POWER MEASUREMENT
제공: 애질런트 테크놀러지스(www.agilent.com)
WiMAX™ 또는 WLAN 측정 요구를 만족시키는 올바른 파워미터를 선택하는 기준을 알고 있는가? 잘못된 파워미터를 선택하여 어떤 결과가 초래되는지 알고 있는가? 저렴한 USB 파워센서로 버스트 전력 측정을 빠르게 수행할 수 있다는 사실을 알고 있는가?
이 글에서는 여러 가지 전력 측정 툴로 버스트 평균 전력 측정을 수행할 때 기본이 되는 이론 및 이와 관련된 정확도 및 장점에 대해 자세히 다룰 예정이다. 또한 애질런트 U2000 시리즈 USB 파워센서, N1912A/N1921A P-시리즈 파워미터 및 센서, 그리고 N1912A/E9325A 파워미터와 파워센서를 이용하여 WiMAX 및 WLAN 측정을 수행하는 예를 보여준다. 이러한 실용적 정보를 통해 RF 기술자나 엔지니어는 해당 무선 측정 요구를 가장 잘 만족시키는 올바른 전력 측정 툴을 선택할 수 있을 것이다.
WiMAX 또는 WLAN 버스트 신호 내에서 평균 전력 측정은 칩셋, PC 카드, 증폭기 모듈 또는 핸드셋 등의 무선 통신 디바이스 특성을 분석하기 위한 기본적 파라미터이다. 디바이스 제조업체에게 적합한 전력 측정 툴을 선택해야 하는 중요성은 점차 커지고 있다. 광대역 WiMAX 및 WLAN 신호의 전력을 빠르고 정확하게 측정해야 할뿐만 아니라 송신된 버스트에서만 측정을 수행할 수 있어야 한다.
일반적으로, 버스트 평균 전력 측정(타임 게이트 평균 전력 측정 또는 간단히 버스트 전력이라고도 함)은 전력 포락선을 캡처하기 위해 신호에서 빠른 샘플링을 수행하는 피크 파워미터가 있어야만 수행할 수 있다. 버스트 신호 주변으로 마커 쌍을 설정하여 버스트 신호의 평균 또는 피크 전력을 측정하기 위한 '게이트'를 정의할 수 있다. 이것이 버스트 신호에서 정확한 피크 및 평균 전력 측정을 수행하는 가장 일반적인 방법이다.
첨단 디지털화 기술과 초고속 전자 부품을 사용하는 USB 파워센서가 등장하면서 측정 정확도를 저하시키지 않으면서 훨씬 빠르고 저렴하게 버스트 평균 전력을 정확하게 측정할 수 있게 되었다. 타임 게이트 기능을 사용하면 게이트의 시작과 길이를 모두 지정하여(트리거 입력 신호에 대한 참조 포함) 측정에 관련된 버스트 신호 부분을 선택할 수 있다.
다음 부분에서는 넓은 비디오 대역폭과 제한적 비디오 대역폭의 피크 파워미터로 수행한 버스트 측정 작업의 이론을 설명한다. 그런 다음 USB 평균 파워센서 작업을 알아보고 관련된 모든 기술의 측정 정확도에 대해 살펴본다. 이러한 파워미터와 파워센서의 작동에 대해 이해하면 올바른 파워미터를 선택하여 정확하고 신뢰할 수 있는 측정 결과를 얻을 수 있다.
테스트 대상 신호 대역폭과 비교하여 작은 비디오 대역폭을 가진 피크 파워미터를 사용할 때의 영향
피크 파워미터의 비디오 대역폭은 피크 및 평균 전력 측정에서 중요한 파라미터이다. 정확한 피크 및 평균 전력 측정을 보장하기 위해서는 미터와 센서의 대역폭이 신호 대역폭보다 넓어야 한다.
다이오드 센서에서 RF전력 포락선을 탐지하면 비선형 변환이 나타난다. 그림 1에서 빨간색 파형은 실제 전력 포락선을 나타내고(투톤 RF 신호에 해당), 파란색 파형은 다이오드 출력에서 탐지된 신호를 나타내며, 녹색 곡선은 다이오드 탐지기의 전달 함수이다. 상보 역함수를 통해 각 전압 포인트가 다시 전력을 나타내도록 변환시킬 수 있지만 평균의 경우에는 그렇지 않다는 것을 알 수 있다. 그림 1에서 확대한 부분이 이 포인트를 나타낸다. 대역폭이 좁은 센서의 경우 평균 레벨에서 안정화되는 한계가 있어 오류의 원인을 제공한다. 정확도를 유지하기 위해서는 평균을 계산하기에 앞서 탐지기에서 얻는 모든 샘플을 교정해야 한다. 대역폭이 충분하지 않으면 실제 전압과 탐지된 전압 사이의 관계가 신호의 레벨과 특성에 모두 종속되기 때문에 평균이 정확하게 계산되지 않는다.
다시 말해서, 비디오 대역폭은 선형성 교정 전에 전압 파형에 대해 '사전 평균화' 작업을 수행하여 평균 및 피크 전력 모두에 대해 전체적으로 전력 측정이 낮아진다(그림 2(A) 참조).
넓은 비디오 대역폭의 피크 파워미터를 이용한 버스트 전력 측정
이와 대조적으로 넓은 대역폭의 파워미터로 동일한 측정을 수행하는 경우, 전력 샘플은 비디오 대역폭 필터에 의해 '사전 평균화'되지 않는다. 피크와 골을 포함한 신호의 세부가 필터를 거친 후 전압 파형에서 유지되고, 전압 파형의 상단 부분은 선형 영역에서 다이오드의 비선형성으로 인해 압축된다. 그러면 각 전압 샘플은 원래 파형을 얻기 위해 선형성 교정을 거쳐 '압축 해제'된다. 따라서 넓은 대역폭의 피크 파워미터는 정확한 피크 및 평균 전력 측정을 제공할 수 있다(그림 2(B) 참조).
