제 4 장. 송신기디지털화 디지털송신기의특징디지털TV 송신기디지털라디오송신기우리나라의현황 1. 디지털송신기의특징 TV 송신기의특징회로구성 Analog 영상 VSB 주파수변환 전력증폭 Diplexer Antenna. Analog 음성 FM 주파수변환 전력증폭 (a) NTSC Analog TV 송신기 Digital 영상 영상압축 (270Mbps) Digita 음성 음성압축 다중화 RS 부호화 Trellis부호화 변조 전력증폭 Ant.
(768Kbps) ( 영상, 음성, Data) Data (b) Digital TV 송신기 아날로그송신기 : 영상신호는 VSB 변조기에서영상중간주파수 (VIF, 58.75 MHz) 로변환되고, 음성신호는 FM 변조기에서음성중간주파수 (AIF, 54.25 MHz) 로변환되어, 각각할당된채널주파수로변환된다음, 고주파증폭되어, 다이플렉스로합성하여안테나로보낸다. 디지털송신기 : 영상, 음성, 데이터를엔코더에서다중화 따라서, 별도의음성송신기나다이플렉스가필요없다. 아날로그송신에비해간단한계통 ( 크기와설치면적이유리 ) 소비전력이적으므로발열이적고, 저송신전력 (Power) 아날로그에서는영상신호에있는동기신호의첨두치 ( 동기첨두치 ) 의전력으로나타낸다.(UHF 10 kw는것은동기첨두치전력을말함 ), 디지털의경우는일반적으로영상신호의실효전력을말한다. 아날로그 TV 와디지털 TV 의송신전력정의
< 그림 > 아날로그와디지털송신전력 디지털송신기의특징 : 실효전력이적은데도불구하고첨두전력이크다. 다음표에 NTSC 와 DTV 전력관계를나타낸다. NTSC 1 화면의내용에따라실제전송전력이달라짐. 2 평균전송전력측정가능 ( 첨두치 ) - 흑화면 : 첨두싱크의 -2.6 db (55%) - 백화면 : 첨두싱크의 -7.4 db (18.2%) -APL( 계산치 ): 첨두싱크의 -5.2 db (30.2%) -APL( 측정치 ): 첨두싱크의 -4.3 db (37%) DTV 1 화면내용에상관없이전송전력이일정 2 평균전송전력측정가능 ATSC 에서는송신기사양으로첨두치 / 평균치를 6 db (4 배 ) 로채택 3 첨두치 / 평균치는확률분포함수에의한시간율에따라달라짐 *2) 4 시간율, 장소율 : 50, 90 3 시간율, 장소율 *1) : 50, 50
*1) NTSC 와같은방송서비스구역 (Noise Limited Coverage) 을갖는 DTV 출력산출 *2) 동일주파수에서동일서비스구역을갖는 DTV 평균출력은 NTSC 첨두치보다 12 db절감. 전계강도 DTV 의또다른큰특징으로서는 ERP 에대한것으로, 전계강도가약해지면화질은그에비해점점악화된다. 그러나, 디지털신호의경우는오류정정을함으로화상이일정하게되는전계강도의범위가넓게된다. 단지, 어떤점이하에서는급격히화질이떨어지면서화상이나오지않는경우가있다. 아날로그송신기 (UHF) 디지털송신기 (UHF) Tx출력 실효전력 소비전력 Tx출력 실효전력 소비전력 1kW 0.85kW 5kW 0.1kW 0.1kW 1.5kW 5kW 4.25kW 20kW 0.5kW 0.5kW 9.3kW 10kW 8.50kW 40kW 1kW 1kW 18.5kW 20kW 17.00kW 70kW 2kW 2kW 29.6kW 30kW 25.50kW 100kW 3kW 3kW 37.0kW 조건 아날로그 Tx출력은동기첨두치 아날로그실효치는영상흑실효치+음성 디지털 Tx출력은평균 ( 실효 ) 치 디지털실효치는 OFDM 신호실효치 디지털소비전력은시험계산에의한개략치 아날로그 Tx출력은디지털 Tx출력에상당한다. 위의표는같은방송구역을취하는경우디지털송신기의실효전력은아날로그첨두전력 (Tx 출력 ) 에대하여대체로 10 분의 1 이라는가정을하여나타낸것이다. 아날로그 UHF 30 kw의경우소비전력이 100 kw인데비해디지털은 37 kw (⅓ 정도 ). 2. 디지털 TV 송신기
