osp.chungbuk.ac.kr/2012년 강의자료 아날로그 및 디지털 통신이론 ’12-1 학기 담당교수 : 이봉운 bw2lee@hanmail.net osp.chungbuk.ac.kr/2012년 강의자료 ID: guest, PW: lee

수강 시 참고 사항 성적 평가 방법 1시간 결석할 때마다 출석점수에서 1점씩 감점 각 장마다 과제 부여 또는 퀴즈를 실시 중간시험(30%), 기말시험(30%), 퀴즈(15%) 과제(15%) 출석(10%) 1시간 결석할 때마다 출석점수에서 1점씩 감점 3회 지각이면 1시간 결석과 동일하게 적용 각 장마다 과제 부여 또는 퀴즈를 실시 과제 제출기간 : 일주일 특별한 사유 없이 제출하지 않은 경우에는 감점 제출한 과제들이 동일(표절)하다고 판단될 경우 동일하다고 판단되는 모든 과제에 점수 미 부여 및 감점

강의 구성 1장 서론 2장 신호의 시간 영역 분석 3장 신호의 주파수 영역 분석 4장 진폭 변조 5장 각 변조 1장 서론 2장 신호의 시간 영역 분석 3장 신호의 주파수 영역 분석 4장 진폭 변조 5장 각 변조 6장 확률변수와 랜덤 프로세스 7장 펄스 변조와 펄스부호 변조 8장 디지털 데이터의 기저대역 전송 9장 디지털 수신기와 잡음 환경하에서의 성능 10장 디지털 대역통과 변조 11장 M-진 변조 12장 대역확산 통신 13장 채널 코딩 3

제1장 서론 1.1 통신 시스템 1.2 아날로그 통신 시스템과 디지털 통신 시스템 1.3 신호 대 잡음 비와 채널 대역폭

1.1 통신 시스템-1 통신 시스템 모델 메시지 신호 m(t) 송신기 시스템의 종류에 따라 아날로그 또는 디지털 형태로 표현 기저대역(baseband) 신호 송신기 효율적인 전송을 위해 기저대역 신호를 변형 : 반송파 변조 대역통과(bandpass) 신호를 발생 : s(t)

1.1 통신 시스템-2 통신 시스템 모델(계속) 채널 HW : AWGN란? 송신기 출력이 수신기에 도달하기 위해 통과하는 매체 유선 링크 : 이중나선 전선, 동축 케이블, 도파관, 광섬유 케이블 무선 링크 : 공기, 바닷물 채널을 통과하면 신호의 크기가 감쇠되고 잡음이 가산 신호에 대한 왜곡(distortion) 현상을 유발 왜곡(distortion)의 종류 감쇠(attenuation), 잡음(noise), 페이딩(fading) 페이딩은 무선/셀룰러 시스템 설계에 매우 중요 채널 잡음 모델 : 가산 백색 가우스 잡음 AWGN : additive white Gaussian noise HW : AWGN란?

1.1 통신 시스템-3 통신 시스템 모델(계속) 수신기 채널에 의해 손상된 신호를 원래의 기저대역 신호 형태로 복원 수신 신호 복조(demodulation) 수신 신호 n(t) : 잡음 A(t),  (t) : 변형된 신호 진폭과 위상 신호의 왜곡과 잡음을 감소시키기 위해 여러 방법들이 사용 등화기(equalizer) : 신호의 왜곡을 부분적으로 보상 신호 처리 : 수신되는 잡음의 영향을 감소 성능 평가 : 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio; SNR)를 사용 신호의 전력을 잡음의 전력으로 나눈 값

1.2 아날로그와 디지털 통신 시스템-1 아날로그와 디지털 메시지 디지털 통신 시스템의 장점 아날로그 메시지 : 데이터의 값이 연속적(온도, 음성) 아날로그 정보도 디지털 전송이 가능 디지털 메시지 : 메시지가 유한한 심볼들로 구성 예 : 텍스트, 이진수, 알파벳 디지털 통신 시스템의 장점 잡음이나 왜곡에 더 강인함

1.2 아날로그와 디지털 통신 시스템-2 디지털 통신 시스템의 장점(계속) 디지털 통신 시스템의 단점 디지털 파형의 복원이 용이 : 신뢰도 증가 재생 중계기(regenerative repeater)를 사용 채널 코딩에 의한 비트오류의 정정 등화기(equalizer)에 의한 왜곡 보상 정보 보호를 위한 비화(encryption) 실현 디지털 IC화로 저렴하게 구현 단일 시스템을 통한 통합 멀티 미디어 형태의 전송이 가능 디지털 통신 시스템의 단점 더 넓은 대역폭이 요구 송수신기간의 동기(synchronization)가 반드시 필요

