4 채널 훼손의 요인과 예 -...

채널 훼손의 요인과 예Sources and examples of channel degradation

4.1 서론

4.2 이득, 위상, 군지연에 대한 왜곡

4.3 간섭과 잡음

4.4 전화채널

4.5 무선채널

4

자료출처: 교재 "Digital Communications: Andy Bateman" 번역서 "디지털통신"

4. 채널 훼손의 요인과 예

4.1 서론………………․

4장에서는 채널의 특성을 고려하여 설계시 고려해야할 실제적인 문제들을 소개함.

그림 4.1

- 통신링크상의 잡음과, 간섭, 왜곡등의 요소는 매우 일반적 요인.

- 우수한 시스템을 설계하기 위해서는 디지털 통신시스템에 대한 이들 요소들의 본질 및 영향을 잘 이해해야 함.

- 본장에서는 일상에서 사용하는 두가지 채널 타입으로 전화채널과, 무선채널의 특성에 대해 기술한다.



4.2 이득, 위상, 군지연에 대한 왜곡……………………………………………………이득왜곡―필터

그림 4.2.1

-주파수 응답특성: -> 필터, 믹서, 증폭기등의 하드웨어들과 -> 케이블, 광파이버, 무선, 적외선 등의 채널들은 -> 주파수에 따른 응답 신호에 진폭왜곡이 존재.

- 예: 필터 -> 통과대역 내에서 평탄한 응답이 아님. -> 진폭 리플(ripple)이 있다. -> 타원(Elliptic) 필터, Chebychev 필터는 높은 통과대역 리플. -> 그러나 급한 roll-off 경사의 특성(양호한 차단특성) -> Butterworth 필터 및 Bessel 필터는 적은 리플 -> 그러나 roll-off 경사가 완만하다.



- 상승 코사인 필터(3.4절 참조): -> 통과대역에 리플 존재, 그러나 길이(탭수)에 따라 조정가능. -> 필터의 탭수를 증가시켜 리플을 줄일수있지만, -> 지연시간 증가, 복잡도 증가.

- 무선 IF(중간주파수) 회로의 크리스탈 필터, 세라믹 필터는 -> 커다란 진폭왜곡을 발생시킴. -> 영향을 무시할 수 없다.

이득왜곡―증폭기

그림 4.2.2

- 증폭기의 이득특성: RF 전력증폭기, 광시스템의 고전력레이저들의 경우 증폭소자들의 이득압축 존재 -> 입력전력과 출력전력 비선형성이 존재.



- 이러한 비선형 소자를 통과할 때: -> 디지털 신호가 영향을 받는다. -> 첫째, 나이퀴스트 필터로 이루었던 세심한 펄스 성형이 훼손. -> 링크에 ISI를 다시 유발. -> 둘째, 소자내의 혼변조(intermodulation)곱 성분의 발생. -> 스펙트럼 재성장(Spectral Regrowth) 유발 -> 무선 셀룰러 시스템등에서 스펙트럼 재성장 심각한 문제유발. -> 해결책으로 : 선형화소자나 장치를 사용하며, 진폭 비선형에 강인한 GMSK와 은 변조방식을 선택. - 대부분의 회로는(믹서, 연산 증폭기, 결합기) 모두 진폭왜곡 유발한다.

- 시스템내의 고전력이나 능동적인 RF 소자가 발생하는 왜곡이 가장크다..



심화 학습선형 증폭기/송신기- 무선 송신기의 선형성 규격이 엄격해짐.- 광대역 잡음특성, 효율의 문제 해결할 필요.

그림 4.2.3

1) Cartesian 방식: -> 업-컨버터와 증폭단을 포함한 송신단의 선형성 제어. -> Cartesian IC들의 사용. -> 25 kHz의 변조대역폭: 30 dB 정도의 혼변조 개선 가능. CDMA의 대역폭(1 MHz이상): 10 dB 이상의 개선 효과. -> Cartesian 루프송신기의 효율: 70%까지 높임.



