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이 동 통 신 공 학

Life & Power Press

박용완·홍인기·최정희 공저

머리말

“세상을 바꿀 수 있다고 미친 생각을 하는 사람이 바로 세상을 바꾸는 사람

이다.”

얼마전, 전 세계를새로운통신기기인 iPhone으로열광시켰던스티브잡스

(Steve Jobs)가 한말이다. 이처럼한사람의생각이세상을바꿀수있는힘을

가지게된배경에는무수히많은이유들이있겠지만, 급속하게변화하는정보통

신이라는학문적장르와이동의제약을받지않도록통신을지원하는이동통신

기술이원천적인변화의원동력이다. 즉, 이동통신과정보통신이톱니바퀴처럼

맞물려 모든 사물 및 전자기기들과 유기적으로 결합되면서 새로운 패러다임을

만들고있는것이다.

개인이 사회가 되고 사회가 한 목소리를 낼 수 있는 소셜네트워크의 파장과

언제어디서나원하는정보를손쉽게얻을수있는스마트폰의대중화는우리가

상상하는것이상으로세상을빠르게변화시키고있어, 무척이나혼란스럽게느

끼는독자들도있을것이다. 이러한독자들을위해이제학문이아닌하나의문

화와트렌드로자리잡은이동통신분야를좀더쉽게이해할수있도록하기위

해이책의개정판을집필하게되었다.

급변하는통신응용분야를따라잡기란참으로어렵고대단한노력이필요하

다. 저자도 스마트폰을 사용하는 데 며칠을 독학하여야만 했으며, 원하는 응용

프로그램을다운로드받기위해숱한시행착오를거치면서한달이지나서야겨

우스마트폰이손안에있는것처럼자연스럽게느껴졌다. 이러한응용시스템부

분은시시각각변화하면서독자들과숨바꼭질을하지만, 그 응용시스템을구동

하는원천기술은 원토록변하지않는다. 수학이어려워졌다고구구단이나덧

셈, 뺄셈이변하지않는것과같은원리이다. 처음구구단을접하면어렵고이해

도잘안되지만, 완전하게습득하고나면수학을즐길수있는밑거름이되기때

문이다. 이 책이모든독자에게이동통신을이해하는데기초수학과같은존재

가되기를바란다.

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개정판을집필하면서초판보다설명을쉽고자세하게정리하도록노력하 으

며, 차세대이동통신에서꼭다루어야하는다수의응용시스템을추가하 다. 1

장은전반적인통신의개념과역사에대해설명하 다. 가장기본적이고원시적

인통신수단에서부터시작하여통신을이루는기본단위인신호와정보의표현

과 전송에 대하여 이야기하 다. 이를 바탕으로 아날로그, 디지털 신호의 개념

과통신방법을개괄적으로서술하 다. 2장에서는이동통신공학에입문하는독

자에게 가장 유용한 이론인 전파의 원리와 전파가 전파되는 기본 원리에 대해

서술하 다. 또한무선의공간에서전파를이용한통신을사용하는무선통신시

스템에대해설명하 다. 3장에서는이동통신이이루어지는통신채널환경의특

성과전파환경에대해서자세히이해할수있도록비교적깊이있게다루었다.

이동통신을처음접하는저학년의학부학생이나통신분야의입문자에게는다

소어렵게느껴질수있으나디지털통신에서이동통신시스템으로나아가는기

본이 되는 부분이므로 간과할 수 없다. 인구수보다 더 많은 휴대전화단말기가

존재하는 국내에서는 어디에서나 통화하는 사람들을 쉽게 볼 수 있다. 그리고

한번쯤은이러한사람들을보면서통화가도대체어떠한과정과시스템을거쳐

서이루어지는지궁금해한적이있을것이다. 4장에서는이러한궁금증을해결

해줄수있는통화과정에대한시스템적인내용에대해설명하 다. 5장에서는

셀룰러시스템에대한전문적인지식을다루었다. 이 책의표지문양이왜벌집

모양인지궁금했던독자가있다면이장을공부한순간그궁금증이해결될것

이다. 내용이흥미가없더라도벌집에대한궁금증을가지면서흥미를잃지않

고읽어주기를기대해본다.

그리고 6장과 7장에서는세계속의통신강국한국을널리알린 CDMA에대

한원리와시스템구조그리고차세대이동통신핵심기술인OFDM을비롯한다

양한 4세대이동통신의원천기술을담았다. 6장과 7장에서술된무선접속기술,

코드의역할, 채널구조등은지금도기본기술로여겨질만큼이동통신을공부

하는사람이라면누구나알아야할중요한내용이다. 또한뒤이어설명하는3세

대(3G) 역시 2000년대전세계이동통신세계에큰 향을미친중요한기술로

이책을읽는독자라면결코소홀히해서는안되는중요한내용이다.

새롭게 추가된 8장에서는 4세대(4G) 이동통신의 핵심기술인 OFDM을 비롯

한 다양한 차세대 이동통신시스템에 대해 서술하 다. 주위에서 무선공유기의

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안테나가여러개달린제품을많이보았을것이다. 그러나이여러개의안테나

가최근주목받고있는MIMO 기술이라는사실을아는사람은그리많지않다.

이처럼하루가다르게발전하고있는정보통신사회에서MIMO, CR 등여러차

세대 이동통신 기술에 대한 지식을 습득하고 미래에 대한 안목을 기르는 것은

어쩌면당연하고필수적인과정일것이다. 집필하는데어렵고힘들지않은장

이없었지만특히 9장은집필하면서고민에고민을거듭하고신중에신중을기

하며가장힘들게써내려간부분이라할수있다. 끝이보이지않는한계와감히

혁명이라부를수있는스마트폰의탄생과그파급력은지금까지의그어떤통

신분야의이슈보다뜨겁게느껴진다. 하루가다르게그 역을넓혀나가며성

장에대한예상조차감히할수없는스마트폰에대한내용을책으로집필하는

것이힘들었던것은어쩌면당연한결과일것이다. 9장에서는스마트폰의개요

와스마트폰의핵심이라할수있는운 체제의종류, 그리고앱스토어로대표

할수있는마켓플레이스에대해설명하 다. 또한 스마트폰의발전전망과이

후발전모습을예측해보았다.

유난히도 무더웠던 올해여름이지만 이동통신산업의 재부활을알리는 스마

트폰의등장으로그여느때보다뜨거웠던여름을보냈다. 이러한시점에서이

동통신공학의개정판을집필하는것이얼마나어려운일인가를새삼깨달았다.

누군가이렇게빠른정보통신환경을두고빛의속도보다더빠른진화라고표

현하 는데, 지금 이책이출판되는현시점에도무수히많은새로운기술들이

쏟아져 나오고 있을 것이다. 그러나 독자들이 새로운 기술을 이해하기 위해서

이책이가교역할을해줄것이라기대하며이 을마치고자한다.

개정판집필에도움을준 남대이동통신연구실허수정, 주 환, 송진우, 박익

현, 전혜인, 강민성학생에게고마운마음을전하며, 책의완성을위해아낌없는지

원과관심을가져준모든분들과생능출판사관계자분들께진심으로감사드린다.

2010년푸르른여름의마지막자락에서

박용완, 홍인기, 최정희

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차 례

1.1 통신의 개념과 역사 15

1.1.1 유선통신의 발전 18

1.1.2 무선 통신의 발전 19

1.2 신호의 표현 23

1.2.1 아날로그신호의 표현 24

1.2.2 디지털신호의 표현 30

1.2.3 시간 역과 주파수 역 34

1.2.4 주파수 스펙트럼(spectrum)과 대역폭(bandwidth) 37

1.2.5 신호의 강도(dB) 41

1.3 정보의 표현과 전송 49

1.3.1 정보와 정보량 49

1.3.2 신호의 전송 52

1.3.3 정보 전송매체 53

1.3.4 전송손상과 신호의 성능 60

1.3.5 통신시스템 채널용량(channel capacity) 69

1.4 디지털신호의 전송 72

1.4.1 디지털통신의 기본 블록도 72

1.4.2 디지털통신 기술 75

1.4.3 다중접속 방식 98

■연습문제 108

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CHAPTER01 이동통신의 개요

2.1 전파의 특성과 종류 113

2.1.1 전계와 자계 113

2.1.2 전자기파의 생성과 전파 115

2.1.3 전파의 발생 116

2.1.4 전파의 특성 119

2.1.5 전파의 종류 124

2.2 전파(propagation)의 원리 126

2.2.1 자유 공간에서의 전파 126

2.2.2 잡음 모델 138

2.3 RF 전송시스템 141

2.3.1 안테나 142

2.3.2 증폭기(amplifier) 159

2.3.3 필터(filter) 161

2.3.4 믹서(mixer) 162

2.3.5 소스(source) 163

■연습문제 166

3.1 이동통신 채널의 특징 171

3.1.1 경로손실(path loss) 173

3.1.2 섀도잉(shadowing) 173

3.1.3 페이딩(fading) 173

3.1.4 간섭(interference) 173

3.2 전파모델(propagation) 176

3.2.1 대규모 전파모델(Large-scale propagation) 177

3.2.2 소규모 전파환경(small scale propagation) 183

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CHAPTER03 전파와 전송시스템

CHAPTER02 전파와 전송시스템

3.3 페이딩 채널모델 211

■연습문제 213

4.1 이동통신시스템의 개요 219

4.2 이동통신의 역사 223

4.2.1 세계 이동통신의 역사 223

4.2.2 우리나라 이동통신의 역사 224

4.3 이동통신의 주파수 사용 현황 225

4.3.1 차량, 휴대전화용 주파수(CDMA cellular system) 225

4.3.2 이동전화용 주파수와 채널 구성 226

4.4 시스템의 구성과 설계 228

4.4.1 이동통신시스템의 구성 228

4.5 호 처리 절차 235

4.5.1 M에서 M으로의 통화 절차(이동전화-이동전화) 235

4.5.2 M에서 L로 통화를 연결하는 절차(이동전화-일반유선전화) 238

4.5.3 L에서 M으로 통화를 연결하는 절차(일반유선전화-이동전화) 240

4.6 문자메시지 서비스 시스템 242

4.6.1 문자메시지 서비스 시스템 구성과 개념 242

4.6.2 문자메시지 서비스 호 처리 절차 244

4.7 무선데이터 서비스 245

4.7.1 무선데이터시스템 구성 245

4.7.2 무선 IP 네트워크 구조 247

4.8 이동통신의 주요 기술 258

4.8.1 핸드오프 258

4.8.2 위치등록(location registration/autonomous registration) 261

4.8.3 로밍 기술(roaming) 263

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CHAPTER04 이동통신시스템

4.8.4 보안과 인증 267

■연습문제 271

5.1 셀룰러시스템의 개념 275

5.1.1 셀의 의미와 형태 275

5.1.2 셀룰러시스템의 기본 기술 279

5.1.3 셀룰러와 주파수재사용 283

5.2 시스템용량과 통화권 285

5.2.1 주파수재사용과 용량 285

5.2.2 간섭과 시스템용량 290

5.2.3 용량 증대 기술 299

5.2.4 중계기 306

5.3 트 킹 이론(trunking theory) 315

5.3.1 무선망 설계 과정 321

■연습문제 323

6.1 무선접속과 듀플렉스 329

6.1.1 무선접속 기술 329

6.1.2 듀플렉스(Duplex) 338

6.2 코드의 종류 및 발생 340

6.2.1 직교코드 340

6.2.2 의사잡음코드 343

6.3 대역확산 351

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CHAPTER05 셀룰러통신의 개념

CHAPTER06 cdmaOne시스템 개요

6.4 cdmaOne코드 356

6.4.1 코드의 할당 356

6.4.2 코드를 이용한 기지국 구분 358

6.4.3 의사잡음코드 동기 360

6.5 다이버시티 기술 367

6.5.1 주파수다이버시티 367

6.5.2 시간다이버시티 368

6.5.3 공간다이버시티 371

6.6 핸드오버 373

6.7 전력제어 378

6.7.1 역방향 링크 전력제어 378

6.7.2 순방향 링크 전력제어 383

6.8 cdmaOne시스템 용량 384

■연습문제 388

7.1 순방향 링크 채널 구조 397

7.1.1 파일럿채널 397

7.1.2 동기채널 399

7.1.3 호출채널 402

7.1.4 통화채널 405

7.1.5 순방향 링크 변조 411

7.2 역방향 링크 채널 구조 412

7.2.1 엑세스채널 413

7.2.2 통화채널 417

7.3 IMT-2000 주요 기술 421

7.3.1 대역확산 및 변조 421

7.3.2 역방향 링크 복조 방식 423

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CHAPTER07 cdmaOne시스템 채널 구조

7.3.3 OVSF 직교 코드 426

7.3.4 송신다이버시티 428

7.3.5 AMC와 HARQ 432

7.4 W-CDMA 채널 구조 437

7.4.1 W-CDMA 전달(Transport)채널 구조 437

7.4.2 W-CDMA 물리(physical)채널 구조 439

7.4.3 전달채널과 물리채널의 매핑 442

■연습문제 444

8.1 OFDM 450

8.1.1 OFDM 기술의 특징 450

8.1.2 OFDM 전송 이론 452

8.1.3 OFDM 보호구간 455

8.1.4 OFDM vs. FDM 457

8.1.5 OFDM 다중 액세스 기법 458

8.1.6 OFDM 방식의 통신시스템 460

8.1.7 OFDM의 발전 방향 463

8.2 MIMO 464

8.2.1 다중안테나 기술 465

8.2.2 MIMO의 발전 과정 467

8.2.3 MIMO 다이버시티 기술 467

8.2.4 MIMO의 응용 분야 470

8.3 CR 471

8.3.1 CR 기술 473

8.3.2 CR의 응용 분야 478

8.4 Wibro/WiMAX 481

8.4.1 Wibro 481

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CHAPTER07 차세대 이동통신

8.4.2 WiMAX 485

8.5 WPAN 490

8.5.1 블루투스 492

8.5.2 지그비 496

8.5.3 초광대역 무선통신 501

■연습문제 505

9.1 스마트폰의 개요 509

9.1.1 스마트폰의 특징 511

9.1.2 스마트폰의 기술 발전 514

9.2 OS(플랫폼) 516

9.2.1 Symbian OS 517

9.2.2 RIM BlackBerry 519

9.2.3 Apple iOS 521

9.2.4 Android 524

9.2.5 Windows Phone 528

9.3. 마켓플레이스 530

9.3.1 마켓플레이스의 등장 배경 530

9.3.2 주요 마켓플레이스 현황 531

9.4 스마트폰의 발전 방향 544

■연습문제 547

■찾아보기 551

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CHAPTER09 차세대 모바일플랫폼

이동통신의 개요

1.1 통신의 개념과 역사

1.2 신호의 표현

1.3 정보의 표현과 전송

1.4 디지털신호의 전송

01CHAPTER

Fun

dam

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obile

Com

mun

icat

ions

인류의사회활동중가장기본적인것은다른사람과자신의정보를전달/교환

하는것에있다. 이처럼자신의정보를다른사람과전달/교환하는것을통신이라고

말한다. 인류문명이시작되면서부터통신의역사는시작되었고, 인류는서로의정

보를나누기위하여여러가지방법의통신방법을연구하고발전시켜왔다. 사람들

은말(소리)과몸짓(부호나모양)을통해서로간의의사를전달하며살아왔으며이

는통신의최초형태로볼수있을것이다. 그리고점점멀리떨어진사람에게의사

를전달하기위해서는멀리서도들을수있는북을치거나연기, 불빛등을이용한

통신방식을사용하게된다. 우리나라의전통적인통신방법으로는봉화가대표적이

라할수있다. 물론이방법의단점은날씨가흐리거나, 비나눈이오면사용하기

곤란하다. 또한단순한짧은내용을보낼수는있지만비 스럽거나긴내용은보낼

수없다는것도단점이다.

따라서복잡하거나비 스러운내용은파발마라는말을이용하여사람이편지를

가지고직접달려가는방법을사용하기도하 다. 특히적의침입이나긴급한상황

을알리는데는깃발, 봉화, 신호연등의시각신호와북, 나팔, 징, 종과같은청각

신호등의간접적인신호체계를활용하 다.

아프리카와같은 림지대에서는불이나연기를이용한방법의통신은아무래도

지역여건이허락하지않았다. 그래서아프리카에서는주로북을이용해서여러가

지의사를전달하 다. 물론이때사용하는북은보통북과는달리소리가잘울리

는특수한북이었을것이다. 특히통신내용이노출되면불리하게되는것을막기위

해피리를이용한비 스러운통신방법도사용되었다고한다. 피리소리는다른소

15

CHAPTER

01이동통신의 개요


리와섞이면사람들은잘분간할수가없다. 원주민들도이피리소리가다른소리와

섞여 버리면 잘 알아들을 수가 없기는 마찬가지이다. 그 피리소리의 의미를 알 수

있었던비 은인간의귀로는분간할수없는소리라도개와같은동물은그피리소

리를잘들을수가있다는점을이용한것이다. 마을에서멀리떨어져있는보초로

부터전달계통마다항상피리와피리소리에따른반응을집중훈련받은개를두어

적의침입등을알릴수있었다. 이는개가사람이들을수있는소리마다진동수가

휠씬높은소리를잘들을수있다는사실을이용한방법이다. 소리를전달하는다

른방법으로외국에서소형상점과병원, 그리고배등에서만제한적으로사용되던

전성관이란것이있다. 이전성관은말을전달해주는기구로전화를많이사용하는

우리는별로들어본일이없었을것이다. 화중에서선장이선장실에서기관실로

나팔같은모양의관에대고명령을내리는것을본적이있을것이다. 전성관은그

냥연통과같이속이텅빈것으로말을하는사람이관의입구에대고말을하면다

른쪽에서소리가들린다. 이전성관은아무런전기적인힘을사용하지않는무동력

의음성전달수단이다.

