기술 동향 ②
테스트 엔지니어 위한 미래 측정 기술

측정 시스템은 불과 몇 년 전만 해도 그 목적이 측정에 한정되었다. 그러나 산업의 융복합화 등 기술혁신이 빠르게 발전하면서 측정 항목이 증가하고 방법 역시 다변화, 복잡화되고 있다. 테스트 엔지니어들은 이러한 복잡한 과제를 해결하기 위한 차세대 계측 장비는 RF 스펙 개선, 작고 빠르고 저가인 솔루션, 다양한 기능 구현 가능, 새로운 통신 규약에 대응하는 시스템 개발이 필요하다고 강조한다. 이 글은 한국NI가 내놓은 최근 자료를 모아 정리했다.

측정 시스템 개발 3대 부가가치… 유연성, 자동화, 기술 내재화



불과 몇 년 전만 해도 측정 시스템은 그 목적인 측정에 한정되었다. 그러나 테스트 되는 제품 혹은 부품들이 집적, 퓨전, 통합되면서 측정 항목이 증가하고 방법 역시 다변화, 복잡화되고 있다.
그래서 측정 시스템 영역은 본래의 기능인 측정 외에도 부가적인 가치를 요구하게 되었다. 그 부가가치들은 크게 유연성, 자동화 소프트웨어, 기술 내재화로 정리될 수 있다.
첫째, 유연성이란 시스템 진화에 대응하여 업그레이드할 수 있는 것을 의미한다. 최근 제품의 성능이 증대됨에 따라, 측정 시스템의 개발비용도 증가하고 있다. 또한 측정하고자 하는 항목의 변동이 많아지면서 이에 따른 유연한 대응이 매우 중요해지고 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위해 측정 시스템 업체들은 다양한 솔루션을 제시하고 있으며 그 핵심에 있는 솔루션이 바로 PC 기반 측정 시스템이다.
PC 기반 측정 시스템은 PC가 제공하는 기본적인 연산 기능과 다양한 인터페이스를 통해 모듈형 측정 장비를 연결하여 구성하는 시스템을 말한다. 측정 시스템의 채널 수 또는 측정 항목이 변경되는 경우에는 해당하는 모듈을 추가하거나 변경하고, 측정 시스템에 분석 또는 다른 기능이 추가될 경우에는 소프트웨어를 통해 관련 기능을 추가한다. 따라서 최근에는 기존 박스형 계측기보다는 PXI(PCI eXtension for Instruments) 기반의 산업용 PC 플랫폼이 새롭게 주목받고 있다.
둘째, 테스트 시간과 운영 리소스를 절감할 수 있는 자동화 소프트웨어 활용이 요구되고 있다. 기존 측정 시스템에서는 시스템이 구성되면 사용자가 시스템 운영 매뉴얼에 따라 운영하는 것이 당연한 것으로 여겨졌다. 그러나 측정 항목의 증가와 복잡성 등으로 측정 시스템의 설정이나 실제 수행에서 소요되는 시간, 투입되는 운영자들의 리소스가 증가하게 되었고 운용 중에 발생하는 운영자의 실수 또한 증가하여 시스템의 효율성과 신뢰성에 많은 영향을 주게 되었다. 이러한 부분을 효과적으로 대처하기 위한 것이 자동화 소프트웨어 활용이다.내쇼날 인스트루먼트(NI)의 LabVIEW는 자동화뿐만 아니라, 효과적인 사용자 인터페이스를 편리하게 구성할 수 있다. 또한 테스트 관리 프로그램인 TestStand를 통해 측정 항목을 모듈별로 구성하여 측정 항목 변경에 효과적으로 대응하며, 측정 시퀀스와 자동 스케줄링과 같은 기능을 제공해 리소스를 최대한 절감할 수 있는 개발 환경을 제공한다. 기존 사람의 손을 통해 수행했던 작업을 이제는 자동화 테스트 프로그램을 통하여 더욱 효율적이고 빠르게 수행할 수 있게 되었다. 또한 이러한 방법으로 측정 시스템 데이터 로깅, 분석, 후처리, 보고서 생성까지도 추가하여 모두 자동화할 수 있어 효율성을 극대화할 수있다.
셋째, 측정 시스템 개발에서 또 다른 부가가치는 바로 기술 내재화이다. 앞서 언급한 유연성과 자동화 역시 기술 내재화에 포함된다고 볼 수 있는데, 측정 시스템에 모방으로는 따라올 수 없는 가치부여 기술을 보유한다면 어떠한 경쟁에서도 살아남을 수 있는 조건을 가지게 된다. 지금까지 측정 시스템에서는 성능을 좌우하는 하드웨어에 많은 비중을 두었지만, 앞으로는 하드웨어보다는 다양한 기능을 좌우할 수 있는 소프트웨어 기술이 더욱 중요시되는 세상이 되어가고 있다.

