고스트 현상에 대한 질문과 답

고스트 현상에 대한 질문과 답 <김기완>   < 질문 >

고스트 현상은 직접파와 반사파의 도달시간의 차이로 인해 화면이 이중으로 보이는 현상으로 알고 있습니다.
그런데, 디지탈 방송(ATSC)에서 Line of sight의 위치를 제외하고는 건물이나 지형에 의한 반사파가 수신되도, 서로 상쇄현상을 일으켜 고스트 현상이 발생하지 않고, 수신이 불가능해진다고 하는데. 그 이유를 알고 싶습니다.
그리고 미국ATSC방식은 단일 캐리어를 사용하므로, 마치 커다란 트레일러로 많은 짐을 싣고 달리는 것이고, 유럽 DVB-T방식은 다수 캐리어를 사용하므로 작은 짐차에 짐을 여러개로 나누어 보내는 방식이라고 하는데 이러한 차이가 난시청의 정도와 관계가 있는 건가요?
어차피, 단일 캐리어든 다수 캐리어든 어느 하나라도 수신측에 도달하지 못하면, 수신이 안되는 것은 마찬가지일텐데 궁금합니다.
아날로그 TV의 고스트 현상 경감법에 대해서도 알고 싶습니다. 인터넷에서 찾아봤더니, 수신안테나와 수신기를 연결하는 피더사이의 정합을 맞추거나, 눈에 보이는 장애물에 필름을 씌움으로서 경감을 시킬수 있다고 하던데 어떻게 눈에 보이는 장애물, 즉, 건물이나 큰 산에 필름과 같은 것을 씌울 수 있죠.

< 답 >

지상파방송에서 주변의 높은 건물이나 산 등의 지형적 여건으로, 또는 가까운 거리에서의 비행기나 열차 등의 고속 이동 등에 따라, 다양한 전파경로를 통해 원치 않는 신호(반사 파)가 원하는 신호(직접파)와 함께 수신기에 유입되어 아날로그 TV에서 고스트와 같은 현상으로 나타나는데, 그러한 장애 요인이 디지털이라고 무시되지는 않습니다. 다만 현상이 다르게 나타날 뿐이며, 그것을 어떻게 극복할 수 있느냐는 기술적인 과제입니다. 물론 기술적으로 완벽하게 해결되지 않는 물리적으로 불가능한 장애지역도 있을 수 있습니다. 같은 지하라 하더라도 과거 아날로그 휴대폰은 그런 대로 수신이 되었지만 디지털휴대폰은 아예 불통이든지 아니면 끊김이 심한 경우가 있는 것처럼, 디지털이라고 해서 무조건 좋은 것은 아닙니다. 디지털은 일단 수신되기만 하면 어느 곳이든지 동일한 깨끗한 품질을 갖는 것이 특징입니다. 결국 디지털도 그 조건이 충분히 유지되는 상황에서 갖고 있는 장점이 최대한 발휘되는 것입니다.

아날로그 TV에서 고스트현상을 억제하기 위해 먼저 해야할 일은 시청자가 올바르게 수신안테나를 설치하는 것입니다.
실내안테나의 경우, 다행히 잘나올 수 있는 집도 있겠지만 대체로 더듬이안테나 (래빗 안테나 라고도 함)를 이리저리 돌릴 수밖에 없을 정도로 그렇게 성능이 우수한 안테나는 아닙니다.
그렇지만 야기안테나라고 부르는 옥외안테나는 송신소와 안테나 사이에 장애물이 없고 (line-of-sight라고 함), 방향 및 설치 조건을 잘만 맞춘다면 잘 알아볼 수 없는 아주 미세한 고스트 이외에 장애 요인은 잘 나타나지 않습니다.
그러나 그런 조건을 완벽하게 맞추기는 사실 간단치 않습니다. 그래서 개발된 기술이 아날로그 TV에서의 고스트제거기술입니다. 이 기술은 1995년에 KBS가 국내 가전사와 공동 개발하여 방송에 적용하기 시작했으나, 가전사들이 제거효과가 상대적으로 큰 대형TV 위주로 기능을 부가하는 바람에 보급이 미진한데다가 디지털 TV가 나온다는 사실 때문에 크게 보급되지 못하고 있습니다.
