파형 생성 자습서

이 단원에서는 다양한 파형 유형 및 계측기 작동 모드의 작동 정보 이론에 대해 설명합니다. 마지막 두 항목에는 신호 품질을 개선하는 데 도움이 되는 정보가 포함되어 있습니다.

임의 파형

계측기의 표준 파형으로는 충족되지 않는 요구를 임의 파형으로 충족할 수 있습니다. 예를 들어 고유한 자극이 필요하거나 오버슈트, 링잉, 글리치 또는 노이즈와 같은 신호 결함을 시뮬레이션하고자 하는 경우가 해당됩니다. 임의 파형은 매우 복잡하게 만들 수 있으므로 최신 통신 시스템의 신호를 시뮬레이션하는 데 적합합니다.

최소 8포인트(33500 시리즈) 또는 32포인트(33600 시리즈)에서 최대 1,000,000포인트까지 포함된 임의 파형을 생성할 수 있습니다. 계측기는 "샘플"이라고 하는 이러한 수치 데이터 포인트를 메모리에 저장한 다음 파형이 생성될 때 전압으로 변환합니다. 포인트가 판독되는 주파수는 "샘플링 속도"이며 파형 주파수는 샘플링 속도를 파형의 포인트 수로 나눈 값과 같습니다. 예를 들어 파형에 40개 포인트가 있고 샘플링 속도가 10MHz라고 가정하면, 주파수는 (10MHz)/40 = 250MHz가 되고 주기는 4µs가 됩니다.

듀얼 임의 파형

임의 파형은 신호 채널 파형일 수도 있고, 옵션인 IQP를 사용하는 경우에는 IQ 베이스밴드 신호와 같은 듀얼 채널 임의 파형일 수도 있습니다. 듀얼 임의 파형은 스테레오 음악 파일과 동일합니다. 즉, 같은 샘플 수를 포함하고 항상 함께 시작 및 종료되며 항상 같은 샘플링 속도로 재생되는 두 개의 정보 채널을 포함합니다.

SCPI FUNCtion 하위 시스템의 명령 또는 전면 패널을 통해 듀얼 임의 파형의 채널 간 스큐 및 밸런스를 제어할 수 있습니다.

파형 필터

계측기에는 임의 파형 생성 시 포인트 간의 전환을 부드럽게 하는 필터가 두 개 포함되어 있습니다.

각 필터의 컷오프 주파수는 파형 샘플링 속도의 고정 비율입니다. 일반 필터의 응답은 샘플링 속도의 27%에서 -3dB이며, 스텝 필터의 응답은 샘플링 속도의 13%에서 -3dB입니다. 예를 들어 100MSa/s로 임의 파형을 재생하는 경우 일반 필터의 -3dB 주파수 대역폭은 27MHz입니다.

필터를 끄기 전의 샘플링 속도가 250MSa/s보다 컸다면 필터를 끈 후 샘플링 속도가 더 낮은 속도로 변경될 수도 있습니다.

파형 시퀀싱 적용

생성하려는 파형이 다음과 같은 두 가지 경우에 해당하면 임의 파형 시퀀스가 유용합니다.

첫 번째 경우에 해당하는 한 예로, 동일한 도입부 파형이 여러 번 재생된 후에 세 가지 다른 파형이 각각 한 번씩 재생된 다음 첫 번째 파형이 계속해서 재생되는 신호를 살펴보겠습니다. 이 신호는 "유휴" 신호, 헤더, 일부 데이터, 체크섬 및 "유휴" 신호로의 복귀로 구성된 시뮬레이션 모뎀 데이터 패킷일 수 있습니다.

이 경우 다음과 같은 시퀀스 설명을 사용할 수 있습니다.

  1. "idle.arb"를 10번 재생
  2. "header.arb"를 한 번 재생합니다.
  3. "data.arb"를 한 번 재생합니다.
  4. "checksum.arb"를 한 번 재생합니다.
  5. "idle.arb"를 무한 반복 재생합니다.

두 번째 경우 외부 하드웨어 트리거를 사용하여 "header.arb" 전송을 시작할 수도 있습니다. 이 경우에는 다음과 같은 설명을 사용할 수 있습니다.

