1. 정보전송공학 - 디지털 변환 방식(변조)

* 변조의 원리

- A = AM -> 장거리전송 부적합, 잡음증가, 대역폭 감소

- F = FM -> 잡음에 강함, 대역폭 증가

- P = PM -> 왜곡현상, 고속

- A = ASK -> 모스부호

- F = FSK -> 홈 N/W

- P = PSK -> 위성/이동 통신 시스템

- A.P -> APSK -> QAM

- A = PAM, PWM, PPM

- PCM

- PNM

 

* CWM: Continous Wave Modulation

*변조별 비교

반송파	신호파	변조	피변조파	특징
CWM	아날로그	A	AM	협대역, 잡음 및 페이딩에 약함, 중파방송
		F	FM	광대역, 잡음 및 페이딩에 강함, 초단파방송, S/N 좋음
		P	PM	잡음 및 간섭의 영향 적응, 등가 FM회로 동기검파 가능
	디지털	A	ASK	저속
		F	FSK	저/중속, 모뎀(저/중속 비동기 모뎀)
		P	PSK	전송로 레벨 변동에 강함, 동기식 검파만 가능
		AP	QAM	APSK, 잡음 및 위상에 강함
PM	아날로그		PAM	잡음 영향에 약함, 위성통신
			PWM	잡음에 강함, 전력소비 많음
			PPM
	디지털		PNM
			PCM

 

1. 디지털 변조의 원리

* 기저대역(Baseband): 원신호파의 고유주파수 대역

* 반송대역(Broadband): 주파수 천이

 

1-1 아날로그 전송

(1)  대역전송(브로드밴드)

- 변조: 낮은 주파수의 전송신호를 높은 주파수로 옮기는 조작(천이), 전송로에 적합한 신호로 변환

- 변조를 사용하여 전송

- 주파수 스펙트럼을 옮겨 전송

- 장거리 전송 가능

- 무선 전송 및 반송(전화) 시스템에서 사용

* 변조의 필요성: 장거리 전송 가능, 잡음 및 간섭 감소, 장비 제한 극복, 주파수 분할 다중화(FDM) 가능, 여러 주파수 할당 가능, 안테나 크기 줄일 수 있음, 적은 전력으로 양질의 통신 가능, 주파수 높일 수 있음

*** 주파수 올라가면 파장(파장의 폭)은 작아짐

 

(2) 무선 전파의 종류 - 아날로그 변조

- AM(진폭변조): 진폭변화, 각종 방해에 강함

- FM(주파수 변조): 주파수 변화, 각종 방해에 강함

- PM(위상변조): 위상변화, 레벨 변동이 작음

 

 

1-2 다지털 변복조

(1) 디지털 변복조기의 구성

- A/D 변환기: 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환

- 원천 (소스) 코딩: 압축 부호화를 수행하며 압축 코딩

- 채널 코딩: 잉여비트, 전송시 에러를 찾기 위해 사용

- 디지털 변조

- 디지털 복조: 원래의 정보신호를  찾기위해 비동기, 동기 검파 수행

- 채널 디코딩: 잉여비트를 이용해 착오의 검출 및 정정을 수행

- 원천 (소스) 디코딩: 신장과정을 거쳐 원래 신호로 재생

- D/A 변환

 

*디지털 통신 시스템

신호 ->	A/D 변환기 ->	소스코딩 ->	채널 코딩 ->	디지털 변조 ->	전송
	- PCM -64kbps	-압축(대역폭 ↓) - DPCM - ADPCM - DM - ADM	* 잉여비트  생성됨 - 오류 제어 - Parity - Hamming - CRC	- ASK - FSK - PSK -QAM	↓
신호	< - D/A 변환기	< - 역소스코딩	<- 역채널 코딩	< -	복조

 

(2) 영상 부호화

손실 부호화	프레임내부호화	DCT(이산코사인변환)
	프레임간부호화	MPEG: 1(VHS), 2(HD), 4(객체), 7, 21
무손실 부호하	RLC(Run Length Coding)	0이 많이 포함된 정보 압축 줄길이 부호화
	VLC(가변 길이)	Huffman Code

