Ch. 5 : Analog Transmission

Introduction 이번 장에서 배울 내용 디지털을 아날로그로 변조하는 방법 아날로그를 아날로그로 변조하는 방법 Data Communication

Digital-to-Analog Conversion 디지털 신호의 정보를 근거로 하여 아날로그 신호의 특성을 가지도록 변경하는 프로세스 Value Value Modulator Time Time Digital signal Analog signal 5.1 Digital-to-Analog Conversion

Types of Digital-to-Analog Conversion ASK : 진폭편이 변조 FSK : 주파수편이 변조 PSK : 위상편이 변조 QAM : 구상 진폭 변조 5.1 Digital-to-Analog Conversion

D-to-A 변조의 종류 Sine wave의 3가지 특성 3가지 특성 중 한가지를 변화시키면, 다른 wave가 됨 Amplitude, frequency, phase 3가지 특성 중 한가지를 변화시키면, 다른 wave가 됨 원래 wave를 binary 0, 변화시킨 wave를 1이라 함 진폭을 변조 주파수를 변조 위상을 변조 크기와 위상을 변조

Aspects of Digital-to-Analog Conversion Bit rate 1초 동안 전송된 비트 수 Baud rate 비트를 나타내기 위해 요구되는 초당 신호 유닛의 수 신호를 보내기 위해 요구되는 대역 폭을 결정 Bit rate은 항상 Baud rate보다 크거나 같다 캐리어 신호(Carrier signal) 아날로그 전송에서 송신장비는 정보신호의 기초로 동작하도록 높은 주파수를 만든다 이 기초 신호를 캐리어 신호라고 한다. baud N : data rate (bps) r : bit/signal element 5.1 Digital-to-Analog Conversion

Aspects of Digital-to-Analog Conversion (Cont.) Example 5.1 An analog signal carries 4 bits per signal element. If 1000 signal elements are sent per second, find the bit rate. Solution In this case, r = 4, S = 1000, and N is unknown. We can find the value of N from 5.1 Digital-to-Analog Conversion

Aspects of Digital-to-Analog Conversion (Cont.) Example 5.2 An analog signal has a bit rate of 8000 bps and a baud rate of 1000 baud. How many data elements are carried by each signal element? How many signal elements do we need? Solution In this example, S = 1000, N = 8000, and r and L are unknown. We find first the value of r and then the value of L. 5.1 Digital-to-Analog Conversion

Amplitude Shift Keying 비트 Duration : 1비트를 정의하기 위한 시간의 주기 ASK의 특성 진폭(Amplitude)의 변화, 주파수와 위상은 일정 전송 속도 : 전송매체의 물리적 특성에 따라 제한 노이즈 간섭에 민감 –노이즈는 진폭(Amplitude)를 변화시킴 OOK (On-Off Keying) 많이 사용하는 ASK기술로 비트 값 중 하나를 no voltage로 표시 5.1 Digital-to-Analog Conversion

ASK (Amplitude Shift Keying) 전송 속도 : 전송매체의 물리적 특성에 따라 제한 노이즈 간섭에 민감 –노이즈는 진폭(Amplitude)을 변화시킴 신호 0과 신호 1은 진폭의 차이

Amplitude Shift Keying (Cont.) 대역폭(Bandwidth) 구하는 공식 d : 라인의 상태에 관련된 요소 S : signal rate Implementation of binary ASK 디지털신호의 0과 1의 값에 따라 반송파의 진폭을 변화시키는 방식으로, 디지털 신호가 0과 1로 변함에 따라 미리 약속된 2가지 진폭의 정현파를 수신 측에 전송하면, 수신 측에서는 약속된 원래의 0 또는 1로 복원시켜주는 방식임 5.1 Digital-to-Analog Conversion

ASK의 대역폭 BW = ( 1 + d ) * Nbaud BW : 대역폭, Nbaud : baud rate

Amplitude Shift Keying (Cont.) Example 5.3 We have an available bandwidth of 100 kHz which spans from 200 to 300 kHz. What are the carrier frequency and the bit rate if we modulated our data by using ASK with d = 1? Solution The middle of the bandwidth is located at 250 kHz. This means that our carrier frequency can be at fc = 250 kHz. We can use the formula for bandwidth to find the bit rate (with d = 1 and r = 1). 5.1 Digital-to-Analog Conversion

ASK의 예제 예제 5 Solution 10,000 Hz (1000 to 11,000 Hz)의 대역폭이 주어졌다. 시스템의 full-duplex ASK 다이어그램을 그리고, 각 캐리어와 대역폭을 구하라. Solution full-duplex ASK에서, 대역폭은 BW = 10000 / 2 = 5000 Hz 캐리어 주파수 fc (forward) = 1000 + 5000/2 = 3500 Hz fc (backward) = 11000 – 5000/2 = 8500 Hz Amplitude

