MWC, CES, IFA 등은 각 업종별로 라이징 애플리케이션을 선보이는 장이라는 점에서 공통점이 있다. 올해 MWC에서는 5G기술이, CES에서는 자동차 시장의 패권 싸움이 돋보였다. 로데슈바르즈는 이러한 추세에 발맞춰 5G, 자동차 전장과 같이 최근 트렌드에 걸맞은 계측기 제품을 출시해왔다. 지금부터 그 제품들을 알아본다.
최근 통신기술의 화두는 5G 시대의 도래다. 일례로 스페인 바르셀로나에서 열린 MWC 2016에서는 각국의 이통사들은 물론 네트워크 기업들 간의 5G 전환을 지원하는 최신 네트워크 기술이 돋보였다.
또 자동차 전장시장의 성장이 눈에 띤다. 1월에 열린 CES 2016이 그 예이다. 올해 CES는 자동차 업계의 패권 경쟁의 본격적인 무대가 됐다는 평을 받고 있다. 특히 삼성전자와 BMW, LG전자와 폭스바겐이 스마트홈과 자동차를 연결하는 협력을 발표하는 등 자동차와 전자제품이 하나의 산업으로 묶이는 흐름이 뚜렷하게 나타났다.
따라서 이 글에서는 5G, 자동차 전장 등 최신 트렌드에 발맞춘 로데슈바르즈(이하, R&S)의 계측기기를 알아본다.
5G 시대를 위한 R&S의 신호발생기와 분석기
통신기술은 RF 기술의 접목을 통한 다양한 애플리케이션을 활용하는 추세이다. 이런 상황은 더 많은 데이터를 더 정확하고 빠르게 전달하기 위한 요구와 맞물리게 되어, 이를 위한 기술의 개발 또한 가속화되고 있다.
하지만, 상용 주파수 대역으로 많이 이용되고 있는 6GHz 이하의 주파수 대역은 이미 포화 상태에 가까워 졌으며, 서로 인접되어서 사용됨에 따라 최신 기술을 반영할 수 있는 넓은 대역폭을 지원하기에는 제한적이다.
이에 넓은 대역폭 확보가 가능하여 데이터 전송을 한 번에 많이 할 수 있으면서도 다른 신호에 의해 전파 간섭도 적게 받는 X밴드, Ku 밴드, K 밴드, ka 밴드 이상으로 주파수 영역을 확장하려는 시도가 계속되고 있고, 이를 위한 높은 주파수 대역에 대한 기술 및 측정에 대한 요구가 늘어 가고 있다.
그 대표적인 예가 4세대(4G) 통신 방식인 Long Term Evolution(LTE) 기술의 뒤를 잇는 5세대(5G) 기술에 대한 연구 개발과 Automotive 영역에서의 Radar(RF 신호를 이용하여 거리를 탐지하고 속도를 감지하기 위한 기술이 접목)를 이용한 주행 안전 기술들이 될 것이다. 이와 같은 다양한 기술들은 높은 주파수 대역에서 개발이 이루어지고, 이미 상용화된 기술들도 있다.
이 중, 5세대 통신(5G 통신)은 전 세계의 많은 연구 기관 및 조사 기관들에 의해 콘셉트 및 연관기술에 대한 논의가 이어지고 있다. 하지만, 아직까지는 5G를 위한 기술 컨셉 및 주파수 등 기술적인 요구사항이 명확하게 나온 것은 없다.
그러나 기본적으로 High Capacity(넓은 영역 cover)와 High 데이터 Rate(대용량 전송)를 위해 더 넓은 대역폭을 활용해야 한다는 것은 명확하게 언급되고 있다. 이와 같은 넓은 대역폭을 확보하기 위해서는 위에서 언급된 것처럼 이미 포화가 된 6GHz 이하의 주파수보다 높은 주파수가 유리하기 때문에, 5G에서는 높은 주파수 대역을 이용하게 될 것이라 예측된다.
이런 예상들을 보면, 주파수 대역은 6GHz 이상 ~ 90GHz, 대역폭(bandwidth)은 500MHz ~ 2GHz가 고려되고 있는 것을 볼 수 있다. 여기에 새로운 무선 접속 기술(Air Interface)들이 고려되고 있으며, Massive MIMO 및 Beamforming과 같은 Advanced Antenna 기술 또한 적용이 될 것으로 예상된다(그림 1).