TV 송신기는주파수가높고대역폭이넓어디지털화가늦어지고있지만, 샘플링주파수가낮은기저대역 (Base Band) 에서신호처리를하여등가적으로 VSB 신호를얻는 VSBF 변조기가개발되면서 TV 송신기디지털화는가속화되었다. 디지털송신기의실용화 유럽지상파 DVB-T 송신기 NV-500 시리즈 유럽 DVB 표준 ETS 300 744 에따른밴드 Ⅳ/Ⅴ 에서동작할수있도록상품화된지상파 DVB-T 송신기 NV-500 시리즈는 250W 4 kw까지출력을낼수있도록설계되어있으며, 다음그림에 2 kw DVB-T 송신기의회로구성을나타낸다. < 그림 > Schematic of 2 kw DVB-T 송신기 MPEG Ⅱ 데이터스트림은입력접속부를거쳐여진기 (SD-1000) 부에있는 DVB-T 변조기에입력된다. 변조기에서는중간주파변조, 여파과정을거쳐기저대역의 COFDM 신호를생성시킨다. 생성된신호는 7.61 MHz대역에개략 36 MHz중심주파수를가진중간주파아날로그 COFDM 신호로처리를위해출력부에나타난다. SAW 여파기는일정한중간주파 COFDM 신호를위해불필요한고조파를억제한다. 다음에진폭, 위상등화를거쳐무선주파신호로변환된다. 여진기의구동증폭기를거친신호는전력분배회로에서분배되어무선주파전력증폭기 (RF PA) 에입력된다.
RF PA(8 개의 VH501 for 2 kw DVB Power) 에서전력증폭된신호는 0 전력결합기에서결합되고합성전력은외부에있는불요파제거여파기 6 또는 8 회로대역여파기를거쳐안테나로인도된다. 전기적인특성은다음과같다. 주파수범위 : 470 MHz 860 MHz 입력데이터스트림 : MPEG Ⅱ 기준주파수 (Reference frequency) : 1, 2, 5, 10 MHz 중간중심주파수 (IF Center Frequency) : 35.95 MHz ±200 khz 신호표준 : ETS 300 744 고조파억압 (Harmonic suppression) : >70 db 원격제어접속 (RCI) : 병렬또는, 직렬 RS-232-C DVB 와 ATSC 표준에맞는 DTU-10/DTV-20 시리즈 NEC 에서 DVB 표준 (OFDM 변조 ) 과 ATSC 표준 (8-VSB 변조 ) 에각각적용할수있는 UHF 송신기 DTU-10 과 VHF 송신기용 DTV-20 시리즈를발표하고있는데, UHF 대역용송신기는출력 250W 에서 5 kw까지 11 단계로 5 종류의송신기와 VHF 대역용은출력 250W 에서 3 kw까지 8 단계로각각 5 종류의송신기를내놓고있다. 다이아몬드 CDTM 시리즈 DTV 송신기 하리스사에서는평균전력 5 kw에서 25 kw ( 첨두전력 20 kw에서 100 kw ) 까지출력을낼수있는 UHF 고체 DTV 송신기를상품화하고있다. 다이아몬드 CD 송신기의주요한특징을열거하면다음과같다. 여진기 CD 1A 는미국표준 ATSC 에적합한 8VSB 여진기이다. 디지털변조기술을채용한 CD 1A 는우수한 DTV 신호를발생한다. CD 1A 는다중화된오디오, 비디오, 데이터를 19.39Mbps SMPTE 310M MPEG Ⅱ 전송계층으로수용하며, SW 적으로모니터 / 진단및적응등화기능을가지고있다. CD 1A 는전송레벨에서송신레벨까지의부호화, 변조, 여파와채널에적합한 RF 신호를생성하기위한변환 (Up conversion) 을디지털적으로한다. 우수한확장성 모든다이아몬드 CD 송신기는 UHF 대역에서실현되며각송신기는제어캐비넷과 1 에서 5 개의 PA 캐비넷을수용한다. 제어캐비넷은시스템제어부, 구동증폭기, 모니터링과제어판넬, 여진기와옵션으로제공되는예비여진기시스템과자동전환시스템으로구성되며, 이러한구성은출력증강이나유지보수를쉽게해준다.
