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3. 변복조방식 변복조의 목적과 기본구성 아날로그 변조 아날로그 신호의 디지털화 디지털변조 위상 변조파의 복조

3. 변복조방식 변복조의 목적과 기본구성 아날로그 변조 아날로그 신호의 디지털화 디지털변조 위상 변조파의 복조. 3.1 변복조의 목적과 기본구성. 베이스밴드신호 : 정보로 송신할 정보신호 베이스밴드신호를 그대로 무선신호로 송신  해당되는 무선주파수 대역을 확보하기가 어렵고 , 그 주파수의 무선으로서 의 성질 때문에 현실적이지 않다 .  베이스밴드신호의 주파수 성분보다 더 높은 무선주파수 대역을 할당한 주파수로 변환하여 송신

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3. 변복조방식 변복조의 목적과 기본구성 아날로그 변조 아날로그 신호의 디지털화 디지털변조 위상 변조파의 복조

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Presentation Transcript

  1. 3. 변복조방식 • 변복조의 목적과 기본구성 • 아날로그 변조 • 아날로그 신호의 디지털화 • 디지털변조 • 위상 변조파의 복조

  2. 3.1 변복조의 목적과 기본구성 베이스밴드신호: 정보로송신할 정보신호 베이스밴드신호를 그대로 무선신호로 송신  해당되는 무선주파수 대역을 확보하기가 어렵고, 그 주파수의 무선으로서 의 성질 때문에 현실적이지 않다.  베이스밴드신호의 주파수 성분보다 더 높은 무선주파수 대역을 할당한 주파수로 변환하여 송신  (즉) 베이스밴드신호를 전파에 실어서 송신함으로써 정보를 보내고, 수신측에서는 그 전파에 실려 온 베이스밴드 신호를 추출하여 정보를 얻는다.  베이스밴드신호를 싣는 전파를 캐리어(carrier: 운반한다는 의미) 또는 반송파라고  베이스밴드신호를 캐리어에 싣는 것을 변조(Modulation), 변조된 신호로부터 베이스밴드신호를 추출하는 것을 복조(Demodulation)  변조와 복조를 함께 구현하는 기기를 모뎀(Modem)이라고 부른다.

  3. 3.1 변복조의 목적과 기본구성 캐리어가 되는 전파의 주파수: (송신측) 수정과 같은 고주파 발진기의 발진주기에 의해 결정  캐리어는 변조기에 의해 변조되어, 전송을 위해 전력이 증폭된 후에 안테나를 통해 공간으로 방출 (수신측) 안테나를 통해 공간으로부터 캐리어 주파수를 갖는 변조파를 수신 - 전력증폭과 국부발신기를 이용하여 수신 주파수를 보다 낮은 주파수로 변환 - 복조기를 사용하여 베이스밴드 신호를 추출 (송신측) 증폭기:멀리 떨어진 거리로 신호를 전송하는 관점에서 출력이 중시되기 때문에, 일반적으로 고출력 증폭기로 불린다. (수신측) 증폭기:수신된 미약한 전파로부터 잡음(노이즈)의 발생을 억제하는 증폭이 중요하기 때문에 저잡음 증폭기로 불린다.

  4. 3.1 변복조의 목적과 기본구성 • 변조:베이스밴드신호에 대응하여 캐리어의 진폭, 주파수, 위상의 3개의 파라미터 중에서 어느 것을 변화 • 진폭변조, 주파수변조, 위상변조 • 송신하는 원래의 베이스밴드신호가 아날로그인 경우 아날로그 변조 • 디지털인 경우 디지털 변조라고 한다. • 아날로그 변조: • 아날로그 신호의 파형을 그대로 연속적인 신호로 변조하는 방식 • 디지털 변조: 디지털 신호(0,1)의 상태에 따라 파라미터를 변화

  5. 3.1 변복조의 목적과 기본구성

  6. 3.2 아날로그 변조 (1) 진폭변조 (AM) 베이스밴드신호에 따라 캐리어의 진폭을 변화시켜 정보 전송 캐리어:c(t)=𝐴cos(wct), 아날로그신호인 베이스밴드신호:g(t) s(t): AM 변조 파형 s(t) = [1+mg(t)]c(t) = A[1+mg(t)]cos(wct) 𝑤c: 각 주파수로 2πfc로 정의𝑚: 변조도 - 변조에 의한 진폭 변화의 정도

