Spread Spectrum Communication                                             1999. 11

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Spread Spectrum Communication

1. 대역확산 통신방식 이론

□ 개발동기

□ 비밀의 유지와 적의 전파방해(Jamming)를 받지 않는 새로운 변조방식을 필요로 하는 군용      통신시스템을 위한 것으로 미국을 중심으로 개발되었으며 제 3자가 고의적으로 또는 우연히      전송을 방해하는 간섭을 제거할 수 있는 장점이 있다.

□ 대역폭 면에서 일반통신방식과의 비교

□일반 통신방식 : 전송신호의 협대역화

□대역확산 통신방식 : 전송신호를 충분히 넓혀서 전송하여 수신 측에서 다시 대역을 좁힌                              후 원래의 데이터를 복원하는 방법

□ 응용분야

□간섭이 큰 ISM밴드에서의 무선 LAN 시스템

□위성통신

□셀룰라 전화(자동차 전화), PCS

□ 요구조건

□대역확산 통신에 사용되는 신호의 스펙트럼은 정보를 전송하는데 필요한 최소의 주파수         대역폭보다 훨씬 넓은 대역을 차지한다.

□스펙트럼확산은 부호신호라 부르는 확산신호를 사용하여 시행한다. 이 부호신호는 정보신호      와는 아무런 관계가 없다. 이와 같은 조작은 정보를 전송하기 이전에 행한다.

□수신 측에서는 송신 측과 동기된 동일한 부호신호를 사용하여 원래의 신호를 재생한다.

□ 근본원리

□Shannon의 통신 용량 이론

[eqn: C`=`W cdot log_2`(1`+`S`/`N`)]

여기에서,

[eqn: C`=`]채널용량 (Bits/Sec - bps)

[eqn: B`=`]채널 대역폭 (□)

[eqn: S`=`]신호 강도 (Watts)

[eqn: N`=`]잡음 전력 (Watts)

※ 일반 통신방식들은 대개 신호전력대 잡음전력의 비([eqn: S`/`N``])를 크게 하는 대신에 가능한 한 전송대역폭을 줄이려하지만 대역확산 통신방식에서는 전송대역폭을 매우 크게 함으로써 [eqn: S`/`N``]비가 아주 나쁜 경우 즉, 잡음이나 간섭신호의 영향이 심각한 경우에도 통신용량을 유지하여 통신을 가능케 한다.

□Processing Gain(처리이득)

[eqn: rm Processing`~Gain``=`it 10`log_10`(`R_c over R_d`)]

여기에서,

[eqn: R_c`=`]확산신호의 대역폭(Chip Rate)

[eqn: R_d`=`]정보신호의 대역폭(Data Rate)

□대역을 확산시킨 후 다시 역확산하는 과정에서 얻어지는 이득

※ Chip : □PN Code의 1과 0을 □Chip'이라 부름. Chip은 Bit와는 달리 정보를 포함하지 않음.

□적어도 Data rate보다 10배이상 크다.

2. 대역확산방식의 종류

1) 직접 확산방식(Direct Sequence Spread Spectrum)

□ 시스템 블록다이어그램

□ 직접확산 방식은 스펙트럼을 확산시켜야할 신호의 대역폭에 비해 충분히 넓은 스펙트럼을 갖는 확산부호(Pseudo Noise : PN Code)를 직접 승산 함으로써 협대역 신호에서 광대역 신호로 사상변환 실현

□ 송신기의 각부 신호 파형

(a) → 정보신호 :[eqn: d`(`t`)``] , (b) → 반송파 :[eqn: sin omega_c`t``] , (c) → 1'st 변조신호 :[eqn: d`(`t`)`sin omega_c`t``]

(d) → PN Code :[eqn: c`(`t`)``] (e) → 2□st 변조신호 :[eqn: c`(`t`)`d`(`t`)`sin omega_c`t``]

※ [eqn: R_c``>>``R_d]

□ 수신기의 각부 신호 파형

(a) → 수신신호 :[eqn: c`(`t`)`d`(`t`)`sin omega_c`t``] , (b) → PN Code :[eqn: c`(`t`)``]

(c) → Mixer 출력신호 :[eqn: c`(`t`)^2`d`(`t`)`sin omega_c`t``] , (d) → 복원된 정보신호 :[eqn: d`(`t`)``]

□ 송수신기의 각부 신호 스펙트럼

□(a)의 스펙트럼과 (b)의 스펙트럼은 동일한 전력을 갖는다.

