SA의 한 줄 trace와 IQ capture는 무엇이 다른가?

라디오 tuner를 매우 정밀하게 움직이는 그림

전통적인 swept-tuned SA는 좁은 대역의 창을 주파수축 위로 움직이며 각 위치에서 얼마만큼의 신호가 통과하는지 잰다. 현대 X-Series는 digital IF와 FFT도 사용하지만, 사용자가 이해해야 할 뼈대는 같다.

RF input → attenuator/preamp → preselector → mixer + LO → IF → RBW filter → detector/VBW → display

1. Input attenuation은 강한 신호로 mixer가 압축되거나 자체 intermodulation을 만들지 않게 한다.
2. Preselector는 관심 밖의 큰 신호와 image response를 줄인다.
3. Mixer와 LO는 보고 싶은 RF 조각을 고정된 IF 또는 digitizer 대역으로 옮긴다.
4. RBW filter는 가까운 두 성분을 얼마나 분리할지 정한다.
5. Detector는 한 display point에 들어온 여러 sample을 peak, sample, average 등으로 요약한다.
6. VBW는 검파된 trace의 변동을 저역통과시켜 보기 쉽게 하지만 RF resolution을 직접 높이지는 않는다.

좁은 RBW는 확대경이지만 공짜가 아니다

RBW 100 kHz → 10 kHz로 줄이면 일정한 spectral density의 noise가 filter에 들어오는 폭이 10분의 1이 된다. 이상적으로 marker noise power는 약 10 dB 낮아진다. 두 가까운 tone도 더 잘 분리된다. 대신 swept measurement는 filter가 settling할 시간을 기다려야 해 sweep이 길어지고, FFT 방식도 같은 해상도를 위해 더 긴 record가 필요하다.

Spectrum trace가 말해 주는 것과 숨기는 것

일반적인 SA trace는 각 주파수에서 magnitude 또는 power를 표시한다. 두 신호가 같은 magnitude spectrum을 가져도 phase 관계가 다르면 time waveform은 전혀 다를 수 있다. 단일 power trace만으로는 그 phase를 복원할 수 없다.

반면 IQ capture는 매 sample의 I[n] + jQ[n]를 저장한다. 여기에는 다음이 남아 있다.

• 순간 magnitude √(I²+Q²)
• 순간 phase atan2(Q,I)
• sample 사이 phase 증가량으로 보이는 frequency offset
• symbol transition과 modulation trajectory
• capture 시간 안의 transient와 burst 위치

따라서 같은 IQ에서 time waveform, spectrum, constellation, phase versus time, spectrogram을 다시 계산할 수 있다. 하지만 analyzer의 acquisition bandwidth 밖의 신호와 capture 이전 analog distortion은 되돌릴 수 없다.

같은 QPSK가 네 가지 화면에서 어떻게 이어질까?

Constellation의 한 점을 선택하면 그 symbol time과 IQ sample, FFT에 기여한 record가 linked view에서 함께 강조되어야 한다. constellation 한 점이 FFT bin 하나와 일대일 대응하는 것은 아니다. FFT는 window 안의 모든 sample의 합성이다.

시나리오: carrier와 작은 spur, QPSK burst

Signal Studio에서 QPSK burst를 만들고, generator에 작은 CW spur를 합성했다고 하자. cable 또는 PA를 지난 출력을 X-Series에 넣는다. 목표는 먼저 SA에서 spectral shape를 안전하게 찾고, 같은 대역을 IQ capture해 원인을 확인하는 것이다.

A. Spectrum Analyzer mode에서 신호를 찾는다

입력 경로를 먼저 보호한다

• PA 최대 출력, external attenuator, cable loss를 계산한다.
• Reference Level은 예상 peak보다 충분히 높게 시작한다.
• Calibrated input-referred 표시에서는 attenuation을 올려도 외부에서 들어온 carrier와 spur의 dBm은 대체로 유지된다. 반면 analyzer 내부에서 생긴 distortion spur는 mixer drive가 줄어 내려갈 수 있고, displayed noise floor는 input-referred로 올라갈 수 있다. carrier 대비 dBc 변화를 함께 보며 internal distortion과 noise를 구분한다.
• Preamp는 약한 신호의 noise figure를 개선하지만 강한 blocker가 있을 때 headroom을 줄인다.