  1. 트리거가 수신될 때까지 "idle.arb"를 반복 재생
  2. "header.arb"를 한 번 재생합니다.
  3. "data.arb"를 한 번 재생합니다.
  4. "checksum.arb"를 한 번 재생합니다.
  5. "idle.arb"를 무한 반복 재생합니다.

시퀀스 파일(*.seq)에는 번호가 지정된 정보 목록이 포함되고, 임의 파형 파일(*.arb)에는 개별 파형이 포함됩니다.

파형 시퀀싱 구현

계측기는 길고 복잡한 임의 파형 시퀀스(세그먼트)를 조합할 수 있습니다. 세그먼트 사이의 전환은 실시간으로 중단 없이 일어납니다. 유사한 예를 들면 세그먼트를 음악 재생기의 노래로, 시퀀스를 재생 목록으로 생각할 수 있습니다.

각 시퀀스 단계에서 세그먼트와 그 재생 횟수를 지정합니다. 또한 시퀀스를 다음 단계로 진행하기 전에 트리거를 기다릴 것인지 여부와 단계별 동기 신호의 생성 방식을 지정합니다.

각 세그먼트에 대해 다음을 수행할 수 있습니다.

동기 신호 생성용으로 사용할 수 있는 옵션은 다음과 같습니다.

트리거에서 시퀀스를 시작하려면 간단한 DC 파형 0V(또는 기타 원하는 값)를 시퀀스의 다른 파형 앞에 배치하고, 계속 진행하기 전에 트리거를 대기하도록 세그먼트를 설정합니다. 최소 세그먼트 길이는 8Sa(33500 시리즈 계측기) 또는 32Sa(33600 시리즈 계측기)입니다.

트리거가 수신될 때까지 세그먼트를 반복하도록 설정한 경우 세그먼트가 항상 다음 세그먼트로 진행되기 전에 종료됩니다. 또한 짧은 세그먼트를 추가 주기 동안 반복함으로써 계속 진행하기 전에 시퀀스 샘플 버퍼를 지울 수도 있습니다.

유사 가우스 노이즈

노이즈 파형은 양적 및 질적 통계 속성용으로 최적화됩니다. 이 파형은 50년 이상의 연속 작동 동안 반복되지 않습니다. 실제 가우스 분포와 달리 계측기의 Vpp 설정 범위를 벗어나는 전압이 나올 확률은 없습니다. 파고율(피크 전압을 RMS 전압으로 나눈 값)은 약 4.6입니다.

노이즈 대역폭은 1mHz에서 계측기의 최대 대역폭까지 변화시킬 수 있습니다. 노이즈 신호의 에너지는 DC에서 선택한 대역폭까지의 대역에 집중되므로, 대역폭 설정이 낮을 경우 관심 대역 내에서 신호가 더 높은 스펙트럼 밀도를 가집니다. 예를 들어 오디오 작업에서 대역폭을 30kHz로 설정하면 대역폭을 30MHz로 설정했을 때보다 오디오 대역 신호 강도를 30dB 더 높일 수 있습니다.

PRBS

PRBS(Pseudo-Random Bit Sequence)는 두 가지 레벨(하이 및 로우)을 포함하며 시퀀스 생성 알고리즘을 모르는 경우에는 예상하기 어려운 형식으로 두 레벨 간에 전환됩니다. PRBS는 아래에 나와 있는 것처럼 LFSR(Linear-Feedback Shift Register)에 의해 생성됩니다.


PRBS 다이어그램

LFSR은 포함된 단계 수와 피드백 네트워크 내의 XOR(배타적 논리합) 게이트에 피드할 단계("탭")에 의해 지정됩니다. PRBS 출력은 최종 단계에서 획득됩니다. 탭을 적절히 선택하면 L-단계 LFSR에서 길이 2L-1의 반복 PRBS를 생성합니다. LFSR의 클럭 주파수에 따라 PRBS의 "비트 레이트"가 결정됩니다.

33500 시리즈 모델에서는 L을 7, 9, 11, 15, 20 또는 23으로 설정하여 길이가 127비트 ~ 8,388,607비트인 시퀀스를 만들 수 있습니다.

