RF 시스템의 특성화·테스트 솔루션
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RF 시스템의 특성화·테스트 솔루션
  • 선연수 기자
  • 승인 2020.01.23 08:45
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[테크월드=선연수 기자] 무선 통신이 우리 생활에 깊숙이 파고들었다는 것은 부정할 수 없는 현실이다. 주머니 속의 스마트폰부터 어디서나 인터넷에 접속할 수 있는 환경, 집에서 영화를 스트리밍할 수 있게 해주는 Wi-Fi와 개인 피트니스 트래커와 같은 웨어러블 기기까지, 무선 통신 기능이 없는 제품을 찾아보기가 힘들 정도다. 스마트폰과 같은 디바이스가 사용하는 통신 프로토콜과 방법도 더욱 다양해지고 있다. 스마트폰이 무선 전화, Wi-Fi, 블루투스와 같은 통신 기능을 사용할 수 있는 것을 그 예로 들 수 있다.

 

 

복잡한 테스트를 요구하는 RF 설계

RF(Radio Frequency) 설계의 복잡성은 많은 과제를 야기하는데, 그중 하나가 여러 가지 규정을 준수하는 것이다. GSM(Global System for Mobile Communications), LTE(Long-Term Evolution), UMTS(Universal Mobile Telecommunication System)와 같은 국제 무선 통신 규격을 준수해야 하고, 국가나 지역에서 무선 규정 승인을 받아야 하며 안전 관련 표준까지 만족해야 한다. 현재 유럽에서는 무선 장비 지침(Radio Equipment Directive)이 건강, 안전, 무선 주파수 스펙트럼의 올바른 사용, 전자파 적합성(EMC, Electromagnetic Compatibility) 등에 대해 단일 규제 프레임워크를 제공한다. 스마트폰이 제대로 동작하는지, 음성 품질이 훌륭한지, 터치 사용자 인터페이스의 반응 속도가 빠른지 보장하는 것을 비롯해 다양한 주관적인 특성과 성능 관련 특징을 테스트해야 한다.

무선 모듈, 스마트폰, 완전한 서브시스템에 상관없이, RF 디바이스 테스트는 개발 기한과 프로토타입부터 양산까지 전 과정에서 신경 써야 한다. 이로 인해 최대한 많은 테스트를 자동화하고 시간을 절감하는 것이 중요하다. 특히 5G의 공격적인 배포에서 볼 수 있듯, 시장을 선점해 경쟁우위를 확보하는 것이 우선순위일 경우 테스트 시간 단축은 더욱 중요해진다.

 

[그림 1] 일반적인 다대역 RF 모듈

실행할 수 있는 테스트 솔루션을 설계하려면 개발 과정 전체를 살펴야 한다. 예를 들어 [그림 1]에 있는 일반적인 다대역 RF 모듈은 송수신 기저대역 신호 경로, 동 위상(I)과 구적(Q) 변조 스텝, 4G까지의 송수신 경로, 별개의 5G 송수신 경로를 포함한다. 이와 같은 모듈의 테스트 시스템은 RF 스펙트럼 전 범위인 면허·비면허 대역, 2G에서 5G NR(New Radio), LTE-A Pro와 같은 무선 전화 기술을 다룰 수 있어야 한다. 802.11 시리즈와 같은 단거리 Wi-Fi를 포함하는 무선 네트워크 프로토콜도 테스트할 수 있어야 한다.

무선 대역의 사용이 진화하면서, 쉽게 업그레이드할 수 있는 테스트 구성을 유지하는 것도 필수사항이 됐다. 예를 들어, 2018년에는 2.4GHz에서 5.0GHz 대역을 사용하는 Wi-Fi 주파수의 과밀을 해결하기 위해, 확장된 산업, 과학, 의학 분야 등의 ISM(Industrial Scientic and Medical) 대역을 5.925GHz에서 7.125GHz 대역에 할당하기도 했다. 마찬가지로 변화하는 무선 기술에 대응하려면 테스트 기술이 1GHz의 순시 대역폭을 갖춰, 디지털 전치 보상 기술 등에 이용되는 첨단 알고리즘을 테스트할 수 있어야 한다.

