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트위스트 페어 케이블을 이용한 고속 통신 개요

트위스트 페어 케이블은 고속 데이터 통신에 가장 폭넓게 사용되는 케이블로 자리잡고 있다. 그럼에도 동축 케이블과 PCB 트레이스에 대해 다룬 자료들은 많이 있지만, 트위스트 페어 케이블의 경우에는 다양한 상황에서 이 케이블이 어떤 특성을 나타내는지 보여주는 자료가 그리 많지 않다. 이에 트위스트 페어 케이블을 이용한 고속 통신에 대한 개괄적인 정보를 알아본다.

글_ Mark Sauerwald, 내셔널 세미컨덕터 어플리케이션 엔지니어

내셔널 세미컨덕터는 지난 19세기 이후로 트위스트 페어 케이블을 설치 및 사용해 오고 있다. 이제 21세기로 접어들어서도 이 케이블은 고속 데이터 통신에 가장 폭넓게 사용되는 케이블로 자리잡고 있다. 트위스트 페어 케이블(그림 1 참고)은 수백만 가정에 고속 인터넷을 연결시켜주는 DSL 서비스를 포함하여 전화선에 일반적으로 사용된다. 또한, TV 수상기 및 컴퓨터 모니터의 HDMI 및 DVI 단자 연결과 이더넷 연결에도 사용되는 등 용도가 다양하다. 트위스트 페어 케이블이 곳곳에서 다양하게 이용되고는 있지만 막상 이 케이블의 특성을 자세히 분석한 문서를 찾으려고 해보면 찾기가 거의 어렵다는 것을 알게 될 것이다.

동축 케이블과 PCB 트레이스에 대해 다룬 자료들은 많이 있지만, 트위스트 페어 케이블의 경우에는 폭넓은 사용에도 불구하고 다양한 상황에서 이 케이블이 어떤 특성을 나타내는지 보여주는 자료가 그리 많지 않다. 여기에 의문을 갖고 더 알아보니, 트위스트 페어 케이블에 대한 분석이 부족한 이유 중 하나가 복잡한 수학적 문제를 다루어야 하기 때문임을 알게 되었다.

동축 또는 PCB 레이아웃을 분석할 때는 2차원적 분석을 이용하여 케이블의 특성을 꽤 훌륭하게 모델링할 수 있지만 트위스트 페어 케이블은 근본부터가 3D 구조이다(3차원을 뺀다면 전도체를 꼰 형태와 꼬지 않은 형태에 차이가 없어지게 된다). 따라서, 본 문서에서는 설계자를 위해 트위스트 페어 케이블을 이용한 고속 통신에 대한 개괄적 정보를 제공하고 A 지점에서 B 지점까지 고속 데이터를 전송할 때 관련되는 문제들을 살펴보겠다.

트위스트 페어 케이블을 선택하게 되는 장점 중 하나는 신호를 균형있는 페어 형태로 보낼 수 있다는 점이다. 즉, 신호의 참조 기준이 접지가 아니라 트위스트 페어 케이블의 반대쪽이 된다. 균형있는 페어 형태의 작동에서 간섭을 일으키는 자기장이나 전기장이 있는 경우, 트위스트 페어 케이블의 두 라인 모두에 간섭의 영향이 동일하게 유입되고 수신 측에서는 트위스트 페어 케이블의 두 라인 간의 차이를 검출하는 것이기 때문에 간섭의 영향은 매우 적다. 이렇게 간섭에 대한 민감도가 상대적으로 낮기 때문에 차등 신호(신호 스윙이 작음)를 사용하면 비슷한 상황에서 SE시스템보다 전력 사용량을 줄일 수 있다.

차동 케이블에서 신호 손실

트위스트 페어 케이블의 감쇠 특성을 유도하기 위해 필요한 수학적 처리가 동축보다 꽤 복잡하기는 하지만 궁극적으로 세 가지 손실 메커니즘을 다룬다는 점에서는 매우 비슷하다.

* 케이블의 저항으로 인해 발생하는 저항 손실.
이 영향은 주파수와 상관이 없으며 상당히 작다. 대부분의 경우, 고려할 만한 요인이 아니다. 매우 긴 케이블에 걸쳐 매우 낮은 데이터 속도의 신호나 전력을 보내는 경우에는 이 요인을 고려해야 한다.

* 감쇠가 주파수의 제곱근의 함수로 증가하는 표면 효과 손실.
그리 높지 않은 주파수에서도 이 효과는 지배적인 감쇠 요인으로 작용하기 때문에 트위스트 페어 케이블을 유용하게 사용하는 대부분의 경우에 이 효과가 가장 주의 깊게 살펴봐야 하는 손실 유형이다.