그림 4.2.4 선형화 결과의 증폭기 출력 형태



2) RF 합성(synthesis)/CALLUM

그림 4.2.5

- CALLUM(Combined Analogue Locked Loop Universal Modulator): -> 송신기 선형화를 위한 RF 합성방식.

-> 효율을 80%까지 도달.

-> RF 합성과정을 폐루프로써 제어하는방식.

-> Cartesian 루프의 성능보다 우수.



3) 사전-왜곡(pre-distortion)

그림 4.2.7

- 증폭기의 왜곡성분을 상쇄할 수 있는 값을 미리 발생시켜 합성.

- 증폭기 전달특성을 보상하는 역전달함수의 구현.

-> RF 방식 -> 비교적 간단한 회로로서 10 dB 정도의 개선효과.

-> Baseband 방식으로 구분. -> 기저대역 적응 사전-왜곡 기법 -> 채널 등화 기술과 유사.



4) 피드포워드 방식

그림 4.2.8- 피드포워드(Feed-Forward) 방식: -> GSM, PCS 증폭기의 선형성 규격은 -75 dBc 이상 요구됨 -> 광대역, 멀티캐리어(multi-carrier) 환경에서 가장 성능이 우수함. -> 장점 : 선형성 개선효과가 가장 우수, 전력소모는 많은편. -> 현재 사용되는 다수의 선형화기에 채택.

그림 4.2.10 -75 dBc 의 개선효과



기타의 기법 - 포락선 제거와 복원(EER 방식) - 극좌표루프교정. - LINK 벡터피드백. - 도허티등의 방법이 있다.



이득왜곡―채널

그림 4.2.12

- 채널 자체에서도 이득왜곡이 발생된다. -> 케이블의 용량성(capacitive) 특성에 의한 주파수별 진폭변화.

- 무선링크: -> 가변 통신경로 손실 -> 변조신호의 대역폭, 동작주파수, 통신경로의 길이에 따라서 주파수 의존적.



위상왜곡―필터

그림 4.2.13

- 필터의 위상왜곡: -> 통과대역이나 천이대역에서 많은 위상변화가 발생. -> 위상응답이 평탄하지 않거나, 주파수에 따라 선형적 반응하지 않으면 -> 그림 4.2.13과 같이 펄스나 심벌의 시간파형에 왜곡을 발생. -> 소자가 선형위상응답 특성은 ,소자를 통과하는 신호는 모양은 일정한 시간만큼 지연될 뿐 신호를 왜곡시키지는 않는다.

- Bessel 필터: 선형에 가까운 위상응답 - 타원형(Elliptic) 필터 : 형편없는 위상 응답특성- 디지털 FIR(Finite Impulse Response) 필터: 완벽한 선형위상특성. -> 위상왜곡없는 상승코사인 필터(3.4절 참조)를 구현.



군지연―필터

그림 4.2.14- 군지연(group delay): 주파수에 따른 위상편이 변화율. ->선형위상응답의 필터의 주파수에 따른 위상변화율이 일정함. -> 고정된 군지연값을 갖는다. -> 순수한 시간지연만 발생.

- 비선형 위상응답에 대하여 군지연은 그 주파수에 따라 변하며, -> 이러한 필터를 통과하는 데이터 펄스나 심벌은 -> 주파수에 따른 일정치 못한지연으로 훼손되어 -> ISI를 발생시킨다.

- 디지털 필터로 구현된 등화회로로서 위상/군지연 왜곡들을 보정한다.



위상왜곡―증폭기

그림 4.2.15

-AM-PM 왜곡: (Amplitude Modulation to Phase Modulation distortion)

-> 입력 신호의 전력크기에 따라 진폭왜곡(AM-AM왜곡) 존재하는것 이외에

-> 추가로 입력전력에 따라 출력의 위상왜곡이 존재함. -> 데이터 신호의 진폭에 의존하는 위상왜곡을 발생. -> M-진 PSK(6.4절 참조), M-진 QAM(6.5절 참조)등의 위상에 기초한 변조방식에서 각 심벌의 위상상태에 해로운 영향을 미친다.



위상왜곡―채널

그림 4.2.16- 대부분의 유선채널: -> 채널의 필터링효과 발생. -> 신호에 위상의 지연 및, 군지연왜곡을 발생시킴. -> 등화기의 필요성.

