Ⅰ. 서 론
고품질의 TV방송 서비스 제공을 위해 전 세계적으로 아날로그 TV 방송을 디지털 TV 방송으로 전환하는 추세에 대응하여 우리나라에서도 지상파 TV 방송의 디지털 전환과 디지털 방송의 활성화에 관한 특별법[1]에 근거하여 2012년 12월 31일을 기점으로 디지털 TV 방송으로의 전환이 완료되어 완전한 디지털 TV 방송 시대를 맞이하였다.
지상파 직접 수신 환경을 개선하기 위한 다양한 노력이 지상파 방송사를 통해 이루어지고 있다[2~3]. 우리나라는 70%가 넘는 산악 지형과 도심지의 고층 건물 등에 의해 방송 전파 환경이 양호하지 않다.
기존 아날로그 방송의 경우에 낮은 수신 전계 강도와 고스트로 인해 많은 시청자들이 유선 방송의 재전송에 의존하였다.
그러나, 디지털 방송은 아날로그 방송과는 다르게 안정 된 수신을 위한 최저 신호 대 잡음비가 기존 아날로그의 35dB 수준에서 15dB로 대폭 향상되었으며, 지속적인 수신기의 성능 개선 등으로 수신 감도 또한 개선되어 실외 안테나뿐만 아니라 실내 안테나를 통한 수신이 가능한 지역도 확대되고 있다.
특히, 공동 주택과 공동 수신 시설의 확산으로 지상파 수신 설비를 갖춘 대규모 수신 가구가 증가하고 있어 소위 디지털 방송을 수신 가능한 ‘DTV ready’ 가구가 점차 확대되고 있다. 지상파 방송사들 역시 지상파 DTV 직접 수신율을 높이려고 하는 다양한 노력을 수행하고 있어 앞으로도 이러한 직접 수신 가능 가구는 크게 늘어날 것으로 기대된다.
본 논문에서는 지상파 방송을 중심으로 진행되고 있는 지상파 수신율 확대를 위한 ICS 극소출력 중계기에 대한 기술적 분석과 더불어 필드 테스트를 통하여 ICS 극소출력 중계기의 효과를 검증하였다.
Ⅱ. ICS 기반 DTV 극소출력 중계기
국내 지상파 DTV 표준으로 선정된 ATSC(Advanced Television Systems Committee) 방식은 단일 반송파를 사용하는 방식으로써 단일 주파수망인 SFN(Single Frequency Network)의 구성이 어렵다고 하는 주파수 이용 관점에서의 문제점을 가지고 있다[1].
SFN의 구축은 방송 주파수 이용 효율의 향상은 물론 방송 구역 내에서 안정적인 전파 세기를 보장할 수 있어서 방송 서비스의 품질을 높일 수 있는 장점을 가지고 있다[2]. 이와 같은 SFN의 장점을 살리기 위하여 ATSC DTV 시스템을 위한 동일 채널 중계기인 DOCR(Digital On-Channel Repeater) 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔다[3~5].
초기에 제안된 DOCR인 RF(Radio Frequency) processing DOCR, IF processing DOCR, baseband decoding DOCR은 신호 품질이나 인접 채널 간섭, 귀환 신호에 의한 송출 능력의 제한, DOCR 내에서의 처리 시간 등이 각각의 문제점으로 부각되었다. 전자통신연구원(ETRI)에서 제안 된 등화형 동일 채널 중계기인 EDOCR(Equalization DOCR)[6]은 기존 DOCR의 문제점을 크게 향상 시켰으나, 송신 출력에 제한이 있어서 SFN 확장에 제한된다고 하는 문제점을 안고 있다. 한편, DAB(Digital Audio Broadcasting) 용으로 고안된 간섭 제거 기술 기반의 디지털 동일 재생 중계기인 IC-DOCR(Interference Cancellation Digital On Channel Regenerative Repeater)[7]은 등화기 대신에 FIR(Finite Impulse Response) 필터를 이용하여 귀환 신호를 제거함으로서 DOCR의 송출 능력을 높일 수 있다.
그림 1은 IC-DOCR의 시스템 구성도를 나타낸 것이다. 여기에서, 입력 신호 x(n)은 주송신국으로부터 수신된 신호 s(n)과 송신 안테나(Tx)에서 귀환 채널을 통하여 수신 안테나(Rx)로 귀환된 신호 xfb(n)이 결합되어 있으며, 이 입력 신호에서 수신 신호와 귀환 신호와의 상관도를 이용하여 송신 안테나에서 귀환되는 신호를 제거한다.
그림 1.간섭 제거 기반 동일 채널 중계기 Fig. 1. Interference Cancellation Digital On Channel Regenerative Repeater(IC-DOCR)
송수신 안테나 사이에는 LMS 알고리즘을 적용한 적응형 FIR 필터를 사용하여 귀환 채널 hfb(n)을 추정한다. 적응형 알고리즘인 LMS(Least Mean Square) 알고리즘은 FIR 필터로 구현되는 것이 일반적이며, 그 효율성과 단순성 때문에 적응 안테나 시스템, 시스템 인식, 선형 예측 및 시간 지연 추정 등 여러 분야에 응용할 수 있다[8].