Frequency Shift Keying Binary Frequency Shift Keying (BFSK) FSK의 특성 주파수의 변화(비트 duration동안은 일정), 진폭과 위상은 일정 FSK의 제한 요소 : 캐리어의 물리적 용량 ASK노이즈 문제 회피:수신장비는 주파수 변화만 감지, 진폭 변화는 무시 BFSK의 진폭 B = (1+d)*S + 2Δf FSK는 ASK에 비해 더 넓은 대역을 필요로 하며 오류 확률은 비슷 5.1 Digital-to-Analog Conversion

FSK의 대역폭 BW = fc1 - fc0 + Nbaud FSK 스펙트럼은 fc0 과 fc1 의 주위에 있는 ASK 스펙트럼 2개의 결합으로 나타남

Frequency Shift Keying (Cont.) Example 5.5 We have an available bandwidth of 100 kHz which spans from 200 to 300 kHz. What should be the carrier frequency and the bit rate if we modulated our data by using FSK with d = 1? Solution This problem is similar to Example 5.3, but we are modulating by using FSK. The midpoint of the band is at 250 kHz. We choose 2Δf to be 50 kHz 예제5.3과 비교해 ASK는 비트전송률이 50kbps 인데 반해서 FSK는 25kbps 인것을 알 수 있다 5.1 Digital-to-Analog Conversion

FSK의 예제 예제 7 Solution 대역폭이 12,000Hz이고 캐리어 간격은 2000Hz일 때, FSK신호의 최대 bit rate를 구하라. full-duplex 모드로 전송 Solution Full-duplex 모드 전송이므로, 각 방향당 6000 Hz가 할당 BW = baud rate + fc1 - fc0 Baud rate = BW - (fc1 - fc0 ) = 6000 - 2000 = 4000 baud rate가 bit rate와 같으므로, bit rate은 4000 bps

Implementation of BFSK NRZ (Non Return Zero) 신호방식 사용 비트신호가 전송될 때마다 볼트 값이 변하는 방식 비트1은 높은 주파수, 0은 낮은 주파수에 대응시켜 변조 VCO 는 디지털 신호가 한 레벨에서 다른 레벨로 바뀔 때 변조된 신호에서의 주파수 변화를 부드럽게 연결 5.1 Digital-to-Analog Conversion

Multilevel FSK Multilevel FSK의 특성 MFSK의 대역폭 BFSK에서 신호 레벨을 여러 개로 증가시킴 B = (1+d) * S + (L – 1) 2Δf B = L * S 5.1 Digital-to-Analog Conversion

Multilevel FSK (Cont.) Example 5.6 We need to send data 3 bits at a time at a bit rate of 3 Mbps. The carrier frequency is 10 MHz. Calculate the number of levels (different frequencies), the baud rate, and the bandwidth. Solution We can have L = 23 = 8. The baud rate is S = 3 MHz/3 = 1000 Mbaud. This means that the carrier frequencies must be 1 MHz apart (2Δf = 1 MHz). The bandwidth is B = 8 × 1000 = 8000. Figure 5.8 shows the allocation of frequencies and bandwidth. 5.1 Digital-to-Analog Conversion

Phase Shift Keying Binary Phase Shift Keying (BPSK) PSK의 특성 위상의 변화(비트 duration동안은 일정), 진폭과 주파수는 일정 위 두 그림은 180도의 위상 차를 이용 : 2-PSK 혹은 binary PSK 5.1 Digital-to-Analog Conversion

PSK (Phase Shift Keying) 위상이 1 또는 0 (2진)에 따라 변경, 진폭과 주파수는 일정 아래 그림은 180도의 위상 차를 이용 : 2-PSK 혹은 binary PSK 두 신호는 위상의 차이

2-PSK 2-PSK 혹은 binary PSK PSK constellation(배열) 혹은 phase-state diagram 두 개의 다른 위상 사용 (0° 와 180° ) PSK constellation(배열) 혹은 phase-state diagram 비트와 위상과의 관계를 나타내는 다이어그램 PSK는 노이즈 감쇄나 대역폭 제한에 민감하지 않음 신호 1 : 위상 180 ° 신호 0 : 위상 0 °

Quadrature PSK(QPSK) QPSK 두 값의 디지털 신호인 0과 1의 2비트를 모아서 반송파의 4위상에 대응시켜 전송하는 방식 예를 들면 0위상에 (0, 0), π/2위상에 (0, 1), π위상에 (1, 0), 3π/2위상에 (1, 1)을 대응시켜 전송 반송파의 위상 변화를 90°간격으로 취하여 하나의 부호로 1비트를 전송하는 2진 위상 편이 변조와는 달리 하나의 부호로 2비트를 전송하는 방식으로, 4위상 편이 변조(quadri-phase PSK)라고도 함 4위상 편이 변조파는 2위상 편이 변조파와 같은 주파수 대역폭 에서 2배의 정보를 전송할 수 있음 위성 방송에서 음성 신호의 전송이나 위성 통신에 널리 사용되고 있음 5.1 Digital-to-Analog Conversion

