통신 변조 방식

1. 통신 변조 방식 주식회사ED고객지원센터

2. 목 록 아날로그와 디지털 PSK 변조 방식 MQAM 변조 방식 디지털 신호의 특징 BPSK 변조 방식 펄스 변조 방식 디지털 신호의 변조도 QPSK 변조방식 펄스 변조 방식 장점 Filter (여파기) QPSK 변조 원리 PAM 변조 방식 ASK 변조 방식 MPSK 변조 방식 PAM 변조 방식 표본화, 자연 표본화 FSK 변조 방식 QAM 변조 방식 PAM 변조 방식 표본 주파수 변화

3. TOP 아날로그와 디지털 자연상태에서 존재하는 모든 신호는 아날로그이지만, 시간과 전압을 일정한 간격의 값으로 sampling함으로서 Discrete와 Digital 신호가 만들어질 수 있다. Analog : 시간축 변수(x)와 크기값 변수(y)의 변화가 continuous 한 연속 신호 Discrete : 시간축 변수만 이산된 값으로 sampling된 신호 (크기는 연속적) Digital : 시간축 변수와 크기값 변수가 모두 이산된 단위의 값을 가지는 신호

4. TOP 디지털 신호의 특징 • <장점> • - 한번 양자화(quantization = 디지털화) 되면 그 특성이 변하지 않는다. • - 원본과 100% 동일한 복제가 가능하다. • - 전송 중에 발생하는 에러를 자동으로 복구시키는 알고리즘이 가능하다. • - 전송 거리가 멀어도 repeater를 이용하면 신호의 왜곡 없이 멀리 보낼 수 있다. • - 체계적이고 지능적인 암호화가 가능하다. • - 정보 저장의 단위와 용량이 명확하다. • - 상대적으로 아날로그보다 잡음에 강한 편이다. • <단점> • - 신호 자체가 주파수 대역폭을 많이 차지한다. • - 아날로그 신호의 미묘한 특성을 100% 간직할 수는 없다. • 회로 구조가 복잡해진다. • - 순간적인 오류가 이후의 신호에도 영향을 미칠 수 있다. • - 신호의 동기에 신경을 많이 써야 한다.

5. TOP 디지털 신호의 변복조 변조시스템과 비트에러 디지털 변복조의 가장 중요한 특징은 그림과 같이 전송되는 파형이 어느 정도 찌그러지더라도, 0과 1의 부호만 정확히 판별이 되면 완벽한 전송이 가능하다는 단순성에 있다. 반면에 심한 잡음으로 인해 1로 변조된 신호가 0으로 복조되는 경우는, 완전히 반대의 신호가 전송되는 경우가 되어 버리므로 이러한 비트 에러를 줄이는 것이 디지털 변복조 시스템의 핵심적인 기능으로 작용한다. 비트 에러율은 채널의 잡음 특성과도 관계가 깊지만, 디지털 신호를 어떠한 방법으로 변조하느냐에 따라서도 차이가 많이 발생한다.

6. TOP Filter (여파기) 2진 디지털 비트는 1과 0으로 구분되는 펄스의 열이 되는데, 효과적으로 1과 0을 구분하기 위한 펄스 변조법은 여러 가지가 존재한다. 하지만 기본적으로 하나의 펄스를 조합하여 1과 0을 구성하는 것은 모든 디지털 시스템의 공통된 기본이다. 일반적으로 펄스는 하나의 네모난 구형파로 모델링되지만, 자연계에 존재하지 않는 이상적인 신호이기 때문에 구형파와 유사한 펄스형상을 이용한다.

7. TOP Filter (여파기) • 통신 시스템에서 원하는 주파수만 선택하는 기능을 하는 필터는 매우 중요한 역할을 한다. 필터를 분류 하는 데는 크게 다음과 같은 두 가지의 분류기준으로 나누어지며, 각 분류기준에 따른 필터의 종류와 특성은 다음과 같다. a. 통과대역에 따른 분류 통과시키는 주파수 대역에 따라 대표적으로 4가지로 분류할 수 있다. 이중에서 특정 대역을 통과시키는 BPF와 고조파(harmonic) 성분을 걸러내는 LPF가 가장 많이 쓰인다. b. 시스템 안정도 ACOLADE에서는 DSP알고리즘에 근거한 시스템 안정도에 따라 FIR(Finite Impulse Response)과 IIR(Infinite Impulse Response) 의 두 가지 형태의 필터를 제공한다. ACOLADE에서는 FIR과 IIR 필터를 완전히 분리된 모델로 나누어 놓았기 때문에 필터를 사용하기 전에 미리 FIR과 IIR 중에서 선택해야 한다.

