한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 12 pp. 5007-5014, 2010 SMATV 를위한 MATV/ 위성방송통합형증폭기개발에관한연구 이진영 1* 1 강남대학교교양학부 Development of an integrated amplifier for MATV/Satellite Broadcasting Jin-Young Lee 1* 1 Department of Liberal Arts, Kangnam University 요약최근국내에서는 MATV(Master Antenna Television: 텔레비전공동시청설비 ) 를 SMATV(Satellite Master Antenna Television) 로개정함에따라공동주택의방송설비는지상파방송, FM 라디오방송과함께위성방송을의무적으로통합하여전송하도록개정하였다. 국외의경우대부분의나라에서 SMATV가기본적으로허용된데반해국내에서는케이블방송과위성방송서비스업체간의이익분쟁으로인해 SMATV용혼합형증폭기에대한기술개발및양산이미진한상태에있다. 따라서, 본연구에서는지상파텔레비전방송대역 (54~806Mhz) 과 FM 라디오방송대역 (88~108Mhz) 뿐만아니라위성방송대역 (950~2150Mhz) 까지증폭할수있는광대역증폭기를개발하고그에따른문제점의해결방안을제시한다. Abstract Recently n Korea, the House of Commons and terrestrial broadcasting facilities integrated with FM radio and the satellite compulsory was amended to transfer MATV(Master Antenna Television) adjusted by SMATV(Satellite Master Antenna Television). While the SMATV was accepted by default in most other countries, our county did not accept it as the default for broadcast. Because domestic cable and satellite television service providers are conflicts with their interest. bas a result, the hybrid amplifier for SMATV technology development and volume production for the state is insufficient. Therefore, terrestrial television broadcast bands (54 ~ 806Mhz) and FM radio broadcast band (88 ~ 108Mhz) band satellite with (950 ~ 2150Mhz) to amplify the development of a broadband amplifier with subsequent resolution of problems is also presented in this study. Key Words : Broadcast convergence, MATV, SMATV, Satellite broadcast, Amplifier 1. 서론 국내의 MATV 관련기술은 SMATV 설비기준으로개정되기전의규정에맞추어위성방송을제외한지상파방송과 FM 라디오방송만을전송할수있는시스템기술개발에주력해왔다. 국외의대다수나라에서는 SMATV 가기본적으로허용되어시청자의볼권리보장및디지털방송전환에촉진제역할을하고있다. 