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문제 정의
- 주파수 자원의 효율적인 관리 및 국가적 추세를 반영하기 위해서 라디오의 디지털 전환은 필요하다[7]. 국내환경에 가장 적합한 디지털라디오 기술방식 결정을 위해 디지털라 디오 검증시스템을 구축하고 비교실험방송을 실시하여 디지털라디오 도입 기반을 마련하고, 고품질 방송서비스를 제공하기 위한 목적으로 본 논문에서는 다양한 필드 테스트를 통하여 디지털라디오 방식 별 성능을 측정 비교하였다.
- 본 논문에서는 디지털 라디오 방식별 다양한 환경에서 ATT 마진을 적용하여 실외 및 실내 환경에서의 측정 결과를 비교하였다.
제안 방법
- Audio CRC 값은 수신기 제어프로그램을 통하여 수신기로부터 읽어올 수 있으며, 측정기준은 실험실 테스트 결과를 참고로 필드에서 검증 테스트를 거친 후 적용 하였다.
- DRM+ 측정항목 또한 타 방식과 같은 방식으로 측정 하며, 디지털과 아날로그 신호 간 주파수 이격 거리에 따른 상호 간섭영향을 보기 위해 DRM+ 디지털 신호와 FM 아날로그 신호간의 주파수 간격을 150kHz, 200kHz, 400kHz로 이격하였고, 또한 변조방식 및 보호 레벨에 따른 수신 성능을 보고자 보호레벨 0.4와 0.5를 갖는 QPSK 변조 방식과 보호레벨 0.41을 갖는 16QAM 변조방식을 사용하여 측정하였다.
- HD-Radio 측정항목 또한 표 4와 같이 DAB 방식과 같은 측정 항목으로 분류하였다. 방식 별 수신 성능을 판단하는 기준은 iBiquity사의 브랜딩 포인트 (Blending Point) 레벨 기준을 참고하여 결정하였다[9].
- 전계강도 분석기와 수신기에서 측정된 데이터는 제어 PC의 측정 소프트웨어에 의해 각 파라미터 별로 수집된다. RF 박스에 병렬로 외부 감쇄기를 설치하여 고정 측정 시 0.1dB 스케일로 감쇄를 ToA(Threshold of Audibility)를 측정할 수 있게 하였다.
- 고정 측정 방법은 기본적으로 수신전계강도를 측정 하여 성능을 비교한다. 각 방식 별 수신 가능 레벨을 측정하기 위하여 수신 신호의 감쇄를 증가시켜 ToA를 확인한다. 한편 당시의 마진값도 병행하여 측정하였다.
- 25km 떨어진 교회의 1층 강당에서 측정하였으며, 측정 기준점인 창가도 괘방산 송신소 방향인 남향에 위치한 창가를 기준으로 하였다. 건물 재질은 컨테이너식 조립식 가건물이었으며, 측정 위치는 설교단상과 의자들 사이의 공간에서 측정하였다. 각 지점 별 수신전계강도의 변동추이를 살펴보면 창가 기준 0m 지점에서 1.
- 측정 지점은 괘방산 송신소에서 송출된 디지털 라디오 신호의 수신성능을 측정하기 위하여 지방도, 국도 등 각 도로에 고정 측정지점을 선정하였다. 고정 측정지점은 크게 실외측정과 실내측정 지점의 두 가지 방식으로 구분 하여 선정하였다.
- 디지털라디오 비교실험방송 필드테스트를 실시하기 전에 기존 사용되는 주파수가 본 시험측정에 간섭을 일으켜 측정결과에 영향을 주는 것을 방지하기 위하여 주변 지역의 기존 사용 주파수를 배재하여, DAB, DAB+, T-DMB 오디오 방식 측정에는 195.008MHz 대역을, HD-Radio와 DRM+ 방식 측정에는 103.5MHz 대역을 시험용 주파수로 선정하여 측정하였다.
- 또한 북향 루트에 실내 측정으로 적정한 건물 3개 지점인 R1부터 R3까지를 선별하여 실내 고정 측정지점 으로 선정하고 실내·외 측정 데이터 비교를 위하여 건물 밖(실외)에서도 실외 고정 측정을 하였다.
