트랜스폰더
1. 개요
트랜스폰더는 통신, 항공, 선박, 철도, RFID 등 다양한 분야에서 사용되는 장치로, 신호를 수신하고 증폭하여 다시 전송하는 역할을 한다. 통신 분야에서는 인공위성에 탑재되어 지상과의 통신을 중계하며, 항공에서는 항공기의 위치와 고도 정보를 관제소에 전달하여 안전 운항을 돕는다. 선박에서는 자동 식별 장치(AIS)나 비상 위치 표시 무선 표지 장치(EPIRB) 등에 사용되며, 철도에서는 열차의 위치, 속도, 신호 정보를 주고받는 데 활용된다. 또한, RFID 시스템에서는 무선 주파수를 이용하여 정보를 송수신하는 IC 태그로 사용되며, 다양한 분야에서 식별 및 추적 목적으로 활용된다.
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통신 회로 -
반송파
반송파는 정보를 전송하기 위해 변조되는 기본 주파수 신호로, 초기 라디오 시스템에서 중요한 역할을 했으며 현대에도 다중 채널 전송 기술에 활용된다. -
통신 회로 -
위상동기회로
위상 동기 회로(PLL)는 입력 신호와 전압 제어 발진기(VCO) 출력 신호의 위상을 동기화하는 피드백 회로로, 위상 검출기, 루프 필터, 전압 제어 발진기로 구성되며 통신, 전자기기, 계측 분야에서 클럭 복구, 주파수 합성, FM 복조 등에 사용된다. -
항공전자 -
무인 항공기
무인 항공기는 조종사 없이 자율 또는 원격 조종으로 비행하는 동력 비행체로, 다양한 기준으로 분류되어 군사 및 민간용으로 활용되지만 안전 및 보안 위협, 사이버 공격, 악의적 사용 가능성 등의 문제점도 존재한다. -
항공전자 -
TACAN
TACAN(태켄)은 항공기의 방위와 거리를 동시에 측정하는 항법 시스템으로, UHF 대역을 사용하여 VOR/DME 시스템의 기능을 통합했으며, 함선이나 차량에도 설치 가능하고, 거리 측정 기능은 민간에서 VORTAC으로 사용되지만, GPS 기술 발전으로 중요성은 감소하고 백업 시스템으로서의 역할이 유지될 전망이다.
2. 통신
트랜스폰더는 통신 분야에서 다음과 같은 역할을 한다.
* 통신위성에 탑재되어 지구에서 보낸 전파를 받아 증폭한 후 다시 지구로 보내는 중계 기능을 수행한다.
* 광섬유 통신에서 광섬유를 통해 전달되는 빛 신호를 전기 신호로, 또는 그 반대로 바꾸는 역할을 한다.
2.1. 위성 통신
통신위성은 지구 궤도를 돌며 지상으로부터 전파를 수신하여 증폭한 후 다시 지상으로 보내는 중계기 역할을 한다. 트랜스폰더는 통신위성에 탑재되어 이 중계 기능을 수행한다. 사용하는 주파수대는 지상에서 위성으로 전파를 보내는 업링크와 위성에서 지상으로 전파를 보내는 다운링크의 국제적인 결정에 의해 규정된다.
주로 마이크로파 대역의 전파가 사용되며, 통신위성은 C 밴드(4/6GHz), Ku 밴드(12/14GHz), Ka 밴드(20/30GHz)가 사용되고, 군용 위성통신에서는 X 밴드도 사용된다. 방송위성(통신위성을 이용한 위성방송 포함)은 Ku 밴드가 사용된다. 통신/방송위성 사업자는 트랜스폰더 대역을 통신 사업자나 방송 사업자에게 판매하여 수익을 창출한다.
디지털 비디오 데이터 압축 및 다중화를 사용하면 여러 비디오 및 오디오 채널이 단일 광대역 반송파의 단일 트랜스폰더를 통해 전송될 수 있다. 원래의 아날로그 비디오는 오디오 및 자동 송신 식별 서비스(ATIS)용 부반송파를 사용하여 트랜스폰더당 하나의 채널만 가졌다. 다중화되지 않은 라디오 방송국은 단일 반송파당 단일 채널(SCPC) 모드로도 전송될 수 있으며, 트랜스폰더당 여러 개의 반송파(아날로그 또는 디지털)를 사용할 수 있다.
2.2. 유선 통신 (광통신)
광섬유 통신에서 트랜스폰더는 광섬유를 통해 전달되는 광신호를 전기 신호로, 또는 그 반대로 변환하는 역할을 한다. 일반적으로 데이터 전송률 및 신호가 이동할 수 있는 최대 거리에 따라 트랜스폰더를 구분한다.
학술 및 상업 문헌에서 "트랜스폰더"라는 용어는 기능적으로 중요한 차이를 가진 여러 항목에 적용될 수 있다.