주파수 설정

1. Center Frequency를 carrier에 둔다.
2. Span은 signal bandwidth와 양쪽 adjacent channel을 포함한다.
3. RBW는 “보고 싶은 가장 좁은 구조”보다 충분히 작게 시작하되 sweep time을 확인한다.
4. Detector는 목적에 맞춘다. CW spur 탐색에는 Peak, random noise power에는 Average/RMS 계열이 적합하다.
5. Trace Average는 변동을 줄이지만 intermittent spur를 숨길 수 있다. Max Hold와 현재 trace를 비교한다.

marker를 읽을 때 함께 저장할 설정

Center / Span / RBW / VBW / Detector / Trace type / Attenuation / Preamp / Reference Level / Amplitude correction / Input reference plane

이 중 하나가 빠지면 동일 화면 재현이 어렵다.

B. IQ Analyzer 또는 89600 VSA로 capture한다

Acquisition 조건

• Center Frequency: carrier
• Analysis Bandwidth: signal 전체와 필요한 guard를 포함
• Sample Rate: instrument가 정한 rate를 기록
• Record Length 또는 Main Time Length: burst 전체와 pre-trigger를 포함
• Trigger: free run이 아니라 burst edge/frame trigger를 우선 검토
• Input Range: clipping 없이 ADC bits를 충분히 사용

89600 VSA는 capture된 finite time record에 FFT를 적용해 spectrum을 만든다. gate를 burst 중앙에 놓으면 on-time spectrum을, burst edge에 놓으면 switching transient를 따로 볼 수 있다. capture에 보존된 bandwidth와 duration 범위 안에서는 center/span/view를 바꾸어 재분석할 수 있지만, capture 밖의 시간·주파수 정보는 생기지 않는다.

Linked Views 확인 순서

1. Time magnitude에서 burst 시작·끝과 clipping을 본다.
2. IQ time에서 DC offset과 I/Q gain imbalance를 본다.
3. Spectrum에서 carrier, occupied band, spur를 본다.
4. Constellation에서 QPSK 네 cluster의 퍼짐과 회전을 본다.
5. Phase vs time에서 일정한 기울기인지 본다. 일정한 기울기는 residual frequency offset의 전형적 표시다.

RBW와 FFT bin width를 같은 말로 쓰지 말자

FFT에서 raw bin spacing은 대략 sample rate / FFT length, 또는 1 / record length다. 하지만 window를 적용하면 한 tone이 퍼지는 main-lobe 폭과 equivalent noise bandwidth가 달라진다. 장비 UI의 “RBW”가 자동 window/overlap/FFT length를 묶어 제어할 수 있으므로 help의 정의를 확인해야 한다.

자주 발생하는 고장 모양과 확인 순서

모든 constellation point가 원을 그리며 돈다

Residual carrier frequency offset을 의심한다. phase versus time의 선형 기울기와 center frequency/reference clock을 확인한다.

spectrum은 정상인데 EVM이 나쁘다

위상 잡음, IQ imbalance, symbol timing, reference signal 설정, PA AM-PM처럼 power spectrum만으로 드러나지 않는 원인을 본다.

IQ time이 위·아래로 잘렸다

ADC clipping이다. Reference Level 또는 Input Range를 높이거나 attenuation을 늘린다. 나중에 digital scaling으로 줄여도 잃은 peak는 복구되지 않는다.

noise floor 아래 작은 spur가 RBW에 따라 사라진다

RBW를 줄이고 average/FFT length를 늘려 분리한다. 단, analyzer internal spur인지 input attenuation 변화와 termination measurement로 확인한다.

x[n] = I[n] + jQ[n],   |x[n]| = √(I[n]²+Q[n]²),   φ[n] = atan2(Q[n], I[n])

X[k] = Σₙ₌₀ᴺ⁻¹ x[n]w[n]exp(-j2πkn/N)

Δf = fs/N = 1/Trecord,   Trecord = N/fs

Pnoise ≈ N₀ + 10 log₁₀(BENBW)

Δf ≈ fs·mean(angle(x[n]x*[n−1]))/(2π)

Spectrum과 IQ의 차이를 한 표로 닫자

반드시 명시할 convention과 uncertainty

• IQ ordering: I + jQ
• positive frequency와 Q sign
• sample rate와 analysis bandwidth
• full-scale와 dBm calibration
• FFT direction, scale, window, ENBW
• one-sided 또는 two-sided spectrum
• detector와 averaging domain: linear power, voltage, log 중 무엇인지
• trigger, capture length, time gate
• analog input path의 attenuation, preamp, mixer level, amplitude correction

이 정보를 적어야 spectrum trace와 IQ 계산 결과가 왜 0.4 dB 또는 한 bin 차이 나는지 물리적으로 추적할 수 있다.