그림 1에서 오차 신호 e(n)은 입력 신호 x(n)과 FIR 필터로부터 추정된 귀환 신호 과의 차, 즉
으로 정의된다. T는 전치(transpose)를 의미한다.
식 (1)에서 오차 신호 e(n)은
이며, 추정 귀환 신호인 은 FIR 필터의 탭 계수를 나타내는 벡터로서
이며, DOCR 송출 신호 벡터인 y(n)은
이다. 여기에서, K는 FIR 필터의 탭 수를 나타낸다.
식 (1)에서 에러 신호 e(n)이 최소(이상적으로는 0)로 되기 위해서는 귀환 신호 성분인 yfb(n)이 완벽하게 제거되어야 하고, 이를 위해서는 추정 귀환 신호 과 입력 신호 x(n)에 포함된 귀환 신호 yfb(n)과 일치되는 귀환 채널의 추정이 제대로 이루어져야 한다.
필터의 탭 계수 벡터 를 구하기 위한 목적 함수 F는 식 (5)와 같이 정의된다.
식 (5)의 목적 함수 F가 최소로 된 때에 추정 귀환 신호는 송신 안테나로부터의 귀환 신호에 거의 근접하게 되며, 이때의 이 최적의 필터 탭 계수로 되는 것이다. LMS 알고리즘에서는 다음 식에 따라 탭 계수 을 갱신한다[5].
여기에서, μ는 스텝 파라미터라고 하며, LMS 알고리즘을 이용한 반복 계산 과정에서 수렴성이나 안정성을 조절하기 위한 파라미터이다. 식 (6)에서 적응형 FIR 필터의 탭 계수의 갱신은 송출 신호 벡터 y(n)과 오차 신호 e(n)의 곱을 이용하여 이루어짐을 알 수 있다.
IC-DOCR에서 상관도 감소 지연(decorrelating delay)이 없을 경우, 오차 신호 e(n)이 곧 송출 신호 y(n)이 되고, 높은 상관도로 인하여 귀환 채널 추정 성능이 영향을 받게된다. 따라서 IC-DOCR에서는 송출 신호와 오차 신호 사이의 상관도를 낮추기 위해 식 (7)과 같이 상관도 감소 지연을 적용한다.
IC-DOCR에서 상관도가 제거될 정도로 충분한 길이의 지연 시간이 보장되면 귀환 추정 성능이 좋아진다. 즉, 주송신 채널의 상태가 열악할수록 인접 채널 간 간섭(ISI : Inter-Symbol Interference)에 의해 부호 사이의 상관도가 높아지므로 Δ도 증가하여야 한다. 그러나 상관도 감소 지연의 길이가 길어질수록 DOCR에서의 처리 시간도 함께 증가하게 되어 송출되는 신호의 전파 지연도 길어지게 된다. 이는 수신단 관점에서 긴 시간 지연을 갖는 다중 경로 신호로 간주되어 등화기에 부담이 되므로 수신기의 성능 열화 요인으로 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 필터의 탭 계수를 부분 갱신(partial update)하는 기법을 적용하였다.
본 논문에서는 DOCR의 송출 능력을 높이기 위하여 ATSC DTV 시스템에 ICS 극소출력 중계기를 적용하여 필드 테스트를 거쳐 그 성능을 검토하였다.
Ⅲ. 필드 테스트에 사용한 시스템
1. 중계기의 시스템 구성 및 동작 개요
ICS 극소출력 중계기는 1MHz당 10mW 이하의 출력으로 국부적인 난시청 및 전파 음영 지역을 해소하기 위하여 해당 지역의 방송 채널과 동일한 채널로 재전송하는 방송 중계 장치이다. 이 중계기는 송수신 사이에 동일 채널을 사용하므로 주파수 이용에 대한 효율성을 극대화시킬 수 있으며, 특별히 주파수 허가를 받지 않고도 민간에서 형식 승인 등의 허가를 받은 제품을 건물 옥상이나 전주 등에 간단히 설치하여 국부적인 난시청을 해소할 수 있다고 하는 장점이 있다.
ICS 극소출력 중계기는 그림 2와 같이 크게 LNA(Low Noise Amp) unit, up/down converter, DSP(Digital Signal Process)를 포함하는 ICS uinit, PA(Power Amp) unit, CH BPF(Band Pass Filter) 및 combiner, MCU 그리고 power supply(입출력 고정형의 경우) 등으로 구성된다.
그림 2.ICS 극소출력 중계기 시스템 구성도 Fig. 2. System block diagram of ICS extremely low power repeater
이 중계기는 수신 안테나에 입력된 동일 주파수의 송신소 신호와 인위적, 자연적인 요인으로 발생한 귀환 신호가 혼합된 신호와 DSP 알고리즘을 ICS 중계기 내에서 모델링 한 귀환 간섭 신호를 합성하여 귀환 간섭 신호를 30~40dB 정도 감쇠시킨 신호를 송신 안테나를 통하여 방사한다.