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01 이동통신의 개요CHAPTER

[그림 1-1] 과거의 통신방법과 현재의 통신방법

또다른형태의통신방식으로는그림이나특정형상을통해의사를전달하는방식

이있었으며, 문자가나오면서문서의형태로정보의전달을좀더빠르고명확하게

하게되었다. 문자의발명은통신방식에있어획기적인것이었으나, 거리에따른제

약으로전달하고자하는생각을나무조각이나종이에문자로표현하여이를전령

이나 파발마를 통해 전달하는 방식을 사용하 다 위의 방식들은 정보를 전달하는

데걸리는시간이많이걸리거나부정확한정보의전달등으로불편함이많았다

전신과전화의발명으로인류는정확하고신속하며, 편리하게통신을할수있게

되었다. 예전에는멀리떨어져있는사람에게편지를써서의사를표현하는사람들

이많았지만최근에는전자우편(e-mail)이나무선단말기를통해원거리에있는사

람에게의사를전달하는사람이더많아졌다. 더욱이휴대형단말기의발전으로이

젠얼굴을보면서통신을할수있는시대가되었으며, 가까운미래에는유비쿼터스

(ubiquitous) 네트워크의발전으로언제, 어디서나, 더욱효율적인통신을할수있

는 시대로 진행 중이다. 유비쿼터스란 라틴어로‘언제 어디서나 있는’이란 뜻으로

사용자가컴퓨터나네트워크를인식하지않는상태에서장소에구애를받지않고자

유롭게네트워크에접속할수있는환경을의미한다.

이와 같이 통신이란 서로떨어져 있는 사람과사람 사이에 의사를 전달하는수

단을일컫는다. 그리고아주멀리떨어져있는사람과도쉽게의사소통을할수있

도록 만들어 주는 것이다. 그래서 통신시스템의 발전은 인간 사회를 더 편리하게

만들어주고멀리있는사람과마음대로의사를주고받으며, 정보를나눌수있게

해주는것이다. 이런통신전송속도는문명과기술의발전에따라사람이나말에

의한전달, 소리에의한전달(340m/sec), 빛에의한전달(3×108m/sec)로발전되

었다.

최근에는유·무선통신의발달로인터넷, 이동통신, 위성통신등을이용하여우

리는언제어디서나누구와다양한종류의정보를서로주고받을수가있게되었으

며, 이미우리는이동전화를통해상대방의얼굴이나필요한 상을교환하며통신

을하고있다. 매우빠른속도로발전하는통신기술을보며가까운미래에어떠한

새로운형태의통신방식이인류의문명을변화시킬지많은기대가된다.

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1.1.1 유선통신의 발전

“What hath God wrought?”

- - -- -- -- -- --- - -- - --- -- - -

On May 24, 1844, Samuel F. B. Morse dispatched the first telegraphic

message over an experimental line from Washington, D.C. to Baltimore.

1837년미국의모스(Morse)가전류를단속(on-off)함으로써신호를보내는방법

을발명하고, 이를이용하여짧은접속(dot, ·)과긴접속(dash, -)의조합으로문

자를 표현하는 모스부호를 개발하여 장거리 전신이 가능하게 되었다. 모스부호가

개발된후가장쉽게구별할수있는부호로조합된것이‘…--- …’이며, 이부호

조합은 SOS, 즉 구조요청 신호라는 것이다. 이 모스전신은 편지보다는 훨씬 빨리

정보를전달할수있어당시로서는획기적인통신방식의발전이었다. 하지만모스

전신에서는송·수신측에서문자열을모스부호로번역하는기능이필요하여불편

한점이있었으며, 모스부호를이용한초기전신에서는장시간훈련을받은사람만

이 쉽게 문자열과 모스부호 간의 번역을 할 수 있었다. 이후 송신측에서 문자 키

(key)를 누르면 해당 모스부호가 자동으로 전달되고, 수신측에서는 모스부호를 수

신한 후 자동으로 기록지에 문자를 인쇄하여 주는 텔렉스(telex)가 발명되어 매우

편리하게사용되었다.

모스전신이나텔렉스에서는송·수신측에서문자열을모스부호로번역하는기

능이필요하 으며, 양방향정보전달에의한실시간대화(realtime dialog)가쉽지

않은단점이있었다.

1876년미국의벨(Graham Bell)이발명한전화에서는사람의목소리를전기신

호로변환하여직접먼곳으로보내고, 수신측에서는이전기신호를스피커를통한

소리로변환시켜들을수있게함으로써, 실시간대화형(interactive) 정보상호교환

이가능하게하 다. 벨이전화를발명한다음해인 1877년에는에디슨(Edison)이

탄소송화기를발명하 으며, 3년후인 1880년에서는Bell 전화회사가설립되어본

격적인전화업무가개시되었다.

18


1.1.2 무선 통신의 발전

1845년 패러데이(Michael Faraday)는 전자기 유도현상을 이용하여 전류로부터

자계가발생하고자계로인해전계가발생한다는패러데이법칙을만들었고, 1871년

국의맥스웰(C. Maxwell)은패러데이의법칙에변위전류라는효과를추가하여전

계가시간적으로변하면자계를낳고그것은또전계를낳고변화가차례차례로전

해가서파동이발생한다는이론을발표하 는데, 이것이‘맥스웰파동방정식’이론

이다. 즉, 이 파동이 전파이며 전파의 존재를 최초로 예언하 다. 이러한 맥스웰의

이론은그뒤여러학자들에의해발전하게되고그정당성을인정받게되었다.

한편 국의음악가인퓨즈(Fuse)는전기불꽃의작용이전파일것이라고판단하

고전기불꽃의신호를수신하는장치를만들어실험해보 지만전파가아닌것같

다는일부학자들과의견해차이로, 헤르츠(Hertz, Heinrich Rudolf)보다9년빨리

19


[그림 1-2] 모스의 초기 전신통신기와 벨의 전화통신기

(a) 모스 전신기 (b) 벨전화기

[그림 1-3] 헤르츠의 병실험

전파를발견할수있었음에도불구하고전파에대한연구를단념해버렸다. 그동안

헤르츠는전파를포착하는실험에착수하여1888년에성공하 다.

[그림 1-3]은헤르츠의전파를포착하는실험을보여준다. 헤르츠의기초실험은

직선 모양으로 배열한 두 줄을 도선 한쪽은‘라이든병’(leyden: 전기 실험을 위해

고안된콘덴서(전기를저장하는전기기구)의역할을하는장치) 안쪽에다접속하고

다른한쪽은바깥쪽에접속한후끝부분AB 사이를접근시켜방전하게하는것으로

전자기파의발생을증명할수있었다. 도선의길이는 2~3미터이다. 발생한전자기

파는발생장치로부터 10미터이상떨어진위치에있는직사각형도선루프CD 사

이에서검출됐다. 이후헤르츠는가능한한강한전자기파를발생시켜그것을검출

하기위한전파송수신장치를만듦으로써전자기파의속도가초당30만km로빛의

속도와같다는맥스웰의예언을확인했다. 또한불이튀는상태를조사하여전자기

파의성질이빛과같은반사나굴절이있다는것도확인했다. 그러나전파의존재를

처음발견한헤르츠자신도전파를이용한통신이실용화될수있을것이라고는생

각하지못하 다. 우리가자주듣고보는XX 방송YY MHz(메가헤르츠), AA 방송

BB kHz(킬로헤르츠) 등의주파수단위인Hz는전파를처음으로실험에의해확인

한독일의헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz)의이름을붙인것이다.

마르코니는 1896년, 국의소르스페리라는벌판에서2.5km 떨어진두곳에무

선전신을보내자신의실험을증명해보 고6월 국정부는최초의특허를내주었

을뿐만아니라마르코니의연구를적극적으로후원하 다. 다음해까지일련의성

공적인시범실험을행했는데어떤실험에서는기구와연을이용해서안테나의높이

를 높게 만들었다. 그는 솔즈베리 평원에서 브리스톨 해협을 통과해서 거의

14.5km까지신호를보내는등일련의실험들로인해 국과해외에서상당한대중

적관심을끌었다. 이런대중적관심과무선전신실험을등에엎고, 대서양을사이에

둔유럽과미국의무선전신실험을계획하 다.

20


1900년 12월, 마르코니가무선전신의역사적인대서양횡단에성공한이후 6년

만에캐나다출신의미국인파센딘(Paendin)에 의해무선전화로발전하 다. 젊었

을때에디슨의조수 던파센딘은마르코니에의해행해진바와같이전기를고전

압에서단속적으로불꽃방전시켜발생시킨전파로는음성을태워먼곳에전달할

수 없었으므로 진동, 진폭이 일정하여 변조를 받지 않는 지속전파(continuous

wave)를 발생할 수 있는 주파수발생기를 완성하 다. 이어서 1907년 미국인 포레

스트(L. D. Forest)에 의해발명된 3극진공관은정류, 검파는물론증폭이라는획

기적인기능까지갖추어무선통신의발전에획기적인발전을가져오게되었다.

다음 [그림1-5]는유·무선통신의역사를간략히나타낸것이다.

21


[그림 1-4] 마르코니 실험에 사용한 하아프 안테나

22


2010.세계(최초(차세대(4G(모바일폰(발표(대만)

2008.세계(첫(LTE(상용(서비스(시작(스웨덴)

2006.WCDMA/Wibro(서비스(상용화

2005.최초의(DMB(방송(시작(한국)

1996.세계최초(CDMA(상용서비스(개시(한국)

1991.디지털(휴대전화서비스(시작

1983.셀룰러(이동통신의(기술(상용화

1965.상업(위성통신

1960.Bell(연구소(셀룰러(이동통신의(개념(개발

1957.최초(위성통신

1943.레이더(MICROWAVE(개발

1938.상업(텔레비전(방송

1921.미국(디트로이트(경찰국(순찰차(이동라디오(서비스

1907.Forest(3극(진공관(발명

1896.Marconi(무선전신기(발명(및(송수신(실험(성공

1888.Hertz(전파의(존재(실증

1876.Bell(전화(발명

1837.Morse(전신기(발명

1800년대 1900년대 2000년대

[그림 1-5] 유·무선 통신의 역사

가장기본적인통신전송구성도는1948년통신의대부인섀넌(C.Shannon)의논

문인“A Mathematical Theory of Communication”에서 제안되었다. 여기서 보

내는정보와받는정보는어떤의미를지니는내용을뜻하며, 이러한정보는도구나

수단을통하여표현된다. 여기서도구나수단의역할을하는것이송·수신기이다.

또한통신채널은송신기와수신기를연결하는매체를뜻하며, 일상대화에서는공

기가, 전화를이용하는경우에는유선선로가이에해당된다. 또한통신중에는이

를방해하는요소들이발생하게되며이를잡음이라한다. 이와같은통신모델로서

정상적인통신을위해서는전달하는내용의표현과통신수단을통한전달방법사

이에는최소한의체계적이고통일된규칙과약속이있어야함을나타내고있다.

[그림1-6]은섀넌의모델을좀더구체적인형태로표현한것으로정보는의미를

담은실체이고, 신호는정보를전자기적인에너지형태로표현한것이며, 전송신호

는직접전송매체를통과하는신호를의미한다.

23



섀넌

[그림 1-6] 섀넌의 통신 모형과 정보, 신호의 전송

즉, 정보란통신을하고자하는내용으로데이터, 음성, 그림, 코드 등의형태를

가지게되며, 네트워크를통해전송되기전에전자기적인신호형태로변형되게된

다. 데이터및신호는아날로그(analog) 혹은디지털(digital) 형태를가지게된다.

아날로그란 연속적인(continuous) 것을 의미하며 사람의 음성은 아날로그 데이

터의한예이며, 모든시간에대해무한한값을가지며연속적으로변하는아날로그

신호는 [그림 1-7](a)와같이나타낸다. 디지털은이산적인(discrete) 것을의미하며

0 과 1의형태로컴퓨터의메모리에기억되는데이터형태로서몇가지값으로구성

되며[그림1-7](b)와같이표현된다.

1.2.1 아날로그신호의 표현

아날로그신호의발생과용어정의의표현을먼저살펴보자.

잔잔한연못에돌을던지면돌이떨어진곳을중심으로물결이동심원을그리면

서퍼져나간다. 이것을파동이라고한다. 우리주위에는고무줄을튕기거나기타를

튕길때볼수있는탄성파나음파(소리), 전파(빛)와같이눈에보이지않는파동이

있다. 이와같은파동은수학적인표현으로 [그림 1-8]과 같이사인파를사용한다.

사인파는 왼쪽의 2차원 평면상의 원점을 중심으로 하는 원의 둘레를 따라 일정한

속도로움직이는점을생각할때이점이Y축에투 된위치를시간에따라그리면

그림의사인파와같이나타난다.

그리고다음과같이수학적으로표현할수있다.

24


[그림 1-7] 아날로그신호와 디지털신호

( )sina A= i (1-1)

여기서 a는반지름이A인원을따라움직이는점이 Y축에투 되는값이되고, i

는X축과반경이형성하는각의크기가된다.

이와 같이 생성된 사인파는 다음의 3가지 특성에 의해 표현되는데, 진폭

(amplitude), 주기(period) 혹은주파수(frequency), 위상(phase)이다.

a. 진폭(amplitude)

진폭은신호의크기를나타내며, 파동이진행하면서그위치가변하게될때변화

하는 위치(변위)가 가장 높은 곳을 마루(maximum amplitude), 변화하는 위치가

가장 낮은 곳을 골(minimum amplitude)이라 한다. 전기신호에서 진폭의 단위는

전압(volts), 전류(amperes) 혹은전력(watts)으로나타낸다.

b. 주기(period)와 주파수(frequency)

주기란 신호가 한 사이클을 완성하는 데 걸리는 시간을 의미한다. 단위로는 초

(second; s)를사용하며주로[표1-1]에있는5개의단위가많이사용된다.

주파수란1초동안에진동한횟수를말하며, 1초동안에몇번의주기가반복하는

가로결정된다. 주파수의단위로는헤르츠(Hertz; Hz)를사용한다.

25


aA

Y

X

+A

-A

[그림 1-8] 사인파의 특성

이를테면 [그림 1-9]에서나타낸것처럼 1초동안에 2회진동시 2Hz, 200회를

진동할경우그주파수는200Hz가된다.

아래와같이주기와주파수는서로역수관계에있으며다음과같이표현된다

주파수= 1/시간, 주기= 1/주파수 (1-2)

[그림1-10]은주기와주파수의상관관계를나타낸다.

26


[표 1-1] 시간과 주파수의 단위 표기

단위 시간 표기 주파수 표기

100 second(s) hertz(Hz)

10-3 millisecond(ms) kilo-hertz(kHz)

10-6 microsecond(μs) mega-hertz(MHz)

10-9 nanosecond(ns) giga-hertz(GHz)

10-12 picosecond(ps) tera-hertz(THz)

[그림 1-9] 주파수의 표현

위의설명과같이 40Hz 신호는주파수가 80Hz 신호의 1/2이다. 일반적으로주

파수는주기로표현하지만, 시간에대한신호의변화율로측정되기도한다. 즉, 신

호가매우짧은시간에변하면고주파(high frequency)신호, 긴 시간에변하면저

주파(low frequency)신호라정의한다.

c. 위상(phase)

다른형태의신호의표현으로위상은시간축이 0점에서신호의위치가어느곳

인지나타낸다. 주기적으로반복되는파형에서, 한순간에다른장소에서동일한파

의파형위치를기준위치와비교했을때기준위치에대한상대위치를나타낸다.

주파수가같은2개의파가미세한시간차이를일으켜어떤점에도달했을때2개의

파는위상차를갖는다고한다.

27


T

주파수=6Hz

[그림 1-10] 주기와 주파수

즉, [그림 1-11]과같이시간축에따라전, 후변위된정도를위상값으로표현한

다. 위상의단위는각도(degrees) 혹은 라디안(radians)로 나타내며 360도는 2π라

디안(radian)과동일한값을표현한다.

[그림1-12]는90°, 180°그리고270°위상변화된신호형태를나타낸다.

28


t

t t

t

[그림 1-11] 서로 다른 위상 사이의 관계

29


[그림 1-12] 위상변화(phase change)

파장(wavelength)

신호의특성을나타내는파장은마루에서마루까지의거리나, 골에서골까지의거리를말

한다. 이는 전송매체를 통과하는 신호의 특성을 표현한다. 파장은 전송매체를 통한 신호의

전송속도와 주기 혹은 주파수의 상관관계로 나타낸다. 주파수는 전송매체와 상관성이 없지

만파장은주파수와전송매체에상관성을가지고있다. 파장이란신호가한주기동안진행

하는 거리를 나타낸다. 즉, 파장은 전송속도(propagation speed)와 신호의 주기로 표현할

수있다.

파장 = 전송속도×주기 (1-3)

파장 = 전송속도× 1/주파수 (1-4)

파장을 m로, 전송속도는 c로, 주파수는 f로다시표현할수있다.

fc=m (1-5)

1.2.2 디지털신호의 표현

데이터는다음과같이디지털형태의 0과 1로나타낼수있으며, 일반적으로비

주기이다. 아날로그신호는주기(period)와 주파수(frequency)로써신호가표현되

었으나, 대부분의 디지털신호는 비트구간(bit interval) 및 비트율(bit rate)로써

표현된다. 비트구간은 하나의 비트를 보내기 위해 필요한 시간이며, 비트율은 초

당보내어지는비트의개수를나타내며, 일반적으로bps(bits per second)로표현

한다.

[그림 1-13]은 디지털신호의 비트율(bit rate)과 비트구간(bit interval)을 나타

낸다.

30


1초동안에10번진동하는10Hz의전자기파나1초동안에100번진동하는100Hz는그전

파하는속도가같다. 즉, 두주파수는1초에30만km의동일한속도를갖기때문에동시에전

자기파를발사하면동일한거리를날아간다. 1초에 1번진동하는주파수는그파장이 100번

진동하는 주파수보다 파장이 100배 길다는 것이 다를 뿐이다. 주파수가 높아질수록 파장이

짧아지고, 주파수가낮아질수록파장이길어진다.

