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지윤 금
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1 2. 위성방송일반 2.1 Satellite Communication Fundamentals 위성통신에대한개념은 1945 년영국의공상과학소설가인아서클라크(Arthur C. Clark) 에 의해제안되었다. 클라크는그의논문에서지구상공 35,780 km에 120도간격으로 3개의 정지위성을띄우면지구전역을커버하는통신수단을제공할수있다고제안하였다. 본격 적인정지위성시대에들어선것은 1963 년이후가되었다. 위성방송개요 위성방송은적도상공 35,780km 의정지궤도에위치한방송위성(BS) 또는통신위성(CS) 을 이용한다. 지상지구국은위성에프로그램을송신하고위성은이를받아지상으로다시재 전송한다. 지상의가정에서는이를수신안테나( 접시안테나) 로수신받아위성수신기를통하 여프로그램을시청한다. 이렇게가정에서직접수신하는방식을 DTH(direct to home) 라고 하며, 아파트나빌딩, 공동주택의경우처럼공통의위성안테나로수신된신호를각장소에 분배하는방식이있는데이를 SMATV(satellite master antenna television) 라고한다. 방송신호를지구국에서위성으로올리는과정을업링크(Up-link), 위성에서지상으로내리 는과정을다운링크(Down-link) 라한다. 위성방송용으로사용되는주파수대에는 C밴드 (4-6GHz) 와 Ku 밴드(12-14GHz) 가있다. 위성방송의특징위성은넓은지역을대상으로직접전파를전송하기때문에산간, 도서벽지등의난시청지역에서도직접방송을수신할수있으며, 위성신호의입사각이높기때문에지상건축물등에의한간섭이줄어들게된다. 또한지상에서직접위성과전파를송수신하기때문에새로운방송및통신회선설정을용이하게할수있다는장점이있다. 그러나전파가지구국과위성을왕복하는데지연시간이걸리며, 전파거리가길고손실이크 기때문에저잡음, 고출력장비가필요하다. 또한인접국가로의전파누설이있을수도있 다는단점이있다. 용도에따른분류 (FCC 분류: 방송및통신) ꋫ FSS(Fixed Satellite Service) : 대부분의통신위성 ꋫ BSS(Broadcast Satellite Service) : DTH(Direct to Home) 전송을목적으로한 FSS의특정한형태이다. 일반적으로아날로그전송은 DBS(Direct Broadcast Service) 라고하며, 디지털전송은디지털 DBS 라고부른다. ꋫ 방송위성과통신위성일반적으로위성중계기에는방송용중계기와통신용중계기가있다. 방송위성의통신위성에비해출력이높고, 일반적인통신위성이직선편파를사용하는데반해방송위성은원편파를사용한다는특징이있다.

2 위성의궤도 위서의궤도에는정지궤도, 저궤도, 중궤도, 장타원궤도가있으며위성방송에는정지궤도가 이용된다. 각궤도의특징을표2.1 및그림2.1 에나타내었다. 궤도특징위성예 정지궤도 (GEO: Geostationary Orbit) 저궤도 (LEO: Low Earth Orbit) 중궤도 (MEO: Medium Earth Orbit) 장타워궤도 (HEO: Highly Elliptical Orbit) 고도 : 35,786 Km 적도상의원궤도로주기가지구의자전과같다지구에서보면일정한위치에정지해있는것으로보인다 고도: 500~수천Km( 대부분은 1,500Km 이하) 주기: 약 1시간 45 분( 고도 1,000Km 의경우) 위성가시시간은 12 분정도 ( 고도 1,000Km 의경우) 연속서비스를위해서는수십기의위성이필요 고도: 수천~20,000Km 정도주기: 5~6 시간 ( 고도 10,000Km 전후의경우) 연속서비스를위해서는수십기의위성이필요 고도: 약 40,000Km ( 원지점) 주기:12~24시간원지점부근에서서비스를한다위성가시시간: 8~12시간연속서비스를위해서는최저 2~3기의위성이필요 KTSAT, INTELSAT ASIASAT, EUTELSAT IRIDIUM GLOBALSTAR ORBCOMM ODYSSEY ICO MOLNIYA ARCHIMEDES 표2.1 위성궤도와특징 그림2.1 GEO, HEO, LEO 궤도

3 정지위성 위성이떨어지지않는것은지구의인력과위성의원심력이밸런스가맞기때문이다. 위성 이떨어지지않기위한속도는고도 1,000km 정도에서는초속약 8Km 인데, 지구의인력 은거리의제곱에반비례하므로궤도가높으면속도가늦어도위성은떨어지지않는다. 고 도가약 35,785Km에달하면위성의속도는초속약 3Km 에서인력과밸런스가맞는다. 이속도에서는위성이궤도를 1회전하는시간은 24시간이되므로이위성의궤도가적도면 내에있으면지구의회전각속도와같아지며지상에서보면위성은언제나같은위치에정지해있는것같이보인다. 이것을정지궤도(geostationary orbit) 라고하며이궤도상을비행하는위성을정지위성이라고한다. 정지위성궤도는지구적도면상공에있는유일한궤도이다. 모든정지위성은이궤도상에위치해야한다. 위성의숫자가늘어남에따라정지위성궤도는점차포화상태에이르게되었고, 이를해결하기위한새로운방법들이모색되고있다. Satellite launching into Orbit 위성을정지궤도에올리는데는로켓또는스페이스셔틀이사용된다. 위성체를탑재한로켓이지표면에서목표지점까지직진하여안착하는것이이상적이다. 그러나이러한방식은로켓의소요에너지가너무나커서실질적으로불가능하고, 로켓의추진에너지와지구의회전원심력을함께사용하는방식으로로켓을궤도에올려놓는다. 위성발사지는적도또는그와가까운곳이좋은데그이유는적도지방이위성의최종안착지와거리상으로근접하고지구회전에의한슬라이딩효과를최대한활용할수있기때문이다. 그림 2.2 Geostationary orbit principle

그림2.3 PAS-6B 위성체와발사로켓 Ariane Flight 115 정지위성발사비용은일반적으로위성체제작에 100 만달러,

위성발사체는하나또는두개의위성을싣고있는페이로드모듈과위성발사로켓자체로구성된다.