→ 신호를 확산함으로써 그 에너지가 분산되고, 전력 스펙트럼 밀도가 확산전에 비해 확산비분     의 1로 되어 있는 것이다. 일반적인 스펙트럼 확산 시스템에서는 일반적으로 신호는 거의 잡     음에 묻힌 상태로 수신되는데, 그래도 복조는 충분히 가능하도록 되어 있다.

□(c)의 수신신호에 간섭파나 비희망신호가 혼입되어 있다.

→ 역확산 과정에서 광대역신호로 확산되어 버리고 BPF를 통과함으로써 대부분의 전력을 잃어      버리므로 복조에 큰 영향을 미치진 못한다.

□ 수신기에서 Processing Gain 개념

2) 주파수도약 확산방식(Frequency Hopping Spread Spectrum)

□ 시스템 블록다이어그램

□ 주파수도약 확산방식은 스펙트럼을 확산시켜야 할 신호의 반송파 주파수를 어떤 특정 패턴에 따라 시간적으로 전환해 감으로써 시간 평균으로 협대역 신호를 광대역 신호로 사상 변환하는 기술이다.

※ 확산부호 발생기에서 호핑패턴이라 부르는 다치의 신호계열 발생.

확산비 = 호핑하는 주파수 슬롯의 수.

□ 호핑패턴의 예

□ 순간 스펙트럼

□ 주파수도약 확산방식의 신호 스펙트럼은 어떤 순간을 포착하면 특정 주파수의 주변에 전력이 집중하고 있으며, 협대역 신호이지만 호핑패턴의 1주기에 걸쳐 평균화하면 그 전력은 각 주파수 슬롯에 분산하게 되어 전력 스펙트럼 밀도는 직접 확산방식과 같은 확산비분의 1로 된다.

□ 주파수도약 확산방식의 두 종류

□ Fast FH : Hop rate > Data Rate

→ 복수회의 hop에 대해 데이터 1비트를 전송하기 때문에 간섭파나 주파수 선택성 페이딩에       의해 어떤 주파수 슬롯이 열화하고 있어도 다른 주파수 슬롯이 살아나고 있으므로 오류정정      등으로 데이터의 회복이 가능.

고속 호핑을 하기 위해서는 복잡한 주파수 신세사이저가 필요.

□ Slow FH : Hop Rate < Data Rate

→ 하나의 주파수 슬롯에 장시간 머무르기 때문에 간섭이나 페이딩의 영향으로 버스트적으로       에러가 발생.

간단하고 소형의 신시사이저를 이용.

3) 직접 확산방식과 주파수도약 확산방식의 비교

	직접 확산방식	주파수도약 확산방식
장점	□ 잡음과 Jamming에 강함 □ 도청이 어려움 □ 페이딩의 영향을 적게 받음	□ 코드동기포착시간이 비교적 짧음 □ 대역확산을 최대 크기로 가능 □ Near-far (원근)문제가 별로 없음
단점	□ 광대역 채널이 요구됨 □ 코드동기포착시간이 김 □ 고속의 PN 발생기가 필요 □ Near-far 문제가 있음	□ 주파수 합성이 복잡함 □ 오류정정코드가 필요

4) PN Code (Pseudo Random Noise Code) - 의사잡음부호

□정의 : 확산부호로 사용하는 PN부호는 완전히 랜덤한 신호가 이상적이지만, 수신측에서 동일           부호가 필요하기 때문에 어떤 주기를 가진 난수 코드이다.

□종류로는 몇 종류가 있지만 대표적으로 M계열 부호(최장부호)를 많이 사용한다. M계열 부호    는 아래와 같이 Shift Register와 X-OR(귀환회로)로 구성되는 간단한 회로로 실현 가능하다.

그림 . 최장부호발생기(m=3인 경우)

□Shift Register의 초기값은 0이 되어서는 안 된다.

