3. Mobile radio propagation

Speed, Wavelength, Frequency

Light speed(c) = Wavelength(𝜆) * Frequency(f) = 3*10^8m/s → c = 𝜆*f

Types of Waves

1. Transmitter -> Ground Wave -> Receiver (송신기 -> 지상파 -> 수신기):
   • Propagation Path (전파 경로): 일반적으로, 지상파(Ground Wave)는 송신기에서 발생한 전파가 지표면을 따라 지상으로 전파되는 경로를 나타냅니다.
   • Characteristics (특징): 이 경로에서는 전파가 지표면과 교호작용하며 지면과 따라가거나 지면에서 반사되어 수신기까지 도달합니다. 일반적으로 짧은 거리 통신에 사용됩니다.
2. Troposphere (토르포스피어):
   • Waves Type (파동 유형): 공중에서 지상으로 올라가는 동안, 토르포스피어는 지표면과 대기 경계에 위치한 대기 층으로, 지상파의 발생지점입니다.
   • Characteristics (특징): 이 층에서는 날씨 변화와 높은 밀도가 특징이며, 지상파는 이 층에서 발생하여 지표면까지 전파됩니다.
3. Stratosphere (스트라토스피어):
   • Waves Type (파동 유형): 지표면에서 올라가면서 스트라토스피어는 대류층 위에 위치한 대기 층입니다. 이 층에서는 일부 대류 방식의 전파가 발생할 수 있습니다.
   • Characteristics (특징): 오존 층이 존재하며, 온도가 고도에 따라 일정한 특성을 갖습니다.
4. Mesosphere (메소스피어):
   • Waves Type (파동 유형): 스트라토스피어 이후에는 메소스피어로 진입하게 되며, 중간층으로 분류됩니다. 이 층에서는 일부 중간 고도에서 발생하는 전파가 있을 수 있습니다.
   • Characteristics (특징): 메테오로이드(소형 운선체들)가 이 층에서 소멸하며, 대기 중 최하위의 층으로 알려져 있습니다.
5. Ionosphere (이오노스피어):
   • Waves Type (파동 유형): 메소스피어를 지나 상층으로 올라가면 이오노스피어에 도달하게 됩니다. 이 층에서는 전자가 이온화되어 라디오 파 등의 고주파 신호가 반사되거나 굴절됩니다.
   • Characteristics (특징): 극광이 발생하는 지역으로 알려져 있으며, 전파가 이 층에서 반사되어 지구의 먼 지점까지 전파될 수 있습니다.

Radio Wave Propagation

1. Ground Wave (지상파):
   • Propagation Type (전파 유형): 지상에서 공중으로의 전파 중 가장 일반적인 형태 중 하나입니다.
   • Characteristics (특징): 지표면과 지하를 따라 전파되며, 일반적으로 지표면의 특성에 따라 굴절되거나 흡수됩니다. 주로 지표면 통신에 사용되며, LOS(시야선)이 유지되어야 합니다.
2. Line-of-Sight (LOS, 시야선):
   • Propagation Type (전파 유형): 이는 두 지점 간에 시야 경로가 열려 있어야 하는 전파의 형태입니다.
   • Characteristics (특징): 직선 경로를 통해 통신이 이루어지며, 고지대 건물, 산 등의 장애물이 시야에 있는 경우 통신에 영향을 미칠 수 있습니다.
3. Space Wave (스페이스 웨이브):
   • Propagation Type (전파 유형): 이는 대기의 상층에서 발생하는 직선 경로의 전파입니다.
   • Characteristics (특징): 직선 경로를 통해 전파가 이동하므로 시야 경로에 장애물이 없을 때 가장 효과적입니다. 무선 통신에 많이 사용됩니다.
4. Sky Wave (스카이 웨이브):
   • Propagation Type (전파 유형): 이는 대기 상층에서 반사되어 지구로 돌아오는 전파로, 일반적으로 중장거리 통신에 사용됩니다.
   • Characteristics (특징): 대기의 이온화된 층에서 발생하며, 햇볕이 강할 때는 높은 주파수에서 발생합니다. 공간에서 지구로 반사되어 통신이 가능하게 됩니다.
5. Dish Antenna (디시 안테나):
   • Antenna Type (안테나 유형): 디시 안테나는 고주파 전파를 집중시키는 데 사용되는 안테나입니다.
   • Characteristics (특징): 방사 또는 수신하는 전파를 집중적으로 조절하여 장거리 통신이 가능하며, 위성 통신이나 무선 통신에서 흔히 사용됩니다.
6. Communication Satellite (통신 위성):
   • Propagation Medium (전파 매체): 통신 위성은 우주 공간에서 지구에 전파를 송신하거나 수신하여 통신을 중계하는데 사용됩니다.
   • Characteristics (특징): 지구의 여러 지역과 직접 통신이 어려운 경우에 사용되며, 광대역 통신 및 긴거리 통신에 중요한 역할을 합니다.

Ground Wave Propagation - 지상파 전파

지상파 전파 (Ground Wave Propagation)

대략 지구의 지형을 따라 이동하며, 시각적 지평선을 훨씬 넘어서는 상당한 거리까지 전파될 수 있는 현상입니다. 이 현상은 일반적으로 약 2MHz 이하의 주파수에서 나타나며, 주로 AM 라디오와 같은 무선 통신에서 활용됩니다. 이 주파수 대역에서 전자기파가 지구 곡률을 따라가려는 특징은 주로 다음과 같은 요인에 기인합니다.

 

1. 전파가 지구 표면에 전류를 유발하는 효과: 전파가 지구 표면과 상호작용하여 전류를 유발합니다. 이로 인해 전파의 전방이 지구 근처에서 감속되어 전파 전방이 아래쪽으로 기울어지게 됩니다. 이는 지구의 곡률을 따라가려는 효과를 설명합니다.
2. 회절(Refraction) 효과: 지상파 전파는 장애물이 있는 환경에서 발생하는 회절 효과에 의해 영향을 받습니다. 회절은 빛이나 소리가 물체 주위로 휘어지는 현상으로, 지상파 전파의 경우에는 대기에 의해 흩어져 상층 대기로 스며들지 않고 지표를 따라 이동합니다.

특징: 주파수가 낮을수록 지상파 전파의 효과가 두드러지고, 높은 주파수에서는 미미하게 나타납니다. 대기의 특성 및 지형에 따라 전파 거리와 품질이 변할 수 있습니다. 지상파 전파는 AM 라디오 방송과 같이 지표면을 따라 전파되어 넓은 지역에 서비스를 제공하는 데 주로 사용됩니다.

 

다시 정리하면 아래와 같습니다.

1. 전파 경로:
   • 지상파 전파는 지구의 지형과 지표면을 따라 경로를 따라가며 전파됩니다.
   • 지구의 곡률을 따라 퍼져 시야선의 범위를 넘어서는 거리까지 전파될 수 있습니다.
2. 전파 거리:
   • 시야선을 넘어서는 특성으로, 지표면을 따라 굴절되거나 지면에서 반사되어 멀리까지 전파됩니다.
   • 시야선 이상의 거리에서도 통신이 가능하게 합니다.
3. 주파수 영역:
   • 이 효과는 주로 낮은 주파수에서 나타납니다.
   • 대략 2MHz 이하의 낮은 주파수에서 가장 효과적으로 지상파 전파 특성이 나타납니다.
4. 예시: AM 라디오 통신 (AM Radio):
   • 지상파 통신의 가장 잘 알려진 예시로 AM 라디오가 있습니다.
   • AM 라디오는 중파 대역(530 kHz에서 1700 kHz)에서 지상파 전파를 활용하여 특히 도시와 지역 간의 광범위한 커버리지를 제공합니다.
5. 적용 분야:
   • 주로 지표면에서 지상까지의 통신에 사용됩니다.
   • 이 특성을 활용하여 지상파 통신은 시간, 날씨, 지형 등에 영향을 받지 않고 멀리까지 효과적으로 통신이 가능합니다.
6. 적절한 주파수 대역:
   • 일반적으로 지상파 전파는 낮은 주파수에서 더 효과적입니다.
   • 이 특성은 고주파에서는 빠르게 감소하므로 높은 주파수에서는 이 효과가 미미해집니다.