8. TOP ASK 변조 방식 1. Shift Key 디지털 신호를 전송하기 위해 아날로그 변조의 원리를 그대로 이용할 수도 있는데, 이러한 경우1과 0의 이분법식 단순신호를 효율적으로 변조하는 것이 주안점이 된다. 이러한 아날로그식 파형 변환을 그대로 이용하는 디지털 데이터 변조 방법에는 크게ASK(진폭 편이), FSK(주파수 편이), SK(위상편이)의 3가지 방법이 있다. 2. ASK (Amplitude Shift Key) 디지털 클럭이 0일때는 신호를 보내지 않고, 1일 때는 신호를 보내는 형식의 On-Off Keying과 같은 계열의 AM 디지털 전송방법이다. 구조와 원리가 가장 간단하지만, 전압을 조정하는 방식이라 상대적으로 잡음의 영향을 많이 받는 편이다.

9. TOP FSK 변조 방식 • FSK (Frequency Shift Key) 디지털 클럭이 0일때는 낮은 주파수를, 1일 때는 높은 주파수를 보내는 형식의 FM 디지털 전송방법이다. 전반적으로 ASK와 FSK의 차이점은 AM과 FM의 근본적인 차이와 유사하다.

10. TOP PSK 변조 방식 • PSK (Phase Shift Key) 디지털 클럭이 0일 때와 1일 때 각각 반송파의 위상에 일정한 차이를 두어 변조시키는 방법이다. • PSK 계열의 전송방식은 반송파의 전압, 즉 I/Q 플롯에서 신호들이 원점에서 떨어진 거리를 의미하는 반지름이 일정하기 때문에 위상만으로 신호의 내용 을 판단할 수 있다. 아래의 그림은 QPSK의 일반적인 두 가지 I/Q 플롯 형태 로 초기 위상값만 다를 뿐 실제적으로는 동일한 성능을 가지고 있다.

11. TOP BPSK 변조 방식 • BPSK (Binary Phase Shift Key) 0과 1일때의 반송파에 180도의 위상차를 두는 PSK방식을 BPSK라고 한다.

12. TOP QPSK 변조 방식 • QPSK ( Quadrature Phase Shift Keying) 무선통신에서는 PSK 혹은 BPSK의 확장된 개념인 QPSK가 많이 사용된다. BPSK가 1과 0의 두가지 신호만을 구분하는 프로토콜인 반면, QPSK는 4가지의 디지털 신호를 구분한다. 다음장의 그림에서는 QPSK의 원리를 보여주고 있는데, 00, 01, 10, 11의 4가지 2bit 디지털 신호를 전송할 수 있기 때문에 이론적으로 같은 시간 내에 BPSK보다 2배의 데이터를 전송할 수 있다. 결과적으로 BPSK가 반송파의 위상을 180도씩 바꾸어가면서 전송했다면 QPSK는 90도씩 위상을 변화시켜서 4개의 신호를 만들어내게 된다. 이렇듯 M=4인 MPSK 즉, 4 PSK와 같은 의미가 되기 때문에 QPSK 라고 불리 운다.

13. TOP QPSK의 변조 원리

14. TOP MPSK 변조 방식 • MPSK (M-ary Phase Shift Keying) MPSK는 BPSK와 QPSK를 포함한 M-ary PSK를 의미한다. M-ary 혹은 M진 변조라 함은 1과 0만으로 구성된 2진 디지털 신호가 아닌, 크기가 일정한 단계별로 분포하는 multilevel 신호의 level수를 의미한다고 이해하면 쉽다. 예를 들어 16단계로 양자화된 신호를 한번에 보내려면 적어도 16가지의 신호좌표를 가진 multilevel signaling 변조를 해야 한다. 이러한 경우에는 하나의 반송파 신호를 16가지의 위상차를 두게 만들어 16가지 서로 구분되는 신호를 보내는 16 PSK를 사용할 수 있다. MPSK에서 M=2인 경우, 즉 두 종류의 신호를 사용하면 BPSK, M=4인 경우를 QPSK라고 부르기 때문에 MPSK라 함은 이러한 PSK 계열을 모두 포함한 용어이다. 이렇듯 여러 단계로 양자화된 디지털 신호를 보낼 때는 이러한 multilevel signaling 변조법인 MPSK 혹은 다음 장에 언급될 QAM 방식을 사용함으로써 전송효율을 높일 수 있다.

15. TOP MPSK 변조 방식 Multilevel signaling을 복조할 때는 I/Q 플롯을 기준으로 각 신호 마다의 경계선을 기준으로 수신된 신호좌표의 위치를 통해 원래 신호를 찾아낸다. 채널을 통과하면서 위상이나 크기의 왜곡이 생기는데, MPSK를 이용하면 신호크기의 왜곡은 거의 무시하고 수신신호의 위상만을 주요한 구분 지표로 사용할 수 있다는 점이 큰 장점이다. 그림에서 보여진 8 PSK의 8가지 신호가 잡음으로 인해 자기의 경계선을 넘어 다른 영역으로 넘어간 경우에는 다른 비트로 판단되어 에러를 유발하게 된다.

16. TOP 일반적으로 사용되는 여러 M-PSK 시스템의 I/Q 플롯

17. TOP QAM 변조 방식 • QAM ( Quadrature Amplitude Modulation) QAM은 디지털 신호를 일정량만큼 분류하여 반송파 신호와 위상을 변화시키면서 변조시키는 방법이다. QAM은 MPSK와 달리 위상 뿐만 아니라 크기도 변수로 사용하기 때문에 더욱 많은 양의 디지털 데이터를 동시에 전송할 수 있지만, 에러에 취약한 편이다.

