공간절약·처리 능력·유연성/확장성·신기술 접근성 탁월

계측기에는 벤치탑(Bench-top)과 모듈러(Modular), 2가지 종류가 있다. 저마다 장점을 가지고 있어 어떤 형태로 사용하느냐에 따라 벤치탑과 모듈러가 결정된다. 

벤치탑은 R&D 기초단계에서의 하이 퍼포먼스가 필요할 때 주로 사용하지만, 모듈러는 스몰 풋프린트, 처리 능력, 유연성과 확장성, 신기술에 대한 접근성이 뛰어나 다양한 분야에서 가장 많이 선호하는 솔루션이다. 키사이트코리아가 모듈형 계측기의 이해를 위한 기술 세미나를 지난 10월1일 열었다. 그 내용을 정리했다.

모듈러의 사전적 의미를 보면 조합될 수 있고, 다양한 종류의 조합 가능한 기기를 갖는 규격화된 개별 형태의 표준 장비를 말한다. 따라서 모듈형 계측기란 개별 형태로 갖추어진 모듈러 플랫폼 장비라고 정의할 수 있다.

모듈형 계측기의 표준

모듈 형태의 계측기가 처음 등장한 것은 1972년도의 GPIB였다. 이 장비는 원래 HP사에서 만들어낸 인터페이스 버스를 사용했다는 의미에서 HPIB라고 했으나 개발사 이름이 드러나지 않게 하려고 곧바로 IEEE-488 GPIB라고 고쳐 명명했다. 

그 뒤 애질런트에서 HP 특유의 모듈러 형태 계측장비인 3497A, 3488A, 3499A, 34970A, 34980A 등을 출시했다. 그 후 1987년에는 VXI, 1997년에는 PXI 형태의 모듈 타입 계측장비들이 나왔다. 그리고 LAN 확장 형태의 LXI가 2005년도에 등장했으며, AXIe는 2009년도에 출시되기 시작했다.

일반적으로, 계측장비들은 개별적인 장비에서부터 성능을 발휘하며 여러 가지 기능을 구현하는 역할도 하지만, 어떤 경우에는 장비 자체보다는 컴퓨터를 활용해서 장비를 제어하거나 장비가 측정한 어떤 데이터를 컴퓨터로 가져와서 처리하는 다양한 형태의 작업을 한다. 컴퓨터를 활용해서 제어하는, 이른바 ‘컴퓨터 인더스트리 인터페이스’는 가장 많이 사용하는 모듈러 솔루션이다.

일반적인 형태로는 USB를 사용해서 연결하는 USB 타입과, LAN 기반으로 하는 LXI 타입이 있다. 또한, LAN을 GPIB로 변환해주는 변환기를 사용해서 LAN으로 제어하는 VXI 타입, 그리고 PCLe 형태로 연결해서 사용하는 PXI와 AXIe 타입이 있다.

그림 1. 계측기 표준들

모듈러 형태의 계측장비들은 제품마다 표준을 접목하며 많은 변화를 겪어왔다. 그중 하나가 VXI(VME eXten-sion for Instruments) 타입이다. VME 버스는 원래 PC의 각 보드에 연결하는 버스 표준으로 개발됐으나, HP사에서 VME 버스를 계측기에 사용하고자 VXI 표준을 만들었다. 1970년대 후반, VXI 버스 컨소시엄 멤버에는 키사이트, NI, 테라다인이 참여했다.

그 당시에는 아주 획기적인 플랫폼이었기 때문에 콤팩트한 사이즈를 필요로 하는 국방, 선박, 항공기 분야에서 인기가 매우 높았다. 사이즈는 유닛 한 개당 높이가 43mm이며 넓이는 어떤 장비이든 크기가 맞도록 표준화되어 있다. 최대 속도는 키사이트 VME-320의 경우 320Mbyte/sec까지 결정됐다.

1990년대 후반에는 VXI보다 속도와 성능이 더 뛰어난 PXI와 LXI가 표준 형태로 정의되는 양상을 보였다. 특히, 2005년에 애질런트와 VTI 인스트루먼트에서 소개한 LXI는 이더넷을 사용하는 기기와 데이터 수집 시스템을 위한 통신 프로토콜을 정의했다. 

이 모듈형 솔루션은 테스트를 위해 여러 기기를 연결하는 방법이 매우 간단하고 가격 또한 저렴해, 벤치탑(Bench-top)에서도 측정을 위한 LAN 확장 개념으로 지금까지 사용되고 있다.

