KR20110113378A - 시간 영역 기반의 광대역 스펙트럼 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시간 영역 기반의 광대역 스펙트럼 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 의한 광대역 스펙트럼 측정 시스템에서, 광대역 주파수 변환기가 입력 신호의 주파수 대역을 변환하는 방법은, 국부 발진 주파수를 설정하는 단계, 국부 발진 주파수를 이용하여 입력 신호의 주파수 대역을 실시간 스펙트럼 측정 시스템이 측정 가능한 주파수 대역으로 변환하는 단계 및 변환된 주파수 대역의 신호를 실시간 스펙트럼 측정 시스템으로 전송하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 기존의 실시간 시간 영역 기반의 스펙트럼 측정 시스템을 기반으로, 광대역의 주파수 특성을 측정할 수 있는 장점이 있다.

Description

시간 영역 기반의 광대역 스펙트럼 측정 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR BROADBAND SPECTRUM MEASUREMENT IN TIME DOMAIN}

본 발명은 광대역 스펙트럼 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시간 영역 기반의 광대역 스펙트럼 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 방송통신위원회 및 정보통신연구진흥원의 IT 원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-014-02, 과제명: U-사회 전파환경 보호를 위한 전자파양립성 연구].

종래의 스펙트럼 측정 시스템(통상 스펙트럼 분석기라고 부름)의 경우, 측정 범위를 확보하기 위해 슈퍼헤테로다인 수신기 구조를 가지고 있다. 이러한 시스템은 해상도 대역폭(Resolution bandwidth) 제한에 의해 측정 시간이 길어지는 문제점이 있는데, 이를 해결하고자 하는 것이 "실시간 시간 영역 기반의 스펙트럼 측정 시스템"이다. 이는 기존의 디지털 오실로스코프에 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 기능을 부가하여 스펙트럼 분석까지도 가능하도록 제작된 측정기를 의미한다.

실시간 시간 영역 기반의 스펙트럼 측정 시스템은 A/D 변환기(Analog to Digital Converter, ADC)의 샘플링 속도를 크게 하고, FFT 기능을 디지털 신호 처리 장치(Digital Signal Processor, DSP)에 포함시켜 시간 영역의 데이터를 주파수 영역의 데이터로 전환하여 표시하는 장치이다. 이러한 장치는 간헐적으로 나타나는 임펄스 신호, 혹은 야외에서 짧은 시간 내에 스쳐 지나가는 자동차로부터 복사되는 전자파 등을 측정할 수 있도록 제작되어야 하는데, 이를 위해서는 입력된 신호에 대해 동일 시점에서 실시간 데이터 처리가 이루어져야 한다. 따라서 이러한 장치는 ADC의 샘플링 속도와 DSP의 처리 속도의 제한으로 인해 측정 가능 주파수 대역이 제한되는 문제점을 갖는다. 현재 IEC/CISPR 국제표준기구에서 EMI(ElectroMagnetic Interference) 측정 주파수를 18GHz 까지로 규제하고 있으나, 이러한 주파수 대역을 모두 포함하여 측정할 수 있는 시간 영역 기반의 스펙트럼 측정 시스템은 상용으로 개발된 것이 없다.

본 발명은 기존의 실시간 시간 영역 기반의 스펙트럼 측정 시스템을 기반으로, 더 넓은 대역의 주파수 특성을 측정할 수 있는 광대역 스펙트럼 측정 시스템 및 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한 본 발명은 광대역의 신호를 수신할 때 발생할 수 있는 잡음에 의한 문제점을 극복할 수 있는 광대역 스펙트럼 측정 시스템 및 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은 기존의 주파수 기반의 측정 시스템에 비해 측정 시간을 크게 단축시킬 수 있는 광대역 스펙트럼 측정 시스템 및 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광대역 스펙트럼 측정 시스템에서 광대역 주파수 변환기가 입력 신호의 주파수 대역을 변환하는 방법에 있어서, 국부 발진 주파수를 설정하는 단계, 국부 발진 주파수를 이용하여 입력 신호의 주파수 대역을 실시간 스펙트럼 측정 시스템이 측정 가능한 주파수 대역으로 변환하는 단계 및 변환된 주파수 대역의 신호를 실시간 스펙트럼 측정 시스템으로 전송하는 단계를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 기존의 실시간 시간 영역 기반의 스펙트럼 측정 시스템을 기반으로, 광대역의 주파수 특성을 측정할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 광대역의 신호를 수신할 때 발생할 수 있는 잡음에 의한 문제점을 극복할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 기존의 주파수 기반의 측정 시스템에 비해 측정 시간을 크게 단축시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 기존의 실시간 시간 영역 기반의 스펙트럼 측정 시스템 구성도.
도 2는 본발명의 일 실시예에 의한 광대역 스펙트럼 측정 시스템 구성도.
도 3은 일반적인 안테나의 S11 파라미터 특성.
도 4는 기존의 광대역 주파수 변환기에서 발생하는 잡음의 영향을 줄일 수 있는 회로의 구성도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 광대역 주파수 변환기의 회로 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 광대역 주파수 변환기에서 국부 발진 주파수 범위를 설정하는 방법.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 광대역 스펙트럼 측정 시스템이 활용된 EMI 측정 시스템.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 오실로스코프와 같은 시간 영역 장비에 고속 푸리에 변환 기기를 설치하여 주파수 영역까지도 측정이 가능한 '실시간 시간 영역 기반의 스펙트럼 측정 시스템'을 이용하여, 광대역의 전자파 장해(Electro Magnetic Interference, EMI) 측정 또는 전자파 환경 시험 등에 활용할 수 있는 스펙트럼 측정 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 실시간 시간 영역 기반의 스펙트럼 측정 시스템에서 측정 주파수가 제한되는 문제점을 극복하기 위해, 광대역 주파수 변환기를 통한 순차적인 데이터 처리 방식을 이용한 비실시간 측정 시스템을 구현한다. 동시에 광대역 신호를 수신할 때 발생할 수 있는 잡음에 의한 영향을 최소화하기 위해, 국부 발진 주파수를 이용한 주파수 변환 회로를 구현한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 기존의 실시간 시간 영역 기반의 스펙트럼 측정 시스템 구성도이다.

