스펙트럼 분석기와 다양한 유형

전기 엔지니어신가요? 스펙트럼 분석기를 사용해 본 적이 있으신가요?

대부분의 전기 엔지니어와 전기 이외 다양한 분야의 많은 엔지니어들도 오실로스코프에 대해서 알고 있고 사용해 본 적이 있을 겁니다. 아마 전기 엔지니어 대부분은 대학교 1학년 때 오실로스코프에 대해 배웠을 겁니다. 하지만 스펙트럼 분석기의 경우, 일부 현역 전기 엔지니어도 사용해 보기는 커녕 무엇인지 모를 수도 있습니다.

스펙트럼 분석기란?

많은 전기 엔지니어에게 있어 스펙트럼 분석기는 더 많은 기능과 그래픽을 제외하면 오실로스코프와 똑같이 보입니다. 오실로스코프와 스펙트럼 분석기 모두 세로축에 신호의 강도를 표시하지만, 둘의 차이점은 가로축에 있습니다. 오실로스코프는 시간을, 스펙트럼 분석기는 주파수를 나타냅니다. 아래 그림은 Rigol의 DSA815-TG 스펙트럼 분석기에 나타나는 여러 주파수 측정값입니다.

그림 1: 스펙트럼 분석기는 가로축에 주파수 측정값을 나타냅니다. (이미지 출처: Rigol Technologies[1])

Keysight Technologies에 따르면, 스펙트럼 분석기는 “계측기의 전체 주파수 범위 내의 주파수를 기준으로 입력 신호의 전기 강도를 측정합니다. 주요 용도는 파악된 신호와 파악되지 않은 신호 스펙트럼의 강도를 측정하는 것입니다.”^[2] 즉 스펙트럼 분석기를 사용하면 여러 사인파가 모여 시간축 신호를 생성하는 “스펙트럼을 분석”할 수 있습니다.

예를 들어 오실로스코프의 신호를 살펴보겠습니다(그림 2).

그림 2 : 오실로스코프에 나타난 신호 (이미지 출처: Agilent Technologies[3])

이 신호는 순수한 사인파 파형이 아니지만 스펙트럼 분석기는 이 신호를 구성하는 각 사인파 파형을 파악합니다. 스펙트럼 분석기는 이러한 파형을 식별한 후 각 개별 파형의 주파수를 기준으로 강도를 파악합니다. 그림 3과 같이, 그림 2의 신호는 2개의 사인파 파형으로 구성됩니다.

그림3: 시간축 신호(오실로스코프 디스플레이)와 주파수축 신호(스펙트럼 분석기 디스플레이) 간의 관계 (이미지 출처: Agilent Technologies[3])

스펙트럼 분석기 유형: 기술 유형과 폼 팩터

스펙트럼 분석기의 종류는 크게 스위프 동조형 분석기와 실시간 스펙트럼 분석기(RTSA)라고도 하는 실시간 분석기가 있습니다. 두 유형 모두 오랫동안 사용되어 왔으며 세로축에 강도를, 가로축에 주파수를 나타내지만 “스펙트럼 분석” 방식이 서로 다릅니다.

스위프 동조형 스펙트럼 분석기는 “주파수 범위가 자동으로 조정(스위프)되는 주파수별 전압계에 불과”^[4]하기 때문에 이러한 전통적인 유형의 분석기가 무선 통신 수신기로부터 발전한 형태라는 사실은 놀랍지 않습니다.”^[4] 그리고 스위프 동조형 스펙트럼 분석기는 “특정 범위 내 모든 주파수를 동시에 측정할 수 없기 때문에”^[4] 안정적인 상태 또는 반복적인 신호를 측정하는 데 주로 사용됩니다. 이러한 분석기는 수십 년간 공학 분야의 요구 사항에 발맞추어 왔습니다(사전 준수 테스트 및 EMC/EMI 테스트 등).

스위프 동조형 스펙트럼 분석기와는 달리, 실시간 스펙트럼 분석기는 모든 주파수를 동시에 측정할 수 있습니다. 실시간 스펙트럼 분석기는 먼저 시간축 데이터를 수집한 다음 고속 프리에 변환(FFT)을 통해 이 데이터를 주파수축으로 변환하는 방식으로 작동합니다.

스펙트럼 분석기는 벤치탑(그림 4), 핸드헬드(그림 5), 휴대용 등 다양한 폼 팩터 형태로 제공됩니다.

그림 4: Teledyne LeCroy의 T3SA3200 벤치탑 스펙트럼 분석기의 주파수 범위는 9kHz ~ 3.2GHz입니다. (이미지 출처: Teledyne LeCroy[5])

그림 5: Seeed Technology의 RF Explorer 모델 2.4G는 2.35GHz ~ 2.55GHz 핸드헬드 스펙트럼 분석기입니다. (이미지 출처: Seeed Technology)

벤치탑 모델은 일반적으로 핸드헬드 모델보다 성능이 뛰어나지만 가격이 비쌀 수 있습니다. 핸드헬드 스펙트럼 분석기는 가격이 저렴하고 크기가 작지만 벤치탑 분석기에 비해 기능이 적습니다. 휴대용 분석기는 배터리 팩 덕분에 현장에 반입할 수 있습니다(벤치탑 분석기 포함).

결론

모든 전기 엔지니어가 오실로스코프가 무엇인지, 어떻게 사용하는지 알고 있지만 스펙트럼 분석기를 사용해 본 적이 있는 전기 엔지니어는 많지 않을 것으로 생각됩니다. 오실로스코프와 일부 스펙트럼 분석기(벤치탑 분석기)는 폼 팩터와 디스플레이가 유사해 보일 수 있지만 엄연히 다릅니다. 스펙트럼 분석기는 수집한 데이터를 강도 대 주파수 방식으로 나타내는 반면 오실로스코프는 강도 대 시간 방식으로 나타냅니다. 하지만 오실로스코프와 마찬가지로, 필요와 예산에 따라 다양한 스펙트럼 분석기를 선택할 수 있습니다.

참고 자료:

1 – Rigol Technologies, “DSA800 Spectrum Analyzer Datasheet”(페이지 3)

2 – Keysight Technologies, “What is a Spectrum Analyzer?”

3 – Agilent Technologies, “Agilent Spectrum Analysis Basics”(페이지 4-5)

4 – Keysight Technologies, “Different Types of Analyzers”

5 – Teledyne LeCroy, “T3SA3100/T3SA3200 Data Sheet”(페이지 2)