우수한보호기능 스마트 PA 모듈은과도한반사전력, 과열, 저전력, RF 이상동작에대한내부보호기능을가지고있다. 각 PA 모듈은마이크로프로세서를내장하고있기때문에자체제어기능과진단기능을가진다. 간단한조작 다이아몬드 CD 송신기는아주간단한운용기능을제공한다. 간단한누름스위치와 LED 들은송신기를켜고, 끌수있도록해주며송신기전면제어나원격제어기능을제공한다. 3. 디지털라디오송신기 디지털중파송신기 중파송신기의디지털화는전디지털형송신기가이미실용화되었는데, 디지털기술과아날로그기술을조합한혼성변조방식으로고안되었다. 이는 MSB 측비트정보에따라서선택된스위칭형전력증폭기 ( 여러대 ) 의출력과 LSB 측비트정보에따라서진폭변조된아날로그형전력증폭기 (1 대 ) 의출력을전력합성하여 AM 출력신호를얻는 1 kw송신기가시작되면서, 이기술에기초한 30 kw 50 kw급고체화송신기실현가능성이높아졌다. 디지털초단파송신기 FM 송신기에관해서는 DDS 를사용한 FM 변조기와더불어전단에사용하는디지털스테레오변조기 / 신호발생기가개발됨에따라음성입력부터변조기출력까지는디지털화가이미진행되었다. NAB 1998 전시회에는유럽이 DAB 의선두주자임을실감할정도로많은회사들이 DAB 송신기를출품하였는데 Tomcast, ETE(Italy), ITIS(France), GEC-Marconi( 영국 ) 등이며, 사용주파수는 VHF(170 240 MHz ) 와 L- 밴드 (1.452 1.492 GHz ) 를사용하고있다. 하리스사의 ZD20CD 는 DigitCD 디지털 FM 여진기로우수한성능을가지며, 10 kw유니트 2 대를 3 db혼성결합이나무스위치결합으로 20 kw를구현할수있다. 실용화 DAB NA-6 시리즈밴드 Ⅲ 송신기 모듈화된 VHF 밴드 Ⅲ 과 L- 밴드를위한 DAB 송신기는다음그림과같이 DAB 여진기, 전력증폭기 (PA), 전력공급부, 송신기설치선반 (Rack) 으로구성되어있다.
< 그림 > Layout of 500W DAB Transmitter(250W redundant) DAB NA-6 시리즈밴드 Ⅲ 송신기는 50W 에서 2 kw까지출력을제공하며, NL-6 시리즈 L- 밴드를위한송신기는 50W 에서 750W 까지의출력을제공한다. 송신기특성을다음표에나타내며간단히설명한다. 2,000 mm (H) 800 mm (D) 로 19 인치표준선반에장착되며밴드 Ⅲ 과 L- 밴드용 50W 송신기능항목 성능 Frequency Range 174 MHz 240 MHz (Band Ⅲ) 1,452 MHz 1,492 MHz (L Band) DAB Modes Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ Output Power 50W 2,000W(Band Ⅲ) 50W 750W(L Band) Input Signal ETI(NI) 또는 ETI(NA)
Standard ETS 300 401 Power Supply 3 400V±10% 여진기 COFDM 변조기를내장한여진기는 ETI 형의 NI, G703 과 NA, G704 입력신호를처리하며, 출력신호는 ETS 300 401 규격에맞는 DAB 신호를발생한다. 전력증폭기 전력증폭기는높은직선성과고효율을가진다. 밴드 Ⅲ 전력증폭부는 MOS-FET 로설계되며, L 밴드용전력증폭부는 Bipolar TR 로설계되어있다. 전력공급 배선간략화와높은동작신뢰성을유지하기위해단일전원을채용하였으며탈착가능한모듈방식으로설계되어있다. 19 인치설치선반장착 1,000 mm (H) 600 mm (D) 로장착된다. 출력 BPF 와냉각시스템도선반에내장. 하리스 DX-100 중파송신기 하리스사에서는고체화기술과디지털기술을결합시킨 DX 시리즈중파송신기 DX- 10/25/50 에이어새로운고출력디지털송신기 DX-100 을상품화하고있다. 최량의 AM 스테레오음질을확보하기위해심혈을기울인결과 IQM 40% 를실현하였다. 그외기본적인전기적특성을살펴보면다음과같다. 혼성변조방식중파송신기 변조형식 : 하리스특허의 AM 디지털변조 출력범위 : 100 kw, 20% 범위내에서조정가능 주파수범위 : 531 khz 1,705 khz 오디오입력 : -10 db m 에서 +10 db m 조정가능한무정합변성기입력으로임피던스 600/150/50Ω 종단준비 RF 출력 : 6-⅛ 인치 EIA Flange(Female), 50Ω 불평형형 RF 부하 : 50Ω 으로전면판에서정합가능, VSWR 최소치 1.2:1 방송, 통신기기의디지털화가급속히진전되면서송신설비에도디지털기술을도입하여고성능인기기를실현시켜야한다는움직임이높아지고있다.