1.2 아날로그와 디지털 통신 시스템-3 아날로그 신호를 디지털 신호로의 변환(A/D conversion) 3개의 과정으로 구성 : 표본화 양자화 부호화 표본화(sampling) 과정 아날로그 신호를 Ts 간격으로 표본화 표본화 정리(sampling theorem)을 만족해야 함 표본화된 신호로부터 원래의 신호를 손상 없이 재생할 수 있는 조건 표본화 주파수(fs )가 최고 주파수 성분(B)의 2배 이상일 떄 가능

1.2 아날로그와 디지털 통신 시스템-4 아날로그 신호를 디지털 신호로의 변환(계속) 양자화(quantization) 과정 표본화 신호를 유한 개의 이산 값을 갖는 신호로 전환 표본화 신호 : 연속적인 값

1.2 아날로그와 디지털 통신 시스템-5 아날로그 신호를 디지털 신호로의 변환(계속) 양자화(quantization) 과정(계속) 양자화기(quantizer)를 사용 각 영역별 대표 값으로 지정 : 양자화 레벨 양자화 잡음(quantization noise)을 유발 영역을 세분화 할수록 양자화 잡음은 감소하나 양자화 레벨 수가 증가 이진수로 표현하는 경우 비트 수가 증가 데이터의 양이 증가 : 넓은 채널 대역폭이 필요 부호화(encoding) 과정 양자화된 신호를 2진 부호로 전환 펄스부호변조(pulse code modulation, PCM)을 주로 사용 양자화 레벨(L)과 2진 비트 수(n)의 관계 : L = 2n L = 8 일 때 n = 3 L = 16 일 때 n = 4

1.2 아날로그와 디지털 통신 시스템-6 아날로그 신호를 디지털 신호로의 변환(계속) PCM 방식 M-ary PCM : M진 PCM 표본화 구간마다 한 개의 양자화된 M진 표본값을 전송 M 개의 서로 다른 파형이 필요

1.2 아날로그와 디지털 통신 시스템-7 아날로그 신호를 디지털 신호로의 변환(계속) PCM 방식(계속) binary PCM : 2진 PCM 표본 구간마다 n개의2진 레벨 펄스로 전송 단순하고 검출이 용이 예 : 4비트 2진 PCM 신호 음성 신호에 대한 PCM 적용 예 대부분 전력이 4 kHz 이하에 집중 B = 4 kHz fs = 2B = 8 kHz 8비트의 양자화기 사용 : 256 레벨 전송 대역폭 BW = 8  8 kHz = 64 kHz 훨씬 더 넓은 대역폭이 요구

1.2 아날로그와 디지털 통신 시스템-8 일반적인 디지털 통신 시스템의 블록도 소스 코딩(source coding) : 원천 부호화 전송 대역폭을 줄이기 위해 데이터 양을 감소하는 기법 잉여(redundant) 정보를 제거하여 디지털 데이터를 압축 비트율(bit rate)를 감소하여 필요한 채널 대역폭을 축소하거나 주어진 대역폭으로 전송할 수 있는 정보량을 증가

1.2 아날로그와 디지털 통신 시스템-9 일반적인 디지털 통신 시스템의 블록도(계속) 채널 코딩(channel coding) 오류 검출/정정 데이터의 추가로 인해 대역폭은 증가하지만 채널에서 발생하는 오류를 감소하여 신뢰성을 높이는 기법 예 : 패리티 비트(parity bit), 해밍(Hamming) 코드

1.2 아날로그와 디지털 통신 시스템-10 일반적인 디지털 통신 시스템의 블록도(계속) 변조(modulation) 디지털 데이터를 채널 전송에 적합한 연속 파형으로 전환 기저대역(baseband) 변조 : 라인 코딩(line coding) 통상적으로 사각파형(square waveform) 대역통과bandpass) 변조: 통상적으로 정현파(sinusoidal waveform) 일명 : 반송파 변조(carrier modulation) 아날로그 변조 방식 : AM, FM, PM 디지털 변조 방식 : ASK, FSK, PSK, QPSK, MSK, 반송파형의 파리미터를 변형하여 정보를 전송 진폭(amplitude), 주파수(frequency, 위상(phase) 반송파는 고주파의 정현파를 의미 파라미터들이 기저대역 신호에 따라 가변적

NRZ : non-return to zero 1.2 아날로그와 디지털 통신 시스템-11 일반적인 디지털 통신 시스템의 블록도(계속) 변조(계속) 라인 코딩(line coding) : 기저대역 변조 NRZ : non-return to zero RZ : return to zero