33600 시리즈 모델에서는 L을 3 ~ 32 사이의 정수값으로 설정하여 길이가 7비트 ~ 4,294,967,295비트인 시퀀스를 만들 수 있습니다.

L의 기본값인 7을 설정하면 길이가 127비트인 시퀀스가 만들어집니다.

변조

진폭 변조(AM)

계측기에서는 다음 두 가지 형태의 AM을 구현합니다.

주파수 변조(FM)

주파수 변조는 변조 신호에 따라 반송파 신호의 주파수를 변화시킵니다.

y(t)=Ac•sin[(ωc+d•m(t) )•t]

여기서 m(t)은 변조 신호이고 d는 주파수 편차입니다. 편차가 변조 신호 대역폭의 1% 미만인 FM은 협대역, 그 이외의 FM은 광대역입니다. 다음 방정식을 사용하여 변조되는 신호의 대역폭을 대략적으로 계산할 수 있습니다.

협대역 FM의 경우 BW ≈ 2•(변조 신호 대역폭)

광대역 FM의 경우 BW ≈ 2•(편차+변조 신호 대역폭)

아래의 상단 추적은 변조 신호를 나타내고 하단 추적은 변조된 반송파를 나타냅니다.



위상 변조(PM)

PM은 FM과 유사하지만 주파수가 아닌 반송파의 위상이 변화한다는 점이 다릅니다.

y(t)=sin[ωc t+d•m(t) ]

여기서 m(t)은 변조 신호이고 d는 위상 편차입니다.

FSK(주파수 편이) 변조

FSK는 FM와 유사하지만 반송파 주파수가 두 가지 사전 설정 값인 반송파 주파수와 홉 주파수로 서로 전환된다는 점이 다릅니다. 경우에 따라 홉 주파수와 반송파 주파수를 "마크" 및 "공백"이라고도 합니다. 이러한 값 간의 전환 속도는 내장 타이머 또는 후면 패널 Ext Trig 커넥터의 신호에 따라 결정됩니다. 주파수 변경은 즉각적이며 위상 연속적입니다.

내부 변조 신호는 듀티 사이클 50%의 사각 파형입니다.

아래의 상단 추적은 변조 신호를 나타내고 하단 추적은 변조된 반송파를 나타냅니다.

BPSK(Binary Phase Shift Keying, 이진 위상 편이 변조)

BPSK는 FSK와 유사하지만 주파수가 아니라 반송파의 위상이 두 값 사이로 전환된다는 점이 다릅니다. 이러한 값 간의 전환 속도는 내장 타이머 또는 후면 패널 Ext Trig 커넥터의 신호에 따라 결정됩니다. 위상 변경은 즉각적입니다.

내부 변조 신호는 듀티 사이클 50%의 사각 파형입니다.

펄스 폭 변조(PWM)

PWM은 펄스 파형에서만 사용 가능하며 펄스 폭은 변조 신호에 따라 변경됩니다. 펄스 폭이 변경되는 양을 폭 편차라고 하며, 파형 주기의 백분율(즉, 듀티 사이클) 또는 시간 단위로 지정할 수 있습니다. 예를 들어 듀티 사이클 20%의 펄스를 지정하고 편차 5%의 PWM을 활성화하면 듀티 사이클이 변조 신호의 제어 하에 15%에서 25%까지 변화합니다.

총량 변조(Sum)

"Sum" 기능은 변조 신호를 반송파에 합산합니다. 예를 들어, 신호에 제어 가능한 양의 가변 대역폭 노이즈를 추가하거나 두 가지 톤의 신호를 만들 수 있습니다. 계측기에 포함된 내장 변조 발생기는 동일한 연속 파형을 기본 발생기로 생성할 수 있으므로, 이전까지는 계측기 두 대가 필요했던 다수의 신호를 Sum 기능을 사용하여 만들 수 있습니다.

Sum 기능은 출력 신호의 진폭을 변조 신호의 진폭에 따라 증가시킵니다. 이로 인해 계측기가 더 높은 출력 전압 범위로 전환되어 일시적인 신호 손실이 일어날 수 있습니다. 이러한 현상이 적용 분야에서 문제가 될 경우 범위 유지 기능을 켜십시오. 전압이 상승되어 테스트 대상 장치가 손상될 수 있는 경우 전압 한계치를 적용하십시오.