이 기술의 기본원리는 고스트의 원인인 다중경로 특성을 분석파악하기 위한 기준신호 (제거기준신호)를 송신측에서 영상신호와 같이 보내주고, 수신기에서는 그 신호가 다중경로를 거쳐서 어떻게 수신되었는지를 분석해내어 디지털신호처리 (좀더 자세히 말하자면 digital phase equalizing)하여 중첩된 고스트 영상을 지울 수 있습니다.
다만 제거기준신호의 특성한계(주로 대역폭제한으로 인한)와 수신기 equalizer의 가격한계(delay step수가 많아지면 그만큼 회로가 복잡해짐) 때문에 지우더라도 그 흔적이 약간 남을 수가 있으며, 분석에 걸리는 시간 때문에 이동물체에 의한 고스트는 지울 수가 없습니다.
만약 분석속도(주로 전송채널의 다중경로에 의한 반사파 지연시간과 중첩량 파악에 소요되는 계산 시간)가 매우 빨라 수신기를 이동하더라도 이동에 따른 순간순간마다 채널분석하여 phase equalizing(위상등화처리)이 가능하다면 이동수신이 가능한 TV가 개발될 수 있을 것인데, 아마도 그 정도의 고속계산은 당분간 어려울 것이며, 가능하다 할지라도 수신기에서의 비용증가가 만만치 않을 것입니다.그러나 아날로그TV신호의 디지털고스트제거 기술이 개발된 1995년 당시에는 상당히 쓸만한 기술이었고 실제로 우리나라 개발규격이 국제규격의 하나로 등록되기도 하였습니다.
아쉬운 것은 세상이 너무도 빨리 변하여 그 기술의 장래를 일찍 마감시킨 것이라고 생각 됩니다.
한편 안테나와 수신기 사이의 정합은 당연히 필수적인 사항인데 가정에서 피더라인의 임피던스 매칭을 전혀 고려하지 않고 선만 연결되어 전기만 흐르면 된다는 식의 결선을 해놓는 경우가 있는데 대단히 아쉬운 부분입니다. TV전파는 주파수가 수백 MHz대로 매우 높으며 전류 자체가 매우 미약하기 때문에 수신여건 만족에 그만큼 신경을 잘 써야 합니다.
VHF안테나와 UHF안테나를 결합하려면 규격에 맞는 혼합기를 써야하고, 여러 가정이 공동으로 사용하려면 분배기를 사용해야 합니다.
또한 TV 안테나 입력과 VCR의 입력을 연결할 때에도 규격에 맞는 케이블을 사용하고 지시된 대로 연결해야 합니다.과거에는 고스트가 없었지만 새로운 건물을 짓거나 하면 전파장애가 발생할 수 있습니다.
법적으로는 전파법 제37조 1항에 따르면, 새로운 건물을 지은 쪽에서 장애를 극복할 수 있는 대체시설을 해주어야 하는 것으로 알고 있습니다.
그런 대체시설 중의 하나가 높은 건물의 경우 전파반사가 될 측면에 필름이나 도료로서 전파반사가 덜 되게 흡수하는 처리를 할 수가 있다고 하는데, 예를 들어 보이지 않는 전폭기라는 F117A에 칠해진 전파흡수도료는 자성산화물을 사용한다고 합니다.
아무리 그런 도표나 필름이 싸진다 하더라도 질문하신 것처럼 산을 둘러쌀 수는 없을 것입니다. 환경문제도 생각해야 할 것이므로..어쨌든 그러한 다중경로 문제는 디지털이라고 예외일 수는 없습니다.
의견 주신 것처럼 여러 반사파가 서로 상쇄현상을 일으킨다기 보다는 다중경로 신호에 의한 원신호의 진폭과 위상의 왜곡이 생겨 디지털 복조시의 Signal Decision에서의 오류를 유발하게 됩니다.
디지털 통신에서는 오류비트가 발생할 때 수신기에서 오류를 찾고 고칠 수 있는 소위, 오류정정부호화를 송신측에서 해서 보내긴 하지만 그 능력이상으로 오류가 발생하면 당연히 수신이 불가능해질 것입니다.
오류정정부호화에 대해서는 게시판의 "검색"기능을 이용하여 찾아보시기 바랍니다.
