스펙트럼 분석기 기본 운용 이해하기

레퍼런스 레벨

레퍼런스 레벨은 디스플레이의 상단 경계이며, 스펙트럼 분석기 입력에서 최대 기대 출력을 나타냅니다. 대부분의 경우 신호의 최고 레벨이 레퍼런스 레벨보다 약간 낮도록 설정을 조정합니다.

이 레벨을 너무 낮거나 높게 설정하지 않도록 해야 합니다. 레퍼런스 레벨을 너무 높게 설정할 경우 다이내믹 레인지가 낮아지며 진폭에서 작은 변화를 찾기가 어려워집니다. 레퍼런스 레벨을 너무 낮게 설정할 경우 트레이스가 화면 상단을 크게 벗어납니다. 너무 낮은 레퍼런스 레벨에서는 측정 결과도 달라질 수 있습니다.

RF 입력 뒤에서 스펙트럼 분석기의 첫 번째 섹션 중에는 믹서, 증폭기와 같은 액티브 컴포넌트가 탑재됩니다. 입력 레벨이 너무 높을 경우 이러한 장치에 압축이 발생해 왜곡의 원인이 되며 때때로 측정 결과가 매우 심하게 달라질 수 있습니다. 이러한 문제를 방지하려면 RF 입력과 이와 같은 고감도 컴포넌트 사이에 가변 입력 감쇠기를 배치합니다. 레퍼런스 레벨을 설정하면 기기의 과부하를 방지하기 위해 스펙트럼 분석기에서 이 값을 사용해 입력 감쇠 및/또는 IF 증폭기 게인을 조정합니다.

주파수 대역폭

기본적인 스펙트럼 측정을 수행할 경우에는 분해능 대역폭이 가장 중요한 설정입니다. 대부분의 스펙트럼 분석기는 헤테로다인 기반 분석기를 사용해 스팬 전체를 스윕하는 방식으로 스펙트럼을 측정합니다. 주파수 대비 파워를 보여주는 트레이스는 왼쪽에서 오른쪽으로 그려지며, 일반적으로 반복적으로 표시됩니다.

분해능 대역폭은 하나의 창이 범위(Span) 전체를 이동하면서 레벨을 측정하는 것에 비유할 수 있습니다. 분해능 대역폭 필터 또는 창은 정사각형이 아니지만 가우스 또는 이와 유사한 형태입니다. 또한 창이 이동하는 것이 아니라 스펙트럼이 창을 지나가면서 움직이는 것입니다. 결과는 동일하지만, 많은 RF 엔지니어들이 분해능 대역폭을 설명할 때 창 또는 필터가 범위(Span) 전체를 이동하는 것에 비유합니다.

분해능 대역폭에 따라 가까운 신호를 구분 또는 분석할 수 있습니다. 두 개의 신호가 가깝게 있을 경우 분해능 대역폭이 두 신호 간 거리보다 작아야만 두 신호를 구분할 수 있습니다. 이보다 넓은 분해능 대역폭을 사용할 경우에는 필터가 통과하면서 스윕할 때 두 신호가 가려지게 되며 트레이스에 하나의 신호로 나타납니다.

평균 노이즈 레벨

분해능 대역폭은 노이즈에도 영향을 미칩니다. 구체적으로 말해, 분해능 대역폭은 노이즈 플로어, 즉, DANL(Dispalyed Average Noise Level)에 영향을 미칩니다. 노이즈 플로어는 선택한 분해능 대역폭에 따라 변동됩니다.

분해능 대역폭이 감소할 경우 노이즈 플로어는 어떻게 될까요? 예를 들어, 간단한 CW 신호와 비교적 큰 2 GHz 스팬을 사용한 경우를 가정하겠습니다.

• 3 MHz 분해능 대역폭을 사용할 경우 노이즈 플로어의 평균값은 약 -73 dBm입니다
• 분해능 대역폭을 300 kHz로 좁힐 경우 노이즈 플로어는 – 84 dBm로 내려갑니다
• 30 kHz RBW에서 노이즈 플로어는 다시 -93 dBm로 내려갑니다
• RBW가 3 kHz일 경우 노이즈 플로어의 평균값은 -104 dBm이 됩니다.

