PCB 기술 - 신호 무결성 분석: 무선 신호

1 무선 신호 체인

무선 신호는 오늘날 많은 내장형 시스템의 중요한 구성 요소입니다.모바일 단말기 제조업체들이 미디어 융합을 논의하고 있다.소비자는 노트북, 휴대폰, 휴대용 디지털 TV 또는 PDA에서 웹 페이지를 탐색하거나 경기를 볼 수 있습니다.

간단히 말해서, 다양한 미디어 콘텐츠가 무선 신호로"번역"됩니다.그러나 미디어 융합은 향상된 데이터 압축 (코덱), 상호 운용성, 무선 주파수 전송 및 간섭 처리와 같은 수많은 복잡한 기술의 선구자입니다.수많은 다른 무선 기술, 예를 들어 대량의 국제 표준과 미디어 형식은 특별한 책을 한 권 받을 만하다.그러나 이 장에서는 신호 무결성 설계에 대해 미디어, 표준 및 다양한 무선 전송의 특성을 고려하지 않고 무선 신호를 테스트하고 분석하는 데 중점을 둡니다.무선 신호와 스펙트럼 분석은 각 전문 분야에 널리 응용되는 방법으로 무선 교과서에 나와야 한다.

또한 내장형 시스템 설계에서 무선 시스템이 점점 더 인기를 얻고 새로운 무선 표준도 채택되고 있기 때문에 이러한 무선 환경에서 신호 무결성 공정을 중시해야 한다.따라서 현대 무선 신호와 그 테스트에 대해 논의하지 않으면 이 책은 불완전할 것이다.따라서 이 장은 무선 신호 테스트를 위한 새로운 기술을 이해하는 데 도움이 되도록 설계되었습니다.이 장은 또한 현대 무선 환경에서의 신호 분석에 새로운 아이디어를 제공합니다.

신호 무결성과 측정에 대한 논의는 많은 SI 서적에 무선 테스트 기기에 대한 논의를 포함하는 큰 프로젝트입니다.그러나 이 주제는 또한 간단합니다. 스펙트럼 분석기 (SA) 는 무선 주파수 (RF) 테스트에서 불가능하거나 부족한 도구이며 스펙트럼 분석은 다양한 무선 시스템 및 장치의 설계에서 지배적입니다.또한 스펙트럼 분석은 현재 저전력 무선주파수인식(RFID) 시스템부터 고출력 레이더와 RF 송신기 시스템에 이르기까지 분야의 개발에 사용되고 있다.

2 무선 주파수 신호

무선 주파수 반송파 신호는 빈 종이와 같아서 그 위에 글을 쓰고 정보를 전파할 수 있다.무선 주파수 반송파는 폭과 위상을 변경하여 정보를 전송할 수 있는데, 이를 변조라고 한다.예를 들어, 우리는 일반적으로 폭 변조 (AM) 와 주파수 변조 (FM) 를 논의하지만, 글쓰기에서 주파수 변조 FM은 위상 변조 (PM) 의 한 형식이다.AM과 PM의 조합은 기호 비트 사이에 90도 위상차가 있는 직교 변환 키 제어(QPSK)와 같은 현재의 많은 변조 방법을 형성합니다.직교 폭 변조 (QAM) 는 위상과 폭이 동시에 변경되어 여러 상태를 제공하는 데 널리 사용되는 변조 방법입니다.직교 주파수 분할 재사용(OFDM)과 같은 더 복잡한 변조 방법도 폭 및 위상 컴포넌트를 분해할 수 있습니다.무선 시스템이 제공하는 기본 정보는 반송파 신호를 어떻게 변조하는지에 대한 종합적인 예시를 제공한다.변조를 이해하기 위해서, 한 장의 예시 그림이 천 마디 말보다 더 효과적일 수 있다.

그러나 무선 반송파의 디지털 변조를 이해하려면 벡터를 사용하여 신호의 폭과 위상을 표시하는 것을 익혀야 한다.그림 10-1에서 볼 수 있듯이 신호의 벡터는 신호의 순간 폭과 위상이 벡터의 길이와 각도로 표시되는 것으로 이해할 수 있다.

극좌표 참조계에 있으면 기존의 데카르트 좌표 참조계나 직각 좌표인 X와 Y로도 표현할 수 있다. RF 신호의 숫자 표현에는 일반적으로 직교하는 I 신호와 Q 신호가 사용된다.수학적으로, 그들은 실제로 피리칼 좌표계의 X 및 Y 컴포넌트와 동일합니다.그림 10-2는 벡터의 크기와 위상, 당시 I와 Q 컴포넌트의 상태를 보여줍니다.

그림 10-1

그림 10-2

예를 들어, AM 변조 신호는 I와 Q 컴포넌트로 표시할 수 있습니다.이것은 반송파의 순간 I와 Q 진폭을 계산해야 한다.각 순간 값은 숫자로 표시되며 스토리지에 기록됩니다.마지막으로 저장된 데이터 (폭) 는 원래 변조 신호의 표현식입니다.그러나 PM 변조는 그렇게 간단하지 않습니다.위상 정보도 포함됩니다.I와 Q 값을 계산하고 저장한 후 삼각 연산을 수행하여 모든 데이터를 보정합니다.얻은 데이터는 원시 변조 신호이다.I와 Q 신호를 완전히 이해하기는 어려울 것 같지만, 사실 이것은 정현 신호가 X와 Y 좌표를 사용하여 어느 시점에 벡터를 표현하는 것을 이해하는 것과 같다.

