제 5 장의 구성 5.1 아날로그 변조방식 5.2 진폭변조(AM) 5.3 AM 송신기 5.4 AM 수신기 5.1 아날로그 변조방식 5.2 진폭변조(AM) 5.3 AM 송신기 5.4 AM 수신기 5.5 반송파억압 양측대파 변조(DSB) 5.6 단측대파 변조(SSB) 5.7 동기검파의 왜곡 5.8 잔류측대파 변조(VSB) 5.9 동기검파와 비동기검파

아날로그 통신과 디지털 통신의 차이 전력(신호의 레벨)과 비트(1/0)의 전달 아날로그 통신 : 신호를 아날로그 레벨로 표현 신호가 작으면 잡음과 구별되지 않는다. 잡음에 비해 신호의 크기가 매우 중요 잡음이 어느 정도 섞여 있어도 치명적이지 않다. 디지털 통신 : 신호를 1과 0으로 표현 에러 없이 비트를 판정해내는 전력이면 충분 비트 당 신호 대 잡음전력비 개선에 관심 에러가 발생하면 치명적인 손상을 입지만, 반면에 에러를 복구할 방법이 많다.

1.4 변조의 목적 정보신호⇒ 변조파(modulating wave) 변조(modulation) : 한 신호를 다른 신호로 변화 1.4 변조의 목적 변조(modulation) : 한 신호를 다른 신호로 변화 - 정보신호를 전송에 적합한 반송파(Carrier wave)와 결합하는 것. 정보신호⇒ 변조파(modulating wave)

Analog signal 변조의 종류

5.1 아날로그 변조방식 아날로그와 디지털 변조방식의 선택 아날로그 변조방식 5.1 아날로그 변조방식 아날로그와 디지털 변조방식의 선택 본래의 정보신호가 아날로그인 경우는 아날로그 변조방식에 의해서 처리되고 본래의 정보신호가 디지털인 경우는 디지털 변조방식에 의해서 처리된다. 아날로그 변조방식 반송파의 진폭, 주파수, 위상 부분에 아날로그 변화량으로 정보신호를 실어 보내는 변조방식 정보신호가 반송파를 변조시키는 부분에 따라서 진폭변조(AM), 주파수변조(FM), 위상변조(PM)

Analog signal 변조의 종류

아날로그 변조방식의 종류 진폭 변조(amplitude modulation) 각 변조(angle modulation) DSB-LC (Double Side Band - Large Carrier) 반송파가 있는 양측대파 변조, 상업용 AM 방송 DSB-SC (Double Side Band - Suppressed Carrier) 반송파억압 양측대파 변조, 그냥 DSB라고 하기도 SSB (Single Side Band) : 단측대파 변조 VSB (Vestigial Side Band) : 잔류측대파 변조 각 변조(angle modulation) FM (Frequency Modulation) : 주파수 변조 PM (Phase Modulation) : 위상 변조

AM,FM,PM의 시간영역에서의 정의 AM,FM,PM 신호는 정보신호 s(t) 의 크기에 따라 각각 반송파의 진폭, 주파수, 위상을 변조시킨다.

FM과 PM 신호의 위상

5.2 진폭변조(AM)

AM 신호의 주파수 스펙트럼 정보신호 s(t) 의 대역폭 : ±ωm 반송파 성분 : ±ωc 근방에 집중되어 있는 전력 양측대파 성분 : ωc±ωm 사이에 분포된 전력

양측대파와 단측대파 양측대파(double side band wave) 단측대파(SSB) 통신 양측대파(DSB) = 상측대파 + 하측대파 ω=0 에 좌우대칭이므로, ω>0 한 쪽만 정리하면 상측대파(upper side band wave) : ωc<ω<ωc+ωm 하측대파(lower side band wave) : ωc-ωm<ω<ωc 단측대파(SSB) 통신 상측대파나 하측대파의 어느 한쪽의 신호만 전송

AM 신호의 변조과정

AM 신호의 변조과정 (계속)

AM 신호의 변조과정 (계속) 그림 5.3 AM 신호의 변조과정 ④=②+③ AM 신호의 복조는 ②⇒ 반송파가 없으면 DSB-SC ④⇒ 반송파가 있으면 DSB-LC AM 신호의 복조는 반송파 주파수 ωc 에 동조시켜 수신한다. ④⇒ ωc±ωm 근방을 여파기로 걸러낸 후 찾아낸 AM 신호의 진폭부분을 포락선 검파

AM 신호의 변조지수 m AM 신호의 변조지수(modulation index) m 정보신호가 정현파일 때의 AM 변조지수 반송파의 진폭이 정보신호에 의해 얼마나 많이 변조되었나를 표시 보통 0~1 사이, 백분율(%)로 변조율 표시하기도 정보신호가 정현파일 때의 AM 변조지수

AM 변조지수의 다양한 표현

AM 변조지수에 따른 AM 신호의 영향 AM 변조지수는 보통 0~1 사이 m > 1 이면 과변조 되었다고 한다. 반송파의 진폭에 정보신호를 완전히 싣지 못하기 때문에, 정보의 손실이 발생하여 왜곡된다.