- 광파이버경우 : -> 섬유내의 시간 분산에 의해 발생.(다중모드 전파 기인) -> 데이터율의 상한이 제한된다. -> 단일모드 섬유사용및 -> 레이저광원을 잘 선택하여 해결.제조비용이 비싸진다.

-무선채널의 경우: -> 다중 경로를 통한 신호의 전달 환경에서 -> 경로의 길이가 다를 때, 시간지연의 차이로 신호의 위상이 서로다름. -> 데이터신호에 심각한 영향(4.5절 참조)



주파수 에러

- 주파수 에러의 두가지요인: -> 변복조과정에 사용되는 주파수 발생기의 부정확성. -> 도플러 편이. -> M-진 신호(PSK, QAM) : 주파수나 위상을 사용하는 변조형식에서는 성능을 저하시킨다.

국부 발진기 에러

그림 4.2.17

- 주파수 발생기의 정밀도: ->동작환경(온도변화, 공급전원변화, 경년변화 등)에의한 오차는 항상존재. -> 주파수정밀도 : ppm (part per million)의 단위로 규정 -> 예: 1 GHz의 셀룰러 무선 모뎀 -> 1 ppm 에러 : ±1000 Hz -> 수신기의 발진주파수와 위상을 송신기 주파수와 위상에 맞추어야함 -> 캐리어 복원.



도플러 편이

그림 4.2.18

- 신호원이 수신기로 가까워질 때 : 수신기에서의 수신주파수는 증가. -> 파장능 짧아진다.

- 신호원이 수신기로 멀어질 때 : 수신기에서의 수신주파수는 감소. -> 파장이 길어진다.

- 주파수편이정도 : 움직임의 속도와 캐리어 신호주파수에 비례.

-예 : 900 MHz의 캐리어 주파수로 송신기가 시간당 70마일의 속도 이동. -> 수신기에서 ±100 Hz의 도플러 편이. -> 다중경로 환경(4.5절 참조)에서는 서로 다른 도플러 편이를 겪음.



심화 학습도플러 편이

도플러 편이(Hz) ＝ :TX와 RX단 사이의 상대속도(단위는 m/s) : Hz 단위의 반송파 주파수, 3×108 m/s, : 상대적인 도달 각도(단위는 도)

예 : DCS1800 시스템(동작주파수 1.8 GHz)의 기지국으로부터 시속 70마일로 멀어지는 휴대폰. -> 가는 차량내 셀룰러 폰 -> 189 Hz의 도플러 편이.

예: 같은 환경에서 시속 4마일로 걷는 사람의 휴대폰: -> 11 Hz의 도플러편이.

그림 4.2.19



4.3 간섭과 잡음…………………………간섭원(Source of Interference)

그림 4.3.1

- 타 통신시스템이나 통신장비, 전화라인의 혼선, 자동차엔진의 점화 잡음등.

- 무선신호를 사용하는 타사용자.

- 인접채널(adjacent channel) 간섭

- 동일채널(co-channel) 간섭

- 라디오와 텔레비전: 다중경로 간섭, 텔레비전 화면상에 고스트(ghost) 영상



간섭의 처리- 다른 장비에 의해 발생된 간섭: 설계를 간섭의 영향을 최소화 할 수 있게. -> 주어진 간섭형태에 덜 민감한 변복조나 채널코딩 방식을 선택.- 전화선의 혼선(crosstalk) : 케이블의 세심한 배치 및 광파이버사용.- 다중경로에 의해 고스트 현상 : 지향성안테나를 사용- 셀룰러 시스템: 적응안테나 사용- 동일채널과 인접채널 간섭: 모뎀의 선택적 필터링

그림 4.3.3



잡음원- 열잡음(Thermal Noise), 산탄(shot)잡음, 플리커(flicker)잡음, 대기잡음 등

열잡음열잡음에 의한 평균전력은 Nav ＝kTB ＝1.38×10-23 Watts/Hz/ ˚K(볼쯔만상수) T = 절대온도(캘빈온도) B = 측정이 이루어지는 대역폭.