버스트

버스트라는 지정된 주기 수의 파형을 출력하도록 계측기를 구성할 수 있습니다. 버스트는 N 사이클 버스트("트리거 버스트"라고도 함) 또는 게이트 버스트의 두 가지 모드 중 하나에서 사용할 수 있습니다.

N 사이클 버스트는 특정 개수의 파형 주기(1 ~ 1,000,000)로 구성되며, 항상 트리거 이벤트에 의해 시작됩니다. 또한 버스트 카운트를 "무한"으로 설정하여 계측기가 트리거되면 연속 파형이 생성되도록 할 수도 있습니다.

아래 이미지에서 상단 트레이스는 동기 출력이고 하단 트레이스는 메인 출력입니다.

3 사이클 버스트 파형

버스트의 경우 트리거 소스는 외부 신호, 내장 타이머, 키 또는 원격 인터페이스에서 수신한 명령일 수 있습니다. 외부 트리거 신호의 입력은 후면 패널 Ext Trig 커넥터입니다. 이 커넥터는 플로팅 접지가 아닌 섀시 접지를 기준으로 합니다. Ext Trig 커넥터를 입력으로 사용하지 않을 때 출력으로 구성하면 계측기에서 내부 트리거가 발생하는 동시에 다른 계측기를 트리거할 수 있습니다.

N 사이클 버스트는 항상 시작 위상이라는 파형 내의 동일 포인트에서 시작 및 종료됩니다.

GATed 버스트 모드에서는 후면 패널 Ext Trig 커넥터의 신호에 따라 출력 파형이 켜지거나 꺼집니다. BURSt:GATE:POLarity를 사용하여 이 신호의 극성을 선택합니다. 게이트 신호가 참이면 계측기에서 연속 파형을 출력합니다. 게이트 신호가 거짓이 되면 현재 파형 사이클이 완료된 다음 계측기가 파형 시작 버스트 위상에 해당하는 전압 레벨을 유지하면서 정지됩니다. 노이즈 파형의 경우 게이트 신호가 거짓이 되면 출력이 즉시 정지됩니다.

주파수 스위프

주파수 스위프는 FM과 유사하지만 변조 파형이 사용되지 않습니다. 대신, 계측기가 선형 또는 로그 함수 중 하나, 또는 최대 128개의 사용자 정의 주파수 목록을 기준으로 출력 주파수를 설정합니다. 선형 스위프에서는 출력 주파수가 초당 Hz에 해당하는 상수로 변경되며 로그 스위프에서는 주파수가 초당 데케이드에 해당하는 상수로 변경됩니다. 로그 스위프를 사용하면 선형 스위프에서 저주파 대역의 분해능이 손실될 수 있는 폭넓은 주파수 범위에 대응할 수 있습니다.

주파수 스위프의 특성은 스위프 시간(주파수가 시작 주파수에서 정지 주파수로 완만하게 변경되는 기간), 홀드 시간(주파수가 정지 주파수로 유지되는 기간), 복귀 시간(주파수가 시작 주파수로 완만한 선형을 이루며 복귀하는 기간)으로 지정됩니다. 트리거 설정에 따라 다음 스위프의 시작 시기가 결정됩니다.

주파수 스위프 다이어그램

AC 신호의 특성

가장 일반적인 AC 신호는 사인 파형입니다. 실제로, 모든 주기적 신호는 여러 사인 파형의 합으로 나타낼 수 있습니다. 사인 파형의 진폭은 일반적으로 피크, 피크 대 피크 또는 RMS(Root-Mean-Square) 값으로 지정됩니다. 이러한 모든 측정값은 파형의 오프셋 전압이 0인 것으로 가정합니다.

사인 파형 RMS 그림

파형의 피크 전압은 모든 포인트의 최대 절대값입니다. 피크 대 피크 전압은 최대값과 최소값의 차이입니다. RMS 전압은 모든 파형 포인트의 표준 편차와 같으며, 신호에 포함된 1 사이클 평균 출력에서 신호의 DC 성분 내 출력을 뺀 값을 나타내기도 합니다. 파고율은 RMS 값에 대한 신호의 피크 값 비율이며, 파형 형태에 따라 변화합니다. 아래 표에 몇 가지 일반적인 파형과 각각의 파고율, RMS 값이 나와 있습니다.

