1 장. 통신의 개요
1. 통신이란?
가. 통신의 정의
지리적으로 떨어져 있는 두 지점 간의 정보를 전달하는 것으로 정보 전달 수단 또는 방법에 따라 크게 인편(人便)에 의한 통신, 봉화(beacon fire)와 수기(手旗) 등 가시적 신호에 의한 통신, 우편(mail system)에 의한 통신, 전자 또는 전자기적 신호에 의한 전기 통신(telecommunication)으로 분류된다. 역사적으로 보면 대체로 위 순서로 발전되어 왔다. 즉 정보의 전송에 관련되는 다양한 방법과 절차, 기구와 장치, 중간 매체 등을 포함하는 광범위한 분야를 총칭하는 용어이다.
샤논(Shannon)의 정보통신체계모형을 모델로 협의(狹義)적으로 보면 보내는 정보와 받는 정보는 어떤 의미를 지니는 내용을 말하며, 이러한 정보는 도구나 수단을 통하여 표현된다.
그림 1-1 샤논(Shannon)의 정보통신체계모형
여기서 도구나 수단의 역할을 하는 것이 입․출력장치와 송․수신기이다. 일상적인 대화에서는 입과 귀가 입․출력장치에 해당하며, 전화통화에서는 음성을 전자기적인 신호로 바꿔주는 송화기와 전자기적 신호를 다시 소리로 바꿔주는 수화기가 입․출력장치에 해당된다. 통신로는 송신기와 수신기를 연결하는 물리적인 매체를 말하며, 무선통신에서는 공기가, 유선통신에서는 선로(금속선 또는 광케이블 등)가 이러한 역할을 한다. 잡음은 이상적인 통신환경을 방해하는 요소로서 각종 소음 또는 신호를 왜곡시키는 전자기장 등을 말한다. 샤논의 통신모형에는 알리고자 하는 내용의 표현과 통신수단을 통한 전달방법 사이에는 최소한의 체계적이고 통일된 규칙과 약속이 있어야 함이 내포되어 있다. 대화를 하는 두 주체가 같은 언어를 사용하여야 서로가 전달하고자 하는 의미를 파악할 수 있으며, 마찬가지로 첨단통신장비를 이용하는 경우에도 송신기와 수신기 등의 장비들 간에 호환성이 전제되어야 정상적인 통신이 가능함을 의미한다.
* 정보란? : 통신의 궁극적인 목적이며 어떤 의미를 지니는 내용으로 데이터에 실려질 의미를 지칭한다.
* 데이터란? : 사실이나 개념, 지시 등의 정보가 의사소통이나 해석, 처리 등에 적합하도록 형식적이고 공식적으로 표현된 형태이다.
* 신호란? : 정보를 구체적으로 표현하고 운반하는 수단으로 그 자체로는 아무런 의미를 지니지 않으며, 몸짓, 언어적 표현, 수학적인 기호 등과 같이 상징적이며 신호를 전달하는 방법은 기술발전과정과 밀접한 연관을 갖고 있으며 구체적으로 깃발, 연기, 횃불 그리고 전자기파 등이 좋은 예이다.
나. 통신의 기능
통신이라는 관점에서 국가는 다수의사의 지역적 집약(集約)이라고 볼 수 있다. 그러므로 국가의 운영은 국민의 의사를 통합하고 이것에 근거하여 필요한 국사(國事)를 행할 수 있다. 이것은 인간의 신경계통과 인간의 행위의 관계와도 같은 것으로, 국민의 의사와 의사가 소통되는 관계는 완전한 통신기능이 발휘됨으로써 비로소 원활을 기할 수 있게 되는 것이다. 비상사태나 전쟁시 통신기관이 파괴되어 기능이 정지되었을 경우에는 상하좌우의 의사 소통이 단절되어, 유언비어가 유포되고 불안한 민심이 비등하는 한편, 행정장은 중앙정부와의 통로를 잃고 갈피를 잡지 못한 채, 그 지역은 정치적 마비상태를 면하지 못하는 경우가 있다. 경제생활에 있어서도 동일하다. 생산은 시황(市況)과 결부되어 행하여지고 매매는 수요와 공급의 형평에 입각하여 행해진다. 그러므로 원료의 구입이나 생산품의 수송도 시장의 경기동향을 파악하였을 때 비로소 이루어지게 되며, 이러한 것들은 통신기관의 완비 내지 가동이 있었을 때 비로소 가능한 것이다.
다. 통신의 역사
통신은 인류의 발생과 함께 시작되었다. 인간이 사회를 형성하고 생활해 나가기 위해서는 개인 대 개인, 사회 대 사회 사이에 서로 의사를 통하여야 할 필요가 절대적인 요건이 된다. 만일 그 상대가 근접해 있을 때에는 몸짓이나 언어로 의사가 통하지만 양자의 거리가 멀어짐에 따라 말이나 몸짓으로 통할 수 없게 되기 때문에 타인을 통하거나 빛·연기·소리 등을 통하여 의사를 전하였다. 문자가 발명됨에 따라 통신은 발전되어 석반(石盤)·금속판·목판·동물의 가죽에 문자를 조각하여 그 내용을 전하게 되었다. 조직적인 통신제도가 역사적으로 등장한 것은 페르시아 시대 키루스왕(재위:BC 559~BC 530)에서 다리우스왕에 이르는 3대 동안 페르시아 제국의 통치를 위한 군사상의 목적으로 설치한 역제(驛制)이며 로마제국에 계승되었다. 그 후 12세기 유럽의 주요지에 소재한 대학의 유학생과 그들의 고향인 유럽의 각지를 연결하기 위한 서간의 전달, 남부 독일의 슈바벤을 중심으로 한 정육업자(精肉業者)의 통신, 1484년 스트라스부르를 중심으로 하여 생긴 것으로 은문갑을 사용한 통신 등이 존재하였다.
