Spectrum Analyzer 한국방송통신전파진흥원
1. 스펙트럼분석기 (Spectrum Analyzer) 1 스펙트럼분석기 (Spectrum Analyzer) 란? - 스펙트럼분석기 (Spectrum Analyzer) 는마치프리즘이빛을파장별로분해하여보여주듯이신호의스펙트럼또는주파수를분해하여그크기를화면에표시하여주는계기이다. < 그림 > 은 Spectrum Analyzer의작용을보여준다. 스펙트럼이란어느주파수성분의신호들이어느정도의세기를가지고있는가를표시해주는것이며이러한측정에실용되고있는측정기로서, Spectrum Analyzer 와 FFT Analyzer(Fast Fourier Transform Analyzer) 가있는데, FFT Analyzer로는주로 100kHz 이하의주파수분석에사용된다. Spectrum Analyzer는실시간처리방식과 Heterodyne 방식등여러방식의제품이있다. 2 스펙트럼분석기 (Spectrum Analyzer) 의용도 - Spectrum Analyzer는입력을통하여들어온신호의각주파수성분들을분석하여각주파수별신호의크기를표시하여준다. 따라서 Spectrum Analyzer는다음항목의측정에응용되어질수있다. 각신호의주파수 & 레벨측정 주파수대역폭측정 잡음전력 & 신호대잡음비 (C/N, S/N Ratio) 측정 찌그러짐측정 (Distortion Measurement) 상호변조 (Inter Modulation) 고조파 (Harmonic) 변조도 & FM의주파수편이측정 불요방사신호 (Spurious) 측정 송, 수신기교정 2
3 스펙트럼분석기 (Spectrum Analyzer) 의원리 - Spectrum Analyzer의입력신호는가변감쇠기를통하여초단 Mixer에인가된다. 여기서국부발진기로부터의신호와혼합 (mixing) 되어중간주파수 (IF) 로변환된다. IF로변환된신호는 IF Amp단에서적당한크기로증폭되어대역폭을선택할수있는필터회로를통과한다. IF 최종단의필터가 Spectrum Analyzer의분해능을결정한다. 따라서세밀한스펙트럼해석을위해서는예리 (sharp) 하고대역폭이좁은필터가필요하다. 측정에필요한분해능에의해대역제한된신호는 Log( 또는 Linear) 특성을가진증폭기를거쳐검파회로에인도된다. Spectrum Analyzer에사용되고있는검파기는보통포락선형의피크값검파 ( 첨두값검파 ) 이지만, EMC (electro magnetic compatibility, 전자파적합성 ) 측정에도많이쓰이고있다는점에서준첨두값검파기를내장하는모델도있다. 검파된신호는필요에따라서비디오필터로직류영역의잡음을제거한후 Vertical Scale Factor(A/D변환기 ) 에인가되어디지털값으로변환된다. 또한화면에 Display를위한처리후비로서 CRT에표시된다. o RF input attenuator : 과입력신호로부터장비내부를보호하는역할및 mixer 보호 o Mixer : 주파수를변환해주는역할 o Local oscillattor : mixer에쓰이는주파수생성 o IF gain : 중간주파수를증폭시키는역할 o IF filter : 측정신호를검출하기위해서사용하는대역필터 (BPF) o Log Amp : 측정에필요한분해능에의해대역제한된신호를증폭 o Detector : 신호의검파모드를결정해주는역할 o Video filter : 화면에표시된스펙트럼의잡음을평균화하여감소시킴 o CRT display : 검파된신호를표시 3
4 스펙트럼분석기 (Spectrum Analyzer) 의입력단 - Spectrum Analyzer의입력은가변감쇠기와때때로증폭기로구성되어있다. 입력부분의기능은계측기에인가되는신호레벨을제어하기위한것이다. 신호레벨이너무높으면분석기의회로가왜곡성분을발생시킴으로원하는측정결과가나오지않는다. 반대로신호레벨이너무낮으면측정코자하는신호는측정기자체에서발생하는잡음에가려버릴수있다. 이같은문제가측정다이나믹레인지 (Dynamic Range) 를제한하는요소가된다. 어떤종류의 Spectrum Analyzer는적절한입력신호의크기를위해자동으로입력감쇠량을선택조절한다. 그러나그러하지못한 Spectrum Analyzer들은사용자가알아서감쇠정도를선택하여야한다. 전형적인 Spectrum Analyzer의입력부는아주민감해서잘못사용하면바로손상을입게된다. 특히초고주파용 Spectrum Analyzer의경우는조작에세심한주의를기울여야한다. 또어떤종류의분석기들은입력에 DC가인가돼도견딜수있는것이있고어떤것은 DC가전혀허용이안되거나소량만허용되는경우가있다. Dynamic Range 란? - Dynamic Range는신뢰성을가지고동시에측정할수있는최대레벨의신호와최소레벨신호사이의범위이다. 