제 4 장 전송손상과 전송매체

1. 제 4장 전송손상과 전송매체 목 차 전송 손상 전송용량과 전송매체 신호의 강도  송신기와 수신기간 정보전달 과정에서 발생하는 다양한 손상을 알아본다  전송매체가 제공하는 채널용량과 매체의 물리적 특성을 알아본다  신호의 강도를 나타내는 단위와 그 특성을 알아본다

2. 전송손상 감쇠와 감쇠왜곡  전송손상 (transmission impairments) 전송신호가 열이나 전자기장 혹은 전송매체의 물리적 특성 등으로 송신직전의 신호와 달라지는 현상  감쇠(Attenuation) 전송신호가 거리에 따라 약해지는 현상  모든 전송매체에서 발생  유선매체의 경우 거리에 따라 처음에는 급격히 감소하다가 점차 완만히 줄어듦  무선매체의 경우 거리 뿐만 아니라 주변의 대기환경에 대해 영향을 받아 복잡한 양상  전송중에 섞이는 잡음의 상대적 크기를 줄여 감쇠 보상  아날로그전송의 경우 에러에 대한 누적 신호 증폭으로 증폭기 수 제한  디지털전송에서는 리피터로 비트정보를 다시 복원하여 재전송

3. 전송손상 감쇠왜곡과 지연왜곡  감쇠왜곡(Attenuation distortion) 주파수 스펙트럼에 따라 감쇠의 정도가 균일하지 못하여 신호가 변형되는 현상  주파수에 따라 감쇠 정도가 다름  높은 주파수일수록 감쇠의 영향을 더 받음  무선매체에서는 거리 뿐만 아니라 주변의 대기환경에 대해 영향을 받아 복잡한 양상  디지털신호에 비해 아날로그신호에서 더 심각 (왜?)  전송매체의 주파수 스펙트럼 전체에 걸쳐 감쇠 정도를 비슷하게 보정 <그림> 음성채널(전화선)에서 감쇠곡선과 이의 보정  지연왜곡(Delay Distortion) 유선매체의 특성상 신호를 구성하는 여러 주파수 요소간의 전파속도 차이로 신호가 지연되는 현상  공기중에서는 신호의 전파속도가 모든 주파수에 걸쳐 일정  유선매체에서는 신호의 전파속도가 구성 주파수마다 다름 <그림> 음성채널에서의 개별 주파수의 지연정도 심볼간 상호간섭(intersymbol interference)이란 ?

4. 전송손상 잡음(Noise)  잡음 신호전송과정에서 발생하는 원하지 않은 신호  전송매체의 물리적인 특성에 의한 잡음과, 해,번개 등의 외적 요인에 의한 잡음으로 구분  전송매체의 물리적특성에 의한 잡음은 통신시스템의 성능과 밀접 (예: 신호대 잡음비)  잡음 분류  열잡음(thermal noise)  주파수간 상호간섭(intermodulation noise)  누화(crosstalk)  돌발적 잡음(impulse noise)

5. 전송손상 잡음  열잡음 전도체내 전자들의 열에 의한 불규칙한 자유운동으로 발생하는 잡음  어떤 형태의 전자장비와 매체에도 발생  모든 범위의 주파수에 대해 균일  하얀빛과 같은 형태의 주파수스펙트럼을 가지므로 백색잡음(white noise)이라 함  결코 제거될 수 없음  열잡음 외의 다른 외곡이 없는 이상적인 전송매체의 용량이 이론적으로 가능한 최대용량  주파수간 상호간섭 서로 다른 주파수 영역으로 구성되는 신호들이 동일매체를 이용할 때, 주파수들의 합, 차, 또는 배수에 해당되는 새로운 주파수요소가 만들어져 발생하는 잡음  전송과정에서 송신기와 수신기가 선형성(linearity)를 만족하지 않으면 발생  송신기나 수신기 등의 장비에 비정상적인 작동이나 지나치게 큰 입력신호를 가한 경우 발생

6. 전송손상 잡음  누화(혼선) 차폐가 안된 동선가닥이 인접해 있거나, 무선전송에서 안테나로 신호를 수신할 때 반사된 신호가 수신되어 발생하는 잡음  전화통화중 다른 사람의 말이 들리는 현상  돌발적 잡음 번개와 같이 예측할 수 없는 외부적 요인등으로 발생하는 잡음  단속적, 순간적이지만 잡음 정도가 큼  음성과 같은 아날로그 정보전송에는 큰 문제가 없으나 디지털전송에는 큰 문제 <그림> 디지털전송에서 잡음의 영향