- 먼저 수신전계강도는 수식 (1)과 같이 측정지점의 수신안테나로 유기된 전파의 세기로 스펙트럼 분석기의 채널파워 측정값으로부터 산출된 계산값을 사용하였다.
- 먼저 커버리지 실외 고정 측정지점은 종(Radial)방향으로 선정된 측정루트에서 일정한 간격으로 측정지점을 선정하였다.
- 수신 에러율은 DAB, DAB+, T-DMB 오디오각 방식별 수신성능(수신가능/수신불가)을 판단하는 기준으로 표 3과 같이 MSC(Main Service Channel) CER (Character Error Rate) 값을 사용하였다. 참고문헌 [8] 과 같이 각 방식 별로 에러가 발생하는 경우의 CER을 기준값으로 설정하여 수신기 제어프로그램을 통해 수신 및 복조 가능여부를 기록하였다.
- 측정 시 수신부의 감쇄를 증가시켜 TOA를 확인하는 한편 각각의 마진값도 측정 하였다. 수신 에러율의 측정기준은 실험실 테스트에서 도출된 각 방식 별 MSC CER값을 참고로 필드에서 검증 테스트를 거친 후 지정하였다. 표 3은 DAB, DAB+, T-DMB 오디오의 수신 에러율인 MSC CER의 측정 기준값이다.
- 수신채널파워는 채널 대역폭 내에 수신된 평균 전력으로 송신소로부터 일정거리가 이격된 지점의 전력을 측정하여 전파의 커버리지를 예측하고자 하였으며 측정 안테나로부터 유기된 스펙트럼 분석기의 측정값을 사용하였다.
- 실내·외 고정 측정지점은 그림 4와 같이 이동 측정 루트 상에 일정 간격으로 거리를 이격하여 측정지점을 선정하였으며, 실외 고정 측정지점 중 일부 지점 근처에 실내 측정이 가능한 건물을 지정하여 건물 내에서도 실내측정을 수행하였다.
- 수신 에러율은 DAB, DAB+, T-DMB 오디오각 방식별 수신성능(수신가능/수신불가)을 판단하는 기준으로 표 3과 같이 MSC(Main Service Channel) CER (Character Error Rate) 값을 사용하였다. 참고문헌 [8] 과 같이 각 방식 별로 에러가 발생하는 경우의 CER을 기준값으로 설정하여 수신기 제어프로그램을 통해 수신 및 복조 가능여부를 기록하였다. 측정 시 수신부의 감쇄를 증가시켜 TOA를 확인하는 한편 각각의 마진값도 측정 하였다.
- 참고문헌 [8] 과 같이 각 방식 별로 에러가 발생하는 경우의 CER을 기준값으로 설정하여 수신기 제어프로그램을 통해 수신 및 복조 가능여부를 기록하였다. 측정 시 수신부의 감쇄를 증가시켜 TOA를 확인하는 한편 각각의 마진값도 측정 하였다. 수신 에러율의 측정기준은 실험실 테스트에서 도출된 각 방식 별 MSC CER값을 참고로 필드에서 검증 테스트를 거친 후 지정하였다.
- 각 방식 별 수신 가능 레벨을 측정하기 위하여 수신 신호의 감쇄를 증가시켜 ToA를 확인한다. 한편 당시의 마진값도 병행하여 측정하였다.
- HD-Radio는 FM 아날로그와 디지털 신호의 혼합 방식과 전 디지털 방식으로 구분하여 송출하였다. 혼합방식으로는 MP3 모드를 채택하고, 전 디지털 방식 으로는 MP5 모드를 채택하였다.
- 후보 기술 별 필드 테스트를 위해 DAB(digital audio broadcasting), DAB+, T-DMB(terrestrial digital multimedia broadcasting) Audio, HD(High Definition) Radio, DRM+(digital radio mondiale) 방식 별로 소스부, 다중화부, 송출부로 송출 시스템을 구성하고, 실내외 고정 수신을 위한 측정 랙으로 수신 시스템을 구성하여 수신 전계 강도(dBV/m), 수신 채널 파워 (dBm), 채널파워 마진(dBm), 수신 전계강도 마진 (dBV/m) 등 디지털라디오 방식 별로 필요한 고정 필드 테스트를 절차에 따라 수행한다.