파고율 표

파형의 "DC 전압"을 측정하는 데 평균 판독 전압계를 사용하는 경우 판독값이 DC 오프셋 설정과 일치하지 않을 수 있습니다. 이는 파형에서 DC 오프셋에 추가되는 0 이외의 평균 값이 존재할 수 있기 때문입니다.

경우에 따라 AC 레벨이 "1mW 대비 데시벨"(dBm)로 지정되는 경우도 있습니다. dBm은 출력 레벨을 나타내므로 계산을 완료하려면 신호의 RMS 전압과 로드 저항을 알아야 합니다.

dBm = 10 x log10 (P / 0.001) 여기서 P = VRMS2/RL

50Ω 로드로 입력되는 사인 파형의 경우 아래 표에 dBm 대 전압 관계가 나와 있습니다.

dBm RMS 전압 피크 대 피크 전압
+23.98dBm 3.54Vrms 10.00Vpp
+13.01dBm 1.00Vrms 2.828Vpp
+10.00dBm 707mVrms 2.000Vpp
+6.99dBm 500mVrms 1.414Vpp
3.98dBm 354mVrms 1.000Vpp
0.00dBm 224mVrms 632mVpp
-6.99dBm 100mVrms 283mVpp
-10.00dBm 70.7mVrms 200 mVpp
-16.02dBm 35.4mVrms 100mVpp
-30.00dBm 7.07mVrms 20.0mVpp
-36.02dBm 3.54mVrms 10.0mVpp
-50.00dBm 0.707mVrms 2.00mVpp
-56.02dBm 0.354mVrms 1.00mVpp

75Ω 또는 600Ω 로드의 경우 다음 변환식을 사용하십시오.

dBm(75Ω) = dBm(50Ω) – 1.76

dBm(600Ω) = dBm(50Ω) – 10.79

신호 결함

사인 파형의 경우, 스펙트럼 분석기를 사용하여 주파수 영역에서 일반적인 신호 결함을 가장 쉽게 묘사하고 관찰할 수 있습니다. 기본 주파수(또는 "반송파")와 다른 주파수의 출력 신호 성분은 모두 왜곡으로 간주됩니다. 이러한 결함은 고조파 왜곡, 비고조파 의사 신호 또는 위상 노이즈로 분류할 수 있으며 반송파 레벨 대비 데시벨 또는 "dBc"로 지정됩니다.

고조파 왜곡

고조파 성분은 기본 주파수의 정수 배수에서 발생하며, 일반적으로 신호 경로 내의 비선형 성분에 의해 생깁니다. 낮은 신호 진폭에서는 메인 신호와 결합될 수 있는 다수의 강한 고조파 성분이 포함된 사각 파형인 동기 신호가 또 다른 고조파 왜곡의 원인이 될 수 있습니다. 계측기 내에서는 동기 신호가 메인 신호 출력과 강력히 격리되지만 외부 케이블에서 커플링이 일어날 수 있습니다. 최적의 결과를 얻으려면 이중 또는 삼중 차폐가 된 고품질 동축 케이블을 사용하십시오. 동기가 필요하지 않으면 연결하지 않은 상태로 유지하거나 끄십시오.

비고조파 의사 신호

"스퍼(spur)"라고도 하는 비고조파 의사 성분의 원인 중 하나는 디지털 파형 값을 전압으로 변환하는 디지털-아날로그 컨버터(DAC)입니다. 이러한 DAC 내의 비선형성은 고조파를 나이키스트(Nyquist) 주파수보다 높게 상승시켜 더 낮은 주파수로 앨리어스되도록 만들 수 있습니다. 예를 들어 30MHz의 5차 고조파(150MHz)는 100MHz에서 스퍼를 생성할 수 있습니다.