차세대 계측기는 ‘모듈형 측정 시스템’



급속한 기술의 발전만큼이나 새로운 측정 유형과 구성이 필요한 경우가 잦기 마련인데, 모듈형 소프트웨어와 하드웨어 툴로 이루어진 그래픽 기반 시스템 디자인 방식을 이용하면 경제적으로 쉽게 최신 기술로 업데이트할 수 있는 유연한 측정 시스템을 생성할 수 있다.
소프트웨어 기반 측정 시스템은 새로운 PC 기술을 쉽게 활용할 수 있다. 예를 들어, 기존에 사용하던 수집 하드웨어와 소프트웨어는 그대로 사용하고 측정 시스템에 탑재되어 있던 PC 부품들만 교체하는 것만으로 버추얼 인스트루먼트의 처리 성능을 향상시킬 수 있다. 반면에 새로운 PC 기술은 호환상에 문제가 발생할 수도 있어 지금까지 사용하던 하드웨어와 소프트웨어를 사용하지 못할 수도 있다.
PC에 멀티코어 프로세서가 적용되기 시작할 무렵, 작업을 분할하여 여러 코어가 동시에 처리하는 병렬 프로그래밍 구조는 일반적인 프로그래밍 방식과는 근본적으로 다른 구조로 되어 있다. 향상된 처리 성능을 활용하려면 엄청난 양의 코드를 재작성해야 한다. 오늘날 NI LabVIEW와 같은 시스템 디자인 소프트웨어의 추상화와 내재적인 병렬 특성은 그래픽 코드를 최소한 변경하여 루프를 특정 프로세서 코어에 할당하는 방식으로 멀티코어 프로세서의 성능을 활용할 수 있도록 돕는다.
또한 다양한 하드웨어와 작동하는 드라이버 소프트웨어를 이용하면 새 하드웨어에 맞게 수집 코드를 변경해야 할 필요가 없으므로 프로젝트 개발 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다.
모듈형 측정 하드웨어 경우도 다양한 통신 버스를 위한 여러 옵션과 측정 모듈을 위한 다양한 섀시를 제공한다. 대부분 측정 애플리케이션에서 출력을 정확히 디지털 처리하려면 센서에서 수집한 신호의 증폭, 자극, 절연, 필터링과 같은 신호 컨디셔닝이 필요하다.
직접 신호 컨디셔닝 전자장치를 제작할 수는 있지만 그러려면 상당한 시간이 소요되고 직접 정의한 신호 컨디셔닝 전자장치는 상용 솔루션처럼 엄격한 기준에 따라 제조되거나 테스트 되지 않기 때문에 COTS(Commercial Off-The-Shelf) 제품보다 신뢰성이 떨어진다.
이에 대한 대안은 유연성이 뛰어나고 확장할 수 있는 모듈형 측정 하드웨어를 이용하는 것이다. 모듈형 측정 시스템은 다양한 애플리케이션의 요구사항을 충족시킬 수 있도록 사용자가 직접 필요한 모듈을 선택할 수 있으며 이에 따라 유연성을 확보할 수 있다.
이처럼 모듈형 측정 시스템은 측정 유형과 관계없이 개별 모듈을 추가하거나 교체하기만 하면 되므로 향후 측정 요구에 빠르게 대응할 수 있다는 이점이 있다.