18. TOP QAM 변조 방식 • 16-QAM의 경우를 예를 들면 그림과 같다. 그림 (a)에서처럼 16개의 level로 양자화된 디지털 신호는 (b)와 같이 I/Q 플롯의 16개의 좌표로 분산되어 변조된다. 즉 위상과 크기가 각각 다른 16개의 신호공간을 통해 한 좌표당 4bit의 2진 디지털 신호를 보낼 수 있게 된다. 수신단 측에서는 그림 (b)에서 나타난 것처럼 16개의 신호좌표들을 구분하는 경계선을 기준으로 수신된 신호가 어느 영역에 위치하느냐를 관측하여 원래 신호로 복조 하게 된다.

19. TOP QAM 변조 방식 • 그림에서 보여지듯이, 16 QAM의 경우 12가지의 위상과 3가지의 신호크기를 조합하여 총 16개의 신호가 바둑판처럼 사용되게 된다. (I/Q 플롯에서 반지름은 신호의 크기를 말하며, I축을 기준으로 신호가 돌아간 각도는 위상을 의미한다.

20. TOP MQAM 변조 방식 • QAM은 사용하는 신호좌표의 양에 따라 여러 가지로 나누어지는데, MPSK와 마찬가지로 M-ary 방식이라서 QAM을 MQAM이라고 부르기도 하며 2의 승수에 해당하는 만큼의 신호를 사용한다. 아래 그림은 일반적으로 많이 사용되는 MQAM을 보여주고 있다.

21. TOP 펄스 변조 방식 • 메시지 신호를 펄스 파형의 진폭, 폭, 위치 중의 하나에 보내고자 하는 정보를 아날로그적으로 옮겨서 변조하는 방식을 펄스 변조(pulse modulation) 방식이라 한다. • PAM : 펄스 진폭 변조 (pulse amplitude modulation) • PWM : 펄스 폭 변조 (pulse width modulation) • PPM : 펄스 위치 변조 (pulse position modulation) 등이 있다. 이 중에서 PWM과 PPM은 펄스 열의 시간 축 상의 변화에 의한 변조 이므로 펄스 시간 변조(PTM, pulse time modulation)라고 한다.

22. TOP 펄스 변조 방식의 장점 완전한 아날로그 신호보다는 펄스들을 전송하는 것이 몇 가지 장점이 있다. • 펄스의 폭이 작다면 펄스 전송에 요구되는 에너지가 아날로그 신호 전송에 필요한 에너지 보다 훨씬 적게 된다. • 펄스는 아날로그 신호보다 잡음의 영향을 적게 받기 때문에 수신된 신호에서 신호 대 잡음비를 향상시킨다. • 펄스 사이의 시간 간격에 다른 메시지들의 샘플들로 채워서 몇 개의 메시지 신호를 한 채널에서 동시에 전송할 수 있는 시분할(TDM, Time Division) 다중화가 가능하다.

23. TOP PAM 변조 방식 • PAM ( Pulse Amplitude Modulation) PAM 방식은 아날로그 신호를 양자화하는 과정과 매우 비슷하지만, 양자화된 하나 하나의 샘플 데이터를 하나의 펄스로 취한다는 점이 다르다. 근본적으로 PAM은 아날로그 변조 시스템에서 반송파로 정현파 대신에 주기적인 펄스열을 사용한 것과 동일하다. 일반적인 아날로그 변조에서 사용하는 정현파 반송파와 PAM 신호의 중요한 차이점은 다음과 같다. • - PAM 신호는 일정 시간마다 discrete하게 sampling된 반송파 신호이다. • - PAM 신호는 펄스의 높이가 일정한 단계별로 discrete하다.

24. TOP PAM 변조 방식(표본화) • PAM ( Pulse Amplitude Modulation) PAM 방식은 아날로그 신호를 양자화하는 과정과 매우 비슷하지만, 양자화된 하나 하나의 샘플 데이터를 하나의 펄스로 취한다는 점이 다르다. 표본-유지(sample-and-hold) 회로는 신호의 순시 진폭을 표본하고, 다음 샘플링 순간까지 일정한 출력 전압을 유지한다. 표본화에 의한 PAM 파 순시 표본화(sample-and-hold)에 의한 PAM파 발생 회로

25. TOP PAM 변조 방식(자연 표본화) • 자연 표본화(natural sampling)에 의한 PAM파 발생 각 펄스 상부 모양이 펄스 폭 동안 메시지 신호에 대응하는 형태를 갖는다. 이러한 표본화를 자연 표본화(natural sampling)라 한다. 자연 표본화에 의한 PAM 파 자연 표본화를 위한 샘플링 게이트 회로

26. TOP PAM 변조 방식(표본 주파수 변화) 표본 주파수를 감소시킬수록 PAM 신호에서 메시지 신호를 인식하는 정도 32kHz 16kHz 8kHz