지상파 전파는 지구의 지표면과 지형을 따라 전파 경로를 따라가는 특성을 갖으며, 이를 활용하여 멀리 떨어진 지역 간에도 효과적인 통신이 가능합니다. AM 라디오 등에서 널리 사용되는 통신 방식 중 하나입니다.

Sky Wave Propagation - 하늘파 전파

하늘파 전파 (Sky Wave Propagation)

아마추어 라디오와 BBC, Voice of America와 같은 국제 방송에 사용되는 현상으로, 지구 기반 안테나에서 발신된 신호가 상층 대기의 이온화된 층(이온층 또는 이온오스피어)에서 반사되어 지표면으로 다시 내려오는 과정을 나타냅니다. 이 전파는 이온층이 단단한 반사 표면처럼 작동하는 것처럼 보이지만 실제로는 굴절에 의한 효과입니다.

특징:

1. 이온층 반사: 하늘파 전파에서는 지표면에서 발신된 신호가 이온층에서 반사되어 지표면으로 다시 내려오게 됩니다.
2. 굴절에 의한 효과: 이온층으로 들어오는 전파가 굴절에 의해 반사되는 것처럼 보입니다. 굴절은 뒤에 설명됩니다.
3. 다중 홉(Multiple Hops): 하늘파 신호는 이온층과 지구 표면 사이를 왔다갔다하면서 여러 번의 홉을 거치게 됩니다. 이로 인해 발신지점에서 수천 킬로미터 떨어진 곳에서도 신호를 수신할 수 있습니다.
4. 굴절: 하늘파 전파에서 굴절은 대기나 다른 매질의 밀도 변화로 인해 전파가 경로를 휘어가는 현상을 의미합니다. 이 굴절은 전파가 이온층을 통과하면서 일어나며, 전파의 경로를 지면 주변의 곡선에 따라 휘어가게 합니다.

의의: 하늘파 전파는 지표면에 다이렉트로 전파되지 않고 이온층의 반사와 굴절을 통해 특정 지역에서 수신되므로 장거리 통신에 적합합니다. 그래서 아마추어 라디오 및 국제 방송과 같은 응용 분야에서 효과적으로 사용됩니다.

1. 활용 분야:
   • 스카이 웨이브 전파는 아마추어 무선 통신 및 국제 방송과 같은 국제 방송국 (예: BBC 및 Voice of America)에서 사용됩니다.
   • 장거리 통신이 필요한 경우에 효과적으로 활용됩니다.
2. 전파 경로:
   • 지상의 안테나에서 발생한 신호는 대기의 이온화된 층에서 반사되어 지구로 다시 내려옵니다.
   • 스카이 웨이브의 특징적인 경로는 지표면과 이온층 사이를 오가며 전파의 여러 경로를 생성합니다.
3. 전파 소스:
   • 지상 안테나에서 발생한 신호가 대기 상층에서 이온화된 층에 반사되어 지구로 돌아온다는 개념입니다.
   • 이렇게 반사된 신호는 지구 표면과 이온층 간에 왕복하면서 여러 번의 "합"이나 "반항"을 거칩니다.
4. 다중 합/반항:
   • 스카이 웨이브 신호는 이온층에서 반사되어 지표면까지 내려오면서 여러 번의 합과 반항을 거쳐 진행됩니다.
   • 이를 통해 멀리 떨어진 지역까지 전파를 확산시킬 수 있으며, 이는 여러 "합"과 "반항"이 지속되는 동안에 가능합니다.
5. 적용 분야:
   • 국제 방송이나 아마추어 무선 통신에서 사용되며, 특히 지표면 간의 장거리 통신이 필요한 경우에 활용됩니다.
   • 스카이 웨이브는 지표면의 곡률을 따라 전파될 수 있어 지표면을 따라 이동하는 것이 아니라 공중에서 여러 경로를 통해 통신이 가능하게 합니다.

스카이 웨이브 전파는 지상 안테나에서 발생한 신호가 이온층에서 반사되어 지구로 돌아오면서 여러 경로를 통해 멀리 떨어진 지역까지 효과적으로 전파되는 특성을 갖습니다. 이는 장거리 통신이나 국제 방송에서 주로 활용됩니다.

지상파와 스카이 웨이브 전파 모드의 주파수 제한

지상 전파 및 하늘 전파 이상 주파수 (Above 30 MHz)에서의 통신

30 MHz 이상의 주파수에서는 더 이상 지상파나 하늘파 전파 모드가 작동하지 않으며, 통신은 시야 통신(line of sight)을 통해 이루어져야 합니다(그림 4.11c). 위성 통신의 경우, 30 MHz 이상의 신호는 이온층에 반사되지 않으므로 지표면국과 지상을 넘어 떨어진 위성 간에 신호를 전송할 수 있습니다. 지상 기반 통신의 경우, 송신 안테나와 수신 안테나는 서로에게 효과적인 시야 범위 안에 있어야 합니다. 여기서 '효과적인'이라는 용어는 대기에 의해 마이크로파가 굴절되거나 휘어지기 때문에 사용됩니다. 굴절의 정도와 방향은 조건에 따라 달라지지만 일반적으로 마이크로파는 지구의 곡률과 함께 굴절되어 광학적 시야선을 넘어서 전파됩니다.

특징:

1. 이상 주파수에서의 통신: 30 MHz 이상에서는 지상파나 하늘파 전파가 작동하지 않으며, 시야 통신이 필요합니다.
2. 위성 통신: 위성 통신의 경우, 30 MHz 이상의 신호는 이온층에 반사되지 않아도 되므로 지표면국과 지상을 넘어 떨어진 위성 간에 신호를 전송할 수 있습니다.
3. 시야 범위: 지상 통신에서는 송신 안테나와 수신 안테나가 서로에게 효과적인 시야 범위 안에 있어야 합니다.
4. 마이크로파의 굴절: 대기에 의해 마이크로파가 굴절되어 광학적 시야선을 넘어서 전파됩니다.

의의:

• 이상 주파수에서의 통신은 시야 통신에 의존하며, 특히 지상 통신에서는 안테나 간의 효과적인 시야 범위를 유지해야 합니다.
• 위성 통신에서는 이온층에 의한 반사 없이도 신호를 전송할 수 있어, 광범위한 지역에 대한 커버리지를 제공할 수 있습니다.