반면국내의경우에는케이블방송과위성방송서비스업체간의이익 본논문은강남대학교연구과제로수행되었음. * 교신저자 : 이진영 (goodman3@kangnam.ac.kr) 접수일 10 년 11 월 18 일수정일 10 년 12 월 01 일게재확정일 10 년 12 월 17 일 분쟁으로인하여 2007년 11월에개정되어발표되었다 [1]. 따라서, 국내의경우 SMATV용혼합형증폭기시장은법규개정이전에특수한목적으로만사용되었기때문에기술개발이활발하지못하였다. ITU(International Telecommunication Union ; 국제전기통신연합 ) 는위성방송수신방법으로 개별수신 과 공동수신 을규정 (ITU RRS1.39) 하고있는데 개별수신 이라함은일반적으로가구별로위성안테나를설치하여방송을시청하는형태이고, 공동수신 은하나의위성안테 5007
한국산학기술학회논문지제 11 권제 12 호, 2010 나를이용하여여러가구가동시에시청하는것으로규정하고있다 [2]. 국내와달리세계대부분의국가에서는 SMATV를허용하여왔으며, 이에따른기술개발이활발히이루어져왔다. 하지만국가및지역별로주파수대역과사용방식에차이가있기때문에상호적용시제품수정이불가피하다. 따라서, 본연구에서는공동주택의각세대까지연결되는동축선로를통하여지상파텔레비전방송대역 (54~806Mhz) 과 FM 라디오방송대역 (88~108Mhz) 과함께위성방송대역 (950~2150Mhz) 을증폭할수있는광대역증폭기를제안한다. 그러나, 이와같은증폭기방식은방송서비스별로변조방식이다르기때문에서비스대역을제외한대역에예상치못한노이즈가발생된다. 따라서, 제안된 SMATV 는하나의동축선로에 MATV 방송및위성방송을결합하여전송하는방식이기때문에예상치못한노이즈가발생하게되고이는다른방송서비스대역에영향을주어방송품질에저하를유발하는문제점을안고있다 [3][4]. 본논문에서는이에대한해결방안으로서비스별증폭대역을분리하여증폭하고이를다시결합하여전송하는방식을제안하고이에따른부가적인문제점들에대한해결방안을제시한다. 기존의 MATV 방송설비구성도는그림 1과같으며공동주택의중앙관리동 (MDF실) 내의헤드엔드시스템 (HEAD-END System) 을통해처리된방송신호를분배하여각공동주택내의각세대로전송하는구조로설비되어있다. 위성방송의경우에는각세대의위성수신이가능한외벽에위성안테나를따로설치하여방송을시청하는형태로구성되어있다. 따라서, 아파트미관문제와설치시안전에대한문제점과저층의경우위성수신에제약을받아위성방송수신이불가능한사각지역이발생하는문제점이있다. 개정된 SMATV 방송설비구성도는그림 2와같다. 공동주택내의중앙관리동 (MDF실) 이나공공주택건물옥상등에위성안테나를설치하여기존 MATV 설비를통해전송하는구조로되어있다. 각세대별로위성안테나를설치할필요가없어자원낭비및중복투자문제가해소된다 [5,6]. SMATV 구조는 MATV 설비에통합형구내용증폭기장치만을설비 변경하여간단하게구성할수있기때문에기존에공동주택에도쉽게변경 적용이가능하다. 그러나, 기존공동주택경우증폭기가설치되는공간에제약이따르므로통합형구내용증폭기의개발이필요하다. 2. 연구내용및개발방법 2.1 연구내용본연구에서는 SMATV 설비기준에부합되도록 MATV 및위성방송대역이전송가능한증폭기를개발하는것으로목표로한다. 아울러각방송서비스간의간섭을최소화하여고품질의서비스가가능함과동시에동축전송선로에서발생되는대역별신호기울기를보정하고, 사용자가설치및조정이용이한시스템개발을연구범위로한다. [ 그림 2] 개정된 SMATV 방송설비구성도 2.2 개발방법및기술본연구에서개발된 SMATV용 MATV/ 위성방송통합형구내용증폭기의구조는그림 3과같다. 통합형구내용증폭기는하나의 RF 입력단자와하나의 RF 출력단자로구성된다. [ 그림 1] 기존 MATV 방송설비구성도 5008