모듈러로서 가장 화두가 되고 있는 표준 형태는 PXIe이다. PXI는 1992년에 인텔이 개발한 CompactPCI를 기반으로 등장했다. 그리고 이것을 계측기 장비에 접목하려는 시도가 이루어지면서 1997년에 NI가 PXIe를 처음 소개했고 애질런트, 에어로플렉스, 테라다인 등 경쟁사가 뒤를 이어 합류했다.

그리고 2004년에는 인텔, 델, HP, IBM 등 컴퓨터 업체들이 PCIe를 소개했고, 키사이트는 2006년에 본격적으로 PXIe 버전의 계측기를 시장에 출시하기 시작했다. PXI를 많이 사용하는 이유는 속도 때문이다. 

기본적으로 보게 되면, PXI는 PCIe 버스를 활용한다. 그리고 이 PCIe 상호연결은 하나 이상의 레인으로 이루어지는 링크들을 통해 만들어진다. 따라서 PXI는 빠른 버스를 통해서 데이터 처리 능력을 높이고 매우 낮은 대기시간도 확보할 수 있다. 또한, PXIe Backplane을 통해서 모듈이 연결되면 모듈 간의 속도 전달은 더욱 빨라지는 장점이 있다.

계측기 중 가장 최근의 표준 형태는 AXIe 모듈러이다. 이것은 고속 로컬 버스, 타이밍, 트리거링을 추가한 범용 측정 ATCA를 확장한 오픈 표준 형태이다. 따라서 데이터 속도 등을 많이 요구하는 통신 분야에서 주로 사용된다. 

2009년 11월에 소개된 이 모듈러는 PCIe와 LAN을 지원한다. 또한, PXIe를 다 수용하면서 하이 퍼포먼스와 하이 파워 모듈에 장점을 가지고 있다. 예를 들어, PXI 형태로 처리하기에는 파워가 모자라고, 소자를 형성하는 데 좀 더 많은 파워를 공급해서 모듈을 구성할 필요가 있을 때 AXIe가 적합하다.

이처럼 속도와 파워, 이 2가지 장점을 지닌 AXIe 모듈러는 파형 발생기나 디지타이저 장비에 많이 적용된다.

그림 2. 모듈러 솔루션들

왜 모듈러인가?

계측기에는 벤치탑(Bench-top)과 모듈러(Modular), 2가지 종류가 있다. 어떤 형태로 사용하느냐에 따라 벤치탑과 모듈러가 결정된다. 모듈러의 장점에는 크게 4가지가 있다.

첫째는 스몰 풋프린트(Small foot-print)이다. 다중채널을 이용하거나 제한된 공간에서 여러 채널의 신호를 분석해야 할 때 벤치탑은 공간을 많이 차지하지만 모듈러는 콤팩트해 공간 절약성이 뛰어나다. 

예를 들어, 안테나 기술에 MIMO라는 게 있다. 신호를 주고받을 때 안테나를 통해서 하다 보니 데이터양이 많고 중간 간섭도 많아 다중의 안테나를 사용한다. 이때 8×8 MIMO의 경우, 신호를 보내는 8개의 신호 발생기와 신호를 받아서 분석하는 8개의 스펙트럼 애널라이저가 필요하다.

이것을 쌓게 되면 7.5피트의 높이가 된다. 그러나 모듈러로 하게 되면 3분의 1인 2.5피트로 크게 줄일 수 있다. 이처럼 멀티채널, 즉 안테나가 많이 들어가는 분야일수록 모듈러의 장점은 부각된다.

둘째는 처리 능력(High through-put)이다. 생산 현장에서는 주어진 시간에 얼마만큼의 제품을 생산해 내느냐가 매우 중요하다. 그런데 처리 속도가 느려 10개 생산해야 할 것을 5개밖에 못한다면 효율성은 그만큼 떨어질 것이다. 

기술이 발달하면서 전자기기 속에 들어가는 부품의 복잡도 역시 급격히 올라가 측정해야 할 내용도 점점 많아지게 된다. 처리 속도가 빠르지 않으면 똑같은 물량을 생산하지 못한다. 따라서 빠른 처리 능력이 필요한 생산 현장에서 모듈러는 큰 힘을 발휘한다.

셋째는 유연성과 확장성이다. 모듈러는 아담한 사이즈에 카멜레온 같은 다양한 기능을 제공한다. 기술의 발달로 상황이 바뀌어도 구성을 달리해가면서 측정할 수 있는 플랫폼이 만들어져야 한다. 