* 한 설명에 따르면, 트랜스폰더와 트랜시버는 모두 전이중(full-duplex) 전기 신호를 전이중 광신호로 변환하는 기능적으로 유사한 장치이다. 두 장치의 차이점은 트랜시버는 직렬 인터페이스를 사용하여 호스트 시스템과 전기적으로 인터페이스하는 반면, 트랜스폰더는 병렬 인터페이스를 사용한다는 것이다. 이러한 관점에서 트랜스폰더는 처리하기 쉬운 저속 병렬 신호를 제공하지만 트랜시버보다 크고 전력 소비량이 많다.
* 다른 설명에 따르면, 트랜시버는 전기-광학 기능만 제공하는 것으로 제한되며 (직렬 또는 병렬 전기 인터페이스를 구분하지 않음), 트랜스폰더는 하나의 파장에서 다른 파장의 광신호로 광신호를 변환한다(ITU 표준 DWDM 통신용). 따라서 트랜스폰더는 백투백으로 배치된 두 개의 트랜시버로 간주될 수 있다. 이러한 견해는 후지쯔(Fujitsu)에서도 지지하는 것으로 보인다.
결과적으로 트랜스폰더 기능의 차이는 트랜시버 및 멀티플렉서(Muxponder)와 같은 관련 광 모듈의 기능적 설명에도 영향을 미칠 수 있다.
3. 항공
항공 교통 관제(ATC)에서 트랜스폰더는 항공기의 위치, 고도 등의 정보를 지상 관제소에 전송하여 안전 운항을 돕는 핵심 장비이다. 항공기는 트랜스폰더를 통해 스쿼크 코드(Squawk Code)라고 불리는 4자리 식별 코드를 전송하며, 관제사는 이를 통해 항공기를 식별하고 관제한다.
지상 SSR로부터 1030 MHz 전파로 보내진 질문용 신호를 비행기의 ATC 트랜스폰더가 수신하면 1090 MHz 응답 신호를 수십 개의 펄스로 답장한다. 이 신호와 일차감시 레이다 영상을 조합하는 것으로 관제사는 레이다 스크린상에 어느 항공기를 나타내는지, 그 항공기가 어느 고도로 비행하고 있는지에 대한 정보를 얻을 수 있다.
일차 레이더는 대형 전금속 항공기에는 효과적이지만, 소형 복합재 항공기에는 그렇지 않다. 또한, 지형 및 강우 또는 강설에 의해 그 범위가 제한되며, 자동차, 언덕 및 나무와 같은 원치 않는 물체도 감지한다. 게다가, 항공기의 고도를 항상 정확하게 추정할 수 있는 것은 아니다. 이차 레이더는 이러한 한계를 극복하지만, 지상국으로부터의 질의에 응답하기 위해 항공기의 트랜스폰더에 의존하여 항공기를 더욱 가시적으로 만든다.
질의 유형에 따라 트랜스폰더는 트랜스폰더 코드(또는 "스쿼크 코드", Mode A) 또는 고도 정보(Mode C)를 보내 항공 교통 관제사가 항공기를 식별하고 항공기 간의 간격을 유지하도록 돕는다.
모드 S(Mode Select)는 과도한 트랜스폰더 질의(번화한 지역의 많은 레이더)를 방지하고 자동 충돌 회피를 허용하도록 설계되었다. Mode S 트랜스폰더는 Mode A 및 C와 하위 호환성이 있다. Mode S는 많은 국가의 관제 공역에서 의무적이다.
* 모드 3/A: 스쿼크(Squawk) 정보를 응답한다.
* 모드 3/C: 비행 고도 정보를 응답한다. 고도는 QNE를 사용하여 100피트 단위로 표시하며, 지상국에서 QNH로 변환되어 해발 0미터부터의 고도가 된다.
* Air Data Computer (ADC)를 사용하는 항공기: 고도 정보는 ADC에서 ATC 트랜스폰더로 전송된다.
* 구형 고도계만 장착된 항공기: 고도 정보는 일반적인 아날로그 고도계 후면에 고도를 부호화하는 장치가 부착된 엔코딩 알티미터(Encoding Altimeter)에서 ATC 트랜스폰더로 전송된다. 엔코딩 알티미터는 지침의 표시 고도를 광학적으로 디지털 신호로 변환하여 ATC 트랜스폰더로 전송한다.
* 모드 S: 기존의 이차 감시 레이더(SSR)는 항공로 및 공항에 설치되어 항공 교통 관제 업무의 안전성과 효율성에 기여해 왔지만, 향후 항공 교통량 증가에 따라 레이더 표적 누락 등이 발생할 우려가 있어 감시 능력 확대 및 통신 자동화를 위해 고안된 것으로, 개별 식별 레이더 비콘 장치라고 불린다. 기존 ATC 트랜스폰더 방식과 호환되며, ICAO의 국제 표준 방식의 새로운 시스템이다.
항공기 충돌 방지 장치(ACAS:Airborne Collision Avoidance System)에는 모드 S가 사용된다.
