RF 측정을 재정의하다

VSA, VSG, 그리고 개방형 FPGA의 통합

한정규 대리 Jungkyu.han@ni.com
한국내쇼날인스트루먼트 자동화 테스트 솔루션 담당

수 십 년에 걸쳐 소프트웨어 정의된 RF 테스트 시스템 아키텍처는 테스트 업계에 빠른 속도로 보급화되고 있습니다. 기존 박스형 계측기 형태를 지닌 대부분의 상용 (COTS) 자동화 RF 테스트 시스템은 어플리케이션 소프트웨어를 사용하여 버스 인터페이스를 통해 계측기와 통신합니다.

하지만, RF 어플리케이션이 더욱 복잡해짐에 따라 엔지니어들은 테스트 시간과 비용을 최대한 줄이면서 기능은 개선해야 하는 부담을 안고 있습니다. 테스트 측정 알고리즘, 버스 속도, CPU 속도의 향상으로 테스트 시간이 단축된 것은 사실이지만, 더욱 복잡해지는 RF 테스트 어플리케이션을 다루기 위해서는 획기적인 기능 개선이 필요한 상황입니다.

상용 RF 테스트 계측기는 속도와 유연성을 충족시키기 위해 FPGA 활용성을 늘렸습니다. FPGA는 소프트웨어 개발 환경을 통해 하드웨어 기능을 직접 설정할 수 있는 재프로그래밍이 가능한 실리콘 칩입니다.

RF 계측에 FPGA를 활용하는 것은 현명한 선택이지만, FPGA는 특정 목적을 위해 제작되었고, 기능이 제한적이며, 사용자가 직접 설정이 거의 불가능합니다. 이 때 프로그래밍이 가능한 FPGA를 사용하면 고정된 기능의 FPGA와 비교하여 우수한 장점을 활용할 수 있습니다. 프로그래밍이 가능한 FPGA를 사용하면 RF 계측기를 직접 설정함으로써 각 어플리케이션에 최적화된 솔루션을 구현할 수 있습니다.

NI의 세계 최초 벡터 신호 트랜시버 (VST)는 벡터 신호 생성기 (VSG)와 벡터 신호 분석기 (VSA)를 FPGA 기반 리얼타임 신호 처리 및 컨트롤과 통합한 새로운 형태의 혁신적인 측정 장비입니다.

VST에는 프로그래밍 가능한 FPGA가 탑재되어 있어 계측기의 하드웨어에 사용자가 정의한 알고리즘을 요구에 따라 구현할 수 있습니다. VST는 소프트웨어로 디자인되었으므로 SDR (Software Defined Radio) 아키텍처의 유연성과 RF 계측기 수준의 성능을 제공합니다. 그림 1 (아래)은 기존 RF 계측 방식과 VST를 사용한 소프트웨어 디자인 방식간의 차이점을 설명해 주고 있습니다.

개방형 FPGA 기반 RF 측정 장비 VST

NI LabVIEW FPGA를 활용하면 그래픽 기반 프로그래밍 언어인 LabVIEW 소프트웨어와 같은 프로그래밍 환경에서 재구성 가능한 I/O (RIO) 하드웨어의 FPGA를 프로그래밍할 수 있습니다.

LabVIEW는 병렬 처리와 데이터 흐름에 최적화되어 있으므로 FPGA 프로그래밍에 적합합니다. 따라서 기존의 FPGA 디자인 경험 유무에 상관없이 누구나 재구성 가능한 하드웨어의 강력한 성능을 활용할 수 있습니다.

시스템 디자인 소프트웨어인 LabVIEW는 연산 아키텍처와 데이터 조작에 대한 전문 지식이 없이도 FPGA와 마이크로프로세서 (사용자의 PC 환경)에서 처리를 진행하도록 고유한 기능을 제공합니다.

NI VST는 강력한 LabVIEW FPGA와 NI RIO 아키텍처를 기반으로 구축되었으며, 어플리케이션 IP, 참조 디자인, 예제, LabVIEW 샘플 프로젝트 등 어플리케이션 개발의 시작을 돕는 다양한 요소가 포함됩니다.

기존 RF 테스트 개선

NI VST는 기존 계측기의 빠른 측정 속도와 고성능을 유연한 소형 폼팩터에 통합하였습니다. 따라서 VST는 5.8 GHz에서 -45 dB (0.5%) 보다 우수한 에러 벡터 크기 (EVM)를 통해, 802.11ac와 같은 표준을 테스트할 수 있습니다. 또한, 송수신, 기저대역 I/Q 및 디지털 입출력이 공통의 FPGA를 공유하므로, VST는 기존 박스형 계측기 보다 훨씬 강력한 성능을 제공합니다.