7. 전송용량 서비스와 전송용량  아날로그전송에서 전송용량 결정은 전송매체가 수용 가능한 주파수대역만을 고려  디지털전송에서 전송용량 결정은 전송매체가 수용 가능한 주파수대역과 비트에러율 등을 고려  디지털전송에서 전송용량은 단위시간에 보낼 수 있는 정보의 양(정보전송율, 단위는 bps)이며, 물리적으로 하나인 전송매체가 여러 채널로 나뉘어 사용되므로 채널용량이라 함  서비스와 전송용량 채널용량은 서비스관점의 개념이므로 전송매체의 물리적인 특성뿐만 아니라 서비스와도 관련 <그림> 디지털전송에서 서비스별 전송용량  고품질의 디지털신호를 얻기 위해서는 보다 넓은 대역폭 필요  채널의 대역폭은 정보전송율에 비례  넓은 대역폭은 보다 큰 비용을 수반하므로 서비스품질과 서비스비용간은 상충관계

8. 전송용량 보드전송율(Baud rate)과 비트전송율(Bit rate)  보드전송율 전송매체상의 신호요소의 상태가 단위시간(초) 동안 변하는 횟수  단위시간 동안 전송되는 신호의 수  대개 디지털정보(신호)의 아날로그신호화 즉, 디지털변조를 전제로하므로 변조율이라고도 함  변화하는 신호요소의 갯수와 관련하므로 신호율이라고도 함  비트전송율 또는 정보전송율 단위시간에 보낼 수 있는 정보의 양(단위는 bps: bit per second)  ASK변조방식에서 신호요소의 종류가 4가지일 때, 두개의 비트가 하나의 신호요소에 대응 된다면 정보전송율은 보드전송율의 2배 <그림> 신호와 신호요소 및 보드전송율과 정보전송율

9. 전송용량 채널용량의 결정  나이퀴스트 공식(Nyquist’s formula) 신호요소의 종류(L)와 채널의 대역폭(W)를 고려하여 채널용량(C)을 계산한 식 C = 2 Wlog2L  대역폭 또는 신호요소의 종류(L)를 늘리면 높은 전송율을 가짐  잡음없는 채널은 존재하지 않으므로 이보다 낮은 전송율이 상한선  잡음이 없는 이상적인 채널을 가정  현실에 보다 가까운 채널 용량이 되려면 잡음 고려 필요  샤논 공식(Shannon’s formula) 대역폭(W)과 신호대 잡음비(S / N)를 고려하여 채널용량(C)을 계산한 식 C = Wlog2(1+S/N)( S : 신호강도, N : 잡음강도 )  S/N비는 주로 dB단위로 나타냄 (전화용 음성채널에서 S/N비는 대략 30dB)  열잡음만을 고려 <그림> 전화음성채널에서 샤논공식과 실제 전송효율 정보를 2배로 압축하고, S/N이 35dB, 대역폭이 3,100Hz인 채널의 용량은?

10. 전송용량 채널용량의 결정  정보전송율과 비트에러율 ( Eb / No ) 정보전송율과 비트에러율간의 관계를 나타내는 매개변수 Eb : 1비트를 전송하는데 소요되는 시간동안의 에너지 양 No : 그 비트에 해당하는 신호의 주파수대역에서의 잡음강도 가령 신호전력 S이고 정보전송율이 R bps일 경우 한 비트를 보내는데 걸리는 시간 (Tb )은 Tb=1/R이고 Eb=S X Tb이므로 Eb / No =(S / R) / No  S/N비는 하나의 신호를 대상으로 하지만, Eb/ No는 한 비트를 대상으로 하므로 정보전송율과 보다 직접 연관  Eb / No가 디지털전송에서 중요한 이유는 디지털정보의 비트에러율이 이 비율에 대한 감소함수가 되기 때문임  Eb / No가 주어질 때 비트에러율을 동일하게 유지하려면, 정보전송율 R의 증가에 맞추어 신호대 잡음비를 높여야 함