지상파 DTV 전송방식의 성능비교에 대한 설명도 아래 페이지에 잘 나와 있으니 참고하시기 바랍니다.
http://www.kbs.co.kr/techcenter/text/Dtt_1.htm
정확히 맞는 비유는 아니지만 트레일러와 작은 차로 ATSC방식과 DVB-T방식을 구분한 표현은 캐리어의 수효가 다르다는 것을 설명하기 위해 쓸 수 있는 표현이기는 합니다.
그런데 난시청의 원인은 여러 가지로 생각할 수 있으며 단순히 캐리어의 수효가 그것을 결정짓지는 않습니다.
캐리어가 많으면 다음에 말씀드릴 유효심벌구간이 길어져 긴 시간 딜레이를 갖는 반사파의 유입에도 강한 측면은 있지만 오로지 그 사실 때문에 난시청이 해결된다고 단정할 수는 없습니다.
DVB-T에서 가드인터벌(Guard Interval)이라는 구간을 설정할 수 있는데, 이 부분이 바로
다중경로에 따른 신호왜곡 현상을 줄일 수는 있습니다만, 그렇게 하면 보낼 수 있는 데이터량이 줄어드는 단점이 발생합니다. 이런 점을 고려한다면 예로 쓰이는 트레일러와 소형짐차의 비교는 좀더 다르게 표현할 수 있을 것입니다.
즉 ATSC가 트레일러이고 DVB-T가 여러대의 작은 짐차이라면 DVB-T에서는 다중경로 문제를 피하기 위해 작은 짐차를 띄엄띄엄 출발시키는 것으로 비유할 수 있습니다. 띄엄띄엄 출발시킨다는 것은 작은 짐차들 사이에 보호구간(가드인터벌)을 주는 것에 비유할 수 있다는 것입니다. 다만 그러한 보호구간으로 인해 실어나를 수 있는 짐의 양(데이터량)은 당연히 그렇지 않을 경우보다 줄어들 것입니다.
참고로 DVB-T방식에 대해 좀 더 구체적으로 설명을 해보겠습니다.
DVB-T방식은 OFDM 이론을 사용하는 방식입니다.
OFDM은 보내고자하는 데이터를 많은 수의 캐리어에 나누어 보냅니다.
PAL이나 SECAM방식을 사용해왔던 유럽지역에서는 7 또는 8MHz 대역폭을 사용하므로,
예를 들어 2K mode(2K Inverse FFT를 사용하는 경우)에서는 1705개, 8K mode(8K Inverse FFT를 사용하는 경우)에서는 6817개의 캐리어를 설정합니다. 즉 어떠한 경우에도 천개 이상 됩니다.
이런 많은 캐리어들로 인해 캐리어 각각에 의해 전달되는 데이터레이트는 전체 보내고자 하는 데이터레이트에 비해 상당히 낮아집니다.
이 말은 결국 심벌길이는 늘어난다는 말이 됩니다. 각각의 캐리어들 상의 이러한 변조심벌들은 동시에 발생되도록 합니다.
캐리어들은 같은 주파수 간격을 가지게 되는데, 이는 어떠한 시간구간(time interval)의 역수(inverse)에 해당하며, 그 시간구간은 바로 수신기에서 각 캐리어로 변조된 신호를 복조하는 기간, 소위 유효심벌기간에 해당합니다.
캐리어간격을 그렇게 선택하면 캐리어들의 직교성(Orthogonality)을 지킬 수 있습니다. (즉, OFDM의 "O"에 해당). 직교성의 물리적인 의미는 하나의 캐리어를 복조하는 복조기는 다른 변조된 성분들하고 전혀 관계가 없게 된다는 것입니다.
따라서 확실히 필터링하지도 않았고 또한 스펙트럼이 겹쳐 있다손 치더라도 캐리어들 간의 crosstalk는 없게되는 것입니다.
또하나의 고려사항으로 가드인터벌(Guard Interval)의 개념을 추가한 것입니다.
소위 guard interval을 더해 전체심벌기간을 유효심벌기간보다 길게 하여 각 변조심벌을 전송합니다. 이는 수신기로 하여금 신호 속에 존재하는 가드인터벌보다 길지 않는 딜레이를 갖는 어떠한 반사파들도 인터심볼(Inter-symbol)뿐만 아니라 인터캐리어 (Inter-carrier) 방해조차 없도록 합니다.
