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제2장 통신의 기본 개념 (Basic Concept) (C)

1.5 다중화(Multiplexing)

1. 개념

아래 그림과 같이 하나의 통신 회선을 통하여 여러개의 입력이 결합된 형태로서 데이터 신호를 전송한 후

수신측에서는 전송된 원래 형태의 데이터 신호로 분해하여 주는 것이다. 이것은 음성과 데이터, 그리고 영상

데이터를 동시에 안전하고 신속하게 서비스해 주는데 있다.

2. 기능

1) 가입자측에서 다양한 속도로 접속되는 인터페이스 기능

2) 음성, 데이터, 영상 서비스 기능

3) 시스템 사이의 전송선로 자동 우회 기능

4) 데이터의 멀티드롭기능

5) 대용량 고속 전송기능

3. 특징

여러 채널의 신호를 한 채널에 보내야 하므로 하나의 전송 채널은 일반적으로 n배의 넓은 대역폭을

가져야한다. 여기서 대역폭이라는 것은 단위가 시간 다중화에서는 bits per second(bps)가 되고, 주파수

다중화에서는 Hz 가 된다.

--보통 대역폭이라고 하면 주파수의 대역폭을 말하지만, 시분할 다중화에서는 데이터 전송속도 즉, bps 를

대역폭 이라고도 한다. 이것은 통신을 처음 공부하는 사람에게 상당한 혼동을 일으킬 수도 있는 점이다.

4. 종류

1) 시분할 다중화(Time Division Multiplexing, TDM) : 디지털 신호에 대해서 베이스 밴드에서 사용한다.

2) 주파수 분할 다중화(Frequency Division Multiplexing, FDM): 아날로그 신호에 대해서 브로드 밴드에서

사용한다.

시분할 다중화(TDM)

여기서는 멀티플랙싱 방식중에 시분할 다중화에 대해서 알아본다.

1. 개념

시간을 여러 개의 조각(타임 슬롯)으로 나누어서 거기에 각 채널의 데이터를 넣어서 보내는 방식이다.

디지털 신호로 전송되며, 아날로그 데이터에는 직접적으로 사용하지 못하므로 양자화하고 코드화해서 디지털

신호로 만든 후에 사용할 수 있다.

2. 종류

1) 동기식(Synchronous) TDM

이 방식은 고전적인 회선 교환(circuit-switching)에서 사용되는 것으로 각 입력에 버퍼를 두지 않고, 타임

슬롯을 모든 이용자에게 규칙적으로 할당한다. 즉, 각 채널에서 데이터를 보내던 안 보내던 타임 슬롯을

미리 할당하고 고정 시킨다.

장점: 구현이 간단하다.

단점: 입력이 없는 채널이 있어도 계속 대역폭은 낭비되어야 한다.

적용 예: DS-1 프레임 포맷, ISDN, SONET/SDH

2) 비동기식(Asynchronous) 또는 통계적(Statistical) TDM

이 방식은 인터넷에서 사용되는 패킷 교환에 적용되는 방식으로 각 입력에 버퍼를 두고 입력이 있는

채널에만 타임 슬롯을 할당하는 동적 할당 방식이다.

장점: 입력이 있는 채널에만 타임 슬롯을 할당하기 때문에 대역폭이 남을 수 있고, 그 남는 대역폭 동안

다른 일을 할 수 있다.

단점: 각 채널마다 헤드를 삽입하기 때문에 구현이 다소 복잡하다.

적용 예: HDLC 프레임 포멧

주파수 분할 다중화(FDM)

여기서는 멀티플랙싱 방식중에 주파수 분할 다중화에 대해서 알아본다.

1. 개념

주파수를 여러개로 나누어서 동시에 한 채널로 전송하는 방식으로 아날로그 신호를 변조해서 각 대역폭을

합해서 보내다. 흔히 볼 수 있는 예가 방송국에서 보내는 전파이다. 이 전파에는 TV 나 라디오의 각 채널에

있는 변조된 신호들이 공중에서 동시에 전송된다. 여기서는 공중이 바로 하나의 채널이 되는 것이다.