처음궤도에올렸을때의무게는 3600Kg 이었으나궤도진입과위치제어연료소모로점차무게가줄어든다. 예상수명은 15 년이다.

4 그림2.3 PAS-6B 위성체와발사로켓 Ariane Flight 115 정지위성발사비용은일반적으로위성체제작에 100 만달러, 위성발사에 100 만달러, 그 리고보험료로 40 만달러정도가소요된다. 위성발사실패율이평균 10% 정도되기때문 에보험료가높게책정된다. 위성발사체는하나또는두개의위성을싣고있는페이로드모듈과위성발사로켓자체로구성된다. 1998년도에올려진 PAS-6A 위성을예로들면위성본체의크기는 3.4x2.8x6m 이며, 태양전지판을펼쳤을경우 26m 의폭이된다. 처음궤도에올렸을때의무게는 3600Kg 이었으나궤도진입과위치제어연료소모로점차무게가줄어든다. 예상수명은 15 년이다. 발사로켓으로는 Ariane-42L 이사용되었다. 로켓의길이는 51m, 무게는 365톤이며이중 85톤은로켓자체의무게이고 275 톤은연료, 그리고 3.6 톤은위성체의무게이다. 그림 2.4 정지궤도로의위성진입단계

5 정지궤도로의위성발사는그림2.4 와같이발사(launch), 파킹궤도(parking orbit), 전이궤도 (transfer orbit), 최종정지궤도(geostationay orbit) 진입의 4 단계로이루어진다. 위성이최종안착되기까지는 10 일정도의기간이소요되며, 지상과의통신(TT&C: Tracking, Telemetry and Control) 을통해지속적으로제어된다. Station-keeping 위성이일단정지궤도에오르면고정된위치를유지해야한다. 이위치제어과정을스테이 션키핑(Station-keeping) 이라고한다. 정지궤도(geostationary) 위성에영향을주는요인들 은여러가지가있다. 위성의궤도는일반적으로원형이라고말해지나, 실제로는지구의적 도면이서경15도와동경165도로약간돌출된형태이기때문에궤도는약간의타원형을띄 게된다. 이것은지구중력의불균일을가져와위성의궤도를변형시킨다. 만약이것이보정 되지않는다면이들지점과 90도간격으로떨어지고중력이보다안정적인서경105도와동 경75 도로위성이이동하게된다. 이지점을위성의무덤지대(graveyard) 라고부른다. 지구 가완전한구가아니며극지방이평평하다는요인에의한중력의불균형그리고달과태양의인력등또한위성의궤도에영향을주는요인이다. 위의사항들이보정되지않으면위성은그림2.5와같이 24 시간주기로남북, 동서방향 8 자모양으로이동하게되며, 해마다 0.8 도씩진폭이늘어나게된다. 이것은지상안테나의 위성트래킹을힘들게하여위성제어및통신에영향을주게되며동일주파수대를사용하는인접위성과의간섭도일으킬수있다. 그림 2.5 bi 'Figure-of-eight' oscillation of satellite in inclined

6 위성운용자는위성이기준위치의가로, 세로 0.1 범위내에위치하도록해야한다. 이것은 그림2.6과같이위성이 150Km( 높이)x150Km( 폭)x30Km( 깊이) 의박스안에놓여야한다는 것이다. 위성빔폭을예로설명하면 Ku 밴드 1.5m SNG 업링크안테나의신호가정지궤도 에도착하면그폭은대략 600Km 가되며, 위성이 2 간격으로위치한다면그거리는약 1500 Km 가된다. 자세제어방법에는삼축안정화(three-axis stabilization) 방법과스핀안정화(spin stabilization) 방법이있다. 근래의정지궤도통신위성은대부분삼축안정화방법을사용한다. 자세제어의목적은위성의안테나를지구를향하게하고태양전지판을태양을향하도록하는데있다. TT&C 지구국의제어에따라트러스터(thruster) 라고불리는로켓발진모터가점화함으로써위성은위치제어를한다. 위성의수명이다할즈음 COMSAT Maneuver라는방법이도입되어위성의수명을연장하기도한다. 이것은위성의남북방향으로제어를중지함으로써위성연료의소모를줄여위성수명을연장하는방법이다. 그러나지상에서위성의위치트래킹에신경을기울여야한다는부담이있다. 위성의남북방향으로의진동이하루 7-8 를 넘게되면위성은수명을다한것으로간주된다. 그림 2.6 Station-kept Box

7 2.2 Satellite Frequency and Orbital Assignments 전자기파(electromagnetic wave) 의분류및특성 전자기파의분류는그림2.7 에서보는바와같다. 전파란주파수 3000GHz 이하의전자기파 를말한다 년대초대서양횡단의무선통신에성공함으로써새로운의문이생겼다. 파장이 100m( 주파수 3MH) 인전자기파가반지름 6700Km의구면인지구표면을따라대서 양을횡단한것이다. 이것은빛이구부러지지않는한불가능한것이었다. 이것은파동의 회절에의한것이며, 파장이긴쪽이유리하다. 반면주파수가낮을수록잡음이많아불리 하다. 잡음의주된원인은번개이고번개는방전에의해일어나기때문에교류전원과마찬 가지로주파수가낮은성분을많이포함하고있다. 전파 가청파 초장파 장파 중파 단파 초단파 극초단파 초극초단파 마이크로파 밀리미터파 서브밀리파 원적외선 적외선 가시광선 자외선 X 선 감마선 ELF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF SEHF KHz MHz GHz 3000GHz 10 8 GHz GHz GHz Km m 10 1cm 1mm 0.1mm A M 라디오 V H F T V F M 라디오 U H F T V 위성통신 0.77 μm 0.38 μm ELF extremely low frequency VHF very high frequency VLF very low frequency UHF ultra high frequency LF low frequency SHF super high frequency MF medium frequency EHF extremely high frequency HF high frequency SEHF super extremely high frequency 그림2.7 전자기파의분류 전자기파의또다른특성은지구전리층에반사가된다는점이다. 반사파의위상에따라수 신측신호세기가변화한다. 지구상공의산소나질소원자에큰에너지를가진자외선등이 충돌하면바깥쪽전자가원자핵에서떨어져나와자유전자가된다. 이와같이전자가원자핵 에서떨어져나가는것을전리라고하며전리된전자가층을이루고있는것이전리층이며, 지표에서 Km 이상의상공에있다. 자유전자가많은전리층은전자기파를반사하는특성이있어지구반대편과도통신이가능한것이다. 전자기파에도창문이있다. 같은전자기파라도주파수가 30MHz 이하인전자기파는지구의 전리층에반사되어버린다. 지구까지도달하는전자기파중지구의전리층을통과하여지표 면에도달할수있는파장은 10m - 1cm (30MHz - 30GHz) 와 0.1μm - 1μm 뿐이다. 인