통신사업의 원조는 신성(神聖) 로마제국시대의 이탈리아의 프란체스코 데 다시스(독일명:다키시스)인데 그는 1516년 로마 황제의 허가를 얻어 제국 내에 우편망을 설치하여 일반 시민이 이용할 수 있는 사영사업(私營事業)을 시작하였다. 근대 우편제도는 1840년 영국인 R.힐이 우표에 의한 균일요금제도를 고안한 데서 발단하였는데 이 제도는 세계각국 우편제도의 기본이 되어 있다. 한국에서 근대우편이 처음 시작된 것은 1884년 우정총국 개국과 함께 서울~인천 간에 우편물 취급이 개시되었다가 갑신정변으로 중단된 후 1895년 다시 서울·인천·개성에 우체국을 개설함으로써 재개되어 100년이 넘는 역사를 가지게 되었다.
한편 전기통신은, 첫째, 전신은 1809년 오스트리아의 죄머링이 물 전해장치를 이용한 전신기를 만든 것에서 시작되어, 1837년 영국의 C.휘트스톤과 F.W.쿡이 지시전신기를 발명하고, 같은 해 미국의 청년화가 S.F.B.모스가 전신부호로 특허를 얻어 1844년 워싱턴과 볼티모어 사이의 전신선을 통한 모스 부호에 의한 전신사업을 개시하였다. 둘째, 전화는 페이지(미국:1837), C.부르술(프랑스:1854), P.라이스(독일:1861) 등에 의하여 원리의 발견·발명이 이루어졌으나 어느 하나 실용 단계에 이르지 못하다가 A.G.벨이 발명(1876)한 전화기가 오늘날 전화기의 원조가 되었다. 한국에서의 전신은 1885년 9월 28일 서로전선(西路電線)이 개통되어 한성~인천 사이에 전보송수가 시작됨으로써 시작되었다. 한편 전화는 96년 궁내부(宮內府)에 전화기를 설치, 운용한 데서 비롯되며, 1902년 3월에는 한성~인천 간에 통화업무를 취급하기 시작하였다. 전기통신에서 중요한 위치를 차지하는 것이 무선통신이다.
1895년 이탈리아의 G.마르코니는 독일의 H.헤르츠가 발견한 전자기파(電磁氣波)와 프랑스의 E.브랑리가 발명한 검파기(檢波器)에 자기가 고안한 안테나와 어스를 결합하여 전파에 의한 통신방법을 발명하였다. 이 소식이 전해지자 그 실용성과 신기성(新奇性)이 인정되어 각국은 앞을 다투어 그에 대한 연구와 실용화에 열을 올렸다. 특히 영국은 1896년에 마르코니 무선전신회사를 설치하게 되어 해상의 선박국과 육상국 사이 또는 선박국 상호간의 교신을 시작하였다. 당시 세계를 제패하고 있던 영국으로서는 본국과 도처의 식민지를 결합하기 위해 불가결하였다. 무선통신 발명 초기에 여러 나라는 항해상 특히 국방상 중요한 무선국의 설치·운영은 마땅히 국가 관리하에 두어야 한다고 보고 국가가 이를 관장하는 것을 원칙으로 삼았다. 한편 무선통신은 특정국가에 의하여 전관(專管)될 수 없는 본질성을 가지고 있다.
전파의 공간적 전파성과 취급법의 공통성이 그것이다. 따라서 각국은 공통된 기술 기준과 취급법을 협의·약정하고 그것을 준수함으로써 비로소 무선통신의 실효를 거둘 수 있다는 것을 인정하고 1903년과 1906년에 거듭된 국제회의를 거쳐 세계무선전신조약을 체결하였다. 한국에서의 무선통신은 1910년에 항로표지와 세관감시를 겸한 광제호(光濟號)와 월미도 등대에 무선국을 설치·운용한 것이 시초이다. 같은 해에 목포와 소청도 등대에도 무선국을 설치하였다. 해안국으로서는 서울무선국(현재의 서울중앙무선국과 인천무선국)이 1923년에, 목포·청진·제주 무선국이 1924년에 각각 설치되어 해안업무와 고정업무를 병행하게 되었다.
라. 현대의 통신
신호를 전송할 때 전자파를 이용한 무선통신과 도체선로(또는 광섬유)를 이용한 유선통신 가운데 어느 한쪽의 방식을 쓰거나 양쪽 다 쓰는 경우도 있다. 이와 같이 통신기술의 발달에 따라 유·무선통신의 구분이 모호해지고 있지만, 보는 관점에 따라 통신방식을 여러 가지로 나눌 수 있다.