1초

시간

[그림 1-13] 비트율과 비트구간

1.2.2.1. 디지털신호의 속성

a. 디지털의 장점

①원래의신호를재생하는데매우용이하다.

[그림1-14]에서보는것과같이전파거리(distance) 1에서발생된원래의펄스신

호가채널을통과하여전송된다고가정할때거리가멀어짐에따라그신호가왜곡

되는것을알수있다. 마지막지점거리 5에서그신호를수신하여원래의송신된

신호가어떤신호인지알아내기위하여복구하는과정에서디지털일경우는그복

구가아날로그신호에비해매우간단하다.

예를들어어떠한기준수치를정해놓고수신된신호가그기준보다낮으면0, 그

기준보다높으면 1이라고판단하여원래의송신된신호를추정하면위와같이깨끗

31


예제 1) 전송하는 디지털신호가 2000bps의 비트율을 가진다고 가정하면 이 신호가 가지는

한심볼의비트구간은얼마인가?

◆비트구간은비트율의역수이므로비트구간의값은1/2000이다.

[그림 1-14] 디지털신호의 복원

이원래의펄스신호를복구할수있다는것이다. 이에비하여아날로그신호는이와

같은원래의송신파형을원형그대로복구하기는거의불가능한일이다.

②신호의왜곡이나다른신호로부터받는간섭과재밍(jamming)에대해강하다.

송신단을출발한신호는여러잡음요소나지역적환경등으로인하여신호감쇠

가발생하고이것을신호의왜곡이라한다. 공중에존재하는다른많은전파요소들

은사용자의신호에악 향을미치는데이러한 향이간섭이다. 디지털신호는전

송도중발생하는신호의왜곡이나간섭에대하여강한장점이있다.

또한통신에있어서타인이사용자의신호에의도적으로들어오거나사용자신호

에방해하는신호를넣는것을재밍(jamming)이라고한다. 디지털신호는대역확산

(spread spectrum)을사용함으로써아날로그신호에비해이러한재밍에강한장점

을지니고있다.

③높은신호충실도(fidelity)를얻을수있다.

디지털신호는아날로그신호에비해강한코딩기법을이용하여일부신호의오류

인경우원신호를복구하는데있어아날로그신호에비해상당히높은충실도를얻

을수있다.

④디지털회로는신뢰도가높고저렴하며하드웨어로구현하기쉽다.

디지털회로에서나타내는것은 0 또는 1로모든것을처리하기때문에연속적인

값들을 처리하는 아날로그회로보다 사용자가 더 신뢰할 수 있으며 집적회로 설계

기술의발달로인해디지털회로의H/W 설계는상당히간단화되었다.

⑤디지털데이터의처리및저장이쉽다.

우리생활에서가장쉽게접할수있는디지털데이터는컴퓨터로처리하고있는

파일을예로들수있다. 컴퓨터에서처리하는디지털데이터를생각해보면디지털

신호의처리와저장의간단함을쉽게알수있을것이다.

위에서우리는디지털의여러가지장점들을알아보았다. 이외에더많은장점들

이있지만위에서열거한몇가지로요약하기로하고이번에는디지털이가지는단

점에대하여알아본다.

b. 디지털의 단점

①디지털신호의처리에는부가적인단계가더필요하다.

32


자연적으로발생하는신호나사람의음성등아날로그신호를디지털신호로바꾸

기위해서는A/D변환(analog to digital conversion)이라는과정을거쳐야하고또

한매우짧은시간마다아날로그신호의크기를측정하여이진수로그크기를나타

내는과정을거쳐야하는데이를표본화(sampling)라고한다. 따라서디지털신호를

처리하기 위해서는 이러한 A/D(analog/digital)변환이나 표본화(sampling) 등 부

가적인단계가필요하게된다.

여기서 A/D 그리고 D/A 변환을수행하는변환기에대해서알아보면, A/D변환

기(converter)란 아날로그신호를디지털신호로변환하는장치로 PCM(pluse code

modulation) 방식에의하여아날로그신호를표본화, 양자화, 부호화를하여 2진수

의디지털신호로변환하는기능을수행한다. D/A변환기란 A/D변환기와는역으로

디지털신호를아날로그신호로재생하는장치로복호기및여파기를이용하여아날

로그신호를재생하게된다.

②디지털신호는보다넓은대역폭(bandwidth)을요구하게된다.

동일한정보를가지는신호에있어서아날로그신호가차지하는대역폭보다디지

털신호가차지하는대역폭이더크다.

③디지털신호처리에는동기화(synchronization)가필수요소이다.

동기화는통신시스템에있어데이터의시작점을맞추는과정이라고생각하면된

다. 동기화가이루어지지않고서는송신된데이터를수신측에서오류없이수신하

여도무슨의미인지파악을할수없으므로아주중요한과정이라고할수있다.

이로써디지털이가지는장점과단점을아날로그와비교해서알아보았다. 통신에

있어서는어느하나가장점을가지면그장점에대한단점이반드시존재하게되는

데이를 trade-off라고하며이러한 trade-off 사항을잘파악하여가장적합한사

항을결정하여야할것이다. 시스템설계자는디지털과아날로그의장단점을고려

하여신호를어느시스템에사용하여야할것인가를결정해야할것이다. 근래에들

어서는옛날의아날로그중심이던사항들중많은부분이디지털로전환되고있는

추세이다.

33


1.2.3 시간 역과 주파수 역

우리는앞절에서진폭, 주파수, 위상에의하여사인파신호를정의하 다. [그림

1-8]에서본사인파는시간에대한진폭을표현하는것으로시간 역에서의신호

를나타내고있다. 위상과주파수는시간 역에서의측정이정확하지않아서또다

른형태의신호표현은주파수에대한진폭으로 [그림 1-15]에나타낸다. 이와같은

형태의신호분석은푸리에(Fourier) 해석에의해일반적으로설명된다.

34


Jean Baptiste Joseph Fourier (1768~1830)

프랑스 수학자인 Fourier는 푸리에 급수(級數)의 창시자로 널리 알려

져있다. 수학, 과학및공학의다양한분야에서많은문제를해결하는데

없어서는안될매우중요한기법으로과학자Maxwell은이를위대한수

학적시라고표현하기도했다.

Fourier는 8세때부모를여의고베네딕트회성직자의후견아래육군

학교에 입학, 특히 수학에 관심을 갖고 공부하 다. 고아라는 신분상의

제약으로장교가되지못하고수도원의견습수도사가되었으며, 1789년프랑스혁명이일어

나자혁명정부아래의사범학교교사가되어수학을강의하 다.

1798년G. 몽주와함께나폴레옹1세의이집트원정에종군, 이집트고대유물에관해연구

하 고, 나폴레옹 1세가카이로에세운이집트학술원에서사무관으로일하 다. 1801년프랑

스에돌아와1802~1814년이제르주지사를지냈다. 1817년과학아카데미회원, 1822년과학

아카데미종신사무관, 1826년아카데미프랑세즈, 아카데미드메드신회원으로선출되었다.

이집트학과수학에관한많은연구를하 으며특히열전도에관한연구로 1811년상을받

았고, 1822년에는푸리에급수, 푸리에정리로유명한《열분석이론》을완성하 다. 그뒤대

수방정식연구에도몰두하여여러업적을남겼다. 또한푸리에급수를발전시켜푸리에적분

으로도출한것은학계의빛나는업적으로평가된다.

저서로《행렬방정식분석(1831)》, 《이집트묘사(1808~1825)》, 《열분석이론(1822)》등이 있

다.

다음 [그림 1-16]의 (a)는사인파와주파수가0인, 즉 DC 값을가진신호의합성

과 이것의 주파수 역을 나타낸다. (b)는 4개의 홀수 고조파(harmonics)를 가진

신호의시간및주파수 역을보여준다. 다음의그림을통해홀수의고조파의개수

가 많아질수록 신호의 형태가 디지털신호 형태에 가까워짐을 예측할 수 있다. 즉,

완벽한디지털신호는각각다른진폭을가진무한개의홀수고조파신호인 f, 3f, 5f,

7f 등으로구성됨을의미한다.

35


t

t

t

[그림 1-15] 시간대역과 주파수대역의 신호 형태

36


시간

시간

신호

1.2.4 주파수 스펙트럼(spectrum)과 대역폭(bandwidth)

신호의주파수스펙트럼(spectrum)은주파수 역(domain)에서그신호를구성

하는모든주파수성분이며, 신호의대역폭(bandwidth)은주파수스펙트럼의폭을

나타낸다. 대역폭은최고주파수와최저주파수의차로표현된다.

37


홀수 고조파 성분을 가진 신호

f

f

f

ff

f

f

f

f f f f

[그림 1-16] 신호의 합성

전파는장파, 중파, 마이크로파등의구분을위한인위적인경계는있지만연속적

으로존재하고있다. 우리가하나의신호를주파수에실어보내려면어느정도의폭

을가진주파수가필요하다.

[표 1-2]는 우리의일상생활에서사용되는통신시스템이주파수 역으로표시

된것이다. AM 라디오의채널스위치(동조바리콘)를돌려보면실제로특정방송국

의주파수에이르면그방송이깨끗하게들린다. 다시더돌려보면다시소리가잡

음과섞여약해지다가결국에는잡음만들리게된다. 이실험에서알수있듯이정

38


[그림 1-17] 대역폭(bandwidth)과 스펙트럼(spectrum)

[표 1-2] 일상생활의 통신 시스템의 주파수 역

통신 시스템 주파수 역

FM 라디오방송 88~108 (MHz)

AM 라디오방송 530~1700 (kHz)

셀룰러이동통신 824~894 (MHz)

와이브로(Wibro) 2.5, 3.5 (GHz)

Wi-Fi 2.4 (GHz)

블루투스(Bluetooth) 2.4 (GHz)

해진 주파수(기본 주파수라고 한다) 부근에서 방송이 들리는 주변 부분이 주파수

폭, 즉주파수대역폭이다. 방송에서사용하는△△kHz 등의주파수는단지기본주

파수로서어느정도의주파수대역폭을가진주파수이다.

다음 [그림 1-18]에서 하나의 채널이 사용하는 54~60MHz 구역을 주파수대역

(frequency band)이라하고, 그폭을대역폭(frequency bandwidth)이라고한다.

전파대신에소리(음성)를생각해보자. 사람의귀로들을수있는주파수는수십

Hz로부터 20,000Hz(20kHz) 정도이다(참고로 사람의 목소리는 300Hz로부터

4,000Hz 정도이다). 즉, 주파수대역폭이 20,000Hz 정도는되어야대부분의소리

를들을수있다. 클래식음악의경우에는그소리에미세한부분까지포함되어있

기때문에우리귀에들리는주파수대역폭을좁히면소리가딱딱해진다. 이소리를

전파에실어보내려면변조(소리를전파로변환하는것) 방법에따라최소한주파수

대역폭을 20,000Hz를 할당하여야 한다. 주파수 스펙트럼은 이미 그 용도에 따라

아주세 하고정확하게정해져있다. 이에따라전파의무단사용으로인한전파방

해를 막기위해각나라마다전파법등을 정하여놓고전파사용을규제하고있으

며, 국제적으로도전파이용에관한협약등을통하여전파이용의효율을도모하고

있다.

39


[그림 1-18] 국내 TV 채널 대역 및 주파수 대역폭

40


ISM(industrial scientific and medical) 밴드

ISM 밴드는전기통신이외에산업, 과학, 의료등의분야에서사용하기위해할당된주파

수대역을 말한다. ISM 밴드는 근거리통신이나 측정용 주파수대역으로서, 별도의 복잡한 인

증과정이나허가과정없이사용이가능하다. 그러나 ISM 밴드는해외에서만존재하고국내

에서는 ISM 밴드와일치하는주파수밴드의제품중형식검정을받은제품만이사용이가능

하다.

ISM 밴드에서는상호간섭을용인하는공동사용을전제로함에따라간섭의최소화를위

해통신기기의출력을최소한으로줄일것을기본으로하고있다. 그러나이러한노력에도불

구하고 ISM 밴드를사용하는다양한통신기기가등장함에따라이들간의간섭해결이라는

문제가새롭게대두되고있다.

[그림 1-19]는 ISM 주파수밴드를나타내고있다. 앞으로우리는주파수폭을줄여서사용

할수있는연구를계속하여야만통신에사용될수있는한정된주파수를더욱효율적으로사

용할수있을것이다.

[그림 1-19] ISM(industrial scientific medical) 주파수대역

블루투스 군레이더

예제 2) 주기신호가각각다음의 100, 300, 500, 700, 900Hz의주파수성분을가지는사인

파로구성되어있다. 이신호의대역폭을계산하고, 스펙트럼을그려라. 이때신호의

최대진폭은10볼트이다.

◆가장높은주파수를 f h, 가장낮은주파수를 f l 이라고하자.

이때주파수대역폭 B는 B f f Hz900 100 800h l= - = - = 이다.

스펙트럼은다음 [그림 1-20]과같이 100, 300, 500, 700, 900Hz에서진폭 10V인신호가

1.2.5 신호의 강도(dB)

통신시스템에서신호의크기표현및신호가다른값들과비교시는매우큰범위

의크기를가지고사용되고있다. 즉, 안테나에서수신된신호의값이수마이크로

볼트신호값으로표현되고, 신호대간섭의비가수백만대일(1,000,000:1) 혹은에

러값이0.0000001 등으로나타낸다. 이와같은큰범위의값을효과적으로표현하

거나다른값과의효율적인비교계산을위해전화발명자인벨(Bell)의이름을딴벨

(bel)을소리의크기를측정하는것으로상용로그로표현하 다. 그러나그것이너무

큰값을표현하므로데시(deci), 즉 1/10을사용한데시벨(decibel; dB)이신호가약

해지는정도로초기의신호강도와전송된후의신호강도를측정하는단위로전파의

전파(propagation)를 나타내는매우중요한단위로사용된다. dB 단위는절대적인

크기가아니고비교되는두신호간의상대적인크기를나타낸다. 즉, dB은사람이

들을수있는소리인0dB을기준으로한상대적인크기를나타낸것이다.

어떤신호(P1)의기준신호(P0)에대한상대적인크기를표시하는데시벨은다음

의식으로표현된다. 여기서선형이아닌밑을 10으로하는대수형태를따르는이

유는, 사람의청각반응이소리의크기자체에비례하지않고, 그의대수에비례하는

현상을반 하기위함이다. 즉, 원래소리가 10,000배크면, 사람의귀에는그대로

10,000배크기로들리는것이아니고40배정도만크게들린다. 이경우신호 P0에

41


나타난다.

[그림 1-20] 스텍트럼에 따른 진폭

대한신호 P1의크기를표기하면, 다음과같다.

( ) logPP

dB for power 100

1= (1-6)

( ) logVV

dB for volts 200

1= (1-7)

dB 값은신호가선로에의한감쇠등으로줄어들경우에는음수(negative) 값으

로표현이된다. 또한두신호의값이같은크기를가지고있을때그값은0dB로표

42


예제 3) 0.5W 신호에대한10W의상대적인크기(dB)는얼마인가?

◆두값을위의식 (1-7)에대입해서계산하면다음과같다.

.log dB10

0 510 13=

예제 4) 어떤회로에0.1V의전압을가지는신호를가해서5V로증폭된신호를얻었다. 이때

몇dB의이득을얻었는가? (단, 입출력저항은동일하다.)

◆주어진값을식 (1-8)에대입해서계산하면다음과같다.

.log dB20

0 15 34=

예제 5) 예제4의반대경우로, 5V의신호가0.1V로감쇠되어나타났을때의dB 값은얼마인

가?


.log dB205

0 1 34=-

현된다. 만약전력값이두배가되면다음과같이나타낼수있다.

logdBPP

10 20

0#= e o (1-8)

실제로엔지니어들은dB 값으로부터그신호의실제값을찾아활용할경우가많

이있다.

전력의경우는다음과같이표현할수있다.

P P 10 /dB value1 0

10#= (1-9)

PP

10 /dB value0 101= (1-10)

이에반해전압의경우는다음과같이표현한다.

V V 10 /dB value1 0

20#= (1-11)

43


예제 6) 어떤통신선로전압의신호레벨을기존보다50% 증가시켜설치하 다. 증가된전압

의상대적인크기(dB)는?


.. . ( . ) .log

VV

dB1 0

1 0 5 1 5 20 1 5 3 522

1 = + = =

3dB은전력값이2배인것을나타내며, -3dB은전력값이1/2임을나타낸다. 전압에대해

서는2배의값은6dB이며-6dB은 1/2을나타낸다. 즉, -3dB은전력의비가0.5이며전압은

전력의 제곱에 비례하므로 / .V V 0 512

02 = 이므로 전압의 비 / . .V V 0 5 0 7071 0 = = 임을 알 수

있다. 같은방식으로 3dB은전압이 1.414인값을나타낸다. 예를들어 3V 신호에대해전력

이1/2인경우전압은2.121V를나타내며, 전력이두배인경우4.242V를나타낸다.

VV

10 /dB value0 201= (1-12)

신호의크기를어떤기준값에대한절대적크기로표현하는경우가통신시스템

에서는매우많다. 낮은신호레벨인경우dBm 단위로 1mW에대한신호의크기를

나타낸다. 즉, dB above one milliwatt로 표현된다. 즉, 1mW는 0dBm 또는

-30dBW를나타내며, 1W는0dBW 또는30dBm으로나타낸다. 예를들어 10dBm

은 1mW에대하여10dB 큰신호이고, 30dBm은 1mW에대해30dB, 즉 1000배큰

신호이므로 1W와같은크기를가진다. 이는 RF 엔지니어들이많이사용하는단위

이다. 큰신호인경우dBW로1W에대한신호의크기를나타내며, 전압에대해서는

1V에대한값으로dBV가사용된다.

logdBmmW

Power101

#= (1-13)

44


예제 7) 신호가13dB 증폭이되어1.2W를나타냈다. 원래의신호값은얼마인가?