[표면 효과 손실에 대한 자세한 설명은 www.en-genius.net/includes/fil es/iot_011209.pdf에서 "With A Good Cable Equalizer, An Engineer Can Go Far In This World(엔지니어에게 큰 도움을 주는 케이블 이퀄라이저)”를 참고바랍니다.]

* 주파수에 따라 선형적으로 증가하는 유전 손실.
그러나 이 손실은 매우 낮은 수준에서 시작된다.

데이터 속도의 관점에서 신호를 고찰하고 있다면, 매우 낮은 속도에서 지배적인 감쇠 유형은 저항 손실이지만 그리 높지 않은 데이터 속도에서 표면 효과 손실이 지배적인 영향을 미친다. 1 Gbps 또는 2 Gbps 이상의 데이터 속도에 이르면 유전 손실이 영향을 미치기 시작하며 빠르게 영향력을 높인다.

유전 손실은 데이터 속도와 케이블 길이 모두에 비례하기 때문에 이 손실이 영향을 미치기 시작하면 급속도로 효과를 파장시키며, 이 손실이 나타나기 시작하는 시점에서 케이블을 사용할 수 있는 데이터 속도의 실질적 상한이 결정된다.

카테고리 케이블

통신에 사용되는 대부분의 트위스트 페어 케이블은 ‘카테고리 케이블’이며 때론 ‘CAT3’ 케이블과 같이 표현되기도 한다. CAT1 및 CAT2 케이블은 더 이상 보기 드물며, CAT3은 전화 네트워크에서 사용하도록 권장되는 최소의 표준 케이블이다. CAT3, CAT5e 및 CAT6 케이블은 모두 EIA/TIA 표준 568B에 의해 규격이 정해져 있다. (표 1 참고)
이러한 각 카테고리 케이블은 상당히 뚜렷한 고유 특성을 가지고 있다. 예를 들어, ANSI TIA/EIA-568-B.2에 따라 CAT5e의 삽입 손실은 다음 미만이어야 한다.

여기서, f는 MHz 단위이고 최종 결과는 케이블 100m당 dB 단위로 표현되는 손실이다.

이 수식에서 첫 번째 항은 표면 효과 손실을 나타내고 두 번째 항은 유전 손실과 관련된다. 전환 지점의 위치, 유전 손실이 지배적이 되는 위치를 찾기 위해 우리는 첫 번째와 두 번째 항이 같아지는 f 값을 찾는다. 그 지점은 약 4 GHz의 주파수이다.

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그림 2의 CAT5e 삽입 손실과 주파수의 관계에서 알 수 있는 바와 같이 유전 손실이 4 GHz 이후 지배적 요인일 수 있지만 주파수가 1 GHz까지 이르게 되면 손실은 이미 80dB 차수에 오게 되어 매우 짧은 경우를 제외하고 이 케이블을 사용하기 어렵게 된다.

트위스트 페어 케이블의 길이를 연장하는 한 가지 방법은 DS15EA101 등의 적응형 케이블 이퀄라이저를 사용하는 것이다. DS15EA101에는 그림 2. CAT5e 삽입 손실과 주파수의 관계에 나타낸 것과 반대의 특성을 가진 아날로그 필터와 필터의 게인을 조절하여 케이블 삽입 손실을 보정하는 서보 메커니즘이 내장되어 있다. DS15EA101과 같은 케이블 이퀄라이저를 사용하면 1 Gbps의 데이터 속도에서 CAT5e 케이블을 75m까지 사용할 수 있다.

트위스트 페어 케이블을 사용하여 링크 양단에서 데이터를 전송하는 많은 경우에 직렬 변환기를 사용한다. 일반적인 직렬 변환기는 케이블로 내보내는 신호를 사전에 왜곡시켜 신호의 높은 주파수 성분을 강화시킬 수 있다. 프리엠퍼시스(pre-emphasis)의 경우, 높은 주파수 성분이 강화되어 신호 형태에 오버슈트와 언더슈트가 나타난다. 프리엠퍼시스는 실제로 피크간(p-p) 신호 스윙을 공칭 값 이상으로 증가시키므로 짧은 케이블을 사용하는 경우 수신기가 이 전압을 수용할 수 있도록 주의가 요구된다. 동일한 효과를 얻는 또 다른 방법은 디엠퍼시스(de-emphasis)를 이용하는 것이다.