1. 주파수 제한:
   • 문장에서 언급된 대로, 지상파와 스카이 웨이브 전파 모드는 30MHz 이상의 주파수에서는 작동하지 않습니다.
   • 이는 주로 무선 통신에서 사용되는 주파수 범위에 해당합니다.
2. 30MHz 이하 주파수의 특성:
   • 30MHz 이하의 낮은 주파수 범위에서는 지상파와 스카이 웨이브가 효과적으로 작동합니다.
   • 이 범위에서는 지상파 전파가 지표면을 따라 전파되거나, 스카이 웨이브가 이온화된 대기 층에서 반사되어 지구로 내려와 통신이 가능합니다.
3. 고주파에서의 한계:
   • 30MHz 이상의 고주파에서는 이러한 모드들이 더 이상 효과적으로 작동하지 않습니다.
   • 이는 고주파에서는 전파가 더 짧은 파장을 가지고 있어, 지표면을 따라 전파되지 않고 지구 주변을 둘러싼 대기 층에서 효과적으로 반사되지 않기 때문입니다.
4. 시야선 통신의 필요성:
   • 30MHz 이상의 주파수에서는 지상파나 스카이 웨이브 전파보다는 시야선 통신이 더 효과적입니다.
   • 시야선 통신은 송신기와 수신기 간에 시각적으로 직접 연결된 경로가 필요하며, 지형이나 장애물에 의해 가로막히지 않아야 합니다.
5. 적용 분야:
   • 높은 주파수에서의 시야선 통신은 주로 국내 통신, 도시 통신, 무선 네트워크 등에서 활용됩니다.
   • 30MHz 이하의 낮은 주파수에서는 지상파와 스카이 웨이브가 멀리 떨어진 지역과의 통신에 사용되어 왔습니다.

이러한 주파수 제한은 고주파에서는 시야선 통신이 주로 활용되며, 낮은 주파수에서는 지상파와 스카이 웨이브가 효과적으로 작동하는 특성을 반영합니다.

Classification Band	Initials	Frequency Range	Characteristics
Extremely low	ELF	< 300 Hz	Ground wave
Infra low	ILF	300 Hz - 3 kHz
Very low	VLF	3 kHz - 30 kHz
Low	LF	30 kHz - 300 kHz
Medium	MF	300 kHz - 3 MHz	Ground/Sky wave
High	HF	3 MHz - 30 MHz	Sky wave
Very high	VHF	30 MHz - 300 MHz	Space wave
Ultra high	UHF	300 MHz - 3 GHz
Super high	SHF	3 GHz - 30 GHz
Extremely high	EHF	30 GHz - 300 GHz
Tremendously high	THF	300 GHz - 3000 GHz

Signals

1. 데이터의 물리적 표현: 신호는 데이터의 물리적인 표현으로 이해됩니다. 이는 정보를 전달하거나 처리하기 위해 변하는 전기적, 광학적, 무선 등의 형태로 나타날 수 있습니다.
2. 신호 매개변수 (Signal Parameters): 신호 매개변수는 데이터 값의 특성을 나타내는 매개변수입니다. 이러한 매개변수는 데이터 값의 크기, 형태, 주기 등을 나타내며, 시간에 따라 변할 수 있습니다.
3. 분류:
   • 연속 시간/이산 시간 (Continuous Time/Discrete Time):
     • 연속 시간 신호는 시간이 연속적인 경우에 나타납니다.
     • 이산 시간 신호는 시간이 이산적인 경우에 나타납니다.
   • 연속 값/이산 값 (Continuous Values/Discrete Values):
     • 연속 값 신호는 데이터 값이 연속적인 범위에서 나타납니다.
     • 이산 값 신호는 데이터 값이 이산적인 값으로 표현됩니다.
   • 아날로그 신호/디지털 신호 (Analog Signal/Digital Signal):
     • 아날로그 신호는 연속적인 시간과 연속적인 값으로 표현됩니다.
     • 디지털 신호는 이산적인 시간과 이산적인 값으로 표현됩니다.
4. 주기적 신호의 매개변수:
   • 주기 (Period): 주기적인 신호에서 한 주기의 길이를 나타냅니다.
   • 주파수 (Frequency): 주기의 역수로, 주파수는 초당 주기의 반복 횟수를 나타냅니다 (f = 1/T).
   • 진폭 (Amplitude): 신호의 크기나 높낮이를 나타냅니다.
   • 위상 변이 (Phase Shift): 주기적인 신호의 시작 시점을 나타내며, 각도로 표현됩니다.
5. 사인파 (Sine Wave)의 특별한 주기적 신호: 사인파는 주기적이며 연속적인 시간과 연속적인 값으로 나타납니다. 일반적으로 사인파는 통신에서 캐리어 신호로 사용되며, 여러 신호를 전송하기 위한 기본적인 주기적 신호로 활용됩니다.

Sine Wave

1. 주기적 신호의 기본:
   • 사인파는 주기적이며, 시간에 따라 주기적으로 반복되는 기본 신호 중 하나입니다.
   • 주로 통신 및 신호 처리 분야에서 사용되는 중요한 주기적 신호입니다.
   • 사인파는 주기적인 신호 중 기본적인 형태입니다.
   • 일반적인 사인파는 세 가지 매개변수로 나타낼 수 있습니다: 최대 진폭(A), 주파수(f), 위상(ϕ)
2. 세 가지 매개변수로 표현:
   • 피크 진폭 (Peak Amplitude, A): 신호의 최대값 또는 강도를 나타냅니다. 전압으로 측정되며, 전압의 높낮이를 결정합니다.
   • 주파수 (Frequency, f): 신호가 반복되는 속도를 나타냅니다. 헤르츠 (Hz) 또는 초당 주기의 반복 횟수로 표현됩니다.
   • 주기 (Period, T): 한 번의 신호 반복에 소요되는 시간을 나타냅니다. 주기와 주파수는 역의 관계에 있어 T = 1/f입니다.
   • 위상 (Phase, φ): 신호의 한 주기 내에서의 상대적인 위치를 나타냅니다. 각도로 표현되며, 시간에 따른 신호의 시작점을 결정합니다.
3. 수학적 표현: 사인파는 일반적으로 다음과 같이 수학적으로 표현됩니다.
   • s(t) = A * sin(2πft + φ)
   • 여기서 s(t)는 시간 t에 따른 신호의 값이며, A는 진폭, f는 주파수, φ는 위상을 나타냅니다.
4. 응용: 사인파는 통신에서 캐리어 신호로 사용되며, 주파수 변조(FM), 위상 변조(PM) 등의 통신 기술에서 중요한 역할을 합니다. 또한, 신호 처리에서는 주파수 해석, 신호 변환 등 다양한 분야에서 활용됩니다.

Fourier Representation of Periodic Signals???

Various Presentation of Signals

1. 진폭 (Amplitude Domain, A):
   • 표현: 신호의 진폭은 시간에 따른 값의 크기를 나타냅니다.
   • 예시: 시간에 따른 전압, 소리의 음압, 빛의 밝기 등이 진폭 도메인에서 표현됩니다.
   • 활용: 신호의 강도나 크기를 이해하고 특정 시간 동안의 신호의 강도를 분석하는 데 사용됩니다.
2. 주파수 스펙트럼 (Frequency Domain, f):
   • 표현: 주파수 도메인에서는 신호가 갖는 주파수 성분들을 표현합니다.
   • 예시: 푸리에 변환을 통해 주파수 성분을 추출하고, 주파수 도메인에서의 분포를 확인할 수 있습니다.
   • 활용: 주파수 특성을 이해하고, 신호의 주파수 성분을 분석하여 특정 주파수 대역의 신호를 강화하거나 제거하는 등의 작업에 사용됩니다.
3. 위상 상태 다이어그램 (Amplitude A and Phase φ in Polar Coordinates):
   • 표현: 신호를 극좌표계로 표현하여 진폭과 위상을 동시에 나타냅니다.
   • 예시: 원형 그래프에서 반경은 진폭을 나타내고, 각도는 위상을 나타냅니다.
   • 활용: 위상 정보를 시각적으로 파악하고, 진폭과 위상의 관계를 이해하는 데 사용됩니다.