8 간이감지할수있는가시광선은이중의 0.4μm-0.8μm 이다. 따라서 10m 보다긴파장의 빛 밖에는느끼지못하는동물에게있어서는하늘이란그저캄캄한암흑세계일뿐이다. 지구까지도달하는전자기파의영역중파장이짧은쪽을 빛의창문, 파장이긴쪽을 전파의창문 이라고부른다. 전파의창문 은파장이긴쪽은전리층의반사에의해또파장이짧은쪽은수증기나산소분자의흡수에의해창틀이만들어져있다. 이것에대해 빛의창문 은이창문보다파장이긴전자기파와파장이짧은전자기파가수증기, 산소, 질소등의 그림2.8 전자기파의전파방법 전자기파는고유의특성에따라활용되어진다. 중파(500KHz-3MHz) 는지표면을따라수백킬로미터를전파하며 AM 라디오중계에사용된다. 국제무선국은단파(3-30MHz) 가전리층에반사되어수천킬로미터를전파하는성질을이용한다. TV와 FM 라디오는 VHF(30-300MHz) 와 UHF ( MHz) 대를사용하는데이것은전파가지표면을따라먼거리를이동할수없고전리층을통과하기때문에, 다수의방송국들이간섭없이동일한주파수대를사용할수있기때문이다. 그림2.9 전파의창문과빛의창문

9 위성방송주파수대역 위성의궤도할당및전세계의주파수분배는 UN 산하의 ITU(International Telecommunica -tion Union) 에서담당한다. 후에설명하겠지만위성간의주파수간섭을고려하여인접위성간에는 2 정도의궤도간격이요구된다. 그러나정지궤도에오르는위성의수는증가하고있는추세이다. 위성운용자들은동일궤도에다수의위성을위치시키거나, 위성에다수의중계기를탑재하여주파수를확장하는방법등을사용함으로써궤도정체현상을극복하려시도하고있다. ITU에서는 SHF(super high frequency) 대역중 2.5GHz-22GHz 대를정지위성통신에할당하고있다. 이주파수대역은그파장이짧아마이크로파라불리며, 직진(line of sight), 지구의전리층통과와같이빛과비슷한특성들을가지고있다. 제2차세계대전후마이크로파레이다시스템을개발한과학자들이각주파수대역에표2.2 와같은이름을붙여놓았다. 그러나표에서보는바와같이각명칭에할당되는대역은지역또는단체마다조금씩차이가있다. 명칭 L-Band 주파수대역 MHz 또는 GHz S-Band GHz ( 미국), GHz ( 영국) 또는 GHz C-Band GHz, GHz X-Band GHz 또는 GHz 또는 GHz 또는 GHz Ku-Band GHz 또는 GHz Ka-Band GHz 또는 GHz 표 2.2 Microwave frequency bands 위성방송에사용되는주파수는 C, Ku, Ka 밴드이다. C 밴드는 1960 년대이후로사용되어왔으며, 위성으로의업링크는 GHz 대를사용하고, 다운링크( 수신) 는 GHz 대를사용한다. 1960대후반까지지상의통신회사들또한이대역을사용하였다. 따라서 C 밴드는지상의통신과간섭을일으키지않도록위성출력이제한되어야했다. C 밴드는강우감쇠에강하다는특징이있다. 그러나파장이길기때문에송수신안테나의크기가커야한다는단점이있다. 또한안테나빔폭이크기때문에업링크시인접위성에영향을줄수가있으나, 다운링크시에는넓은범위를커버리지로할수있다. Ku 밴드는 1970년대후반부터사용되기시작하였으며현재대부분의 DTH 서비스대역으로사용되고있다. 업링크는 GHz 대를사용하고, 다운링크는 GHz와 GHz 대를사용한다. Ku 밴드는지상통신이적어 C밴드에비해강한위성출력을사용할수있다. Ku 밴드는강우감쇠에약한반면, 송수신안테나의크기가작아도된다. Ku밴드는안테나빔폭이적어포인팅이정확해야하나상대적으로인접위성으로의영향이적다

Ka 밴드는 17GHz 대역이상을말하나그응용에따라사용대역의정의가조금씩다르다.

그림에서보다시피 C밴드와 Ku 밴드를사용한다고하더라도위성마다할당된사용주파수대역이서로다르다.

10 Ka 밴드는 17GHz 대역이상을말하나그응용에따라사용대역의정의가조금씩다르다. 위성방송용으로아직본격적으로사용되고있지는않고있으며, 강우감쇠가상당히크다는 단점이있다. 그림2.10은 C, Ku, Ka 밴드의주파수와그파장의관계를보여준다. 그림2.11과그림2.12 는각각 C 밴드와 Ku 밴드의위성주파수할당이예로보여졌다. 그림에서보다시피 C밴드와 Ku 밴드를사용한다고하더라도위성마다할당된사용주파수대역이서로다르다. 이것은 ITU 에서각지역별또는사용용도별로위성에대역할당을하기때문이다. 그림2.11 에서보듯이확장(excended) C 밴드중계기는 3.7GHz 이하그리고 4.2GHz 이상에서운용된다. 그림2.11 C 밴드주파수사용 그림2.12 Ku 밴드주파수사용