□부호 길이([eqn: P``])

[eqn: P~=~2^m`-`1]        ,  m=플립플롭의 수

□예) m=3, P=7인 M계열 부호

< M계열 부호의 자기상관 >

□ □위 그림은 m=3, 부호길이 P=7인 M계열 부호이며, 맨 위의 파형을 원래의 파형으로 하고, 그 밑의 파형은 이것을 1비트씩 우측으로 옮긴 것이다.

□로직 □1□, □0□ -> □+1□, □-1□로 대치해서 읽음.

□원래신호와 현재신호와의 비트곱으로 인해 +7. -1, -1, [eqn: cdots] 으로 된다.  -> 자기상관 값

< M계열 부호의 자기상관함수 >

□부호 위상이 일치했을 때([eqn: tau`=`0]) 자기상관함수는 큰 값([eqn: 2^n`-`1])을 가지며, 그 이와의 1비트라    도 편차가 있을 때는 작은 값으로 된다.

5) 대역확산 시스템의 동기

: 스펙트럼 확산방식을 실현하는데 있어서 가장 큰 문제점.

□ 동기식 확산대역방식과 비동기식 확산대역방식의 비교

□동기식 : 극도로 낮은 확산대역 시스템의 [eqn: SNR] 환경에서는 반송파 동기포착 및 추적을 수행하            기가 어려움

□비동기식 : 반송파 동기포착 및 추적이 나중에 수행되어 더 높은 [eqn: SNR] 환경에서 반송파 동기              포착 및 추적의 수행이 용이.

□ 동기과정의 두 가지 단계

□동기포착 : 수신된 신호속의 확산부호와 수신측의 국부발생 확산부호와의 차이를 반 chip이내	에 들게하는 과정.

□동기추적 : 동기포착에서 맞춘 동기점에서 더욱더 정확한 동기점을 찾아서 포착된 신호의 동	기를 벗어나지 않게 계속 유지하는 과정.

→ 포착이 추적에 선행되어야 함. 추적도중에 추적을 잃게되면 다시 포착으로 귀환.

□ 동기포착

[eqn: theta_u`(tau)`=`INT _0^T`u(t)`u(t`-`tau)`dt`]    , [eqn: T`] : 확산부호의 주기

→ [eqn: tau``]의 값을 이동하면서 [eqn: theta_u`(0)]의 피크를 포착하는 것이 동기포착의 본질.

□ 슬라이드 상관방식

< 슬라이딩 상관 동기 포착회로의 예 >

□동기 확립전상태 : 송신측 확산부호[eqn: u(`t`)] 수신측의 확산부호[eqn: u(`t`-tau)]가 일치 안 함.

→ 혼합기 출력 = [eqn: u(`t`)``u(`t`-`tau)]    , [eqn: tau``!=``0]

□자기상관은 [eqn: tau``!=``0]일 때 작은 값을 취하므로 제곱검파 후의 출력은 낮은 레벨이 된다.

→ 동기포착이 되지 않은 것으로 판정.

→ 확산부호의 위상이 약간 이동하도록 클럭제어 [eqn: (``tau``의~`값을~`변화``)].

→ 최종적으로 [eqn: tau`=`0]의 점에 도달.

→ [eqn: tau`=`0]에 도달하면 제곱검파기의 출력은 고출력레벨이 된다.

-   → 동기포착된 것으로 판정.

→ 확산부호발생기의 클럭을 Lock하여 동기포착이 완료.

※ 슬라이딩 상관 동기포착회로는 로컬 확산부호의 위상을 약간씩 이동시키면서 동기점을 찾기 때문에 최악의 경우 1주기분, 평균해도 1/2주기분의 슬라이딩을 해야하고, 특히 확산부호 길이가 긴 경우 동기 포착에 요하는 시간이 아주 길어지는 문제점이 있다.

□ 복조후 상관방식

< 복조후 상관 방식의 원리 >

(a) 혼합기에서 중간주파수대로 변환된 신호.

(b) 칩 복조기에 의해 칩마다 복조되어 변환된 2치의 디지털 신호열.

(c) 송신측과 동일한 확산부호를 참조 부호로 유지하고 있는 상관기 부호.

(d) 복조된 데이터.

< 복조후 상관 방식의 각부 신호 파형 >

□입력신호열과 참조신호열의 동기가 잡혀 있지 않은 위상관계

→ 확산부호의 자기상관특성에서 절대값이 낮은 값만 취함.