디엠퍼시스의 경우, 단위 간격의 처음 부분은 동일하게 유지되지만 에지 전환 후 얼마 안 되어 진폭이 낮은 수준으로 떨어진다. 신호는 프리엠퍼시스를 적용한 신호와 유사하지만 전체적인 진폭은 더 작다. 디엠퍼시스는 트위스트 페어 케이블과 차동 신호의 경우 일반적으로 노이즈 내성이 충분하다는 사실을 활용한다. 프로그램 가능한 디엠퍼시스를 제공하는 직렬 변환기의 예로 내셔널 세미컨덕터의 DS32EL0421을 들 수 있다. 이 직렬 변환기는 최대 3.125 Gbps의 속도에서 직렬 데이터 스트림을 생성할 수 있다.

크로스톡 및 간섭

소개 부분에서 언급한 바와 같이 트위스트 페어 케이블의 장점 중 하나는 상대적으로 간섭에 민감하지 않기 때문이다. 이러한 특성에도 불구하고 간섭이 트위스트 페어 케이블 통신 시스템에 부정적 영향을 미치게 되는 경우도 있다. 트위스트 페어 케이블의 유용한 특징 중 하나는 하나의 피복 내에 여러 개의 꼬여진 쌍이 구성되어 있어 하나의 케이블을 설치하면서 여러 전도체 쌍이 쉽게 얻어진다는 점이다. 그러나 좋은 점이 있으면 나쁜 점도 있기 마련이다.

여기서 나쁜 점은 바로 크로스톡이다. 동일 피복 내에 둘 이상의 트위스트 페어 케이블을 넣으면 반드시 서로 간에 간섭을 일으키게 된다. 케이블에 발생하는 크로스톡을 줄이기 위해 몇 가지 방법을 사용할 수 있으며, 이러한 방법들은 비용과 효과 면에서 다양하다.

크로스톡을 줄이는 가장 일반적인 방법은 케이블 내에서 가닥의 쌍을 단순히 서로 다른 비율로 꼬는 것이다. 꼬임 비율 또는 꼬임 피치는 일반적으로 미터당 꼬임 수로 정의된다. 두 꼬임이 서로 다른 꼬임 비율을 가지고 있으면 서로 인접하게 놓였을 때 한 쌍의 간섭은 차동 관계의 상대 측에서 상쇄되는 경향이 있다. 꼬임 비율을 다르게 했을 때 꼬임 쌍 사이에서 충분한 분리가 이루어지지 못하면 차폐 트위스트 페어 케이블(STP)을 대신 이용할 수 있다.

STP의 경우, 얇은 호일 차폐가 피복 내의 각 쌍 주변을 감싸 모든 꼬임 쌍을 묶어준다. 적절히 설치된 경우, 이 호일 차폐는 케이블의 각 끝에서 GND에 연결되고 이것이 효과적인 장벽 역할을 하여 한 쌍에 의해 생겨난 전자기 필드가 동일 케이블의 다른 쌍에 간섭을 일으키지 못하게 한다. STP의 꼬임 쌍 간 분리 효과가 더 일반화된 비차폐 트위스트 페어 케이블(UTP)의 경우보다 우수하기는 하지만 SPT는 다음과 같은 몇 가지 단점을 가지고 있다.

* STP는 UTP보다 비싸다.

* STP는 UTP보다 설치하기가 어렵다.

*STP는 UTP보다 부피가 크다.

NEXT(Near End Crosstalk)

다중 트위스트 페어 케이블에서 일반적으로 대두되는 한 가지 문제는 케이블의 서로 다른 쌍들이 반대 방향으로 데이터를 보내는데 이용될 수 있다는 점이다. 이 경우, 크로스톡은 더욱 큰 문제가 될 수 있다. 100m 길이의 CAT5e 케이블을 사용하여 300 MHz 대역폭을 가진 신호를 A 지점에서 B 지점으로 전송하는 동시에 B에서 A로 반환 신호가 보내지는 시스템을 가정해보자. 그림 2. CAT5e 삽입 손실과 주파수의 관계를 참조해조면 약 40dB의 감쇠를 예상할 수 있어 케이블 이퀄라이저로 신호를 복구할 필요가 있기는 하지만 아직은 사용해도 별 문제가 없다.

이제 A 지점에 가장 가까운 케이블 부분에서 크로스톡 문제를 고찰해보자. B 지점에서 보내진 신호는 40dB 감쇠되었지만 A 지점에서 보내진 신호는 아직 강도가 완전하다. 매우 공격적인 신호이다! 작은 양의 크로스톡이라도 수신된 신호를 크게 약화시켜 복구가 불가능하게 만들 수 있다. 이를 Near End Crosstalk또는 NEXT라고 한다. 대부분의 케이블 제조업체는 해당 트위스트 페어 케이블의 NEXT를 명시하며, 카테고리 케이블은 각 특정 케이블에 허용되는 최대 NEXT의 양을 명시한다.