 

[그림 2] RF 전력 증폭기 구성 요소 테스트 예시

흔히 측정되는 RF 파라미터로는 전력, 고조파, 에러 벡터 크기(EVM, Error Vector Magnitude), 인접 채널 누설비(ACLR, Adjacent Channel Leakage Ratio) 등이 있다. [그림 2]는 테스트 설정 예제를 보여준다. RF 벡터 신호 트랜시버(VST, Vector Signal Transceiver), 벡터 신호 분석기(VSA, Vector Signal Analyzer), 정밀 소스 측정 유닛(SMU, Source Measure Unit)이 기저대역 변조 신호 소스를 제공한다. VSA는 전력 증폭기에서 나오는 출력을 분석하며, 불필요한 스퓨리어스(Spurious) 신호, 고조파·과도 신호를 탐지할 수 있다. 이런 측정치는 증폭기의 결함 탐지에 이용된다.

 

포락선 추적과 디지털 전치 보상 기법

현재 RF 설계에서 전력 증폭기(PA, Power Amplifier)의 효율성은 핵심 수치이며, 배터리로 동작하는 디바이스에서 매우 중요하다. 송신기 전력 증폭기 단에서 전력 효율성과 선형증폭 성능을 높이기 위해, 포락선 추적(Envelope tracking)과 디지털 전치 보상 기법이 사용된다.

포락선 추적 기능이 전력 증폭기의 효율성에 어떤 영향을 주는지 제대로 측정하기 위해서는 해당 기술에 대한 기본적인 이해가 필요하다. 전력 증폭기에서의 게인(Gain, 이득)은 일반적으로 출력을 압축하기 전까지의 피크 출력 전력에서 효율이 가장 높다. 그러나 많은 무선 전화 통신 표준이 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 직교 주파수 분할 다중 방식)과 같이 높은 피크 전력 대 평균 전력 비(PAPR, Peak to Average Power Ratio)를 갖는 변조 기법을 사용하고 있다. 포락선 추적은 증폭기의 출력을 게인 압축점에 최대한 유지하는 기술이다.

증폭기의 순간 출력 전력에서 계산된 최적 공급 전압을 공급 전압 조정 기능을 통해 증폭기에 공급함으로써, 증폭기의 출력을 항상 게인 압축점에 가깝도록 유지할 수 있다. 이 방법은 효율성을 높일 수는 있으나, 증폭기가 비선형적으로 동작해 게인이 공급 전압에 따라 변한다. 이런 비선형성을 진폭-진폭(AM-AM) 왜곡이라고 하며, 이는 공급 전압에 따라 달라진다. AM-AM 왜곡 차이를 보정하기 위해 디지털 전치 왜곡(DPD, Digital Pre-Distortion) 보상 알고리즘이 사용되며, AM-AM 왜곡 곡선에 대한 전력 부가 효율(PAE, Power Added Efficiency)을 최적화한다. DPD 알고리즘은 매우 동적인 환경에서 작동해, 일반적으로 FPGA(Field Programmable Gate Array)와 같은 높은 대역폭의 디바이스에서 실행된다.

 

[그림 3] RF 전력 증폭기 포락선 추적과 디지털 전치 보상 메트릭스(Metrics)

[그림 3]은 NI RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit) 특성화 솔루션을 이용해 RFIC 테스트 설정 디스플레이를 나타낸다. 모듈형 PXI 시스템에 기반한 솔루션은 VSA, VST 등 여러 모듈을 18 슬롯 PXIe(PXI express) 섀시(Chassis)에 포함한다. 소프트웨어를 빠르게 제어함으로써, 다른 파라미터를 연속으로 대입해가며 여러 테스트를 신속하게 수행할 수 있다. [그림 3]은 왼쪽 위에서부터, 파란색은 디지털 전치 보상 알고리즘을 실행한 송신기의 전력 출력, 빨간색은 알고리즘 실행하지 않았을 때의 출력, 초록색은 RF 진폭의 포락선 추적 곡선, 보라색은 포락선 추적 중인 공급 전압을 나타낸다. 하단 패널은 다른 입력 전력 조건에서의 진폭(AM-AM), 위상(AM-PM) 차이 플롯을 DPD 알고리즘을 사용했을 때는 파란색, 사용하지 않았을 때는 빨간색으로 나타낸다. 마지막 패널은 스크롤할 수 있는 화면에서 측정값 요약을 보여준다.

