Research on Automatic Measurement Program to shorten Test Time for FEU of HCTRS

대용량무선전송장비 전처리장치의 시험 소요시간 단축을 위한 자동 측정 프로그램 연구

Abstract

FEU which is a important device in HCTRS of TICN amplifies transmission signals. Tests of intermodulation distortion and harmonic distortion for FEU have been performed manually, and take a lot of time. This paper improves the test methods using program that set up the measurement instruments and read the data automatically. This proposal allows intermodulation distortion and harmonic distortion test simultaneously. And the new test methods show that the measurement time is shorter than before. Also, it is expected that efficient quality assurance is possible because the test time can be independently managed, unlike the previous methods, where the test time was determined according to the skill level of the operator.

전술정보통신체계(TICN)의 핵심체계인 대용량무선전송장비(HCTRS)용 전처리장치는 송신신호를 증폭시키는 역할을 한다. 전처리장치 성능 시험 중 상호 혼변조와 고조파 시험은 계측기 설정 및 측정을 수동으로 확인하여 시험시간이 오래 걸린다. 따라서 본 논문에서는 각 시험에 필요한 계측기 설정 및 측정을 자동화하는 프로그램을 개발하여 시험 방법을 개선하였다. 본 제안 방법은 상호 혼변조와 고조파 시험을 동시에 진행할 수 있었다. 개선한 시험 방법은 기존 시험 방법과 비교하여 소요시간이 단축됨을 확인하였다. 또한 작업자 숙련도에 따라 시험시간이 결정됐던 기존 시험 방법과는 달리 독립적으로 소요시간을 관리할 수 있어 효율적인 품질보증이 가능할 것으로 기대된다.

Ⅰ. 서론

대용량무선전송장비(High Capacity Trunk Radio System, HCTRS)는 기저대역장치, 무선전송장치, 전처리장치, 안테나, 안테나 자동 정렬/유지장치 등으로 구성된다. HCTRS는 대용량의 데이터와 영상 및 음성을 실시간으로 가능하게 하는 군 전술정보통신체계(Tactical Information Communication Network, TICN)의 핵심체계이다^[1-2].

HCTRS용 전처리장치(Front-End Unit, FEU)는 입력된 송신신호의 출력레벨을 증폭시켜 안테나로 전송하는 역할을 한다. 전처리장치의 전기적 성능 시험은 주로 RF(Radio Frequency) 성능을 확인한다.

그림 1. TICN HCTRS 전처리장치

Fig. 1. A FEU on HCTRS in TICN

전처리장치의 채널은 OO개로 각 채널별로 전기적 성능을 확인해야한다. 이러한 이유로 전처리장치의 전기적 성능 확인 시험은 많은 시간을 필요로 한다. 일반적으로 장치 1대 시험에 1시간 내외로 소요되며, 숙련도가 높은 시험 담당자의 경우 40분 내외로 소요시간이 단축된다.

전기적 성능 시험 중에서 가장 시간을 많이 차지하는 시험 항목은 상호 혼변조 시험과 고조파 시험이다. 상호 혼변조 시험은 2개의 Tone 신호를 생성하여 발생하는 혼변조 신호의 값을 계측기로 직접 설정해야 한다. 고조파 시험의 경우 각 채널 별로 2차, 3차 고조파 주파수 값을 계측기 설정에서 변경해야 하므로 많은 시간이 소요된다^[3]. 이 또한 각 채널마다 수행하므로 많은 시간을 필요로 한다.

현재 상호 혼변조 시험과 고조파 시험은 시험 담당자가 채널에 따라 계측기 설정을 수동으로 변경하여 측정하고 있다. 두 시험의 소요시간은 비숙련자의 경우 약 40분 내외이며, 숙련자의 경우에는 15분 내외이다. 검수 샘플링 수가 많아질수록 시험 담당자는 장시간 측정으로 인해 피로도가 높아질 수 있다. 이는 계측기 오설정 등 휴먼에러를 야기할 수 있으며, 시험 시간 증가, 계측기 손상, 전처리장치의 손상 등의 원인이 될 수 있다. 게다가 시험 담당자는 계측기로부터 측정한 데이터를 규격과 비교하여 합/불 판정까지 하고 있다. 채널마다 계측기 측정 값을 육안으로 비교하고 있어, 이 또한 시험 담당자의 피로도를 상승시키고, 품질 저하에 영향을 미칠 수 있는 실정이다.