비고조파 스퍼의 다른 원인은 관련이 없는 신호 소스(예: 임베디드 컨트롤러의 클럭)가 출력 신호로 커플링되는 것입니다. 이러한 스퍼는 일반적으로 일정한 진폭을 가지며 100mVpp 아래의 신호 진폭에서 가장 까다로운 존재입니다. 낮은 진폭에서 최적의 신호 순도를 얻으려면 계측기의 출력 레벨을 비교적 높게 유지하고 외부 감쇠기를 사용하십시오.

위상 노이즈

위상 노이즈는 출력 주파수 내의 작고 순간적인 변화("지터")로 인해 발생합니다. 스펙트럼 분석기에서 위상 노이즈는 출력 신호의 주파수 부근 명시 노이즈 플로어에서의 상승으로 나타납니다. 위상 노이즈 사양은 30MHz 사인 파형에서 1kHz, 10kHz, 100kHz 거리에 위치한 1Hz 대역 내 노이즈의 진폭을 나타냅니다. 스펙트럼 분석기에도 위상 노이즈가 있으므로 판독하는 레벨에 분석기의 위상 노이즈가 포함되어 있을 수도 있다는 점에 유의하십시오.

양자화 노이즈

파형 DAC 내의 유한 분해능은 전압 양자화 오류를 발생시킵니다. 오류가 ±0.5의 최하위 비트 범위에 걸쳐 고르게 분포되어 있다고 가정하면, 표준 파형의 등가 노이즈 레벨은 약 -95dBc입니다. 이 레벨에서는 계측기 내의 다른 노이즈 소스가 지배적입니다. 하지만 DAC 코드의 전체 범위(-32767 ~ +32767)를 사용하지 않는 임의 파형에서는 양자화 노이즈가 문제가 될 수 있습니다. 가능한 경우 전체 범위를 사용하도록 임의 파형을 배율 조정하십시오.

접지 루프

계측기의 신호 발생 부분은 섀시(지면) 접지와 절연되어 있습니다. 따라서 시스템 내의 접지 루프를 제거할 수 있을 뿐 아니라 출력 신호에 접지 이외의 다른 전압을 기준으로 사용할 수 있습니다. 아래 그림에는 동축 케이블을 통해 로드와 연결된 계측기가 나와 있습니다. 접지 전위에 차이(VGND)가 있을 경우 전류 IGND가 케이블의 차폐를 통해 흐르게 되며, 따라서 차폐 임피던스(ZSHIELD)로 인한 전압 강하가 발생합니다. 이 전압(IGND x ZSHIELD)은 로드 전압 내에서 오류로 나타납니다. 그러나 계측기가 절연되어 있어 IGND의 흐름을 막는 높은 직렬 임피던스(대개 1MΩ 초과, 50nF와 병렬 위치)가 존재하기 때문에 이러한 현상이 최소화됩니다.

도식

수 kHz 이상의 주파수에서 동축 케이블의 차폐는 저항성이 아닌 유도성을 띠며, 케이블이 변압기와 같은 작동을 하게 됩니다. 이러한 현상이 발생할 때 IGND로 인한 차폐 내의 전압 강하가 중심 도체 내의 등가 전압으로 상쇄되어 높은 주파수에서 접지 루프의 영향이 감소됩니다. 이중 또는 삼중의 편조 차폐가 적용된 동축 케이블은 저항이 더 낮으며, 따라서 더 낮은 주파수에서 변압기 역할을 하게 되므로 단일 편조 또는 박막 차폐보다 훨씬 좋습니다.

접지 루프로 인한 오류를 줄이려면 고품질 동축 케이블을 사용하여 계측기를 로드에 연결하고 케이블의 차폐를 통해 로드에서 접지하십시오. 가능한 경우 계측기와 로드를 동일한 전원 콘센트에 연결하여 추가적인 접지 전위 차이를 최소화하십시오.

SyncModulation In 커넥터의 외부 케이스는 메인 출력 커넥터의 케이스와 연결됩니다. 즉, Sync 및/또는 Modulation In에 연결된 케이블로 인해 접지 루프가 발생할 수 있습니다. 또한 이러한 커넥터 케이스에 서로 다른 전압을 인가하려고 시도할 경우 계측기를 통해 높은 전류가 흐르게 되어 손상이 발생할 수 있음에도 유의하십시오.