표 1은 본 논문에서 필드 테스트에 이용한 ICS 극소출력 중계기의 사양을 나타내고 있다. 여기에서, 채널 14~18은 각각 MBC, KBS1, SBS, KBS2, EBS 채널이다.
표 1.ICS 극소출력 중계기의 사양 Tab. 1. Specifications of ICS extremely low power repeater
표 2, 3은 각각 필드 테스트에 이용한 송수신 안테나의 사양, 그리고 그림 3~4는 각 측정 지점에 설치된 송신 안테나(1 방향, 2방향)와 수신 안테나(지주, 벽면 설치), 그리고 그림 5는 중계기 설치를 완료한 모습을 나타낸 것이다.
표 2.송신 안테나의 사양 Tab. 2. Specifications of transmitting antenna
표 3.수신 안테나의 사양 Tab. 3. Specifications of receiving antenna
그림 3.송신 안테나(1 방향, 2 방향) Fig. 3. Transmitting antenna(1, 2 direction)
그림 4.수신 안테나(지주, 벽면에 설치) Fig. 4. Receiving antenna(pole & wall mounted)
그림 5.설치된 중계기 Fig. 5. Installed repeater system
그리고, 그림 6은 DTV 필드 테스트를 위한 시스템 구성 및 측정 결과의 일례를 나타내고 있다.
그림 6.DTV 필드 테스트를 위한 시스템 구성 및 측정 결과 예 Fig. 6. The system configuration for DTV field test and example of measurement result
Ⅳ. 필드 테스트 및 고찰
본 논문에서는 지상파 DTV 방송의 난시청 지역 해소 개선 효과를 분석하기 위하여 ICS 극소출력 중계기를 DTV 방송 신호가 거의 수신되지 않는 난시청 지역인 경기도 광주시 오포읍 능평리 6개소(A), 경기도 동두천시 광양동 9개소(B), 경북 예천군 하리면 우곡리 5개소(C), 광주광역시 북구 각화동 5개소(D), 전남 여수시 돌산읍 죽포리 6개소(E), 충남 아산시 영인면 아산리 3개소(F), 제주도 제주시 추자읍 묵리 6개소(G)의 인위적(건물), 자연적(지형) 형태의 난시청 지역(수신 전계 강도 : 35 dBμV/m 미만, 화질 : 불량(black))에 적용하여 각 지점에서의 수신 전계 강도 및 SNR에 대해 필드 테스트를 실시하였다.
위의 필드 테스트는 KBS1(CH 15), KBS2(CH 17), EBS(CH 18), MBC(CH 14), SBS(CH 16)의 각 방송국의 방송 수신 신호를 측정하여 분석하였다.
단, 필드 테스트에서 중계기 설치 지점의 측정 결과는 분석 과정에서 제외하는 것으로 하였다. ICS 극소출력 중계기를 설치하기 전에는 전계 강도 측정기 상에 noise floor만 존재하였으며, TV 화면 또한 black으로 나타나 SNR의 측정은 불가능하였다.
표 4는 각 측정 지점에 ICS 극소출력 중계기를 설치하여 수신한 측정 결과(수신 전계 강도 및 SNR)를 나타낸 것이다.
표 4.수신 측정 결과 Tab. 4 Results of receiving measurement
위의 측정 결과에서,
표 5는 ICS 극소출력 중계기의 설치 전/후의 각 측정지점에서의 평균 수신율을 나타낸 것이다. 여기에서 알수 있듯이 설치 전의 평균 수신율 7.8%에 비해 설치 후의 수신율은 92.5%를 나타내어 평균적으로 수신율이 84.7% 개선되어 DTV 난시청 문제가 완전하게 해소됨을 알 수 있다.
표 5.수신율 개선 현황 Tab. 5 Improvement status of receiving ratio
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 난시청 문제를 해소하기 위하여 DTV 방송 신호가 거의 수신되지 않는 전국적인 난시청 지역 7개소를 선정하여 ICS 극소출력 동일 채널 중계기의 설치하고, 설치 전/후의 수신 전계 강도 및 SNR을 측정하고, 또한 수신율 개선 현황을 통하여 ICS 극소출력 동일 채널 중계기의 효과를 검증하였다.
그 결과,
참고문헌
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- J. Y. Choi, J. K. Hong, M. S. Hur, Y. W. Suh and J. S. Seo, "An Interference Cancellation Technique for Digital On-Channel Repeaters for T-DMB", pp. 107-113. 2009.
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- Y. S. Kim, J. G. Ki and K. T. Lee, “Interference Cancellation On-Channel Regenerative Repeater for the Single Frequency Network of ATSC Terrestrial Broadcasting”, The Journal of the Institute of Webcasting, Internet and Telecommunication, Vol. 11, No. 6, pp. 295~302, 2011.
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