분해능 대역폭을 10배 줄일 때마다 노이즈 플로어는 약 10 dB 감소합니다. 실무에서 노이즈 플로어와 가까운 신호를 확인하려면 더 좁은 분해능 대역폭을 사용해야 합니다.

분해능 대역폭 및 스윕 시간

분해능 대역폭을 줄이면 신호를 더욱 잘 구분할 수 있고 노이즈는 감소합니다. 그런데, 가능한 최저 분해능 대역폭을 항상 사용하지 않는 이유는 무엇일까요? 분해능 대역폭은 기본적으로 필터입니다. 좁은 필터는 안정적으로 작동하거나 안정적 결과를 얻을 때까지 넓은 필터에 비해 많은 시간이 소요됩니다. 다시 말해, 정확한 결과를 얻기 위해 작은 분해능 대역폭을 사용할 경우 스윕이 느려집니다. 너무 빠르게 스윕하면 진폭 및 주파수 오류가 발생합니다.

스펙트럼 분석기의 스윕 시간을 결정하는 주요 요인은 분해능 대역폭입니다. 적절한 스윕 시간은 어느 정도일까요? 대부분의 분석기는 분해능 대역폭과 스팬을 기준으로 스윕 시간을 자동 계산합니다. 이 설정은 재정의할 수 있지만 자동으로 계산된 스윕 시간을 감소하는 것은 적절하지 않은 경우가 일반적입니다.

최적의 분해능 대역폭은 거의 대부분 측정 신호의 함수이며 실험으로 확인해야 하는 경우가 많습니다. 속도와 선택도/노이즈는 상충 관계입니다. 대부분의 스펙트럼 분석기에서는 분해능 대역폭으로 임의 값을 선택할 수 없으며 1 kHz, 3 kHz, 10 kHz, 30 kHz와 같은 일정 간격으로 선택해야 합니다.

비디오 대역폭

마지막 기본 파라미터는 비디오 대역폭입니다. 비디오 대역폭을 이해하려면 비디오 신호 용어를 설명해야 합니다. 트레이스는 기본적으로 개별 주파수에서 파워의 엔벨로프라고 할 수 있으며 이 엔벨로프를 비디오 신호라고 합니다. 비디오라고 하는 이유는 오래 전에 화면에 비디오 트레이스를 그리기 위해 음극선관의 수직편향에 이 신호를 적용했기 때문입니다. 최신 스펙트럼 분석기에서 비디오 대역폭은 표시된 트레이스를 평균화 또는 평활화하는 데 사용하는 필터입니다.

분해능 대역폭과 달리, 비디오 대역폭은 신호를 측정 또는 획득하는 방식과 무관하며 신호를 표시하는 방식에만 영향을 미칩니다.

비디오 대역폭 200 kHz에서 비디오 대역폭을 낮출 경우 신호에 상당한 양의 노이즈가 나타날 수 있습니다. 이 노이즈는 비디오 대역폭을 20 kHz로 낮을 경우 감소하며 비디오 대역폭을 단 2 kHz로 낮추면 더욱 감소합니다. 비디오 대역폭을 낮출 경우 트레이스의 노이즈만 감소하는 것이며, 분해능 대역폭과 같이 노이즈 플로어가 내려가지 않습니다. 또한 가까운 신호를 더욱 정확히 분석 또는 구분할 수 있는 것도 아닙니다.

비디오 대역폭 선택

비디오 대역폭은 트레이스가 표시되는 방식에만 영향을 미치므로 일정 한도까지는 올바른 비디오 대역폭 설정이 애플리케이션에 따라 달라집니다. 대부분의 최신 스펙트럼 분석기는 분해능 대역폭과 같은 다른 파라미터를 기준으로 대역폭을 자동으로 구성하고 업데이트합니다. 비디오 대역폭이 작을(좁을) 경우 트레이스의 노이즈가 감소하므로 작은(좁은) 비디오 대역폭이 바람직한 경우가 대부분입니다. 하지만 분해능 대역폭과 마찬가지로 비디오 대역폭은 스윕 시간에 영향을 미칩니다. 즉, 작은(좁은) 비디오 대역폭에서는 스윕 시간이 길어집니다.