- 도체내 전자의 이동정도가 도체의 온도에 비례. -> 백색잡음 특성 : 불규칙하고 모든 주파수에 걸쳐 평탄한 평균전력 스펙트럼.

그림 4.3.4

그림 4.3.5



산탄잡음, 플리커잡음 및 대기잡음

산탄잡음 : -> 전자가 전위장벽을 가로지를 때, 반도체 접합(junction)에서 발생.

-> 반도체의 바이어스 전류에 비례.

-> 랜덤하고 평탄한 전력 스펙트럼.

플리커잡음: -> 반도체에서 발생. -> 직류 바이어스 전류에 비례. -> 잡음전력이 주파수에 따라 감소. -> 잡음전력이 에 비례하기 -> 잡음이라고 명칭.

대기잡음 : - 태양계와 은하계로부터의 전자기적 방사. - 하늘잡음온도(sky noise tem- perature)로써 표현 - 마이크로파 영역에서는 높은 잡음레벨 발생.



잡음의 특성 - 백색잡음과 유색잡음. -> 주파수에 따른 잡음전력 스펙트럼 밀도에 따른 구분.

- 백색잡음(White Noise) : 모든 주파수대역에서 평탄한 전력 스펙트럼 밀도. -> Watts/Hz로 표시.

그림 4.3.7

- 유색잡음(Coloured Noise): 균일하지 않은 스펙트럼분포. -> 특정 주파수 대역에서만 평탄한 전력밀도 나타냄. -> 대역제한된 백색 가우시안잡음이라 부른다

-> 대부분 협대역 통신시스템들의 경우 가우시안 분포를 따름.

그림 4.3.7


4.4 전화채널

4.4 전화채널……………………․교류결합 채널

그림 4.4.1

- 대역통과 채널의 전형적인 예- 이득응답에서 저주파와 고주파 차단- 교류결합으로 인한 저주파 차단은 교환국과 가입자 단말 양쪽간 전화선의 용량성 또는 유도성 결합 때문에 일어난다(직류 오프셋을 제거)- 채널의 이득응답 특성이 평탄하지 않아 심벌 훼손 가능성.



NRZ 대 맨체스터 인코딩

- 심벌의 전송시 : ->채널이 0 Hz 영역(저주파)을 통과시키지못한다면(교류결합된 채널) -> 전송되는 심벌들의 평균값에 저주파 성분이 없도록하는 파형필요 -> 연속적으로 반복되는 1이나 0 이 없도록 스크램블이나 인코딩 필요. ->스크램블 : 1이나 또는 0으로 이루어진 긴 열이 발생하지않도록 -> 데이터 심벌을 재배치. -> 이과정은 처리오버헤드 및 -> 인코딩 및 디코딩을 위한 잠복기(latency)를 초래. -> 통신처리과정중 시간지연 발생, -> 해서, 스크램블보다는 대역폭을 희생하더라도 데이터 인코딩 과정을 선호하는 것이 일반적이다.

- 데이터 신호의 직류성분을 줄이기 위한 데이터 인코딩 기법. -> 맨체스터 코드: 가장흔히 사용됨. -> NRZ 데이터열과 비교할때 1과 0으로 이루어진 긴 열이 없다.


4.4 전화채널

인코딩된 데이터의 대역폭 효율

그림 4.4.3맨체스터

- 직류 성분 제거의 효과.- 변화율의 증가로 NRZ 데이터와 비교하면 대역폭이 두배가 된다.- 주파수폭 효율은 NRZ의 2 bps/Hz로부터 1 bps/Hz로 감소.

맨체스터 인코딩된 이진 데이터의 대역폭 효율= 1 bps/Hz



데이터 인코딩과 전화채널

그림 4.4.4

그림 4.4.5

- 인코딩시킨 신호는 0 Hz로부터 떨어지지만, 대역을 통과하는데 충분한 편이가 이루어지지 못함.(그림4.4.4). -> 그림 4.4.5와 같이 채널 통과대역의 중앙에 배치해야함. -> 캐리어의 변조(5장)를 통하여 구현.