즉진폭이큰신호가존재하는상황하에서얼마만큼작은신호를측정할능력이있는가를판가름하는기준이다. Spectrum Analyzer의 Dynamic Range는 규정된정확도를가지고측정할수있는입력단에나타나는두신호의최대비 라고정의된다. Spectrum Analyzer는신호의개별주파수성분을측정하는측정기이므로 Dynamic Range는분석기의아주중요한사양이고, 또이범위를벗어나면측정이불가능하거나심각한오차가발생한다. 4-1 최적입력레벨 - Spectrum Analyzer의최적입력레벨이란입력신호의크기를제작사에서규정한 1st Mixer의최적입력레벨에 RF Step Attenuator의감쇠량을더한값이다. 여기서 1st Mixer 의최적입력레벨은대부분 -30dBm이다. Analyzer의최적특성을위해서 Mixer에걸리는입력신호레벨은매우중요하다. 그렇기때문에 RF Step Attenuator의감쇠량을적절히조절하여 Mixer의최적입력레벨을유지할필요가있다. 예를들어입력이 -10dBm이라고할때입력감쇠기를 20dB 감쇠시켜주면믹서에는 -30dBm 의최적레벨이걸리게된다. 아래표에서입력레벨에따른적절한 Attenuator의값을알수있다. 4
만약규정치이상의큰입력신호가들어오게되면 Mixer가포화되어출력신호의찌그러짐 (Distortion) 이나원치않는신호성분 (Spurious) 이발생된다. 이로인하여측정결과에심각한오차가발생하게되며최악의경우믹서가파괴되어 Analyzer의사용이불가능해진다. 5 스펙트럼분석기 (Spectrum Analyzer) 의기본적인조작 - 스펙트럼분석기 (Spectrum Analyzer) 의조작의기본은크게 3가지로나누어질수있다. 기준레벨 (Reference Level) 주파수 (Frequency) 수평주파수간격 (Span) 대부분의 Spectrum Analyzer 들은이 3부분의조작으로원하는결과를얻을수있지만, 기타의조정단자들도물론함께사용하여야하는데, 이와같은기타조정단자들은 Spectrum Analyzer 를더욱편리하게이용할수있도록도와주고사용자의측정목적에적합하도록해준다. 5-1 기준레벨 (Reference Level) 조정 - 기준레벨조정부는신호의진폭에따라서신호가화면상에서충분한편향이되도록조절할수있다. 기준레벨은화면눈금중최상단을나타내고사용자가설정한측정조건상의최고입력레벨이다. 만약기준레벨을 -10dBm으로설정했다고가정한경우에, -10dBm 의입력신호는화면의최상단눈금까지표시된다. 신호의세기를결정하는방법은설정한기준레벨에서 ( 화면의최상단눈금 ), 현재화면에표시되고있는신호의최고점이위치하는점과의눈금차이를구한후수직축의눈금비 ( 감도 ) 를곱하여빼주면된다. 예를들면기준레벨이 -10dBm, 수직축의눈금비가 10dB/Div이라고가정했을시에, 입력신호가기준레벨 ( 최상단눈금 ) 에서 2칸이낮다고하면이신호의세기는 30dBm이다. 기준레벨은입력단의 RF감쇠기와 IF증폭기의이득에의하여결정되며감쇠기와이득의결정은각각독립적으로작동된다. 최근의 Spectrum Analyzer들은 2개의조정단자가적절한감쇠와이득이되도록자동으로연동되어동작하므로, 사용자는오직하나의조정단자만조작하여기준레벨을설정할수있다. 입력의감쇠기는 Spectrum Analyzer의입력단자를통하여들어온신호의감쇠량을결정지어준다. 최적의 Analyzer 특성을얻기위해서는입력신호를제작사에서규정한 1st Mixer의최적입력레벨 (-30dBm) 만큼감쇠시켜주어야한다. 예를들면입력단에 +10dBm과 -60dBm의신호가연결되어있다고가정하면, 사용자는 1st Mixer의최적입력레벨에 (-30dBm) 맞추기위하여입력감쇠기를 40dB로설정하여 +10dBm의신호를줄여주어야한다. 만약기준레벨을 +10dBm으로설정하였다면큰신호는기준레벨에일치하여측정이가능하지만작은신호를 ( 수직 scale : 10dB/Div이라면 ) 기준선에서 7칸밑에나타나므로측정이어렵게된다. 그래서이작은신호를측정하고자입력감쇠기를낮추면큰신호의레벨이상승하여 Analyzer 입력단은포화되게된다. 5