◆ . . .P W10

1 2

10

1 2 0 060/ .0 13 10 1 3= = =

예제 8) 0.2W 신호가회로를통과한후22dB의이득을가졌다면최종전력값은얼마인가?

◆ . .P W0 2 10 31 7/1

22 10#= =

예제 9) 1.6V가증폭되어2.5dB의이득을가지면출력전압은?

◆식 (1-11)을이용하여출력전압을구해보면다음과같다.

. .V V1 6 10 2 13. /1

2 5 20#= =

logdBWW

Power101

#= (1-14)

아래의[표1-3]은전력값을dBm으로변환한표이다.

그예로송신기에서발생되는전력은 dBm 혹은 dBW로표현한다. 또한안테나

의이득을표현할경우dBi 혹은dBd로표현하고선로에서발생하는손실이나안테

나사이의전파손실은 dB로표현한다. 다음은 dB와 dBm의유용한제안법을나타

내고있다.

a. dBm끼리의 더하기

dBm끼리의연산은우리가가장흔하게실수하는경우이다. 그이유는dB는 log

단위이므로더하기는내면적으로곱하기결과이기때문이다. 따라서 dB 단위의실

제더하기는mwatt 또는배수로환산하여계산한후다시 dB로환산하여야한다.

아래의식을통하여이해해보자.

20dBm(100mwatt) + 20dBm(100mwatt) ⇒ 40dBm(10000mwatt)

위의연산으로는더하기연산이올바르게수행되지않았음을알수있다. 따라서

위의식을비로그단위인mwatt로환산하여다시계산하면아래와같다.

100mwatt(20dBm) + 100mwatt(20dBm) ⇒ 200mwatt

이를다시로그단위로나타내면23dBm과같다.

45


[표 1-3] 전력 값의 dBm 변환표

Power in Watts Power in dBm

0.1mW -10dBm

1mW 0dBm

1watt 30dBm

1000watts 60dBm

b. dBm과 dB의 더하기

dBm과 dB의 연산은 서로 단위가 다르기 때문에 순수한 더하기 연산의 경우가

존재하지않고, 내면적으로는곱하기의결과라고할수있다.

예를들어,

20dBm(100mwatt) + 40dB(10000watt)

위의식에대한연산이라면, 40dB를더하는것은 10000watt를 곱하는것과같

다고볼수있다. 따라서위의식을mwatt로통일시켜서계산하면아래와같다.

100mwatt×10000watt = 106mwatt

이를다시dB 단위로나타내면그결과값은60dBm으로나타난다.

c. mwatt와 dB, dBm과 배수의 계산

mwatt와dB, dBm과배수는로그단위와비로그단위의계산이다. 이와같은경

우는 그 이유에는 이칙연산만이 존재하는 로그 수와 사칙연산이 존재하는 비로그

수간에는어떠한연산도이루어질수없기때문에, 로그단위또는비로그단위로

통일한후연산을수행하여야한다. 그예는다음과같다.

0.01mwatt + 27dB

27dB는500watt와같으므로위의식을비로그단위로통일하면,

0.01mwatt×500watt ⇒ 5mwatt ⇒ 7dBm

또한0.01mwatt는-20dBm과같으므로로그단위로통일한경우에는,

-20dBm + 27dB => 7dBm ⇒ 5mwatt

로나타낼수있다.

46


다음은dB와dBm의유용한제안법을나타내고있다

( ) ( ) ( )A B A BdB dB dB! !=

( ) ( ) ( )A B A BdBm dBm dBm! !=

( ) ( ) ( )A B A BdBm dBm dB- = -

위의로그계산법은다음과같은원리에의해설명될수있다.

( )A B A BdB dB dB+ = +

( )A B A BdB dB dB- = -

( ) ( ) ( )A B A B A B A BdBm dB dB dB dB dBm30 30+ = - + = + - = +

( ) ( ) ( )A B A B A B A BdBm dB dB dB dB dBm30 30- = - - = - - = -

( ) ( ) ( )A B A A A BdBm dBm dB dB dB30 30 60+ = + = +- - -

( ) ( ) ( )A B A A A BdBm dBm dB dB dB30 30 30 30- = - - - = - - +

( )A B dB= -

47


예제 10) 신호A가40dBm, 신호B가2dBW일때신호B에대한신호A의강도를나타내시오.

◆ log log logBA A B

BA dBm dBW dBm

10 10 10

40 2 38Ñ

= -

- =

예제 11) 200mW를dBm으로나타내면?

◆ ( )logmW dBm dBm200 10 200 23= =

dB 스케일은계산기를사용하지않고, 두신호의전력및전압의비를이용해서

빨리산출할수있다.

전력의경우, 10dB는 10배곱의인자이고, 3dB는 2배곱의인자이며, -10dB는

1/10의감소그리고-3dB는 1/2의감소를나타낸다. 그러므로 13dB(10+3)의이득

이란 ×10과 ×2, 즉 20배 곱의 전력 비를 나타낸다. 예를 들어

36dB=(10+10+10+3+3)dB는×10×10×10×2×2이므로총4000배의곱이다. 또

7dB(=10dB-3dB)는×10 ×(1/2)이며총5배의곱을나타낸다.

전압의경우에도전력과같은개념이적용된다. 그러나그값은앞에서설명한것

처럼, 전력의 dB와는 다른 전압 비를 나타낸다. 20dB의 이득은 ×10이고 6dB는

×2의 전압 인자이다. 반면 -20dB는 1/10, -6dB는 1/2을 나타낸다. 이를 이용해

46dB를계산하면 (20+20+6)dB로×10 ×10 ×2인200배를나타내고, 34dB의경

우(20+20-6)dB는×10 ×10 ×(1/2)인50배의전압이득을나타낸다.

위와같은특성을이용하여dB 값은쉽고빠르게전력을예측할수가있다. dB를

신호강도의측정단위로사용하면다음과같은장점이생긴다.

첫째, 대수함수의성질에의하여, 서로직렬로연결된시스템(cascaded system)

에서의 신호강도 계산을 더하기, 빼기 등의 간단한 연산만으로도 쉽게 구할 수 있

다. 둘째, 통신체계의각단계를거치면서겪는힘의증감(gain or loss)이 dB 단위

로는(+), (-)로나타나므로, 시스템의특성을용이하게파악할수있다.

다음의[그림1-21]은우리주변의여러가지소리들을dB 스케일로표현한것이다.

48


예제 12) 신호값이8.2V를dBV로나타내시오.

◆ . .logVV dBV20

18 2 18 28=

예제 13) 오디오앰프의출력이7dBW이면그전력값은얼마인가?

◆ orW dBW dBm mW10 5 7 37 10 5011dBW dBm10

710

37= = = =

◆ ( , )dBm dBW dBW dBm0 30 0 30=- =

1.3.1 정보와 정보량

정보를측정하여그정보의측정량을수학적으로나타낼수있을까? 이러한정보

의 양과 수학적인 면이 정보이론이라는 학문으로 발전하 는데 이에 대한 간단한

내용만을살펴보도록하자.

정보이론이란정보현상의본질을확률론의기초위에정식화하여그통계량을열

역학의엔트로피(entropy) 개념을이용하여합리적으로표현한것을말하는데이는

섀넌(C.E. Shannon)의 이론에근거한것이다. 이 정보이론에서말하는정보란불

확실성(uncertainty)이란개념으로접근한다. 즉, 어떠한사건이일어날수있는불

49


제트기(이륙(60m)견디기(어렵다

대단히(시끄럽다

꽤(시끄럽다

보통

조용하다

고요하다

겨우(무엇인가(들린다

공사장(소음,(헤비메탈(연주회

고함(1.5m)

대형(트럭(15m에서),(굴착기(1m)

대도시(거리(소음

자동차(실내(소음

보통(대화(1m)

교실,(사무실

조용한(거실

밤중의(침실

방송국(스튜디오

나뭇잎(스치는(소리

들을(수(있는(가장(작은(소리

120dB

110dB

100dB

90dB

80dB

70dB

60dB

50dB

40dB

30dB

20dB

10dB

0dB

소리의(종류 dB 느낌

[그림 1-21] 신호강도의 예


확실한확률을계산하여정보량과연결시킨다. 간단하게말하면어떠한사건이일

어날수있는확률의역수를정보량이라고정의하고그것이바로그사건이일어났

을때발생하는정보량인것이다.

또한M개의사건중하나가발생하는것을알때얻을수있는정보량은M의대

수에비례한다. 즉, 26개의알파벳중한문자를수신할경우얻을수있는정보량은

log226(bits)가되는것이다. 이것을자기정보량(self information)이라고하고확률

의개념을도입하면다음과같이정의할수있다.

각정보 )(X j 가발생할확률이 ) p=(p X j j라할때자기정보량 )(I X j 는다음과

같이계산할수있다.

bits) log p=-) ( /log p1=(I X j j j2 2

위의수식에서 pj가작으면작을수록자기정보량은커지게된다. 다시말하면어

떠한사건이일어날확률이적어지면적어질수록그사건이일어났을때얻어지는

정보량은많아진다는의미이다.

이자기정보량을가지고실제통신에서많이사용하는개념인엔트로피를공식화

하는데, 이 엔트로피는 평균자기정보량(average self-information 또는 source

entropy)과 접한관계가있다.

)) log pj j=-( /log p1( ) (H X E I X p pj j jj

N

j

N

21 1

2= == =

! !8 B (1-15)

앞에서나타낸 )(E I X j8 B는자기정보량인 )(I X j 의평균을나타낸다.

그렇다면 정보이론에서 말하는 엔트로피라는 것은 무엇일까? 한마디로 말하면 정

보의평균량이다. 다음에나타낸공식을보면알겠지만엔트로피는평균자기정보량

과그결과가같음을알수있다.

)j j( /log logH p p p p1 j jj

N

j

N

2 211

= =-==

!! (1-16)

정보이론에서 의미하는 일반적인‘정보량’은 위에 나타낸 엔트로피를 의미하는

것임을알아두자. 그렇다면이러한정보량측정의예를통해엔트로피의개념을확

50


실하게이해하도록하자.

만약두가지사건A, B가일어날확률이각각 , ( )p q p q 1+ = 라고하자. 이때의

정보량인엔트로피는다음과같이계산된다.

( )log logH p p q q bits2 2=- + (1-17)

어느 자신문에서 알파벳의 숫자를 조사하 더니 26자 모두 균일하게(같은 숫

자의알파벳이) 사용되었다고한다. 즉, 그 자신문에서는26자의알파벳이똑같은

확률로발생된다고한다. 이때의엔트로피는어떻게될까? 다음과같을것이다.

. /logH bits character261

261 4 7

j2

1

26

=- ==

! c m

즉, 26자의알파벳중한문자가쓰여졌을때얻어지는정보량은4.7bits가된다.

51


여러 가지 정보량의 예

▶비트전송률이192kbps인mp3 파일의정보량은얼마인가?

192×103×8bit×압축률(1/10) = 1.536×105 = 0.154Mbits

▶30 frames/s의전송률을가지는동 상(avi)의정보량은얼마인가?

640×480×8bit×3×30×압축률(1/150) = 1.47×106 = 1.47Mbits

▶8bit Gray scale 흑백정지 상의정보량은얼마인가?

512×512×8bit = 2×106 = 2Mbits

▶color 정지 상의정보량은얼마인가?

512×512×8bit×3 = 6×106 = 6Mbits

1.3.2 신호의 전송

정보의형태는아날로그나디지털로구성될수있으며, 전송매체에따라아날로

그나디지털신호로전송된다. 즉, 통신을위해서는아날로그나디지털데이터를아

날로그나디지털형태의신호로변형하여전송해야한다.

변형방식에는전송상황에따라디지털신호와디지털신호, 아날로그신호와디지

털신호, 디지털신호와 아날로그신호 그리고 아날로그신호와 아날로그신호의 변환

들이있다.

[그림 1-22]는 정보의형태가각각아날로그와디지털로구성되었을시이를아

날로그나디지털방식으로전송하는상관관계를나타내고있다.

52


▶HD TV의정보량은얼마인가?

1408×960×8×3×30 = 973,209,600bits

▶해상도가200dpi인A4용지의정보량은?

8.5inch×200 + 11inch×200 = 3,740,000bits

▶한 과한문으로이루어진신문(40만자)의정보량은얼마인가?

2byte×400,000 = 800kbyte

1.3.3 정보 전송매체

전송신호의품질및관련특성은송신단과수신단을연결한전송매체에따라변

하게된다. 전송매체는전송신호가수신단까지직접유도가되는지, 수신기가송신

측의유도없이전달된신호를알아서수신하는지유무에따라서전자는유선매체

(guided media) 후자는무선매체(unguided media)로구분하고있다.

1.3.3.1 유선매체

이중나선(twisted pair), 동축케이블(coaxial cable) 및 광섬유(fiber optics)와

같이송신신호가물리적인경로를따라수신기로전달되는것을유선매체라한다.

53


[그림 1-22] 아날로그와 디지털 전송

사용되는매체에따라전송률, 대역폭등특성이결정되며, 초기매체설치비용

이많이드는단점이있으나매우안정된신호전송특성을가지고있기때문에통신

시스템의기본송수신인프라로많이구축되고있다.

a. 이중나선(twisted pair)

다른유선매체에비해가격이저렴하며유동성및처리의용이성때문에통신매

체로 가장 많이 사용되고 있으며, 음성 및 데이터 전송에 매우 적합한 주파수는

100Hz에서 5MHz 대역에있다. 이중나선은 [그림 1-23]과같이두개의도체인구

리가서로꼬인채로묶여절연체내에있는구조를가지고있다.

과거에는평행으로두선을사용하 으나, 모터등과같은간섭원에의해가까이

에있는도선이먼쪽도선보다더많은 향을받게된다. 그래서나선을꼬아서사

용 시 [그림 1-24]와 같이 각 선이 간섭 원으로부터 받는 향이 동일하여 간섭의

향이많이줄어든다.

54


[그림 1-23] 이중나선 구조

b. 동축케이블(coaxial cable)

동축케이블은TV 안테나에서사용되는유선매체로서[그림1-25]와같이안쪽과

바깥쪽에 두 개의 전도체로 구성되어 실린더형의 바깥쪽 도선이 절연체를 사이에

두고중심부에있는안쪽도선을감싼형태로구성되어있다. 이중나선보다높은주

파수인 100kHz에서 500MHz까지동작되도록되어있어수백개의 TV 채널을안

정되게공급할수있다.

55


[그림 1-24] 간섭원의 향

c. 광섬유(fiber optics)

위에서설명한이중나선과동축케이블은신호를전류형태로전송을하는매체이

다. 그러나광섬유는유리나플라스틱으로만들어져빛의형태로신호를전송한다.

머리카락보다 가늘고 유연한 광섬유는 빛을 전달한 코어와 이를 감싸는 굴절율이

다른유리나플라스틱으로된클래딩(cladding)으로구성되어있다. 광섬유는습기

를차단하기위해버퍼로감싸져있고, 외부는절연체로다시감싸게된다. 광섬유

에실려지는빛의스펙트럼은전체대역에걸쳐있다.

56


[그림 1-25] 동축케이블 구조

[그림 1-26] 광섬유의 구성

이러한광섬유의장점은빛을사용하고, 유리나플라스틱을사용하기때문에간

섭에강하며, 수십km에서Gbps급의광대역전송이가능하고, 작고가벼워설치가

용이하며높은보안성을가진다. 그러나단점으로는가격이비싸고, 깨지기쉬우며,

유지보수가어려운부분이있다.

1.3.3.2 무선매체

무선전송매체로는공기를통하여전달되는무선전파신호를사용하는경우와물

속에서의음파신호를사용하는경우, 그리고리모컨과같이적외선을이용하는경

우등이있다. 이러한무선매체를통한전송에서는전자파신호가의도적으로유도

되지않는다. 대기중의공기를통해전파되거나해수면을따라사방으로뻗어나가

는경우가이에해당된다. 무선통신에서는전송매체보다안테나가이용하는주파수

대역에따라전송특성이결정된다.

송신측의안테나는전자파에너지를매체(대기, 진공, 바닷물등)에쏘아보내며

수신측의안테나는이를둘러싸고있는매체로부터원하는주파수대의에너지변화

를읽고그것을뽑아낸다. 이러한전송방식에서는신호의중심주파수가높아지면

자연히가용주파수대역폭이커지는현상이발생하고, 이에따라한번에전송될수

있는양도증가된다.

무선매체를이용한전송방식은유선과는달리매체자체의물리적인특성보다는

이용되는주파수대역에따라구분된다. 특히, 여기서는다음두주파수대역의구분

57


[표 1-4] 케이블별 특성 비교

이중나선 동축케이블 광케이블

전송거리 100m 80kHz 100km

대역폭 250kHz 350kHz 10GHz

데이터전송률 10~100Mbps 10Mbps 1Gbps

특징

단거리 - 1Mbps 이상장거리 - 1Mbps 이하

UTP, STP증폭기, 리미터필요누화, 잡음에약함

고주파특성이양호광대역전송에적합차폐성이좋다간섭이적다

증폭기, 리미터필요

넓은대역폭낮은손실률간섭에강함높은보안성취급이용이고가의시설비

을기본으로한다. 그하나는2GHz에서40GHz에이르는초단파(microwave) 주파

수대역이며, 다른 하나는 30MHz에서 1GHz에 이르는 방송용 라디오(broadcast

radio) 주파수대역이다.