4. 선박
동일한 응답 장치는 선박에 장착된다. 국제 자동 선박 식별 장치(Universal Automatic Identification System)나 비상위치표시무선표지장치(Emergency Position Indicating Radio Beacon, E-PIRB), 수색용 레이더에 반응하는 수색구조용 레이더 트랜스폰더(Search and Rescue Transponder, SART) 등의 시스템에도 사용된다.
국제해사기구(International Maritime Organization)의 해상인명안전협약(International Convention for the Safety of Life at Sea, SOLAS)은 총톤수 300톤 이상의 국제 항해 선박과 크기에 관계없이 모든 여객선에 자동선박식별장치(Automatic Identification System, AIS)를 설치하도록 규정하고 있다. AIS 송수신기는 일반적으로 트랜스폰더라고 불리지만, 자율적으로 송신되는 것이 일반적이다. 하지만 해안국(Coast radio station)은 소형 선박의 B급 트랜스폰더(class B transponders)에 추가 정보를 요청할 수 있다. 항해 보조 장치(navigational aid)에는 종종 레이더 화면에서 눈에 띄도록 설계된 RACON(레이더 비컨, Racon)이라는 트랜스폰더가 있다.
음향 신호에 응답하는 소나 트랜스폰더도 수색 구조 등을 위해 사용된다.
5. 철도
철도에서 트랜스폰더는 차량 하부의 "차상자"와 선로 내의 "지상자" 간 상호 통신을 수행하는 시스템을 말한다. 이는 일방향 통신 시스템이 발전된 형태로, 통신에는 마이크로파 등이 사용된다.
트랜스폰더는 자동열차정지장치(ATS), 자동열차제어장치(ATC)의 일부, 자동열차운전장치(ATO) 및 정위치정차장치(TASC) 외에도 다양한 신호 보안 설비의 송수신부(차량-지상 간 인터페이스)에 사용된다.
트랜스폰더를 통해 전송되는 정보는 다음과 같다. 회사나 장치의 종류에 따라 동일한 정보가 다른 장치에서 처리되는 경우가 많아, 특정 정보와 장치를 단정 지을 수는 없다.
| 차상 → 지상 | 지상 → 차상 |
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구체적인 예
동일본 여객철도 도요코 선의 정보 전송 장치에서는 트랜스폰더를 사용하여 차상에서 지상으로 열차 정보와 운전 정보(해당 역에 정차하는(했는)지 여부)를 전송하고, 지상에서 차상으로는 다음 역의 정차 종별 정보와 정차 위치 정보, 임시 속도 정보를 전송한다. 이를 통해 역 정차 제어(오통과 방지 및 과주행에 의한 후퇴 시 안전성 확보), 건널목 제어, 열차 정보 감시 및 운행 관리 장치로의 자동 이식에 사용된다. ATO/TASC 인터페이스에도 본 장치를 개조하여 사용하며, 스크린도어 연동에도 사용된다.
신칸센에서는 열차 번호 송수신 장치라고 불리며, 운전대의 열차 설정기로 열차 번호(열번)를 설정하고, 그 정보가 차상측 차상자와 지상측 지상자 간 인터페이스를 거쳐 지상 장치로 전송된다. 그 후 CTC·수송 관리 시스템·신호 취급소 열번 표시기·승강장 열번 표시기·여객 안내 정보 시스템(PIC)에 열차 번호가 전송되어 열차 위치를 파악한다. 동시에, 그 정보와 수송 관리 시스템의 진로 제어용 데이터를 바탕으로 지상에서 열차의 진로 자동 제어를 수행하고, 역에서는 종합 지령소에서 보낸 다이어 정보와 함께 여객 안내 장치를 제어한다. 초기에는 세라믹 공진식이 사용되었지만, 나중에 트랜스폰더식으로 교체되었다. 산요 신칸센에서는 300km/h 고속 열차가 설정됨에 따라 열차 정보 처리 장치(TIPB)를 도입했다. TIPB는 ATC 장치에서 궤도 회로 정보를 수신하여 열차 추적을 수행하는 동시에 트랜스폰더 지상자에서 열차 번호를 수신하여 해당 열차가 고속 열차인지 저속 열차인지 종별 판단을 하고, 그에 따른 열차 속도 제어를 ATC로 수행하는 기능을 가진다. 이후 호쿠리쿠, 도호쿠 신칸센과 규슈 신칸센에도 도입되었지만, 규슈 신칸센에는 고속 열차 설정이 없으므로 고속 열차 속도 제어 기능은 사용되지 않는다. 열차 번호를 수신하는 지상자는 본선상의 역 출발 방향(열차의 진행 방향)의 분기기 부근에 설치되어 주행 중에 열차 번호를 수신하는 지상자(루프 코일형 지상자)와 역의 열차 정차 위치에 설치되어 정차 중에 열차 번호를 수신하는 지상자(루프 코일형 지상자)의 2종류가 있으며, 수신 후 중계기를 거쳐 수신 처리부 또는 열번 처리부로 보내져 해독된 후 각 기기실의 각 장치로 보내진다.
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(도쿄도 교통국 6300형 전차)
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