고속 측정·데이터 스트리밍으로 테스트 신뢰성 높여
NI LabVIEW RIO 기술이 적용된 PXI 모듈형 계측기는 RIO 기술의 핵심인 FPGA를 기반으로 고속의 측정과 데이터 스트리밍이 가능하며, 고정밀 타이밍과 연산이 요구되는 애플리케이션을 PC 기반이 아닌 FPGA 기반에서 구현함으로써 보다 신뢰성 있는 테스트 결과를 얻을 수 있다. 또한, RF 수신기, RF 발신기, 직접 프로그래밍 가능한 FPGA로 구성되는 VST는 기존 VSA/VSG 패러다임 그 이상을 구현한다.
빠른 기술 변화와 함께 IoT 시대가 도래 하면서 기술은 좀 더 복잡해지고 있고, 이를 적용하고 테스트를 해야 하는 엔지니어들에게는 정확하게 측정하고 분석하는 것이 큰 도전과제로 다가오고 있다.
이러한 고정밀 데이터들을 정확하게 분석하기 위해서는 고용량의 데이터를 빠르게 전송하고 보관하는 것이 기본적으로 뒷받침되어야만 이후의 정밀 분석이 가능하다. 즉, 빅 데이터를 빠르게 처리할 수 있는 능력이 계측기에도 필요하게 된 것이다.
PC의 기능도 같이 발전하고 있긴 하지만, 이러한 테스트와 분석 트렌드를 따라가기가 쉽지 않고, 일부 산업 애플리케이션 영역에서는 완전히 새로운 접근방식이 요구된다.
이러한 요구사항을 반영하여 NI에서는 FPGA 기반의 NI LabVIEW RIO 구조를 적용한 PXI 모듈형 계측기들을 제공하고 있으며(그림 1), RIO 기술의 핵심인 FPGA를 기반으로 고속의 측정과 데이터 스트리밍이 가능이다.
그림 1. NI LabVIEW RIO(재구성 가능한 IO) 기술이 적용된 PXI 모듈형 계측기
또한 고정밀 타이밍과 연산이 요구되는 애플리케이션을 PC 기반이 아닌 FPGA 기반에서 구현함으로써 보다 신뢰성 있는 테스트 결과를 얻을 수 있다.
이와 같은 트렌드는 전자 계측 분야뿐만 아니라, 항공, 우주, 의료, 자동차, 물리학 분야 등 다양한 애플리케이션 영역에서 요구되는 것들이다. 이 글에서는 이러한 도전과제를 해결하기 위한 RIO 기술을 기반으로 한 차세대 계측 방식과 구체적인 사례를 소개한다.
우주 정거장에 설치될 지구 관찰 카메라 개발
우주 연구와 기술 개발을 담당하는 영국 STFC의 RAL Space 연구소는 파트너로부터 국제 우주 정거장에 설치할 두 대의 카메라를 개발해 달라는 제안을 받았다. 이 프로젝트의 목적은 상업용 웹사이트를 통해 모든 사람이 거의 실시간으로 우주 비행사들이 바라보는 지구의 모습을 볼 수 있도록 하는 것이다.
두 대의 카메라는 국제 우주 정거장에 설치되어, 지구 인구의 90%가 거주하고 있는 우주 정거장 궤도 아래 지역의 동영상과 이미지를 촬영하게 된다. 중간 해상도의 카메라는 50km 대역을 관장하며 픽셀 당 5m의 해상도로 정적인 이미지를 촬영한다. 한편, 고해상도 비디오카메라(HRC)는 픽셀당 1m의 지상 해상도를 제공하므로 대규모 군중이나 움직이는 자동차를 관찰할 수 있다.
각각의 이미지와 동영상들은 초당 800Mbps의 데이터를 출력하며, 이러한 대용량의 데이터를 실시간으로 스트리밍하고 기록해야 하는 도전과제를 가지고 있었다. 그러면서도 개발 시간은 빠르게 해야 했다.