Antennas

Isotropic Radiator

전자기파의 방사 및 수신, 공간으로의 전파를 위한 전선 결합 (라디오 송신을 위한 전선 결합)

1. 등방성 라디에이터 (Isotropic Radiator):
   • 설명: 등방성 라디에이터는 모든 방향으로 동일하게 전파되는 이상적인 라디에이터입니다.
   • 특징: 3차원 공간에서 모든 방향으로 동일한 방사를 갖습니다. 실제로 존재하지 않고 이론상의 참조 안테나로 사용됩니다.
2. 등방성 라디에이터의 특징:
   • 이론적 모델: 등방성 라디에이터는 이론적인 개념으로, 현실에서 완벽한 등방성 라디에이터를 만들기 어렵습니다.
   • 균일한 전파: 모든 방향으로 동일한 강도의 전파를 발생시킵니다.
   • 분석 및 비교: 다양한 안테나나 라디에이터의 특성을 분석하고 비교하는 데 사용됩니다.
3. 라디오 송신을 위한 전선 결합:
   • 전파 결합: 전파를 공간으로 전달하기 위해서는 안테나나 라디에이터를 사용하여 전파를 공간으로 방출해야 합니다.
   • 전선 결합의 필요성: 전선 결합은 전파를 공간으로 효과적으로 전달하기 위해 안테나와 전파 간의 적절한 결합이 필요합니다.
   • 라디오 송신: 라디오 송신에서는 안테나를 통해 생성된 전자기파를 공간으로 효과적으로 전파하여 통신이 가능하게 합니다.
4. 응용 분야:
   • 통신 시스템: 등방성 라디에이터의 개념은 통신 시스템에서 안테나 및 라디에이터의 성능을 평가하고 설계하는 데 사용됩니다.
   • 무선 통신: 무선 통신 시스템에서 안테나는 전파의 방사와 수신을 담당하며, 등방성 라디에이터는 성능 평가의 기준이 됩니다.

등방성 라디에이터는 이론적인 개념으로, 모든 방향으로 동일하게 전파되는 이상적인 라디에이터를 나타냅니다. 이는 안테나와 라디에이터의 특성을 이해하고 설계하는 데 중요한 참조 모델로 사용됩니다.

실제 안테나의 지향 효과와 방사패턴

1. 안테나의 지향 효과
   • 수직 및/또는 수평 방향의 지향성: 대부분의 실제 안테나는 특정 방향으로 전파를 강화하거나 약화시키는 지향성을 가지고 있습니다.
   • 원인: 안테나 구조, 설치 환경, 안테나 크기 등이 안테나의 지향 효과에 영향을 미칩니다.
   • 지향성의 필요성: 특정 방향으로 전파를 집중하거나, 반대로 특정 방향에서의 간섭을 최소화하기 위해 지향성이 필요합니다.
2. 방사패턴 (Radiation Pattern)
   • 방사 패턴 측정: 방사 패턴은 안테나가 어떻게 전파를 방출하는지를 나타내는 측정값입니다.
   • 측정 도메인: 방사 패턴은 수직 및 수평 평면에서 측정될 수 있습니다.
   • 결과: 측정된 방사 패턴은 2D 또는 3D 그래프로 나타내어지며, 안테나의 성능 및 특성을 시각적으로 이해할 수 있습니다.
3. 방사 패턴의 특징:
   • 주요 노드 (Main Lobe): 방사 패턴에서 가장 강한 영역으로, 주로 안테나가 주로 방향하는 방향입니다.
   • 부차 노드 (Side Lobes): 주요 노드 이외의 다른 방향에서의 강도가 높은 영역으로, 간섭이 발생할 수 있는 부분입니다.
   • 빔폭 (Beamwidth): 주요 노드의 너비로, 안테나가 방향성을 가지는 정도를 나타냅니다.
4. 응용 분야
   • 통신 시스템: 안테나의 방사 패턴은 통신 시스템의 성능을 평가하고 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다.
   • 레이더 시스템: 레이더에서는 안테나의 방사 패턴을 통해 목표물을 정확하게 탐지하고 추적할 수 있습니다.
   • 무선 통신: 안테나의 방사 패턴은 무선 통신 시스템에서 신호를 원하는 방향으로 전달하거나 간섭을 최소화하는 데 활용됩니다.

Simple Diploes

RF 회로개념 잡기 - PART 10 ▶ Antenna (안테나)

 

1. Isotropic Radiator (등방성 라디에이터):
   • 등방성 라디에이터는 모든 방향으로 동일하게 전파를 하는 이론상의 라디에이터를 나타냅니다. 이는 현실에서는 존재하지 않지만, 이론적인 비교를 위해 사용됩니다.
2. Dipoles with Lengths ( lambda/4 ) and ( lambda/2 ):
   • 안테나의 길이가 파장의 일부로 표현되는데, lambda는 전파의 파장을 나타냅니다.
   • lambda/4는 안테나 길이가 파장의 1/4인 경우를 나타내며, lambda/2는 1/2인 경우를 나타냅니다.
   • 이렇게 안테나의 길이가 파장의 일부로 정해지는 이유는 안테나의 길이가 전파와 상호 작용하여 특정 주파수에서 효과적으로 신호를 방출하거나 수신하기 위함입니다.
3. Car Roofs and Hertzian Dipole:
   • 자동차의 지붕에 설치된 안테나나 Hertzian Dipole은 실제 구현 예시입니다.
   • Hertzian Dipole은 안테나의 형태가 헤르츠가 만든 안테나에 기반한 것으로, 주로 안테나의 길이가 lambda/2인 경우를 나타냅니다.
4. Shape of Antenna Proportional to Wavelength:
   • 안테나의 형태는 파장에 비례합니다. 즉, 안테나의 길이나 구조는 사용되는 주파수에 따라 결정됩니다. 특히 안테나의 길이가 파장의 몇 배인지는 안테나의 성능에 큰 영향을 미칩니다.

이렇게 안테나의 형태가 파장에 따라 결정되는 것은 안테나가 특정 주파수에서 효과적으로 동작하기 위해 필요한 특성을 가질 수 있도록 설계되기 때문입니다. 안테나 설계에서는 안테나의 길이와 형태를 파장에 맞게 선택함으로써 특정 주파수에서의 효율적인 성능을 얻을 수 있습니다. 헤르츠 이중자의 방사 패턴은 안테나 설계 및 통신 시스템에서의 활용에 중요한 정보를 제공합니다.

 

안테나 이득 (Antenna Gain)

안테나 이득은 특정 방향으로 방출되는 전파의 강도를 측정하는 지표로, 이것은 같은 평균 전력을 갖는 등방성 라디에이터(등방성 안테나)와 비교됩니다. 안테나 이득은 다양한 단위로 표현되며, 주로 데시벨(dB)을 사용합니다.

안테나 이득의 공식: 안테나 이득은 다음과 같은 공식을 사용하여 계산됩니다.

여기서,

• G는 안테나 이득 (dB)입니다.
• P1은 참조 안테나 또는 등방성 라디에이터의 전력 밀도입니다.
• P2는 측정 안테나의 전력 밀도입니다.

단위:

• dBi (dB isotropic): 등방성 라디에이터에 대한 이득으로, 참조 안테나가 등방성 라디에이터일 때의 이득입니다.
• dBd (dB dipole): 이득이 이중자에 대한 것으로, 참조 안테나가 이중자일 때의 이득입니다.

dBd와 dBi의 관계:

dBd = dBi - 2.15

이것은 이중자가 등방성 라디에이터보다 약 2.15 dB 낮은 이득을 갖는다는 것을 의미합니다.