11 편파 (Polarization) 전파는안테나의방향에따라진동방향이정해진다. 라디오안테나처럼안테나의방향이수직이라면전파또한수직으로진동하는정현파를이루며진행하는데이것을수직편파라하며, TV안테나처럼수평방향으로누워있다면전파는수평방향으로진동하는정현파를이루며진행하고이것을수평편파라한다. 편파에는직선편파(linear polarization) 와원형편파(circular polarization) 가있다. 직선편파는 위에서설명한것과같이수평편파(horizontal polarization) 와수직편파(vertical polarization) 로나뉘고원형편파는좌수선편파(LHCP: left-hand circular polarization) 와우수선편파 (RHCP: right-hand circular polarzation) 로나뉜다. 원형편파는시계방향(LHCP) 또는반시계방향(RHCP) 으로원형을그리면서전파가진행한다. 수직편파와수평편파그리고좌편파와우편파는서로독립적(orthogonal) 이어서동일한주 파수를사용하여도서로간섭하지않는다. 대부분의위성은이러한선형또는원형편파를 사용하여주파수효율성을높이고있다. 즉위성에동일한주파수대를사용하는중계기를 상대편파로배치함으로써대역폭을 2 배로(frequency reuse) 사용하고있다. 만일업링크를 수직편파로한다면위성에서의다운링크는수평편파로하고, 업링크를좌편파로했다면다 운링크를우편파로함으로써중계기에서의업링크다운링크의간섭을줄이고있다. 즉위성 은수신그리고송신시편파의방향을바꾸어준다. 선형편파는송수신시안테나의프로브 를정해진편파의방향과일치하게맞추어야한다. 반면에원형편파는따로방향이없으므 로안테나설치시유리하다. FSS 위성은선형편파를사용하고 DBS 위성은원형편파를사 용한다. Horizontal Vertical RHCP LHCP 그림 Polarization

안테나빔폭 (antennabeamwidth) 본섹터에서는안테나의빔폭과, 안테나크기, 그리고주파수의관계에대하여알아보겠 다. 위성안테나에관하여는후에자세히기술하겠다. 안테나에관한부분을읽고다시한번 본섹터를본다면보다이해가쉬우리라생각한다. 안테나는방향성을가지고있다. 안테나의주빔이향하는곳이신호가가장세며, 그주변 부로갈수록신호의세기가약해진다.

12 안테나빔폭 (antennabeamwidth) 본섹터에서는안테나의빔폭과, 안테나크기, 그리고주파수의관계에대하여알아보겠 다. 위성안테나에관하여는후에자세히기술하겠다. 안테나에관한부분을읽고다시한번 본섹터를본다면보다이해가쉬우리라생각한다. 안테나는방향성을가지고있다. 안테나의주빔이향하는곳이신호가가장세며, 그주변 부로갈수록신호의세기가약해진다. 안테나의빔폭이란주빔의센터로부터파워가 3dB(50%) 감소된각도로정의된다. 지상의수신단을예로들면, 안테나의방향을정확히위성을향하게하여야최대의수신출력을얻을수있다. 또한안테나의크기와안테나이득과비례관계에있기때문에안테나사이즈가클수록큰출력을얻을수있다. 접시안테나의경우안테나의크기는그직경을기준으로한다. 안테나는크기가클수록빔폭이작다. 즉안테나의크기가커질수록주변부의파워는약해지고중심으로파워가집중되는것이다. 그림2.14와같이 3도간격으로위성이배치해있을때안테나의빔폭이넓어 3개의위성 모두를포함한다면 3 개의위성으로부터신호가모두수신되어간섭을일으킬것이다. 만일 빔폭이중심위성만을포함한다면인접위성으로부터의간섭은없을것이다. 그림에서보면 60cm 안테나의경우빔폭은 8.87, 이득은 26dBi 이며, 120cm 안테나의경우빔폭은 4.43, 이득은 32dBi 이다. 안테나의크기가두배로될때마다이득이 6dB씩커지는것을볼수있다. 그림2.14 C-band 안테나직경, 빔폭및이득

13 또한안테나의빔폭도일정비율로작아지고있다. 2.4m 안테나의경우는빔폭은 2.2, 이 득은 38dBi, 4.8m의경우에빔폭은 1.1, 이득은 44dBi 가된다. 여기서는안테나의크기가 2.4m 이상이되어야인접위성으로부터의간섭을피할수있게된다. 참고로위성의배치간격 3 는경도를기준으로한것이며이것은지구중심을기준으로하여측정된값이다. 따라서지표면에서하늘을봤을경우의위성간격 3.4 와는차이가생기게된다. 전파의파장과주파수의관계는다음과같다. λ= C / F, λ: 파장 (m), C: 광속 (300,000,000 m/s), F : 주파수예) 주파수가 4.2GHz일경우의파장 λ= 300,000,000/4,200,000,000 = 7.14 cm 파라볼라안테나의빔폭(beam angle: -3dB point) 을구하는공식은다음과같다. 안테나의빔폭은파장에비례하고안테나직경에반비례한다. 즉주파수가높아지면빔폭이적어지고또한안테나의직경이늘어나도빔폭은줄어들게된다. θ (-3dB) = 233 λπ / D λ: 파장(m), D: 안테나직경(m), π= 예) 주파수가 4.2GHz, 안테나의직경이 2.4m 일경우의 -3dB 빔폭? θ (-3dB) = (233 x ) / ( x 2.4) = degrees 그림 2.15 Ku-band 안테나직경, 빔폭및이득

14 그림2.16 Ka-band 안테나직경, 빔폭및이득 그림 2.17 S-band 안테나직경, 빔폭및이득

15 그림2.15는 Ku 밴드, 그림2.16은 Ka밴드안테나의직경및주파수의변화에따른빔폭과 이득을나타낸다. 그림에서보듯이주파수가높아질수록안테나크기에비해이득이높아진 다. C밴드에서는 1.2m 안테나의이득이 32dBi 였는데, Ku밴드에서는 1.2m 안테나의이득 이 41.3dBi, Ka밴드에서는 45.7dBi가되어더적은크기의안테나로도수신이가능해지 는것이다. 또한빔폭도주파수가높아짐에따라좁아진다. 따라서 C밴드에비해 Ku 밴드가, Ku밴드에 비해 Ka 밴드가위성을좀더촘촘히많이위치시킬수가있으며, 전파의간섭을줄일수있 게된다. 반면에안테나가위성을정확히가리키고있어야하며, 강우감쇠가커지는단점이 있다. 그림2.17에서는 S 밴드의안테나빔폭을볼수있다. ITU는 S밴드에서의 DTH 전송을허용 하고있지만실제로이대역을이용한위성방송은그리많지않다. S밴드의제약중의하나 는그대역폭이 2.5GHz에서 2.6GHz의 100MHz 밖에되지않는다는것이다. 또다른제약 은안테나의빔폭이넓어동일한대역의인접중계기가없어야한다는것이다. 인도네시아 는 1997년에세계최초의 S 밴드위성을쏘아올렸는데, 이는세계에서비가가장많이오는 지역중의하나인인도네시아가 S 밴드가강우감쇠에가장강하다는특성을이용한것이다.