SMATV 를위한 MATV/ 위성방송통합형증폭기개발에관한연구 [ 그림 3] 통합형구내용증폭기구조 역별증폭장치를통해증폭한후다시결합하기위해필요하다. 본기술은서로다른두대역을분리하여대역별로증폭함으로서증폭도를높이고각대역의전송이득및전송등화특성을조절할수있어서비스별성능을최적화할수있다. 또한, 각대역에서발생되는간섭성분을제거하여결합시킴으로서결과적으로두서비스간에최대한영향을끼치지않고증폭이가능하다. 본연구에서는그림 5의회로도와같이 High Pass Filter와 Low Pass Filter를결합한형태의 Diplexer Filter를제안하며시뮬레이션은그림 6과같다. 입력단자인 MATV / Satellite INPUT Port는 MATV와위성방송대역을동시에수용할수있으며출력단자인 MATV/Satellite OUTPUT Port는증폭된두방송신호를결합하여동시에출력되는단자이다. 각부분별기능과적용기술내용은다음과같다. 2.2.1 전원삽입기 (Power Insert) 기술입력되는신호의임피던스및주파수응답에변화가없도록하기위해신호입력포트에 10uH이상의높은인턱터를적용하여 LNB에전원을공급할수있도록설계하였다. 또한 LNB에충분한전력을공급하기위해 15VDC에서 3A이상의부하를견딜수있는인턱터를적용하였다. 부하량이적을경우케이블및 LNB에부하량을견딜수없어전원공급에문제가발생될수있다. AC 커플링을통해 DC전원이증폭기내부로유입되는것을차단하였다. 본연구에서는그림 5와같이회로를설계하여전원삽입기를적용하였다. 또한 ON/OFF 스위치를적용하여선택적으로전원을공급또는차단할수있도록하였다. [ 그림 5] Diplexer filter 회로도그림 6의시뮬레이션결과 MATV 주파수응답 (S21) 과위성대역의주파수응답 (S31) 모두안정적인응답곡선을보여주며 20dB 이상의분리도를보여준다. 반사손실 (S11) 또한 -20dB이하로우수한특성으로시뮬레이션결과를얻었다. 높은분리도는대역간에발생되는간섭을억제시키고서비스대역을통해발생되는대역외스퓨리어스 (Spurious) 성분을분리또는결합시제거할수있다. [ 그림 4] 전원삽입기회로 2.2.2 MATV 대역과위성대역을분리또는결합하는 Diplexer Filter 기술상기기술개발은증폭기로입력되는결합된 MATV 대역신호와위성대역신호를분리하고, 분리된신호가대 [ 그림 6] Diplexer filter 시뮬레이션결과 5009
한국산학기술학회논문지제 11 권제 12 호, 2010 2.2.3 상향노이즈및전원노이즈제거기능을갖는 High Pass Filter 기술상기 Diplexer Filter의경우 MATV 대역에있어 Low Pass Filter 기능을가지므로 806Mhz 이하의대역을전부통과시킨다. 문제는동축전송로상에서발생되는상향노이즈가그대로유입될수있어증폭기성능을저하시키는원인이되며전원스위칭노이즈또한유입될가능성이있다. 따라서, 본연구에서는 MATV 대역만을통과시키도록 54MHz High Pass Filter를제안 개발하였다. 그림 7과그림 8은 54MHz High Pass Filter의회로도와시뮬레이션결과이다. 셋톱박스장치들에적정입력조건을맞추는기능을담당하기도한다. 입력되는 RF 신호는케이블거리나상태에따라전송손실에차이가발생할수있는데이는증폭소자에서발생될수있는과입력에따른 RF 포화 (Saturation) 현상이발생될수있기때문이다. 이와같은문제는 MATV방송대역및위성방송대역의레벨을조정할수있는 RF 감쇠기를이용하여입력변화에따른방송레벨을설치장소에따라조절함으로서문제를해결할수있다. 