전자는위성통신에서와같이방향성빔형태로한지점에서다른한지점으로(점

대점, point to point) 전송하는데사용되며, 후자는사방으로전파되는공중라디

오방송에사용된다. 초단파는일부의UHF와 SHF의모든대역에해당되며, 공중

라디오전파는일반TV 채널을포함하는VHF와일부UHF 대역에해당된다. 무선

매체에서이용되는다양한종류의주파수대역과이름및이용되는서비스등은 [그

림1-27]에서나타낸다.

다음은라디오전송에사용되는신호의주파수와그특성에대해알아본다.

a. VLF(very low frequency)

주로공기나해수를통해지구표면으로전달된다. VLF는 전송시많은감쇠는

없으나열이나전기와같은대기중의잡음에민감하게변한다. 이대역은주로장

거리라디오내비게이션이나해상통신에사용된다.

b. LF(low frequency)

VLF와같이지구표면으로전달되며자연물에의한파의흡수가증가되는낮시

간대에감쇠가커진다. 이대역은주로장거리라디오내비게이션(navigation)이나

내비게이터(navigator), 로케이터(locators) 등에사용된다.

c. MF(middle frequency)

이 신호는 대류권(troposphere)에서 전파되며, 전리층(ionosphere)에서는 흡수

된다. 전송되는거리는대류권에서반사되는각도에의해결정된다. 그러나낮에는

전파의 흡수가 많기 때문에 가시선으로 전송을 한다. 이 대역은 주로 AM 라디오,

해양라디오및비상용주파수로사용된다.

d. HF(high frequency)

이신호는전리층(ionosphere)에서전파된다. 이주파수대역은주로아마추어라

디오(햄 라디오), 개인용 주파수대(citizen`s band), 국제적 방송(international

broadcasting), 전화, 전신등에사용된다.

58


e. VHF(very high frequency)

이신호는가시선전파를하며, 주로VHF 텔레비전, FM 라디오및비행기에서의

AM 라디오및위치정보등에사용된다.

f. UHF(ultra high frequency)

이신호는가시선전파를하며, 주로UHF 텔레비전, 이동전화, 마이크로웨이브

링크등에사용된다.

g. SHF(super high frequency)

이신호는가시선혹은우주공간의전파로사용된다. 주로위성마이크로웨이브

및레이더통신에이용된다.

h. EHF(extremely high frequency)

이신호는주로우주전파에사용되며, 레이더, 위성및과학적/실험적통신을위

해사용된다.

59


1.3.4 전송손상과 신호의 성능

1.3.4.1 전송손상

통신상에서신호전송시열, 전자장혹은통신전송매체의불안정성으로인해원

래의 신호가 정확하게 전달되지 못하는 경우가 생기게 된다. 이를 전송손상

60


VLF3kHz30kHz

LF30kHz300kHz

MF300kHz3MHz

HF3MHz30MHz

VHF30MHz300MHz

UHF300MHz3GHz

SHF3GHz30GHz

EHF30GHz300GHz

[그림 1-27] 무선대역에서 통신을 위한 전자기적 스펙트럼

(transmission impairment)이라 하며 대표적인 손상에는 신호의 감쇠

(attenuation), 왜곡(distortion) 그리고잡음(noise)이있다.

a. 감쇠

[그림 1-29]와 같이 전송신호가 전송매체를 통해 전달되는 동안 일부의 신호가

열로 변하여 에너지를 손실하는 것을 의미한다. 실제적으로 이중나선이나, 광섬유

등의유선매체를이용할때전송길이에따른신호의감쇠를보정하기위해증폭기

나리피터(repeater)를사용하여감쇠를보정하고있다.

61


잡

[그림 1-28] 손상 형태(impairment types)

[그림 1-29] 신호의 감쇠

b. 왜곡

[그림 1-30]과 같이다양한주파수로구성된신호가전송매체를통해전달될시

그 신호의각각의주파수신호성분은다른 전송속도를가지게되어도착시간이

각각다르게되어원신호의형태가변하게되는형상을왜곡이라한다.

c. 잡음

어떠한통신시스템인경우에도, 수신신호는송신신호와송·수신사이의더해지

는, 원하지않는신호들로구성된다. 이러한원하지않은신호들을잡음이라하며,

이는통신성능을저하시키는주요한요인이다.

수신된신호로부터원래의신호를추출시원신호에대한잡음의상대적인크기

를신호대잡음비(SNR; signal to noise ratio)라한다.

이러한잡음은다음의4가지경우로구분된다.

①열잡음(thermal noise)

열잡음은절대온도0도이상에서분자들의불규칙한움직임에의해나타나는것

으로, 어떠한형태의전자장비와매체에도나타나며, 절대온도에비례한다. 또한열

잡음전력은모든범위의주파수스펙트럼에균일하게분포되어있기때문에주파

수와비례하며, 가정에서사용하는형광등의흰빛과같은형태의주파수스펙트럼

을 가지며 원래 신호에 합해지는 잡음임으로 백색잡음(AWGN; additive white

gaussian noise)이라고도한다. 가시광선의백색광이모든주파수의가시광선을포

함하고있는것과비슷하기때문에이런이름이붙었으며어떤주파수대역내의모

62


[그림 1-30] 신호의 왜곡

든주파수의출력이포함되어있는잡음이다.

여기에서전력/Hz인잡음전력 도N0는다음과같이표현한다.

N kT0 = (1-18)

N0 = 잡음전력 도(watts/Hz)

k = 볼츠만상수= 1.3803 × 10-23 J/k

T = 캘빈온도(절대온도) = 일반상온(degrees Celsius) + 273

주어진주파수대역B Hz에서의열잡음전력은다음과같다.

N kTB N B0= = (1-19)

이를dB-watts로표현하면다음식과같다.

.

log log log

log log

N k T B

T BdBW

10 10 10

228 6 10 10

= + +

=- + +(1-20)

상온(17℃)에서의열잡음 도는다음과같이나타낸다.

.

. ( )/

/

/

N kT

W Hz

dBW Hz

dBm Hz

1 38 10 290

4 0 10

204

174

023

21

# #

#

= =

=

=-

=-

-

-

(1-21)

총사용주파수가1.23 MHz인CDMA인경우총열잡음전력은다음과같다.

/ .

( . )log

N dBm Hz MHz

dBm

174 1 23

174 10 1 23 10

113

6

#

#

=-

=- +

=-

(1-22)

63


64


예제 14) 수신기의잡음온도가294K이고10MHz의대역폭이주어진다면수신기출력의열잡음

전력은?

◆ . ( ) . . .log logN dBW dBW228 6 10 294 10 10 228 6 24 7 70 133 97=- + + =- + + =-

예제 15) (a) 레지스터의 잡음온도가 300K일 때, 잡음전력 도를 산출하고 잡음스펙트럼을 도

시하시오.

예제 15) (b) 어떤시스템의잡음온도가 300K이고 100MHz의주파수대역에서 1MHz의대역폭

을가용한다면이때의잡음스펙트럼을도시하시오.

◆ . ./ /N k T J k K W Hz1 38 10 300 4 14 10023 21$ # # #= = =- -

[그림 1-31] 잡음스펙트럼

[그림 1-31](a)에서 보여준 스펙트럼은 일직선이며, 이것은 모든 주파수에서 잡음전력 도가

동일함을 보여준다. 주파수 범위는 0에서 1GHz이지만 이론적인 스펙트럼은 제한 없이 균일

하다. 실제시스템에서무한한주파수응답은존재하지않는다.

[그림 1-31](b)에서의잡음전력 도는 (a)와동일하다. 그러나 1MHz 부근에서만존재한다. 따

라서 [그림 1-31](b)는 대역이제한되어있다. 정확한스펙트럼형태는사용하는필터에의존

한다. 열잡음은제거될수없는잡음으로, 이잡음만을고려하여계산한전송매체용량이이론

적으로가능한최대용량이다.

②주파수간상호간섭잡음(intermodulation noise)

서로다른주파수들을사용하는신호들이동일전송매체를공유하게되면, 사용

되는 주파수들의 합, 차, 또는 배수에 해당하는 새로운 주파수 요소를 발생시키는

잡음이다. 즉, 주파수 f1, f2를그주파수요소로가지는신호로부터, f1+f2, f1-f2 등

의새로운주파수가생기는경우이다.

예를 들어 3kHz와 9kHz의 주파수를 주파수 요소로 가지는 신호가 전송매체를

지나면서, 12kHz 및 6kHz에 해당하는 새로운 주파수를 생성할 수 있다. 이 경우

이미이주파수를사용하는다른신호와간섭현상을일으킨다. 이는주로송·수신

기등장비가선형성을만족하지않기때문에발생된다. 특히다양한시스템이같이

공유하는 ISM 주파수대역을 사용하는 시스템에서는 장비의 비정상적인 동작이나

지나치게큰입력신호등에대한유의가필요하다.

③누화(crosstalk)

전화통화중다른사람의말이들리는혼선과같은현상으로열잡음에비해서는

비교적크기가작은편이다. 차폐가안된동선가닥이인접해있거나, 안테나로신

호수신시반사된신호가같이수신되는경우등에생긴다. 또한 ISM 대역에서는

누화잡음이많이발생된다.

65


[그림 1-32] 주파수 간 상호간섭잡음

④돌발적잡음(impulsive noise)

앞에서설명한잡음들은어느정도예측이가능하고, 그 크기도대략짐작할수

있는데비해, 예측할수없는전자기적방해, 즉번개, 통신장비의결함등으로발생

66


[그림 1-33] 신호전송에서 잡음의 향

하는 잡음은 제거 및 대처가 매우 힘들게 된다. 이러한 돌발적 잡음은 불규칙적인

형태, 펄스와같은스파이크형태로비교적큰진폭을가지고있다.

아날로그 정보전송에서는 0.01초의 잡음은 통신에 큰 지장을 주지 않으나,

56kbps를 전송하는 디지털통신에서는 560bps의 정보를 손실하게 되므로 통신에

큰 향을미치기도한다. [그림 1-33]은가변적인전송신호가잡음에의해손상되

는현상을각아날로그와디지털신호에대해각각도식한것이다. [그림 1-33](b)를

보면 2진디지털회로는두가지상태중하나에서동작해야만의미가있기때문에,

교란이충분히큰경우에만회로의상태가원하지않는상태로바뀌게된다. 이러한

2진상태연산은신호재생을용이하게하여잡음과다른교란이전송중에누적되

지않게한다. 그러나 [그림 1-33](a)의아날로그신호인경우2진상태신호가아니

고, 무한대의다양한신호형태를취할수있다. 아날로그회로에서는작은교란만으

로도재생파형이원파형을파악할수없을정도로심하게왜곡될수있다. 이러한

이유로디지털신호는아날로그신호에비해노이즈에강한성능을나타내고검출과

정에서오류비트가나타나더라도오류검출및정정기법을통해아날로그신호보

다손쉽게복원이가능하다는장점을가지고있다.

1.3.4.2 신호의 성능

전송매체는데이터가이동하는길과같다. 이런전송매체의성능을측정하기위

해다음의3가지개념인수율(throughput), 전송속도(propagation speed), 전송시

간(propagation time)이사용된다.

a. 수율(throughput)

수율은초당전송매체의한점을지나가는비트의수를나타내며, bps의단위를

사용한다.

67


b. 전송속도(propagation speed)

비트가일초동안에전송매체를통과하는거리의척도이다. 이는주로사용되는

전송매체나신호의주파수에따라변하게된다. 예를들어, 진공상태에서빛의속

도는 3×108m/s이며, 이중나선에서도 비슷한 속도를 가진다. 그러나 동축선이나

광섬유에서는MHz에서GHz 단위에서속도는2×108m/s이다.

c. 전송시간(propagation time)

신호가전송매체의한점에서다른점으로이동시거리는시간을뜻하며, 이는

다음과같이표현한다.

전송시간 = 거리/전송속도 (1-23)

위식을근거로이중나선의1km 전송시전송시간은다음과같다.

전송시간 = /( / . .)m m s s1000 3 10 3 33 10 3 338 6# #= = n-

동축선이나광섬유의경우는전송속도가달라져전송시간이달라진다.

전송시간 = /( / )m m s s1000 2 10 5 10 58 6# #= = n-

68


[그림 1-34] 수율(throughput)

1.3.5 통신시스템 채널용량(channel capacity)

통신시스템에서주어진선로나채널환경에서전송되는최대전송량을채널용량

(channel capacity)이라한다. 잡음이없는채널의환경에서전송속도는그신호의

대역폭에연관이있다. 주어진나이키스트(Nyquist) 이론에의해 BHz 신호가이진

(binary) 레벨로전송시, 전송속도는 2Bbps가된다. 신호가 M 레벨로전송시비

트와의상관관계는 log2 M이므로나이키스트채널용량은다음과같이나타낸다.

( )logC B M bps2 2= (1-24)

여기서 M은신호레벨을나타낸다. 예를들어 M = 8일 때대역폭 B=3100Hz의

전송용량은 C = 18,600 bps가된다. 즉, 전송속도는대역폭에따라일차적으로변

함을알수있으며대역폭을두배늘리면전송속도도두배가된다.

그러나실제통신의환경은많은잡음의 향을받아원래의정보신호는에러를

나타날수있다. 만약전송율의증가시비트들은그주기가짧아지게되어더많은

비트가 향을받게된다. 즉, 주어진잡음에서, 더 많은전송율은더많은에러를

야기한다. 또한더큰신호는잡음에대한 향을줄여전송시에러율을줄일수가

있게된다.

잡음 채널 환경에서 채널용량은 대역폭 및 신호 대 잡음 비에 의해 결정됨을

69


t

t

t

t d

d

[그림 1-35] 전송시간(propagation time)

1948년섀넌의논문에서보여졌다. 즉, 다음의식 (1-25)와같이주어진대역폭내

에서채널용량은신호가강할수록, 잡음이약할수록증가하게된다.

( / )logC B S N12= + (1-25)

여기서C는bps 단위의채널용량, B는Hz 단위의대역폭, S는신호강도, N은잡

음강도를나타낸다. 위의섀넌의채널용량의식은용량, 대역폭및신호크기의상

관 관계를 나타내고 있으며, 아래의 [그림 1-36]에서 파이프 관을 대역폭, 수압을

S/N 그리고물통을채널용량이라하면굵기가다른수도관을통해같은시간에같

은양의물을공급받기위해서는가는관에수압이더강해야만가능하다. 이를통

신에적용시키면섀넌의채널의법칙을이해하는데도움이될것이다.

즉, 10bps의 용량은 각각 다른 대역폭 1MHz, 10MHz의 관을 통해 송신한다면

각각채널의송신전력은30dB과10dB로보내야한다.

위의섀넌의용량식은일반통신채널환경에서에러없는통신이가능함을보여

주고있다. 즉, 간섭의신호가원래신호의강도보다증가되어도원하는전송용량을

갖기위해서는충분히넓은대역폭을할당하면가능하게된다. 이와같은원리를이

용하여재밍(jamming)이나잡음이매우많은통신채널에서는원래의신호의주파

수를매우넓은대역폭을가지는신호로변형하는대역확산(spread spectrum) 방

식을 이용하여 에러 없는 통신을 하고 있다. 이와 같은 스프레드 스펙트럼은 최근

70


C=10Mbps

C=10Mbps

S/N

B

B

B

C

S/N

[그림 1-36] 파이프 관과 섀넌의 방식

셀룰러에서사용되는CDMA 무선접속기술의기반기술이다.

또한 주파수효율(bandwidth efficiency)은 얼마나 효율적으로 할당된 주파수대

역을 사용하는지에 대한 지표이다. 그리고 이는 주어진 주파수대역 내에서 Hz 당

처리되는데이터율(throughput data rate)의비로나타낸다. 만약변조된RF 신호

의주파수가 BHz이고, 데이터율이 Rbps이면, 주파수효율 Bh 는다음과같이나타

낸다.

/ /R B bps HzB =h (1-26)

섀넌의채널용량식을활용하여, 얻을수있는최대주파수효율은다음과같이나

타낼수있다.

/ ( / )logC B S N1maxB 2= = +h (1-27)

71


예제 16) 나이키스트와섀넌의식을만족하는식을생각해보자.

예제 16) 채널대역은3MHz에서4MHz에존재하고 SNR dB24dB = 이라고가정하자.

MHz MHz MHzB 4 3 1= - =

( )logSNR dB SNR24 10dB 10= =

SNR 251=

섀넌의식을사용하면, 채널용량은다음과같다.

( )log MbpsC 10 1 251 10 8 862

6# #c= + =

이를전송하기위해필요한신호레벨이얼마인지나이키스트식을이용해구해보자.

logC B M2 2=

( ) log M8 10 2 106 62# # #=

log M4 2=

M 16=

1.4.1 디지털통신의 기본 블록도

앞에서설명한디지털신호를처리하고처리된신호를이용하여통신을하는디지

털통신시스템에 대해서 알아보도록 하자. 다음에 나타낸 [그림 1-37]은 대표적인

디지털통신시스템을나타낸블록다이어그램이다.

[그림 1-37]에서 나타낸 소스 인코드(source encode)와 채널 인코드(channel

encode)를 수행하는 부분은 통신시스템에서 인코더(encoder) 또는 코더(coder)라

72


예제 17) 20kbps의비트전송률로전화통화를하려고한다. 두가지의전송방식중 1번째전

송 방식은 300Hz에서 3400Hz의 전송대역폭을 가지고 있으며 신호 대 잡음비는

40dB이고 2번째 전송방식은 600Hz에서 2800Hz의 전송대역폭을 가지고 있으며

신호대잡음비는 30dB이다. 이두가지전송방식중어느전송방식이더효율적

인방식인가?

◆섀넌의채널용량식 (1-27)을활용하면,

1번째전송방식의채널용량은다음과같다.

대역폭 , , Hz3 400 300 3 100= - =

,SNR dB40 10 000= =

, ( , ) .log kbpsC 3 100 10 000 1 41 2= + =

같은방식으로2번째전송방식의채널용량을구하면다음과같다.