위의 예에서 사용한 CAT5e 케이블의 경우, 허용되는 NEXT는 다음 수식으로 주어진다.

dB

300 MHz에서 허용되는 최대 크로스톡을 보면 NEXT가 28dB 이하라고만 보장된다는 것을 알 수 있다. 수신된 신호가 40dB 저하된다는 점을 고려했을 때 이 신호를 복구하기에는 문제가 있다.

이 경우에는 몇 가지 대안이 있다. 그 한 가지는 더 높은 등급의 케이블을 사용하는 것인데, 예를 들어 CAT6 케이블에서는 손실이 약간 적다. NEXT의 사용은 약 10dB 이상이 보장되므로 여유 폭이 상당히 개선된다.

가격 대비 품질 관계의 위쪽으로 이동하면, 피복 내의 각 개별 꼬임 쌍 주변에 호일 실드를 사용한 CAT7 등의 케이블이 있다. 이 케이블은 인접 꼬임 쌍 간에 훨씬 우수한 분리 수준을 제공하지만 케이블 가격이 비싸고 설치가 더 복잡하다는 단점을 감수해야 한다.

또 다른 대안은 주파수 성분과 에너지를 제한하여 전송하는 신호의 간섭 가능성을 줄이는 것이다. (해당 송신기에 프리엠퍼시스 옵션이 포함된 경우, 필요한 경우가 아니면 이 옵션을 사용하지 마십시오.)

트위스트 페어 케이블에서 ‘노이즈’

신호가 제어된 임피던스 라인을 따라 이동할 때 임피던스의 불연속을 만나면 불연속 지점에서 반사가 일어난다. 전송선에 이와 같은 작은 불연속 지점이 많으면 각각 시간 지연에 기여하는 이러한 반사들이 합쳐져 노이즈로 나타난다. 트위스트 페어 케이블의 경우에 임피던스는 꼬임 쌍에서 두 라인이 얼마나 근접하게 정렬되어 있는가에 따라 결정된다.

이 때문에 일정 길이의 트위스트 페어 케이블이 해당 케이블에 규정된 수준 이상으로 ‘꼬이거나’ 날카롭게 꺾이는 경우, 도관을 통과하도록 하기 위해 심하게 잡아당겨 케이블이 늘어나는 경우, 또는 다양한 방식으로 오용하는 경우에 이러한 미소한 임피던스의 불연속들이 전체 케이블 길이를 따라 나타나게 된다. 최종적으로 수신 신호를 검사해보면 심한 노이즈가 검출된다. 이 때문에 무리한 힘이나 변형이 가해지지 않도록 트위스트 페어 케이블을 설치하는 것이 중요하다.

요약

트위스트 페어 케이블은 그 용도가 매우 다양하다. 전화에서부터 PDP TV에 초당 수 기가비트의 데이터를 전송하는 HDMI 연결까지 주변에서 흔하게 볼 수 있다. 트위스트 페어 케이블이 폭넓게 이용되고 있는 이유는 저렴하고 작업과 설치가 용이하며 용도에 따라 다양한 형태의 제품들이 나와 있는 여러 장점이 있기 때문이다.

이러한 많은 장점에도 불구하고 트위스트 페어 케이블에도 설계자의 주의가 요구되는 몇 가지 문제들이 있다. 예를 들어, 트위스트 페어 케이블을 따라 발생하는 감쇠는 동축 케이블의 경우보다 크며 크로스톡, 특히 근단 크로스톡은 사용을 포기하게 되는 치명적 단점이 될 수 있다. 또한, 성능 한계 부근에서 트위스트 페어 케이블을 사용하는 경우 거친 취급으로 인해 이러한 성능이 저하될 수 있다.

따라서, 설계자가 이러한 단점을 잘 알고 적절히 감안한다면 많은 경우에 트위스트 페어 케이블은 A 지점에서 B 지점으로 데이터를 고속으로 전송하는 최상의 솔루션이 될 것이다.

저자 소개
Mark Sauerwald는 1982년 샌디에이고에 소재한 캘리포니아 대학에서 전기 공학 학사 학위를 취득했다. 졸업 후에는 디지털 비디오용 반도체 부품 업계에 뛰어들어 처음에는 TRW LSI 제품을 대상으로 디지털 비디오용 A/D 컨버터를 담당했으며, 그 후 내셔널 세미컨덕터가 인수한 Comlinear에서 일하게 되었다. Mark는 Gennum Corporation에서 몇 년을 더 일하다가 National Semiconductor로 자리를 옮겨 현재 혼합 신호 제품 부서에서 어플리케이션 엔지니어로 일하고 있다. E-mail: mark.sauerwald@nsc.com

아이씨엔 매거진 2010년 05월호

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