다양한 입력 파라미터로 테스트 수행을 지원하는 것은 테스트 솔루션에 포함된 PXI 임베디드 컨트롤러 모듈이다. 이 컨트롤러는 VST와 같은 주 테스트 모듈에서 개별 테스트 작업 제어에 대한 부담을 덜어준다. 이 임베디드 컨트롤러를 이용해 데스크톱 컴퓨터로 테스트를 자동화하는 것과 비교하면, 각 테스트를 한 회 돌리는데 소요되는 시간을 상당히 단축할 수 있다.

 

RF 특성화와 테스트 솔루션 구성 모듈

 

[그림 4] RFIC 특성화 참조 솔루션을 위한 모듈형 PXI 하드웨어

[그림 4]는 포괄적인 RF 특성화와 테스트 솔루션을 구성하는 개별 모듈을 잘 보여준다. 각 PXI 모듈은 예제 코드 모음과 2G에서 5G 표준, 무선 네트워크, Wi-Fi, 블루투스와 같은 연결 프로토콜을 테스트하는데 사용하는 API를 포함한다. 예제는 LabVIEW, C, Visual Basic. NET을 기반으로 제공된다.

[그림 3]에 소개된 소프트웨어 정의 ‘소프트 패널’은 전체 솔루션 제어와 작업 일정 설정에 사용될 뿐만 아니라, 개별 모듈 제어용으로 쉽게 생성·설정할 수 있다. NI-RFmx 라이브러리는 인접 채널 전력(ACP, Adjacent Channel Power) 분석과 같이 특성화와 테스트 시퀀스에 포함할 수 있는 다양한 측정 루틴의 소스를 제공한다. 이 라이브러리는 FSK(Frequency Shift Keying), PSK(Phase Shift Keying), QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 신호 등 복잡한 웨이브폼을 생성할 수 있는 웨이브폼 생성기도 포함한다.

[그림 4]에 보이는 VST는 NIPXIe-5840이다. 이 벡터 신호 트랜시버는 9kHz에서 6GHz 대역폭의 RF 벡터 신호 생성기와 RF VSA를 포함한다. 최대 대역폭은 1GHz이며 표기 출력 전력은 +20dBm이다.

 

테스트 관리·자동화 솔루션

NI의 테스트 관리 소프트웨어인 테스트스탠드(TestStand)는 각 모듈의 제어 기능 제공에 더해, 다른 여러 가지 언어로 작성된 테스트 코드를 반복할 수 있는 단일 테스트 계획에 포함하고 자동화하는 기능도 함께 제공한다[그림 5].

 

[그림 5] NI TestStand를 사용하는 일반적인 소프트웨어 아키텍처

LabVIEW를 이용한 테스트 장비 자동화와 제어에 익숙한 테스트 엔지니어는 하드웨어가 긴밀하게 통합된 환경에서 시각적으로 프로그래밍하는 장점과, 편리한 테스트 로직과 측정 결과 확인을 선호하게 될 것이다[그림 6].

 

[그림 6] LabVIEW의 NI-RFmx 스펙트럼 분석 예제

제품의 복잡성이 증가하고 개발 기간이 단축되면서, RF 특성화와 테스트의 모든 측면을 놓치지 않기 위해서는 엔지니어가 신속하고 긴밀하게 통합된 소프트웨어 기반의 접근 방식을 도입해야 한다. 포괄적인 모듈형 하드웨어 플랫폼이 바로 이를 위한 솔루션이다.

 

글: 데이비드 홀(David Hall) 내쇼날인스트루먼트 반도체 마케팅 부서장

자료제공: 내쇼날인스트루먼트

 

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 1월 호에 게재된 기사입니다.


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