4.5 무선채널

4.5 무선채널………………………방향성이 없는(unguided) 전파

그림 4.5.1

- 무선채널은 유선과 달리 전달 방향이 정해지지않은 매질이용(공간).- 송,수신단의 신호가 전파되는 수단 및 데이터 통신 성능을 좌우.

- 위성과 지상통신의 경우는 안테나의 방향을 일치시켜 신호의 전달 경로를 일치시킨다.

그림 4.5.2



다중경로 왜곡

-전파경로에 신호의 왜곡: -> 두경로의 위상차가 180˚에 근접하면 : 신호들은 서로 상쇄.

-> 위상차가 0˚에 근접하면: 보강된 신호가 된다.


4.5 무선채널

다중경로 페이딩

그림 4..5.2

- 다중경로 환경 하에서 이동하는 송,수신기: -> 경로길이가 시간에 따라 변동 -> 수신기: 시간에 따라 진폭과 위상이 변하는 신호를 수신.

- 페이딩 신호의 포락선 특징: -> 디지털 통신링크의 비트에러율 성능에 심각한 영향.

- 송, 수신기간의 가시적 직선(line of sight) 경로 -> 있는경우: Ricean 통계적 분포 -> 없는경우: Rayleigh 분포



평탄한 주파수 특성 대 주파수 선택적 페이딩

- 주파수 선택적(frequency selective) 페이딩: -> 신호간의 상쇄와 보강이 데이터 신호 내의 서로 다른 주파수에서 변한다. -> 동일한 경로 지연을 겪고 있는 두 주파수 성분간의 상대적인 위상변동 차이에 기인 -> 채널 주파수 응답에서 노치(notch)를 발생

- 평탄한 페이딩 : -> 신호들의 경로길이가 신호성분들의 파장과 비교하여 유사할경우 -> 그러나 경로의 길이가 많은 차이가 있을 때 -> 페이딩 특성은 주파수가 조금만 달라도 심하게 변함.

-동기 대역폭(coherence bandwidth): -> 관심 주파수 대역폭 안에서 페이딩간 상관도가 90% 이상일경우

그림 4.5.5


4.5 무선채널

다중경로 페이딩―시간영역 문제

그림 4.5.6

- 다중경로 지연: -> 실외에서 수 μsec 정도.

-> 심벌주기에 비하여 무시할 수 없다면 그림과같은 ISI가 발생.

-> 주파수 선택적인 페이딩 왜곡의 시간영역에서 관찰되는 현상.

- 다중경로 페이딩의 극복: -> 적응 채널 등화기사용.

-> M-진 신호체계사용 혹은 다수의 병렬채널을 사용하여.

-> 지연이 심벌주기와 비교해 10% 미만이 되도록 심벌률을 줄인다.



-지연확산(spread of de-lay)의 문제:

-> 다른 경로에의한 지연시간의 차이들이 발생하여 시차를 두고 수신됨. -> 중요 신호성분의 시간지연확산은 약 15μs 정도.

그림 4..5.2

다중경로 페이딩 대처기준음

그림 4.5.8


4.5 무선채널

-무선전화 시스템에서 다중경로 페이딩: ->단점과 함께 장점으로도 활용한다.

->신호의 에코가 없다면,

-> 도심 건물속과 같은 직선경로가 없는 경우 수신이 안된다.

-기준음 사용:

-> 페이딩이 주파수에 대하여 평탄할 때

-> 기준음 신호(Reference sound)사용: ->데이터에 알고있는 단일 주파수 음이나, 주기적인 신호를 추가.

->채널의 순시적인 진폭,위상 변화를 측정할 수 있는 기준으로 사용.

->이동통신에서 25 kHz이하의 주파수 대역폭의 다중경로 페이딩은 주파수에 대하여 평탄한 것으로 가정.



병렬 전송

그림 4.5.10

-주파수에 따라 평탄한 페이딩이 안될경우: -> 기준음 방법은 동작하지않음, 따라서

-> 병렬데이터 채널을 사용한다면 ? -> 각 채널은 협대역이므로 평탄한 페이딩특성이므로. -> 각 채널마다 기준음을 사용할 수 있다. -> 병렬채널의 수를 많이 한다면, 여분의 성분을 추가하여 -> 데이터의 오류를 수정할수있다.