□참조신호와 동기가 잡힌 위상 관계

→ 자기상관은 피크값을 취함.

→ 가산기는 최소값 또는 최대값이 출력.

→ 이 점이 동기점으로 되며, 최소값의 경우는 0, 최대값의 경우는 1로 판정함으로써 데이터	가 복조.

□ 이와 같이 이 방식에서는 확산신호를 칩 계열 그대로 일단 복조하고, 2차의 디지털 신호로 변     환한 후에 상관을 취하기 때문에 상관기의 구성이 간략화 되어 LSI가 용이하다. 이 때문에      미국의 ISM 밴드에서 사용되는 SS시스템의 대부분이 이 방식을 채용.

※ 그러나 이 방식은 복조 성능에 큰 문제를 안고 있다. 이 문제점으로는 역복조를 하기 전에 복조한다는 점이다. 앞서 언급한 바와 같이 송신된 확산신호의 전력 스펙트럼 밀도는 확산전에 비해 확산비 분의 1로 되어 있으며, 확산비가 큰 시스템의 경우 수신측에는 이 신호가 거의 잡음에 묻힌 상태로 도달한다. 이와 같은 신호전력보다 잡음전력 쪽이 큰 경우, 복조 오류율은 한없이 1/2에 가깝기 때문에 하단의 상관기는 의미가 없는 것이 되어 복조 불능으로 된다. 통상의 동가. 복조 방식에서는 역확산의 과정에서 잡음전력은 확산비 분의 1로 되기 때문에 복조후의 [eqn: S`/`N``]비는 확보된다. 따라서 이 복조후 상관 방식은 송신전력에 여유가 있고, 확산비가 작은 경우에 한하여 이용할 수 있다. 미국에서 실용화되고 있는 이 방식을 이용한 SS시스템은 아주 소형화, 저가격화되어 있는데, 그 대부분이 전달손실이 작고, 전자 레인지 등의 강력한 간섭원이 없는 900□대를 이용하고 있으며, 확산비도 10정도로 낮은 값으로 되어 있다. 또 미국에 있어서 최대 송신전력의 규격도 1W까지로 비교적 큰 출력이 가능한 것도 이 방식이 많이 채용되고 있는 이유이다.

□ 동기 전용 디바이스를 사용

대표적인 예 : 탄성표면파(SAW)를 이용한 고정 탭형의 정합 필터와 콘벌버.

※ SAW 콘벌버 방식은 회로 구성도 단순하고, 확산비도 크게 취해지지만, 출력 탭 계수가 제조시에 결정되므로 CDMA에 응용하는 데는 제약이 있다.

과제로는 재료의 비선형성을 이용하기 때문에 여하튼 효율이 낮다는 점을 들 수 있다.

[eqn: DOTSVERT]

[eqn: DOTSVERT]

[eqn: DOTSVERT]

□ 동기 추적

□목적 : 동기 포착한 상태에서 가급적 동기 점에 가깝도록 그것을 유지하는 것.

□원리 : 대표적으로 지연로크루프(DLL-Delay Lock Loop)방식이 사용.

→ 확산부호 발생기는 역확산 복조에 사용되는 기준의 확산부호 계열에 대해 1/2칩 앞선 참조       부호와 1/2칩 뒤진 지연의 참조부호를 발생.

→ 앞섬과 뒤짐의 참조부호는 혼합기에서 수신신호와 승산되어 각각 별도로 상관이 취해짐.

→ 이 두 참조신호의 상관 출력은 역상으로 가산되고 루프 필터에서 평활되어 VCO의 제어전       압으로 입력됨.

→ 기준부호가 수신신호에 뒤지고 있으면 제어전압은 (-)로 되어 VCO의 출력주파수 상승.

기준부호가 수신신호에 앞서고 있으면 제어전압은 (+)로 되어 VCO의 출력주파수 하강.

여기에서, VCO의 출력주파수는 확산부호 발생기의 클럭 주파수이다.

→ 루프가 수신기의 기준부호와 시스템의 상관출력이 피크가 되도록 합성된 상관함수의 최대       값과 최소값 사이의 기울기 중점을 추적함으로써 동기가 유지됨.

< 지연 로크 로프(DLL)의 합성 상관함수 >