1) 무선통신 : 일찍이 세계를 지배하던 모스통신은 해상통신에서 지금도 조난통신을 주축으로 하는 통신시스템으로서 활용되고 있다. 그러나 원양선박전화·연안선박전화·국제항만전화 등이 보급되고 또한 기상정보(일기도)·뉴스 등의 입수도 단파에 의한 팩시밀리가 주역을 맡게 됨으로써, 모스통신의 지위는 약화되고 있다. 더욱이 국제해사위성통신기구(International Maritime Satellite;INMARSAT)에 의한 선박지구국이 창설되어 텔레타이프나 전화를 사용하는 육상 또는 선박 상호간의 통신이 이루어진다. 또한 국제해사위성을 이용하는 팩시밀리나 데이터통신도 널리 보급되고 있어 선박과 육상의 사무소가 온라인으로 접속된다. 한편 단파통신회선을 이용하는 것으로 선택호출과 오자정정 기능도 가지고 있는 협대역(狹帶域) 직접인쇄전신시스템이 세계적으로 보급되고 있어 모스 통신은 그 자취를 감추게 될 것 같다. 무선통신은 사용하는 주파수에 따라 장파(LF)·중파(MF)·단파(HF)·초단파(VHF)·극초단파(UHF)·마이크로파통신·레이저(LASER) 광통신 등으로 구분할 수 있다. 보통 30㎒ 이하의 주파수대는 전리층의 반사를 이용할 수 있으며, 원거리 통신에 매우 중요하다.
2) 위성통신 : 인텔새트(INTELSAT; International Telecommunication Satellite Organization)계의 통신위성은 1978년 3월에 발사된 프라이머리를 시초로 하여 태평양상에 3개, 대서양상에 4개, 인도양상에 3개가 궤도상에 있다. 한국은 1967년 2월 인텔새트에 가입하여 70년 6월과 77년 9월에 태평양·인도양 위성통신을 위한 지구국을 금산(錦山)에 설치, 전세계 어느 곳과도 위성통신을 통해 방안에서 TV 뉴스 시청이 가능하게 되었다. 그 뒤 95년 8월 통신·방송용 인공위성인 <무궁화호>를 쏘아 올리게 되었다.
3) 디지털통신 : 지상에서 현재 이용되고 있는 통신회선은 전화·텔레타이프·팩시밀리·데이터통신 등 모두가 시분할(time division multiplex)방식에 의해 수천, 수만의 통화가 한가닥의 통신회선을 통하여 동시에 전송된다. 또한 하나의 통화는 펄스부호변조(PCM; pulse code modulation)로 디지털화하여 수신측에서 재생될 경우 오류나 착오를 최소로 줄일 수 있으므로 종래의 장거리 전화에서 경험한 잡음이나 감(感)의 불량성이 거의 없어지게 되었다. 주반송파는 기가헤르츠(㎓)단위의 마이크로파이며, 변조방식은 위상편이변조(PSK; phase shift keying)방식으로 광대역화된다. 이 대역폭을 지나치게 확대하지 않고 고속화할 수 있는 변조방식으로서 최소편이변조(MSK; minimum shift keying)방식이 개발되어 고속 데이터 전송회선 등(특히 인공위성을 사용하는 리모트 센싱의 화상 데이터의 전송)에 사용되고 있다. 광대역화와 고속화의 극한에 있는 것이 광통신인데 현재 광통신케이블도 실용화되고 있다. 이러한 통신기술의 발전은 주로 펄스부호변조 기술의 발달에 기인하는 바가 큰데 이러한 기술발달의 원동력은 진공관을 대신하는 트랜지스터로 대표되는 반도체 박막소자의 발달이다. 이 소자를 활용하여 플립플롭(flip-flop)·카운터·메모리 등을 집적회로(IC)화하였고 다시 마이크로프로세서, 컴퓨터로 발전하여 PCM기술을 지원하는 기초기술이 되었으며 이어 <생각하는 통신장치>로 발전되어 가고 있다. 현단계에서 인간은 단순히 통신뿐 아니라 다른 행성에 발사한 탐사체의 관측시스템을 원격조작, 센서나 카메라를 정확하게 목표를 향하게 함으로써 데이터나 사진을 전송케 하거나 프로그램에 따른 복잡한 순서로 관측시키고 또는 상황을 판단하여 다음 행동을 취하게 하는 등의 기술까지 개발하였다. 이러한 고도의 기술은 군사적으로 이용되면 인류를 파멸로 몰아넣을 것이나 리모트 센싱(원격 감지)과 같은 평화적인 목적에 이용한다면 새로운 자원의 발견이나 과학·천문학상의 연구·발전을 돕는 유용한 자산이 될 것이다. 현재 기상관측위성이 발사되어 태풍·저기압·전선 등의 정보를 정확하게 알려주고 있는 것이 그 예이다.