따라서, 본연구에서는 MATV 대역은수동형 RF 감쇠모듈을적용하여설계하고, 위성방송대역의경우 WideBand용 PIN 다이오드를이용하여전압감쇠기 (Voltage Attenuator) 를설계하여조절형광대역 RF 감쇠기를개발하였다. [ 그림 7] 54MHz High pass filter [ 그림 9] 위성방송대역조절형광대역 RF 감쇠기 [ 그림 8] 54MHz High pass filter 시뮬레이션결과 2.2.4 조절형광대역 RF 감쇠기 (Adjustable RF Attenuator) 기술광대역감쇠기는대역별 RF출력이득을조정하는기능을담당하며, 이득조정을통하여동축선로에서발생되는손실을보상하고다음단에위치한증폭기의입력레벨을조절하여선로상에발생되는선형성을최대한유지할수있도록해준다. 또한, 사용자종단장치인 TV나 그림 9는위성대역의조절형광대역 RF 감쇠기회로이다. 위성대역의경우높은주파수대역과넓은대역전송때문에 MATV와같은감쇠기모듈이상용화되지못하고있는데본연구에서는고주파 PIN Diode의전류특성을이용하여삽입손실을조절할수있는감쇠기회로를설계하여위성대역에대하여 10dB 이득을조절할수있도록하였다. 2.2.5 Adjustable RF SLOPE( 조절형신호기울기조정 ) 기술신호의감쇠는전달 Cable이나부하기를거치면서생긴다. 이때낮은주파수보다높은주파수가비례적으로 5010
SMATV 를위한 MATV/ 위성방송통합형증폭기개발에관한연구 감쇠량이증가하여그림 10의 (a) 와같이주파수별로다른감쇠가나타나신호기울기로나타난다. 상기신호기울기는방송채널별로방송품질고르지못하게하는주된원인이되고, 이를보정하기위하여등화기 (Equalizer) 를설계 적용하였다. 본연구에서는그림 10과같이전달경로상에서발생된신호의기울기와반대되는기울기를만들어신호의감쇠를균등하게보정할수있도록하였다. 또한 SLOPE 모듈은공동주택의동축선로에서발생될수있는 6dB 이상의신호기울기를조정할수있다. [ 그림 10] 신호기울기의조정원리 그림 12는위성대역용등화기회로로 PIN Diode의감소기능을이용하여대역별손실값을달리하여조절할수있도록하였다. 2.2.6 AMP( 신호증폭기 ) 기술 AMP는신호를증폭하는기능을담당하는장치로본연구에서가장핵심장치로선형성이우수한증폭소자를적용하고, 증폭소자에서발생되는소비열을방출할수있도록기구적인특성을고려한다. 또한높은증폭에따른피드백성분노이즈의유입을제거하기위하여차폐및설계위치등에대한고려도함께이루어져야한다. MATV 증폭단설계를위해서는푸쉬풀방식을적용하여선형성이우수하고 50MHz~870MHz 대역을 34dB 증폭하는하이브리드형 AMP를적용하였고위성대역에증폭단설계를위해서는 950MHz~2.15GHz에서 18dB를증폭하는 50MHz~6GHz 광대역 MMIC 증폭소자를적용하였다. AMP에서발생되는열을방열하기위해 AMP와 PCB 사이에방열판을적용하여방열효과를극대화하고 40dB 이상의높은증폭도로인해발생되는위성대역과 MATV 대역간의간섭을줄이기위해차폐기구물이요구된다. 이상의기술들을적용하여개발되는제품의성능목표는다음과같다. [ 표 1] 통합형증폭기성능목표 [ 그림 11] MATV 등화기회로도설계된등화기는 MATV용과위성대역용으로구분하여설계하였으며그림 11은 MATV용등화기회로도로 RF 감쇠기모듈을적용하여대역별로감쇠손실을달리하여기울기가발생하도록하였다. [ 그림 12] 위성대역용등화기회로도 구 분 단위 목표치 주파수대역 MHz 54~806 950~2150 최대이득 db 이상 30 40 대역내이득편차 ± db이내 ±1 ±2 정격출력레벨 dbμv이상 105 110 이득조정범위 db이상 20 10 경사조정범위 db이상 15 15 3차상호변조 (CTB) db이하 -60-2차상호변조 (CSO) db이하 -60 - 혼변조 db이하 -55 - 잡음지수 db이하 10 10 험변조 db이하 -63-63 반사손실 db이상 14 8 3차상호변조왜곡 (IMD3) db이하 - -50 54MHz이하μV /m 이하 15 15 누설 54~216MHzμV /m 이하 20 20 전자파 216MHz이상μV /m 이하 15 15 5011
