Chapter 5. 아날로그 전송(Analog Transmission)

1절. 디지털 -> 아날로그 변환

디지털 -> 아날로그 변환

• 디지털 데이터 정보를 기반으로 아날로그 신호 특성 중 하나를 바꾸는 과정
• 디지털 데이터(Digital Data)를 아날로그 신호(Analog Signal)로 변환 후 전송

디지털 -> 아날로그 변환 유형

변환 유형	영문 약어	영문
진폭 편이 변조	ASK	Amplitude Shift Keying
주파수 편이 변조	FSK	Frequency Shift Keying
위상 편이 변조	PSK	Phase Shift Keying
직교 진폭 변조	QAM	Quadrature Amplitude Modulation

반송파 신호(Carrier Signal)

• 아날로그 전송에서 신호의 기반이 되는 고주파 신호

반송파 신호 특성

• 진폭(Amplitude)
• 주파수(Frequency)
• 위상(Phase)

변조(Modulation or Shift Keying)

• 반송파 신호의 특성 중 한 가지 이상을 변화시키는 방식

디지털 -> 아날로그 변환의 여러 관점

• 대역폭(BandWidth)
• 데이터 요소 대 신호 요소
• 데이터 전송률 대 신호 전송률
  • 비트 전송률(bps) : N, 데이터율, 초당 비트 수
  • 보오율(baud) : S, 신호율, 초당 신호 단위 수
  • r : 하나의 신호 요소에 전달되는 데이터 요소의 수

사용 공식 : $S = N × \frac{1}{r}$ baud

• 디지털 데이터의 아날로그 전송 : 보오율은 비트 전송률과 같거나 적음

진폭 편이 변조(ASK : Amplitude Shift Keying)

• 신호 요소 생성을 위해 반송파 진폭 변화
• 주파수 & 위상 : 진폭이 변화 시 일정하게 유지
• 잡음(Noise)에 약함
  • noise는 진폭에 많은 영향

수식 정리
$B = (1+d) × S$
B : 대역폭(Bandwidth)
S : 신호율(Signal Rate : Baud Rate)
d : 변조 과정 관련 요소(0과 1 사이)
$f_c$ : 캐리어 주파수(Carrier Frequency), 대역폭 중간

2진 ASK(BASK : Binary ASK)

• 디지털 데이터(Digital Data)를 디지털 신호(digital Signal)로 만든 후 캐리어 신호(Carrier Signal)과 곱셈

• 두 가지 전압 사용

• 에너지 소모 감소

  • 하나의 값은 전압 없음
  • 온-오프 변조(OOK : On-Off Keying)
  • 전송 에너지 소비 감소
• 다준위 ASK(Multilevel ASK)
  • 2 Level 이상의 진폭(Amplitude)를 사용하는 ASK

주파수 편이 변조(FSK : Frequency Shift Keying)

• 데이터를 나타내기 위한 신호의 주파수 변화
• 데이터 요소가 다른 값을 가질 경우 주파수 변화
• 최고 진폭과 위상은 일정
• 진폭 편이 변조(ASK)의 잡음(Noise)문제 해결
• $B = (1+d) × S + 2Δf$
  • $2Δf$는 최소 $(1+d) × S$ 이상의 값

2진 FSK(BFSK : Binary FSK)

다준위 FSK(MFSK : Multilevel FSK)

• 다수의 주파수로 multi-bit 전송
• ex) 2bit 전송 시 4개의 주파수 사용
  • $2$ $bit$ => $2^2$ $freq$
• $2Δf$는 최소 $(1+d) × S$ 이상의 값이므로 $d = 0$ 인 경우 최소값 $S$ 를 가짐
  • 즉, $2Δf = S$
  • $B$ (BandWidth) $ = (1 + d) × S + (L - 1) 2Δf$
    • => $B = L × S$

위상 편이 변조(PSK : Phase Shift Keying)

• 서로 다른 신호 요소 표현을 위해 신호의 위상 변화
• 최대 진폭과 주파수는 일정
• 현재 PSK는 ASK, FSK보다 많이 사용
• 잡음(Noise)에 매우 강함
  • ASK는 잡음(Noise)에 약함
• Carrier signal이 한 개
  • FSK는 2개 필요

2진 PSK(BPSK : Binary PSK)

• BPSK의 대역폭(Bandwidth)은 BASK와 동일
• ASK와 동일하지만 unipolar NRZ 대신 polar NRZ 사용

직교 위상 편이 변조(QPSK : Quadrature PSK)

• 2개의 BPSK 사용 시 4개의 위상 사용 가능
• 4가지의 다른 위상을 갖는 신호(Signal) 사용

• 1개의 신호(Signal)에 2 bit의 데이터 전송 가능

  • ex) $L = 4$ 인 경우, $L = 2^2$, r = 2
• 신호 요소마다 2비트 사용하는 QPSK 구현

성운 그림(Constellation Diagram)