그러나 그림 10-1과 10-2에 설명된 신호는 실제 상황에 거의 나타나지 않습니다.이동 전화와 수많은 다른 무선 시스템이 무선 간섭이 없는 현대 세계에서 확장되었다.휴대폰과 같은 제품은 일반적으로 제한된 주파수 대역 내에서 일한다.따라서 휴대 전화 및 기타 무선 장치의 제조업체는 주파수 대역 사양을 합법적으로 준수해야합니다.이러한 장치는 인접 채널에서 RF 에너지를 전송하지 않도록 설계되었으며, 이는 다른 모드로 채널을 전환해야하는 일부 무선 시스템에 더 도전적입니다.허가되지 않은 주파수 대역에서 상대적으로 간단한 무선 장치를 설계하는 일부 장치도 간섭 문제를 효과적으로 처리해야 한다.

정부 규정은 일반적으로 이러한 허가되지 않은 주파수 대역 장치가 불시 모드 (bursty) 에서만 작동하도록 요구하며, 일정한 전력 소비량 제한 하에서만 작동해야 한다.돌발 모드 무선 신호의 정확한 감지, 측정 및 분석은 SI 설계에 매우 유용한 작업입니다.

3 주파수 측정

주파수 측정은 일반적으로 스캔 스펙트럼 분석기에 의해 수행됩니다.각 주파수 신호의 폭을 일정한 해상도 대역폭(RBW)에서 스캔하고 저장하면 전체 주파수 대역폭에 따라 달라지는 정보를 표시할 수 있습니다.스캔 스펙트럼 분석기는 신호의 정적 스펙트럼 분량에 좋은 동적 범위와 고정밀도를 제공해야 하며 RBW는 중요한 고려 요소이다.그러나 스캔 스펙트럼 분석기의 주요 단점은 한 시점의 한 주파수 지점에서 신호의 폭만 측정한다는 것입니다.

이것은 새로운 무선 응용 프로그램의 RF 신호가 복잡한 시간 도메인 특성을 가지고 있기 때문에 단점입니다.최신 무선 주파수 신호, 특히 개방된 산업, 과학 및 의료 (ISM) 주파수 대역은 일반적으로 Bluetooth 및 WiFi와 같은 확장 주파수 통신 기술을 사용합니다. 이러한 신호는 간헐적이거나 돌발적입니다.이 짧은 기간 무선 신호는 이전 무선 신호에 비해 주파수 대역 변화가 더 뚜렷합니다.따라서 기존의 스캔 스펙트럼 분석기의 디지털 변조 분석과 작업 능력을 감안할 때 이 기기를 사용하여 현재의 무선 신호를 테스트하는 것은 너무 어렵다.특정 디지털 변조 애플리케이션을 위한 벡터 신호 분석기(VSA)조차도 일정 기간 주파수 변조를 거친 특정 신호를 분석하는 데 한계가 있다.

오늘날의 스펙트럼 검사는 일반적으로 비고정 시간의 기본 이벤트와 관련되지 않은 노이즈를 감지합니다.간단히 말해서, 순간, 예측 및 예측 불가능한 주파수 오프셋, 복잡한 변조 모드 및 다양한 RF 및 무선 통신 표준 및 응용 프로그램을 포함합니다.일반적인 예는 RFID 및 확장 주파수 통신입니다.통신은 아주 짧은 시간 내에 발생하거나 돌발 신호이다.일반적인 스캔 스펙트럼 분석기와 벡터 분석기는 이러한 무선 통신 방법에 대한 측정 옵션을 가지고 있지만, 이 장에서는 실시간 스펙트럼 분석기(RTSA)를 사용하여 측정하는 것이 목표입니다.오늘날의 무제한 애플리케이션이 순간 신호로 바뀌고 있기 때문에 RTSA에 대해 논의합니다.SI 엔지니어는 이제 시간 도메인과 주파수 도메인에서 관심 있는 신호를 트리거하고 캡처해야 합니다.

SI 엔지니어는 일반적으로 신호의 주파수, 폭, 변조 변화를 얻는 순간 및 주파수 이동을 포함하여 연속적인 신호 흐름을 포착해야합니다.또한 이러한 모든 작업은 오랜 기간 동안 완료되어야 하는 경우가 많습니다.예를 들어, SI 엔지니어가 스캔 스펙트럼 분석기를 사용하여 현대 RF 시스템의 순간적 이벤트를 감지하는 경우 오랜 시간을 기다려야 합니다.그럼에도 불구하고 그는 제한을 받거나 긴급 상황 측정을 놓쳤을 수도 있다.