, ,Bandwidth Hz2 800 600 2 200= - =

,SNR dB30 1 000= =

, ( , ) .log kbpsC 2 200 1 000 1 21 9= + =

위와같이두전송방식모두20kbps를에러의발생없이전송할수있다.

하지만섀넌의공식에따른채널용량한계에따르면 2번째의방식이더효율적인전송방

식임을알수있다.


고불린다. 그리고소스디코드(source decode)와채널디코드(channel decode)를

수행하는부분은디코더(decoder)라고불린다. 이두부분의코더(coder)와디코더

(decoder)를합쳐서코덱(codec)이라고한다.

또한 변조(modulate)와 복조(demodulate)를 수행하는 부분을 변조기

(modulater), 복조기(demodulater)라고 하는데 이 두 부분을 통합하여 모뎀

(modem)이라고한다.

그리고 [그림 1-37]에서 XMT(transmitter)와 RCV(receiver)로 나타낸 부분과

채널(channel)을통합하여RF(radio frequency) 부분이라고한다.

[그림 1-37]에서이루어지는데이터상태는원시정보(information source)에서

다양한형태(digital, analog, textual information)의신호들이시스템내부로입

력되게 되고 첫 번째 과정인 포맷팅(formatting)에서 이들 신호들이 모두 디지털

로 바뀌게 된다. 시스템 내부에서 처리되는 데이터는 디지털로 바뀌어진 비트열

(bit stream)이되는것이다. 이러한비트열이변조(modulate)단을거치면반송파

에이비트열들이실리게되어전송하고자하는채널에따라, 아날로그혹은디지

털파형으로바뀌게된다. 그림에서와같이디지털통신을구성하는기본요소인디

지털데이터, 모뎀, RF 그리고동기부만으로기본적인통신이가능하게된다. 그러

나좀더효율적인통신을위해서는통신의용도에따라블록을더할수있도록하

고있다.

[그림1-37]에서나타난블록다이어그램의구조를살펴보도록하자.

73


채널을중심으로아래와위를구분해본다면 [그림 1-37]은 상·하대칭구조임

을알수있다. 데이터흐름을따라살펴보면채널위부분이송신단, 아래부분이

수신단(receiver)이되고데이터처리과정은송신단에서처리한순서를수신단에서

역으로처리하는상·하대칭구조이다. 그리고송신단구성은많은주파수를이용

할 수 있는 높은 주파수로 디지털신호들을 변조하는 부분(frequency up

conversion stage), 변조된 신호를 멀리 보낼 수 있도록 증폭하여 송신하는 부분

(high power amplifier), 신호를송신하는안테나(antenna) 등으로이루어지고, 수

신단은신호를수신하는안테나(antenna), 미약한신호를수신하여증폭하는저잡

음증폭기(low noise amplifier; LNA)와수신된높은주파수를낮은주파수로변경

하는부분(down conversion stage) 등으로이루어진다.

그럼이번에는디지털통신에서신호의흐름에따른각단계별신호처리과정에

대해자세히알아보자.

74


Codec Modem RF

[그림 1-37] 디지털통신의 기본 블록도

1.4.2 디지털통신 기술

1.4.2.1 포맷팅(formatting)

포맷팅(formatting)이란일반적으로정보또는신호를사용자가원하는다른형

식의신호로변환시키는과정을말하는데, 디지털통신시스템에서의포맷팅이란원

시정보(source information)를디지털부호(symbol)로바꾸는것을말한다. 즉, 원

시정보(information source)의 여러 가지 형태인 디지털, 아날로그 그리고 문자

정보(textual information) 등의데이터들이시스템의입력으로들어왔을때이들

입력데이터를모두같은형식인0과 1로이루어진디지털데이터로바꾸는것을포

맷팅이라고하는것이다. [그림 1-38]에서나타낸포맷팅의예를보면서이해를해

보자.

사람의음성인아날로그신호는보통수Hz에서4,000Hz(4kHz)에존재하며다음

[그림 1-38]에서이러한음성신호중일부분을임의로가져와양자화를거쳐샘플

링을하고PCM(pulse code modulation) 배열로나타내고있다.

75


2.32.56110

x(t)x(t)

x(t)

t

[그림 1-38] 포맷팅(formatting)의 예

이아날로그신호의크기에따라여러레벨로크기가나누어졌다고했을때(이러

한 레벨을 양자화 레벨(quantization level)이라고 함) 시간의 흐름에 따라 일정한

시간 간격(sampling 주기)마다 신호 성분의 이산적인 크기를 측정(이를 샘플링

(sampling)이라고함)하면 [그림 1-38]에나타난검은점들이아날로그신호상에나

타나게된다. 이점들의값을측정해야하는데양자화레벨의수가한계가있으므로

정확한값을측정하지못하게된다. 그래서이점들과가장가까운양자화레벨값

을측정하게되고이와관련된코드넘버(code number)를 결정하게된다. 이 코드

넘버를이진수로바꾸게되면 [그림 1-38]에나타낸 PCM 배열(sequence)이된다.

이처럼임의의아날로그신호가이진부호로바뀌는모든과정을통합하여포맷팅이

라고한다.

이와같이통신에서는음성과 상을비롯한거의대부분의정보가아날로그형

태의 신호이므로 디지털통신을 위해선 이를 디지털 형태의 신호로 변환할 필요가

있다. 이를 PCM 방식이라고하며, [그림 1-38]과같이아날로그신호를표본화, 양

자화, 부호화의과정을거쳐디지털신호로변화시키게된다.

1.4.2.2 소스코딩(source coding)

소스코딩(source coding)이란포맷팅(formating)에 의해서바뀐이진데이터들

중중복성이있거나필요없는정보들을제거함으로써실제로전송할데이터양을

줄이는과정이다. 즉, 소스코딩은 [그림 1-39]와 같이소포를보내는데비용을줄

이기위해내용물을제외한나머지는버리고무게를줄여서보내듯이필요없는정

보를버리고핵심적인부분의데이터들만골라냄으로써데이터압축효과를얻는것

이다. 원래의신호나정보를완벽하게재생할수있도록코딩하는기법을무손실코

딩(lossless coding)이라하며, 이는병원에서촬 한CT나기타X-레이정보는코

딩에의해저장되며복원시원래의정보에전혀손상이없어야한다. 원정보는좀

손상되더라도 실제 사용 시 문제가 없는 경우에 사용하는 코딩 기법을 손실코딩

(lossy coding)이라 한다. 소스코딩의 경우로는 CDMA 음성통신의 CELP(code

excited linear predictive coding) 방식과 정지 화상 및 동 상에 사용되는

JPEG(joint photographic coding experts group) 및 MPEG(motion picture

experts group) 등이있다.

76


1.4.2.3 암호화(encryption)

암호화(encryption)는 인증되지않은(권한이주어지지않은) 사용자가전송되는

메시지를파악하게되거나시스템내부에침입하여메시지에에러요소를심는등

의 활동을 하지 못하게 하는 단계를 말한다. 다음에서 설명할 채널코딩(channel

coding)이나 인터리빙(interleaving)의 방법은 에러를 정정하는 데에는 효과가 있

지만다른사람이도청하는것을막는것은어렵다. 현재사용되고있는CDMA 방

식의통신시스템에서는완벽한암호화방식을사용한다.

[그림1-39]에서와같이소포의내용물을받는사람이아닌다른사람이볼수없

고내용물을만지거나손상하는등의행동을못하도록자물쇠로채워서봉하는과

정이라고생각하면되겠다. 주로사용하는암호화의종류는아래와같다.

a. 블록(block) 암호 기법

일정한 길이의 신호를 암호화하기 위해서 신호를 일정한 길이를 갖는 블록으로

나누고 각 블록에 암호를 반복 적용하는 기법이다. 블록 암호 기법 중 DES(data

encryption standard) 알고리즘이가장널리쓰이며파일이나패킷을암호화할때

주로사용된다.

77


[그림 1-39] 코딩의 3단계

b. 스트림(stream) 암호 기법

스트림암호기법은암호화하고자하는메시지와동일한크기의랜덤비트를생성

하여메시지에XOR 연산을수행하는기법이다. 이러한과정을거치게되면랜덤비

트자체의생성방법이 0과 1 중 50%의확률로선택이되었기때문에전체의랜덤

비트를알고있는사람이아닐경우암호를해석하는것이거의불가능하다. 스트림

암호기법중가장대표적알고리즘은Mask 암호화알고리즘으로써블록알고리즘

에 비해 간단하고 동적으로 비 키를 생성하는 키 스트림 알고리즘으로 보안성이

강화되었다.

1.4.2.4 채널코딩(channel coding)

채널코딩(channel coding)이란, 정보가전송되면서여러가지채널환경을거치

는동안생길수있는에러나잡음으로부터원래의정보를보호할수있도록새로운

데이터를덧붙이는과정을말한다. 일반적으로채널에서발생하는에러에는산발적

으로발생하는랜덤(random)에러와터널혹은건물, 지하등에서와같이대량으로

발생하는 연집(burst)에러가 있다. 일반적으로 많이 발생하는 랜덤에러인 경우는

채널코딩을사용하여에러검출및에러정정을하며, 연집에러에대해서는인터리빙

(interleaving) 기법을이용하여연집에러를랜덤에러로변형하여채널코딩을통해

에러를검출/정정하게된다.

이러한 채널코딩을 함으로써 trade-off의 관계에 있는 것이 바로 대역폭 또는

디코더(decoder)의 복잡도이다. 채널코딩을 함으로써 좋아지는 장점들에 반해 필

요한대역폭(bandwidth)이넓어지고또한수신측의채널디코드(channel decode)

과정에서 디코더의 복잡한 설계가 불가피하다는 것이다. 따라서 채널코딩을 함에

있어서에러율이나SNR 요구량을줄이면줄일수록요구되는대역폭이나디코더의

복잡도가 늘어나는 trade-off 관계가 있으므로 가장 적절한 수준을 결정해야 할

것이다. 채널코딩을쉽게설명을하자면암호화(encryption)에서포장된화물이미

국까지운반되는도중충돌이나기후, 압력 등갖가지악조건속에서부서지지않

고무사히미국에도착하여수신자에게무사히도착할수있도록겉포장을하는과

정이라고생각하면되겠다. [그림 1-39]와같이그러한겉포장을하면할수록화물

의무게가많이나가고무게가많이나갈수록지불해야하는운송비는더커질것

이고, 미국에있는수신자가복잡한포장을풀기위한노력도더필요하게될것이

므로이러한관계를위에설명한에러율, SNR 요구량, 대역폭, 복잡도등과결부시

78


켜생각한다면쉽게이해할수있을것이다. [그림 1-40]을통해간단한예를살펴

보자.

[그림 1-40]을보면전송될실제메시지가A, B, C, D의 4개문자로이루어졌다

고할때전송하려는문자의형태를 [그림 1-40]과같이똑같은 3개의문자로이루

어지게만드는채널코딩과정을거치도록한다. 결국실제메시지A, B, C, D를A,

A, A, B, B, B, C, C, C, D, D, D로바꾸어전송한다는의미이다. 이러한채널코딩

을거친메시지가전송되는도중에러가발생하여수신측에서수신하여보니물음표

로 나타낸부분과같이몇개의 정보가손실되었을때디코더가그원래의문자를

검출해낼수있느냐하는것을[그림1-40]으로나타내었다.

하지만채널코딩의과정을거치지않고전송하 을때를생각하면4개의문자가

오류가발생하 으므로실제데이터 4개는완전히복구할수없을것이다. 하지만

채널코딩을한데이터를전송하면채널코딩을하지않은데이터를전송했을때보다

에러발생부분을바르게검출할확률이훨씬높다는것을알수있을것이다.

이동통신시스템과같이채널환경과같은다양한 향으로일정시간정보전달이

되지않아오류가발생하는연집오류가예측되는경우, 연집오류를랜덤오류로전

환시키는인터리빙(interleaving) 기법을사용한다.

인터리빙은 데이터를 전송할 때 송신단에서 채널코딩 과정에서 처리된 데이터

의 순서를 서로 바꾸어 재배열하는 방법으로, 이는 연집오류를 줄이고 전송 과정

에 에러가 발생했을 경우 데이터를 복구하는 데 용이하게 하기 위해 사용하는 방

법으로시스템의복잡도가증가하는단점이있다. 즉, 이와같은방식은연집에러

79


[그림 1-40] 채널코딩(channel coding)의 구조

는랜덤오류로변환하게하는방식이며랜덤오류는앞에서설명한채널코딩기법

에의해오류정정을가능하게한다. 인터리빙에의한데이터처리기법은 [그림 1-

41]과같다.

채널코딩 과정 전의 실제 메시지가 A, B, C, D라고 했을 때 코드화된 부호

(encoded symbols)가채널코딩을거친데이터가되겠고이러한데이터를재배열하

는과정이바로인터리빙이다. [그림 1-41]에서나타낸것처럼인터리빙을거친데

이터를전송했을때에러가발생하여수신측에서인터리빙을행했던재배열방법을

역으로행하여원래의배열상태로복구해보니 [그림 1-41]과같이나타남을알수

있다. 앞에서설명했던채널코딩을거친데이터를전송했을때보다인터리빙을한

단계더거친후전송했을때가원래의데이터를검출하기가훨씬더용이하다는것

을알수있을것이다.

채널코딩에는앞에서설명한인터리빙기법이외에도다양한종류가사용되는데

오류정정 가능 유무에 따라 아래와 같이 크게 오류검출코드와 오류정정코드의 두

분류로나눌수있다.

a. 오류검출코드

오류검출코드는단지전송중에발생한오류만을검출할수있는기능을하는코

80


[그림 1-41] 인터리빙(interleaving)에 의한 데이터 처리 기법

드이다. 그러나 재전송(retransmission)이 가능한 시스템에서는 오류정정 체계를

갖추지못하 더라도, 단지오류의검출만으로오류제어가충분하다. 오류검출코드

의 종류에는 패리티검사(parity check), 검사합(checksum), 순환중복검사(CRC),

가중치코드등이있다.

b. 오류정정코드

오류정정코드는 오류의 검출 및 수정이 모두 가능한 코드로 코드의 기억

(memory) 유무에따라블록코드(block code)와비블록코드(non block code)로나

뉜다. 블록코드는부호화기에메모리가없는것을의미하며대표적인예로해밍코

드(Hamming code), 왈시코드(walsh code) 등이있다. 비블록코드는블록코드방

식과는 다르게 부호화기에 메모리를 가지고 있어서 코드화시킬 때 현재 입력되는

신호및과거의일부신호를함께활용이가능하다. 대표적인비블록코드방식에는

비터비코드(vitervi code), 터보코드(Turbo code) 등이있다.

1.4.2.5 변조/복조(modulate/demodulate)

통신에있어변조(modulate)와복조(demodulate) 부분은가장필수적이고중요

한단계이다. 변조는디지털심벌들을채널의특성에적합한파형들로변환하는과

정이다. 기저대역변조의경우에이파형들은보통정형화된펄스의모양을갖는다.

그러나대역통과변조의경우에는정형화된펄스들이반송파(carrier wave 또는간

단히carrier)라불리는정현파를변조한다. 무선전송의경우반송파는원하는목적

지로의전파를위한전자기장으로변환된다. 무선전송에서공중을통한전자기파의

전송은안테나를사용하여이루어지는데안테나의크기는파장(m)과 그응용에따

라달라진다. 셀룰러폰의경우에안테나는보통 /4m 의크기를갖는데여기서파장

은 /c f와같고 c는광속이며 /m s3 108# 이다. 만일 3000Hz의기저대역신호에대

해서반송파변조없이공중을통해신호를전송하기위해서는약15마일크기의안

테나가필요하다. 그렇지만기저대역정보가아주높은주파수의반송파, 예를들어

900MHz로먼저변조된다면, 이에상응하는안테나의직경은약8cm이다. 이러한

이유로 반송파 또는 변조는 무선전송을 포함한 모든 시스템에서 필수적인 과정이

다. 이밖에도변조는신호전송에있어서다른중요한이점을제공하는데주파수분

할다중화, 스펙트럼확산변조등의변조방식등이여기에해당된다. 반대로수신측

에서는원신호를얻기위하여송신측과반대의과정을수행하여야하며, 이를복조

81


(demodulation)라고 한다. 변조와 복조/검출 과정을 합쳐서 모뎀(modem)이라 부

른다. 우리가컴퓨터에인터넷을하기위해필요한모뎀이라는장치는위와같은의

미에서붙여진것이다.

위에서설명한변조에대해좀더자세히설명하면, 정보를갖고있는신호를보

다멀리, 보다정확하게전송하기위하여전송로의특성에맞게신호를변화시키는

방법이다. 통신에서정보를가진신호를기저대역신호(base-band signal)라하고,

높은 주파수의 신호를 반송파(carrier)라고 하며, 높은 주파수에 실려 변조된 신호

를변조파(modulated wave)라고한다. 복조란변조의역동작으로변조된신호, 즉

변조파에서원래의정보신호를추출해내는과정을말한다. 발진기는반송파를생

성해내는전자회로이다. 변조방식은신호형태에따라아날로그변조방식과디지털

변조방식으로분류된다.

a. 아날로그변조 방식

연속적인아날로그형태의정보신호를고주파수대의신호, 즉 반송파에싣는변

조방식으로아날로그신호의3가지요소인진폭, 주파수, 위상에따라3가지변조방

식이이용되고있다. 즉, 정보신호를이용하여반송파의진폭을변화시키는진폭변

조(amplitude modulation; AM), 반송파의 주파수를 변화시키는 주파수변조

82


[그림 1-42] 변조, 복조 과정

(frequency modulation; FM), 그리고 반송파의 위상을 변화시키는 위상변조

(phase modulation; PM) 방식이있다.