송신설비디지털의 1 단계로써디지털 PCM 신호로부터직접진폭변조파를얻는출력 1 kw의새로운방식 (Hybrid Modulation) 중파라디오송신기를개발하였다. 혼성변조방식이라는것은입력음성신호를디지털신호로변환한다음대략적으로진폭정보를나타내는 MSB 측비트와세세한진폭정보를나타내는 LSB 측비트로나눈다. MSB 측비트의정보에따라서선택된스위칭전력증폭유니트 (Switching Power Amplifier Unit) 출력과 LSB 비트의정보에따라서진폭변조된아날로그전력증폭유니트 (Analog Power Amplifier Unit) 출력을전력가산하여진폭변조신호로얻고있다. 이는실용화되고있는전디지털형중파라디오송신기와비교하여도구성이간단하고신뢰성이높다. 송신기의기본구성 송신기의기본구성을다음그림에나타낸다. < 그림 > 혼성변조방식송신기의기본구성 ( 계통 ) 본송신기는엔코더부, 16 대의스위칭전력증폭유니트와 1 대의아날로그전력증폭기유니트로구성된전력증폭부, 전력가산부및대역여파기 (BPF) 로구성되어있다.
기본동작 엔코더부에서는입력된아날로그음성신호에 DC 성분이인가 ( 印加 ) 된다. 이 DC 성분에의해무변조시의송신기출력이결정된다. ( 음성 +DC) 성분은 ADC 에서반송주파수를그대로샘플링주파수로하여 12 비트의디지털신호로변환한후, 엔코더부에서큰진폭정보를나타내는 MSB 측 4 비트와세세한진폭정보를나타내는 LSB 측 8 비트의 2 개의그룹으로나눠진다. 이중, MSB 측 4 비트의정보에의해스위칭전력증폭유니트의동작대수가결정된다. LSB 측 8 비트는위상보정회로 ( 위상 Shift) 를통한후 DAC 에의해아날로그음성신호로변환된다음, 반송파 PWM 변조기에입력된다. 여기서얻어진 PWM 신호는전력증폭유니트에서큰폭의음성신호로스위칭증폭되어종단전력증폭유니트 (Switching 형 ) 의전원전압을진폭변조한다. 스위칭전력증폭유니트출력과아날로그전력증폭유니트의출력은전력가산부에서합성된다음대역여파기를통과함으로써소요의진폭변조파를얻는다. 전력증폭유니트는전부 SEPP 회로로구성되어있으며전력증폭소자는동작저항 (Onregister) 이작은 MOS-FET 를사용하여전력효율을향상시키고있다. 왜가적은파형을얻기위해서는 DAC 된음성신호 ( 스위칭증폭 ) 를증폭하는방식 (CPWM) 을채용하였다 성능 전원 Ripple 에의한 S/N 열화의개선 송신기능률 : 반송파주파수에대한송신기능률 (DC 입력전력에대한송신기출력전력 ) 은주파수 1 MHz에서약 90%, 1.6 MHz에서약 84% 를얻고있다. 주파수가높을수록능률이저하하는것은전력증폭유니트의능률저하에의한것인데이것은종단 MOS-FET 의특성에기인한다. 변조특성 종래송신기는변조가깊게되는만큼각전력증폭기유니트의전원전압은상승하여부담하는전력은증가한다 (100% 변조시는무변조시의 1.5 배로된다 ). 본송신기에서는변조도에따라서유니트의동작대수가변하기때문에각전력유니트의전력부담은항상일정하다. 이때문에과변조로되어도전력증폭유니트가과부하로되지않고안정하게동작한다. 4. 우리나라의현황 우리나라에서도그동안수입에만의존해오던디지털 TV 송신기국산화를위해 LG 정보통신 (LGIC) 과 KBS 는지상파디지털방송을위해협력을체결하고, 디지털 TV 송신기를공동개발키로하였다. LGIC 와 KBS 는이에따라 1999 년하반기까지송신기개발을완료하고 2000 년부터상용화를위한시험을거쳐 2001 년부터본격적인디지털 TV 방송에들어갈계획이다.