1.2 아날로그와 디지털 통신 시스템-12 일반적인 디지털 통신 시스템의 블록도(계속) 변조(계속) 아날로그 반송파 변조(carrier modulation)

1.2 아날로그와 디지털 통신 시스템-13 일반적인 디지털 통신 시스템의 블록도(계속) 변조(계속) 디지털 반송파 변조 ASK (amplitude shift keying) 일명 : OOK(on-off keying) 1 → A cos 2fct 0 → 0 PSK (phase shift keying) 0 → A cos (2fct + ) = - A cos 2fct FSK (frequency shift keying) 0 → A cos 2f0t 1 → A cos 2f1t

1.2 아날로그와 디지털 통신 시스템-14 일반적인 디지털 통신 시스템의 블록도(계속) 다중 접속(multiple access) 통신 매체를 여러 사용자가 공유하는 방식 FDMA (frequency division multiple access) : 주파수 대역을 구분 TDMA (time division multiple access) : 데이터 전송 슬롯을 구분 CDMA (code division multiple access) : 사용자를 코드로 구분

1.3 SNR과 채널 대역폭-1 통신 공학에 있어서 가장 중요한 2가지 자원 대역폭과 송신 전력 채널 대역폭(channel banswidth) 왜곡 없는 전송을 위해 필요한 요소 다중 사용자 환경에서 주파수 이용 효율을 위한 중요한 자원 디지털 통신에서는 데이터 전송률과 관련 정보 전송률은 채널 대역폭에 비례 신호의 송신 전력 통신의 품질(SNR)에 관계 신호 전력이 증가하면 채널 잡음의 영향이 감소 좀더 정확한 정보가 수신 모든 경우에 통신을 위한 최소 SNR이 요구 SNR이 클수록 전송 가능한 거리가 증가 송신 전력과 채널 대역폭은 상호 교환이 가능 채널의 요구 대역폭을 줄이기 위해 큰 송신 전력 사용이 가능 낮은 송신 전력을 사용하는 대신 넓은 대역폭의 사용이 가능

1.3 SNR과 채널 대역폭-2 채널 용량(channel capacity) 주어진 채널 대역폭에서 오류 없이 전송 가능한 최대 데이터율 샤농(Shannon)의 방정식으로 표현 가능 채널 용량은 채널 대역폭(B)과 신호 전력에 관계 통신 시스템에서 최대 데이터 전송률이 제한됨을 의미 성능의 이론적 상한선을 제시

1.3 SNR과 채널 대역폭-3 좋은 통신 시스템의 특성 높은 데이터 전송율 R 작은 채널 대역폭 B 낮은 요구 신호 전력 또는 Eb/No SNR이나 BER에서 측정된 낮은 왜곡 높은 시스템 사용 효율 작은 지연을 갖는 많은 사용자 수 낮은 시스템 복잡성과 계산적인 부하 및 시스템 비용 디지털에서 높은 복잡성은 항상 고비용으로만 나타나지 않음 실제로 이런 목표들을 달성하기 위해 절충이 필요

1.3 SNR과 채널 대역폭-4 데이터율과 대역폭의 관계 데이터율(R) 증가  데이터 펄스 폭 감소  대역폭(B) 증가 이 절충은 피할 수 없으나 어떤 시스템은 다른 시스템보다 더 효율적으로 대역폭을 사용 대역폭 효율(bandwidth efficiency) 데이터율과 대역폭의 비로서 정의 큰 대역폭 효율이 요구

1.3 SNR과 채널 대역폭-5 비트 오류율과 신호 전력의 관계 잡음의 영향을 극복하기 위해 낮은 오류율이 요구 큰 신호 전력을 사용하면 낮은 오류율이 달성 변조 방식에 따라 더 낮은 전력에서 낮은 오류율이 달성 에너지 효율을 정의하여 사용 낮은 에너지 효율이 요구

1.3 SNR과 채널 대역폭-6 이진 시스템에서 비트 오류 확률

1.3 SNR과 채널 대역폭-7 시스템 설계에서의 타협 대역폭 효율과 에너지 효율 사이의 타협을 의미 2진 변조와 M-진 변조의 경우 2진 변조는 사용 채널 당 단지 한 개의 비트를 전송 M진 변조는 사용 채널 당 다중 비트들을 전송 잡음에 더 취약 오류 정정 부호화(error correction coding)의 경우 BER 성능을 개선하기 위해 잉여(redundancy) 비트를 추가 대역폭의 증가를 초래