안테나 이득의 의미: 안테나 이득이 높을수록 안테나는 특정 방향으로 더 강력한 전파를 생성하며, 이는 통신 시스템에서 장거리 통신이나 신호 강화에 유용합니다. 이득이 낮은 안테나는 주로 근거리 통신이나 다중 경로 환경에서 사용됩니다.

Direted and Sectorized

안테나: 지향성 및 섹터화 안테나

1. 지향성 안테나 (Directed Antenna):
   • 특징: 지향성 안테나는 특정 방향으로 전파를 집중시키는 안테나로, 주로 특정 지역이나 방향에 대한 통신이나 커버리지를 강화하는 데 사용됩니다.
   • 적용 분야: 마이크로파 연결이나 모바일 폰의 기지국과 같이 특정 지역에 대한 라디오 커버리지를 향상시키는 데 많이 사용됩니다.
2. 섹터화 안테나 (Sectorized Antenna):
   • 특징: 섹터화 안테나는 주변을 여러 섹터로 나누어 각 섹터에 대한 커버리지를 각기 다르게 설정하는 안테나입니다.
   • 적용 분야: 계곡의 라디오 커버리지 또는 도시의 특정 지역에 초점을 맞춘 모바일 기지국과 같이 다양한 지역에 서로 다른 커버리지 요구 사항이 있는 경우에 사용됩니다.

적용 분야와 활용:

• 마이크로파 연결: 마이크로파 연결에서는 지향성 안테나가 원거리 통신에 효과적으로 사용됩니다. 특히, 고지대지 구조나 계곡 등에서 안테나를 특정 방향으로 조절하여 효율적인 통신이 가능합니다.
• 모바일 기지국: 기지국은 통신사의 네트워크를 형성하고 모바일 기기들과의 통신을 담당하는데, 이때 섹터화 안테나를 사용하여 각 지역에 특화된 서비스를 제공합니다. 특히 도시의 분산된 지역이나 교차로 등에 설치된 기지국에서 효과적으로 활용됩니다.

이러한 안테나의 선택은 환경, 통신 요구 사항 및 커버리지 영역의 특성에 따라 달라지며, 효율적인 통신 인프라를 구축하기 위해 중요한 역할을 합니다.

Siganl Propagantions Range

신호 전파 범위

1. 전송 범위 (Transmission Range):
   • 특징: 전송 범위는 특정 안테나에서 발생하는 신호가 효과적으로 통신 가능한 범위를 나타냅니다. 이 범위 내에서는 신호의 에러율이 비교적 낮아 효과적인 통신이 가능합니다.
   • 응용: 통신 가능한 모든 방향으로 신호를 전송할 수 있으며, 주로 무선 통신 시스템에서 통신 범위를 정의하는 데 사용됩니다.
2. 감지 범위 (Detection Range):
   • 특징: 감지 범위는 신호를 감지할 수 있는 범위를 나타냅니다. 그러나 이 범위 내에서는 신호를 사용하여 실제 통신은 불가능하며, 에러율이 너무 높아 통신이 불안정합니다.
   • 응용: 레이더 시스템에서 다른 물체의 존재를 감지하는 데 사용되며, 주로 탐지와 추적에 중점을 둡니다.
3. 간섭 범위 (Interference Range):
   • 특징: 간섭 범위는 신호가 감지되지 않을 수 있는 범위를 나타내며, 이 범위에서는 신호가 배경 소음에 추가되어 다른 통신을 방해할 수 있습니다.
   • 응용: 무선 통신 환경에서 다른 통신 시스템과의 간섭을 평가하고 예방하기 위해 사용됩니다.

응용 및 중요성:

• 통신 설계: 각 범위는 무선 통신 시스템의 설계 및 최적화에 중요한 역할을 합니다. 통신 범위, 감지 범위, 그리고 간섭 범위를 고려하여 효율적이고 안정적인 무선 통신 인프라를 구축할 수 있습니다.
• 레이더 및 센서 시스템: 레이더 및 센서 시스템에서는 신호의 감지와 간섭에 따른 범위를 고려하여 효과적으로 대상을 감지하고 추적할 수 있습니다.

Signal Propagation

1. 자유 공간에서의 전파:
   • 특징: 자유 공간에서의 전파는 직선적인 경로를 따릅니다. 이는 빛이 직선으로 진행하는 것과 유사한 현상입니다. 즉, 신호는 무인공간에서는 거의 방향을 바꾸지 않고 직선으로 진행합니다.
2. 실제 환경에서의 수신 전력 영향 요소:
   • 페이딩 (Fading): 대기와 장거리로 인한 감쇠로 인해 발생하는 신호의 흔들림 현상입니다.
   • 그림자 효과 (Shadowing): 대형 장애물에 의한 차폐로 인해 신호 강도의 공간적인 변동을 나타냅니다.
   • 반사 (Reflection): 대형 장애물에서의 신호 반사로 인해 다양한 경로에서 수신되는 신호가 발생합니다.
   • 굴절 (Refraction): 매질 밀도에 따라 신호의 굴절이 발생하며, 이는 대기 조건에 영향을 받습니다.
   • 산란 (Scattering): 작은 장애물에서 신호가 흩어져 전파되는 현상입니다.
   • 확산 (Diffraction): 가장자리에서의 신호 확산으로, 장애물 경계에서 발생합니다.

영향 및 중요성:

• 이러한 환경적인 영향은 무선 통신 시스템의 설계 및 운영에 큰 영향을 미칩니다.
• 대기 조건, 지형, 건물 및 다른 장애물의 존재에 따라 전파 환경은 달라집니다.
• 이러한 영향을 고려하여 안테나 배치, 전송 출력, 통신 프로토콜 등을 최적화하여 신뢰성 있는 통신을 제공할 수 있습니다.

Radio Propagation Effects

무선 전파 영향 요소

1. 반사 (Reflection):
   • 정의: 전파가 파장에 비해 큰 물체(지구 표면, 건물, 벽 등)에 닿을 때 발생하는 현상으로, 전파가 장애물에서 튕겨 나가는 과정을 나타냅니다.
   • 영향: 반사는 신호의 방향을 바꿀 수 있으며, 신호가 다양한 경로에서 수신될 수 있게 합니다.
2. 굴절 (Refraction):
   • 정의: 빛이나 무선 파가 한 매질에서 다른 매질로 이동할 때 발생하는 현상으로, 매질 밀도의 변화에 따라 전파의 방향이 변경됩니다.
   • 영향: 굴절은 대기 조건에 의해 발생하며, 지표와 대기 조건의 차이로 인해 신호가 굴절될 수 있습니다.
3. 회절 (Diffraction):
   • 정의: 송신기와 수신기 사이에 있는 장애물의 가장자리에서 발생하는 현상으로, 신호가 장애물 주변으로 휘어지게 되어 전파의 방향이 변할 수 있습니다.
   • 영향: 회절은 장애물 경계에서 전파의 굴절을 일으켜 다양한 경로로 전파가 도달할 수 있도록 합니다.
4. 산란 (Scattering):
   • 정의: 전파 파장보다 작은 물체(식물, 도로 표지판, 가로등 등)에서 발생하는 현상으로, 작은 물체들이 전파를 흩뿌리게 됩니다.
   • 영향: 산란은 다양한 방향으로 전파를 흩뿌려, 다양한 경로에서 신호가 수신될 수 있습니다.