항상 Spectrum Analyzer의입력에신호를연결하기전에화면에보이지않는신호와최고입력레벨을초과하는신호로부터 Analyzer를보호하기위하여입력감쇠기를최대로, 최대기준레벨로하고가장큰수평축 (Span/Div, 또는 Max Span) 을이용한다. 화면의가장큰신호가기준레벨에일치하도록기준레벨을줄여나간다. 5-2 주파수 (Frequency) 조정 - 현재사용중인 Spectrum Analyzer들은여러개의국부발진기 (Local Oscillator) 와혼합회로 (Mixing Circuit) 를이용하여입력신호의스펙트럼을측정한다. 첫번째국부발진기 (1st LO) 는측정할수있는주파수범위나 Span만큼 1st LO가 Sweep 하게되며, 입력신호에대응되는분해능필터 (RBW) 를통과하게된다. 주파수조정은통상 Sweep 되는주파수범위의중앙및화면의중앙을결정지어준다. 그래서일반적으로중심주파수 (Center Frequency) 라고부르고있다. 그러나주파수조정의다른방법은스위프되는주파수의처음, 즉화면의좌측을기준으로나타내는경우도있다. 이기준점을시작주파수 (Start Frequency) 라고부른다. 주파수 (Frequency) 조정은중앙주파수 (Center Frequency), 시작주파수 (Start Frequency) 를입력하므로써조정하게된다. 5-3 수평주파수간격 (Span) 조정 - 수평축의주파수간격을조절하는 Span 단자는국부발진주파수의 Sweep 폭을제어하여주파수스펙트럼의간격이적절하게표시되도록한다. 사용자는 Span 단자를조정하여수평축의한눈금당주파수간격 (KHz 또는 MHz) 을설정할수있다. 또한주파수축 ( 수평축 ) 은통상 10칸으로나누어져있으므로 Span 조정단자는 CRT상으로볼수있는전체주파수범위 (Total Frequency) 를결정해준다. 예를들어사용자가 20MHz Span을선택하였다면전체 Sweep 범위는 20MHz/10칸으로되어 CRT상에 Div 당범위는 2MHz가된다. 이외에도 Span을필요없는 Full Span( 최대범위 ) 과 Zero Span( 최소범위 ) 가있다. 6
6 분해능대역폭 (RBW : Resolution Bandwidth) 조정 - 분해능이란서로인접한신호들을측정할때, 이신호들을분리해서각각의신호를측정할수있도록하는중요한기능이다. 중간주파수필터 (IF Filter) 는측정신호를검출하기위해서사용하는대역필터 (Band Pass Filter,BPF) 로서, 이필터의대역폭을분해능대역폭이라고한다. 분해능대역폭을어떻게설정하느냐에따라측정결과가상이하게나타날수있다. 위그림과같이분해능대역폭 (RBW) 을점점좁힘에따라선택도가향상된다. 즉, 분해능대역폭을넓게설정하였을때는하나의신호로나타나다가점점분해능대역폭을좁힘에따라두개의신호로나타나게되는것을알수있다. 예를들어주파수간격이 30kHz간격으로배치되어있는경우, RBW가 100kHz라면 100kHz단위로주파수신호의크기를측정하기때문에모든주파수를찾아낼수없다. 이런경우는최소한 30kHz이하로 RBW를설정해야원하는주파수들을다찾아낼수있다. 즉, 서로인접한크기가같은두신호들을분해, 측정하기위해서는 RBW를두신호간의주파수간격과같거나작게선택해야한다. 반면에, 분해능대역폭이작을수록분해능이정교해져서화면에촘촘하게보이지만 Sweep time이길어지고측정시간이길어진다. 7 비디오대역폭 (Video Bandwidth) 조정 - 비디오대역폭은스펙트럼분석기화면상의디스플레이를위한기능이다. RBW가계측기내부에서얼마나촘촘히측정하느냐를결정한다면 VBW는그측정된결과들이화면상에서얼마나평활 (Smooth) 하게보이게하느냐를결정한다. 이것은내부의 Video Fiter 차단주파수를변화시키는것이며, 저역통과필터 (Low Pass Filter, LPF) 로구성되어있어서고주파잡음을걸러내는역할을하게된다. 7
스펙트럼분석기에측정되는신호는신호성분과잡음성분이합해져표시되므로신호성분의크기가잡음성분의크기에가까울수록잡음성분에의해서신호성분의판독이어려워진다. 이와같은현상을감소시키기위해서 VBW를변경 ( 즉 VBW를작게설정 ) 하여잡음성분의피크값변화를감소시킬수있다. 이처럼 VBW를크게설정하면그래프를평탄하게만드는역할이줄어들어서파형이찌글찌글해보인다. 반면 VBW를작게설정하면잡음성분을제거하여화면이깨끗해지면서평탄하게만들어잡음에인접한미약신호를분석해낼수있지만, 디스플레이속도가느려진다. 8 분해능대역폭 (RBW) 과 Noise Level 관계 - 스펙트럼분석기내부에서발생되는노이즈는열에의한것으로랜덤 (Random) 하며 RBW의범위와비교하여넓은주파수범위에대해평탄한레벨을유지한다. 검파기에도달하는전체노이즈는선택된 RBW에연관되는것으로전력단위로합산되어표시된노이즈레벨과 RBW간의관계는상용로그관계이다. [ 그림 ] 과같이 RBW가 10배만큼증감하면검출기에도달하는노이즈에너지도 10배증감되고표시되는평균노이즈레벨은 10dB만큼증감하게된다. Noise Level과 RBW간의관계는다음과같다. 노이즈레벨변화 ( db ) = log RBW를 100kHz (RBwold) 에서 10kHz (RBWnew) 로변경하면 Noise Level이변하게된다. 노이즈레벨변화 = log khz khz = -10dB즉 RBW가 10배만큼감소하면노이즈레벨은 10dB만큼감소된다. 8