4) 부가가치통신망(VAN; value added network) 및 근거리통신망(LAN; local area network) : 컴퓨터나 워드프로세서가 출력한 문서나 도형을 인쇄물로서가 아니라, 데이터의 연복사(soft copy)로서 전송하여 수신자가 디스크 등에 축적하여 필요에 따라 인쇄하거나 재처리하여 다른 자료로서 편집하여 이용할 수 있는 것이다. 부가가치통신망은 사용하는 컴퓨터의 시스템이 서로 다른 경우에도 전송 도중에 시스템을 변환하는 등의 처리(부가가치)를 함으로써 마치 동종의 시스템인 것처럼 데이터의 교환이 가능하다. 근거리통신망은 은행간의 예금 데이터의 교환을 비롯하여 우편 자동화, 항공권이나 열차표의 자동예약이나 자동확보 등이 가능하다. 비디오텍스는 뷰데이터(view data) 또는 텔레텍스트라고도 하는데, 이것은 전화회선을 써서 정보센터에 있는 대형 컴퓨터에 기억된 정보를 인출하여 TV에 문자와 도형으로 보여주는 문자도형정보통신망이다. 선진국에서는 각자의 시스템을 개발하고 있는데, 그 선두국은 영국으로 79년에 프레스텔과 데이텔이라는 시스템을, 캐나다는 텔레돈, 프랑스는 텔레텔, 일본은 캡틴이라는 전화회선 문자정보네트워크를 운영하고 있다. 이런 비디오텍스를 통해 가정에서 쇼핑·은행업무·숙박정보·기차나 항공기의 예약 등 각종 정보 안내를 이용하고 있다. 이와 같이 일기예보·교통 통제·은행이나 보험 업무, 또한 농·어업도 위성 통신을 포함하는 수많은 통신 시스템을 이용하고, 우리들이 깨닫지 못한 분야에서도 복잡한 형태로 관련되어 있다. 따라서 통신시스템 기술과 그 개발능력이 현재의 국제정치를 움직인다고 할 수 있다.
2. 무선통신
가. 무선통신의 개요
송신측에서는 보내고자 하는 정보를 전자파에 실어서 공간에 방사하고 수신측에서는 공간을 거쳐서 전파되어 온 전자파로부터 원래의 신호를 수신기로 재현해 내는 것을 말한다.
나. 무선통신기기의 기본 구성
전파를 보내는 장치(송신 장치, Transmitter)와 전파를 받아들이는 장치(수신장치, Receiver)로 구성되며, 전파의 발사와 수신에 필요한 안테나와 급전선이 부수적으로 따르게 된다.
1) 수신장치
RF 수신부의 일반적인 구조는 아래 그림(Single IF의 예)과 같다. 이 예제에 사용된 블록도가 모든 통신시스템에서 똑같지는 않지만, 기본적인 수신구조는 유사하게 구성되어 있다.
그림 1-2 수신장치 구성도
가) Antenna (안테나)
공기 중의 전자기파(electromagnetic wave) 신호를 수신하여 도선상의 전기적 변화로 전달해 준다.
나) Band select filter (대역선택 필터)
안테나로 수신된 신호는 잡스런 주파수들이 섞여 있으므로, 원하는 주파수 대역만 증폭시켜줄 수 있도록 대역통과 필터링 기능을 수행한다. 채널을 여러 개 쓰는 경우 채널들 전체(in-band)를 통과시켜주어 하며, 동일한 안테나를 쓰는 경우에는 duplexer가 band select filter의 역할을 겸한다.
다) Low Noise Amplifier (LNA, 저잡음 증폭기)
공기 중의 잡음이 잔뜩 묻어온 수신신호를, 잡음까지 증폭되는 것을 최대한 억제하면서 신호가 증폭될 수 있도록 해준다.
라) Image reject filter (이미지 제거필터)
LNA에서 증폭된 신호 중에서 치명적인 image frequency가 믹서로 전달되는 것을 막기 위해 다시 한번 대역통과 필터링을 합니다. 부가적으로 spurious 주파수들을 제거하고, RF단과 IF단을 분리하여 수신부의 안정성을 도모한다.
마) RF down mixer (RF -> IF 하향변환 혼합기)
적당히 저잡음 증폭된 RF 신호를 IF 대역으로 주파수를 하향 변환해준다.
바) RF local oscillator (RF LO, RF 국부발진기)
RF down mixer에 주파수 합성을 위한 LO주파수를 공급하는 역할을 하며 채널 선택이 필요한 통신의 경우에는 LO 주파수를 변화시켜 채널선택을 할 수 있도록 한다.
사) Phase Locked Loop (PLL, 위상고정루프)
RF LO의 출력주파수가 흔들리지 않고 일정한 주파수에서 고정되도록 하는 기능을 수행하며(locking) 또한 control 입력을 통해 RF LO로 사용되는 VCO(전압조정 발진기)의 전압을 정교하게 조절해서 RF LO 출력 주파수를 원하는 주파수로 이동하고 고정시켜 준다. 즉 주파수 튜닝 기능을 하는 조절부이다.
아) Channel select filter (채널선택 필터)
IF 주파수로 변환된 신호들은 여러 채널들을 다 포함하고 있다. 이들 중에서 원하는 채널만을 대역통과 필터링하여 선택하는 기능으로서, 매우 중요한 역할을 수행한다. 각 채널간의 간격은 대부분 좁기 때문에, 스커트 특성이 좋은 필터가 필요하게 된다.
자) IF amplifier (IF 증폭기)
RF단의 LNA만으로는 미약한 수신신호를 충분히 증폭시킬 수 없으므로 채널 필터링을 거친 후에 IF amp를 통해 상당량의 신호증폭을 수행해야 한다. 정교한 전력조절이 필요한 경우에는 IF amp의 gain을 VGA(Variable Gain Amplifier)나 AGC(Auto Gain Control)의 형태로 임의 조절할 수 있는 형태로 사용하게 된다.
차) IF down mixer (IF -> 기저대역 하향변환 혼합기)
IF단에서 채널선택과 증폭을 마무리하고, 캐리어 주파수를 제거하여 원래 신호가 담긴 주파수대역인 기저대역(baseband)로 변환하기 위해 다시 하향변환 믹싱을 한다.