영향 및 중요성:

• 이러한 현상들은 무선 통신에서 전파의 동작을 이해하고 예측하는 데 중요한 역할을 합니다.
• 안테나 설계 및 통신 시스템 최적화에서 이러한 영향을 고려하여 신뢰성 있는 통신 환경을 조성합니다.
• 무선 통신에서 발생하는 각종 전파 현상을 고려하여 효율적인 통신 환경을 설계하는 것이 중요합니다.

Free-space Propagation

자유 공간 전파 (Free-space Propagation)

자유 공간에서의 전파는 외부 매체나 장애물이 없는 상태에서 진행되는 전파로, 전파의 손실이나 변형이 거의 없는 이상적인 상황을 가정합니다. 이러한 조건에서 전파의 수신 신호 강도는 다음과 같은 요소에 의해 결정됩니다.

1. 거리에 따른 수신 신호 강도:
   • 수신 신호 강도 (Pr): 거리 d에 따른 수신된 신호의 강도는 위와 같이 나타낼 수 있습니다. 
     • P_t: 송신 전력 (Transmitting Power)
     • G_t: 송신 안테나 이득 (Transmitting Antenna Gain)
     • A_e: 효과적 안테나 표면적 (Effective Antenna Area)
     • d: 거리
   • 이상적 등방성 안테나 (Isotropic Antenna): 만약 안테나가 이상적 등방성 안테나라면 G_t는 1이 되며, A_e는 안테나의 표면적으로 나타낼 수 있습니다.
   • 수신 신호 강도 변화: 거리가 증가함에 따라 수신 신호 강도는 거리의 제곱에 반비례하여 감소합니다.
2. 발전원의 균일한 분포 가정:
   • 이 수식은 발전된 전력이 구의 표면 전체에 균일하게 분포된다는 가정을 기반으로 합니다.

자유 공간 전파 모델은 실제 환경에서의 전파 손실을 고려하지 않으며, 실제 환경에서는 장애물, 지형, 기상 조건 등에 의해 추가적인 손실이 발생할 수 있습니다.

Land Propagation

육지 전파 (Land Propagation):

육지 전파는 무선 통신이 지상을 따라 전파되는 경우를 나타냅니다. 이 경우 수신된 전력은 여러 요소에 의해 결정되며, 그 수식은 다음과 같습니다.

여기서,

• P_r: 수신된 전력 (Received Power)
• P_t: 송신 전력 (Transmitting Power)
• G_t: 송신 안테나 이득 (Transmitting Antenna Gain)
• G_r: 수신 안테나 이득 (Receiving Antenna Gain)
• L: 전파 채널에서의 전파 손실 (Propagation Loss)

전파 손실은 다음 세 가지 요소의 곱으로 나타낼 수 있습니다.

L = LP * LS * LF

여기서,

• LP : 패스 손실 (Path Loss)
• LS : 그림자 손실 (Shadowing Loss)
• LF : 환경 손실 (Fading Loss)

1. 패스 손실 (Path Loss):
   • 지상 전파는 거리에 따라 감쇠되기 때문에 발생합니다. 거리가 증가함에 따라 전파 손실은 증가하게 됩니다.
2. 그림자 손실 (Shadowing Loss):
   • 건물, 산 등의 장애물로 인해 발생하는 신호 차단에 따른 손실입니다. 장애물에 의해 차단된 지역은 그림자 영역이라고도 합니다.
3. 환경 손실 (Fading Loss):
   • 주로 다중경로 전파로 인한 신호의 강도 변화로 발생합니다. 도달한 신호가 서로 상쇄되어 나타나는 페이딩 현상이 이에 해당합니다.

육지 전파 모델은 실제 환경에서의 전파 손실을 고려하여 통신 시스템의 설계 및 운영에 도움을 줍니다. 각 손실 요소는 특정 환경에서의 전파 특성을 고려하여 조절될 수 있습니다.

Path Loss (Free-space)

Path Loss

신호 강도는 송신기와 수신기 사이의 거리 d에 따라 지수 함수적으로 감소합니다. 손실은 환경에 따라 d2에서 d4 사이에 비례할 수 있습니다.

1. 거리에 따른 지수 함수적 감쇠:
   • 패스 손실은 일반적으로 거리 d에 대해 지수 함수적으로 증가합니다. 즉, 전파의 강도는 거리의 제곱에 반비례하여 감소합니다.
   • 식으로 나타내면 다음과 같습니다: LP = 1 / d^2 (거리의 제곱에 반비례)
2. 환경에 따라 다른 거리 제곱 또는 거리 4승 비례:
   • 패스 손실은 환경에 따라 거리의 제곱 또는 거리의 4승에 비례할 수 있습니다. 즉, 패스 손실 지수 n이 2 또는 4가 될 수 있습니다.
   • 식으로 나타내면 다음과 같습니다: LP = 1 / d^n (거리의 n승에 반비례)
3. 환경적인 영향:
   • 환경에 따라 패스 손실이 달라집니다. 도시 지역과 같이 다양한 장애물이 있는 환경에서는 거리 제곱에 비례하는 경우가 더 많습니다.
4. 무선 통신 시스템 설계에 중요한 영향:
   • 패스 손실은 무선 통신 시스템의 설계 및 성능 평가에 중요한 영향을 미칩니다. 효과적인 통신을 위해서는 거리, 주파수, 환경 등을 고려하여 안테나의 배치 및 전력 제어를 최적화해야 합니다.

Definition of path loss (linear) LP

Path loss에 대한 공식은 위와 같습니다. 여기서 λ는 전파의 파장으로 단위는 meter, f는 주파수로 단위는 Hz(Hertz), d는 송신기로 부터 수신기까지의 거리로 단위는 meter, c는 빛의 속도로 3X(10^8)m/s 입니다. 위의 공식을 dB단위의 공식으로 바꾸면 아래와 같습니다.

 

"f"는 통신 시스템의 캐리어 주파수를 나타냅니다. 주파수가 증가할수록 (f의 값이 높아질수록) 패스 손실이 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 아래 사진에서도 볼 수 있다시피 주파수가 증가할 수록 Path Loss가 증가하는 것을 볼 수 있습니다.

Path Loss (Land Propagation)

간단한 패스 손실 (Path Loss) 공식 및 도시 지역에서의 패스 손실 순서:

1. 간단한 패스 손실 공식:
   • 가장 간단한 형태의 패스 손실 공식은 다음과 같습니다. L_p = A * d^(alpha)
   • 여기서,
     • L_p : 패스 손실
     • A 및 alpha : 전파 상수 (Propagation Constants)
     • d : 송신기와 수신기 사이의 거리
2. 도시 지역에서의 패스 손실 순서:
   • 일반적인 도시 지역에서 패스 손실은 다양한 환경에 따라 변합니다. 주어진 간단한 패스 손실 공식을 기반으로 하여 도시 지역에서의 패스 손실은 다음과 같은 순서로 나타낼 수 있습니다.
   • 도시 지역 (대도시): 패스 손실이 가장 높은 지역으로, 건물 밀도가 높고 다양한 장애물이 있어 전파가 감쇠되기 쉽습니다.
   • 도시 지역 (중소도시): 대도시보다는 조금 덜한 패스 손실이 발생하는 지역입니다. 장애물이 적거나 상대적으로 희박한 건물 구조 때문에 패스 손실이 낮아집니다.
   • 교외 지역: 도시의 주택 지역이나 상업 지역으로, 도시보다는 덜한 패스 손실이 발생하는 경향이 있습니다. 건물 밀도가 낮고 개방적인 환경 때문에 패스 손실이 감소합니다.
   • 열린 지역: 도시나 교외를 벗어나 개방적인 지역으로, 패스 손실이 가장 낮은 지역입니다. 장애물이 적고 거리가 멀어져서 전파의 감쇠가 적기 때문입니다.