그 중 한가지 예로 데이터 축소를 꼽을 수 있습니다. 부분 제거, 채널화, 평균화 및 기타 직접 설정한 알고리즘을 통해 FPGA는 연산 집약적인 태스크를 수행할 수 있습니다.

이를 통해, 필요한 데이터 처리량과 호스트 측의 프로세싱을 줄여 테스트 시간이 단축되며, 평균화를 늘려 사용자들이 측정에 더욱 확신을 갖게 됩니다. FPGA 기반, 사용자 정의 알고리즘의 다른 예로는 사용자 정의 트리거링, FFT 엔진, 노이즈 수정, 인라인 필터링, 가변 지연, 전력 레벨 서보 등이 있습니다.

VST는 80MHz로 최신 802.11ac 무선 랜 테스트에도 적용이 가능합니다. 160MHz를 필요로 할 시에는 2대의 VST를 통해 contiguous 또는 non-contiguous mode도 테스트할 수 있습니다. 더욱 나아가서는 최신 무선 프로토콜들만 지원한다는 MIMO도 박스형 계측기와는 다르게 매우 용이하게 구성할 수 있습니다.

RF 수신기 및 발신기의 기저대역 I/Q 데이터 이외에도, PXI VST에는 프로그래밍 가능한 FPGA에 직접 연결되는 고속 디지털 I/O가 있습니다. 따라서 사용자들은 RFIC와 같은 DUT를 컨트롤하기 위해 직접 정의한 디지털 프로토콜을 실행하여 테스트 시간을 대폭 단축할 수 있습니다. 이외에도, 테스트 시퀀싱이 FPGA에서 수행되므로 DUT는 리얼타임으로 상태를 변경하고 시퀀싱할 수 있습니다.

최근 몇 년간, MIMO RF 기술은 크게 발전하였으며 특히 셀룰러 및 무선 표준 분야에서 눈에 띄는 발전이 있었습니다. 이와 더불어 RF 변조 구조가 더욱 복잡해지고, RF 대역폭이 증대되었으며, 라디오 스펙트럼은 더욱 복잡해졌습니다.

이 같은 상황에서는 간섭이 차단된 연구소와 같은 이상적인 환경에서 무선 디바이스를 테스트하는 것만큼이나 다이나믹한 실제 환경에서 디바이스가 어떻게 작동하는지 이해하는 것도 중요합니다.

라디오 채널 에뮬레이터는 실제 환경에서 무선 통신을 테스트하기 위한 툴입니다. 페이딩 모델은 물리적인 라디오 환경에서 RF 신호를 방해하는 공기 방해, 반사, 사용자 움직임 및 자연 발생하는 기타 현상을 시뮬레이션 할 때 사용됩니다.

수학 페이딩 모델을 FPGA에 프로그래밍하면, VST는 리얼타임 라디오 채널 에뮬레이터를 실행합니다. 아래 그림은 LabVIEW에서 2개의 VST를 사용하여 실행된 2×2 MIMO 라디오 채널 에뮬레이터입니다.

소프트웨어로 디자인된 계측의 무한 가능성

벡터 신호 트랜시버 (VST)는 제조업체의 정의가 아닌 사용자 어플리케이션 요구에 따라 정의되는 소프트웨어로 디자인된 혁신적인 계측기입니다. RF의 DUT가 더욱 복잡해지고 제품의 시장 출시 시기가 더욱 단축되고 있는 시점에서 이 같은 계측기 성능을 통해 RF 디자이너와 테스트 엔지니어들은 보다 세부적인 컨트롤이 가능합니다.

VST와 같은 장비가 존재함으로써 “계측기 스펙이 적합한가?”라는 질문에 답하기 이전에 “해결해야 할 RF 측정 및 컨트롤 문제가 무엇인가?”에 대해 먼저 생각할 수 있게 되었습니다. VST의 정밀한 RF 입력 RF 출력 및 직접 프로그래밍 가능한 FPGA에 연결된 디지털 I/O를 통해 그 어떠한 문제도 해결이 가능합니다.

11월 1일, 벡터 신호 트랜시버 공식 런칭 행사 개최

벡터 신호 트랜시버의 국내 런칭 행사가 오는 11월 1일, 한국NI 주최의 그래픽 기반 시스템디자인 컨퍼런스 NIDays 2012에서 진행됩니다. RF 측정의 혁신을 주도할 VST의 주요 성능과 다양한 기술 정보를 NIDays 2012 키노트와 기술 세션, 데모부스를 통해 직접 확인해 보시기 바랍니다.

아이씨엔 매거진 2012년 10월호