한국산학기술학회논문지제 11 권제 12 호, 2010 3. 연구결과및분석 개발된제품은외형적으로크게 MATV 신호와위성신호를입력받는 75ohm RF Connector와증폭된신호를출력하는출력 75ohm RF Connector, 출력신호를모니터할수있는모니터용 75ohm RF Connector, 220VDC 전원을공급하는전원케이블과전원상태 Monitor LED, MATV대역과위성대역의출력신호를조절하는이득조정단자와기울기를조절할수있는 SLOPE 단자, 위성 LNB의전원을공급하는전원공급스위치로구성된다. 그림 13은반사손실을측정한결과로 (a) 입력반사손실과 (b) 출력반사손실의측정결과를보면 MATV대역에서 -14dB 이하로측정되었으며, 위성대역에서 -10dB 이하로측정되었다. 따라서, 반사손실에대한개발목표치인 MATV에서 -14dB이하위성대역에서 -8dB 이하를달성하였다. 역의이득조정범위가 20dB 이상측정되었으며, 위성대역의경우 10dB 이상측정되어목표치를달성하였다. [ 그림 15] 이득조정범위측정결과그림 16은 Adjustable RF SLOPE 단자의기울기조정범위에대한측정결과이다. 측정결과를보면, MATV대역의기울기조정범위가 15dB 이상이며위성대역경우에는 15dB이상으로나타났다. 따라서, 두대역모두 15dB이상으로목표치를달성하였다. [ 그림 13] 반사손실측정결과그림 14는주파수응답및증폭도특성을측정한결과이다. 측정결과를보면, MATV 대역에대하여응답특성이 ±1dB이내이며, 증폭도가 30dB이상으로측정되었다. 또한, 위성대역에대하여응답특성이 ±2dB 이내고, 증폭도가 40dB 이상으로측정되어주파수응답및증폭도에대하여목표치를달성하였다. [ 그림 14] 주파수응답및증폭도측정결과그림 15는조절형광대역 RF 감쇠기를이용한이득조정범위에대한측정결과이다. 측정결과를보면 MATV대 [ 그림 16] 기울기조정범위측정결과그림 17은 MATV와위성대역에대한 RF 왜곡성능을측정한결과이다. MATV의경우멀티신호발생기를이용하여 IMD 왜곡성능을측정하였다. 그림 17의 (a) 는 MATV대역에입력될멀티신호발생기의 77채널을측정한결과로입력될 77채널신호는평탄하도록하여 15dBmV/ch로설정하였다. (b) 는상기멀티신호를입력으로하여증폭된출력신호를측정한결과로측정결과 30dB 증폭하여 45dBmV/ch로측정되었다. 상기그림 17(b) 의출력신호에대하여 RF 왜곡성능을측정하였다. RF 왜곡성능측정은 77개의채널중에 14번채널 (121.25MHz) 과 77번채널 (541.25MHz) 을선택하여측정하였는데이는낮은채널과높은채널을측정함으로서신뢰성을확보하기위함이다. 그림 18은 MATV에대한 RF 왜곡성능을측정한결과로 CSO, CTB, XMOD, HUM변조를순서대로측정한결과이다. 측정된결과를보면, CSO는 74dB이상, CTB는 66dB이상, XMOD는 66dB이상, HUM변조는 77dB이상으로측정되었으며이는목표치보다더욱높은결과이다. 5012
SMATV 를위한 MATV/ 위성방송통합형증폭기개발에관한연구 되어 50dBmV 로측정되었다. [ 그림 17] MATV 증폭기입출력신호측정결과 [ 그림 19] 위성대역증폭기입출력 2tone 측정결과 그림 20은상기측정된출력신호에대하여 IMD3를측정한결과이다. 측정결과 53dB 이상으로목표치보다우수한결과가나타났다. [ 그림 18] MATV RF 왜곡성능측정결과 그림 19는위성대역의 2tone 시험을위한입출력신호를측정한결과이다. 입력신호는 6MHz 차이를두어 985.25MHz와 991.25MHz를선택하였으며, 10dBmV/ch 레벨로조정하여입력하였다. 출력측정결과는 0dB 증폭 [ 그림 20] 위성대역 IMD3 측정 개발제품의통합검증내용을초기목표치와비교하여표 2와같다. 5013