도 1을 참조하면, 실시간 스펙트럼 측정 시스템(100)에 입력된 RF 신호는 동작 범위(Dynamic range)를 넓히기 위해 다이나믹 레인지 보상 회로(102)를 거치고, ADC(104)를 거쳐 디지털 신호로 변환된다. 디지털 신호는 다시 DSP(106)를 거치면서 고속 푸리에 변환 프로그램을 통해 시간 영역에서 주파수 영역의 신호(스펙트럼)로 변환되고, 이렇게 변환된 신호가 디스플레이(108) 장치를 통해 나타나게 된다. 이 과정에서 중앙처리장치(CPU) 및 제어 장치(110)에 의해 신호의 교정, 지연 및 연산 등이 이루어질 수 있다.

이러한 시스템은 실시간으로 데이터 처리가 가능하도록 제작된 것이나, ADC의 샘플링(Sampling) 속도와 DSP의 처리 속도의 제한 등에 의해 측정 주파수 범위가 제한되는 문제점이 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 광대역 스펙트럼 측정 시스템 구성도이다.

위에서 언급한 기존 시스템의 문제점 극복을 위해, 본 발명에서는 도 2에서와 같이 기존의 실시간 스펙트럼 측정 시스템(200) 전단에 광대역 주파수 변환기(204)를 두고 있다. 광대역 주파수 변환기(204)는 높은 주파수 대역의 신호를 실시간 스펙트럼 측정 시스템(200)이 수용할 수 있는 주파수로 변환하는 기능을 수행한다. 즉, 시스템이 측정 가능한 주파수 범위를 확장하는 역할을 한다. 광대역 주파수 변환기(204)의 주파수 변환 방법 및 잡음의 영향을 줄이는 방법에 대해서는 도 5 및 도 6의 실시예를 통해 상술하기로 한다.

스위치(202)는 안테나 1(206)을 통해 수신된 RF 입력 1의 신호가 직접 입력되는 포트와, 안테나 2(208)를 통해 수신된 RF 입력 2의 신호가 광대역 주파수 변환기(204)에서 시스템이 측정 가능한 주파수 대역으로 변환되어 입력되는 포트를 포함한다. 스위치(202)는 입력된 신호들을 순차적으로 실시간 스펙트럼 측정 시스템(200)에 전송함으로써 광대역의 주파수 측정이 가능하도록 한다.

도 2의 안테나 및 광대역 주파수 변환기는 다중으로 설치될 수 있다. 예를 들어, 실시간 스펙트럼 측정 시스템이 0 ~ 2GHz 까지 측정 가능하고, 이상적인 하향 주파수 변환기가 설치되었다고 한다면, 수신 주파수 대역이 각각 2 ~ 4GHz, 4 ~ 6GHz, 6 ~ 8GHz인 안테나 등의 수신기를 여러 개 설치하고, 각각의 수신기에 광대역 주파수 변환기를 달아 0 ~ 2GHz로 하향 주파수 변환한 뒤 실시간 스펙트럼 측정 시스템이 이를 순차적으로 처리하도록 구성함으로써, 확장된 0 ~ 8GHz 범위의 스펙트럼 측정이 가능하게 되는 것이다.

도 3은 일반적인 안테나의 S11 파라미터 특성을 나타낸다.