카) IF local oscillator (IF LO, IF 국부발진기)
IF를 baseband로 변환하기 위한 IF mixer에 LO 주파수를 공급해 준다. LO주파수를 고정시키기 위해 IF PLL이 부가적으로 사용되기도 한다.
2) 송신장치(Transmitter)
RF 송신부의 일반적인 구조는 아래 그림과 같다. 아래 노란 박스의 부분은 수신부의 LNA이후의 블럭도를 그대로 뒤집은 것과 거의 유사하므로 그 이후단의 역할만 설명한다.
그림 1-3 송신장치 구성도
가) Drive amplifier (DA, 구동증픅기)
Tx단은 Rx단과 달리 일정한 입력신호를 갖고 있다. 그 입력신호를 꽤 큰 전력의 신호로 증폭시켜야 하는데, 그 역할은 Power amp(PA)가 하고 있나 PA는 구조상 충분한 gain을 갖고 있지 못한 경우가 많고, 또한 Power amp가 충분한 전력으로 증폭을 하기 위해선 입력신호 역시 어느 정도 수준의 전력을 가져야 한다. Drive amp는 Power amp의 gain부족을 해결하고, 동시에 PA에 충분한 입력전력을 만들어주는 역할을 수행한다.
나) Band select filter (대역선택 필터)
Drive amp는 어차피 비선형성을 가진 증폭기이기 때문에 불필요한 주파수 출력성분이 나타날 수 있다. 그러한 spurious 주파수성분이 Power amp에서 증폭되는 것을 피하기 위해 사용 중인 채널대역들만 통과시키는 대역통과 필터링이 필요하다.
다) Power amplifier (PA, 전력증폭기)
RF tx부의 최고 핵심 부품으로서, 최종단에서 충분한 전력을 가진 신호를 내보낼 수 있도록 전력증폭하는 기능을 수행한다. gain을 갖고 신호를 증폭하되, 다른 amp들과 달리 출력에서 많은 전류를 흘릴 수 있도록 설계되어 출력상에서 높은 dBm의 전력을 소화할 수 있다. Tx의 규격은 철저하게 PA의 spec에 따라 결정되는 경우가 많고 소형단말 시스템의 경우에는 출력매칭과 일부 주요 소자를 PA MMIC barechip과 함께 집적한 PAM(Power Amp Module)로 사용하는 경우가 많다. PAM을 이용하면 Tx 면적을 줄이면서도 출력매칭의 민감도가 떨어져서 시스템을 구현하기가 쉬워지며, 무엇보다 가장 고장률이 높고 민감한 부품인 PA의 신뢰성에 대한 부담을 PAM을 통해 개선할 수 있다.
라) Isolator (아이솔레이터)
송신단은 신호를 보내는 단이지 신호를 받는 단이 아니다. 그럼에도 불구하고 안테나를 통해 신호가 역으로 유입될 가능성이 존재하기 때문에, 특정 방향으로만 신호가 전달될 수 있도록 신호의 방향을 고정할 필요가 있습니다. 출력방향으로는 신호가 흐르고, 역방향으로 들어온 신호는 termination 시켜 버려서 역으로 전달되지 않도록 하는 소자가 바로 아이솔레이터이다. 이를 통해 신호가 역으로 유입되어 PA 출력단의 임피던스를 교란시키는 것을 막아서 PA가 파손되는 것을 방지한다. 또한 많은 PA들은 출력쪽을 부정합(mismatch)시키고 파워매칭을 하기 때문에 출력쪽의 반사계수(S22)가 나쁘게 됩니다. 그것으로 인해 VSWR이 높아져서 PA출력단에 불필요한 정재파 전압이 걸려서 PA가 파손되는 것을 막는 역할도 겸하게 된다. 아이솔레이터는 커플러처럼 그 자체로 입출력 임피던스가 매칭되어 버리는 것처럼 되는 소자이기 때문이다. 아이솔레이터는 가격이 상당히 비싼 부품에 속하기 때문에 꼭 필요하다고 판단되는 경우에만 사용한다.
마) Band select filter (대역선택 필터)
Drieve amp단과 마찬가지로 비선형 증폭기 후단에 비선형적인 spurious 주파수성분들이 나타날 수 있으므로 그것들을 잘라내고 원하는 주파수대역만 외부로 방출하기 위해 마지막으로 대역통과 필터링이 필요하다. 수신단과 안테나를 공유하는 시스템이라면 duplexer가 이 역할을 겸하게 된다.
바) Antenna
최종적으로 도선상의 전기적 신호변화를 공기 중의 전자기파로 복사(radiation)시키는 기능을 수행한다.
다. 변조방식
1) 변조의 필요성
가) 주파수의 할당
나) 하나의 전송로에 복수의 정보를 전송하기 위하여 다수의 반송파를 사용하여 기저대역의 정보를 변조․전송한다.
다) 복사를 용이하게 하기 위하여, 즉 저주파신호를 원거리 복사하기 위하여 변조를 시행한다.
2) 변조의 종류
가) 진폭변조 (Amplitude Modulation : AM)
변복조 시스템을 논할 때 가장 기본이 되는 진폭변조 (AM)시스템은 구조가 간단하고 구현하기도 쉽기 때문에 여러 분야의 통신에 광범위하게 사용되어 왔다. 그림에서 보이듯이, AM은 신호파형이 변화하는 양을 높은 주파수의 반송파(carrier)의 조밀한 한파장 단위 높낮이에 맞추어 실어 보내게 된다.
