최상의 802.11ac 테스트를 위한 고성능 계측기와 FPGA의 결합

최신 통신 표준인 802.11에는 몇 가지 해결해야 할 과제가 있다. 테스트 엔지니어들은 802.11 표준에 맞는 테스트 기기를 찾는 데 많은 노력을 기울여 왔고 최고 성능의 고가 박스형 계측기를 고집하는 것이 더 이상 의미가 없다는 것을 깨달았다.
왜 그럴까? 답은 간단하다. 리소스, 특히 시간, 예산, 공간이 부족하기 때문이다. 새로운 세대의 테스트 엔지니어들은 이미 직관적인 신기술을 사용하여 공간을 줄이고 테스트/개발 시간을 단축해 예산을 절감하고 있다. 내쇼날인스트루먼트는 직접 프로그래밍 가능한 FPGA 기반 계측을 제공함으로써 테스트 엔지니어들이 겪는 여러 문제를 해결하도록 돕고 있다.

최신 WLAN을 위한 최적의 계측기

NI PXIe-5644R은 업계 최초의 벡터 신호 트랜시버(VST)로 최고 6GHz 중심 주파수에서 80MHz 리얼타임 대역폭을 제공한다. 또한, 이 계측기에는 프로그래밍 가능한 FPGA가 있어 테스트 속도를 증대하거나 FFT, 전력 컨트롤, 변조/복조 등 리얼타임 알고리즘을 구현할 때 사용할 수 있다. 이 WLAN 테스터 제품은 PXI Express 슬롯 3개에 해당하는 폭이며, DUT 컨트롤 애플리케이션을 위한 프로그래밍 가능한 디지털 I/O 포트가 있다.



802.11ac는 5GHz 대역에서 20, 40, 80MHz (의무)대역폭으로 운영된다. 160MHz 대역폭은 선택 사항이다. 또한, 인접하지 않은 80+80MHz TX와 RX 대역폭 옵션도 있다.IEEE 초안에서는 802.11ac 표준이 5GHz 대역에서 802.11a 및 802.11n과 하위 호환을 명시하여 구 표준도 사용 가능하게 했다. 일부 다른 의무 조항으로는 80MHz 대역폭, 256-QAM 변조, 최대 8개 공간 스트림, 멀티유저 MIMO가 있다.
802.11ac는 최고 160MHz 대역폭, 8x8 MIMO 설정, 256-QAM, Short Guard Interval을 사용해 이론상 최고 6.93Gbit/s를 허용한다. 평균 데이터 속도는 80MHz 대역폭, 4tx 채널, 256-QAM 변조에서 1.56Gbit/s이다.





멀티유저 MIMO (MU-MIMO)

MU-MIMO를 사용하면 터미널은 동일 대역의 여러 사용자들로부터의 신호를 동시에 송수신할 수 있다. MU-MIMO는 사용 가능한 여러 개의 독립 라디오 터미널을 활용하여 개별 터미널의 통신 성능을 개선하는 고급 MIMO 기술이다. Single User MIMO(SU-MIMO)는 각 개별 터미널에 물리적으로 연결된 여러 개의 안테나에 접근하는 것을 의미한다.PXI 플랫폼은 백플레인에서의 동기화 기능과 NI PXI 계측기에 SMC 칩이 임베드된 것을 고려할 때 MIMO에 이상적인 선택이라 할 수 있다. NI-TLCK 기술을 사용하면, 여러 개의 분석기와 생성기 (심지어 연결된 여러 개의 섀시) 사이에서 최고 0.1도 위상 오프셋을 얻을 수 있다.
새로운 NI PXIe-5644R VST는 소형이므로 5×5 MIMO 시스템을 위해 단일 섀시에 최대 5개의 VST를 탑재할 수 있다. 이와 대조적으로, 박스형 계측기를 유사 시스템에서 구현하기 위해서는 케이블과 계측기를 복잡하게 설정해야 할 것이다.

