공부 | 무선 통신 - 4

안테나

• 안테나는 전기 도체 또는 도체 시스템
  • 전송 : 전자기 에너지를 공간으로 방출
  • 수신 : 공간에서 전자기 에너지를 수집
• 양방향 통신에서 송수신에 동일한 안테나를 사용할 수 있음
• 안테나의 효율성은 신호의 파장에 상대적인 크기에 따라 달라짐
• 안테나 사이즈가 중요

안테나의 길이

안테나의 길이는 신호의 $1/2$ 파장 길이 (효율적), 또는 $1/4$ 파장 길이

• $1/2$, $1/4$만 알아도 전체 파장의 길이를 알 수 있기 때문

공식

\[f = \frac{c}{2L}\]

• f : 주파수
• c : 빛의 속도 (상수)
  • 약 $3 \times 10^8$
• $\lambda$ : 식에는 없으나, 파장 길이를 나타냄
• $L$ : 안테나 길이
  • 반파장 안테나의 경우 : $2L= \lambda$

예시

10m 길이의 반파장 다이폴 안테나에 대한 최적 주파수는?

1. $L = 10$
2. $f = \frac{c}{20}$
3. $f = \frac{3 \times 10^8}{20}$
4. $f = 1.5 \times 10^7$
5. 따라서 f(주파수)는 약 15MHz
   • 키로 : $10^3$
   • 메가 : $10^6$
   • 기가 : $10^9$

• $\lambda$ : 파장
• c : 빛의 속도 (약 $3 \times 10 ^ 8$)
• 어떤 주파수가 있을때 그거에 대한 최적의 안테나 길이가 얼마 정도인가
• 어떤 안

방사 패턴

안테나의 방사 특성을 그래픽으로 표현

안테나 종류

• 모든 방향으로 균등하게 전력 방출
• 다이폴 안테나
• 포물선형 반사 안테나
• 지향성 안테나

스펙트럼 고려사항

• 규제기관의 통제를 받음
  • 주파수
  • 신호 전력
  • 다중 접속 방식
• Dynamic Sepectrum Access(DSA)
  • 주파수 자원을 효율적으로 관리하기위해 동적으로 관리, 할당
  • Cognitive Radio : 수신기가 사용하지 않는 대역을 찾아 자동으로 할당
• ISM band
  • 정부의 라이센스 없이 쓸 수 있는 대역
    • 2.4GHz, 5.8GHz

전파 모드 (Propagation Modes)

• Ground-wave propagation(지상파 전파, GW)
• Sky-wave propagation(공중파 전파, SW)
• Line-of-sight(LOS) propagation(가시거리 전파)

지상파

• 지구 곡률을 따라감
• 상당한 거리까지 전파가능
• 최대 3MHz
• 사용
  • AM 라디오

공중파

• 전리층과 지구 표면 사이를 오가며 여러 홉을 이동
• 수천 킬로미터를 이동할 수 있음
• 3-30MHz 에서 작동
  • 30MHz 이상의 신호는 전리층에 의해 잔사X
• 굴절로 인한 반사 효과

가시거리 전파

• 송수신 안테나가 가시거리 내에 위치해야 함

기본 전파 메커니즘

• 자유 공간 전파 (Free-space propagation)
• 전송 (Transmission)
  • 매체를 통해
  • 굴절은 경계에서 발생
• 반사 (reflection)
• 회절 (diffraction)
  • 날카로운 모서리를 가진 물체 뒤의 2차 파동
• 산란 (scattering)
  • 작은 물체나 거친 표면 사이의 상호작용

Impairments(장애) 종류

• Attenuation (감쇄)
• Free space loss (자유공간 손실)
• Noise (잡음)
• Atmospheric absorption (대기흡수)
• Multipath (다중경로)
• Refraction (굴절)

Attenuation (감쇄)

신호 세기는 전송 매체에 따라 떨어짐

유도되지 않은 미디어의 감쇠 계수

• 수신 신호는 수신기가 신호를 해석가능 하도록 충분히 커야함
• 주파수가 높을수록 감쇄가 커져 왜곡이 생김

Free Space Loss

자유 공간에서도 시간이 지날수록 감쇄됨

Noise (잡음)

• 잡음 (Noise) : 송수신기간 추가적인 원치않는 신호가 삽입됨
• 열 잡음
  • 전자의 교반에 의한 열소음
  • 모든 전자 장치 및 전송 장치에 존재
  • 주파수 스펙트럼에 걸처 존재 (화이트 노이즈)
  • 제거할 수 없음
• 상호변조 잡음 (intermodulation noise)
  • 주파수가 다른 신호가 동일한 매체 공유시 발생
• 누화 (crosstalk)
  • 신호 경로간 원치않는 커플링
• 임펄스 잡음 (Impulse noise)
  • 불규칙한 펄스 노이즈 스파이크
  • 짧은 지속 시간과 높은 진폭(amplitude)
  • 외부 전자파 장애 또는 결함으로 인해 발생

대기 흡수 (Atmospheric absorption)

• 수증기 및 산소가 감쇠에 기여

다중 경로 (Multipath)

• 장애물이 신호를 반사해 다양한 지연이 있는 여러 복사본이 수신됨

다중 경로 전파의 영향

• 전파 메커니즘
  • 반사, 회절 및 산란
• 신호의 여러 복사본이 서로 다른 위상(phase)에 도착할 수 있음
  • 위상이 파괴적으로 추가되면 노이즈에 대한 신호레벨이 감소해 감지가 어려워짐
• 심볼간 간섭

굴절 (Refraction)

• 전파가 대기중으로 전파되며 휘어지는 현상

Channel Correction Mechanism

• 전진 에러 수정 (FEC)
• 적응형 등화 (Adaptive Equalization)
• Adaptive modulation and coding
• Diversity techniques and MIMO
• OFDM
• Spread spectrum
• Bandwidth expansion

전진 에러 수정 (FEC)

• 오류 수정 코드 추가
  • 코드는 데이터 비트의 함수
• 수신기에서 들어오는 데이터 비트에서 오류 수정 코드 계산
• 수신기가 수신 데이터만을 활용
• 리던던시가 큼

적응형 등화

Diversity techniques

• 개별 채널이 독립적인 페이딩 이벤트를 경험한다는 사실에 기초함
• space diversity 공간 다양성
  • 송신 안테나를 공간적으로 이격
• frequency diversity 주파수 다양성
  • 각각 다른 주파수로 동일한 데이터를 보냄
• time diversity
  • 시간 간격을 두고 동일한 데이터를 전송
• diversity 활용
  • 가장 좋은 신호 선택
  • 또는 신호 합성

MIMO (Multi Input Multi Output)

안테나 에러이 사용

• diversity
• multiple stream
  • 여러 데이터를 병렬로 보낼 수 있다
• beamforming
  • 지향성 안테나
• multi-user MIMO
  • 여러 사용자로부터 신호를 받기위해 각각의 지향성 안테나로 사용

Adaptive modulation and coding (AMC)

OFDM

Bandwidth expansion

신호는 제한된 bps/Hz만 제공가능 -> 더 만흥ㄴ 대역폭이 필요하다

Carrier aggregation

• 여러 주파수 대역을 결합해 더 넓은 대역폭 제공
• 예
  • LTE는 3세대 carrier를 통합한다
• 주파수 재사용
  • 영역