[그림 1-43]은 아날로그변조에의한정보신호의변화형태를보여주고있다. 먼

저, 진폭변조(AM)는 원신호의 진폭을 반송파에 섞어서 보내는 방식으로 송신신호

의내용이수신신호에서진폭의변화를분석해서원신호를찾아내는방식이다. 주

파수변조(FM)는반송파의신호를원신호의전기적인신호로변화시켜주파수의변

화로 원신호를 분석해내는 방식이다. 위상변조(PM) 방식은 반송파의 주파수의 위

상을바꿔주는방식으로신호를전송한다.

AM(amplitude modulation)은반송파(carrier wave)의진폭을신호파로바꾸어

음성이나 상신호를보내는방식으로무선통신에서가장오래전부터실시된변조

방식으로, 중파, 단파의라디오방송과텔레비전 상신호의전송에주로쓰인다.

전송해야할신호전류의진폭변화에따라반송파진폭에변화를주어그포락선

(envelope)이 신호파형이되도록한변조방식이다. 반송파진폭에변화를주면반

송파를중심으로신호의주파수만큼높은주파수와낮은주파수가발생한다. 이를

측파대(side band)라 하며, 신호주파수가 변화하면 그 주파수가 변화하고, 진폭의

증감에따라그진폭도증감한다.

FM(frequency modulation)은 전송해야 할 신호전류의 강약에 따라 반송파 주

파수에변화를주는전파변조방식이다. 이전파는잡음에의해진폭에변화를받아

도복조되는신호에 향이거의없다. 그러나진폭변조(AM)와비교하여상당히넓

은 주파수대역폭을 필요로 한다. 초단파 이상의 주파수대에서는 전파가 전파되는

것이가시범위로한정되어지향성을가지도록할수도있으므로넓은주파수대역폭

의 점유도 허용된다. 일반적으로 주파수변조는 진폭변조와 비교하여 라디오 방송

등에서음질이우수하다고여겨지고있는데이것은주파수대역폭이넓기때문이며,

변조방식에우열이있는것은아니다. 주파수변조의장점은임펄스성잡음에강하

므로데이터통신등에사용해서오차율을낮추는데유용하다. FM 방송, 텔레비전

의음성전송, 근거리무선전화, 소규모위성통신에의한전화 상의전송등에사용

한다.

PM(phase modulation)은 신호전류의변화에따라반송파의위상에변화를주

는변조방식의하나로통신용반송파에신호와대응하는변화를주어서신호를운

반하는형식으로바꾸는것을변조라고하는데, 반송파에는사인파가사용된다. 이

사인파가지닌진폭, 주파수, 위상의 3요소중에서특히위상을변화시키는변조가

83


84


6.28 9.42 12.563.14

6.28 9.42 12.563.14

위상변조이다. 전송하는데이터에따라반송파의위상을최대한 180도변화시키고

있다. 종래에는주파수변조(FM)의일종으로취급되어그다지중요시하지않았으나

최근에는 변조신호가 디지털인 디지털위상변조가 PSK(phase shift keying의 약

칭)로서 디지털코드에 의한 데이터통신에 이용하게 되었다. 이 방식은 주파수변조

에비하여변조기구조가간단하고성능도안정되어있다. 그러나작은위상변화의

경우에는 수신측에서 정확하게 식별하기 곤란하며 연속적인 아날로그신호의 직접

전송에는적합하지않다.

b. 디지털변조 방식

디지털변조는불연속적인디지털형식의정보신호를아날로그형식의반송파에

싣는 변조 방식이다. 디지털 정보들을 부호화하여 디지털신호가 얻어지면 전송을

위한 디지털변조 작업에 들어가게 된다. 디지털변조는 PCM에서와 같이 아날로그

정보의디지털화에도사용된다. 이번장에서다루는디지털변조는반송파를이용한

85


6.28 9.42 12.563.14

[그림 1-43] 아날로그 변조에 의한 정보 신호의 변화 형태

디지털신호의전송으로내용을국한시킨다.

디지털변조방식에는여러가지가있으며그기본원리는아날로그변조에서설명

한 진폭, 주파수, 위상변조와 유사하여, 변조할 신호가 디지털이기 때문에 약간의

차이를보인다. 디지털변조방식도아날로그변조방식과마찬가지로 3가지기본적

인변조방식이있다.

단순히디지털정보신호에맞추어반송파를 on, off하여변조파를얻는방식을

ASK(amplitude shift keying)라고 하고, 주파수 레벨에서 on, off하는 방식을

FSK(frequency shift keying)라 하며, 위상 레벨에서 on, off하는 방식을

PSK(phase shift keying)라한다.

다시말해, ASK는디지털부호에대응하여정현반송파의진폭을변화시켜변조

하는방식이며, PSK는디지털부호에대응하여반송파의위상을변화시켜변조하는

방식을 말하고, FSK는 부호마다 주파수가 다른 반송파펄스를 대응시키는 방식을

말한다.

①ASK(amplitude shift keying)

ASK는디지털데이터(0 또는1)의값에따라서반송파의크기(amplitude) 성분을

변화시키는변조방식으로서일반적으로는 [그림 1-44](a)에서보는바와같이, 비

트값1을나타내는기간(bit duration) 중에는반송파를흐르게하고, 0을나타내는

기간 중에는 반송파를 흐르지 않게 하는 방법이다. 이러한 진폭변조 방법을

OOK(on-off keying)라고도부른다.

86


ASK는간단하지만신호대잡음비가좋지않은상태에서는수신측에서아날로

그신호(반송파)의흐름여부를분명히가릴수없어서0과1을구별하기가어렵다는

단점이있다. ASK는예전부터무선전신(wireless telegraphy)시스템에서널리이

용되어왔으며, 광섬유를이용한디지털전송에서도사용된다.

②FSK(fnequency shift keying)

FSK는두개의비트값에각기다른주파수의신호를대응시킨다. 이방법은주

로공중교환전화망(PSTN)을이용할때많이쓰인다. 한예로서, 비트 1을나타내는

기간중에는1,180Hz를0의기간중에는980Hz의사인파(반송파)를보낸다.

복조회로에서는두개의필터에의해서서로다른두주파수가나누어지고, 각각

의검파기에의해서만들어진신호를서로비교한후, 에러처리를위한회로를거

87


t

t

t

T

T

T

[그림 1-44] 디지털변조에 의한 반송파의 변화 형태

치게된다.

앞에서ASK는잡음에 향을많이받는데비해, FSK는아날로그변조의FM에

서와마찬가지로, 상대적으로잡음의 향을덜받는다. 또한FSK는수신된신호를

두개의주파수로분리한다음양쪽모두에대해0과1을식별하는과정을거치므로

비교적정확히정보를복원할수있으며, 회로의복잡도도ASK에비해크게심하지

는않기때문에ASK보다많이선호된다. 그러나보내고자하는정보전송률이높아

지면그만큼높은주파수를반송파로써야하는데이는너무낮은주파수로변조할

경우, 복조회로가0과1을정확히식별하지못하기때문이다

③PSK(phase shift keying)

PSK는비트값을나타내기위해반송파의위상을변화시킨다. [그림 1-44](c)와

같이비트값이0일때에는위상을0으로놓고, 1일때는180도로바꾼다. 수신측에

서는원래의반송파의위상과비교하여같으면0으로, 다르면1로인식한다.

180도의 위상 차이를 식별하는 것은 주파수 변화의 식별에 비해 용이하므로,

PSK가 FSK보다 선호된다. 그러나 PSK에서는 수신측이 위상의 변화를 추적하기

위해위상의동기화회로를필요로하는데, 이회로의비용이적지않다. 이런부담

을피하는방법으로DPSK(Differential PSK)라는방법을사용한다. 이는바로전

의신호위상을기준으로, 1을 나타내는비트에서는그위상을 180도만큼변화시키

고, 0을 나타내는비트에서는그위상을그대로유지시킨다. 수신측에서는이전의

위상과비교하면되므로, 송신측과위상을동기화할필요성이없어지는것이다. 결

국두방법의주된차이는위상변화를절대적인기준으로파악하느냐, 아니면바로

앞의비트를대상으로상대적으로파악하느냐하는것이다.

④QAM(quadrature amplitude modulation)

디지털변조에서는기본적인변조방식을두가지이상조합하는것이가능하며,

진폭과 위상을 동시에 변화시키는 경우를 QAM(quadrature amplitude

modulation)이라고한다. 더불어 PSK의경우위상을 180도변화시키는것(360도

변화란원상태를의미)을기본으로하나위상을 90도로변화시켜 2배의정보를싣

는 QPSK(quadrature PSK)와 위상을 45도 변화시키고 진폭도 2가지로 나누어

PSK에비해8배의정보를싣는QASK가있다.

PSK에서는π(=180°)만큼씩의위상변화를통해, 두종류의심볼로디지털정보를전

88


송한다. 위상변화를좀더작게(예컨대, π/2씩) 한다면네종류의심볼이생기고, 따라

서하나의심볼로서네개의값을식별할수있다. 이방법이바로QPSK(quadrature

phase shift keying)이며, 앞의예에서는하나의심볼에두비트가대응되므로정

보전송률은심볼또는신호화율(symbol or signaling rate)의두배가된다. 정보

전송률을더높이려면위상변화를더작게하면서반송파의진폭도바꾸면되는데,

이방법이QAPSK 또는줄여서QASK(quadrature amplitude shift keying)이다.

또한 이 방법은 흔히 QAM(quadrature amplitude modulation)이라고도 한다.

QAM은그림에서보는바와같이위상변화의단위를π/6씩으로하여 1주기를전부

12개로 나누고, 이에 더하여 이들 중에서 [그림 1-45](b)에서 0000, 0001, 1000,

1111에해당하는네개의각에는변조된신호의진폭을두값으로달리가질수있게

하여, 총 16개의정보를표현한다. 하나의심볼로서16개값중하나를나타낼수있

으므로, 하나의심볼이네개의비트에대응되는셈이다. 따라서이경우정보전송

률은심볼또는신호화율의네배가된다.

1.4.2.6 다중화/역다중화(multiplexing/demultiplexing)

다중화란하나의회선에보다많은신호를전송하기위한방법이다. 일반전화기

의정보전송속도는64kbps이다. 보통가입자접속선로에서사용하는광케이블의

경우155Mbps급의전송능력을제공하며, 약 2,340개의64kbps PCM 전화채널을

수용할수있다. 따라서만약하나의전화회선을광케이블로전송하는경우에는광

케이블의전체전송능력중극히일부만을사용하게되어효율성이매우나빠지기

89


[그림 1-45] QPSK와 QAM

때문에이를해결하기위해서는많은전화회선을모아서하나의광케이블로전송시

키는통신망구조와다중화기능을사용하여야한다.

이와같이디지털데이터전송에서사용자단말기로부터의디지털데이터전송용

량과전송선로가제공할수있는디지털데이터전송용량에큰차이가있는경우다

중화혹은역다중화기능이사용된다.

위의 그림에서 보는 것과 같이 24개의 64kbps PCM 전화회선을 다중화시키면

전체 속도가 1,536kbps가 되고 이는 1.544Mbps의 T1 전송선로 하나를 사용하여

수용할수있다. 이와같이송신측에서는다수의저속전송채널을통합하여하나의

고속전송선로에수용하는기능을다중화장치로구현하고, 수신측에서는반대기능

을 역다중화로 구현하여 저속채널로 분리한다. 또한 어떤 A 지역에서의

1.544Mbps급의 T1 상회의시스템을B 지역에있는 상시스템과연결해야하는

경우A와B 지점을연결하는T1 선로가없고64kbps 전화선로만존재한다면 [그림

90


kbps

kbps

kbps

kbps

kbps

kbps

kbps

kbps

kbps

[그림 1-46] 다중화와 역다중화

1-46](b)와같이 1.544Mbps 데이터를적절히분할하여24개의전화선로로병렬전

송한다.

전기통신에서다중화방식은변조된신호를주파수별로재배치하여전송하는주

파수분할다중화(frequency division multiplexing; FDM) 방식, 단위시간내에서

변조된 신호를 시간적으로 분리 배정하여 전송하는 시분할다중화(time division

multiplexing; TDM) 방식, 그리고 파장분할다중화(wave division multiplexing;

WDM) 이용되고있다. 특히 아날로그통신의경우신호를시간적으로분리하는것

이어려워주파수분할다중화방식을이용하고있다.

a. 주파수분할다중화(FDM)

주파수분할다중화방식은링크의주파수대역이전송되는신호들을합한전체대

역폭보다큰경우에적용된다. 각송신부에서생성된신호들은다른캐리어주파수

들로각각변조된다. 이변조된신호들은링크를통해전송될수있는하나의복합

신호로만들어진다. 이때캐리어주파수들은신호들의상호간섭이일어나지않도록

충분히분리되어있어야한다. [그림 1-47]은각신호를각기다른주파수대로전송

하는개념을나타낸다. FDM을시간 역과주파수 역에서의동작을다음의그림

에서각각나타낸다.

91


92


f

f

f

각각다른주파수에실려서다중화된신호를 [그림 1-48]과 같이역다중화과정

을거쳐찾아낼수있다.

93


f

f

f

[그림 1-47] 주파수분할다중화(FDM)

b. 시분할다중화(TDM)

시분할다중화 방식은 [그림 1-49]와 같이 각 가입자로부터 송신된 신호를 미리

정의된일정한시간주기로분할하여분할된신호(이를타임슬롯(time slot)이라함)

를하나의회선으로순차적으로전송하는방식이다. 즉전체전송시간을일정한시

간 간격의 프레임으로 분할하고, 각 프레임을 다시 몇 개의 시간슬롯으로 분할한

94


f

f

f

f

f

f

[그림 1-48] 주파수분할역다중화(FDM)

후, 각시간슬롯을특정전송채널에할당하게된다.

95


[그림 1-49] 시분할다중화(TDM)

1.544Mbps급의 T1 전송링크는 [그림 1-50]과같이 24개의 64kbps 음성채널을

보낼수있다. 한프레임은125μsec이며이는초당8000개의프레임을구성하고있

으며(1/8000 샘플링) 1 프레임마다24개의슬롯(slot)과하나의동기화비트로구성

된다(24×8 + 1 = 193). 매 125μsec마다 193비트가전송되기때문에 193×8000 =

1,544,000bps가된다.

96


kbps

[그림 1-50] T-1 라인의 아날로그신호 전송

특히FDM과TDM의가장큰차이점은TDM은하나의신호에대하여넓은주파

수대역폭을할당할수있다는이점이있는반면FDM은주파수대역폭을나누어각

신호에할당함으로써한신호에대한주파수대역폭은적으나보다많은신호를수

용할수있다는이점이있다.

c. 파장분할다중화(WDM)

주파수분할다중화방식과동일한개념으로동작을한다. [그림 1-51]과같이여

러다른소스에서오는협대역빛을광대역빛으로합하는것으로이러한과정은프

리즘을 이용하여 이루어진다. 여기에서는 매우 높은 주파수대역에서 사용되며

(1014~1015Hz), 총 30,000GHz의광파장대역폭을사용할수있는것으로예상된다.

2003년현재우리나라에서는약24개의광파장을이용하여50Gbps급의광전송시

스템을상용화했고미국의경우는약200개의광파장을이용하여500Gbps급의광

전송시스템을개발하고있다.

97


[그림 1-51] 파장분할다중화(WDM)

1.4.3 다중접속 방식

한정된전파자원을효율적으로이용하기위하여이동전화시스템에서는2가지의

기술을사용하고있다. 앞에서설명한바있는주파수를재사용(frequency reuse)

하여기지국의수를확장하는셀룰라기술과주파수를동시에여러가입자가사용

하도록하는다중접속방식(multiple access method)이있다. 다중접속방식은한

정된 주파수 자원을 주어진 시간에 사용자들에게 할당하여 기지국과 단말기 간의

무선구간을연결하는기술을말한다. 다중접속방식의종류에는주파수분할다중접

속(FDMA; frequency division multiple access), 시분할다중접속(TDMA; time

division multiple access), 부호분할다중접속(CDMA; code division multiple

access) 등이있다.

●FDMA: 주파수대역을서로다른여러개의채널로나누어각채널에각각의

사용자를할당하는방식

●TDMA: 적절한대역의채널을여러개의시간구간으로나누어각구간에각

각의사용자를할당하는방식

●CDMA: 확산 대역 방식을 이용하여 넓은 주파수대역에 여러 사용자가 서로

다른부호를사용함으로써같은주파수, 같은시간을사용하여접속되는방식

다중접속방식은이동통신을위한주요기술중의하나이기때문에여기서는개

념적으로간단히설명하고보다자세한원리는6장에서설명하도록한다.

a. 주파수분할다중접속(FDMA) 방식

FDMA 방식은주어진주파수를각사용자가서로다른신호간의간섭을방지할

수있을정도의주파수대역으로나누어동일한주파수대역의주파수신호는통과시

키고그외주파수신호는제거하는필터(송신측에서날아오는전파는다른여러사

용자의전파가섞여오므로다른사용자의것은걸러내는역할)를사용하는방식이

다. 이와같은방식으로분할된주파수대역을채널(회선)이라고한다.

[그림 1-52]에서보듯이각주파수대역이두사용자사이에서통화를할수있는

길(통화로)이된다. 이동단말기에서통화를시도하면사용하고있지않은채널을할

당받아통화를할수있다. 아날로그셀룰러시스템은이방식을사용하고있다. 예

98


를들어두사람이노래를할경우한사람은소프라노로, 또다른사람은앨토로부

르게하여청중의입장에서소프라노를듣고자할때는소프라노만을들을수있고,

앨토를듣고싶을때에는앨토를들을수있는필터를귀에설치한것과같다. 즉, 2

개의독립된채널(소프라노와앨토)에독립된신호(소프라노음과앨토음)를혼합하

여전파를보내면수신측에서는각독립된신호로구별하는기술이다.

FDMA 방식은각사용자마다사전에특별한채널이고정되어있는것이아니라

통화를시도할경우에만임의의비어있는채널을할당하여통화를연결시켜준다.