▲ 그림 1. 5G에서는 높은 주파수 대역을 이용하게 될 것으로 보인다
Automotive 영역에서도 더 짧은 거리 측정과 보다 안전한 주행을 돕기 위해서 더 넓은 대역폭의 사용이 요구되며, 그에 따라 넓게는 2GHz이상의 넓은 대역폭이 요구되고 있으며, 이를 위해서 77GHz/79GHz 등과 같은 높은 주파수를 사용하고 있다.
1. 5G 모바일 네트워크에 대해서
(1) 5G 무선 인터페이스로 고려되는 4종의 기술
현재 LTE/LTE-Advanced Network에서는 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)라고 불리는 기술을 기반기술로 사용하고 있다. Downlink에서는 OFDMA(OFDM Access) 방식으로, Uplink에서는 SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 방식으로 각각 다르게 적용된다.
이 두 가지 모두 Multi-carrier 전송 기술을 기본으로 적용하여 많은 데이터를 효율적으로 처리할 수 있는 장점이 있다. 반면에, 좁은 간격으로 구성되어 있는 Multi-carrier로 인해 frequency & Carrier offset과 같은 영향에 매우 민감하며, 높은 PAPR(peak to average power Ratio)을 처리해야 하는 기술적인 문제도 존재한다.
LTE 기술에서는 Frequency & carrier Offset으로 인한 영향을 최소화하기 위해서, Synchronization signal 및 Reference signal을 주기적으로 일정한 Pattern Symbol에 담아 전송하고 있다.
이 외에도 데이터 전송 중 발생하는 Delay로 인해 야기되는 Inter-symbol Interference(ISI)와 이로 인한 데이터 손실을 막기 위해 Symbol들 사이에 Cyclic Prefix(CP)를 설정하여 데이터를 전송하게 된다.
이런 문제들은 OFDM 기반 기술을 적용할 때 발생할 수 있는 현상들로서 5G Mobile Network에서는 이들을 극복할 수 있는 여러 다른 기술들을 고려하고 있다. 현재 고려되고 논의 되고 있는 기술들은 아래와 같다(그림 2).
▲ 그림 2. 5G 무선 인터페이스로 고려되는 4종의 기술
• UFMC : Universal Filtered Multi-Carrier
• f-OFDM : Filter-Bank OFDM
• FBMC : Filter-Bank Multi Carrier
• GFDM : Generalized Frequency Division Multiplexing
이들 기술 외에 추가적으로 SCMA(Sparse Code Multiple Access), NOMA(Non-orthogonal Multiple Access) 및 RSMA(Resource Spread Multiple Access) 등도 연구 및 논의 되고 있다.
현재 5G 통신 기술에 위 나열된 기술 중 어떤 것이 적용될 지는 결정되지 않았다. 그러나 여러 연구 개발 기관에서 위 기술을 적용하여, 테스트의 결과 및 구체적인 적용 방식 등을 포함한 제안서들이 ITU(International Telecommunication Union) 내 IMT-2020 그룹에 제출되고 있으며, 이를 검토하여 5G 통신기술의 구체적인 Specification이 나올 것으로 예상된다.
R&S는 SMW200A 신호발생기를 통해, 5G 기술에 적용될 것으로 예상되는 주요 기술인 GFDM, FBMC, UFMC 및 f-OFDM의 신호를 생성할 수 있다. SMW200A 신호발생기에서는 Carrier 개수, Carrier 별 간격 및 Filtering Type 등을 다양하게 적용한 여러 가지 신호들을 생성할 수 있으며, 필요한 여러 가지 Modulation scheme도 선택하여 적용할 수 있다. 이렇게 생성된 신호는 5G 통신 기술의 구현을 위해 필요한 Filter, Power Amplifier 등의 소자 시험에 유용하게 활용이 가능하다.
Power Amplifier등을 통과한 이후의 특성 확인에는 R&S FSW 신호 분석기와 R&S FS-K196 5G Air Interface Candidate Analysis 측정 Software를 통해서 EVM, Frequency Error 등의 품질 확인이 가능하다.