FPGA가 직접 프로그래밍 가능한 VST

RF 계측에 FPGA를 사용하는 것이 새로운 개념은 아니지만, 직접 프로그래밍할 수 있는 FPGA는 새로운 개념으로써 VST를 통해서만 제공된다. 개방형 FPGA를 사용하여 구성할 수 있는 애플리케이션은 무수히 많다.

· 서보화(Servoing)
· 자동 게인 컨트롤
· 변조 및 복조(Modulation and demodulation)
· FFT 및 평균화
· 채널 에뮬레이션

기존의 박스형 계측기는 FFT와 트리거링 같은 알고리즘을 사용하는 데 제한이 있다. 박스형 계측기에 사용되는 FFT 또는 트리거링을 사용자가 직접 생성하기란 어려운 일이다. 그러나 차세대 소프트웨어로 디자인된 계측기를 사용하면 요구사항에 맞게 계측기를 전적으로 직접 설정할 수 있다.





최고의 EVM 수치 얻기

변조 방식이 갈수록 복잡해짐에 따라 고품질 신호를 유지하는 것이 그 어느 때보다 주요한 이슈로 떠오르고 있다. 표 1은 802.11ac에서 각 변조 방식에 따른 RMS EVM 조건을 나타낸다.
특성화와 제조 테스트 시 충분한 여유를 확보하기 위해서는 테스트 기기가 사양(-32 dB, 256 QAM)보다 최소 10dB 우수한 측정을 수행할 수 있어야 한다. 아래 그림 6에서 볼 수 있듯이 VST는 업계 최고의 EVM 수치인 -46dB을 제공한다.



손상(impairment) 추가

NI WLAN Generation Toolkit을 사용하면 생성된 신호에 결함을 추가하여 DUT가 어떻게 반응하는지 관찰할 수 있다. WLAN Generation Toolkit을 사용하여 다음과 같은 손상을 추가할 수 있다.

· 캐리어 주파수 오프셋
· 샘플 클럭 오프셋
· IQ 손상(Impairments)
· 게인 불균형
· DC 오프셋
· 구적 스큐
· 타이밍 스큐
· 캐리어-노이즈 비율

송신 스펙트럼 마스크

802.11ac는 의무적으로 80MHz 스펙트럼 마스크 테스트를 요구한다. 80+80MHz와 160MHz 스펙트럼 마스크 테스트는 선택사항이다.
80MHz 세그먼트는 근접할 수도 있고 근접하지 않을 수 있다.
엔지니어들은 두 개의 동기화된 생성기 또는 분석기를 사용하여 80+80 신호를 생성하고 수집한다. 두 개의 세그먼트가 다른 대역에 있다면 정규 80MHz 스펙트럼 마스크는 각 세그먼트에 적용되지만, 두 개의 세그먼트가 같은 대역에 있고 근접해있다면 중첩 스펙트럼 마스크가 신호에 적용된다 (그림 7).



모든 테스트 엔지니어들은 테스트 시간을 단축해야 하는 과제를 안고 있다. 세계적인 네트워크 모듈 제조회사인 Qualcomm Atheros 엔지니어들도 가능한 많은 파라미터를 빠르게 테스트해야 하는 숙제를 안고 있다.
Qualcomm Atheros는 VST를 채택함으로써 기존 박스형 계측기에서 발생되는 테스트 한계점을 극복해내고 테스트 일정과 제품 상용화 시간을 정확하게 맞춰나가고 있다. 기존에는 오랜 시간에 걸쳐 특성화를 진행해야만 했는데, PXI로 전환하면서 시간적으로는 약 200배 절감할 수 있었을 뿐만 아니라, 그림 9와 10과 같이 더욱 정밀한 특성 결과를 도출할 수 있었다.







한정규 한국내쇼날인스트루먼트 자동화 테스트 솔루션 담당