16 2.3 Transmission System 본장에서는위성업링크를위한기본적인장비구성과그기능을간략히설명한다. 업링크를위해서는몇가지단계를거치며이들대부분이다운링크단에상대되는장비들이있어다운링크에서는업링크의역의과정을거친다. 또한위성중계기의기능도업링크및다운링크단의기능과크게다르지않다. 디지털위성방송을기준으로했을경우업링크단의주요장비는그림2.18과같이엔코더 (MPEG encoder), 변조기(modulator), 업컨버터(upconverter), 고출력증폭기(HPA: high power amplifier) 그리고송출안테나로구성되며, 이와더불어송수신모니터링시스템이 추가된다. 지연 (Delay) 앞에서설명했듯이위성은지구적도상공 35,785 Km 의거리에위치해있다. 신호의왕복 거리는 71,570 Km 이며, 전자기파는빛의속도로진행한다. 따라서적도상공에송, 수신 지점이있다고할경우의신호의왕복시간은 238ms 이며각지점이적도상에서멀어질수 록시간은길어지게된다. 최대지연시간은 277ms이며평균지연시간은 250ms 쯤된다. 그러나송, 수신및위성에서의디지털신호처리과정을거치면서지연시간은더늘어나게 된다. 만일생방송쌍방간대화가위성을통해이루어진다면대화도중약간의지연으로인 한어

MPEG Encoder 디지털압축기술의발달로저출력(HPA power) 위성송출이가능해졌고아날로그에비해 좁은대역폭을사용할수있게되었다. 결과적으로장비는간소해졌고, 위성임차비용은 줄어들게되었다. 그림 2.

보통엔코더의전면부에는비트율, 심볼율, FEC, 수평수직해상도, 딜레이등과같은파라미터를설정할수있는패널이있다.

17 MPEG Encoder 디지털압축기술의발달로저출력(HPA power) 위성송출이가능해졌고아날로그에비해 좁은대역폭을사용할수있게되었다. 결과적으로장비는간소해졌고, 위성임차비용은 줄어들게되었다. 그림 2.19 Scientific-Atlanta MPEG Encoder 엔코더는보통 2 또는 3RU 높이의장비이다. 아날로그또는디지털비디오, 오디오신호를 입력으로받아 MPEG-2 로압축, 모듈레이터또는업컨버터에필요한신호로출력한다. 경 우에따라서는엔코더에모듈레이터가내장된경우도있다. 출력신호는보통 DVB-ASI (Digital Video Broadcast Asynchronous Serial Interface) 이며이신호는 Multiplexer의입력으로사용되기도한다. 보통엔코더의전면부에는비트율, 심볼율, FEC, 수평수직해상도, 딜레이등과같은파라미터를설정할수있는패널이있다. 모듈레이터 (Modulator) 모듈레이터는보통 DVB 모듈레이터라고도불리는데, 이것은압축다중화된오디오비디오 신호를포함하는 DVB-ASI 신호룰표준입력으로하며, IF(70 또는 140MHz) 변조된신호 를출력으로한다. 이신호는다시업컨버터의입력으로된다. 모듈레이터는종류에따라 출력으로바로 C-band 또는 Ku-band 신호가나오는것도있으며이신호는바로 HPA의 입력이된다. DVB-S에서는 QPSK 변조를사용하며에러정정, 에너지분산등과같은과정이변조기에포함된다. DVB-S 변조에대해서도후에자세히기술하겠다. 그림 2.20 Scientific-Atlanta Modulator

업컨버터 (Upconverter) 업컨버터는모듈레이터로부터 QPSK 변조된 IF(70 or 140MHz) 신호를입력으로받아원하 는 C 또는 Ku 밴드의주파수로변환시키는역할을한다. 업컨버젼과정은보통 2단계로이 루어진다. 먼저 70/140 MHz의신호가 L-band 로전환되고, 다시 L-band의신호를 C/Ku 밴드로전환한다.

18 업컨버터 (Upconverter) 업컨버터는모듈레이터로부터 QPSK 변조된 IF(70 or 140MHz) 신호를입력으로받아원하 는 C 또는 Ku 밴드의주파수로변환시키는역할을한다. 업컨버젼과정은보통 2단계로이 루어진다. 먼저 70/140 MHz의신호가 L-band 로전환되고, 다시 L-band의신호를 C/Ku 밴드로전환한다. IF신호를 C/Ku 밴드로직접전환하지않는이유는베이스밴드비디오신 호(0-5MHz) 와최종주파수대(Ku-band의경우 14GHz) 와의주파수차이가너무나커서고 도의주파수정밀도및안정도를요구하기때문이다. 위의경우에는 2800배정도의전환이 요구된다. 디지털전송에서는위상변조를한다. 따라서다단계의주파수곱이이루어지는업컨버터는 주파수및위상이매우안정적이어야한다. 일반적으로업컨버터와 HPA는가장오류가발 생하기쉬운장비이다. 70MHz가일반적인 IF신호이지만 140MHz 를사용하는이유는다음과같다. 70MHz를사용할경우출력주파수의변동범위가 45MHz이지만 140MHz를 IF주파수로사용하면출력주파수의범위를 90MHz 폭까지할수있기때문이다. 이것은 72MHz의와이드밴드중계기의대역폭과도매치가된다. 따라서업컨버터의주파수제어에서는위성중계기를선택할수있고, 모듈레이터의주파수제어에서는중계기내의채널을선택할수있다. 대전력증폭기 (HPA : High Power Amplifier) HPA 는업컨버터의저출력신호를고출력신호로증폭하는역할을하며, 증폭된신호는안 테나의입력으로된다. HPA의핵심증폭소자로는 TWT(travelling wave tube) 라고부르는 진행파관또는갈륨아세나이드(GaAs) FET 가사용된다. GaAs FET는 1-10W 정도의저출 력증폭기에사용되며, TWT는 750W 정도의증폭기에사용되고, 750W 이상 3kW 정도까 지는 클라이스트론(Klystron) 튜브 증폭기가 사용된다. TWT가 진공관 타입인데 반하여 GaAa FET 는고체소자를사용하며, 일반적으로 GaAs FET는 SSPA( 고체상태전력증폭 기:Solid State Power Amplifer) 라고불린다. 입출력효율및기타 SSPA의단점으로인해 전통적으로 TWT 가주로사용되고있다. TWT 는비선형증폭기이다. 즉입력신호의증가가출력신호의증가로비례해서나타나지는않는다. 비선형영역에서의동작은원하는신호외에고조파신호(intermodulation product) 를발생시켜인접채널에영향을주게된다. 따라서신호의입력은포화영역으로부터어느정

