한국내쇼날인스트루먼트는 매년 ‘버추얼 인스트루먼트 기술 고객 솔루션 콘테스트’를 개최한다. 2007 NIDays에서도 소개된 바 있는 다양한 수상작들을 총 5회로 소개하기로 한다.
버추얼 인스트루먼트 활용 사례 [3]
자료제공│한국내쇼날인스트루먼트
조셉슨 표준교류전압 발생기 개발
- 소속 : 김문석 책임연구원, 한국표준과학연구원
- 사용 솔루션 : PXI-5412, PXI-8336, PCI-GPIB
초전도-금속-초전도(Supercon-ductor-Metal-Superconductor) 접합으로 구성된 프로그램 가능 조셉슨 전압표준(Programmable Josephson Voltage Standard: PJVS) 어레이 소자(Array Chip)를 이용하여 교류 전압 합성기(AC Voltage Waveform Synth-esizer)를 개발하였다. 시스템에 사용되는 고속 바이어스장치는 14-bit DAC (PXI-5412)를 이용하여 구성하였다. 각 바이어스 채널은 T-clock을 이용해 동기화 되었다.
개발 배경
원리적으로, 여러 개의 Cell(Junction Cluster)로 구성된 조셉슨 소자에 마이크로파(Microwave)바이어스를 가하고 임의의 시간에 임의의 전압이 발생 되도록 전류 바이어스를 각 Cell 별로 가해주면 교류 파형을 얻을 수 있다. Cell이 0전압 상태에서 n = ±1 스텝전압으로 전이하는 동안에는 양자화 된 전압이 출력되지 않으므로 그 만큼 불확도 성분이 커지게 된다. 따라서 가능한 한 고속의 바이어스 장치를 개발하는 것이 중요하다. 둘째, 이러한 교류 합성기는 여러 개의 Cell을 동시에 작동하게 되므로 바이어스 신호간의 동기화(Synchronization)가 반드시 필요하다. 따라서 적절한 시간 기준(Time Base)을 이용하여 바이어스 신호들의 동시성을 확보하여야 한다.
조셉슨 소자를 이용한 교류 표준전압 구현을 위해서는, 고속의 바이어스 전환과 바이어스 채널간의 동기화가 반드시 필요하다. 사용된 PXI-5412의 출력전압 Rise Time은 약 20 ns이며, 10MHz 기준 주파수와 T-clock을 이용해 1ns 이내로 채널간 동기화가 가능함(그림 1참조). 또한 사용된 PXI 본체는 PXI 8336 Optical Interface Board를 통해 Control PC와 전기적 절연이 가능하므로 불필요한 전기적 간섭을 제거할 수 있다.
그림 1. 웨이브폼 합성(Waveform Synthesis)을 위한 바이어스 트레인
본론
그림 2는 개발된 전압 합성기 및 평가시스템의 전경과 개략적인 구성을 보여준다. 시스템은 임의의 전압을 출력할 수 있는 다중 채널 디지털-아날로그 변환기(DA Converter)와 이 전압출력을 전류로 변환해주는 전압-전류 변환기(Bipolor Voltage-to-Current Converter: VCC)로 구성된다. 디지탈-아날로그 변환기는 내쇼날인스트루먼트의 PXI-5412를 채용하였다. 한 장의 보드는 -12V에서 12V까지의 전압을 14비트의 분해능으로 출력할 수 있으며, 전압 셋팅 시간은 약 20ns이다.
그림 2. 조셉슨 웨이브폼 합성과 계측 시스템의 블록다이어그램
네 개의 채널을 구성하기 위해 모두 4 장의 보드를 사용하였고, 각각의 출력신호는 KRISS의 10MHz Reference를 통하여 1ns 이내로 동기화 시켰다. 이 출력 전압은 양방향 전압-전류 변환기로 입력이 된다. 변환기의 출력을 바이어스 전류로 쓰기 위해서는 모든 채널의 출력을 정확하게 조절 할 수 있어야 한다.(채널 간의 출력 차이는 아날로그 보드의 전압 차이와 VCC를 구성하는 소자들의 특성이 채널 별로 다르기 때문에 나타날 수 있다.)
한 예로, 그림 2의 구성에서 첫 번째 Cell에만 전류공급을 하려면, Ch. 1 VCC는 필요한 전류를 출력하고, Ch. 2 VCC는 두 번째 Cell 이후로 전류가 흐르지 않도록 극성이 반대이고 크기가 동일한 전류를 출력하여야 한다. 물론 I-V 곡선 상의 전압 스텝의 폭이 크다면 문제가 없지만, 그렇지 않다면 계산 가능한(Calcul-able) 전압 출력을 얻을 수 없다.
이런 문제를 해결하기 위해 표준 저항을 전류출력 단에 연결해 입력전압-출력전류 곡선을 미리 얻어 놓고, 실제로 소자에 바이어스를 가할 때는 이 곡선을 내삽(Interpolation)하여 출력 전류가 최적 바이어스 점과 정확히 일치하도록 입력 전압을 미세 조절하는 컴퓨터 프로그램을 개발하였다. 시스템에는 마이크로파 바이어스를 위한 마이크로파 합성기와 증폭기 그리고 출력 전압을 평가할 열-전압 변환기 및 디지털 전압계가 부가된다. 시스템과 컴퓨터 사이에 불필요한 전기적 간섭을 최소화시키기 위해서 전압 합성기와 계측기기는 각각 광케이블(Optical Cable)과 GPIB Isolator를 통해서 컴퓨터와 연결된다.