11. 전송매체 유선매체와 무선매체  유선매체(Guided media) 전자파신호를 의도한 곳으로 인도하기 위해 인공적으로 폐쇄한 물리적 경로  대표적 예로 전화선으로 사용되는 이중나선, TV 안테나선으로 사용되는 동축케이블  전송매체의 물리적특성에 따라 전송특성이 결정  보다 많은 정보를 보다 멀리 전송하려면 리피터나 증폭기 설치  전송매체의 물리적특성에 따라 전송특성이 결정 < 표 4-1> 유선매체의 전송특성  무선매체(Unguided media) 전자파신호를 의도한 곳으로 인도하지 않고 대기중의 공기나 해수면을 따라 전송하는 전송매체  무선에서는 전송매체보다는 안테나가 이용하는 주파수대역에 따라 전송특성이 결정  신호의 중심주파수가 높아지면 가용 주파수대역폭이 커져 한번에 전송 가능한 양도 증가  일반적으로 낮은 주파수신호는 전방향성을 갖고, 높은 주파수신호는 단방향성을 가짐  30MHz ~ 1GHz 라디오주파수대역과 2GHz~40GHz 초단파주파수대역으로 구분 < 표 4-2> 무선매체의 주파수대역과 전송특성

12. 전송매체 유선전송매체  이중나선 (Twisted pair) 절연된 두개의 구리줄이 나선 모양으로 꼬여있는 형태의 전송매체  대표적 예로 전화교환기에서 일반가입자를 연결하는 전화선  케이블: 수백개에 이르는 구리선의 쌍을 서로 꼰채로 묶어 절연보호막으로 감싼 것  구리선을 꼬는 이유는 전자파신호에서 발생하는 전자기장을 상쇄시켜 간섭을 줄이기 위함  전화망에서 전화선으로 이용될 경우 모뎀을 사용하여 약 33kbps 전송  건물내 사설교환기에 이용될 경우 디지털신호방식을 통해 64kbps 전송  전화국간을 연결하는 트렁크로 이용될 경우 4Mbps 정도까지 가능  아날로그전송에서는 일반 전화채널로 이용하고 있는 4KHz보다 훨씬 큰 약 3MHz 대역폭 제공  아날로그신호전송의 경우는 5~6km 단위로 증폭기 필요하고, 디지털신호전송에서는 2~3km 마다 리피터 필요

13. 전송매체 유선전송매체  동축케이블 (Coaxial cable) 이중나선처럼 2개의 구리선으로되어 있으나, 보다 넓은 대역폭을 얻기 위해 이중나선과는 다른 방식으로 구성된 전송매체  대표적 예로 TV 안테나선  광섬유에 비해 경제성 높아 장거리전송, CATV, LAN 에 이용  아날로그신호전송에서는 약 400MHz 대역폭 수용하며, 수 km마다 증폭기 필요  디지털신호전송에서는 500Mbps 까지, 매 km 마다 리피터 설치 경우 800Mbps 까지 전송 가능 <그림> 동축케이블의 구조

14. 전송매체 유선전송매체  광섬유(Optical fiber) 빛을 전송하며 머리카락보다 가늘고 유연한 실린더형의 전송매체  빛을 전달하며 유리나 플라스틱으로 만든 코어(core)와 이를 감싸며 굴절률이 다른 유리나 플라스틱으로 코팅된 클래딩(cladding)으로 구성  수십 km에 걸쳐 수 Gbps 전송 가능  작고 가벼워 이동성 좋고 설치 용이  빛을 이용하여 감쇠 적어 손실율 낮으며, 따라서 리피터 간격 100km 까지 가능  유리나 플라스틱으로 만들어 외부 전자장의 영향 거의 받지 않아 잡음이나 누화 영향 없음  동선매체와는 달리 따서 쓸 수 없어 보안성 높음  전화국의 트렁크, 대도시망(MAN) 구축에 이용  향후 CATV, LAN, 사용량이 많은 가입자에 이용  빛의 대역은 32GHz~64GHz  빛의 전파특성은 광섬유의 크기, 구성물질 및 투입되는 빛의 종류에 따라 결정 <그림> 광섬유의 구조

15. 전송매체 무선전송매체  라디오(Radio) 30MHz~1GHz 까지의 주파수대역을 갖는 무선매체  넓은 의미에서는 3KHz ~ 300GHz 주파수대역을 갖는 무선매체  대표적 예로 FM라디오 채널, TV 채널, 무선전화 및 휴대전화 통신을 위한 대역  신호의 전방향성으로 막대형의 안테나 사용  불특정다수를 대상으로하는 방송형 통신에 적합  50km 상공의 이온층에서 반사 적고, 기상 변화에 감쇠 적음  서로 보이는 안테나간에 이용  전송손상은 주로 다중경로에 의한 간섭에 의해 발생