RAL Space는 FPGA 기능이 탑재된 솔루션 접근방식으로 고속 데이터 스트리밍을 구현하고자 했으며, 개발 시간을 단축하기 위해서 검증 테스트 장비를 직접 개발하는 것보다, FPGA 기능이 탑재된 상용의 NI FlexRIO 플랫폼을 사용하기로 결정했다.
NI FlexRIO 하드웨어와 LabVIEW는 이미 검증된 하드웨어 계측기 안에서 그래픽 기반 프로그래밍 언어인 LabVIEW를 사용하여 보다 직관적인 솔루션을 빠르게 개발할 수 있게 한다.
이 사례는, 향후 주요 행사의 동영상을 제공하거나, 농업 활동을 지원하거나, 자연재해의 피해를 당한 지역에 구조 활동을 하는 등, 위에서 소개한 라이브 동영상 추적 기능의 다양한 활용 방법을 찾을 수 있을 것으로 기대한다.
그림 2. 국제 우주 정거장에 설치된 고해상도 비디오카메라
항공·의료 분야에 활용 가능한 초음파 영상 분석
위 사례에서 언급한 것과 유사한 기술이 항공 및 의료 분야의 초음파 분석에도 활용된다. NI의 협력사인 Diagnostic Sonar는 초기에 PXI 기반의 FlexRIO 플랫폼을 활용하여 초음파 분석 시스템을 개발했다. 의료용에 사용되는 만큼 고해상도의 이미지를 스캐닝할 수 있어야 했기에 FPGA 기술이 필요했다.
하지만 또 다른 분야인 항공 분야에서는 비행기 기체의 비파괴 검사를 수행해야 했기 때문에 보다 콤팩트하고 휴대가 가능한 솔루션이 필요했다(그림 4).
그림 4. 항공기 비파괴 검사를 위한 소형의 플랫폼 필요
그래서 NI의 새로운 소형의 FlexRIO 컨트롤러를 적용하여 이러한 솔루션을 개발했고 (그림 3, 5), 이 솔루션은 의료 분야의 집속 초음파 수술에도 적용할 수 있다.
그림 3. FPGA가 적용된 NI 차세대 계측기인 FlexRIO 모듈과 독립형 컨트롤러
그림 5. 초음파 분석에 사용되는 스캐닝 장비(좌)와 영상 취득을 위한 FlexRIO 컨트롤러
지진 연구용 슈퍼컴퓨터로 암석의 음향 측정
지진 발생으로 인한 지진파는 수십 미터에 달하는 파장을 가지고 있다. 이러한 파장을 연구하고자 하는 경우, 대략 축구장 크기 정도의 거대한 바위가 필요하다.
ETH-Zurich의 지구물리학 연구팀은 내쇼날인스트루먼트(NI)의 Scientific Research & Big Physics 팀과 손을 잡고 측면이 고작 1.5m에 불과한 암석의 물리적 음향 응답을 통해 이러한 지진파를 추정할 수 있는 지진 연구용 슈퍼컴퓨터를 개발했다.
암석의 각 측면에는 15cm 간격으로 800개의 음향 센서가 부착되어 있다. 그다음에 이 암석을 옆면 길이 2m의 수조에 넣었다. 800개의 음향 액추에이터는 웨이브폼을 물리적 시뮬레이션 코어에 주입하는 동시에 물과 탱크의 인터페이스에서 발생하는 반사를 보정한다. 인터페이스의 반사를 제거하게 되면 물리적 시뮬레이션 코어보다 훨씬 규모가 큰 파장도 매우 정확하게 연구할 수 있다.
이 시스템에서 실제 거대 암석을 시뮬레이션하기 위해서는 800×800 데이터 행렬에서 수집한 데이터를 기반으로 250단계 거치는 편미분 방정식을 풀어야 한다.