예를 들어, 안테나 바로 전단에 사용되는 부품 소자에는 증폭기라든지 여러 부속품이 다 들어간다. 여기서는 어떤 신호를 넣어주고 반응을 보는 등 여러 가지 형태의 작업을 하게 된다. 그리고 각 부품의 동작을 제어하기 위해서는 다양한 신호를 연결해서 측정해야 한다. 

그러기 위해서는 신호 발생기만 있어서는 안 되고 신호 분석기, 데이터 수신기 등 다양한 종류의 장비가 있어야 측정할 수 있다. 그런데 모듈러의 경우는 네트워크 애널라이즈, SMU, DIO 형태 신호 발생기, 분석기 등 상황에 맞춰서 빼고 넣고 할 수 있어 다양한 형태로 구성하면 그만이다. 

넷째는 신기술에 대한 접근성이다. 기술은 계속 진화한다. 측정할 때마다 고정되지 않은 기술들을 접목하기 위해서 장비를 계속 바꿔나가야 한다면 비용적인 측면 등 많은 어려움이 발생할 수 있다. 모듈러는 다양한 형태의 모듈로 바꿔가면서 새로운 기술에 해당되는 신호를 캡처하고 분석할 수 있다.

적용 분야

모듈러는 무선통신, 고속 디지털, A/D, 레이더, EW 등 다양한 애플리케이션 영역에 채용할 수 있다. 한 예로 최근 LTE/LTE-A 4×4 MIMO에 해당하는 측정물의 경우, 벤치탑으로 하게 되면 송신기/신호발생기 4개, 스펙트럼 애널라이즈 4개, 모두 8개로 큰 공간을 차지하지만 모듈러는 콤팩트하게 구성할 수 있다. 

키사이트 솔루션의 경우는 시뮬레이션 툴부터 실질적으로 신호를 측정하고 분석할 수 있는 측정 하드웨어 장비 및 소프트웨어까지 다 구성되어 있어 쓰루풋 테스트를 간편하게 할 수 있다.

또한, 시장과 소비자 요구가 바뀜에 따라 소재의 복잡성은 더욱 증가하고 있다. 예를 들어 PA와 Duplexer가 합쳐져 PAD가 되고 단자는 4개로 늘어난다. 

소자의 복잡성에 따라 단자 수는 더욱 많아지고 안테나 또한 계속 추가될 것이다. 최근 고밀도 형태로 구성된 소자들을 보면 증폭기, 듀플렉스, 스위치 등이 모두 들어간 단자가 많다. 휴대폰의 경우 단자들이 LTE 방식에만 보통 7~8개 있다. 이런 경우 모듈러 형태로 접목하게 되면 쉽게 측정할 수 있다.

또 다른 예로 RFIC 송·수신기 측정이다. RFIC는 칩으로 아주 작게 IC화가 되어 있어, 이것을 측정하기 위해서는 신호를 주고 반응을 봐야 한다. 여기에 디지털 신호를 발생하는 M9252A DigRF 형태로 제공하는 카드가 있다. 

이곳에서 신호 입력을 하면 신호가 변환되고 RF 신호가 신호 분석기로 들어가서 화면상으로 신호의 품질 상태를 보여주게 된다. Rx 수신 쪽은 Rx 신호를 발생해서 안테나에 신호를 넣어주면 분석된다.

그림 3. ‌8×8 MIMO의 경우, 측정을 위한 벤치탑은 7.5피트의 높이가 되지 만, 모듈러는 3분의 1인 2.5피트로 크게 줄일 수 있다.

5G 연구에도 적용될 수 있다. 5G로 가게 되면 전송되는 데이터의 형태들도 많아지게 된다. 그래서 MIMO라든지, 다중 안테나를 사용한다든지, 빔형성(Beamforming)이라고 해서 특정한 입력에 대해서만 신호를 얻는 기술이 필요하다. 

그리고 이종 주파수대역 묶음 기술(Carrier Aggregation)은 이동통신 서비스 가입을 위한 서비스업체에서 많이 사용하고 있다. 이런 기술을 측정할 수 있는 솔루션이 모듈러이다. 

그 외 RF 전력증폭기, 멀티채널 테스트, 위성 신호 모니터, 멀티채널 안테나 캘리브레이션 등 다양한 적용 사례가 있다.

정리 : 임근난 기자 (fa@hellot.net)