  7. 3.2 아날로그 변조 (1) 진폭변조 (AM) 베이스밴드신호 g(t)=cos(𝑤0t)로 가정, 단 𝑤c≫𝑤0 s(t) = A cos(wct) + Amcos(w0t) cos(wct) = Acos(wct) + Am/2 cos(wc+w0)t + Am/2 cos(wc-w0)t By 삼각함수 공식 cosαcosβ= ½ cos(α-β)+ ½ cos(α+β )

  8. 3.2 아날로그 변조 (1) 진폭변조 (AM) 변조파의 스펙트럼은 캐리어를 중심으로 대칭의 형태  한쪽의 측파 대역만을 사용하여 베이스밴드신호를 전송  SSB(Single Side Band)  SSB를 사용하면, 사용주파수 대역폭은 절반으로 줄어들기 때문에 주파수를 효율적으로 이용할 수 있다.

  9. 3.2 아날로그 변조

  10. 3.2 아날로그 변조 • 주파수 스펙트럼과 대역폭 • 신호의 스펙트럼: 신호를 구성하는 모든 정현파 신호의 조합 • 신호의 대역폭: 주파수 스펙트럼의 넓이

  11. 3.2 아날로그 변조 (2) 주파수 변조 (FM) 베이스밴드신호에 따라 캐리어의 주파수를 변화  FM 라디오 방송과 아날로그 TV의 음성방송

  12. 3.2 아날로그 변조 캐리어vc vc = Vcsinwct 베이스밴드신호 vb: vb = Vbsinwbt 주파수변조 주파수 𝑓 f = fc + kVbcoswbt = fc + Δ𝐹 coswbt 𝑓c는 캐리어주파수, 𝑘는 비례계수 Δ𝐹: 최대주파수 천이  베이스밴드신호의 진폭이 최대일 때, 주파수의 변화도 최대 FM 변조파의 각 주파수: 𝑤 w =2πf = 2 πfc + 2π Δ𝐹 coswbt = wc + ΔwFcoswbt (3.6) 단, Δ𝑤F= 2πΔ𝐹

  13. 3.2 아날로그 변조 FM 변조파의위상각 편이 θ를 구하기 위해 식 (3.6)을 시간에 대해 적분 θ = ∫ t0 w dt = ∫t0 (wc+ ∆wFcoswbt) dt = wct + ∆wF/wb sin wbt = wct + mF sin wbt (3.7) 𝑚F: 주파수 변조지수 = ∆wF/wb = ∆F/fb FM 변조파: (3.9) s(t) = Vc sin (wct+mF sin wbt) • FM 변조방식은 AM 변조와 달리 신호의 진폭에 정보를 가지고 있지 않음 • 잡음에 의한 진폭 변화의 영향이 없다 • (따라서)AM 방식에 비해 높은 전송품질을 확보

  14. 3.2 아날로그 변조 • 아날로그 전송: • 전송 도중에 잡음 등의 영향에 의해 변조파의 파형이 붕괴되면 • 원래의 파형을 복원할 수 없다. • 따라서 이들 방식으로 고신뢰, 고품질의 전송을 실현하는 것에는 한계 • 고신뢰, 고품질을 실현하는 디지털 변조가 필요

  15. 3.3 아날로그 신호의 디지털화 (1) 디지털화의 의미 디지털화한 정보를 전송하는 것은 아날로그 정보를 그대로 전송하는 것에 비해 다음의 장점이 있다. ① 잡음에 강하고 열화한 파형의 재생 가능 ② 오류 검출과 정정가능 ③ 암호화 가능 ④ 회로의 소형화와 경량화 가능 ⑤ 데이터 압축 가능

  16. 3.3 아날로그 신호의 디지털화 (2) 디지털화의 방법 (3.10) 표본화(샘플링) 정리: 원래의 신호에 포함된 최고 주파수의 2배 이상의 주파수 주기로 샘플링을 함으로써 원래의 신호를 재현할 수 있다는 정리 T = 1 / 2f 𝑇: 표본화(샘플링) 주기 (sec), 𝑓: 베이스밴드신호에 포함된 신호 성분들 중에서 최고 주파수(Hz)

