제 8 장의 구성 8.1 변복조기(MODEM) 8.2 디지털 변조의 원리 8.3 디지털 변조방식의 종류(ASK/FSK/PSK) 8.2 디지털 변조의 원리 8.3 디지털 변조방식의 종류(ASK/FSK/PSK) 8.4 PSK의 종류 8.5 DPSK 8.6 디지털 통신신호의 비트 에러 8.7 QAM

디지털 통신과 아날로그 통신 전기신호 같은 실제 자연현상은 모두 아날로그 전송하고자 하는 데이터가 디지털 신호는 표현하기 복잡한 아날로그 신호를 논리적인 1과 0의 조합으로 간단하게 표현 전송하고자 하는 데이터가 아날로그인 경우 아날로그 통신방식으로 처리 디지털인 경우 디지털 통신방식으로 처리 디지털 통신은 신호의 전달과정에서 다양한 형태의 아날로그 신호 파형을 이용 디지털 통신은 반송파의 진폭,주파수,위상을 몇 가지 이산적인 단계로 만들어 전송 아날로그 통신에 비해서 잡음에 강하고 낮은 송신전력으로도 정보신호를 전달하기 쉽다.

8.1 변복조기 (MODEM) 모뎀은 우리말의 변복조기 기저대역(baseband) 기저대역 신호(baseband signal) 모뎀은 우리말의 변복조기 MODEM : Modulator and Demodulator 모뎀은 디지털 정보신호를 아날로그 전송채널로 송수신하는 역할 기저대역(baseband) 변조되지 않은 신호가 존재하는 저주파 대역 1,0을 나타내는 디지털 펄스의 직류 성분이 존재 직류성분은 감쇠로 인해 멀리 갈 수 없다. 기저대역 신호(baseband signal) 가까운 거리는 변조하지 않고 직접 전송 기저대역 신호를 멀리 보내려면 변조과정을 거쳐 고주파인 반송파에 실어 보내야 한다.

모뎀의 역할

전송채널과 통과대역 통과대역(passband) DTE와 DCE 신호의 전송에 사용되는주파수 대역으로 반송파 주파수 근방에 전송채널로 확보해야 한다. 보통의 전송채널은 직류성분이 없는 교류(AC) 성분만 존재 DTE와 DCE 데이터 단말 장치(DTE) DTE(Data Terminal Equipment) 컴퓨터, 휴대폰, PDA 등의 통신 단말기 데이터 회선 또는 통신 장치(DCE) DCE(Data Circuit or Communication Equipment) 모뎀 등의 전송장비

8.2 디지털 변조의 원리 디지털변조 ⇒ 기저대역 신호가 전송되기 적합 하도록 디지털 데이터로 아날로그 반송파를 변조

디지털 변조의 원리 (계속) 아날로그 신호의 진폭, 주파수, 위상부분에 비트의 변화를 실어주어 전송채널로 전송한다.

n 비트로 M 개의 심벌신호 송수신 기저대역의 디지털 정보에 의해 변조될 반송파 반송파 S(t) 로 2n=M개의 심벌신호 Si(t) 를 만들어 주기 T 마다 n 비트의 변화를 전송한다. M 종류의 심벌신호는 반송파에서 몇 개의 진폭,주파수,위상을 조합해서 만들어야 한다. 위의 진폭,주파수,위상은 시간에 대한 함수이므로

심벌신호와 보드율 vs. 비트율 심벌(symbol) 신호 심벌신호의 전송속도 일정한 주기 T마다 n비트를 판정할 수 있도록 송수신단의 상호 약속에 의해서 M가지 상태로 디지털 변조된 신호 수신 측은 일정한 주기 T마다 M가지 심벌신호 중에서 어느 하나의 상태로 계속 변화되어 들어오는 각 심벌신호에서 n비트씩을 추출 심벌신호의 전송속도 보드율(baud rate) : 초당 전송되는 심벌 수 비트율(bit per second) : 초당 전송되는 비트 수 bps(bit per second) = 심벌당 비트 수 × 보드율

예제 8.1

8.3 디지털 변조방식의 종류(ASK/FSK/PSK)

ASK 변조방식 ASK (Amplitude Shift Keying) : 진폭편이 변조 M가지 진폭으로 M가지 심벌을 만들어 냄 i=1,2,...,M (0≤t≤T) : T구간내 M가지 상태의 심벌 ASK (Amplitude Shift Keying) : 진폭편이 변조 M가지 진폭으로 M가지 심벌을 만들어 냄 ωc와 φ는 일정, Ai만 심벌구간 T마다 변화 심벌구간당 에너지 Ei(t)에서 반송파의 진폭 Ai(t) 심벌의 최대에너지는 심벌의 진폭이 최대일 때

FSK, PSK 변조방식 FSK (Frequency Shift Keying) : 주파수편이 변조 i=1,2,...,M (0≤t≤T) : T구간내 M가지 상태의 심벌 FSK (Frequency Shift Keying) : 주파수편이 변조 M가지 주파수로 M가지 심벌을 만들어 냄 A와 φ는 일정, ωi만 심벌구간 T마다 변화 PSK (Phase Shift Keying) : 위상편이 변조 M가지 위상으로 M가지 심벌을 만들어 냄 A와 ωc는 일정, φi만 심벌구간 T마다 변화

