IoT 시스템 실제 동작에 대한 심층적인 시각 얻기

이 글에서는 IoT에 대한 전반적인 사항을 다루고, 오실로스코프와 관련 하드웨어 또는 소프트웨어를 사용하여 어떻게 오실로스코프를 최고의 IoT 디자인 및 디버깅에 사용할 수 있는 지와 텔레다인르크로이에서는 어떤 하드웨어 및 소프트웨어 툴을 이용하여 IoT 시스템을 분석할 수 있는 지 소개한다.



주변에서 IoT (Internet of Things)라는 말은 쉽게 들을 수 있는 말이다. 독자들 중 일부는 IoT 관련 디자이너이거나 기술자로서 높은 수준의 개념과 경험을 가지고 계실 수 있을 것이다. 이 글에서는 IoT에 대한 전반적인 사항을 다루고, 오실로스코프와 관련 하드웨어 또는 소프트웨어를 사용하여 어떻게 오실로스코프를 최고의 IoT 디자인 및 디버깅에 사용할 수 있는 지와 텔레다인르크로이에서는 어떤 하드웨어 및 소프트웨어 툴을 이용하여 IoT 시스템을 분석할 수 있는 지 소개한다.

IoT 디바이스는 일종의 임베디드 시스템으로 목적에 따라 매우 다양한 기능을 수행할 수 있는 디바이스로 시스템 온칩(SOC), DDR 메모리, 디지털 전원 관리 IC, 무선 연결 트랜시버 및 마이크로 컨트롤러들로 구성되어 있고, 서브 시스템 사이의 데이터들은 UART, I2C, SPI, USB 및 PCIe와 같은 다양한 시리얼 통신 프로토콜을 이용한다.



그림 1은 일반적인 IoT 시스템을 보이고 있다. 아날로그 센서에서 센싱된 신호는 MCU로 입력되어 12비트(또는 그 이상)의 ADC(Analog to Digital Convertor)를 이용하여 디지털화되고 이 데이터의 정보를 통해 다른 시스템에서 다른 기능을 수행하거나 정보를 저장하기 위해 클라우드로 전송될 수 도 있을 것이다. 센서 신호의 데이터는 한상 컨트롤러의 동작과 관련이 된다.

IoT 시스템을 구동하기 위한 전원관리 측정, 센싱 데이터 확인, 데이터 전송 3가지 부분에 대해서 알아보기로 하겠다.

PMIC 측정

임베디드 시스템들이 제대로 동작하려면 정밀하게 제어되는 전원이 필요하다. 전원 관리를 담당하는 PMIC(Power Management IC) 측면에서 측정을 수행하는 경우가 일반적이며, 다음의 3가지 기본 성능을 중점으로 테스트가 주로 고려된다.

1. 디지털 전원 관리: DPM(Digital Power Management)은 다양한 DC-DC 컨버터 전압을 제어하여 하나 이상의 전원 레일에 정확한 시점에 전원을 공급한다.
2. 전력 품질: PI(Power Integrity)는 컨버터가 여러 전원 레일에 예상하고 있는 전압과 전류를 공급하고 있는 지의 여부를 분석한다.
3. 전압 및 전원 레일 시퀀스 테스트: 이 테스트는 메인 보드에서 전원 레일 시퀀스를 제어하고 순서대로 부팅하는데 필수적인 사항이다.

DC 전압 레일에서 원하는 신호를 포착할 때 여러 가지 방법이 있지만, 가능한 한 노이즈를 적게 방생시키고 회로의 동작을 방해하지 않는 방법을 사용해야 한다. 일단 회로에 영향을 주지 않기 위해서는 프로브 또는 오실로스코프에서 높은 터미네이션을 제공해야 할 것이다.

이런 조건을 만족하면서 주변에서 가장 쉽게 찾을 수 있는 10:1 수동 프로브는 높은 임피던스를 제공하기는 하지만 노이즈에 취약하다. 그렇다고 50Ohm 동축케이블을 이용하여 DC 레일을 프로빙하고 오실로스코프에서 1Mohm 커플링을 사용함으로써 높은 종단 임피던스를 제공하는 것이다. 하지만 이 경우 임피던스 정합이 이루어지지 않아 신호에 반사가 발생할 수 있다.