USB 평균 파워센서를 이용한 버스트 전력 측정
최근 몇 년 사이에 디지털화 기술이 급속도로 발전하면서 훨씬 작은 크기의 파워센서로 매우 정확하고 반복 가능한 빠른 전력 측정을 수행할 수 있게 되었다. 독립형 센서는 파워미터 없이도 P-V 변환, 데이터 수집, 온도, 전력 선형성 및 주파수 교정, 그리고 완전한 측정 제어를 수행할 수 있다. 이중 경로 다이오드 아키텍처를 가진 새로운 U2000 시리즈 USB 파워센서는 진정한 평균 전력을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 버스트 평균 전력을 정확하게 측정할 수 있다. 이 때 시간 게이트 기능을 사용하여 버스트 신호 주변으로 게이트 쌍을 설정하고 이 게이트 내의 평균 전력을 측정한다. 센서는 수 십분의 일 kHz의 제한적 비디오 대역폭을 가지고 있지만 제곱 법칙 영역에서 완벽하게 작동하는 이중 경로 다이오드 아키텍처로 정확한 신호 포락선 프로파일링을 제공할 수 있다.
피크 파워센서와 달리 다이오드의 비선형성으로 인한 전압 파형 상단 부분의 압축이 생기지 않는다. 따라서 U2000 시리즈는 버스트 전력을 비례 전압 파형으로 변환할 수 있다. 그러면 이 전압 파형은 센서의 RC 필터 회로를 이용하는 비디오 대역폭 교정을 거치게 된다. 십분의 몇 kHz의 대역폭을 가진 RC 필터는 시간 영역에서 버스트 신호에 피크와 골을 만드는 고주파수 성분을 제거한다. 그러나 평균 전력은 변하지 않고 그대로 유지되며 U2000 센서는 계속해서 신호 포락선에 대한 정확한 프로파일링을 제공할 수 있어 정확한 버스트 평균 전력 측정이 가능하다(그림 2(C) 참조).
그림 3은 WiMAX 20MHz 신호에 대한 전력 대 시간 그래프 예제이며, 각각 30 MHz와 30kHz 비디오 대역폭을 가진 두 가지 센서로 측정되었다. 30MHz의 넓은 대역폭을 가진 센서는 많은 피크와 골을 포함하여 OFDM 신호의 세부를 유지하는 반면, 30kHz 대역폭 센서는 OFDM 신호의 포락선을 유지하면서 고주파수 성분을 제거한다. 두 센서로 측정한 평균 전력은 거의 동일하지만 피크 전력은 30kHz 센서의 경우가 상당히 낮다.
U2000 시리즈 USB 파워센서를 이용한 WiMAX 및 WLAN 측정
여기서는 30MHz P-시리즈 파워미터와 파워센서 및 300kHz E9325A 파워센서그림 5와 비교하여 WiMAX 802.11e 28 MHz 신호와 WLAN 802.11g 20MHz 신호를 측정할 때 U2000 센서의 측정 설정그림 4과 정확도를 나타냈다.
N1921A/N1922A 센서를 이용한 P-시리즈 N1911A/N1912A 미터가 30MHz의 평탄하고 넓은 비디오 대역폭을 통해 가장 정확한 측정 결과를 제공한다. 300kHz 비디오 대역폭을 갖는 E9325A는 다이오드 제곱 법칙 영역이 최대 -10dBm여서 최대 -10dBm의 양호한 정확도를 제공한다. -10dBm 이상에서 제한된 비디오 대역폭과 높은 전력 레벨에서 다이오드의 비선형성으로 인해 측정이 편이하기 시작한다. 제한된 비디오 대역폭에도 불구하고 이중 경로 다이오드 아키텍처와 완벽한 제곱 법칙 영역에서의 작동 덕분에 U2000 시리즈는 넓은 대역폭의 WiMAX 신호에서 정확한 측정을 수행할 수 있다. U2000 센서에는 빠른 측정 속도와 비용 효과적인 가격대 등의 추가적인 장점도 있다.
표 1은 P-시리즈 파워미터와 U2000 시리즈 USB 파워센서의 버스트 전력 측정 성능을 비교한 것이다.
결론
버스트 평균 전력 측정은 무선 디바이스의 올바른 작동을 보장하기 위한 기본적 파라미터이다. 그러나 광대역 WiMAX 및 WLAN 버스트 신호에 대한 빠르고 정확한 버스트 평균 전력 측정을 수행한다는 것이 어려울 수 있다. 올바른 파워미터를 선택하는 것은 이러한 어려움을 극복하는 열쇠다. 30MHz의 넓은 비디오 대역폭에서 작동하는 애질런트 P-시리즈 파워미터와 파워센서를 이용하면 WiMAX 또는 WLAN 버스트 신호에 대한 피크 및 평균 전력을 매우 정확하게 측정할 수 있다. P-시리즈 이외에도 강화된 시간 게이트 측정 기능과 빠른 측정 속도를 제공하는 애질런트 U2000 시리즈 USB 평균 파워센서는 오늘날 RF 기술자나 엔지니어가 광대역 버스트 신호의 버스트 평균 전력을 저렴한 비용으로 정확하고 빠르게 수행할 수 있도록 지원한다.
WiMAX는 WiMAX 포럼의 상표이다.
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