부호간 상호 간섭 (ISI)

ISI의 개요
ISI는 Inter-Symbol Interference 의 약어로 부호간 상호 간섭이라 한다. ISI는 전송되는 디지털 심볼 신호가 다중경로 페이딩 (Multipath Fading), 대역제한된 채널을 통화하는 등의 문제를 겪으면서 발생되는 디지털 심볼 간에 상호 간섭 현상을 말한다. 이로 인해 디지털 펄스 전송 간에 비트 중첩과 간섭에 의한 오류가 발생한다.

ISI 발생원인
전송선로(채널)을 통과할 때 자연적으로 발생하는 현상으로 다양한 원인을 찾을 수 있다.

• 선로특성에 의한 잡음
  전송로 잡음
  
  
• 불완전한 필터
  
  
• 선로대역폭
  선로의 대역폭이 원신호보다 좁은 경우 선로상에서 스펙트럼의 일부가 유실되어 신호의 왜곡을 가져와 ISI를 발생시킨다. 
  샤논의 채널용량 공식에 의해 선로 대역폭은 채널용량에 큰 영향을 끼침

ISI 측정 (Eye Pattern을 활용)
광 또는 전기 신호의 누적 또는 중첩된 전압파형을 시간축상에 나타낸 것으로 오실로스코프로 보면 출력 파형의 모양이 눈과 같이 보여서 Eye Pattern 또는 Eye Diagram이라고 한다. 일반적으로 ISI를 측정하기 위해 사용한다.

입력신호가 완전히 랜덤하고 시스템이 선형적이라면 모든 눈의 모양은 동일하지만, 실제 전송 채널은 비선형이므로 눈패턴은 대칭이다. 눈이 뜰수록 잡음이 없는 것이고, 눈이 완전히 감기면 ISI 간섭이 매우 심한 경우를 나타낸다.

수신 신호를 오실로스코프의 수직편향판에 가하고 전송된 심볼율 (R=1/T)과 동일한 주기를 갖는 톱날파를 수평편향판에 사하면 Eye Pattern이 생긴다. 

위의 표에 대한 설명은 다음과 같다.

• Timing Error
  샘플링의 에러에 관련한 것으로 눈이 열린 최대 높이가 최적의 샘플링 순간
  
  
• Sensitivity
  Eye Pattern의 기울기를 통해 시간 오차에 대한 민감도를 알수 있다.
  
  
• Noise Margin
  눈이 열린 높이만큼을 잡음에 대한 여분으로 잡을 수 있다.
  
  
  
• Maximum Disrottion
  Eye Pattern의 맨 위와 아래의 파형들의 진동폭은 신호가 샘플링되는 순간 왜곡되는 최대값을 나타남

ISI 방지 대책
부호간 상호 간섭 문제를 해결하기 위해 다음의 기법을 이용한다.

• 선로 대역폭 확장
  가장 확실한 방법이지만 선로 교체 시 많은 비용이 발생하므로 최초 설계 시 신호와 선로위 대역폭 및 비용과의 관계를 철저히 분석하여 잘 조절해야 한다.
  
  
  
• 성형 필터 및 등화기 (Equalization) 사용
  전 주파수 대역에 걸쳐 진폭 및 위상이 균일한 특성을 가지게 하여 채널 상의 왜곡 및 간섭을 복원 보상하는 신호 처리 또는 필터링 기술이다.
  
  선로 대역폭에 맞게 사전에 필터링을 수행하여 선로에 원하지 않는 성분을 제거하여 수신단에서 복원하도록 한다. 
  
  
  
• 재생 중계기 사용
  선로의 재질이 좋고 대역폭이 넓다 하더라도 거리가 멀어지면 감쇄현상에 의해 ISI가 발생한다. 진폭의 최고점과 최저점이 가장 늦게 누화되는 자연 현상을 이용하여 재생 중계기를 사용하면 멀리 전송할 수 있으며 잡음을 제거하면서 전송되므로 잡음에 강한 설계를 할 수 있다. 재생 중계기는 간단하고 크기가 작으며 비용이 저렴하다. 
  
  재생 중계기를 사용할 경우에는 성형 필터나 등화기의 사용을 덜 해도 되고, 선로의 재질이 떨어지더라도 어느정보 보상이 가능하므로 선로의 비용이 재생 중계기 보다 훨씬 비싸다는 것을 감안하면 적절한 설계가 가능하다.
  
  
  
  
• OFMA의 경우 CP (Cyclic Prefix)를 사용
  심볼간 간섭 방지용 보호구간을 둬서 부반송파 간의 직교성의 파괴를 방지하기 위해 유효 심볼 구간의 마지막 구간에 신호를 복사해서 삽입 (Cyclic Prefix) 또는 첫 구간의 신호를 복사하여 뒤에 삽입
  
  

재생 중계기 개요
재생 중계기는 전송선로의 특성에 의해 파형이 저하된 펄스가 식별 불가능한 상태가 되기 전에 새로운 펄스로 만들어 곧바로 전송하는 장치로 등화증폭(Reshaping), 리타이밍 (Retiming), 식별 재생 (Regenerating)의 3R에서 이루어지는 기능을 가지고 있다.

수신 펄스 신호는 등화증폭 회로에서 증폭과 동시에 ISI와 잡음을 최소로 하는 파형형으로 등화된다. 타이밍회로는 식별회로에서 정펄스의 식별 시점을 주는 것과 함꼐 재생 펄스의 시간 위치와 펄스폭을 똑바로 제어하기 위하여 필요한 타이밍 신호를 발생한다. 식별재생 회로에서는 등화파형과 타이밍 신호로 부터 펄스의 유무를 판정하여 재생 중계기의 송출 펄스를 얻는다. 

경우에 따라 타이밍 회로를 생략한 2R 기능의 재생 중계기를 사용하여 회로 규모를 축소한다. 이 경우 중계 간격이 감소됨과 함꼐 지터가 증가하여 최대 중계수는 제한된다.