• 2개의 동-위상과 직각위상의 반송파 신호를 사용하는 경우, 신호 요소의 진폭과 위상 결정에 도움

요소	설명
수평선 X축	동위상 반송파
수직선 Y축	직각 위상 반송파

직교 진폭 변조(QAM : Quandrature Amplitude Modulation)

• QAM = ASK + PSK : 진폭(Amplitude)과 위상(Phase)의 동시 변화
  • PSK : 위상 편이 변조
    • 위상의 작은 변화를 구분하는 장비 능력에 좌우
    • PSK로 bps를 높이는 것의 한계
  • ASK : 진폭 편이 변조
    • 잡음(Noise)에 약한 특성
    • 진폭(Amplitude)의 변화 수 < 위상(Phase)의 변화 수
• QAM의 대역폭(BandWidth)
  • ASK or PSK의 대역폭과 동일
  • ASK와 PSK의 장점을 동일하게 보유

QAM의 변형 : 성운 그림

2절. 아날로그 -> 아날로그 변환

아날로그 -> 아날로그 변환

• 아날로그 신호로 아날로그 정보 표현
• 매체가 특정 대역 통과 특성 보유
• 특정 대역만이 사용 가능할 경우 변조 필요

아날로그 -> 아날로그 변환 유형

변환 유형	영문 약어	영문
진폭 변조	AM	Amplitude Modulation
주파수 변조	FM	Frequency Modulation
위상 변조	PM	Phase Modulation

진폭 변조(AM : Amplitude Modulation)

• 변조 신호의 진폭 변화에 따라 반송파의 진폭이 같이 바뀌는 방식의 변조
• 반송파 주파수, 위상은 유지
• 변조 신호(Modulation Signal)은 반송파(Carrier)의 엔벨롭(Envelop)
  • 엔벨롭(Envelop)
    • 진동 신호의 상·하 극한점을 부드럽게 연결하는 곡선
    • 순간 진폭의 변화를 일반화한 형태
• AM에 필요한 총 대역폭은 변조 신호(음성 신호 : 오디오 등)의 대역폭에 따라 결정

진폭 변조의 대역폭(BandWidth)

• $B_{AM} = 2 × B$
• 대역폭(BandWidth)는 반송파 신호(Carrier Signal)를 중심으로 변조 신호(Modulation Signal) 대역폭(BandWidth)의 2배

AM 라디오의 표준 대역 할당

• 오디오 신호(음성 및 음악)의 대역폭은 5 kHz
• AM 방송국은 10 kHz 마다 대역폭 할당

주파수 변조(FM : Frequency Modulation)

• 반송파 신호(Carrier Signal)의 주파수가 변조 신호의 전압 준위 변화를 따라가도록 변조
• 최대 진폭과 위상은 유지
• FM의 대역폭은 변조 신호(음성 신호 : 오디오 등)의 대역폭에 따라 결정

주파수 변조의 대역폭(BandWidth)

• $B_{FM} = 2(1 + β) × B$
• $β$ : 변조 기술에 따라 상이하지만 일반적으로 4
• $B_{FM} = 2(1 + β) × B = 2(1 + 4) × B = 10B$
  • 즉, 변조 신호의 10배 대역폭
• 스테레오 오디오(Stereo Audio : Speech, Music 등)의 대역폭(BandWidth)는 15 KHz
• 따라서 FM 방송국의 최소 대역폭은 150 KHz
• FCC(Federal Communications Commission)는 최소 200 KHz 요구
  • FCC : 미국 연방 정부 산하의 독립 규제 기관

FM 라디오의 표준 대역 할당

• 스테레오 오디오 신호 대역폭 : 15 kHz
• 각 FM 방송국은 최소 150kHz 대역폭 필요
• 각 방송국에 200kHz(0.2MHz) 할당
• FM 방송국은 88 MHz ~ 108 MHz를 사용
• 88 MHz ~ 108 MHz 사이에 100개의 station 설치 가능
• 주변 주파수의 충돌 방지를 위해 50개씩 번갈아 사용

위상 변조(PM : Phase Modulation)

• 반송파 신호(Carrier Signal)의 위상이 변조 신호의 전압 준위의 변화에 따라 변조
• 반송파 신호(Carrier Signal)의 약한 최대 진폭(Peak amplitude)과 주파수(Frequency)는 불변
• 반송파 주파수(Carrier Frequency)의 변화는 신호 진폭(Amplitude)의 미분과 비례
• PM의 전체 대역폭은 변조되는 신호의 대역폭과 최대 진폭에 따라 결정

위상 변조의 대역폭(BandWidth)

• $B_{PM} = 2(1 + β) × B$

$β$ 유형	$β$ 값
좁은 대역(Narrow Band)	1
넓은 대역(Wide Band)	3