결론적으로, 50usec 안에 각 채널의 알고리즘 계산을 완료해야 한다. 이러한 복잡한 알고리즘을 빠른 시간 안에 해결하기 위해서는 일반적인 데스크탑에서는 불가능하다. 그래서 취리히의 지진연구팀은 40여 개의 PXI 시스템과 670개 이상의 모듈형 계측기 그리고 500개 이상의 FPGA 칩이 탑재된 모듈을 사용함으로써 이 시스템을 구축했다. 그림 6은 그중의 일부 시스템이다.
그림 6. 지진 연구에 사용된 전체 7개의 시스템 중 하나의 랙.
앞서 말한 우주, 항공, 의료, 거대 물리 분야 이외에도 RF & 5G 분야에서도 FPGA 기반 계측기가 사용되고 있다.
한 예로, 최근 연세대학교 5G 연구진이 NI FlexRIO 기술을 사용하여 이동통신의 핵심 기술인 Full Duplex Radio 기술을 세계 최초로 시연했다. 이는 Half Duplex Radio 기술보다 주파수 효율이 두 배로 높아지는 것을 의미하며, 천문학적인 주파수 사용 비용을 고려하면, 경제적인 이점이 매우 크다는 데에 의의가 있다.
MIMO RF 신호를 위한 라디오 채널 에뮬레이터
또한, RF 수신기, RF 발신기, 직접 프로그래밍 가능한 FPGA로 구성되는 VST(벡터 신호 트랜시버)는 기존의 VSA/VSG 패러다임 그 이상을 구현한다(그림 7(좌)).
그림 7. 사용자정의 가능한(FPGA) 벡터 신호 트랜시버(좌)와 MIMO RF 채널 에뮬레이터
예를 들어, VST는 사용자가 전적으로 재설계하여 여러 RF 애플리케이션을 위한 복합 프로세싱을 수행할 수 있다. 한 예로, MIMO RF 신호를 위한 라디오 채널 에뮬레이터를 들 수 있다.
최근 MIMO(Multi Input Multi Output) RF 기술이 발전함에 따라, RF 변조 구조가 더욱 복잡해지고, RF 대역폭이 증대되었으며, 라디오 스펙트럼은 더욱 복잡해졌다. 이같은 상황에서는 고정적인 환경에서 무선 디바이스를 테스트하는 것 이상으로 다이내믹한 실제 환경에서 디바이스가 어떻게 작동하는지 이해하는 것도 중요하다.
라디오 채널 에뮬레이터는 실제 환경에서 무선 통신을 테스트하기 위한 툴이다. 페이딩 모델은 물리적인 라디오 환경에서 RF 신호를 방해하는 공기 방해, 반사, 사용자 움직임 및 자연 발생하는 기타 현상을 시뮬레이션할 때 사용된다.
수학 페이딩 모델을 FPGA에 프로그래밍하면 VST는 리얼타임 라디오 채널 에뮬레이터를 실행한다. 그림 7(우)는 LabVIEW에서 2개의 VST를 사용하여 실행된 2×2 MIMO 라디오 채널 에뮬레이터이다.
페이딩 모델 설정은 화면의 왼쪽과 중앙에 나타난다. 페이딩 모델의 결과로 나타나는 RF 출력 신호는 스펙트럼 분석기로 수집되며 오른쪽에 나타난다. 스펙트럼 그래프를 보면 페이딩 모델의 결과로 나타나는 스펙트럼 널을 확연하게 확인할 수 있다.
앞서 사례로 소개한 것처럼, 우주, 항공, 의료, 물리학 분야에서부터 우리가 흔히 사용하는 모바일 기기들의 차세대 통신 알고리즘과 RF 분석에 이르기까지 RIO 기반의 고성능 모듈형 계측기 수요는 더욱 증가할 것이다.
아울러, 다채널 측정과 데이터 스트리밍, 동기화, 특정 시퀀스의 테스트 자동화 등을 위해서는 LabVIEW와 PXI 기반의 모듈형 계측기로 개발 하는 것이 보다 빠르고 혁신적인 개발을 가능하게 할 것이다.
권순묵 _ 한국내쇼날인스트루먼트