APK 변조방식 APK (Amplitude-Phase Shift Keying) : 진폭위상편이 변조 i=1,2,...,M (0≤t≤T) : T구간내 M가지 상태의 심벌 APK (Amplitude-Phase Shift Keying) : 진폭위상편이 변조 진폭과 위상을 조합해 M가지 심벌을 만들어 냄 ωc는 일정, Ai와 φi가 심벌구간 T마다 변화

8.4 PSK의 종류 M종류의 심벌을 사용하는 디지털 변조방식 M-ary(M-어리 : M진 변조방식) 혹은 상태수 M자를 ASK, FSK, PSK 등의 앞에 붙여서 부른다. (예) M-ary PSK, MPSK ⇒M개의 위상 상태를 갖는 PSK를 통칭 (예) 구체적으로 상태수 M을 명시할 때는 2-PSK, 4-PSK, 8-PSK PSK는 또한 M=2일 때 BPSK M=4일 때 QPSK라는 표현도 자주 사용한다.

BPSK / QPSK / 8-PSK 의 위상

BPSK / QPSK / 8-PSK n 비트로 나타낼 수 있는 심벌의 종류는 M=2n M=2 : BPSK (Binary PSK) 심벌당 비트 수 n=1 M=4 : QPSK (Quadrature PSK) 심벌당 비트 수 n=2 M=8 : 8-PSK 심벌당 비트 수 n=3

QPSK 변조를 만드는 과정 ⇒ 각 심벌구간마다 00, 01, 10, 11 해당하는 심벌파형 φ00~φ11 중에서 하나를 선택하여 전송 수신 측에서는 각 심벌구간의 위상을 판별하여 2비트 씩의 이진 데이터를 구분

QPSK 변조 (예)

8.5 DPSK 차동 위상편이 변조(DPSK : Differential PSK) DPSK 부호화 (송신단) 차동 부호화 및 위상편이 변조가 결합된 형태 이전과 현재 데이터의 차이를 부호화 후 PSK DPSK 부호화 (송신단) 예를 들어 다음과 같다면 ⇒ 예제 8.2 참조 DPSK 복호화 (수신단) 예를 들어 다음과 같다면 ⇒ 예제 8.3 참조

예제 8.2

예제 8.3

8.6 디지털 통신신호의 비트 에러 수신단에서 에러가 발생하는 유형 ⇒ 통신 채널에서 ① 신호가 불완전하게 전달되는 경우 8.6 디지털 통신신호의 비트 에러 수신단에서 에러가 발생하는 유형 ⇒ 통신 채널에서 ① 신호가 불완전하게 전달되는 경우 ② 신호가 아예 전달되지도 않은 경우 ③ 보내지도 않은 엉뚱한 신호가 전달되는 경우

아날로그와 디지털 변조의 에러 아날로그 변조된 전송신호의 에러 디지털 변조된 전송신호의 에러 복원 S/N 비가 중요 에러도 아날로그 양 (화질불량, 음질불량 등) 복원은 어렵지만 에러 자체는 치명적이지 않다 디지털 변조된 전송신호의 에러 복원 비트판정 정도의 송신전력이면 충분 비트당 신호대잡음전력비 Eb/N0[dB] 개선에 관심 에러가 발생하면 치명적이므로 에러 처리가 필요 에러를 검출하여 표시하거나 정정 비트에러확률(Bit Error Rate : BER) 줄이는노력

동기식과 비동기식 복조 디지털변조의 동기식과 비동기식 복조 BPSK⇒QPSK⇒8-PSK : 상태수 M을 늘릴수록 동기식(coherent) 수신신호의 주파수와 위상 동시고려 비동기식(incoherent) 위상을 무시하고 주파수만 고려 동기식에 비해서 높은 비트 에러확률 BPSK⇒QPSK⇒8-PSK : 상태수 M을 늘릴수록 심벌당 비트 수는 증가하여 전송속도는 향상 각 심벌 구분을 위한 위상간격은 줄어들어 에러확률은 증가한다. (그림 8.4 참조) ⇒심벌당 비트 수를 무한정 늘릴 수는 없다

8.7 QAM QAM (Quadrature Amplitude Modulation) M-ary 방식에서 비트에러확률 줄이면서 심벌의 상태수 M을 늘리는 효과적인 방법 중에 하나 진폭편이 변조와 위상편이 변조를 동시에 적용한 대표적인 APK의 한 형태⇒식 (8.17)~(8.21)에서

QAM 심벌신호의 Ai와 φi 결정 QAM 심벌신호의 식 In-phase 성분 (반송파로 진폭 변조) Quadrature 성분 (반송파와 90°위상 차를 갖는 파로 진폭변조) QAM 배치도에 따라 각 심벌신호 Si에 해당하는 Ai와 φi계산⇒M가지 심벌신호 {S1 S2 ... SM} 결정

QAM 배치도

MATLAB 실습예제 8.1

MATLAB 실습예제 8.2~8.4

floor 명령 (p.268) help floor floor((200-1)/200+1) floor((201-1)/200+1) ⇒ 실행결과 1이 나온다. floor((201-1)/200+1) ⇒ 실행결과 2가 나온다.

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