VST, RF 측정을 재정의하다

수십 년에 걸쳐 소프트웨어 정의된 RF 테스트 시스템 아키텍처는 테스트 업계에 빠른 속도로 보급되고 있다. 하지만 RF 애플리케이션이 더욱 복잡해짐에 따라 엔지니어들은 테스트 시간과 비용을 최대한 줄이면서 기능은 개선해야 하는 부담을 안고 있다. 이러한 가운데 RF 테스트 계측기는 속도와 유연성을 충족시키기 위해 FPGA 활용성을 늘렸다. 하지만 FPGA는 특정 목적을 위해 만들어졌고, 기능이 제한적이며 사용자가 직접 설정이 거의 불가능하다.
이때 프로그래밍이 가능한 FPGA를 사용하면 고정된 기능의 FPGA와 비교하여 우수한 장점을 활용할 수 있다. 프로그래밍이 가능한 FPGA를 사용하면 RF 계측기를 직접 설정함으로써 각 애플리케이션에 최적화된 솔루션을 구현할 수 있다.
NI의 벡터 신호 트랜시버(VSA)는 벡터 신호 생성기(VSG)와 벡터 신호 분석기(VSA)를 FPGA 기반의 리얼타임 신호 처리와 컨트롤을 통합한 새로운 형태의 혁신적인 측정 장비이다. VST에는 프로그래밍 가능한 FPGA가 탑재되어 있어 계측기의 하드웨어에 사용자가 정의한 알고리즘을 요구에 따라 구현할 수 있다.
VST는 또 소프트웨어로 디자인되었으므로 SDR(Software Defined Radio) 아키텍처의 유연성과 RF 계측기 수준의 성능을 제공한다. 뿐만 아니라 강력한 LabVIEW FPGA와 NI RIO 아키텍처를 기반으로 구축되었으며, 애플리케이션 IP, 참조 디자인 예제, LabVIEW 샘플 프로젝트 등 애플리케이션 개발의 시작을 돕는 다양한 요소가 포함된다.
NI VST에 있어 또 하나 빼놓을 수 없는 사실은 기존 계측기의 빠른 측정 속도와 고성능을 유연한 소형 폼팩터에 통합했다는 점이다. 따라서 VST는 5.8GHz에서 45dB(0.5%)보다 우수한 에러 벡터 크기(EVM)를 통해 802.11ac와 같은 표준을 테스트할 수 있다. 또한 송수신, 기저대역 I/Q 및 디지털 입출력이 공통의 FPGA를 공유하므로 VST는 기존 박스형 계측기보다 훨씬 강력한 성능을 제공한다.

802.11ac 테스트 위한 최적 계측기

최신 통신 표준인 802.11ac에는 몇 가지 해결해야 할 과제가 있다. 테스트 엔지니어들은 802.11ac 표준에 맞는 테스트 기기를 찾는 데 맞은 노력을 기울여 왔고 최고 성능의 고가 박스형 계측기를 고집하는 것이 더 이상 의미가 없다는 것을 깨달았다. 그 이유는 리소스, 특히 시간, 예산, 공간이 부족하기 때문이다. NI는 직접 프로그래밍이 가능한 FPGA 기반 계측을 제공함으로써 테스트 엔지니어들이 겪는 여러 문제를 해결하도록 돕고 있다.
802.11ac는 5GHz 대역에서 20, 40, 80MHz 의무 대역폭으로 운영된다. 160MHz 대역폭은 선택 사항이다. 또한, 인접하지 않은 80+80MHz TX와 RX 대역폭 옵션도 있다. IEEE 초안에서는 802.11ac 표준이 5GHz 대역에서 802.11a 및 802.11n과 하위 호환을 명시하여 구 표준도 사용 가능하게 했다. 일부 다른 의무 조항으로는 80MHz 대역폭, 256-QAM 변조, 최대 8개 공간 스트림, 멀티유저 MIMO가 있다.
802.11ac WLAN을 위한 최적 계측기로서 NI PXIe-5644R VST가 있다. 이 제품은 최고 6GHz 중심 주파수에서 80MHz 리얼타임 대역폭을 제공한다. 160MHz가 필요할 때에는 2대의 VST를 통해 contiguous 또는 non-contiguous mode도 테스트할 수 있다. 더 나아가서는 최신 무선 프로토콜들만 지원한다는 MIMO도 박스형 계측기와는 다르게 매우 용이하게 구성할 수 있다.
또한 이 계측기에는 프로그래밍 가능한 FPGA가 있어 테스트 속도를 증대하거나 FFT, 전력 컨트롤, 변조/복조 등 리얼타임 알고리즘을 구현할 때 사용할 수 있다.
변조 방식이 갈수록 복잡해짐에 따라 고품질 신호를 유지하는 것이 그 어느 때보다 주요한 이슈로 떠오르고 있다. 특성화와 제조 테스트 시 충분한 여유를 확보하기 위해서는 테스트 기기가 사양(-32dB, 256QAM)보다 최소 10dB 우수한 측정을 수행할 수 있어야 한다. VST는 업계 최고의 EVM 수치인 -4dB를 제공한다.

임근난 기자 (fa@hellot.net)