일반적인 안테나는 제 1 공진이 발생하는 주파수 대역을 수신용으로 사용하고 있고, 도 3에서와 같이 제 2 공진 등 하모닉(Harmonics) 형태의 공진 특성 및 수신 특성을 가지고 있다. 또한 제 1 공진 이하의 주파수 대역은 저지 대역(Stop band) 특성을 보이고 있다.

안테나가 놓이는 공간의 전자파 환경이 광대역 특성을 가지는 경우, 모든 신호를 수신할 수 있는 하나의 안테나를 본 발명에 의한 스펙트럼 측정 시스템에 설치한다면, 광대역 주파수 변환기를 거쳐서 들어오는 신호와 안테나를 통해 직접 들어오는 신호의 주파수가 일치하여 서로 잡음으로 동작하게 되는 문제가 발생한다. 따라서 이러한 문제점을 피하기 위해 각 입력 단에는 서로 수신 주파수 특성이 다른 안테나를 설치해야 한다.

본 발명에 의한 광대역 주파수 변환기에는 필수적으로 대역 통과 필터가 포함되는데, 안테나의 제 1 공진 주파수 이하의 저지 대역 특성을 이용하여 이러한 대역 통과 필터의 부하를 줄일 수 있다. 즉, 제 2도의 RF 입력 단자를 통해 수신하고자 하는 주파수의 최저 대역을 저지 대역의 최대 주파수와 일치하도록 하면, 고성능의 대역 통과 필터를 구현해야 하는 부담을 줄일 수 있게 된다.

또한, 도 2와 같이 안테나를 다중으로 연결함으로써, 안테나의 교체에 따른 시간을 절약할 수 있어 각종 EMI 또는 전자파 환경의 측정 시간을 줄일 수 있다.

도 4는 기존의 광대역 주파수 변환기에서 발생하는 잡음의 영향을 줄일 수 있는 회로의 구성도이다.

도 4를 참조하면, 기존의 방법에서는 통상적으로 2단의 믹서를 사용한다. 만약 BPF 1(402)을 통과한 신호가 2 ~ 4GHz의 주파수 대역을 가지고, 이를 0(DC) ~ 2GHz 로 변환하는 경우, 먼저 믹서 1(404) 및 PLL 1(406)을 통해 주파수를 6GHz 만큼 상향 변환하여 8 ~ 10GHz로 만든다. 이후 증폭기 1(408)을 이용하여 상향된 주파수 신호를 증폭하고, BPF 2(410)를 거친 후 믹서 2(412) 및 PLL 2(414)를 이용하여 8GHz만큼 하향 변환하면 0 ~ 2GHz 범위의 신호가 된다. 이 신호를 LPF(416)에 통과시킨 후 증폭기 2(418)를 통해 증폭하면, 잡음의 영향을 줄인 0 ~ 2GHz 범위의 신호를 얻을 수 있게 된다.

이러한 방법을 이용할 경우, PLL 1(406) 및 PLL 2(414)에서 제공하는 주파수들(6, 8GHz)이 변환 전의 주파수(2 ~ 4GHz)와 변환 후의 주파수(0 ~ 2GHz)에 포함되지 않기 때문에 시스템 잡음으로서의 영향을 주지 않는다. 또한 증폭기 1(408) 및 증폭기 2(418)는 시스템 잡음보다도 신호의 세기를 높여 잡음에 강하도록 제작된다.

그러나 위의 방법을 이용할 경우 믹서와 PLL을 2개씩 사용해야 하므로 제작 비용이 많이 들고, 시스템의 물리적인 크기가 커져 잡음원에 대한 노출 가능성이 높아지는 문제점을 발생한다.

따라서 본 발명에서는 하나의 믹서 및 하나의 PLL로 구현되며, 국부 발진 주파수(f_LO) 범위를 설정하여 사용하는 방법을 제안한다. 도 5 및 도 6을 통해 상술한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 광대역 주파수 변환기의 회로 구성도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 광대역 주파수 변환기에서 국부 발진 주파수 범위를 설정하는 방법을 나타낸다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 광대역 주파수 변환기의 회로는 BPF 1(502), 증폭기 1(504), 믹서(506), PLL(508), BPF 2(또는 LPF)(510) 및 증폭기 2(512)를 포함한다.

도 6에서, Df1 (f_start1 ~ f_stop1) 은 실시간 스펙트럼 측정 시스템의 측정 주파수 범위를 의미한다. 이는 도 2에서 RF 입력 1을 통해 측정하고자 하는 주파수 범위와 같다. Df2 (f_start2 ~ f_stop2) 는 광대역 주파수 변환기에서 변환되어야 할 주파수 범위를 의미한다. 이는 도 2에서 RF 입력 2를 통해 광대역 주파수 변환기(204)에서 변환되어야 할 주파수 범위와 같다. 여기에서 먼저 f_start2 ≥ f_start1 의 관계를 만족해야 한다.