4-PSK or Q-PSK 4개의 다른 위상 사용 0°, 90°, 180°, 270° 신호 10 : 위상 180° 신호 00 : 위상 0° 신호 10 : 위상 180°

Quadrature PSK (Cont.) Solution Example 5.7 12Mbps로 신호를 전송하는 QPSK에서 대역폭을 구해라. 참고로 d = 0 Solution QPSK에서, 한 시그널에 2비트가 전송된다. 그러므로 r = 2. 신호율(baud rate) S = N × (1/r) = 6 Mbaud. 그래서 d = 0, B = S = 6 MHz 가 된다. 5.1 Digital-to-Analog Conversion

8-PSK 8개의 다른 위상 사용 (shifts of 45°) 신호 010 : 위상 90° 신호 101 : 위상 225°

PSK의 대역폭 PSK의 대역폭 PSK 최소 대역폭과 ASK 최소 대역폭은 같음 PSK 최대 Baud rate와 ASK 최대 Baud rate는 같음 Bit rate의 경우는 PSK가 ASK보다 2배 이상 커질 수 있음

Constellation Diagram 진폭과 위상의 변화로 다양한 Signal Element 표현 가능 멀티레벨 ASK, PSK, QAM의 기본 개념 표현 Angle : 위상, Length : 진폭 5.1 Digital-to-Analog Conversion

Quadrature Amplitude Modulation QAM (Quadrate Amplitude Modulation) 진폭의 변화(ASK특성)와 위상의 변화(PSK특성) 진폭은 노이즈에 민감 : 위상의 변화는 진폭의 변화보다 항상 큼 QAM전송의 최소 대역폭은 ASK,PSK와 같음 ASK에 비해 우수한 PSK의 장점을 QAM도 그대로 가지고 있음 Constellation Diagrams For Some QAMs 5.1 Digital-to-Analog Conversion

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ASK와 PSK의 조합 : 진폭의 변화(ASK특성)와 위상의 변화(PSK특성) 진폭은 노이즈에 민감 : 위상의 변화는 진폭의 변화보다 항상 큼 QAM전송의 최소 대역폭은 ASK,PSK와 같음 신호 101과 100은 진폭의 변화 신호 011과 110은 진폭과 위상의 변화

4-QAM과 8-QAM의 예 4-QAM의 예 : 진폭은 모두 같고 위상의 변화만 줌 8-QAM의 예 : 2 가지 진폭의 변화와 4가지 위상의 변화로 8개의 신호를 나타냄

16-QAM의 예 예 1 예 2 예 3 12 종류의 위상 사용 8 종류의 위상 사용 8 종류의 위상 사용 4 종류의 진폭 사용 2 종류의 진폭 사용 3 종류의 진폭 사용

Analog-to-analog conversion 아날로그를 아날로그로 변조하는 3가지 타입 AM : Amplitude Modulation FM : Frequency Modulation PM : Phase Modulation Analog-to-analog conversion Amplitude modulation Frequency modulation Phase Modulation 5.2 Analog-to-Analog Conversion

Amplitude Modulation 캐리어 시그널이 변조 신호(modulating signal)의 변경되는 진폭을 따라 진폭이 변하도록 변조됨 5.2 Analog-to-Analog Conversion

AM Band Allocation AM신호의 대역폭은 변조 신호의 대역폭의 2배와 같음 AM라디오 음성 신호의 대역폭은 5KHz 전체 대역폭 = 2 x 변조 시그널 대역폭 AM라디오 최소 10KHz대역 필요 캐리어 주파수는 530KHz에서 1700KHz사이 라디오 방송국간 간섭을 피하기 위해 10KHz 이상의 주파수 차이 5.2 Analog-to-Analog Conversion

Frequency Modulation 주파수 변조 대역폭 = 2(1 + β)B (β: 변조기술에 따라 유동적으로 변하는 값) 캐리어 신호의 주파수가 변조 신호의 진폭 변화에 따라 변조 대역폭 = 2(1 + β)B (β: 변조기술에 따라 유동적으로 변하는 값) 5.2 Analog-to-Analog Conversion

FM Band Allocation FM 라디오 적어도 150KHz의 대역이 필요하며, 보통 200KHz정도 분리 88~108MHz의 캐리어 주파수 사용 : 20MHz100개의 방송국가능 동시에 적어도 50개가 동작 가능 5.2 Analog-to-Analog Conversion

Phase Modulation 위상 변조(PM: Phase Modulation) 주파수 변조의 대안으로 일부 시스템에서 사용 캐리어 신호의 위상이 변조신호의 진폭의 변화에 따라 변조 대역폭 = 2(1 + β)B 5.2 Analog-to-Analog Conversion