대상 데이터
- 그림 5(c)는 평야지형인 N 루트 상에 선정된 건물 내에서 측정한 커버리지 실내 고정지점 측정 결과를 나타낸 것이다. R1 지점은 송신소에서 10.25km 떨어진 교회의 1층 강당에서 측정하였으며, 측정 기준점인 창가도 괘방산 송신소 방향인 남향에 위치한 창가를 기준으로 하였다. 건물 재질은 컨테이너식 조립식 가건물이었으며, 측정 위치는 설교단상과 의자들 사이의 공간에서 측정하였다.
- 5m, 3m 순으로 수신전계강도가 낮아짐을 확인할 수 있었다. R3 지점은 송신소에서 32.57km 떨어진 마을회관의 2층 거실에서 측정하였으며, 기준 창가는 남향이었다. 그러나 지대가 낮고 송신소 방향으로 수목이 우거져 있어 건물 내에서 수신기가 전파를 잡지 못해 동작하지 않아 수신불가 상태가 발생하였다.
- 5m, 3m 순으로 수신전계강도가 낮아짐을 확인할 수 있었다. R3 지점은 송신소에서 32.5km 떨어진 마을회관의 2층 거실에서 측정하였으며, 기준 창가는 남향이었다. 그러나 지대가 낮고 송신소 방향으로 수목이 우거져 있어 건물 내에서 수신기가 전파를 잡지 못해 동작하지 않아 수신불가 상태가 발생하였다.
- 괘방산의 디지털라디오 송신기에서 송출된 전파는 수신 측정 시스템의 안테나에 유기되고, 수신된 신호는 그림 3과 같이 RF 박스를 거쳐 전계강도 분석기와 수신기에 분배되어 입력된다. 전계강도 분석기와 수신기에서 측정된 데이터는 제어 PC의 측정 소프트웨어에 의해 각 파라미터 별로 수집된다. RF 박스에 병렬로 외부 감쇄기를 설치하여 고정 측정 시 0.
- 종(Radial)구간 이동루트 중 괘방산 기준 남향 루트인 산악지형에는 거리 10km 간격으로 S1부터 S5까지 5개의 실외 고정 측정지점을 선정하였고, 괘방산 기준 북향 루트인 평야지형에는 거리 5km 간격으로 N1부터 N8까지 8개의 실외 고정 측정지점을 선정하였다. 또한 북향 루트에 실내 측정으로 적정한 건물 3개 지점인 R1부터 R3까지를 선별하여 실내 고정 측정지점 으로 선정하고 실내·외 측정 데이터 비교를 위하여 건물 밖(실외)에서도 실외 고정 측정을 하였다.
- 측정 지점은 괘방산 송신소에서 송출된 디지털 라디오 신호의 수신성능을 측정하기 위하여 지방도, 국도 등 각 도로에 고정 측정지점을 선정하였다. 고정 측정지점은 크게 실외측정과 실내측정 지점의 두 가지 방식으로 구분 하여 선정하였다.
- 필드테스트를 위한 송신 사이트는 그림 1과 같이 강원도 강릉지역 일대에서 이루어졌으며, 강원도 괘방산 강원민방(GTB)에 표 1과 같이 구축하였다. 괘방산 송신소가 위치한 강원도 일대는 동쪽으로는 동해바다가 있고 서쪽으로는 태백산맥이 위치하고 있어 타 지역에서 월경되는 전파가 거의 없고 남북방향으로 중소 도시들이 국도를 따라 송신소 기준 거리 별로 배열되어 있어 본 디지털라디오 비교실험방송 전파측정에 적정한 지역이다.
데이터처리
- DRM+에서 수신기의 수신성능(수신가능/수신불가)을 판단하는 기준으로 표 5와 같이 Audio CRC (Cyclic Redundancy Check) error값을 사용하였다. Audio CRC error값은 Audio Unit의 CRC 오류 개수를 표시 하며 1개 이상 발생 시 음의 끊김 현상이 발생하므로 수신기의 수신 가능과 불가를 판단하는 기준으로 사용된 다.