-디지털 오디오 방송(DAB)/디지털 오디오 방송(DAB): -> 1024 병렬데이터 채널을 사용 -> 디지털 음악, 음성, 영상을 라디오나 텔레비전 화면으로 전송 -> 직교주파수 분할 다중화 방식 (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing)


4.5 무선채널

스펙트럼 확산 - 페이딩 현상(평탄한 특성, 주파수 선택적)을 해결하는 방법: -> 대역폭을 확산하는 방법이다.

그림 4.5.111) 직접확산 스펙트럼(direct sequence spread spectrum) 기법: -> 데이터의 주파수성분을 넓게 확산시켜(8.4절 참조) -> 확산된 주파수 성분중, 선택적 페이딩에의해 손실되는 성분은 일부. -> 수신에서는 신호를 역확산함 하여 복원.

2) 주파수호핑 방식(8.4절 참조)->데이터의 위치를 넓은 대역 내에서 빠르게 이동시켜주는 방법->주파수 선택적 페이딩을 받을 수있는 가능성이 줄어든다.

그림 4.5.12



채널 등화기

- 파일럿음, 병렬 전송방법, 신호의 확산등의 방법을 사용할수 없을 때: ->광대역 채널 등화 기법사용. ->펄스음을 채널에 삽입하여 반향신호에 대한 레벨,위상,시간지연을 측정. -> 수신기는 채널의 역전달함수를 만들어서 데이터를 교정한다.

그림 4.5.13

-GSM 디지털 셀룰러 시스템: ->GSM의 변조대역은 200 kHz -> 주파수 선택적 페이딩을 겪는다. -> 기준음 데이터열을 4.615 ms의 반복주기의 데이터 패킷의 중간에 삽입. -> 셀룰러 폰은 에코응답을 일초에 약 200번의 비율로 처리.


4.5 무선채널

지향성 안테나

- 다중경로 페이딩 영향을 감소시키는 방법: -> 경로수를 줄인다. -> 송신측에서도 지향성을 유지 -> 수신측에서도 지향성을 유지하는 방법. -> 즉 지향성 안테나를 사용하는 방법.

그림 4.5.14

-예 : 텔레비전 안테나. ->안테나 요소를 적절히 배열하여 지향성을 얻는다 -> 다중경로에의한 에코우현상인 고스트 제거.

-예: parabolic 안테나. -> 마이크로웨이브링크에서 양호한 지향성을 얻는다.

-시간에 따라서 움직이는 대상에 지향성 안테나를 설치한다면? : -> 방향이 시간에 따라 변하므로 무의미함. -> 신호를 추적하는 적응지향성 안테나가 해법이다.



다중경로 왜곡에 대한 예측

그림 4.5.16- 시스템 설계단계에서부터 다중경로 영향을 예측하고 시뮬레이션. -> 수신된 전파로부터의 외삽보간(extrapolation)하는 통계 예측 도구. -> 광선 추적(ray tracing) 기법: ->물체의 3차원 위치와 더불어, 반사, 굴절, 산란의 성질을 컴퓨터로 모델링. ->전파 경로에서의 레벨, 도달 각도, 시간지연에 정보를 화면으로 구성.


4.5 무선채널

동작 주파수에 따라 전파가 어떻게 변화되는가

그림 4.5.17

- 대기중의 전파되는 전자파: -> 주파수나 파장에 따라 전파되는 방법이 다르다.

-예: 마이크로파 주파수. -> 신호의 파장크기와 비슷한 대기 중의 물방울에 의한 감쇄. -> 산소입자의 의한 감소(60 GHz)

- 30 MHz 이하 주파수: -> 무선신호가 이온층 사이를 오가며 반사. -> 지구상의 먼거리 송신이 가능.

- 30 MHz 이상 주파수: -> 전파경로는 근본적으로 직선이. -> 원거리 통신을 위하여, 지구곡률을 고려하여 , 높은 안테나 탑을 사용.


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