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송수신모듈 자동화 측정을 위해 송수신모듈 구성을 파악하고 송신부와 수신부에 대한 시험 구성을 한다. 그 이후에 각 송/수신부의 시험 구성에 맞게 케이블 조립체를 제작하여야 한다. 그림 1은 다채널 송수신모듈의 구성도이며 크게 송신부와 수신부로구성된다. 송신부는 전류 증폭기, 감쇠기, 고출력 증폭기가 있으며, 수신부는 하이브리드 커플러, 리미터, 저잡음 증폭기 및 감쇠기로 구성되어 있다. 공용부는 다기능 칩과 써큘레이터로 구성된다.

Fig. 1. 
Architecture of Tx/Rx module

송수신모듈을 측정하기 위한 자동화 시험장비는 송수신모듈을 장착할 수 있는 시험치구, 계측기(네트워크 분석기, 네트워크 확장유닛, 신호 발생기, 신호분석기), 스위치 매트릭스, 전원 공급 장치, 냉각장치, 스위칭 허브, 및 서버 등으로 그림 2와 같이 구성된다.

Fig. 2. 
Architecture of automated test equipment

자동화 시험장비는 다채널 송수신모듈을 자동으로 제어해서 측정할 수 있는 시험 환경을 제공하고 사용자 편의를 위해 별도의 시험 구성 변경 없이 모든 시험이 가능하도록 설계하였다. 송수신모듈과 계측기 사이의 다채널 송신 및 수신 시험 경로 설정 및 자동 측정을 위하여 스위치 매트릭스가 요구되며 그림 3과 같이 구성되어 있다. 시험 측정 정확도를 높이기 위해 일정한 온도에서 시험할 수 있도록 냉각장치를 활용했다. 사용자 중심 기반의 GUI를 자체 제작하였으며, 운용 시 모니터 크기와 관계없이 자동으로 해상도가 적용되며 직접 시험 항목 수정 및 편집을 할 수 있도록 설계하였다.

Fig. 3. 
Block diagram of switch matrix

스위치 매트릭스 송신 경로는 SPDT(Single Pole Double Throw)에 의해 송수신모듈로 입력되는 신호를 각각 생성하며, SP4T(Single Pole 4 Throw)를 통해 측정하고자 하는 송신 신호를 출력하도록 설계되었다.

고출력 송신 신호를 직접 신호분석기 및 네트워크 분석기로 체결 시 계측기가 손상될 수 있어 power attenuator를 인입하고 손실 값을 보상하여 계측기를 보호하는 기능을 갖도록 설계하였다. 수신 경로는 SP4T에 의해 입력된 신호를 각각 생성하여 SPDT를 통해 수신 신호를 출력하도록 설계되었다. 계측기의 경우 시험 항목별 SPDT를 통해 신호분석기와 신호 발생기, 네트워크 분석기와 네트워크 확장유닛, 잡음지수 측정의 경로를 선택할 수 있도록 제작하였다.

송수신모듈 자동화 측정을 진행하기 위한 준비 과정으로 그림 4와 같은 운용 절차가 필요하다. 자동화 측정 GUI 프로그램을 실행한 후 계측기(네트워크 분석기, 네트워크 확장유닛, 신호 발생기, 신호분석기) 와 전원 공급 장치 연결을 이더넷을 통해 점검하여야 한다. 점검 후 이상이 없을 시 냉각장치를 USB를 통해 연결을 확인한 후 온도를 설정하여야 한다. 일련의 과정 진행 후 각 시험 항목에 맞게 계측기 보정 작업을 마친 후 송수신모듈을 시험치구와 냉각장치에 장착하여 송수신모듈 연결 상태를 확인 후 자동화 시험을 진행한다. 계측기 보정은 4가지 과정(Power, S-parameter, Spectrum and noise calibration)을 통해 진행된다. Power calibration은 송수신모듈에 정확한 power를 인가하기 위해 power sensor를 이용하여 진행되는 보정 과정이며, S-parameter calibration은 송/수신 경로 내의 케이블, 스위치, 감쇄가 등과 같은 손실 factor 보상 및 네트워크 분석기 보정을 위한 과정이며, spectrum calibration은 불요파, 고조파, 펄스 parameter 측정 시 경로 내의 손실 factor 보상 및 신호분석기 보정을 위한 과정이며, noise calibration은 송수신모듈의 수신 잡음지수 측정을 위해 noise source를 이용한 보정 과정이다.