본 논문은 이러한 문제를 해결하기 위해 전처리장치 시험 방법 개선에 대한 연구를 하였다. 계측기 설정과 측정하는 부분을 자동화하였으며, 각 채널 별 상호 혼변조 시험과 고조파 시험을 동시에 측정이 가능하도록 프로그램을 개발하였다. 2장에서는 전처리장치용 자동 측정 프로그램 개발에 대해 서술하였으며, 3장에서는 개발한 프로그램을 적용하여 기존 방식 대비 소요시간을 비교하였고, 4장에서는 결론을 술하였다.

Ⅱ. 자동 측정 프로그램 개발

1. 자동 측정을 위한 하드웨어 구성

기존의 시험 구성은 그림 2와 같이 시험 치구와 시험용 PC 간 LAN 연결하여 시험 담당자는 PC로 시험 치구와 전처리장치의 채널을 설정한다. 전처리장치의 RF 신호는 신호 발생기로부터 입력되어 스펙트럼 분석기로 출력된다.

그림 2. 기존 시험 구성

Fig. 2. Previous connection for FEU test.

그림 3은 기존의 시험 구성을 변경한 자동 측정용 시험 구성이다. 자동 측정을 위해 랜 스위치로 PC-시험 치구-신호 발생기-스펙트럼 분석기를 연결하였다^[4]. PC와 시험 치구는 기존과 동일하게 전처리장치의 채널을 설정하며, 추가적으로 계측기(신호 발생기, 스펙트럼 분석기)와 PC를 연결하였다. 계측기의 랜 연결이 필요하여 랜 스위치를 사용하였다.

그림 3. 자동 측정을 위한 시험 구성

Fig. 3. Modified connection for FEU automatic test.

2. 자동 측정을 위한 소프트웨어 구성 및 개발

PC와 계측기 간 연결을 위해 Keysight Library IO Suite 18.1.24715(2019 U1)를 이용하였다^[5]. PC와 계측기 간 원격 제어가 되는 것을 확인(그림 4)한 후에 Keysight VEE 9.33를 통해 자동 측정 프로그램을 개발(그림 5)하였다^[6].

그림 4. Keysight Library IO Suite를 이용하여 계측기(신호 발생기, 스펙트럼 분석기) PC와 연결.

Fig. 4. Connection between PC and instruments (Signal generator and Spectrum analyzer) using Keysight Library IO Suite.

그림 5. VEE를 이용한 자동 측정 프로그램 제작

Fig. 5. The development of automatic measurement program using VEE.

자동 측정 프로그램의 효율을 높이기 위해 시험 순서를 기존과 다르게 변경하였다. 기존의 시험 순서는 그림 6과 같이 시험에 따라 스펙트럼 분석기의 기본 설정(Center Frequency, Span, RBW, VBW, Reference level 등)을 먼저 설정한 후, 채널마다 측정하였다. 수동으로 측정하는 경우, 시험항목에 따라 스펙트럼 분석기 설정 시간이 채널 변경 시간보다 오래 걸리기 때문이다. 따라서 상호 변조 시험을 위한 스펙트럼 분석기 설정을 한 후에 채널 OO개에 대한 험을 마친 후, 고조파 시험을 위한 스펙트럼 분석기 설정으로 변경 및 채널 OO개에 대한 측정을 진행하였다.

그림 6. 기존 시험 순서

Fig. 6. Previous process for FEU test.