그림 1-4 진폭변조 파형 및 주파수 분포도
① DSB (Double Side Band)
일반적인 진폭변조 시스템(Conventional AM)의 경우, 아래 그림의 주파수 분포도에서 알 수 있듯이 신호파형이 원점을 중심으로 음과 양의 주파수로 나누어져 있다. 그래서 높은 주파수에 변조시키면 주파수 분포도와 같이 반송파 주파수를 기준으로 양쪽에 주파수 성분을 가지게 된다. 이러한 일반적인 AM 변조방식을 DSB(Double Side Band) AM이라고 한다.
② SSB (Single Side Band)
일반적인 AM변조의 경우 대역폭이 W인 신호파가 변조되면 2W로 대역폭이 늘어나게 된다. 이것은 원래 신호 파형이 가지고 있던 음의 주파수 성분, 즉 imaginary 성분이 주파수 대역을 이동하면서 따라갔기 때문이다. 이러한 DSB 변조방식의 경우 주파수효율이 나쁘기 때문에 어느 한쪽 주파수 대역을 잘라낸 AM 변조방법이 바로 SSB(Single Side Band) AM이다. 신호 주파수는 0점을 기준으로 서로 반대된 거울같은 영상이기 때문에, 한쪽만 있어도 모든 정보가 전송이 가능하므로 상측파대 혹은 하측파대를 필터로 제거하여 전송하게 된다.
그림 1-5 사용 주파수대별 SSB
A. SSB의 종류
SSB는 일단 하측파대를 제거하느냐 혹은 상측파대를 제거하느냐에 따라 두 가지로 분류되지만, 그 성능차이가 미미하기 때문에 대역 환경에 따라 사용자가 알아서 선택하게 된다. 대신에 반송파부분을 제거하느냐 안하느냐에 따라서 3가지의 SSB 방식이 존재한다.
억압반송파 SSB(J3E) : 반송파를 측파대 최대전력의 1/10000 이하로 억압하여 전송한다.
저감반송파 SSB(R3E) : 반송파를 측파대 최대전력의 1/100 이하로 저감시켜 전송한다.
전반송파 SSB(H3E) : 반송파를 전부 전송한다.
B. SSB 의 장단점
SSB가 DSB에 비해 가진 장점과 단점은 다음과 같다.
☞ 장점 - 주파수 이용효율이 높아진다.
- 적은 전력으로도 양질의 통신이 가능하다.
- 대역폭이 작아서 잡음영향이 줄어들어 SNR이 좋아진다.
- 전력효율이 좋다.
- 변조전력이 작아서 소형화가 쉽다
☞ 단점 - 회로구성이 복잡해진다.
- 다단변조를 하게 되어 가격이 비싸진다.
- 복조기에 국부 발진기가 추가로 필요해진다.
- 동기가 잘 맞지 않으면 왜곡이 심해진다.
나) 주파수 변조 (Frequency Modulation : FM)
AM과 더불어 널리 사용되는 변조방법으로서, 신호파의 크기변화를 반송파의 주파수 변화에 담아서 보내는 방법이다. AM이 주파수는 고정되고 진폭이 변화한 반면, FM은 주파수가 변하는 대신 진폭은 항상 같은 값으로 유지된다. 아래 그림에서 보여지듯이 신호파형의 전압이 높을수록 주파수가 높아져서 파장이 조밀해지고, 그 반대로 전압이 낮을 때는 주파수가 낮아져서 파장이 넓어지게 된다.
그림 1-6 주파수 변조
다) 위상 변조 (Phase Modulation : PM)
위상변조는 주파수변조(FM)와 비슷한 개념이다. 주파수변조는 주파수의 변화에 정보를 싣고, 위상변조는 위상의 변화에 정보를 싣지만 신호도메인에서 두 변조 신호의 특성을 관찰하면 유사한 이론적 특징을 발견할 수 있다.
실제 아날로그 통신에서 위상변조는 그리 많이 사용되지 않고, 디지털 변조에서 PSK 등의 위상의 천이(shift)하는 방식으로 많이 응용된다.
라) 주파수 변조와 위상 변조의 비교
그림 1-7 주파수 변조(상) 및 위상 변조의 비교
주파수 변조와 위상변조는 각 변조라는 개념에서 유사하지만 위 그림에서 알 수 있듯이 주파수 변조는 신호파 진폭의 크기에 비례하여 주파수의 높고 낮음이 결정되지만 위상변조는 신호파의 변화량 즉 기울기의 크기에 따라 주파수가 결정되는 차이점을 갖고 있다.
라. 중간주파수 변환(헤테로다인 방식)을 수행하는 이유
IF를 사용한다는 얘기는 주파수변환을 여러 차례 추가적으로 해야 한다는 의미가 된다. 그렇기 때문에 직접적으로 가장 걸리적거리는 문제는 아무래도 경제적 문제다. 믹서가 붙을 때마다 필터가 붙어야 하고, IF단만이 사용하는 각종 필터와 증폭기, 주변회로들로 인해 통신시스템의 단가를 올려놓게 된다. 그럼에도 불구하고 결론적으로는 성능이 좋고 구현이 쉬우니까 결국 IF를 사용하게 된다.
성능적으로 본다면, 반복되는 주파수변환으로 인해 잡스런 신호가 많이 발생한다는 문제가 있다. 비선형 특성이 많이 가미되다 보니 별의 별 intermodulation이나 spurious같은 것들이 대량 발생하게 된다. 그래서 결국 여러 BPF에 의존하는 수밖에 없고, 그것이 결국 단가를 높이는 원인이 된다.