(2) 고주파수의 광대역 신호 분석을 위한 R&S 솔루션
앞서 언급한 것처럼 5G 및 Automotive System을 위해 Wide Band 신호를 높은 주파수에서 생성하여, Receiver 신호를 낮은 레벨에서 얼마나 잘 받을 수 있는지에 대한 Sensitivity 확인이 가능해야 한다. 또한 Transmitter에서 높은 주파수에서 Wideband 로 전송하는 신호의 RF 및 IQ 특성에 대한 측정이 필요하다.
이와 같은 시장 동향에 맞추어서 R&S 에서는 아래와 같은 5G를 포함한 높은 주파수에서 구현되는 Wideband 에 대한 테스트 솔루션을 제공하고 있다.
▶ 신호분석(R&S FSW spectrum & signal analyzer + R&S RTO Oscilloscope)
• R&S의 FSW는 85GHz의 주파수까지 측정할 수 있는 유일한 단일 제품 측정기이다. 기존에는 신호 분석기에 Harmonic Mixer를 연결해서 측정을 해야 했는데, 이렇게 되면, Image Frequency등의 Mixer 자체의 특성으로 측정 가능한 Bandwidth의 한계가 나타나게 된다.
또한 여러 대역에서 발생하는 불요파 제거를 위해 부가적인 작업을 더 해야만 한다. 이런 문제들은 단일 장비로 측정 시 발생하지 않는 문제로서 R&S의 FSW 측정기를 통해 더 낮은 Noise Level까지 정확하게 측정이 가능하다.
• FSW 신호분석기는 512MHz Bandwidth 신호의 복조 및 분석이 가능하며, R&S RTO 오실로스코프와 연동 시 최대 2GHz Bandwidth까지 측정이 가능하다.
• 5G 통신에 적용될 기술에 대한 복조 분석을 위해 R&S FSW와 FS-K196 Air Interface Candidate Analysis software를 연동하여, GFMD, UFMC 기반으로 생성된 신호의 분석이 가능하다.
• FSW 신호분석기는 FSW-K60C Software를 통해 Automotive Radar 기술에서 주로 사용되는 광대역 FMCW 신호 분석 기능을 지원할 수 있다.
▶ 신호발생(R&S SMW200A Vector Signal Generator)
• R&S SMW200A Vector Signal Generator는 2개의 RF Path로 최대 20GHz까지 신호 생성이 가능하며,
1개의 RF Path로는 최대 40GHz까지 신호 생성이 가능하다.
• R&S SMW200A를 통해서, 최대 2GHz Bandwidth의 신호를 Flat하게 생성이 가능하여, Wideband 신호 생성을 위한 최적의 솔루션이 된다.
• R&S SMW200A를 통해서 기존 이동통신 Standard인 2G/3G 및 4G 뿐만 아니라 5G 후보 기술인 UFMC, GFMC, FBMC, f-OFDM 기술이 적용된 신호의 생성이 가능하다.
위에서 언급된 R&S FSW, SMW200A, RTO와 연동하여 아래와 같이 Test Setup을 Compact하게 갖출 수 있으며, 이를 통해서 5G Mobile Network, Automotive와 같이 높은 주파수에서 넓은 대역폭을 요구하는 애플리케이션에 최적화 된 솔루션이다(그림 3).
R&S 휴대용 오실로스코프 Scope Rider, 지난 1월 출시
휴대용 오실로스코프는 전기 분야의 산업 현장에서 간단한 파형 분석을 위한 도구로 널리 사용되어 왔으며, 최초의 휴대용 오실로스코프는 멀티미터의 기능에 일부 디버깅 기능이 합쳐진 형태로 개발됐다.
이후 현재까지의 휴대용 오실로스코프는 오래된 시그널 프로세싱과 사용자 인터페이스를 기반으로 한 제한된 성능 및 기능으로 인해 임베디드 시스템, 건물 자동화 전기 설치, 설비 유지보수 등 다양한 산업 현장에서 전기 산업 엔지니어들의 요구를 충족시키기에 부족한 부분이 많았다.
이와 같은 엔지니어들의 다양한 요구를 충족시키기 위해 R&S는 강력한 성능의 휴대용 오실로스코프 ‘스코프 라이더(R&S®Scope Rider)’를 지난 1월 4일 출시했다(사진 1).