위 성중계기의경우하나의중계기에케리어가하나이면포화영역(saturation) 까지최대출력 을낼수있으나, 하나의중계기에다수의케리어가존재하면백오프값을많이주어야한 다. 따라서개별케리어의파워를낮게유지해야한다.

19 도마진을두고선형영역에머물러야하며, 이마진을입력백오프(IBO: input back-off) 라 하고 그림 2.22 C-band 3kW HPA and Ku-band 750W TWT HPA (CPI Satcom Division) db 로표시한다. IBO에대한출력의마진이생기므로이를출력백오프(OBO: output back-off) 라하며이 또한 db 로표시된다. 이러한개념은위성중계기(transponder) 에도동일하게적용된다. 위 성중계기의경우하나의중계기에케리어가하나이면포화영역(saturation) 까지최대출력 을낼수있으나, 하나의중계기에다수의케리어가존재하면백오프값을많이주어야한 다. 따라서개별케리어의파워를낮게유지해야한다. 예를들어 Ku-band의경우케리어가 하나일때출력백오프가 4dB 였다면, 케리어가두개일경우는 7dB, 케리어가세개일경우 에는백오프가 9-10dB 정도가되어야한다. 이상적인출력은 HPA 의최대출력( 포화영역) 값의 60-80% 정도에서동작하는것이다. PA 까지의신호는모두동축케이블(coaxial cable) 을사용하여전달되었다. 그러나 HPA에 그림 2.23 HPA Power transfer characteristic

서안테나까지의신호는웨이브가이드(waveguide: 도파관) 를사용하여전달된다. 웨이브가 이드는속이비어있는금속관으로이루어져있으며, 단면은원형또는사각형으로되어있 다. 보통 1GHz 이상의신호는웨이브가이드를사용하는데동축케이블에비해손실이적고, 훨씬큰전력을보낼수있기때문이다. 웨이브가이드는파이프처럼고정형이있고동축케 이블과같이휠수있는타입이있으나, 고정형이가장효율이높다.

20 서안테나까지의신호는웨이브가이드(waveguide: 도파관) 를사용하여전달된다. 웨이브가 이드는속이비어있는금속관으로이루어져있으며, 단면은원형또는사각형으로되어있 다. 보통 1GHz 이상의신호는웨이브가이드를사용하는데동축케이블에비해손실이적고, 훨씬큰전력을보낼수있기때문이다. 웨이브가이드는파이프처럼고정형이있고동축케 이블과같이휠수있는타입이있으나, 고정형이가장효율이높다. OMT and Antenna 그림 2.24 웨이브가이 그림2.18을보면 OMT(ortho-mode transducer) 가안테나단에부착되어있다. OMT는편 파를분리하는장비로여기서는송출되는신호와위성에서수신되는신호를분리하여( 송출 과수신편파가서로다름) 업링크운영자가수신신호를모니터하기위하여사용되었다. 안테나는최종송출장비이다. 안테나에관하여는별도의장에서자세히다루도록하겠다. 위성중계기 (transponder) 위성은지상통신의리피터(repeater) 와동일한역할을한다. 위성은다수의중계기 (transponder) 를탑재하고있으며각중계기는지상으로부터수신된광대역신호를원하는주파수대역으로천이시키고다시증폭시켜지상으로재송신하는역할을한다. 위성은기본적으로수신안테나, 주파수변환기(frequency translator), 입력멀티플렉서, 스위 그림 2.25 위성시스템블럭도

21 칭매트릭스, HPA, 출력멀티플렉서, 그리고송출안테나로구성된다. 여기서스위칭매트 릭스는일종의라우터(router) 로지상에서의제어에의해각각의입력소스를원하는출력단 으로절체시키는역할을한다. 중계기의주파수대역을 AsiaSat 을예를들어설명하겠다. 그림2.26는 AsiaSat 3S 위성에 탑재된 C-band 중계기의주파수배치도이다. 그림에서보면 1A에서 14B까지모두 28개의 중계기가있으며각중계기의대역폭은 36MHz 이다. 각중계기사이에는 4MHz의여유대 역이있다. 중계기위에있는숫자는상향(uplink) 주파수를아래쪽에있는숫자는하향주 파수를나타내며, 모두각중계기의중심(center) 주파수를나타낸다. AsiaSat 3S의 C-band 대역폭은 500MHz 이다. 이 500MHz가 28개의중계기에 36MHz 씩할당되어있는것이다. 이론상 14개의중계기면 500MHz 를채운다. 그러나수직, 수평편파를사용하여주파수효율성을두배로높이고있다. 예를들면 3A 중계기는상향중심주파수가 5965MHz이고 5947MHz-5983MHz까지 36MHz 를차지한다. 그러나이주파수대역은아래쪽중계기 3B와 4B 의대역에걸치고있다. 이것은 3A 는상향수평편파를, 3B, 4B 는상향수직편파를사용함으로써가능한것이다. 동일한주파수대역을사용하더라도수직, 수평편파는서로간섭을일으키지않기때문이다. 아리랑TV 월드1의경우 3A 중계기를사용한다. 상향주파수는 MHz의 6MHz 대역을하향은동일중계기 MHz의 6MHz 대역을사용한다. 지상에서아리 랑TV 월드1 채널을맞출때의주파수는하향의중심주파수인 3755MHz 로설정하면된다. 그림 2.26 AsiaSat 3S C-Band 중계기주파수배