단점에 비해서 성능적으로 얻을 수 있는 잇점 - 선택도, 안정도, 민감도 등 - 이 많기 때문에 결국 IF를 이용하는 수퍼헤테로다인 방식의 통신시스템을 사용하게 되는 것이다.
하지만 이런 단가부담 및 시스템의 복잡성 문제 때문에 서서히 IF를 없애는 시도가 재시도 되고 있는 상황입니다. 소위 말하는 Direct Conversion (Zero -IF) 이 바로 그것입니다.
엄밀히 말하면 원래 통신방식은 이런 캐리어 - 베이스밴드간을 바로 변환하는 방식으로 가야 정상이었을 것이다. 하지만 이러한 직접변환은 많은 문제점을 야기 시키기 때문에 성능을 개선하는데 한계가 있었다. 그래서 예전의 통신학자들이 이런 직접 변환의 문제를 해결하기 위해 고안해낸 것이 결국 IF인 것이다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이, DCR(Direct conversion receiver)는 IF가 생략되기 때문에 수신기 구조가 간단해진다.
그림 1-8 Direct Conversion Receiver의 구조
하지만 뒤집어 말하면, Direct conversion은 IF를 이용하면서 해결할 수 있는 각종 문제를 떠안고 있다. IF를 사용하지 않음으로써 시스템이 간단해지고, 그로 인해 one-chip화의 가능성이 커지고, 결국 단가를 낮출 수 있다는 시장원리적 장점을 제외하곤 성능적으로는 많은 문제점을 안고 있다. 발진문제, 선택도문제 등은 물론 특히 mixer에 대한 역할부담이 커지게 되며 특히 DC offset과 같은 치명적인 문제를 야기시키게 된다.
위의 그림에서처럼 RF주파수를 바로 베이스밴드로 내리다 보면 RF주파수와 LO주파수가 같게 된다. 이때 아무 신호가 실리지 않은 LO주파수의 leakage가 발생할 수 있는데, 특히 LNA등을 거쳐서 증폭되어 버린 LO leakage신호가 mixer에서 진짜 LO주파수랑 믹싱되면, 아무 의미없는 DC 신호성분이 나와 버린다. 자기 주파수에서 자기 주파수를 빼면 남는 것은 바로 주파수가 0Hz인 DC term이 나오게 된다. 중간에 필터가 있긴 하지만 RF나 LO나 주파수가 같아서 leakage를 줄이는데 한계가 있다. RF를 통과시켜야 하는 BPF인지라 LO역시 같이 통과하게 된다.
그리고 외부에서 다른 주파수의 강한 신호가 들어오면, LO path에 leakage를 일으켜서 mixer에서 자기 신호끼리 쿵짝대면서 또 다른 DC offset 성분을 만들 수도 있습니다. 이 모든게 RF와 LO가 같아야 하는, Direct conversion 고유의 운명에 기인한다. 이렇게 발생한 DC offset 신호는 원래 복조되어야 할 신호 한복판에서 신호의 정보를 망가뜨리게 된다.
이것을 제거하기 위해서는 다양한 방법들이 시도되고 있으며, GSM과 같이 time slot을 이용하는 pulsed mode 통신에서는 통신이 이루어지지 않는 시간 중에 DC 전하를 방전시키는 방법으로 해결하고 있다. 무선랜에서는 DC 주파수 영역에 아예 신호를 싣지 않도록 고안된 OFDM방식을 이용하여 해결하고, CDMA의 경우는 변조방법이 더욱 복잡하기 때문에 난해한 self-calibration방법 등이 동원되고 있다. 즉 이러한 치명적 DC offset 제거방법은 통신방식에 크게 의존하고, 모든 시스템에서 쉽게 해결가능한 문제로 보기에 힘든, 그렇고 그런 문제라서 참으로 골칫거리다.
하지만 아시다시피 세계적으로 이동통신을 주축으로 한 통신시장이 커지면서 시장은 더욱 치열해지고 있다. 그러다 보니 역으로 예전에 하다말던 Direct conversion 방식의 경제성이 부각되고, 결국 그것의 단점들을 극복해보기 위한 기술적 노력들이 계속되어 상당한 수준에 이르게 된 것이다. 아직 미진한 부분도 있지만 점차 이동통신 단말분야에서 direct conversion 방식이 확산되고 있는 분위기다. 값싸고 작다는 강력한 시장논리에 의해 소형단말과 같은 특정 분야에서는 발전이 가속화되고 있는 것이다.
그렇다면 Direct conversion 기술이 완전히 자리 잡으면 IF단은 사라지게 될까? 이러한 Direct conversion 방식은 주로 가격경쟁이 치열한 이동통신 단말분야나 무선랜 분야에 집중되고 있다. 또한 기존의 IF방식이 가진 안정적인 성능을 무시할 수 없기 때문에, 모든 통신시스템에서 IF를 버릴 가능성은 거의 없다. 아마도 direct conversion 방식과 IF 방식이 공존하게 되며, 일부 저가형 통신단말기를 제외한 기존의 통신시스템 대부분은 여전히 IF를 사용하게 될 것이다.
가장 중요한 두 가지 문제는 선택도와 주파수간섭문제다.