DC 전원 신호를 포착하는 가장 좋은 방법은 이런 목적으로 개발된 전용 전압 레일 프로브를 사용하는 것이다. 이 프로브는 전원 레일에 부하를 적게 주면서 노이즈를 최소화하기 위해 1.2X 감쇠율을 제공한다. 텔레다인르크로이의 RP4030은 최대 4GHz까지 지원하여 전원 레일 뿐만 아니라 무선 송수기의 RF(Radio Frequency)와 같은 IoT 장치 내의 다른 신호를 측정하는 데 사용할 수 있다.



그림 2는 동축 케이블, 10X 프로브 및 RP4030에서 각각 포착한 결과를 비교하고 있다. 동축 케이블 입력의 경우 입력 신호에 노이즈가 섞여 있긴 하지만 패시브 프로브의 경우, 동축 케이블을 이용한 것보다 훨씬 좋지 않음을 알 수 있다. 능동 프로브인 전압 레일 프로브를 이용한 경우, 노이즈 뿐만 아니라 뛰어난 연결성과 잡음에 매우 강하다는 것을 알 수 있다.

IoT 장치는 특정 전원 레벨 또는 배터리를 이용하여 전력을 공급한다. 어떤 방식이 되었건 서로 다른 전압에서 동작하는 하나 이상의 전원 레일로 공급된다. IoT 소자 내의 각 DC-DC 컨버터는 일반적으로 병렬로 동작하는 여러 개의 개별 DC-DC 컨버터를 포함하고 있다. 예를 들어, 3.3V 레일은 4개의 3.3V 컨버터에 병렬로 전원을 공급할 수 있으며, 각 레일은 전체 출력 전류의 25 %를 레일에 공급하게 되는 것이다.



모든 시스템이 올바르게 시작되려면 DC 전원레일을 특정 순서에 따라 켜고, 각 레일은 전원을 켜는 동안에 미리 지정된 대기 시간을 지켜야 한다. 반대로, 시퀀스를 확인하는 작업은 전원 차단 프로세스에서도 매우 중요하다. 그림 3은 PMIC에 DC 레일을 켜고 끄도록 명령을 전달하는 시리얼 데이터 메시지를 오실로스코프에서 포착하여 디코드 된 모습을 보이고 있다. 각 전운 레일의 램프업 또는 램프다운 딜레이를 메시지가 전송된 시점과 비교하여 측정 가능하다.

RF 신호 측정

많은 IoT 디바이스들은 무선 장치를 이용하여 다른 장치 또는 호스트 시스템과 통신한다. DC 파워 레일 신호를 포착할 때처럼, RF 신호 프로브는 노이즈는 적고 가능한 최고의 충실도로 신호를 전달할 수 있어야 한다. 효과적이고 신호 충실도가 높은 파형을 포착해야 RF 복조 및 Vector Signal 분석 및 스펙트럼 분석 등의 기본이 된다.

일반적인 IoT 무선 IC는 IEEE802.11 및 블루투스(Bluetooth)를 비롯한 다양한 네트워크 표준을 지원하며, 2.4GHz 및 5GHz 대역에서 동작한다. 또한 엔지니어가 유효성을 검사 할 수 있도록 CCK, PBSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 등이 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM) 등의 변조 방식을 사용한다.

일반적으로 무선 신호를 수집하는 것은 IoT 장치로 어렵지 않다. 대부분의 경우, 무선 안테나 는 초소형 표면 실장형 동축 커넥터 인 U.FL 커넥터를 사용하여 IoT의 인쇄 회로 기판(PCB)에 연결되므로, IoT의 PCB 상의 U.FL 커넥터를 사용하여 디바이스의 RF 출력을 직접 연결할 수 있다.

텔레다인르크로이의 RP4030 능동형 전압 레일 프로브는 노이즈가 낮고 오프셋 범위가 높으며, 4GHz의 대역폭을 제공하므로 RF 신호 포착에 적합한 옵션이다.



그림 4는 오실로스코프가 RF 버스트를 디모듈레이션하여 맨체스터 디코드 기능으로 데이터를 확인하는 예를 보이고 있다. 일반적으로 변조된 신호를 복조하여 데이터를 분석하려면 몇 가지의 간단한 과정을 거쳐야 한다. 변조 방식을 선택하고, 캐리어 주파수를 입력한 후 맨체스터 디코딩을 적용하면 된다.