[그림 1-52]에서는 세 개의 채널을 각각의 사용자에게 할당한다. 만약 이 세 개의

채널이모두사용되고있다면, 새로운사용자는아무리통화시도를하더라도여유

채널이없으므로통화를할수없다. 그러나어느채널에서든지사용자들이통화를

마치게될때다시통화를시도하면새로운사용자에게그통화채널이할당되어통

화를할수있도록만들어줄것이다.

다음 [그림 1-53]은 FDMA 방식의예이다. 각각의송신자가동시에말하는‘Hi’

와‘GO’신호는자신이할당받은서로다른주파수채널을통해원하는수신자에게

전송한다. 이 경우‘Hi’와‘GO’의신호는같은 시간에전송되면서서로의신호에

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[그림 1-52] 주파수분할다중접속 방식(FDMA)

간섭을주지않고수신자에게정확하게전송된다.

주파수대역하나는유선으로말하면하나의회선역할을한다. 이방식은사용하

지않는주파수대역은누구라도사용할수있도록주파수사용효율을증가시킨다.

그렇다면주파수대역폭을좁게할수록더많은회선을만들게되지않을까?

물론주파수대역폭을더좁게할수록회선수는증가하게되고많은가입자를수

용할 수도 있다. 그러나 사람의 목소리는 300~3,400Hz 정도이기 때문에 이러한

사람의목소리를실어보내려면주파수대역폭도 3,400Hz(3.4kHz) 이상이되어야

한다. 그러나이것은이론상가능한것일뿐다른주파수대역의간섭을받지않도록

어느정도다른주파수대역과간격을두어야한다. 물론이렇게주파수대역을정할

수있으면좋겠지만이렇게정해진주파수대역을분별할수있는필터를만드는기

술이뒷받침되어야한다. 따라서필터기술과주파수변조에따른주파수대역폭증

가를감안하여미국의아날로그셀룰러시스템은주파수대역폭을 30kHz로 나누어

사용하고 있고, 일본은 25kHz, 유럽은 20kHz로 사용하고 있다. 주파수대역폭을

좁게하기위해서는무엇보다도기술적인능력이중요하다.

유럽식이미국식보다주파수대역폭이좁다고해서기술이뛰어난것이라고할수

만은없다. 비슷한기술수준이라고볼때주파수대역폭이작아지면인접한다른주

100


[그림 1-53] 주파수분할다중접속 방식의 예

파수대역(채널)의간섭이증가하여통화품질이저하된다. 대역폭이좁으면필터조

건은복잡하고이것으로인하여기술개발비의추가및부품의고가화등이동전화

장비의가격은비싸지게되므로경제성의문제도해결되어야한다. 결국주파수분

할방식인아날로그셀룰러방식의용량증가한계를극복하기위하여디지털방식

인시분할방식과부호분할방식으로의전환이필요하게되었다.

b. 시분할다중접속(TDMA) 방식

TDMA 방식은 동일한 주파수대역을 여러 사용자가 거의 동시에 공동 사용하는

것으로하나의주파수대역을주기적인일정한시간간격으로분할하여각사용자가

순서대로자신에게할당된시간간격에자신의신호를전송하는방식이다. 각수신

측에서는자기의시간간격에있는정보만을선택하여신호를검출한다. 이시간간

격을타임슬롯(time slot)이라 하며, 이 시간간격에있는정보를추출하기위하여

타임게이트(time gate)를사용한다. 타임게이트는자기차례시간에해당되는신호

만을통과시킨다. 각사용자의신호는일정한시간간격으로나누어동일한주파수

에포함시켜수신측으로보내며, 수신자에게도순서대로접속한다. 실제로시간간

격은매우짧아서통화중끊기는것을누구도눈치채지못한다.

이방식을간단히말하면 [그림 1-54]와같이두사람이이야기를할경우한사

람씩차례로순서를정하여말하게하는방법이라할수있다.

A가말하고나서B가말하고, 다시A가말하고B가말하고하는식이다. 이러한

방식에대하여혹시오해가생길지도모른다. 말하는사람이순서대로말하고, 듣는

사람이 순서대로 자기에게 오는 말을 듣는다면 자기 차례가 오기까지는 기다려야

되는것이아닌가하는생각을하게될것이고, 말이끊겨통화가원활하게되지않

을수밖에없을것이라생각할수도있다. 그러나실제로통상말하듯이한다면말

하는사람의말을기계적으로우리가느낄수없는극히짧은시간간격(time slot)

에 차례로 보내게 되어, 듣는 사람의 입장에서도 전혀 느끼지 못할 시간 간격으로

말을듣게되어통화가가능하다.

TDMA에 있어서 채널은 타임 슬롯(time slot)이다. 미국 기준의 경우 FDMA에

서사용하는1채널인30kHz를6개의타임슬롯(time slot)으로나누며, 한통화당2

개의타임슬롯(time slot)이필요하다. 타임슬롯(time slot)을많이만들어서통화할

수있는용량을늘리는것도고려할수있겠으나기술적으로현재의타임슬롯(time

slot)이적절하다.

101


[그림 1-55]는 TDMA 방식의 예로 각 사용자가 보내고자 하는 신호를 각 time

slot에할당하여수신측에전달한다.

102


[그림 1-54] 시분할다중접속 방식(TDMA)

[그림 1-55] 시분할다중접속 방식의 예

c. 부호분할다중접속(CDMA) 방식

CDMA 방식은두사람을소프라노로노래를부르게하되같은장소, 같은시간,

같은음성(주파수)으로하는것이다. 청중은혼동없이각사람의노래를골라서들

을수있도록하는것이이방식이다. 또는소프라노로삼중창, 사중창, 합창을하거

나, 각파트별로중창이든합창을하더라도파트별로어떻게부르고있는지구별해

서들을수있는방식이다. 또각자다른외국어로노래를부른다고가정할때청중

은관심있는언어로된노래만듣는것이가능하다.

마찬가지로당신이많은사람이모인파티석상에서여러사람과동시에이야기를

나누는경우를생각해보자. 이때여러사람이한꺼번에말하는것을동시에이해할

수는없지만한번에한사람의말을이해할수는있다. 이것은우리의뇌가각사람

의목소리의성격을분류하여다른사람의목소리와구별할수있기때문이다. 사람

이더많아지고장소도넓어지고외국인까지초대되었다해도우리의뇌는목소리

를구별하여낸다.

TDMA 방식은 사용자가 동시에 말한 것을 기계적으로 시간을 구분하여 완전한

동시사용이라할수없지만CDMA 방식은여러사용자가동일한주파수를동시에

사용한다. 앞의예에비유하자면각각의코드는외국어와같다. 동일한언어를사용

하는말만을이해하듯이동일한코드를사용하는통화만을선별적으로골라내어듣

는방식이다. 송신자A, B, C의통화에대하여특별한확산코드를더하여주파수대

역폭을넓혀송신한다. 단지부여된코드에따라수신측에서도부여된것과동일한

코드에의해자기에게오는통화를구별해낸다. 따라서CDMA 방식에서의채널은

코드로구분된다.

[그림 1-56]에서보는바와같이데이터는서로다른코드가더해져넓은주파수

대역폭으로확산된다. 수신측에서는송신측에서사용하 던동일한코드를이용하

여 자신에게 보내 온 데이터를 구별해 낸다. 이를 통해 사용자를 인식하고 분별할

수있다.

CDMA 기술은 최근에 새로 나온 통신기술이라고 생각할 사람이 많겠지만

CDMA 이론은 1950년대에이미정립되었고, 1960년대부터군통신에서사용하고

있었다. 이 CDMA 기술을전세계에서우리나라가최초로상용화한것또한의미

있는일이다.

지금부터는좀더구체적으로CDMA 통신에대하여알아보자. CDMA 방식은여

러 사용자가 주파수와 시간을 공유하면서 각 사용자에게 별도의 코드를 할당하여

103


각 사용자는 송신신호를 확산(spreading)하여 전송하고 수신부에서는 송신측에서

사용한 것과 같은 코드를 발생하여 동기를 시키고 수신된 신호를 역확산

(despreading)하여신호를복원하는다중통신방식이다

[그림 1-56]은 CDMA 방식의예로 red code를 할당받은사용자와 green code

를할당받은사용자는각각자신이송신하는신호에 red code, green code를곱하

여 공통채널으로 전송하고, 수신측 사용자는 송신측에서 사용된 red code, green

code를곱하여원신호를복원하게된다.

104


[그림 1-56] 코드분할다중접속 방식(CDMA)

CDMA 방식에서는 [그림 1-58](a)에서보는바와같이송신측사용자는그사용

자에게할당된확산코드를사용하여자신이보내고자하는신호를확산시켜서수신

측사용자로보내게된다. 수신측사용자는수신받은신호를송신측과동일한확산

코드를사용하여원신호를복원하게된다. 수신측사용자는송신측에서사용된확

산코드를 알고 있어야 하는데 이는 다른 사용자들이나 간섭에 의한 향으로부터

보호하기 위함이다. (a)에서 설명된 CDMA 기본 원리를 (b), (c), (d)를 통해 좀 더

자세히살펴보자. (b)에서는원래의전송하고자하는데이터가 10011이라가정하고

할당받은 코드가 1001이라면 송신데이터 비트별로 확산코드를 곱해 주게 되면

(exclusive OR 연산), 0110 1001 1001 0110 0110이라는신호로확산되게되고, 이

렇게확산된신호는송신기를통해수신측사용자에게로전송되게된다. (c)에서는

(b)에서 수신된 데이터를 복원하는 과정으로, 수신자는 송신에서 사용되었던 확산

코드와 동일한 코드 1001을 사용하여 전송된 비트스트림 0110 1001 1001 0110

0110과의디스프레딩연산(exclusive OR)을하게되고원신호를복원하게된다. 그

림 (d)는 수신된신호와송신측확산에사용된코드 1001이 아닌 0101을 비트별로

곱해주게되면0011 1100 1100 0011 0011이되어원신호를판단해내지못하게된

다. 이와같이송신자가원하지않는수신자들이송신된신호를수신하 을경우원

신호를판단하지못하게함으로써원신호를보호할수있다.

105


[그림 1-57] 코드분할다중접속 방식의 예

106


[그림 1-58] CDMA 기본 원리

Digital통신의 성능 비교

아날로그통신에서는성능평가에평균신호전력대평균잡음전력비(SNR 또는 S/N)을 사

용한다. 그러나디지털통신에서는성능평가특성으로서 SNR을정규화한의미의 /E Nb 0를

사용한다. Eb는비트에너지이고비트시간 Tb와신호전력S의곱이다. N 0는잡음전력스펙트

럼 도이고, 잡음전력 N을 대역폭 W로 나눈 값으로 나타낼 수 있다. 비트시간과 비트비율

Rb는서로역수이므로 Tb를 /R1 b로대체할수있다.

/ //

NE

N WST

N WS Rb b b

0= = (1-28)

초당 비트의 단위로 쓰는 데이터율은 디지털통신에서 가장 많이 나타나는 매개변수이다.

/E Nb 0가 S/N을 대역폭과 비트비율로 정규화한 의미임을 강조하기 위해 식 (1-28)을 다시

쓰면다음과같다.

NE

NS

RWb

0= c m (1-29)

[그림 1-59]는 디지털통신시스템에서 성능에 대한 가장 중요한 비트오류확률 PB 대

107


/E Nb 0의그래프이다. 차원이없는비 /E Nb 0는한시스템대다른시스템의성능을특징짓

는척도로생각할수있다. 결론적으로요구된 /E Nb 0가작을수록주어진검출과정이더효

율적임을의미한다.

[그림 1-59] 일반적인 형태의 PB 대 Eb/N0 곡선

PB

Eb /N0x0

P0

01 아날로그신호(analog signal)와 디지털신호(digital signal)의 표현 방법에 대해서 설명하고

각표현방법의차이점을비교하라.

02 13dB 증폭되어 1.8W를 나타내는 신호 A를 회로를 통과시켜 22dB의 이득을 가지게 되었

다. 신호 A의원래의신호값과회로를통과한후의신호값은얼마인가?

03 (a) 어떠한 시스템에서 신호 A는 12dBW이고 신호 B는 20dBm이다. 신호 A에 대한 신호

B의강도는?

(A) 1.2W의디지털신호가회로를통과한후 13dB의이득을가졌다면최종출력전력값은?

04 수신기의 잡음온도가 294K이고 10MHz의 주파수대역에서 100kHz의 대역폭을 가용한다.

수신기출력의열잡음전력과잡음전력 도를구하고잡음스펙트럼을그리시오.

(a) 이 컴퓨터의잡음전력 도와잡음전력을구하시오.

(b) 위의 결과를이용하여잡음스펙트럼을그리시오.

05 어떤 컴퓨터의 잡음온도는 27℃이고 80MHz의 주파수대역에서 4MHz의 대역폭을 가용한

다.

(a) 이 컴퓨터의잡음전력 도와잡음전력을구하시오.

(b) 위의 결과를이용하여잡음스펙트럼을그리시오.

06 40MHz에서 45MHz의 주파수채널대역을가지는 통신선로시스템에서신호대 잡음비(SNR)

가 30dB인 신호를전송하려고한다.

(a) 이 시스템의전송용량은얼마인가?

(b) 나이키스트의식에근거하면신호레벨은얼마나많이필요한가?

(c) 신호 대잡음비가 2배로증가하면채널대역폭은얼마가필요한가?

07 현재 3.1kHz에서 15kHz의 주파수대역을 사용하는 통신시스템의 비트전송률을 64kbps에

서 1Mbps로 높이려고 한다. 이 대역폭에서 신호 대 잡음비 40dB로 1Mbps 비트전송률의

통신이가능한가? 가능하지않다면얼마의전송대역폭이필요한지산출하라.

108


연/ 습/ 문/ 제/E X E R C I S E

08 36kbps의 비트전송률을 가지는 시스템에서 신호레벨을 8로 하여 전송하고자 한다. 채널

대역폭을구하고섀넌의공식에근거하여신호대잡음비를구하라.

09 나이키스트 식에서 신호의 레벨이 8이고 채널대역이 100~103MHz라고 할 때 섀넌 식의

신호대잡음비는얼마인가?(dB로 나타내시오.)

10 다음에주어진내용에대해서그림을그려서간단하게설명하시오.

(a) 코딩의세가지단계

(b) 인터리빙

(c) 디지털변조의세가지방법

11 어느 자신문에서 알파벳의 숫자를 조사하 더니 모두 같은 확률로 발생되지 않고 알파벳

마다 차지하는 비율이 각각 다르다고 한다. a, e, o, t는 0.1의 확률로 나타나고, h, i, n, r,

s는 0.07, c, d, f, l, m p, u, y는 0.02, b, g, j, k, q v, w, x, z는 0.01의 확률로나타난다

고 한다. 이럴 경우 이 자신문에서 26자의 알파벳 중 한 문자가 쓰여졌을 때 얻어지는 엔

트로피는얼마나되는가?

12 FDMA, TDMA, CDMA 이 세가지다중접속방식에대해서설명하시오.

109

연습문제

[1] Behrouz A. Forouzan, Data Communications and Networking(2nd

edition), McGRAW-HILL, 2000.

[2] William Schweber, Electronic Communication Systems(2nd edition),

Prentice Hall, 1996.

[3] 차동완, 정보통신세계, 지문화사, 2002.

[4] William Stalling, Wireless Communications and Networks, Prentice

Hall, 2002.

[5] Simon R. Saunders, Antennas and Propagation for Wireless Communication

System, Wiley, 1999.

[6] Andy Bateman, Digital Communications, Addison-Wesley, 1999.

[7] Blake, Wireless Communication Technology, Delmar, 2001.

[8] Bernard Sklar, Digital Communications, Prentice-Hall PTR, 2001.

[참 고 문 헌]

110


■박용완(Yong wan Park)

1982년경북대학교전자공학과학사1984년경북대학교전자공학과석사1989년뉴욕주립대(Buffalo) 전자공학과석사1992년뉴욕주립대(Buffalo) 전자공학과박사California Institute of Technology, Research FellowSK Telecom(주) 기술연구팀장NTT Mobile Communication Network Inc. (NTT DoCoMo), 초빙교수UC Irvine, 방문교수

현 남대학교전자정보공학부부교수현대구디지털산업진흥원이사현경상북도21세기정보화위원현지역혁신기술센터(TIC) Wireless Multimedia Center, 사업단장

■홍인기(Een- Kee Hong)

1989년연세대학교전기공학과학사1991년연세대학교전기공학과석사1995년연세대학교전기공학과박사SK Telecom(주) 중앙연구원, 선임연구원NTT Mobile Communication Network Inc. (NTT DoCoMo), 연구원IMT-2000 컨소시움RTT 연구반, 의장정보통신부주파수이용계획, 이동통신분과위원장

현경희대학교전자정보공학부부교수현한국통신학회, 한국항행학회이사

■최정희(Jeong hee Choi)

1986년경북대학교전자공학과학사1989년뉴욕주립대(Buffalo) 전자공학과석사1992년뉴욕주립대(Buffalo) 전자공학과박사SK Telecom(주) 중앙연구원선임연구원정보통신연구진흥원파견전파/방송기술평가실장UC Irvine, 방문교수

현대구대학교정보통신부부교수현한국주파수심의위원회위원

이동통신 공학

박용완·홍인기·최정희 공저

초 판 인 쇄 : 2005. 3. 5초 판 발 행 : 2005. 3. 10개정판발행 : 2010. 9. 10발 행 인: 김 승 기발 행 처: 생능출판사신 고 번 호 : 제406-2004-000002호신 고 일 자 : 2005. 1. 21I S B N : 978-89-7050-676-3

─경기도 파주시 교하읍 문발리 535-11 파주출판도시대표전화 : (031)955-0761, FAX : (031)955-0768홈페이지 : http://www.booksr.co.kr

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