선택도는 위에서 설명했다시피, IF주파수가 낮을수록 채널필터의 Q값 요구가 작아지기 때문에 더 좋은 선택도를 구현하기가 쉽다. 반면 주파수간섭문제(영상 주파수와 스퓨어리스)는 IF가 높을수록 문제가 적어진다.
그림 1-9 IF 주파수 선택
위의 그림에서 보여 지듯이, IF 주파수가 너무 낮아 버리면 선택도는 좋아질지 몰라도 이미지 주파수가 원래 LO신호와 너무 가까워지는 딜레마에 빠지게 된다. 한마디로 선택도와 주파수간섭문제는 정반대의 trade off 특성을 갖고 있다. 그래서 선택도와 주파수간섭문제를 동시에 고려해서, 높지도 낮지도 않은 적절한 IF주파수를 골라야만 한다. 그렇다고는 해도, 혹시 선택도와 주파수간섭 문제를 동시에 해결할 방법은 없을까?
그래서 결국 이 문제를 해결하기 위해 사용하는 방법이 double conversion 방식입니다. 실제로 이동통신이나 기타 많은 통신 시스템은 성능강화를 위해 IF주파수를 두개씩 사용하고 있다.
그림 1-10 Double Conversion 방식
그림에서처럼 첫 번째 IF주파수는 높게 책정하여 주파수간섭문제를 어느 정도 격리시킨 후, 두 번째 IF주파수를 낮게 또 한번 변환시켜서 채널을 선택함으로써 선택도 문제를 해결한다. 더욱 돈이 많이 드는 복잡한 방법이지만, 성능면에선 더욱 유리하기 때문에 어쩔 수 없이 또 이렇게 사용한다.
이런 식으로 여러 가지 trade off를 거쳐서 시스템에서 사용될 적절한 IF 주파수 하나 혹은 두 개가 결정된다. 이에 추가적으로 주파수가 높던 낮던 간에, 베이스밴드대역의 하모닉 주파수와 IF주파수가 겹치지 않도록, 또한 IF주파수의 하모닉 성분이 RF주파수나 또 다른 IF 주파수와 겹치지 않게 결정할 필요가 있다. 그런 하모닉 관계들이 재수없게 겹치면 어떤 이상증세가 나올지 모른다. 경우에 따라 double conversion을 쓰는 경우는, 하나의 LO주파수에 divider등을 추가로 이용하여 교묘하게 두개의 IF주파수를 만들 수 있도록, 두 IF를 배수관계로 설정하는 기지도 발휘할 수 있다.
일반적으로 권장되는 IF주파수와 그 주요 용도는 아래 표와 같다.
Common IF frequency | |
IF 주파수 |
주요 이용용도 |
455 kHz |
일반장비 |
10.7 MHz |
일반 수신기 |
21.4 MHz |
고성능 수신기 |
45 MHz |
TV, 셀룰러폰 |
70 MHz |
위성 TV, 군사용 |
160 MHz |
위성장비 |
마. RF에 대한 재정의
RF에 대한 일반적인 정의는 아래와 같다.
"전자기파 주파수대역을 이용하여 무선통신 및 고주파를 이용하는 장비설계, 연구 공학분야 일체를 지칭한다."
이 말에서도 한 가지 알 수 있는 것은 RF가 다 통신은 아니란 것이다. 실제로 RF에 종사하는 사람들이 통신장비 일만 하냐면 그렇지 않다. 물론 통신쪽에 가장 다양하게 응용되는 것은 사실이지만, 의외로 RF의 분야는 넓고 방대하다.
그리고 중요한 것은 RF라 함은 보통 소프트웨어적 구조가 아닌 물리적 질량을 갖는 '하드웨어' 설계를 의미하는 경우가 많다. 아무리 전자파이론을 공부해도 공학에서는 결국 그것을 이용하는 모종의 장비를 설계하는 것이기 때문이다. 하지만 우리가 흔히 학문에서 '통신'이라고 부르는 분야는 하드웨어가 아닌 통신 프로토콜 수준의 개념적인 것들을 주로 지칭한다. 이것은 굉장히 큰 차이다.
통신은 보통 유선과 무선으로 나뉘며, 유선이건 무선이건 신호의 전달차원에서 보면 기초는 같다. 다만 유선보다는 무선환경에서 발생하는 통신변수가 매우 많기 때문에 보통 '통신'이라고 말해버리면 대체로 무선통신을 말하는 것처럼 되기도 하는 듯 하다. 그러다보니 무선통신단에 사용되는 RF단을 그냥 '통신'이라는 용어와 구분이 안되게 된 걸까? 정확히 표현한다면 "RF의 일부가 통신분야에 응용되고 있다." 라고 말할 수 있다. 즉 RF = 통신은 절대 아니다.
보통 무선쪽의 통신전공이라 하면 각종 이동통신 프로토콜 분석과 디지털 코딩, 변복조 성능분석 등의 분야에 집중하고 있다. 대부분 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 통신 시스템의 성능에 대한 연구를 많이 하게 된다.
반대로 RF 전공에서는 그런 차원은 이미 다 결정되었다고 생각하고 고주파 신호를 쏘고, 증폭하고, 잡음 제거하고, 안테나로 송수신 하고, 이런 부분에 집중하게 된다. 그리고 RF에서 그런 송수신단을 공부하는 것은 역시 RF의 일부일 뿐이다. 레이더라던지, RF를 이용한 각종 탐사, 탐지, 측정 및 전자파 전달 특성 자체를 연구한다던지, RF의 응용분야는 넓고도 방대하다.