2. 블록 다이어그램

아래 그림을 보자.

그림 (a)는 n 개의 채널에서 변조된 신호가 다중화되어 전송되는 과정을 나타냈고, 그림(c)는 수신기에서

다중화된 신호를 복조하는 과정을 나타냈다.

그리고, 그림(b)는 다중화된 신호 S(t)의 주파수 스펙트럼인데, 대역폭 B 는 전체 채널 대역폭의 합임을

보여주고 있다.

OFDM 방식

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)은 멀티캐리어 변조 방식의 일종으로, 멀티패스(multi-

path) 및 이동수신 환경에서 우수한 성능을 발휘한다. 이 때문에 지상파 디지털 TV 및 디지털 음성 방송에

적합한 변조방식으로 주목을 받고 있다.

OFDM 은 주로 통신분야에서 연구가 진행되어 왔으나, EBU(European Broadcasting Union)가 제안한 디지털

음성방송 시스템의 변조방식으로 채택되면서 방송분야에서도 연구개발이 진행되었다.

가. OFDM 의 원리

OFDM 의 송신 신호는 (그림 1)에서 보는 바와 같이 다수의 디지털 변조파를 합해 놓은 것이다. 각 반송파의

변조 방식으로서는 음성 방송용에는 QPSK, 지상파 디지털 TV 방송용으로는 대역 이용 효율이 우수한

64QAM 등의 다치 변조방식이 잘 이용된다.

OFDM 에 의한 데이터의 전송은 (그림 1)에서 보는 바와 같이 전송 심볼을 단위로 하고 있다. 각 전송 심볼은

유효 심볼 구간과 가드 인터벌이라는 구간으로 구성된다. 가드 인터벌은 멀티패스(고스트)의 영향을 줄이기

위한 신호 구간이다.

OFDM 의 변복조는 이산 퓨리에 변환을 이용하여 모든 반송파에 대해 일괄적으로 처리할 수 있기 때문에

개별 반송파 각각에 대해 변복조기를 설계할 필요가 없다. (그림 2)에 OFDM 변복조기의 개념적 구성을

예시하였다. 그림에서 송신 데이터 C-N/2~C-N/2-1은 N 개의 데이터 모두를 유효 데이터로 할 필요는 없고

일반적으로는 그 일부에 대해 0이 아닌 복소수 값을 부여하고 나머지 송신 데이터는 0으로 한다. 예를 들어,

L 번째의 송신 데이터 CL을 0으로 두고 주파수 fL의 반송파는 송신 신호에서 삭제한다. 따라서 실제로

송신되는 반송파의 수 NC는 임의의 값으로 설정할 수 있다.

OFDM 의 전송 프레임의 예를 (그림 3)에 예시하였다. OFDM 의 전송 프레임은 통상 (그림 1)에서의 전송

심볼을 수백 개 정도 합한 것에 프레임 동기용 심볼과 서비스 식별용 심볼을 부가한 것이다.

나. OFDM 의 특징

OFDM 의 주요 특징을 살펴보면 다음과 같다.

- 전송 대역폭과 비트 레이트가 일정한 단일 캐리어 방식과 비교하면, 송신 데이터를 NC개의

반송파에 분산하여 전송하는 경우, 전송 심볼 1개의 계속 시간은 단일 캐리어 방식의 약 NC 배가

된다. 이와 같이 전송 심볼 1개의 계속 시간이 단일 캐리어 방식보다 크게 길어지고 시간축에서 가드

인터벌을 부가하면 멀티패스(고스트)가 증가해도 전송특성의 열화가 적다.

- 데이터를 전송대역 전체에 분산하여 전송하기 때문에 특정 주파수 대역에 방해 신호가 존재하는

경우에도 그 영향을 받는 것은 일부 데이터 비트에 한정되며, 인터리브와 에러정정 부호로 효과적으로

특성을 개선할 수 있다.

- 변조파는 랜덤 잡음에 가깝기 때문에 다른 서비스에 미치는 방해의 성질은 랜덤 잡음과 같다.