Fading

Fading이란?

신호의 감쇠가 시간, 지리적 위치, 무선 주파수와 같은 다양한 변수에 따라 변하는 현상을 나타냅니다.

Fading의 원인: Fading은 여러 복사본의 전송 신호가 약간 다른 시간에 수신기(RX)에 도달하여 발생하는 간섭으로 인해 발생합니다. 간단한 수신기는 다양한 다중경로 성분(MPCs) 간에 구별하지 못하며 그들을 단순히 더하여 서로 간섭을 일으키게 됩니다.

Fading의 형태: Fading은 구성적 또는 파괴적인 형태로 나타납니다.

• 구성적 (Constructive): 여러 경로에서의 신호들이 강화되어 합쳐집니다.
• 파괴적 (Destructive): 여러 경로에서의 신호들이 상쇄되어 서로 간섭을 일으킵니다.

Fading의 종류

Fading은 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

1. 소규모 Fading 또는 빠른 Fading:
   • 다중경로 전파로 인한 것으로, 다중경로 유발 Fading으로도 불립니다.
   • 지역 다중경로에 의해 발생하는 신호 강도의 단기적인 변동으로 인한 현상입니다.
2. 대규모 Fading 또는 느린 Fading:
   • 파동 전파에 의한 그림자 효과로 인한 것으로, 그림자 Fading으로도 불립니다.
   • 무선 파동이 주변 물체의 그림자에 가려져 신호 강도의 장기적인 변동을 일으키는 현상입니다.

Fading은 무선 통신에서 신호의 불안정성과 품질 감소에 영향을 미치는 중요한 현상 중 하나입니다. 이를 관리하기 위해 다양한 기술과 전략이 사용되며, 특히 안테나 다이버시티, 다중경로 공간 다이버시티 등의 기술이 적용됩니다.

Fading의 결과

1. 오류 확률이 Fading 딥에 의해 지배됨:
   • 무선 통신에서 Fading은 신호 강도의 갑작스러운 감소로 인해 오류가 발생할 수 있습니다. 특히 Fading 딥(신호 강도가 급격히 떨어지는 지점)에 있을 때 오류 확률이 높아지게 됩니다.
2. 신호 대 잡음 비율(SNR) 증가에 따라 오류 확률이 선형적으로 감소:
   • SNR이 증가할수록 오류 확률이 선형적으로 감소하는 것이 아니라, Fading의 영향으로 인해 지역적인 감소가 발생합니다. 따라서 오류 확률이 선형적으로 감소하지 않습니다.
3. Fading 효과에 대한 대응이 무선 송수신기 설계에서 중요함:
   • Fading의 영향을 효과적으로 극복하기 위해서는 무선 송수신기의 설계가 필수적입니다.
   • 각 지점에서 채널의 결정론적 모델링은 매우 어려우며, 대신 전파 및 시스템 동작의 통계적 모델링이 사용됩니다.

Fading은 무선 통신에서 예측하기 어려운 불안정한 환경을 만들어냅니다. 이를 극복하기 위해서는 적절한 기술과 전략을 도입하여 통신 시스템의 신뢰성과 성능을 향상시키는 것이 중요합니다.

Small-scale/Fast Fading

특징:

• 이동 (Movements): 무선 송신기 또는 수신기의 움직임에 따라 신호의 강도가 빠르게 변화합니다.
• 도플러 쉬프트 (Doppler Shift): 이동에 의해 발생하는 도플러 쉬프트로 인해 수신된 신호의 주파수가 변화합니다.
• 다중경로 (지연 확산, Multi-path, Delay Spread): 다수의 경로를 통해 전파되어 수신기에 도달하는 신호들이 서로 다른 시간에 도달하여 간섭이 발생하게 됩니다.

설명:

• 소규모 또는 빠른 Fading은 짧은 시간 동안 수신된 신호의 진폭이 빠르게 변하는 현상을 나타냅니다.
• 수신기로 전파되는 신호의 진폭은 여러 신호가 다양한 경로를 통해 도달하면서 서로 간섭하고 상쇄되어 크게 변동하게 됩니다.
• 이러한 간섭 및 상쇄는 다중경로로 인해 발생하며, 신호의 진폭 변동이 더욱 심해집니다.
• 소규모/빠른 Fading은 전체 통신 채널의 불안정성을 나타내며, 이에 대응하기 위해서는 안테나 다이버시티, 다중 경로 채널 모델링, 이동 특성에 따른 알고리즘 등이 사용됩니다.

"Fast fading" 또는 "소규모 페이딩"으로 알려진 이 현상은 상대적으로 짧은 시간 동안 또는 짧은 거리에서 발생하는 수신 신호의 진폭 변동을 나타냅니다. 여기서 "소규모"는 이러한 변동이 상대적으로 작은 공간 또는 시간 스케일에서 발생한다는 것을 나타냅니다.

소규모 페이딩 중에 수신기에서 받는 전력은 짧은 거리에서 급격하고 예측할 수 없는 변동을 겪습니다. 이러한 변동은 주로 다양한 신호 경로의 건설적 또는 파괴적 간섭에 의해 발생하며, 각 신호 경로는 수신기에 도달하기 위해 약간 다른 경로를 따릅니다. 결과적으로 이러한 신호의 진폭은 더해지거나 서로 상쇄되어 수신 신호의 강도에 변동을 일으킵니다.

소규모 페이딩 현상은 주로 무선 통신 시스템에서 중요하며, 신호가 환경의 장애물로 인해 반사, 굴절 및 산란과 같은 여러 경로를 경험할 수 있는 상황에서 발생합니다. 소규모 페이딩을 이해하고 완화하는 것은 견고한 무선 통신 시스템을 설계하는 데 중요하며, 이를 통해 이러한 짧은 기간의 변동에도 불구하고 신호 수신이 신뢰성 있게 이루어질 수 있습니다.

Large-scale/Slow Fading

특징:

• 장애물 존재 (Obstacle Presence): 무선 장치와 신호 송신기 사이에 장애물이 위치할 때 대규모 Fading이 발생합니다.
• 신호 강도 감소 (Signal Strength Reduction): 이러한 간섭으로 인해 신호 강도가 상당히 감소하게 됩니다. 신호는 장애물에 의해 가려지거나 차단되기 때문입니다.
• 느린 Fading (Slow Fading): 평균 신호 레벨의 장기적인 변동을 나타냅니다. 이를 그림자 페이딩(shadowing) 또는 로그노멀 페이딩(lognormal fading)이라고도 합니다.

설명:

• 대규모 Fading은 무선 장치와 신호 송신기 사이에 장애물이 위치할 때 발생합니다. 이러한 장애물에 의해 신호가 가려지거나 차단되면서 신호 강도가 크게 감소합니다.
• 그림자 페이딩 또는 로그노멀 페이딩은 신호의 평균 레벨이 장기적으로 변하는 현상을 나타냅니다. 이러한 현상은 무선 통신의 일반적인 특성 중 하나로, 이동 통신에서는 특히 자주 나타납니다.
• 느린 Fading은 이동 통신에서 무선 신호의 안정성을 예측하고 관리하는 데 중요한 역할을 합니다. 그림자 페이딩에 대응하기 위해 안테나 다이버시티, 페딩 보상 기술 등이 사용됩니다. 또한, 로그노멀 페이딩 모델을 통해 신호의 통계적 특성을 분석하여 설계에 활용할 수 있습니다.