다음으로, 1) Df1 > Df2 의 관계를 갖도록 f_stop2를 설정하고, 2) (f_stop2 ÷ 2) < f_LO < f_stop2 의 관계를 가지도록 f_LO 를 설정한다면, 3가지 잡음의 영향을 최소화할 수 있다. 첫째, 변환된 주파수가 DC를 포함하지 않기 때문에 DC 잡음에 의한 영향을 최소화할 수 있고, 둘째, f_LO 가 변환된 주파수와 변환할 주파수 어느 범위에도 속하지 않으므로 이에 의한 영향을 최소화할 수 있으며, 셋째, f_LO의 하모닉 성분이 변환할 주파수에 포함되지 않으므로(2×f_LO가 발생하더라도 f_stop2 이후에 발생하게 된다) 이에 의한 영향을 최소화할 수 있다. 또한 f_LO가 (f_stop2 ÷ 2) 보다 크므로 미러 대역(mirror band)이 변환할 주파수 대역과 겹치지 않는 장점도 동시에 갖는다.

또한, 본 발명의 경우 기존의 방법과는 달리 증폭기(504)를 믹서(506) 앞단에 위치시킴으로써 변환 이후에 발생할 수 있는 잡음에 대한 증폭의 영향을 방지할 수 있다. 즉, 증폭기가 믹서 다음에 위치하는 경우 신호와 믹서의 노이즈가 함께 증폭되는 반면, 증폭기가 믹서 앞에 위치함으로써 원래의 신호를 증폭시킨 후 믹서의 노이즈가 합쳐지게 되므로, 믹서 이후의 관점에서 본다면 증폭되어 커진 신호에 합쳐진 노이즈의 영향이 신호와 믹서가 함께 증폭된 경우의 노이즈 영향보다 작게 느껴질 수 있다.

도 6의 방법은 도 2에서 다중으로 설치되는 광대역 주파수 변환기에 적용되어도 같은 효과를 얻을 수 있다. 따라서 하나의 실시간 스펙트럼 측정 시스템을 이용하여 측정 주파수 대역을 임의로 넓힐 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 광대역 스펙트럼 측정 시스템이 활용된 EMI 측정 시스템이다.

도 7에서, 주파수 대역이 다른 두 개의 안테나(702, 704)는 서로 인접하여 설치되어 있는데, 서로 편파를 달리하여 배치하는 경우 이와 같이 두 개의 안테나 급전 지점을 매우 가까이 하여 설치할 수 있다. 이 경우 두 안테나 간의 결합량이 줄어들어 정확한 편파에 대한 분리 측정이 가능한 특성을 갖게 된다.

또한 EMI 측정 시설의 경우 통상 3m, 10m, 30m 챔버로 구성되는데, 챔버와 별도로 구성된 제어실에 측정시스템이 설치되는 경우 안테나와 측정 시스템 간의 거리가 멀기 때문에 RF 케이블의 손실이 많이 발생하는 문제가 생긴다. 특히 주파수가 높을수록 손실이 많이 발생한다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 주파수 변환기를 소형으로 제작하고, 안테나와 인접한 거리에 설치하여 고주파 대역의 RF 케이블 손실을 최소화하며, 주파수 변환기의 출력 단자와 측정 시스템을 연결하는 저주파 대역의 RF 케이블을 함께 설치함으로써, 고주파 대역의 RF 손실의 문제점을 개선할 수 있을 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서는 광대역 주파수 변환기 및 기존의 실시간 시간 영역 기반의 스펙트럼 측정 시스템을 이용하여 측정 가능한 주파수의 범위를 확장할 수 있는 스펙트럼 측정 시스템을 구현하였다. 또한 광대역 주파수 변환기에서 국부 발진 주파수를 설정하는 방법을 이용하여 잡음에 의한 영향을 최소화할 수 있도록 하였다. 본 발명에 의하면, 기존의 실시간 시간 영역 기반의 스펙트럼 측정 시스템을 기반으로 광대역의 주파수 특성을 측정할 수 있고, 광대역의 신호를 수신할 때 발생할 수 있는 잡음에 의한 문제점을 극복할 수 있는 장점이 있다.

전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (1)

1. 광대역 스펙트럼 측정 시스템에서 광대역 주파수 변환기가 입력 신호의 주파수 대역을 변환하는 방법에 있어서,
   국부 발진 주파수를 설정하는 단계;
   상기 국부 발진 주파수를 이용하여 상기 입력 신호의 주파수 대역을 실시간 스펙트럼 측정 시스템이 측정 가능한 주파수 대역으로 변환하는 단계; 및
   상기 변환된 주파수 대역의 신호를 상기 실시간 스펙트럼 측정 시스템으로 전송하는 단계를 포함하는
   주파수 대역 변환 방법.
   

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