한국산학기술학회논문지제 11 권제 12 호, 2010 [ 표 2] 개발제품의통합검증데이터 개발시제품평가항목단위기타목표치성능 ( 측정대역 ) MATV 위성 MATV 위성 출력 MATV 및 이득 db 30 40 30 40 위성 IMD3 db - 50-53 위성 CSO db 60-74 - MATV CTB db 60-66 - MATV 주파수평탄도 db 2 4 2 4 MATV 및위성 경사조정 db 15 15 15 15 MATV 및위성 4. 결론 본연구에서는방송통신융합기술의일환으로 SMATV 설비기준에부합되면서 MATV 및위성방속대역이전송가능한증폭기개발과그에따른핵심기술을제안하였다. 특히, 본연구에서제안된증폭기는공동주택의각세대까지연결된동축선로를통하여 MATV(54 ~ 806MHz) 와위성방송 (950MHz ~ 2150MHz) 을동시에입력이가능한특징을가지고있다. 그러나이와같은증폭기방식은방송서비스별로변조방식이상이하기때문에서비스대역을제외한대역에예상치못한노이즈가발생하게되고이는방송품질을저해하는원인이된다. 또한, 증폭기는신호뿐만아니라노이즈도증폭되기때문에이로인한간섭또한커지게된는문제점이있다. 따라서, 본연구에서는이와같은문제점의해결방안으로대역간의간섭을억제하는필터 (Filter) 를제안하고, 동축케이블에서발생되는전송손실이주파수대역에따라차이가발생하는문제점을해결하기위해 MATV와위성대역용등화기 (Equalizer) 를제안하였다. 본연구에서제안된통합형증폭기는 MATV에서구내용증폭기부분만을변경함으로써추가설치에따른설치공간의제약과설비비용을절감하는동시에각세대별로위성안테나를각각설치해야하는문제점을해결하고위성수신이어려운사각지역을제거할수있다. 향후연구과제로는본연구가기술의융합화에따른통신과방송을효율적으로서비스할수있는기반기술이므로광대역의인프라구축에따른화면 / 고화질 VOD 서비스, 3D 의료영상정보서비스, 3D 게임등에적용할수있도록비디오광수신기와의통합과점차확대되고있는무선전송기술이요구된다. 참고문헌 [1] 텔레비전공동시청안테나시설등의설치기준에관한규칙, 정통부, 2007년 11월 [2] 이병섭, 종합유선방송과위성방송의관계정립방안, 한국방송학회, 통권제57호, 2003.12, p.52-54 [3] Nonoru Ishihaea et al., Low-Voltage, Adjustment free Analog Critical and Low-Power Logic LSI Technologies for Optical Network Termination Unit, NTT REVIEW, Vol.9, No.6, Nov. 1997, pp. 86-94. [4] 이진영, 김보남, 이중대역방송서비스가가능한비디오광수신기 (ONU: Optical Network Unit) 의개발, 한국해양정보통신학회제13권 11호, 2009.11, p. 2413 [5] 민월기, 디지털방송환경개선을위한위성방송수신방식별경제성연구, 학윈논문 ( 석사 ), 충주대학교산업대학원, 전자통신공학과, 2009.2. [6] 이상식, 디지털다채널시대의케이블 TV 주요현안과과제, 한국언론정보학회학술대회, 2007.12, pp. 98-99 이진영 (Jin-Young Lee) [ 정회원 ] 1995 년 2 월 : 단국대학교단국대학원전산통계학과 ( 이학석사 ) 1998 년 2 월 : 단국대학교단국대학원전산통계학과 ( 이학박사수료 ) 1999 년 9 월 ~ 현재 : 강남대학교교양학부부교수 < 관심분야 > 소프트웨어공학, 생체인식, 방송통신융합 5014