  17. 3.3 아날로그 신호의 디지털화 샘플링한 값을 수치화  몇 비트를 수치화하는 가, 즉 비트 수에 따라 진폭값에 대한 오차가 생김 양자화 잡음(양자화 오차) 신호 대 양자화 잡음비(S (signal)/N (Noise)) S/N ≒ 6n + 1.8 [dB] 비트 수가 많을수록 양자화 잡음의 영향이 적어지고 원래의 신호를 보다 정확하게 재생할 수 있지만, 전송에 필요한 회선속도는 커지게 된다. [예] 음악용 CD의 경우:16비트로 양자화 신호와 양자화 잡음에 의한 S/N비 : 약 98dB

  18. 3.3 아날로그 신호의 디지털화 • 유선전화: • 음성 신호의 경우, 높은 주파수성분을 제거하여도 통화가 가능하기 때문에 최고 주파수를 4kHz로 한다 • (사람이 들을 수 있는 소리는 수십 Hz ~ 20kHz 정도이다). • 샘플링 정리에 의해 그 2배의 주기인 8kHz, 즉 0.125ms 마다 샘플링 • 8비트로 양자화하여 64kbps로 전송 • 유선통신 시스템의 디지털통신에서 기본적인 방법 • 휴대전화 등의 이동통신 시스템: • 주파수를 효율적으로 이용하고, 단말의 전력 소비를 적게 하기 위해 • 데이터 압축을 사용하는 부호화 기술을 이용 • 보다 작은 전송속도로 통신하는 기술이 적용됨

  19. 3.3 아날로그 신호의 디지털화 Digital  Digital

  20. 3.3 아날로그 신호의 디지털화 Analog  Digital

  21. 3.4 디지털 변조

  22. 3.4 디지털 변조 Digital  Analog ASK BPSK FSK

  23. 3.4 디지털 변조 위상변조 : 휴대전화 시스템과 무선 LAN 등에서 가장 널리 사용 BPSK 베이스밴드신호 𝑏i(t) ((0, 1)의 부호열)에 따라 캐리어의 위상을 (0, π)로 변화시켜 정보를 전송 <그림 3.9> BPSK 변조의 기본구성 Bi(t) = 2bi(t)-1 bi(t) = 1  Bi(t) = +1 bi(t) = 0  Bi(t) = -1

  24. 3.4 디지털 변조 BPSK s(t) = A Bi(t)sin wct = A sin wct +: bi(t) = 1 일 때 - : bi(t) = 0 일 때 = Asin {wct + πbi(t)} ± ±

  25. 3.4 디지털 변조 4-PSK (QPSK)

  26. 3.4 디지털 변조 4-PSK (QPSK) 001100001100 <그림 3.10> QPSK 변조의 기본구성

  27. 3.4 디지털 변조 4-PSK (QPSK) +Acoswctif bI= 1 -Acoswctif bI = 0 I 채널: sBPSK1(t) = Acoswct = ± +Asinwct if bQ = 1 -Asinwct if bQ = 0 Q 채널: sBPSK2(t) = Asinwct= ± 두 개의 신호를 더하면 -Acoswct – Asinwct(bI, bQ) = (0, 0) -Acoswct + Asinwct(bI, bQ) = (0, 1) +Acoswct – Asinwct(bI, bQ) = (1, 0) +Acoswct + Asinwct(bI, bQ) = (1, 1) sQPSK(t) = = A(coswctsinwct) ± ±

  28. 3.4 디지털 변조

  29. 3.4 디지털 변조

  30. 3.5 위상 변조파의 복조 복조: 수신한 변조파로부터 원래의 베이스밴드신호를 재생하는 것 동기검파 방식 (캐리어 재생) :캐리어와 주파수 및 위상이 완전히 일치하는 신호를 재생하고 이것을 이용하여 송신측의 베이스밴드신호를 재생 비동기검파방식(지연검파 ) : 캐리어를 재생하지 않는 방식으로 동기검파에 비해 회로구성이 간단

  31. 3.5 위상 변조파의 복조 동기검파 방식 (캐리어 재생) 수신한 변조기로부터 불필요한 주파수대역의 신호를 제거하기 위해 대역통과 필터를 통과 재생한 캐리어와의 곱셈을 수행한 후, 고주파 잡음을 비롯한 불필요한 주파수성분을 제거(저역통과) 원래의 베이스밴드 신호를 복원