이론/모형
- HD-Radio 측정항목 또한 표 4와 같이 DAB 방식과 같은 측정 항목으로 분류하였다. 방식 별 수신 성능을 판단하는 기준은 iBiquity사의 브랜딩 포인트 (Blending Point) 레벨 기준을 참고하여 결정하였다[9]. HDRadio는 MP3 모드와 MP5 모드 및 FM only 모드로 구분되며 MP3 하이브리드모드는 아날로그 대비 디지털파워를 -10dB 및 -20dB로 변경하며 측정하였다.
성능/효과
- Out of Band 방식인 DAB/DAB+/T-DMB Audio 의 필드테스트 결과 DAB+와 T-DMB Audio는 유사한 수신성능을 가지며 DAB는 두 방식에 비해 수신성능이 떨어짐을 확인하였다. In Band 방식인 HD Radio와 DRM+ 필드테스트 결과에서는 평야지역의 실외고정수 신과 같이 상대적으로 Multipath가 적은 지역에서는 DRM+ 성능이 우수하고 산악지역이나 실내수신과 같이 Mutlipath가 많고 수신전계가 약한 지역에서는 HD Radio 성능이 우수함을 확인하였다. 고정실외수신에서는 DRM+, HD Radio, T-DMB 가 유사한 성능을 가지나 실내수신의 경우 50% 미만의 수신율을 보여 실제 서비스에서는 실내수신율을 높이기 위한 송신출력 증강 혹은 동일채널 중계기 설치를 고려해야 한다.
- Out of Band 방식인 DAB/DAB+/T-DMB Audio 의 필드테스트 결과 DAB+와 T-DMB Audio는 유사한 수신성능을 가지며 DAB는 두 방식에 비해 수신성능이 떨어짐을 확인하였다. In Band 방식인 HD Radio와 DRM+ 필드테스트 결과에서는 평야지역의 실외고정수 신과 같이 상대적으로 Multipath가 적은 지역에서는 DRM+ 성능이 우수하고 산악지역이나 실내수신과 같이 Mutlipath가 많고 수신전계가 약한 지역에서는 HD Radio 성능이 우수함을 확인하였다.
- 각 지점 별 수신전계강도의 변동추이를 살펴보면 창가 기준 0m 지점에서 1.5m 지점으로 이동하 여 측정한 경우 수신전계강도가 약 10.9dBμV/m 떨어 졌으며, 창가 기준 1.5m 지점에서 3m 지점으로 이동하여 측정한 경우에는 약 0.6dBμV/m 정도 낮아졌다.
- 이동 측정 루트인 7번 국도의 N 루트 상에 일정 간격으로 위치한 실외 고정측정 지점은 대부분의 지점이 LOS 확보가 가능한 평야지형이었다. 따라서 송신소에서 가까운 지점부터 송신소와 이격 거리가 멀어질수록 수신전계강도가 떨어지는 것을 볼 수 있으며 수신 마진값 또한 이격거리가 멀어질수록 대체 적으로 줄어드는 것을 볼 수 있다. 그러나 N3 지점이 N4 지점에 비해 전계강도가 약 1.
- S2 지점과 S5 지점은 상기와 같은 이유뿐만 아니라 송신소와 이격거리 또한 멀어져 수신불가 상태가 발생하였고, S4 지점은 루트 상의 다른 지점에 비해 지대가 높아지며 미약하게나마 신호를 수신할 수 있었다. 또한 각 방식 별 마진 값을 살펴보면 MP3 -10dB 및 MP5 모드가 MP3 -20dB 모드에 비하여 약 14~16dB 정도의 마진 여유분이 확보되는 것으로 나타났다.
- 6dBμV/m 저하된 것은 N3 지점에서 송신소 방향으로 수목 및 가건물이 위치하고 있어 약간의 전파장애가 발생되었기 때문인 것으로 판단된다. 또한 방식별 수신 마진값은 DAB+ 및 T-DMB 오디오 방식이 DAB 방식에 비해 약 0.2~2.4dB 가량 높았다.
