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교육용 계산 모델

장비 스터디

Keysight N9020B10 Hz to 26.5 GHz · 160 MHz analysis bandwidthFirmware A.43.4975분

SA는 입력 RF를 어떻게 한 줄의 spectrum trace로 바꿀까?

N9020B의 RF front end, superheterodyne conversion, digital IF, RBW·VBW, detector, trace와 sweep time을 연결하고 같은 신호가 설정에 따라 다르게 보이는 이유를 익힌다.

Spectrum trace는 입력 신호의 사진이 아니다. N9020B가 선택한 frequency range를 관찰하고, 각 frequency bucket을 RBW filter와 detector로 요약한 측정 결과다. 같은 RF input도 RBW, detector와 sweep time이 달라지면 trace 모양과 숫자가 달라진다.

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직관 · 무엇이 보이나?

LO가 RF 대역을 IF 창 앞으로 지나가게 만든다고 생각하자

Swept spectrum의 mental model

RF input spectrum
  → input attenuator / preselector
  → mixer × swept LO
  → fixed IF neighborhood
  → ADC / digital IF
  → RBW filter → detector bucket → VBW / trace math
  → amplitude versus RF frequency

Mixer는 입력의 모든 주파수를 한 번에 최종 trace로 바꾸지 않는다. LO를 움직이거나 digital IF에서 FFT 구간을 처리하면서, 관심 RF 성분이 IF passband 안으로 들어오는 순간을 측정한다. Frequency axis는 “어느 LO/FFT bin이 이 성분을 보았는가”, Y axis는 “그 구간에서 detector가 어떤 amplitude statistic을 남겼는가”다.

Swept spectrum signal path

같은 입력인데 RBW·VBW·detector가 trace를 왜 다르게 만드는가?

LO sweep/FFT acquisition, resolution filter, detector와 video smoothing을 한 trace에 연결합니다.

교육용 계산 모델 · 실제 장비 정확도나 compliance 판정을 대신하지 않습니다.

초기 영향 경로 · Source → DUT → Acquisition → DSP / Math → Display

  1. Source파형·전력·할당
  2. DUT전달·반사·비선형
  3. Acquisitionmixer·IF·ADC
  4. DSP / MathRBW·FFT·복소수
  5. Displaytrace·marker·grid

먼저 결과를 예측해보세요

Span과 detector를 유지하고 RBW를 100 kHz에서 10 kHz로 줄이면?

Spectrum trace는 RF 자체가 아니라 설정된 measurement 결과입니다

RBW noise estimate -104.0 dBm · auto sweep 약 7.50 ms

N9020B spectrum traceCenter 3.500 GHz, span 300 MHz의 deterministic educational trace입니다.-120-90-60-3003.3503.4253.5003.5753.650M1 -40.0 dBmFrequency · GHzPower level · dBm
RBW noise
-104.0 dBm
Trace points
1001
Detector
NORM
Sweep
7.50 ms
그래프 값을 표로 보기
Sweep 핵심 설정
항목값해석
Center / span3.500 GHz / 300 MHz관찰 frequency range
RBW100 kHz가까운 성분 분리와 noise bandwidth
VBW300 kHzDetection 뒤 trace smoothing
DetectorNORM한 display bucket을 대표하는 방식
Sweep estimate7.50 ms교육 모델; 실제 coupling은 architecture에 의존

SA가 spectrum trace를 만드는 순서

RBW는 span을 줄이지 않고, VBW는 두 RF tone을 분리하지 않습니다.

  1. PLANECoupler · pad
  2. ATTEN0–70 dB
  3. MIXERLO · preselector
  4. IFRBW · VBW
  5. ADCIQ · trigger
  6. RESULTTrace · power

지금 보이는 변화의 원인

같은 계산 state
변경
Span 300 MHz · RBW 100 kHz · VBW 300 kHz · NORM
직접 효과
RBW filter noise bandwidth와 detector bucket 대표값이 바뀝니다.
화면 결과
Noise estimate -104.0 dBm, sweep time은 약 7.50 ms입니다.
비용·한계
좁은 RBW는 분리와 noise를 개선하지만 acquisition 시간이 늘고 short burst를 놓칠 수 있습니다.

원인을 자기 말로 닫아보세요

바꾼 물리량 → 영향을 받은 stage → 화면에서 바뀐 부분 → 비용·한계 순서로 설명합니다.

먼저 예측을 맞게 고정하세요.

측정 주의 · Span, analysis bandwidth와 RBW를 같은 “대역폭”으로 읽지 마세요. 각각 관찰 범위, 순간 digitizing 폭, 분해 filter 폭입니다.