기본적으로 오실로스코프는 시간 영역에서 전압을 관측하는 계측기이지만, 주파수 도메인에서 신호의 문제를 디버깅할 수 있는 강력한 기능을 가지고 있다. 스펙트럼 분석 기능을 제공하여 주파수 도메인 분석을 오실로스코프에서 간단하게 사용할 수 있다. 오실로스코프에 포함된 스펙트럼 분석 툴의 인터페이스는 전용 스펙트럼 분석기와 거의 같다. 사용자는 주파수와 스팬, 대역폭 해상도 및 단위를 제어할 수 있다.

OFDM

OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) 패킷은 오실로스코프의 벡터 신호분석 애플리케이션을 사용하여 분석할 수 있다. 이 툴의 OFDM 분석 및 신호를 가시화 할 수 있는 기능을 가지고 있다. 파일럿 EVM, 데이터 EVM 및 EVM 평균을 부반송파 별 또는 심볼 별로 표시할 수 있다.



이 툴은 802.11a 프로토콜을 지원하며, 메타 데이터 파일을 로드하여 사용자가 정의한 다른 프로토콜을 테스트 할 수도 있다. 그림 5는 변조된 신호의 위상과 크기를 표시하는 컨스털레이션 다이어그램을 나타낸 결과를 보이고 있다. VSA 소프트웨어 툴에서는 Q factor, data와 pilot EVM, SNR 및 위상 에러 등을 파라미터로 측정할 수 있는 기능이 포함되어 있다. 또한, MatLab 블록은 사용자가 정의한 DSP(Digital Signal Processing) 프로세스를 완벽하게 처리할 수 있도록 프로세싱 체인 어느 곳에나 쉽게 삽입할 수 있도록 구성되어 있다.

센서 신호 포착

IoT (Internet-of-Things) 장치를 구성하는 요소에서 주요 기능 중의 하나는 특정 환경을 감지하여 감지된 정보를 디지털로 변환 하는 일이다. 종종 IoT 장치는 많은 센서를 통하여 주변 환경에 대한 정보를 수집한다. 측정기에서는 다양한 센서 신호를 동시에 포착하고 분석할 수 있는 능력은 IoT 장치 설계에서 최적의 기능을 보장하는 데 아주 중요한 일이다.

오실로스코프에서 이런 센서 신호를 확인할 수 있도록 텔레다인르크로이에서는 SAM40 Sensor Acquisition Module을 제공한다. 이 모듈은 센서 신호를 포착할 수 있는 최대 24개 입력 채널을 제공하고 있으며, IoT 디바이스와 같은 다각도에서 설계 및 시스템의 검증 및 분석을 할 수 있도록 SAM40 모듈을 12 비트 분해능 오실로스코프와 16 디지털 입력을 가진 스코프와 연결된다면 IoT 디바이스의 성능을 통합적으로 관측할 수 있을 것이다.

WavePro HD 오실로스코프

텔레다인르크로이의 WavePro HD는 매우 낮은 노이즈와 완벽한 신호 충실도를 제공하는 최대 8GHz 대역폭과 12비트 분해능을 제공한다. 위에서 언급한 저전압 전원 레일 분석, CPU 및 시리얼 인터페이스 등을 분석하기에 적합한 높은 분해능(12 비트)와 낮은 시스템 노이즈 특성을 갖추고 있다.

전원 레일 프로브 RP4030과 매우 낮은 노이즈 특성 및 스펙트럼 분석기 기능이 결합되면 아주 미묘하게 PDN(Power Distribution Network)에 영향을 주고 있는 원인을 찾아내는 데 매우 큰 도움이 된다.

SAM40 모듈은 8, 16 또는 24개의 입력 채널을 가진 모델을 제공하고 있으며, 수직축 해상도는 모두 24비트다. 모든 채널에서 40kHz의 대역폭(100kS /s), 채널당 2.5Mpts 메모리를 답재하고 있으며, 최대 25초의 신호 포착 시간에서 100kS/s의 샘플링 속도를 지원한다.

결론

IoT 시스템은 입력 센서에서부터 컨트롤러, 메모리는 물론 전원 버스 사이에서 상호작용 이뤄지기 때문에, 이 시스템을 디버깅하고 유효성을 검사한다는 것은 매우 힘든 일이다. WavePro HD 8GHz의 충분한 대역폭으로 DC에서부터 RF 신호를 포착하고, 모듈레이션된 신호를 디모듈레이션하여 실려 있는 정보를 획득하고, SAM40 센서 포착 모듈에서 포착한 신호와 비교하여 IoT 장치의 입력부터 출력까지를 동시에 분석할 수 있다면 IoT 시스템 실제 동작에 대한 심층적인 시각을 얻을 수 있을 것이다.