AM 변조지수와 AM 신호의 전력 R=1Ω 이라 놓으면, 정현파에 대한 평균전력은 4장의 실효치 계산방법으로 간단히 얻어진다.

변조지수와 AM 신호의 전력 (계속) m=0 ( PT = PC ) : 신호는 없고 반송파만 전송

AM 전송효율 μ 단측대파 전력은 양측대파의 절반만 필요 : PS/2

5.3 AM 송신기 능동회로 소자는 입출력특성이 비선형 비선형회로와 BPF이용하여 AM 신호를 발생 입력신호의 자승성분으로 곱셈동작이 일어남 비선형회로와 BPF이용하여 AM 신호를 발생 ⇒ 식 (5.19), (5.20) 참조

5.4 AM 수신기 동조회로(튜너 : tuner)의 역할 페이딩(fading) 현상 원하는 반송파 주파수대역만을 골라 대역통과 여파기(BPF)를 통해 송신신호를 받아들인다. BPF 수신 대역폭은 정보의 손실을 막고 외부 잡음의 영향을 피하기 위해 신호의 대역폭보다 약간 크게 만든다. 페이딩(fading) 현상 전파 환경이 수신기의 이동이나 대기상태 등에 영향 받아 전파의 강도가 시간적으로 불규칙하게 변하는 현상

AM 방송대역 우리나라 표준 AM 방송대역 각 9kHz간격, 대역폭 ±4.5kHz

슈퍼헤테로다인 수신방식 슈퍼헤테로다인(super-heterodyne) 수신방식 슈퍼헤테로다인 수신기의 기본 아이디어 동조회로에서 얻어지는 여러 가지 무선주파수(RF) 신호를 고정된 하나의 중간주파수(IF) 신호로 변환시켜, 포락선 검파기를 통해 원하는 신호를 복원해낸다. 장점 : 수신기를 만들기 쉽다. 슈퍼헤테로다인 수신기의 기본 아이디어 수신 주파수에 관계없이 중간주파수(IF)는 항상 일정하게 처리한다.⇒ 수신회로가 간단해진다.

슈퍼헤테로다인 방식의 AM 수신기 수신신호 처리과정 ⇒ 식 (5.21)~(5.24) 참조

슈퍼헤테로다인 수신기 각 단의 역할 무선주파수(RF : Radio Frequency)단 : fRF=fc 국부발진기(LO : Local Oscillator) : fL=fc+fIF 혼합기 or 믹서(mixer)단 : |fL±fc|=|(fc+fIF)±fc| 헤테로다이닝(heterodyning) 혹은 믹싱(mixing) 반송파 주파수 대역(fc±fm)의 수신신호를 중간주파수 대역(fIF±fm)의 신호로 이동 중간주파수(IF : Intermediate Frequency)단 fIF=fL-fc 는 항상 일정 복조단(demodulator) : 포락선 검파기로 복원 음성주파수(AF : Audio Frequency)단

포락선 검파기의 동작 IF단을 통과한 수신신호의 진폭변화에서 원래의 정보신호를 검출하는 역할

AVC와 AGC 회로 수신기에 AVC와 AGC 회로가 추가될 수 있다.

영상주파수(image frequency) 간섭 영상주파수 간섭 슈퍼헤테로다인 수신기로 신호를 수신할 때 원치 않는 영상신호에 의해 본래 신호가 방해되는 것 영상신호 수신 신호대역 근방의 원치 않는 RF 신호들 슈퍼헤테로다인 수신기의 IF 사용으로 나타난다. 영상주파수 or 이미지주파수(image frequency)

영상신호와 영상주파수 영상(影像) 신호⇒ 슈퍼헤테로다인 수신기의 국부발진주파수를 중심으로 본래의 수신 신호와 대칭인 주파수(영상주파수)를 갖는 신호

영상주파수를 막으려면 영상주파수 fRF(i)=fc+2fIF 는 영상주파수를 피하기 위해서는 RF단에서 선택도가 높은 BPF로 차단해야 하므로 ⇒ fc 가 커질수록 중간주파수 fIF 를 높여준다. AM 신호의 중간주파수 : 455kHz FM 신호의 중간주파수 : 10.7MHz TV신호 : 영상 45.75MHz, 음성 41.25MHz

예제 5.1

5.5 반송파억압 양측대파 변조(DSB) DSB-SC 신호의 변조 평형 변조기(balanced modulator)

DSB-SC 신호의 변조 (계속) 링 변조기(ring modulator) 스위치(switch)형 변조기라고도 한다.