Knob를 역할별로 분리한다

설정직접 바뀌는 것화면에서 보이는 변화대가·주의
Center / span관찰 RF 구간신호가 화면 안팎으로 이동, 넓은 문맥넓은 span은 작은 feature의 point spacing을 키울 수 있음
PointsX-axis sample grid좁은 peak·notch를 놓칠 확률 감소data와 sweep/processing time 증가
RBW 감소IF noise·resolution filter 폭가까운 tone 분리, displayed noise 감소settling·sweep time 증가, burst를 놓칠 수 있음
VBW 감소detected trace의 video smoothingrandom fluctuation이 부드러워짐transient와 peak를 평균 내고 response가 느려짐
Detectorbucket statisticpeak 보존, RMS power 또는 sample 모양 변화목적과 맞지 않으면 bias 발생
Trace typesweep 간 결합Clear/write, max hold, min hold, average서로 다른 DUT state를 한 trace에 섞을 수 있음

RBW와 VBW를 같은 low-pass knob로 보지 않는다

RBW는 detector 앞에서 frequency selection과 noise bandwidth를 바꾼다. VBW는 detector 뒤의 amplitude fluctuation을 부드럽게 한다. VBW를 줄이면 두 tone의 물리적 frequency 분해능이 좋아지는 것이 아니며, RBW를 줄이면 무조건 보기 좋은 결과가 되는 것도 아니다.

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실무 조작·해석 · 무엇을 바꿀까?

무엇을 찾는지 정한 뒤 span→RBW→detector→time 순으로 조정한다

Front-panel 기본 절차

  1. 안전한 attenuation·preamp·reference level을 먼저 닫고 overload가 없는지 확인한다.
  2. Frequency에서 center/span 또는 start/stop을 정한다.
  3. 넓은 span과 auto RBW로 carrier, harmonic, 예상 밖 spur의 위치를 찾는다.
  4. 관심 구간으로 span을 줄이고 RBW를 두 신호 간격보다 충분히 좁힌다.
  5. Modulated power는 RMS/average 계열 detector, 놓치면 안 되는 intermittent spur는 positive peak와 max hold를 우선 검토한다.
  6. VBW는 trace fluctuation을 줄일 필요가 있을 때만 RBW와의 ratio를 기록하며 줄인다.
  7. Single sweep로 고정하고 marker·trace data를 acquisition state와 함께 저장한다.
  8. Attenuation 또는 RBW를 바꿔 analyzer contribution이 결과를 지배하지 않는지 교차 확인한다.

자주 쓰는 deterministic sweep sequence

*IDN?
*OPT?
ABOR
*CLS
INST:SEL SA
CONF:SAN:NDEF
INIT:CONT OFF
FREQ:CENT 3.5 GHZ
FREQ:SPAN 200 MHZ
POW:GAIN OFF
POW:ATT:AUTO OFF
POW:ATT 30 DB
DISP:WIND:TRAC:Y:RLEV 10 DBM
BAND:RES:AUTO OFF
BAND:RES 100 KHZ
BAND:VID:AUTO OFF
BAND:VID 300 KHZ
DET:TRAC1 AVER
TRAC1:TYPE WRIT
SWE:POIN 1001
TRIG:SAN:SOUR IMM
INIT:IMM
*OPC?
TRAC? TRACE1
SYST:ERR?

CONF:SAN:NDEF는 Swept SA measurement를 선택하되 measurement default를 암묵적으로 다시 적용하지 않는 form이다. 이후 frequency, amplitude, bandwidth, detector와 trace를 명시하고 query-back한다. 저장된 이전 state나 auto coupling을 암묵적으로 재사용하지 않는다.

목적별 detector·trace 선택

목적시작 detector / trace확인할 함정
CW amplitudeSample 또는 normal/positive peak, clear/writeRBW filter response와 marker interpolation
OFDM channel powerRMS/average, power integrationLog trace 평균을 linear power 평균으로 오해
Intermittent spurPositive peak + max holdMax hold 시간 동안 DUT state·temperature 변화
Noise floorRMS/average, averagingDANL, preamp, attenuation, noise marker correction
Pulsed spectrumPeak 또는 gated acquisitionSweep가 pulse와 비동기면 point별 다른 pulse를 봄
Minimum envelopeNegative peak / min holdNoise minima를 signal minimum으로 오해

Detector 이름과 허용 조합은 선택한 N9020B measurement와 firmware에서 query한다. 다른 Keysight analyzer의 enum을 그대로 복사하지 않는다.