자연히 가드인터벌의 추가는 그 길이에 따른 만큼의 데이터전송능력을 감소시킵니다.
이러한 개념은 원리상 단일캐리어시스템에도 적용될 수 있습니다만, 데이터전송능력은 엄청나게 줄어들게 됩니다.
OFDM을 사용하면 단순히 충분한 수의 캐리어들을 둠으로써 긴 딜레이를 가진 반사파 방해도 막을 수 있습니다. 이때 가드인터벌을 유효심벌기간의 일부보다 너무 크게 할 필요는 없습니다. DAB와 DVB-T는 모두 유효심벌기간의 1/4보다 크지 않는 가드인터벌을 사용하지만, 모드에 따라서는 200us(마이크로초) 정도의 반사파 딜레이로부터도 보호받을 수 있다고 합니다.
최근 지상파 디지털 TV 방식논쟁이 많이 일어나고 있는데, 방송방식의 선정 문제는 그것을 관할하는 정부부처가 어떠한 정책적 시각을 갖고 있느냐가 대단히 중요합니다. 보도된 대로 정부가 지상파 디지털 TV 방식을 정할 당시, 가장 중요하게 생각한 것이 경제적인 관점이었읍니다.그 결과 미국의 방식을 선택하게 되었고, 따라서 '고품질 서비스(HDTV)'와 '이동수신/단일주파수망' 이라는 두 가지 기술적 선택에 대해 HDTV를 무리 없이 서비스할 수 있는 미국방식이 자연스럽게 선택되었습니다.
즉 우리 정부가 목표하고 있는 TV산업 부흥을 위해 HDTV가 필수적이라는 요구조건에 부합해야 했으며, 당시 기술로도 그렇고 현재까지의 상용화 기술로도 DVB-T방식으로 HDTV를 서비스하기란 사실상 어렵기 때문에 그러한 선택을 한 것이라고 볼 수 있습니다.
다만 당시에 기술적 비교 검증을 하지 않았다는 것이 문제로 지적되고 있지만, 당시 국제적으로 발표된 자료만으로도 충분하다는 것이 중론이었기 때문에 오늘에 이르게 되었다고 보아야 할 것입니다. 이와 같이 모든 것이 다 좋은 방식이란 사실 없으며, 아닌 말로 세상에 공짜란 없다고 해야 할 것입니다. 무엇을 얻으려면 다른 무엇인가를 양보해야 하는 것이 세상 이치일 것입니다. 즉 좋은 것은 그런대로 별탈없이 넘어가겠지만 세상에 모자란 것은 반드시 있을 것이므로, 그것을 어떻게 보완하고 해결하느냐가 더 중요하겠습니다.그것이 바로 기술의 발전을 이끄는 계기가 되고 원동력이 된다고 생각합니다.
어쨌든 지상파 방송에서 아날로그든 디지털이든 난시청은 지형적인 특성상 발생할 수밖에 없습니다. 그러므로 난시청에 어떻게 대처하느냐가 더욱 중요하다고 할 수 있습니다.
다시 말해 디지털도 난시청 문제에서 정도의 차이는 있을지언정 자유로울 수 없습니다.
어떻게 대처해야하는가의 방법론이 문제해결의 초점이 될 것입니다.
난시청이 방송방식(정확하게는 변조방식)에 따라 어느 정도 차이가 있는가는 엄밀히 동일한 조건을 놓고 비교되어야 하는데, ATSC와 DVB-T의 두 방식에 대한 실험 경험이 없는 웹지기로서는 정확히 말씀드릴 수 없어 유감입니다.
그렇다고 전세계 어디에서고 그와 같은 엄밀한 조건 하에 제대로 된 비교실험이 있었는지 잘 파악되지 않습니다.
엄밀히 동일한 조건으로 생각해볼 수 있는 것은 동일한 송신출력과 송신안테나 조건(타입 및 높이, 지향성 등), 동일한 수신점과 수신상태(수신입력레벨, 수신기의 기술적 수준으로서 상용화제품인지 아니면 프로토타입인지, 안테나 높이와 지향성 등등), 같은 채널 대역폭, 인접채널의 동일한 기술적 상황, 동일 수신시간(백색잡음, 임펄스잡음 및 전파장애요인이 동일하게 발생할 경우의 특성분석을 위한 것임. 또한 이는 두 방식의 동일시간 송신을 의미하며 싱가포르에서 행한 것과 같은 순차실험의 비교평가 한계를 극복하기 위해 필요한 사항임), 동일한 표준 시험 신호(같은 데이터레이트를 갖는 동일한 영상 및 오디오 프로그램) 등 대단히 많은 조건들이 있습니다. 따라서 엄밀한 비교 실험에는 생각보다 많은 노력과 준비가 뒤따라야 하기 때문에 일반적으로 이미 발표된 각각의 실험결과 자료들을 활용합니다.