결론
PJVS 어레이 소자를 이용하여 4 채널 교류전압 합성기를 개발하였다. 개발된 16 채널 전류 바이어스 장치의 전류 전이시간은 약 400ns이며, 동기화 시간은 1ns 미만이다. 합성 교류전압 파형들은 주기 당 샘플 수가 2, 4, 8, 16개이며, 파형의 최대(Peak) 전압은 약 0.673 V이었다. 합성 가능한 파형의 최대 주파수 및 전압은 1000Hz, 1V 수준이다. 100Hz에서 16개의 샘플을 가진 전압 파형의 경우 불확도는 약 10mV/V로 평가된다.
앞으로 바이어스 채널을 늘여 샘플수를 증가시키면 10-6V/V 혹은 그 이하의 불확도를 얻을 수 있을 것으로 예상한다. 계산 가능한 교류 전압의 합성은 전기표준 전 분야에 걸쳐 폭 넓은 파급을 가져올 것이다. 현재까지 개발된 기술 수준을 조금 더 높인다면, 가까운 시일 내에 조셉슨 교류전압의 최초 응용 사례가 될 것으로 주목되는(비정현) 전력표준 확립의 토대가 마련 될 것으로 기대한다.
디지털 변복조 실습 장치(DMT-1000)
- 소속 : 정태윤 책임연구원, 지이시스템(주)
- 사용 솔루션 : USB-6221, LabVIEW 8.20 (한글판)
디지털 변복조 실습 장치는 디지털 변복조 실험 및 데이터 인코딩/디코딩 실험을 할 수 있도록 구성된 장비이다. 데이터 인코딩은 Unipolar, Bipolar NRZ-L, Manchester, Differential_ Machester를 선택할 수 있다. 장비는 Base, Remote 1 Set와 검파(Envelope Detection, PLL Detection, Differential PLL Detection, Ratio Detection, Quadrature Detection) 모듈로 구성된다.
변조 주파수는 PC에서 사용자가 선택한 블록의 값들에 따라 입력 데이터를 해당 변조방식으로 만들며 만들어진 변조 주파수는 NI 보드의 아날로그 출력을 통해 업컨버팅 되고 900MHz로 전송된다. 동시에 화면에는 업컨버터 신호를 스펙트럼으로 나타내어서 변조방식에 따른 스펙트럼 변화를 관찰할 수 있도록 하였다. 수신 측에서는 검파 회로를 통해 입력된 신호를 USB-6221의 DI로 입력 받아 신호를 디코딩하여 화면에 나타낸다.
그림 1. 실습 장비
개발 배경
기존 하드웨어 위주의 실습 장비는 변복조 과정을 실습하기 위해 별도의 계측 장비가 필요한 경우가 많다. LabVIEW를 통해 실습에 필요한 스펙트럼 및 오실로스코프 기능을 제공할 수 있다. 그리고, 기존 장비는 단순히 계측장비로 측정하는 수준이어서 변복조를 이해하는데 어려움이 있으나 본 장비는 LabVIEW를 통해 직접 변조주파수를 블록다이어그램에 따라 만들기 때문에 좀더 쉽게 변복조 되는 과정을 이해하도록 구성할 수 있었다. 게다가 대부분의 기존 장비들은 실제 통신이 되지 않아서 실제 전송 시에 발생하는 문제점들에 대해 고려되지 않은 반면, 본 장비는 실제 900MHz 통신을 통해 실제 통신시에 나타나는 문제점들을 파악하고 해결 할 수 있도록 구성되어 있다.
그림 2. 검파 모듈
하드웨어
데이터 전송은 PC에서 만들어진 변조파형을 NI 보드의 아날로그 출력을 이용해 출력하고 업컨버터와 PA등을 거쳐 900Mhz로 전송된다. 데이터 전송 전에 PLL과 Tx Enable 스위치를 PC에서 먼저 세팅한 후 전송한다. 데이터 수신은 900Mhz 주파수를 다운컨버터와 디모듈레이터를 통해 NI 보드의 디지털 입력 기능으로 입력한다.
그림 3. 하드웨어 블록도
소프트웨어
소프트웨어는 송신기, 수신기, 시뮬레이션 부분과 모듈레이션 블럭다이어그램, 송수신 세팅부분, 스펙트럼 부분으로 나뉘어 진다. 송신기에는 데이터를 모듈레이션 블록다이어그램에 따라 그래프로 표시하고 블록다이어그램에서 On/Off 하여 원하는 그래프만 선택하여 볼 수 있다. 수신기는 수신 데이터를 오실로스코프 기능을 이용하여 측정 및 분석할 수 있고 RSSI 그래프를 통해 수신 감도를 확인해 볼 수 있다. 시뮬레이션은 ASK, FSK, MSK, PSK, QAM의 시뮬레이션 기능을 제공하며, 스펙트럼, Eye 다이어그램, Treillis 다이어그램 등을 통해 측정 및 분석할 수 있도록 제공된다. 스펙트럼 그래프는 전송 주파수에 대한 스펙트럼 분석 기능을 제공한다. 송수신 세팅 부분은 변복조 파형을 만들거나 복조할 때 설정하는 값들이며, I2C를 통해 PLL 설정해야만 통신이 가능하다. 위의 모든 그래프는 JPG형태의 파일로 저장 가능하다.
그림 4. 소프트웨어 전체 화면
결론
데이터 입력에 따른 실시간 인코딩 실습은 물론, 별도의 계측 장비 없이 실습 가능이 가능하며 실시간 통신도 가능하다. 또한, 사용자가 원하는 변조파형을 만들어 볼 수 있으며 BER 테스트 및 검파 회로별 실습도 할 수 있다. 그리고 PC를 이용해 모든 제어 및 실험 관찰이 가능하다.
그림 5. 수신기 및 시뮬레이션