RBW를 내렸는데 carrier power까지 내려갈 때

CW tone의 amplitude는 RBW passband 안에서 원칙적으로 크게 변하지 않아야 한다. 크게 내려간다면 다음을 확인한다.

  • Signal이 RBW filter center에 충분히 settle했는가?
  • Sweep time을 지나치게 짧게 강제했는가?
  • Burst duty 또는 hopping 때문에 measurement가 같은 event를 보지 않았는가?
  • Detector·trace averaging이 바뀌었는가?
  • Carrier가 phase noise/skirt를 포함한 wide signal이라 integrated power가 RBW 밖으로 잘렸는가?
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수식·규격 · 어떻게 검증할까?

Frequency grid, noise와 sweep time의 trade-off를 수식으로 닫자

수식 열기Linear trace frequency grid
f[k] = f_start + k·(f_stop−f_start)/(N−1),   k=0…N−1

Start/stop이 선형이고 instrument가 동일 grid를 반환한다는 조건의 식이다. Segmented, log, zero-span 또는 measurement-specific trace에는 해당 mode의 X-values를 query한다.

수식 열기RBW 변화에 따른 white-noise power
ΔP_noise ≈ 10log₁₀(RBW₂/RBW₁)

RBW를 100 kHz에서 10 kHz로 줄이면 이상적인 white-noise contribution은 약 10 dB 낮아진다. Filter noise-equivalent bandwidth, detector, averaging와 instrument DANL 때문에 실제 변화는 정확히 10 dB가 아닐 수 있다.

수식 열기두 equal tone 분리 조건의 직관
RBW ≪ |f₂−f₁|

정확한 분리 기준은 RBW filter shape factor와 필요한 amplitude accuracy에 달려 있다. N9020B 사양은 RBW별 bandwidth accuracy와 selectivity를 제공한다. 단순히 RBW = tone spacing을 충분한 조건으로 쓰지 않는다.

수식 열기Swept-filter time의 고전적 근사
T_sweep ∝ Span / RBW²

Analog swept analyzer에서 좁은 RBW가 settle하려면 sweep가 급격히 느려진다는 직관이다. N9020B의 digital IF·FFT·auto coupling은 더 복잡하므로 실제 SWE:TIME?와 *OPC? latency를 기록한다.

Power는 dBm trace를 산술 평균하지 않는다

Channel 안의 total power를 host에서 계산하려면 각 trace bucket의 dBm을 watt로 바꾸고 filter bandwidth·bin spacing에 맞춰 합산한 뒤 다시 dBm으로 변환한다. Detector output의 의미와 trace 단위가 dBm/RBW, dBm/Hz 또는 bin power인지 확인하지 않고 숫자만 더하지 않는다. 가능한 경우 N9020B의 Channel Power measurement를 사용하고 같은 설정으로 cross-check한다.

완료 전 자기 설명

  1. Center/span과 RBW는 각각 frequency axis의 무엇을 바꾸는가?
  2. VBW를 줄여도 두 가까운 tone의 분리능이 좋아지지 않는 이유는 무엇인가?
  3. Positive-peak max hold와 RMS clear/write가 같은 OFDM 신호를 다르게 표시하는 이유는 무엇인가?
  4. RBW를 10배 줄일 때 noise와 sweep time은 어떤 방향으로 움직이는가?
  5. Trace point를 선으로 연결한 화면이 continuous spectrum 측정과 같지 않은 이유는 무엇인가?

단원을 닫기 전에

같은 조건으로 설명하고 재현할 수 있나요?

완료 기준

  • RF input이 LO·mixer·IF filter·ADC·RBW·detector를 거쳐 amplitude-versus-frequency trace가 되는 경로를 설명할 수 있다.
  • Center/span, points, RBW, VBW, detector와 sweep time이 각각 무엇을 바꾸는지 예측할 수 있다.
  • 두 tone 분리, noise density, pulsed signal과 spur 탐색에 맞는 detector·trace 설정을 선택할 수 있다.

대표 bench

Source
Keysight N5182B single-tone, two-tone 또는 OFDM-like built-in waveform
DUT
50 Ω through 또는 충분히 감쇠된 PA output path
Analyzer
Keysight N9020B-526/B1X/MPB/P26 Spectrum Analyzer mode, overload 없는 front-end state

근거와 더 읽을 자료

  1. Application noteSpectrum Analysis BasicsKeysight Technologies
  2. 장비 문서X-Series Signal Analyzer Spectrum Analyzer Mode User's & Programmer's ReferenceKeysight Technologies
  3. 장비 문서N9020B MXA Signal Analyzer Specifications GuideKeysight Technologies