Shadowing

음영 효과

설명:

• 빌딩이나 지형(intervening terrain), 초목가 같은 큰 물체에 의해 신호가 요동치는 현상을 말한다. 송수신기 사이의 거리가 동일한 상태에서도 측정 값이 달라지는 현상으로 보통 log-normal 랜덤 변수로 모델링 한다.
• 무선 통신 채널에서는 종종 수백만 개의 작은 장애물이 존재합니다. 예를 들어, 비가 내릴 때는 물방울이나 나무의 개별 잎들과 같은 작은 장애물이 채널에 존재할 수 있습니다.
• 이러한 각각의 장애물을 개별적으로 고려하는 것은 매우 복잡하고 번거로우므로, 이러한 효과들은 일반적으로 무작위한 전력 손실(random power loss)로 통합됩니다.

그림자 페이딩의 특징:

1. 무작위 전력 손실: 작은 장애물이나 환경적인 변화로 인한 신호 강도의 무작위한 감쇠를 나타냅니다.
2. 일시적인 변동: 그림자 페이딩은 일시적인 변동을 나타냅니다. 특정 시점에서 신호의 강도가 급격하게 변할 수 있습니다.
3. 로그노멀 분포: 그림자 페이딩은 종종 로그노멀 분포를 따릅니다. 이는 다수의 작은 장애물이 합쳐져서 발생하는 효과로 인해 발생하는 특성입니다.
4. 예측 어려움: 각 장애물의 위치 및 특성을 예측하기 어려우며, 따라서 무작위성을 가진 그림자 페이딩 모델이 효과적으로 사용됩니다.

그림자 페이딩 관리:

• 그림자 페이딩은 주로 통계적인 모델링을 통해 관리됩니다. 이를 통해 통신 시스템 설계자들은 그림자 페이딩의 영향을 예측하고, 안테나 다이버시티, 페딩 보상 기술 등을 활용하여 그림자 페이딩으로 인한 성능 감소를 최소화할 수 있습니다.

Doppler Shift

설명:

• 도플러 효과는 파동 소스와 수신기가 서로 다른 속도로 움직일 때, 수신된 신호의 주파수가 소스의 주파수와 다르게 감지되는 현상을 나타냅니다.
• 파동 소스와 수신기가 서로에게 접근할 때, 수신된 신호의 주파수는 소스의 주파수보다 높게 감지됩니다. 반대로, 두 기기가 서로로부터 멀어질 때, 수신된 신호의 주파수는 낮아집니다.
  • the frequency of the received signal : f_R = f_C - f_D
  • f_C : 소스 케리어의 주파수
  • f_D : 도플러 주파수

도플러 주파수의 계산: 도플러 주파수는 다음과 같이 계산됩니다. v는 움직이는 속도, λ는 케리어의 파장입니다.

Delay Spread

설명:

• 신호가 송신기에서 수신기로 전파될 때, 신호는 하나 이상의 반사를 겪습니다.
• 각 경로는 서로 다른 경로 길이를 가지므로, 각 경로의 도착 시간이 서로 다릅니다.
• 이러한 효과로 인해 신호는 여러 경로를 따라가며 도달하는데, 이를 "지연 확산"이라고 합니다.

특징:

1. 다중 경로 효과: 반사에 의해 여러 경로를 통해 수신되는 신호가 서로 다른 시간에 도착하게 됩니다.
2. 시간 지연의 퍼짐: 지연 확산은 신호의 도착 시간이 퍼져 나가는 현상을 의미합니다.
3. 다중 경로 간격: 지연 확산은 다중 경로 간의 시간 간격의 차이를 나타냅니다.
4. 도착 시간 분산: 신호의 도착 시간이 분산되어 나타나기 때문에, 이를 통해 통신 채널의 불안정성 및 환경을 파악할 수 있습니다.

영향:

• 지연 확산은 무선 통신에서 특히 중요한 역할을 합니다. 통신 시스템에서는 지연 확산을 고려하여 신호를 디자인하고, 다중 경로 간의 시간 간격을 관리하는 등의 기술을 사용하여 통신 성능을 최적화합니다. 지연 확산은 이동통신에서 주파수 선택 페딩(Frequency Selective Fading)이나 안테나 다이버시티(Diversity) 등과 관련이 있습니다.

채널 임펄스 응답 (Channel Impulse Response)

채널 임펄스 응답은 시간 도메인에서 통신 채널의 응답을 나타내는데 사용되는 개념입니다. 이것은 특정 시간 지점에서 전송된 단위 폭의 단일 펄스에 대한 채널의 응답을 표현합니다.

특징 및 설명:

1. 단위 폭 펄스에 대한 응답: 채널 임펄스 응답은 단위 폭의 펄스에 대한 채널의 시간 응답을 나타냅니다. 이 펄스는 아주 짧은 시간 동안의 신호를 나타냅니다.
2. 다중 경로 효과: 채널 임펄스 응답은 다중 경로 효과를 반영합니다. 다중 경로로 인해 수신기에서는 각 경로에 따라 다르게 도착하는 시간에 따른 응답이 나타납니다.
3. 시간 분해능과 동적 특성: 채널 임펄스 응답을 통해 시간 분해능과 채널의 동적 특성을 파악할 수 있습니다. 다양한 시간에 따라 신호가 어떻게 전파되는지를 이해할 수 있습니다.
4. 채널 모델링: 채널 임펄스 응답은 무선 통신 시스템에서 채널을 모델링하고 이해하는 데 사용됩니다. 채널 모델링은 시뮬레이션 및 통신 시스템 설계에 필수적입니다.
5. 변이적 채널: 이것은 시간에 따라 변하는 채널 상태를 나타내며, 특히 이동통신에서 중요한 역할을 합니다.

채널 임펄스 응답은 채널 특성을 분석하고 채널 모델을 구축하는 데 사용되며, 다양한 무선 통신 응용 분야에서 핵심적인 역할을 합니다.

ISI (Inter-Symbol Interference)

간호식별 간섭 (Inter-Symbol Interference, ISI):

설명: 간호식별 간섭(ISI)은 시간 지연된 다중 경로 신호에 의해 발생하며, 특히 무선 통신에서 발생하는 현상 중 하나입니다. ISI는 수신된 각 심볼에 대한 이전 심볼의 영향으로 발생하며, 이는 채널에서 신호가 시간에 따라 지연되거나 여러 경로를 통해 수신되기 때문입니다.

특징 및 영향:

1. 다중 경로 지연: ISI는 시간에 따라 다른 지연을 가진 다중 경로에서 수신된 신호로 인해 발생합니다.
2. 저버스트 오류율에 영향: ISI는 채널의 저버스트 오류율에 영향을 미칩니다. 다중 경로로 인해 수신된 각 심볼은 다음 심볼이 수신되는 동안에도 여전히 영향을 미칩니다.
3. 동기화 어려움: 수신기는 여러 경로에서 수신된 각 구성 요소가 어느 심볼에 속하는지 정확하게 결정하기 어렵습니다.

예시:

• 수신된 신호가 이전 심볼과 겹치면, 수신기는 어떤 심볼이 전송되었는지 정확하게 판단하기 어려워집니다. 이는 비트 에러로 이어질 수 있습니다.

해결 방법:

1. 이퀄라이제이션(Equalization): 수신된 신호에 대한 이퀄라이제이션 기술을 사용하여 ISI를 감소시키는 방법이 있습니다.
2. 신호처리 기술: 다양한 신호처리 기술을 사용하여 다중 경로 효과를 완화하고 신호를 복원할 수 있습니다.

간호식별 간섭은 무선 통신 시스템에서 신호의 품질을 저하시키는 요인 중 하나이며, 적절한 기술과 알고리즘을 사용하여 처리해야 합니다.