22 2.4 Satellite Receiving Antennas 수신안테나의관점에서위성안테나를설명하겠다. 이보다이해하기쉬우리라생각된다. 송신안테나도원리는동일하나수신과정 파라볼라안테나의원리 위성안테나에는다양한종류가있으나일반적으로파라볼라( 포물선) 타입이사용된다. 파라 볼라안테나는오목반사경과반사경에반사된빛을모으는장치로구성되어있다. 그림2.27 파라볼라안테나의반사경과그원리 파라볼라안테나의반사경은포물선을회전시킨곡면으로되어있다. 그림2.27에서보는바와 같이안테나로입사하는평행광선중점 A, C를통과하는광선은각각반사경위의점 B, D에서반사되어반사경의초점 F 에모인다. 파라볼라안테나의특징은광선이진행할때에 A에서 B를거쳐 F에이르는거리와 C에서 D를거쳐 F 에이르는거리가같다는점이다. 이와마찬가지로안테나의개구면에들어오는평행광선은모두동일한거리를이동하여초점 F 에모이게된다. 이것은파라볼라안테나를제작할때의요구사항이기도하다. 안테나의형태가정확한포물선모양에서벗어나거나안테나의표면이불규칙할경우전파는초점으로부터벗어날것이다. 또한안테나의설치과정에서도정확한형태를유지하도록주의하여야한다. 안테나의원리는볼록렌즈를생각하면쉽게이해가간다. 우리가볼록렌즈로초점을맞추어 빛을모으면에너지가한곳에집중되며, 종이를태울정도로강력하게된다. 이것은렌즈 의초점에서빛의파장이동일위상으로중첩되어에너지의증폭현상이발생하기때문이다. 위성파라볼라안테나도이와동일한원리로전파에너지를모아증폭시키며이증폭의정도를안테나의이득(gain) 이라하여dBi 로표시한다.

23 주빔(main lobe) 부빔(sidelobe) 안테나에는지향성이라는것이있다. 즉전파를송신또는수신하는특정한방향이있는것 이다. 접시안테나의경우안테나가향하는정면방향(boresight) 으로의주빔(main lobe) 과 정면에서벗어난방향으로의부빔(sidelobe) 이있다. 일반적으로 70% 정도의에너지가주 빔에집중되고나머지는부빔에분포된다. 이주빔에집중되는에너지의비율이안테나의 효율을결정한다. 부빔은부빙방향의인접위성으로부터의신호를유입시켜간섭을일으키 게된다. 따라서안테나설계시부빔을되도록줄이도록해야한다. 그림 2.28 접시안테나의주빔및부빔 안테나의크기( 직경) 가커지면빔폭은좁아진다. 대신부빔의수가늘어난다. 안테나의직 경이두배가되면빔폭은절반으로줄어든다. 빔폭이좁아지면전파를목적하는방향을향 해집중하여복사하기때문에안테나의이득이높아지게된다. 안테나이득 (gain) 안테나의이득이란목적하는방향으로얼마만큼전파를집중하여복사하였는가를나타내는정도를말한다. 위성안테나의이득은가상의등방향성(isotropic) 안테나를기준으로한다. 등방향성또는무지향성안테나란그림2.29 (a) 와같이구의모든방향으로동일한전력을방출하는안테나를말한다. (a) 등방향성안테나그림 2.29 교 (a) 지향성반구안테나 등방향성안테나와지향성안테나전력비

24 만일구의원점에 P total 의에너지를공급했을때거리 R 만큼떨어진지점의전력의세기는 P R =P totla / (4πR 2 ) 이된다. 즉구의표면적에균일하게에너지가분포된것이다. 이번에는 그림2.29 (b) 와같이그림(a) 에공급된에너지와동일한 P total 이 X, Y 평면의오른쪽반구에 모두공급된다고가정하면동일한거리 R 에서의수신에너지는그림(a) 의경우의두배 P R =2P totla / (4πR 2 ) 이될것이다. 이경우이득은그림(a) 에비해 2 가되는것이다. 일반적 으로안테나의빔폭을줄이면에너지가줄어든빔폭에집중되므로해당빔폭내에서는이득이비례해서커지게된다. 예를들어수신점에서의전력이무지향성안테나에비해 100만배라고하면이를데시벨로표시해 60dBi ( =10log(10 6 )) 가된다. dbi에서 i는 isotropic antenna( 등방성안테나) 를의미한다. 즉안테나의이득은등방성안테나를기준으로하여 dbi 단위로표시된다. 위성파라볼라안테나의이득을구하는공식은다음과같다. G db = 10 log (4πAg / λ 2 ) G : 안테나이득(antenna gain) A : 안테나유효면적, 안테나의반지름이R 이라면πR 2 g : 안테나효율, 보통 55-70% λ: 신호의파장 예를들어 4.2GHz의 C-band 신호를효율이 0.55이고직경이 3m인접시안테나로수신할 경우의안테나이득은 G = 10 log (4 x x A x 0.55 / ) A = πr 2 = x =7.07 G = 39.9 db 가되며이것은등방성안테나에비해안테나주빔으로의이득이 39.9 db 라는것이다. 공식을보면안테나의직경이클수록, 그리고파장이작을수록즉주파수가높을수록안테 나이득이커지게된다. 그림2.30은안테나의크기및주파수에따른안테나이득의예를 보여준다. 그림 2.30 주파수및안테나크기에따른안테나이득

안테나구성안테나의반사경은전자기파를반사할수있도록금속으로만들어져야한다. 반사경을단일금속판으로제조하면이상적이나안테나의크기가클경우에는여러개의금속판을이어붙어반사경을만들기도한다. 이경우안테나의조립과정에서금속판의연결부위및전체적인휨, 곡률등이기준을만족하도록신중한주의를기울여야한다.