그리고 가능한 한 많은 전문가가 그 자료를 공정하고 객관적으로 판단할 수 있다면 그것을 방식선정의 기초자료로 활용하는 것은 그 자체가 엔지니어링이라 할 수 있습니다.
한편 난시청을 해결하는 방법은 매우 다양합니다.
실내수신율이 모든 가정에서 반드시 필요한 사항은 아닐 것입니다.
이를테면 많은 가정에서는 옥외안테나나 공청안테나를 사용하므로 실내안테나를 사용할 경우를 제외하고는 실내수신율이 그다지 문제가 안될 수도 있습니다.
아날로그에서도 그렇지만 디지털에서도 피할 수 없는 난시청지역은 무인중계기(TV Repeater, TVR이라 부름) 또는 유선중계방송 등을 이용하여 나름대로 해결할 수 있습니다.
다만 그러한 비용이 전체코스트를 생각할 때 고려의 대상이 되는지에 대해서는 정확한 예측자료가 준비되지 않아서 여기서는 논외로 합니다.
전체코스트에는 방송사 부문만이 아니라 국가 경제의 전체 틀 속에서 고려되어야 할 것이기 때문입니다.
TVR은 정상적인 깨끗한 신호를 수신할 수 있는 높은 곳(주로 난시청 지역에서 대체로 잘 바라다 보이는 부근의 산)에서 방송을 받아, 그 채널주파수와는 다른 주파수(아날로그든 디지털이든 다른 주파수로 재송신)로 난시청지역을 향해 중소출력의 전파를 재발사하는 장치입니다. 따라서 난시청지역이 곳곳에 생길수록 주파수는 그만큼 필요한 것이 당연합니다.
이러한 TVR을 설치할 경우, ATSC방식은 많은 중계기 때문에 주파수 부족을 염려하셨는데, DVB-T방식도 초기에 단일주파수망(SFN : Single Frequency Network)을 구축할 수 있다는 장점을 내세웠지만 실제적으로 SFN은 구축되지 못하고 있어 난시청지역을 TVR로 커버하기 위해서는 주파수 확보가 필요하게 됩니다.
결국 유럽에서도 DFN(Dual Frequency Network)이나 셀룰러형식의 주파수배치 방법을 도입하는 등 보완책이 검토되고 있으며, 이론대로 적용되지 않고 있다고 합니다.
따라서 주파수라는 것이 만들어 낼 수 없는 유한 자원이기 때문에 효율적으로 쓸 수 있는 연구가 필요하며, 이에 대해서는 주파수관리 소관부처인 정보통신부가 어떠한 복안이 있으리라 생각합니다.
어떠한 방식이 사용되든 간에 주파수는 항상 부족함을 느낄 수밖에 없으므로, 어떻게 하는 것이 현존하는 서비스와 미래에 시작할 서비스간에 무리 없는 도입 및 전환을 할 수 있는지 대단히 중요한 일이 아닐 수 없습니다.
예를 들면 기본적인 정책으로서 국가기간방송인 KBS에게는 주파수를 우선 배정해 주어야 한다고 봅니다. 왜냐하면 방송법상으로도 그렇고 정서 상으로도 국가기간방송은 모든 국민에게 빠짐없이 서비스해야하기 때문입니다.
배정할 때에도 되도록 운용상 가장 비용이 적게 드는 주파수를 배정해주어야 할 것입니다.
만약 그러고도 주파수가 부족하여 민간상업방송이 서비스확장에 어려움이 있다면 유선중계나 기술적인 다른 방법을 고려해야 할 것입니다.
최근 기술적인 접근 방법 중의 하나로 OCR(On Channel Repeater)를 실험하고 있다는데 그 결과를 지켜봐야 할 것 같습니다