- OFDM 의 각 반송파는 저 비트 레이트, 협대역의 디지털 변조파이기 때문에 (그림 2)에서 알 수

있는 바와 같이 전력 스펙트럼의 사이드 로브는 급격히 감쇠하고 대역외로의 전력 누설이 적다.

- FFT(고속 퓨리에 변환)에 의한 변복조 처리가 가능하다.

- 멀티패스에 강한 특성이 있으므로 비교적 소전력의 다수 송신국을 이용하여 단일 주파수로 서비스

영역을 커버하는 SFN 을 구성할 수 있다.

- 반송파가 같은 주파수 간격으로 정렬된 멀티캐리어 방식이므로 전송로에 비선형 특성이 존재하고,

상호변조에 의한 특성 열화가 발생하기 쉽다. 따라서 충분한 선형 영역에서 사용할 필요가 있다.

다. OFDM 의 전송 특성

예를 들어, 전송 파라미터가 다음과 같을 경우 OFDM 의 수신 C/N 대 비트 에러율 특성은 (그림 4)와 같다.

- 유효 심볼 길이: 128 ㎲

- 가드 인터벌 길이: 32 ㎲

- 캐리어 수: 448

- 대역폭: 3.5MHz

- 비트 레이트: 5.6Mbps

- 각 캐리어의 변조방식: DQPSK

(그림 4)에서 실선은 실측치, 점선 및 일점 쇄선은 계산기 시뮬레이션에 의한 계산치이다. 이 그림의

결과로부터 고스트 환경하에서 OFDM 의 비트 에러율 특성은 단일 캐리어의 DQPSK (Differentially encoded

Quadrature Phase Shift Keying)에 비해 매우 우수하다는 것을 알 수 있다.

라. 지상파 디지털 TV 방송에의 응용

OFDM 은 고스트에 강하고, 기존 서비스에 방해를 주지 않는다는 특성을 가지고 있기 때문에 지상파 디지털

TV 방송에 적합하다.

영상신호는 음성신호에 비해 정보의 양이 현격히 많기 때문에 지상파 디지털 TV 방송은 디지털 음성 방송에

비해 한정된 주파수 대역에서 보다 많은 데이터 비트를 전송해야 한다. 이 때문에 OFDM 을 지상파 디지털

TV 방송에 응용하는 경우 각 반송파의 변조 방식으로서는 통상 64QAM등의 다치 변조 방식이 이용되고

있다.

지상파 디지털 TV 방송에 OFDM 을 이용하는 경우의 이점으로는 (그림 5)에 나타낸 바와 같이 아날로그

TV 의 영상 반송파와 음성 반송파의 위치에 해당하는 주파수 근방에 OFDM 반송파를 전송하지 않는 캐리어

홀(carrier hole)이라는 영역을 설계함으로써 기존 아날로그 TV 로부터의 방해량을 크게 줄일 수 있다.

코드분할 다중화 방식(CDM : Code Division Multiplexing)

필요한 대역폭 보다 훨씬 넓은 대역폭으로 보내는 확산 대역 기술을 이용잡음과 다중경로에 대한

면역성을 가지게 하는 다중화 방식

동작 과정

?? 송신측에서는 PSK(Phase Shift Keying : 위상변조)와 FSK(Frequency Shift Keying : 주파수 변조)를

사용하여 일차 변조

?? 일차 변조된 신호의 대역폭을 넓히기 위해 이차 확산 변조

?? 수신측에서는 확산 변조된 신호를 원래의 신호로 복구하기 위하여 이차 복조 혹은 역 확산

?? 역확산 된 신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 일차복조 후 출력

CDM은 모든 사람이 같은 장소에서 서로 다른 언어를 사용하여 이야기하는 것으로 비유될 수 있음

장점

?? 도청과 간섭을 방지

?? 각 터미널에 개별 코드 할당

단점

?? 수신부에서 인코딩에 사용되는 코드를 알아야함

?? 배경잡음을 분리해야하는 오버헤드

?? 수신부는 디코딩을 적용하기 위해 송신부와 동기화를 이루어야 함