16. 전송매체 무선전송매체  지상 마이크로파(Terrestrial microwave) 2GHz~40GHz 까지의 주파수대역을 갖는 무선매체  강한 방향성 가지므로 전자파에너지를 집중시키기 위해 접시형 안테나 이용  송수신 안테나는 서로 잘 보이는 위치에 사용  안테나간 최대 거리는 안테나의 제곱근에 비례  장거리전송에서는 증폭기 역할의 중계탑 설치하며 동축케이블에 비해 수가 적어 경제적  전송손상은 주로 감쇠에 의하며 감쇠 정도는 거리의 제곱에 비례  이중나선이나 동축케이블에 비해 감쇠가 작기때문에 증폭기 간격 수십 km  높은 주파수 사용으로 안테나 크기가 작고 저렴  우천시 감쇠 커져 기후 변동에 변동 심함 <표 4-3> 마이크로파의 전송용량

17. 전송매체 무선전송매체  통신위성 마이크로파(Satellite microwave) 통신위성에서 사용하기 위해 2GHz~40GHz 까지의 주파수대역을 갖는 무선매체  통신위성은 일종의 중계소로서 증폭과 주파수대역 변환 기능 가짐  위성전송에 적합한 주파수대역은 1~10GHz  현존하는 대부분의 통신위성은 4/6GHz 밴드(C 밴드) 사용  C 밴드 포화와 감쇠 극복으로 12/14GHz 밴드(Ku 밴드) 사용  위성의 효과적 기능 발휘를 위해 정지궤도 위성 사용  VSAT 서비스는 Ku밴드 이용 <그림> VSAT 서비스 구성도

18. 신호의 강도 데시벨(Decibel, dB)  데시벨 신호의 이득(gain), 손실(loss), 상대적인 신호의 크기를 나타내는데 사용하는 단위  초기의 신호강도와 전송 후의 신호강도의 비교치 단위  원래 소리의 강도를 측정하려는 목적으로 개발  절대적인 크기가 아니라 비교되는 두 신호간의 상대적 크기를 나타내는데 이용  소리의 강도는 로그함수적으로 감소하거나 증가하므로 로그함수적으로 표현  직렬 연결된 통신시스템에서 신호의 이득과 손실을 단순한 가감산으로 계산토록 함 <그림> 사림이 인지할 수 있는 소리들의 상대적인 크기

19. 신호의 강도 데시벨(Decibel, dB)  신호의 상대적인 강도를 측정하는 단위(dB)로서의 특성 비교되는 두 에너지 또는 신호강도의 비에 밑이 10인 대수(logarithm)을 취한 후 10을 곱한 값  대수형태를 갖는 이유는 사람의 청각이 소리 자체에 비례하지 않고, 그의 대수에 비례하기 때문  신호강도는 지수적(exponentially)으로 약해짐 신호강도가 전송매체를 지나면서 단위거리당 K dB만큼 감소하고 전송길이 d라 할 때, 전송하기 전 신호의 세기를 P(0), d만큼의 전송거리 후 신호의 세기를 P(d), 전송매체의 물리적인 특성에 의존하는 상수를 K라 하면

20. 신호의 강도 데시벨와트(dBW), 데시벨밀리와트(dBmW)  신호의 절대적인 강도를 측정하는 단위(dBW, dBmW)로서의 특성 수신기가 수신할 수 있는 강도나 이득 또는 손실을 쉽게 계산하기 위해 전력의 절대적인 값을 측정하는 단위  dBW : 신호강도를 일(work)의 단위인 와트(Watt)로 나타낼때의 단위  dBm(또는 dBmW) : 신호강도를 일(work)의 단위인 밀리와트(miliWatt)로 나타낼때의 단위  마이크로파 응용분야에 주로 사용  W나 mW 중에서 어느것을 선택하느냐는 취급하는 신호강도의 범위에 따름

21. 신호의 강도 데시벨밀리볼트(dBmV)  신호의 절대적인 강도를 측정하는 단위(dBmV)로서의 특성 수신기가 수신할 수 있는 강도나 이득 또는 손실을 쉽게 계산하기 위해 전압의 절대적인 값을 측정하는 단위  dBmV : 신호강도를 전압의 단위인 볼트(volt)로 나타낼때의 단위  주로비디오 응용분야에 사용