- S2 지점과 S5 지점 또한 상기와 같은 이유에 송신소와 이격거리 또한 멀어져 수신불가 상태가 발생하였고, S4 지점은 S 루트의 다른지 점에 비해 지대가 높아지며 미약하게나마 신호를 수신할 수 있었다. 또한 방식별 수신 마진값을 살펴보면 대체로 DAB+ 및 T-DMB 오디오 방식이 DAB 방식에 비하여 약 1~2.9 dB 정도 높게 나타났다.
- 또한 전술한 결과와 유사 하게 N3 지점이 N4 지점에 비해 전계강도가 약 1.6dB μV/m 저하된 것으로 측정되었다.
- 모든 경우에서 건물 밖과 실내의 수신 전계강도 차이는 약 5~10dBμV/m로 비교적 큰 차이를 갖는 것을 알 수 있으며, 창가 기준 실내로 이동 시에는 창가에서 실내 1.5m이동 시 큰 전계강도의 차이를 갖지만 1.5m이동 에서 3m이동은 전계강도의 차이가 거의 없음을 확인할수 있다.
- 참고로 DAB, DAB+, T-DMB 수신기의 제어 소프트웨어는 수신신호를 인지하지 못할 시 활성화되지 않고, 이와 연동된 측정 소프트웨어 또한 동작하지 않는다. 방식 별 수신 마진값은 DAB+ 및 T-DMB 오디오 방식이 DAB 방식에 비해 R1지점은 약 0.5~1.6dB 높았으며, R2 지점은 약 2~2.8dB 가량 높았다.
- 8dBμV/m나 저하되었다. 본 측정 지점에 서도 창가 1m, 1.5m, 3m 순으로 수신전계강도가 낮아짐을 확인할 수 있었다. R3 지점은 송신소에서 32.
- 8dBμV/m나 저하되었다. 본 측정 지점에 서도 창가 1m, 1.5m, 3m 순으로 수신전계강도가 낮아짐을 확인할 수 있었다. R3 지점은 송신소에서 32.
- 본 필드테스트 결과는 인접채널 간섭, 동일채널 간섭이 최소화되는 지역에서의 측정 결과로 인접채널간섭 및 동일채널 간섭이 발생할 경우 수신성능은 열화될 수 있음을 고려해야 한다.
- 그림 6은 S 루트 상에서의 HD Radio 측정 결과이다. 전술한 바와 같이 S 루트는 산악지형 및 낮은 지대로 구성되어 있어 송신소 근거리에서의 성능이 더 나쁜 결과가 도출되었다. S2 지점과 S5 지점은 상기와 같은 이유뿐만 아니라 송신소와 이격거리 또한 멀어져 수신불가 상태가 발생하였고, S4 지점은 루트 상의 다른 지점에 비해 지대가 높아지며 미약하게나마 신호를 수신할 수 있었다.
후속연구
- 디지털 라디오 송․수신 검증시스템과 필드 테스트 시스템을 이용하여 측정된 DAB, DAB+, T-DMB Audio, HD Radio, DRM+의 측정 자료는, 향후 디지털라디오 방송 도입시 다양한 환경에서 적합한 수신환경을 보장 하는 기술방식 결정을 위한 기초 자료로 활용할 수 있다. 또한 구축된 디지털 라디오 송․수신 검증시스템과 필드 테스트 시스템을 산업체에 제공함으로써 디지털 라디오 송수신 기술 개발에 활용하여 향후 라디오방송 기술 산업 고도화 및 관련 업체의 세계시장 진출을 위한 기술 경쟁력 확보할 수 있다.
- 디지털 라디오 송․수신 검증시스템과 필드 테스트 시스템을 이용하여 측정된 DAB, DAB+, T-DMB Audio, HD Radio, DRM+의 측정 자료는, 향후 디지털라디오 방송 도입시 다양한 환경에서 적합한 수신환경을 보장 하는 기술방식 결정을 위한 기초 자료로 활용할 수 있다. 또한 구축된 디지털 라디오 송․수신 검증시스템과 필드 테스트 시스템을 산업체에 제공함으로써 디지털 라디오 송수신 기술 개발에 활용하여 향후 라디오방송 기술 산업 고도화 및 관련 업체의 세계시장 진출을 위한 기술 경쟁력 확보할 수 있다.
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