▲ 사진 1. 올 1월 출시한 휴대용 오실로스코프 ‘스코프 라이더’
1. R&S 휴대용 오실로스코프 스코프 라이더
새롭게 디자인된 R&S 휴대용 오실로스코프 스코프 라이더는 제품 개발, 디버깅용으로 사용될 수 있는 강력한 성능과 더불어 산업 현장에서도 쉽게 휴대하여 사용할 수 있도록 가볍고 견고하게 제작됐다.
매우 쉬운 사용자 유저 인터페이스와 편리한 터치 디스플레이 기능을 제공하여 장비를 처음 접하는 사람들도 쉽게 사용할 수 있다.
R&S 스코프 라이더는 다양한 기능을 통해 전기 산업 분야의 설치 및 유지 보수 업무뿐만 아니라 R&D 연구소의 다양한 어플리케이션에 적용할 수 있다. R&S 스코프 라이더는 여러 국가의 사용자들을 위해 영어, 한글을 비롯하여 13개 언어를 지원한다.
2. R&S 스코프 라이더 제품군
R&S 스코프 라이더는 아날로그 신호 입력을 기준으로 4채널/2채널 모델로 구성되어 있다. 4채널 모델은 4개의 아날로그 신호 입력 채널을 지원하며, 2채널 모델은 2개의 아날로그 신호 입력 채널과 독립된 멀티미터 기능을 동시에 지원한다. 또 60MHz, 100MHz, 200MHz, 350MHz, 500MHz의 주파수 대역폭 별로 2채널/4채널의 제품을 제공한다.
3. R&S 스코프 라이더 프로모션 진행 중
R&S 휴대용 오실로스코프 출시를 기념하여 6월 30일까지 휴대용 오실로스코프를 구매하면 아래 옵션을 무상으로 제공한다.
(1) 4채널 휴대용 오실로스코프 구매 고객에게 제공하는 옵션
• 8채널 로직 분석 옵션(RTH-B1)
• I2C/SPI 시리얼 프로토콜 트리거/디코딩(RTH-K1)
• UART/RS-232 시리얼 프로토콜 트리거/디코딩(RTH-K2)
• 추가 트리거 기능(RTH-K19)
(2) 디지털 멀티미터 기능이 내장된 2채널 휴대용 오실로스코프 구매 고객에게 제공하는 옵션
• 무선 랜(RTH-K200)
• 웹 인터페이스 리모트 컨트롤(RTH-K201)
• 운반용 하드 보호 케이스(RTH-Z4)
• 교환용 추가 배터리(HA-Z306)
• 차량용 어뎁터(HA-Z302)
• 리튬이온 배터리 충전기(HA-Z303)
• 멀티미터 리드선 연장 세트(RT-ZA21)
R&S의 오실로스코프 포트폴리오는?
R&S의 디지털 오실로스코프 시리즈는 휴대용 오실로스코프인 스코프 라이더를 비롯하여 50MHz부터 4GHz까지의 대역폭과 최대 20Gsa/s 샘플링 레이트의 2채널과 4채널 모델로 이루어져 있다(그림 A). 최신 기술이 집약된 RTO/RTE는 자체 기술로 만든 단일코어 ADC(Analog to Digital Converter)를 탑재함으로써 장비의 노이즈 레벨을 최대한 낮추어, 최소 500µV/div의 전압 Division과 최대 16Bit Vertical High Resolution을 지원한다.
현존하는 오실로스코프 중에서 가장 빠른 초당 1백만 번의 파형 업데이트 성능과 저장된 파형을 재생할 수 있는 히스토리 기능을 지원함으로써 빠르게 변화하는 신호를 쉽게 획득하고 분석할 수 있으며, 혁신적인 디지털 트리거 기술로 아날로그 트리거에서 발생하는 지터의 문제를 해결할 수 있다. 또 차세대 FFT 기술을 적용하여 EMI 신호 분석을 보다 쉽게 할 수 있으며, 터치스크린 기반의 직관적인 사용자 인터페이스를 제공한다.
김현종 차장, 유승근 대리 _ 로데슈바르즈 코리아
