고속, 고성능 디지타이저 보드 선택 시 따져봐야 할 사항

오실로스코프와 디지타이저 보드

오실로스코프는 전자 회로의 트러블슈팅에 적합한 장비로, 전자 회로의 고속화 현상이 대두되면서 100Gsps를 넘는 샘플링 속도를 지닌 모델로 출시되기 시작했다. 대부분의 오실로스코프는 8bit의 분해능을 지니고 있으며, 이를 문제가 발생한 타이밍의 파형 정보를 확인하는 데 활용하는데, 외부와의 연결을 돕는 인터페이스가 부재해 외부로 데이터를 전송하는 애플리케이션에는 적합하지 않다.

한편, Aval Data의 디지타이저 보드는 PCI Express 버스 유형의 제품으로, 사용자는 이를 PC에 연결한 후 활용할 수 있다. 이 제품은 20Msps~1Gsps에 불과한 샘플링 속도를 지니고 있음에도 12~16bit에 이르는 고분해능을 활용해 높은 SNR이 필요한 신호 분석을 원활히 수행한다. 또한, 이 디지타이저 보드는 고속 인터페이스로 데이터를 외부로 전송하기 때문에 검사 장치·계측 장치·영상 분석 장치 등에 적합하다.

샘플링 속도와 신호 대역폭

샘플링 속도와 신호 대역폭을 기준으로 디지타이저를 선정할 시 디지타이저 보드가 입력하는 주파수 범위인 신호 대역폭이 샘플링 속도를 정하는 중요 요소로 작용한다. 이 때문에 사용자는 본인이 측정하고자 하는 신호의 주파수를 확인한 후 적절한 속도를 지니고 있는 보드를 선정하면 되는데, 이 같은 샘플링 속도와 신호 대역폭의 관계는 다음 그림과 같다.

이는 200Msps 샘플링 속도 하에서 Aval Data의 디지타이저 보드를 이용해 5가지의 다른 입력 신호를 샘플링한 파형이다. 샘플링 속도 대비 입력 신호가 1/20에 해당하는 Case 1과 Case 5에서는 높은 신호 재현성과 진폭이 나타나며, 두 입력 신호상의 파장이 일치한다. 입력 신호의 1/4 수준인 Case 2와 1/2인 Case 3에서는 신호 재현성이 낮다는 점과 원래 신호의 상태를 눈으로 확인하기 어렵다는 특성이 나타난다.

이 같은 테스트에서 Case 4와 Case 2, Case 5와 Case 1이 동일한 결과를 가진다는 점을 알 수 있는데, 이 현상을 좀 더 자세히 알고자 한다면 FFT(Fast Fourier Transform, 고속 푸리에 변환)를 활용하면 된다.

만약 사용자가 200Mh의 샘플링 속도에서 입력 신호를 190Mhz로 설정한다면, 가장 앞에 있는 10Mhz 지점에 이전에는 없었던 주파수가 나타나는데, 이런 관계는 샘플링 속도의 1/2 수준인 주파수와 샘플링 주파수 부분을 안쪽과 바깥쪽으로 접어 나가는 현상처럼 복제된다. 이와 같은 복제는 높은 주파수 방향으로 계속해서 이어지는데, 이 현상이 바로 ‘에일리어싱‘이다.

분해능과 SNR

기본적으로 높은 분해능을 내장한 디지타이저 보드는 높은 SNR을 얻을 수 있다. 이는 디지타이저가 측정할 신호의 진폭이 클 경우에는 문제가 되지 않지만, 디지타이저 보드의 전체 규모와 대비해 미세한 신호(-40dB)를 측정할 때에는 -70dB의 성능을 지니고 있는 디지타이저 보드의 SNR이 -30dB밖에 되지 않는다.

한편, 일반적으로 신호 레벨이 5~6dB 이상에 미치지 못하면, 신호와 노이즈를 판단하는 일이 어려울 것이라고 알려져 있다. 사용자는 이 점을 감안해 측정할 신호의 레벨이 낮을수록 높은 SNR을 지니고 있는 디지타이저 보드로 주파수 분석을 진행해야 한다.

디지타이저 보드의 주요 성능

Aval Data의 디지타이저 보드인 APX-5360은 1.8Gsps의 샘플링 속도와, 900Mhz에서 -3dB을 감쇠하는 로우 패스 필터를 내장한 신호대역으로 구성되어 있다.

타사의 디지털 보드에도 로우 패스 필터나 밴드 패스 필터가 들어 있으며, 이는 에일리어싱을 감쇠하는 역할을 하는데, 이처럼 에일리어싱을 방지하는 필터를 가리켜 ‘안티 에일리어싱 필터’라고 한다. 한편, 안티 에일리어싱 필터의 컷오프 주파수는 디지타이저 보드 메이커에 따라 다르므로, 사용자는 측정하고자 하는 신호의 주파수보다 넓은 대역을 내장한 디지타이저 보드를 선정해야 한다.

디지타이저 보드의 노이즈 성능 지표

디지타이저 보드의 노이즈 사양과 관련해 4가지 성능 지표가 있는데, 이 중 SNR은 입력 신호와 그 외의 기타 주파수 성분과 관련된 비율이다. SINAD는 고주파를 포함한 입력 신호와 그 외의 기타 주파수 성분과 연관되어 있는 비율을 계산한 값으로, SNR보다 적은 값을 나타낸다.

SFDR은 입력 신호와 그 다음으로 높은 주파수와의 관계를 나타내는 비율로, 입력 신호에 기인하는 고주파 성분을 포함한다. ENOB는 유효 bit수를 표시하는 지표를 의미하는데, 사용자는 SINAD로 ENOB를 산출할 수 있다.

향후 전망

향후 PCI Express 인터페이스를 채용하고 있는 솔루션에서 고속화 현상이 전개될 전망이다. 또한, PCI Express는 현재의 2.0에서 3.0, 4.0으로 진보할 것이며, 메모리는 DDR4에서 DDR5로 진화해 나갈 것이다.

이에 따라 디지타이저 보드는 5Gsps를 넘는 ADC와, 16bit에서 4채널을 동시에 샘플링할 수 있는 제품으로 변화할 것으로 보인다. 향후 사용자는 고성능 디지타이저 보드 도입을 검토할 시에 지금까지 설명한 부분들 외에도 신호 간의 동기 오차, 외부 클럭 사용 방법, FPGA에 의한 신호 처리 필요성 등을 고려해야만 한다.

자료 제공 : 티에스코퍼레이션