  32. 3.5 위상 변조파의 복조 BPSK 변조파의 경우: 식 (3.13)  s(t) = Asin {wct + bi(t)} + n(t) n(t ): 잡음 (3.14) 재생된 캐리어 : sl(t) = sin (wct) 수신신호와 캐리어 재생신호를 곱하면, 출력 sd(t)  식 (3.15) sd(t) = s(t)sl(t) = [Asin {wct + πbi(t)} + n(t)] sin(wct) <ref> sinα sinβ= ½ cos(α-β) – ½ cos(α+β ) = A/2 [-cos{2wct + πbi(t)} + cos{πbi(t)}] +n(t) sin(wct) (3.15) 2wc는 고주파, n(t)는 잡음인 고주파  저역통과 필터에서 제거 즉, cos{πbi(t)}를추출  베이스밴드 신호(bi(t)) 재생 가능

  33. 3.5 위상 변조파의 복조 비동기검파 방식 (지연검파) • 현재의 수신신호와 1개의 심볼 앞(1심볼지연) 신호를 곱하고 • 고주파성분을 제거 • 송신 데이터를 추정 • 회로구성은 동기검파에 비해 간단 • 잡음이 포함된 수신신호를 이용하는 복조 • 동일한 잡음조건하에서는 복조할 때 동기검파보다오류율이 높다.

  34. 3.5 위상 변조파의 복조 비동기검파 방식 (지연검파) 심볼율(symbol rate) = 변조속도 송신비트 수 : BPSK 1비트,QPSK 2비트 전송속도 = 송신비트 수 * 심볼율 현재의 수신위상:φn, 1심볼 앞의 수신위상:φn-1 일 때 지연검파에 의한 출력 sd(t)  식 (3.17) sd(t) = Asin (wct + φn)Asin {wc(t-T)+φn-1}T: 1 심볼주기 = A2/2 {cos(wcT + φn- φn-1)-cos (2wct-wcT+φn+φn-1)} <ref> sinα sinβ= ½ cos(α-β) – ½ cos(α+β ) 2wc는 고주파, n(t)는 잡음인 고주파  저역통과 필터에서 제거 sd(t) = A2/2 {cos(wcT + φn- φn-1)} (3.18)

  35. 3.5 위상 변조파의 복조 비동기검파 방식 (지연검파) • sd(t) = A2/2 {cos(wcT + φn- φn-1)} • T: 1 심볼 주기 • WcT = 2πfcT fcT가 정수가 되는 fc와 T를 구하여 대입하면 • sd(t) = A2/2 cos(φn- φn-1) • 지연검파에 의해 얻어지는 신호는 현재의 신호와 1 심볼 앞에 있는 신호와의 위상차 현재 송신되는 위상,φn이 아니다. • 송신측에서는 다음의 변환을 수행한 위상을 송신하게 된다(차동부호화). • φ’n = φ’n-1+φn • φ’n - φ’n-1= φn φʹn은 송신위상, φʹn-1은 1심볼 전의 송신 위상, φn은 송신 데이터에 대응하는 위상 (BPSK에서는 0 또는 π) 1 송신 : φn= 0 (+1), 0 송신 : φn= π (-1)

  36. 3.5 위상 변조파의 복조 비동기검파 방식 (지연검파) • n=0 일 때, 송신 위상을 0으로 두면, 식 (3.19)  • sd(t) = A2/2 cos(φ’n -φ’n-1) letφ’n = 0 • = A2/2 cos(φ’n-1+ φn - φ’n-1)  식 (3.20) φ’n = φ’n-1+ φn • = A2/2 cos(φn) • 즉, 현재 송신되는 데이터를 위상,φn= (0, π)에맞추어 전송 가능 • 수신측에서는 그대로 데이터를 재생함  품질 저하 가능성 위성통신 시스템: 수신 전력 확보가 어렵기 때문에 잡음의 영향을 줄이는 동기검파를 사용하는 경우가 많고, 휴대전화와 무선 LAN: 회로구성이 간단한 지연검파를 사용하는 경우가 많다.

  37. 특수 상대성 이론 vt' ct ct' v (ct' ) 2 = (ct)2 + (vt')2 (ct' )2 - (vt')2 = (ct)2 (c2- v2)t' 2 = c2t2 t' 2 = c2t2 / (c2- v2) = t2 / (1- v2/c2 ) 知者不博(지자불박) : 아는 사람은 박식하지 못하고 博者不知(박자불지) : 박식한 사람은 알지 못한다 노자 81장

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