새로운 무선 주파수 응용 프로그램을 테스트하는 아이디어는 이러한 무선 신호가 시간 영역에서 변화하는 것입니다.이 특징에는 과거에 논의된 요소들이 더해져 새로운 테스트 솔루션이 절실히 필요하다.따라서 SI 엔지니어와 설계자는 실시간 스펙트럼 분석기를 점점 더 많이 사용하고 있습니다.RTSA는 새로운 것이 아니지만 VSA의 개념과 매우 유사합니다. RTSA는 SI 엔지니어링을 적용하는 데 여전히 중요합니다.따라서 오늘날의 SI 엔지니어는 기존의 주파수 도메인 정보와 RTSA를 고려해야 합니다.또한 SI 엔지니어가 잠재적 시간대 및 대역 RF 신호 특성에 대한 RTSA의 중요성을 인식하기 시작한 것이 현재의 추세이지만, 우리 장에서는 RTSA를 주목하는 이유에 대해 설명합니다.

4 스캐닝 스펙트럼 분석기

수십 년 전에 전통적인 구조의 스캔 초외차 스펙트럼 분석기가 처음으로 엔지니어가 주파수 영역에서 측정할 수 있도록 허용했다.스캔 스펙트럼 분석기 (SA) 는 초기에 순수 아날로그 장비로 상대를 물리치고 신속하게 성공했다.현재 차세대 스캔 스펙트럼 분석기는 ADC, 디지털 신호 처리기(DSP) 및 마이크로컨트롤러를 포함한 고성능 디지털 인프라를 사용합니다.그러나 스캔 원리의 기초는 동일하며 이 기기는 기본 RF 신호 측정 도구로서의 상태를 유지합니다.차세대 SA의 두드러진 장점은 뛰어난 동적 범위를 가지고 있기 때문에 넓은 범위의 RF 신호를 캡처하고 감지할 수 있다는 것이다.

신호의 필요한 주파수 지점을 하향 변환하고 RBW 필터를 통해 대역폭 내에서 스캔함으로써 전력 주파수 측정이 가능합니다.RBW 필터 뒤에는 그림 10-3과 같이 패스밴드의 각 주파수 점의 진폭 값을 계산하는 데 사용되는 검출기가 있습니다.

그림 10-3

그림 10-3은 주파수 해상도와 시간 사이의 균형 테스트를 보여줍니다.로컬 발진기는 믹서에 "스캔" 주파수를 제공하며, 각 스캔은 믹서 출력에서 서로 다른 주파수와 해당 값을 제공합니다.해상도 필터는 해상도 대역폭(RBW)인 사용자가 선택할 수 있는 주파수 범위로 설정됩니다.필터의 대역폭이 좁을수록, 측정 기기의 해상도가 높을수록, 기기의 소음 제거 효과가 좋다.RBW 필터 다음에는 각 주파수 값의 순간 주파수 전력을 측정하는 데 사용되는 검출기가 있습니다.이 방법은 더 높은 동적 범위를 제공하기 때문에 특정 시점의 주파수 점의 진폭 값을 계산할 수 있다는 것이 주요 장점입니다.RBW 필터가 너무 좁게 설계되면 RF 입력에 대한 스캔을 완료하는 데 오랜 시간이 걸리므로 입력 RF 신호의 일부 변화를 감지할 수 없습니다.주파수 도메인이나 여러 대역을 스캔하는 데 상당한 시간이 소요됩니다.이 테스트 기술의 전제는 신호가 여러 번 스캔되는 테스트 주기 내에 현저한 변화가 발생하지 않는다고 가정하는 것이다.따라서 상대적으로 안정적이고 일정한 입력 신호가 필요하다.신호가 자주 바뀌면 결과를 얻지 못할 수도 있습니다.

예를 들어, 그림 10-4의 왼쪽에는 RBW 로직 분석기 테스트의 결과가 표시됩니다.주파수는 처음에는 Fa였지만 한순간에 Fb로 바뀝니다.스캔이 Fb에 도달하면 신호가 사라지고 감지되지 않습니다.따라서 RBW 스펙트럼 분석기의 스캔은 Fb에서 트리거를 제공할 수 없기 때문에 일정 기간 동안 종합적인 신호 조건을 저장할 수 없습니다.주파수 해상도와 테스트 시간 사이의 균형을 보여주는 고전적인 예이자 RBW 스펙트럼 분석기의 아킬레스건이다.

그림 10-4

그러나 최신 스캔 스펙트럼 분석기는 기존의 아날로그 기반 장치보다 훨씬 빠릅니다.그림 10-5는 현대의 우수한 스캐닝 스펙트럼 분석기의 구조를 보여준다.기존의 아날로그 RBW 필터는 빠르고 정확한 좁은 대역 필터를 촉진하기 위해 디지털 향상을 수행했습니다.그러나 ADC 이전의 필터, 믹서, 증폭기는 모두 아날로그 처리를 수행합니다.특히 ADC의 비선형 및 노이즈를 고려해야 합니다.따라서 아날로그 스펙트럼 분석기는 여전히 자리를 잡고 있어 상술한 문제를 피할 수 있다.

그림 10-5