Fig. 4. 
Operating procedure of ATE

자동화 시험 중 송수신모듈 규격을 미충족하는 fail 항목이 발생 시 진행 여부를 확인하여 시험을 멈추거나 다른 시험 항목을 진행하도록 한다. 자동화 시험이 종료된 후에는 측정된 결과를 취합하여 최종 시험 결과 성적서를 생성하고 종료된다[4].

송수신모듈 자동화 측정 시험 항목은 표 1과 같으며 송신부와 수신부를 기준으로 분류한다. 송신부 시험 항목은 Tx power, pulse-width, duty, harmonic, gain, phase, amplitude, VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) 등이 있으며 수신부 시험 항목은 Rx P1dB, NF(Noise Figure), harmonic, gain, phase, amplitude, VSWR 등으로 구성된다[5][6].

송수신모듈 수동 측정 시 시험 항목별 시험 구성도 변경 및 채널 변경 등 많은 절차가 요구되며 측정 시간도 작업자의 능숙도 및 환경에 따라 차이가 생기는 등 비효율적인 측면이 많다. 본 논문에서 기술된 자동화 측정 방식의 경우 별도의 시험 구성 및 채널에 따른 구성 변경 없이 측정할 수 있으며 측정 시간도 수동 대비하여 단축할 수 있으며 일정한 측정 시간을 제공하는 장점이 있다.

표 1의 시험 항목을 기준으로 평균 16회 수동 측정 소요 시간의 경우 회차당 12시간 정도가 소모되는 것을 확인하였다. 이 부분을 자동화 측정으로 수행 시 16회 기준으로 측정 시 회차당 3시간 10분의 소모 시간을 확인할 수 있으며 이는 수도 대비 약 3.8배의 시간 절약의 효율성을 확인할 수 있다. 그림 5는 자동화 측정 GUI를 통한 전체 시험 시간 및 시험 항목별 소요 시간을 나타내고 있다.

Fig. 5. 
Automated measurement time

그림 6은 송신 출력, 송신 펄스폭, 송신 듀티의 수동 및 자동 측정 비교 결과를 나타내며 약 0.2dB 차이로 계측기 오차 결과 내 값으로 확인할 수 있다.

Fig. 6. 
Tx manual/automatic measurement result

그림 7은 수신 잡음지수 및 이득의 수동 및 자동 측정 비교 결과이며 잡음지수는 0.1dB 차이, 수신 이득은 0.3dB 이하로 거의 차이가 없음을 확인할 수 있다.

Fig. 7. 
Rx manual/automatic measurement result

송수신모듈 위상 및 크기 보정 알고리즘은 그림 8과 같다. 보정 전 측정된 위상 및 크기 값을 기본으로 하여 64x4 행렬로 만들어 FPGA 메모리에 LUT(Look-Up Table) 형태로 저장한다. 서버에서 GUI를 통해 위상값 1(5.625°), 크기 값 1(0.5dB)을 설정하게 되면 그 값을 받은 FPGA는 플래쉬 메모리에서 LUT로 위상값 1에 해당하는 행을 찾게 되고 위상값 1행에서 크기 값을 0~31.5dB까지 0.5dB 단위로 가변하여 측정된 데이터를 비교하게 된다. 비교된 값과 저장된 값의 차이를 비교하여 위상 오차값이 ±6°, 크기 오차값이 1dBp-p 이내이면 그 값을 입력값으로 지정하게 된다.

Fig. 8. 
Correction algorithm of phase/amplitude

그림 9는 보정 전 위상/크기 측정 데이터와 보정 후 위상/크기 측정 데이터 결과이다. 보정 전 크기 별 위상 변화의 경우 최대 55°까지 오차율이 생기며 위상별 크기의 경우 최대 9dB까지 오차율을 확인할 수 있다. 이 부분을 위상/크기 보정 알고리즘을 통해 위상 오차 ±6° 이내, 크기 오차값이 1dBp-p 이내로 만족하는 것을 확인할 수 있다[7][8].

Fig. 9. 
Phase/amplitude variation of before/after calibration, (a) Phase error by amplitude before correction, (b) Amplitude error by phase before correction, (c) Phase error by amplitude after correction, (d) Amplitude error by phase after correction