KBS 와 LGIC 공동발표에의하면디지털 TV 송신시스템의개발일정과방법등을구체화시키고있다. DTV 송신기개발시스템은다음그림과같다. < 그림 > DTV 송신기개발시스템 또한, 개발은다음표와같이기초개발단계, 시제품제작단계, 설치공사단계의 3 단계로나눠서진행한다. 기초개발단계 KBS+LGIC 연구원 Modulator 기술입수 -기술훈련과도면설계 시스템규격설계 개발 / 시험시설확보 시제품제작 KBS+LGIC 연구원 시제품부품구입 시제품설계및제작 Lab. Test 및환경시험 설계자료정리 설치공사단계 KBS+LGIC Field Test( 수도권예정 )*!) Acceptance Test 시험 / 운용기술축적
KBS/LGIC 공동개발기간 (18 개월 ) LGIC 와 KBS 는지난 3 월지상파 DTV 송신기국산화에성공하여 LG 정보통신중앙연구소에서방송관계자들이참석한가운데발표회및시연회를가졌는데규격은다음과같다. 1. 전송속도 : 19.3Mbps 급, 2. 포맷 : 1,920 1,080, 3. 동영상압축 : MPEG Ⅱ, 4. 오디오압축규격 : AC-3, 5. 전송은 VHF, UHF 채널을통해 HDTV 1 채널과 SDTV 3 채널을수용할수있다. 연구개발방법 : 미국 Zenith 에서는변조기를, 일본 NEC 에서는고주파전력증폭부를기술이전시키고, KBS 와 LGIC 는이기술을토대로 DTV 송신기를생산하여 2000 년이후부터는시범서비스에들어간다는계획이다. < 그림 > 연구개발방법 한편, 무선방송기술연구소에서는 1998 년부터지상파 DTV 송신기용 HPA 개발을위하여선형성및출력특성이우수한 BJT 와 LDMOS 를사용한기본연구를개시하였다. 잠정합의된우리나라의디지털 TV 방식에기초한 8VSB 변조방식으로송출하며수신도이동수신이가능한모델로개발중이다.
최근, LGIC 와 KBS 는작년 4 월부터총 50 여억원의연구개발비를들여지상파 DTV 송신기국산화에성공 (1999 년 3 월 ) LG 정보통신중앙연구소에서방송관계자들이참석한가운데발표회및시연회를가졌다. 이번에개발한송신기는 19.3Mbps 급전송속도로 VHF, UHF 채널을통해 1,920 1,080 화소의 HDTV 1 채널과 SDTV 3 채널을수용할수있다. KBS 는이번에개발된장비로 2000 년에상용화를위한현장시험을거친뒤오는 2001 년부터본격적인지상파디지털방송을실시할방침이다. LGIC 는이송신기가국내는물론 ATSC 방식의 DTV 를채용하고있는미국, 캐나다, 대만, 아르헨티나등에도수요가많을것으로보고앞으로전략수출상품으로적극육성해나가기로했다. 한편, 두회사는송신기개발에이어디지털지상파방송용중계기도개발완료하여오는 2000 년부터상용화할예정이다.