수동 측정과 달리, 자동 측정 프로그램을 이용하는 경우에는 프로그래밍을 통해 시험항목에 따른 계측기 설정 및 측정 자동화가 가능하다. 따라서 그림 7과 같이 채널당 상호 혼변조 시험과 고조파 시험을 순차적으로 진행한 후, 종료되면 채널을 변경하여 반복 측정할 수 있게 개선하였다.

그림 7. 변경된 시험 순서.

Fig. 7. New process for FEU automatic test.

또한, 자동 측정 프로그램에 계측기와 전처리장치를 보호하는 기능을 추가하였다. 시험 운용자가 RF 케이블 미체결이나 시험 치구 오용 등 비정상적인 환경일 때에 계측기 설정 값이 과도하게 설정되는 경우가 종종 발생하였다. 신호 발생기의 입력이 필요 이상이 높으면 이는 계측기와 전처리장치의 손상을 입히는 심각한 문제로 이어질 수 있다. 안전 범위로 정해진 RF 설정 값을 벗어난 경우 프로그램이 자동으로 종료되는 기능을 넣어 장비가 손상을 입지 않도록 보호하였다.

Ⅲ. 자동 측정 프로그램 적용 및 결과

그림 8은 제작한 자동 측정 프로그램을 이용해 전처리 장치를 시험한 현장과 그 결과를 표시한 모니터 화면이다. 자동 측정 프로그램을 이용하는 시험 담당자는 우선 시험을 진행할 채널을 개시한다. 채널이 개시되면 자동 측정 프로그램의 측정 버튼을 클릭한다. 그리고 자동 측정된 결과와 합/불 판정 결과를 모니터로 확인한다.

그림 8. 자동 측정 프로그램을 이용한 전처리장치 시험

Fig. 8. A FEU Test using automatic measurement program

버튼이 클릭되면 프로그램 된 순서대로 계측기는 자동으로 설정되어 상호 혼변조와 고조파가 측정된다. 따라서 시험 담당자는 번거롭고 반복적인 계측기의 설정 없이 편리하게 시험을 진행할 수 있었다.

전처리장치를 500대 이상 측정한 숙련된 시험 담당자의 협조로 수동 측정 시험과 자동 측정 시험 간 소요시간을 비교하였다. 3대의 전처리장치를 임의로 선별하여 상호 혼변조 시험과 고조파 시험을 진행하였다. 표 1은 비교 결과이며, 자동 측정이 수동 측정보다 평균적으로 3배 이상 더 적게 시간이 소요되었다.

표 1. 수동 측정 소요시간과 자동 측정 소요시간 비교

Table 1. Comparison for requied time between manual and automatic measurement.

그림 9는 계측기와 전처리장치의 손상을 방지하기 위해 추가한 기능을 검증한 결과이다. 스펙트럼 분석기로 연결되는 RF 신호를 고의적으로 미체결한 후에 프로그램을 운용하여 전처리장치에 손상을 입힐 수 있는 RF 값이 출력되도록 하였다. 검증 결과 프로그램이 비정상적인 설정 값을 감지하여 중단 되었으며, 전처리장치에 과도한 RF 신호가 인입되지 않는 것을 확인하였다.

그림 9. 계측기와 전처리장치 보호 기능 정상 작동 확인

Fig. 9. Verification of protection function for instruments and FEU.

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 TICN HCTRS용 전처리장치의 상호 혼변조 및 고조파 시험 소요시간을 줄이기 위한 시험방법 개선에 대해 기술하였다. Keysight VEE를 이용하여 각 채널별로 상호 혼변조 시험과 고조파 시험을 동시에 진행할 수 있는 자동 측정 프로그램을 개발하였다. 개발한 자동 측정 프로그램은 계측기의 설정 및 측정 또한 자동으로 수행하며, 수동 측정 대비 시험 소요시간을 약 67% 단축시켰다. 기존 측정 방식은 작업자의 숙련도에 따라 소요시간이 결정되었지만, 개발 프로그램을 활용할 경우 작업자 숙련도와는 독립적으로 소요시간을 단축시킬 수 있다. 이를 통해 해당 품질보증활동의 효율성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.