25 안테나구성안테나의반사경은전자기파를반사할수있도록금속으로만들어져야한다. 반사경을단일금속판으로제조하면이상적이나안테나의크기가클경우에는여러개의금속판을이어붙어반사경을만들기도한다. 이경우안테나의조립과정에서금속판의연결부위및전체적인휨, 곡률등이기준을만족하도록신중한주의를기울여야한다. 안테나로서기능을발휘하기위해서는안테나의지름이입사파파장의 10배이상이되어야 하며, 100 파장이상이되면광학기기정도의성능을발휘한다. 예를들어주파수 3GHz의 신호는파장이 10cm이며반사경의직경이최소 1m 이상은되어야안테나로서의역할을 할수있다. 안테나잡음온도 (Antenna Noise Temperature) 온도를가진물체는열에너지를전자파로서주위에방출하고있다. 우주공간, 대기, 대지 등도열을전자파로서방출하고있다. 안테나의반사경에는원하는신호외에도외부에서 발생된열잡음또한수신된다. 만일안테나가위로하늘을향하고있다면공간의열잡음만 이입사되는데반해, 안테나가비교적고도가낮은위성을향하고있다면안테나의부빔 방향으로지표면의높은열잡음이입사되어전반적인잡음온도가높아지게된다. 지표까지 도달하는위성신호는상당히약해진상태이기때문에이러한잡음이전반적인신호레벨에큰영향을미칠수가있다. 그림2.31 은안테나잡음온도의예를보여준다. 잡음은후에설명할안테나의 f/d 비율과 직경의함수가된다. 그림에서보면안테나의잡은온도는안테나의각이낮을수록그리고 안테나의크기가작을수록커지는것을볼수있다. C-band 의경우최소앙각(elevation) 이 5 도이상이어야하고, Ku-band는최소앙각이 10 도이상이되어야한다. 그림 2.31 안테나잡음온도

26 위성안테나의종류 일반적으로위성송, 수신용으로많이사용되는안테나는다음과같다. 보통파라볼라안테 나또는접시안테나라고하는것은이들안테나의총칭을뜻한다. - 프라임포커스안테나(prime focus antenna) - 옵셋프라임포커스안테나(offset-fed prime focus antenna) - 카세그레인안테나(cassegrain antenna) 그외에옵셋카세그레인안테나(offset cassegrain antenna), 구면안테나(spherical antenna), 평면안테나(planary array) 등이있다. ꋫ 프라임포커스안테나 (Prime focus antenna) 프라임포커스안테나의피드혼(feedhorn) 은파라볼라반사경의중심초점부위에위치하며반사경을바라보고있다. 프라임포커스안테나는설치하기쉽고위성을향해방향을맞추기가쉽다는장점이있다. 그러나피드혼과프드혼지지대가반사경의일부를가로막아수신을방해한다는점과피드혼이안테나의중앙, 즉안테나뒤의지표면을향하고있어지표열잡음이피드혼으로유입될수있다는단점이있다. 그림 2.32 Prime focus antenna 따라서안테나가장자리너머의지표잡음이유입되지않도록, 피드혼은안테나의가장자리 로갈수록입력되는전파의강도가적게설계되어야한다. 이것은안테나의효율을감소시 키는원인이되면, 프라임포커스안테나의효율이 55-60% 정도밖에되지않는것도이때 문이다. ꋫ 옵셋프라임포커스안테나 (Offest-fed prime focus antenna) 대부분의디지털위성방송(DTH) 수신에는옵셋안테나가사용된다. 옵셋안테나에서는전체파라볼라반사경의일부분만이위성수신에이용된다. 동일한위성을향하고있을경우, 옵

ꋫ 카세그레인안테나 (Cassegrain Antenna) 카세그레인안테나는두개의반사경을사용하는안테나이며, 주로업링크지구국이나케이 블TV 헤드엔드와같이대형안테나를필요로하는곳에주로사용된다.

27 그림 2.33 Offset fed prime focus antenna 셋안테나의반사경은프라임포커스안테나에비해수직으로세워져, 눈이나비가와도반사 경에쌍이는정도가적어진다. 또한피드혼이향하는각도가높아져지표의열잡음유입 이적어진다. 피드혼이수신신호를가로막지도않는다. 이것은안테나의직경이 1m 이하 인경우중요한요소가된다. 결과적으로안테나의수신레벨이높아지고안테나의효율이 70 퍼센트정도가된다. 그러나반사경의일부분만사용되고, 안테나를위성방향에맞출때 주의해야한다. ꋫ 카세그레인안테나 (Cassegrain Antenna) 카세그레인안테나는두개의반사경을사용하는안테나이며, 주로업링크지구국이나케이 블TV 헤드엔드와같이대형안테나를필요로하는곳에주로사용된다. 카세그레인안테나 의부반사경이위성신호를가로막고있기때문에부반사경은주반사경에비해가능한한작 게만들어야한다. 그러나부반사경은신호파장의최소 5 배이상은되어야역할을한다. 이러한제약때문에카세그레인타입은직경 5m 이하의 C밴드안테나에는사용되지않는 다. 그림 2.34 Cassegrain antenna

28 프라임포커스안테나에서는지표의열잡음유입을감소시키기위해안테나주변부로갈수록피드혼의로의신호입력이줄어들도록안테나를설계하였다. 그러나카세그레인안테나에서는부반사경을도입하여주반사경의모든면에서신호가균등하게반사되어피드혼으로입력하도록하여, 안테나의휴율성이크게증가하고있다. 카세그레인안테나효율은 78퍼센트정도까지된다. 이러한구조를만들기위해카세그레인안테나는주반사경이프라임포커스안테나에비해크며, 포물선구조에서조금벗어나게된다. 또한안테나제작은아주정교하고복잡하게되어가격상승의원인이된다.

.4 편파 편파 전파방향에수직인평면의주어진점에서시간의함수로 벡터의모양과궤적을나타냄. 편파상태 polriion s 타원편파 llipill polrid: 가장일반적인경우 의궤적은타원 원형편파 irulr polrid 선형편파 linr polrid k k 복소량 편파는 와 의

lrognis II 전자기학 제 장 : 전자파의전파 Prof. Young Cul L 초고주파시스템집적연구실 Advnd RF Ss Ingrion ARSI Lb p://s.u..kr/iuniv/usr/rfsil/ Advnd RF Ss Ingrion ARSI Lb. Young Cul L .4 편파 편파 전파방향에수직인평면의주어진점에서시간의함수로 벡터의모양과궤적을나타냄.