DSB-SC 신호의 복조 동기검파 or 호모다이닝(homodyning) 수신신호에 국부반송파(local carrier wave)를 곱해 LPF로 본래의 신호를 복조하는 방식

동기검파에서 위상차가 발생할 때 이상적인 동기검파⇒ 송신측의 반송파와 수신측 국부반송파의 주파수와 위상이 일치해야 한다. 주파수차와 위상차가 발생하고 계속해서 변하면 수신신호가 왜곡된다. 동기검파의 위상오차가 Δφ≠0 일 때도 Δφ 가 일정하면 cosΔφ 도 상수이므로 복조 가능

동기검파에서 위상차가 없을 때 동기검파의 위상차가 Δφ=0 이면

5.6 단측대파 변조(SSB) 단측대파(SSB) 변조방식 : 한쪽 측대파만 전송 잔류측대파(VSB) 변조방식 상측대파(USB : Upper Side Band) 변조방식 하측대파(LSB : Lower Side Band) 변조방식 잔류측대파(VSB) 변조방식 한쪽 측대파의 대부분과 다른 쪽 측대파의 일부를 전송하는 변조방식이다.

DSB에서 SSB, VSB 만들기 DSB-SC를 만든 후 SSB, VSB 여파기를 사용

SSB 변조의 2 가지 방법 위상천이 방법에 의한 SSB 신호 발생 ① 평형 변조기 + BPF : 여파기 설계가 어렵다. ② 위상천이(phase shift) 방법 : 만들기 쉽다. 위상천이 방법에 의한 SSB 신호 발생 정보신호를 정현파 신호로 가정한 경우 ⇒ 여기서 - : 상측대파, + : 하측대파 ⓐ’ 와 ⓑ’ 는 ⓐ 정보신호와 ⓑ 반송파의 위상을 90°천이(shift)한 형태

힐버트(Hilbert) 변환 h(t) 는 π/2 위상천이기의 전달함수가 된다.

위상천이 방법에 의한 SSB 신호 발생 정보신호가 일반적인 신호일 때 ⇒ 여기서 - : 상측대파, + : 하측대파 ⇒ 여기서 - : 상측대파, + : 하측대파 증명은 생략 (P.145-146 참조)

SSB 신호의 복조 국부반송파를 이용한 호모다인 동기검파 국부반송파의 주파수오차와 위상오차가 Δω=0, Δφ=0 이라면

5.7 동기검파의 왜곡 SSB 수신단에서의 왜곡 국부반송파의 주파수오차와 위상오차의 영향 Δω=0, Δφ=0 이면 5.7 동기검파의 왜곡 SSB 수신단에서의 왜곡 국부반송파의 주파수오차와 위상오차의 영향 Δω=0, Δφ=0 이면 Δω≠0, Δφ≠0 이면 특히 디지털펄스 신호에 심각한 왜곡

SSB 수신단에서의 왜곡 (계속) 송신측 반송파와 수신측 국부반송파의 주파수와 위상이 일치해야 이상적이나, 오차가 발생하면

동기검파에서 왜곡을 피하는 방법 SSB-LC PLL(Phase Locked Loop) ⇒ 6장 참조 반송파를 실어주어 DSB-LC 처럼 포락선 검파로 신호 s(t) 를 복조 PLL(Phase Locked Loop) ⇒ 6장 참조 반송파 주파수를 중심으로 한 일종의 협대역 여파기를 사용, 주파수를 추적하고 위상을 고정

5.8 잔류측대파 변조(VSB) 한쪽 측대파 대부분과 다른 쪽 측대파 일부 전송 직류성분에 가까운 저주파 성분의 신호를 보호 ωc±ΔB 구간은 ω=ωc에 대한 기함수 형태로 설계

VSB 신호의 변조와 복조

SSB 신호와 유사한 VSB 신호 형태 C 지점에 VSB 신호의 시간영역 식을 구해보면 위에서 A(ω) 성분이 없다면 유도 과정은 생략 : 식 (5.50)~(5.57) 참조 ⇒ 여기서 - : 상측대파, + : 하측대파 위에서 A(ω) 성분이 없다면 VSB 신호  DSB-SC 신호가 된다.

VSB 신호와 SSB 신호와의 관계 A(ω)  sgn(ω) 되면 VSB  SSB 신호가 된다.

5.9 동기검파와 비동기검파 호모(homo-) ⇒『같다』라는 뜻의 접두사 헤테로(hetero-) ⇒『다르다』라는 뜻의 접두사 5.9 동기검파와 비동기검파 호모(homo-) ⇒『같다』라는 뜻의 접두사 국부반송파를 이용하여 반송파와 같은 주파수대역에서 수신신호를 처리한다는 의미 헤테로(hetero-) ⇒『다르다』라는 뜻의 접두사 국부발진기를 이용하여 반송파와 다른 대역인 중간주파수 대역으로 수신신호를 이동하여 처리 코히어런트(coherent) 검파할 때 국부반송파의 주파수와 위상이 전송된 신호의 주파수와 위상에 동기될 때 인코히어런트(incoherent) 주파수차나 위상차가 발생했을 때

호모다인 수신기와 헤테로다인 수신기

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