측정 시간 (초)을 관찰합니다. 테이블 2에 사용된 평균 수는 디자인 검증 어플리케이션에 흔히 사용되는 값을 기반으로 선택되었습니다. 평균 숫자와 측정 반복간의 관계에 대한 구체적인 내용은 본 문서의 후반부에 설명되어 있습니다.

테이블 2. 기존 계측기와 PXI 계측기에 대한 WCDMA측정 시간

테이블 2에서 보듯이, 임베디드 또는 랙마운트 컨트롤러가 있는 NI PXIe-5663 RF VSA는 기존 계측에 비해 더욱 향상된 측정 속도를 제공합니다. 또한, 전체 측정 시간에 프로세서 속도가 미치는 영향을 살펴보십시오. NI PXIe-8130 임베디드 컨트롤러는 AMD Turon X2 2.3 GHz CPU를 사용하며, NI PXIe-8106 임베디드 컨트롤러는 2.16 GHz Intel Core 2 Duo CPU를 사용합니다. 쿼드 코어 프로세서인 NI 8353 1U 랙마운트 컨트롤러는 듀얼 2.4 GHz Core 2 Duo CPU를 사용합니다. CPU 성능이 측정 속도를 직접 결정하므로 쿼드 코어 컨트롤러는 가장 빠른 속도의 듀얼 코어 임베디드 컨트롤러보다 더욱 더 신속한 측정 시간을 제공합니다. 그림 5는 전체 측정 시간이 단축된 기존 계측기의 결과를 퍼센트로 나타낸 차트입니다.

그림 5. NI 8353 1U 컨트롤러는 기존 계측기에 비해 테스트 시간을 83퍼센트 단축합니다.

대부분의 WCDMA PHY 계층 측정의 경우, 처리 시간은 전체 측정 시간에 가장 큰 영향을 미칩니다. 이러한 측정의 경우, 전체 시간은 대체로 사용된 평균의 수에 비례합니다. 한 가지 예외는 CCDF와 같은 특히 장시간의 수집 크기를 요구하는 측정의 경우입니다. 이 경우, 프로세서는 전체 측정 시간에 적은 영향을 미칩니다. 그림 6에서 살펴보면, CCDF 측정의 경우 PXI 측정 시스템은 기존 계측보다 속도가 약간 빠릅니다.

그림 6. 평균수는 CCDF 측정 시간에 거의 영향을 미치지 않습니다.

PXI 계측으로 관찰할 수 있는 정확한 성능 개선 파악을 위해서 본 측정은 여러 번에 걸쳐 수행되어야 합니다. 아래의 모든 데이터는 각 구성에 대해 10번의 시도를 거친 평균입니다. 그림 6에서, CCDF 측정 시간은 기존 계측 대신 PXI 기반 측정 시스템을 사용할 때 33퍼센트 감소됩니다. 여기에서 알 수 있듯이 NI 8353 쿼드 코어 랙 마운트 컨트롤러가 가장 빠른 측정 시간을 기록합니다.

프로세서 집약적인 PHY 계층 측정의 경우, 프로세서 선택이 전체 측정 시간에 상당한 영향을 미칩니다. 그림 7에서 9까지의 그래프는 기존 계측과 PXI 계측에 대한 측정 시간과 평균 수 간의 관계를 나타냅니다.

그림 7. PXI계측기는 프로세서 집약 측정에서 최대로 향상됩니다.

프로세서 집약적인 EVM과 같은 측정에 있어 컨트롤러의 선택은 측정 시간에 상당한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 5개 평균으로 EVM 측정을 하면 NI PXIe-8130 임베디드 듀얼 코어 컨트롤러로 342 ms가 소요되는 반면, NI 8353 듀얼 코어 컨트롤러로는 33퍼센트가 단축된 228ms가 소요됩니다. 비슷한 결과를 그림 8의 ACLR(adjacent channel leakage ratio) 측정에서도 살펴볼 수 있습니다.

그림 8. ACLR에 대한 측정 시간과 평균 수 비교

5개 평균으로 ACLR 측정한 시간은 PXI RF 측정 시스템을 사용하면 4배 또는 그 이상 단축 가능합니다. 그림 9는 그 최종 측정 결과를 나타냅니다.

그림 9. 점유 주파수 대역폭 측정은 PXI 계측기 사용으로 최대 30배 빨리 수행할 수 있습니다.

그림 9에서 볼 수 있듯이, 일부 측정의 경우 PXI RF 계측이 기존 계측기보다 최고 30배 빠른 결과를 도출한다는 것을 알 수 있습니다. 또한, 절대 측정 시간의 향상은 주목할만한 평균연산이 요구되는 경우에 두드러지게 나타납니다.

측정 평균 연산과 반복성 비교
평균값 연산이 전체 테스트 시간을 대폭 증대시키는 반면, 평균값 연산을 통하여 더욱 반복적인 측정을 해야 할 때가 있습니다. 측정 평균값 연산이 측정 시간을 증대하기 때문에, 평균 수와 반복간의 관계를 이해하는 것이 중요합니다. 평균을 통해 노이즈가 경감되기 때문에, 평균 수가 증가함에 따라 run-to-run 반복이 향상됨을 알 수 있습니다. 그림 10에서, EVM 표준 편차는 각 측정에 대해 구성된 평균 수와 비교됩니다.

그림 10. EVM 표준 편차와 평균 수 비교

그림 10의 결과를 보면, 모든 EVM 측정은 1 WCDMA 프레임 기간 (2,600 칩과 동일)동안 이루어졌습니다. 측정 반복성과 평균 수간의 관계를 살펴보십시오. 그림 10에서는 데이터를 계산하는데 단 1,000번의 시도가 있었지만, 여러 제조 테스트 어플리케이션은 더욱 많은 수의 데이터 테스트가 요구됩니다. 사실상, 더 정확한 측정 반복 모델을 생성할 수 있도록 여러 개의 계측기를 사용하는 많은 테스트 실행이 사용되어야 합니다.

NI PXIe-5673 RF VSG를 사용하여 루프백 모드에서 구성된 NI PXIe-5663 RF VSA를 사용하면 1 퍼센트 EVM 측정보다 양호한 측정을 쉽게 얻을 수 있습니다. 테이블 3은 다양한 구성에 대한 평균 및 표준 편차입니다.

테이블 3. 평균수의 상관관계로서 EVM과 표준 편차

NI PXIe-5663 RF VSA와 NI PXIe-5673 RF VSG는 WCDMA 표준을 위한 정확하며 반복 가능한 EVM 측정을 생성합니다.

결론
무선 기술이 빠른 속도로 채택됨에 따라, 엔지니어들은 측정 시간을 단축해야 하는 더욱 큰 부담을 안게 되었습니다. 그러나 PXI 측정 시스템을 통해 업계의 발전을 도모할 수 있게 되었습니다. 본 문서의 데이터가 증명하듯이 멀티코어 PXI 프로세서상에서 실행하는 병렬 측정 알고리즘은 기존 계측에서의 유사한 알고리즘에 비해 월등하게 신속한 결과를 이끌어냅니다. 결론적으로, 내쇼날인스트루먼트의 새로운 PXI 6.6 GHz RF 측정 플랫폼으로, RF 테스트의 비용 절감에 대한 증가하는 요구에 적절히 대응할 수 있습니다. ni.com/rf/platform에 방문하여 본 플랫폼에 대한 더욱 자세한 정보를 살펴보십시오.

내쇼날인스트루먼트의 얼라이언스 파트너는 NI와는 별도의 독립적인 사업체이며, 대리점, 제휴 또는 합작 투자 관계가 없습니다.