 

 

1-3 데이터 전송방법

(1) 기저대역 전송

- 주파수를 변조하지 않고 직접 전송하는 방식

- 에러(오류)검출이 용이

- 임피던스 매칭 용이

- 만들기 용이

- 전송부호조건

: DC 성분 없어야 함, 동기(Timing) 정보가 충분해야 함, 너무 낮은 주파수/너무 높은 주파수 성분 최소화, 전송대역폭 작아야 함, 전송선로(각종 방해, 잡음, ISI, 누화)에 강해야 함

 

 

1-4 정합필터

- 정합 필터의 임펄스 응답: 디지털 필터, 잡음이 0인 필터

 

 

1-5 전송 부호의 종류

단극 NRZ	0으로 복귀하지 않음
단극 RZ	입력신호 1이면 +펄스를 전송, 0이면 전송하지 않음 - 송수신회로 구성 간단 - 소비 전력 낮음 - 단거리 구간 이용 - 잡음에 대한 성능이 없음 - 1과 0의 연속규간의 동기가 어려움
북극 NRZ	1과 0에 대해 +와 -의 펄스를 대응 - 장거리 전송 가능
북극 RZ	신호의 중간점에서 항상 0으로 복귀, 동기 신호 검출 용이
바이폴라(biopolar)	2원 입력 신호의 0은 0레벨의 펄스로 1은 +, -개 레벨의 펄스를 서로 교대로 변환하는 방식 * 0과 1의 경우 반대로 변화하는 것을 의사 3원 부후(Pseudo Tenary)와 함 - 대역폭 넓지 않음 - 오류 검출 용이 - DC 성분 제거되지 않음
맨체스터(manchester)	1은 한 펄스폭을 2개로 나누어 반구간은 양(+)펄스, 나머지 반구간은 음(-) 펄스로 구성 - v = 0 전압변동 없음 - 임피던스 매칭 용이 - DC 성분제거 가능 - 주파수 성분이 높음
차동맨체스터(Differential manchester)	펄스가 존재하는 비트 구간은 맨체스터 부호화와 동일, 디지털 비트가 "1"인 경우, 신호가 존재하는 위치가 바뀌고 "0"이면 앞 상태의 위상 그대로 유지
차동차분맨체스터	1인 경우 앞 상태 유지, 0은 biopolar 때만 0이고, 극성이 변하지 않으면 1을 표현하는 방식임
다이코드(dicode)	계속되는 전송 비트의 내용에 따라 (+)와 (-) 전위를 주는 방식 연속되는 비트의 내용이 0에서 1로 변하면 (+)전위를, 1에서 0으로 변하면 (-) 전위를 적용

 

연속억압부호 (BnZS: 북미식 / HDBn: 유럽식)

- B3ZS: 0이 3개 연속 될 때마다 00VB0B를 반복하는 전송부호

*V(Violation)는 biopolar의 1규칙에 위반되는 것을 말함

* B는 biopolar의 1을 말함

- B3ZS: 0이 6개 연속될 때 마다 B0VB0V를 반복하는 전송부호

- B3ZS: 0이 8개 연속될 때마다 000VB0VB를 적용

- HDB3: 0이 4개 연속될 때마다 000VB00V를 적용

 

1-6 디지털 변조의 종류

ASK(Amplitude Shift Keying) 진폭 편이 변조 (00K (On-Off Key))	- AM(진폭변조)의 원리                                      - 장거리, 고속 전송 곤란 -> 감쇠 영향 큼 - 반송파의 진폭이 변화                                      - 구현 간단 - 저속의 디지털 전송                                         - 위상 불연속 -> Discontionous -> 대역폭 증가 - 채널의 상태에 민감                                         - 동기, 비동기 검파 가능 - M진 ASK: M = 2  (n: 한번에 보낼 수 있는 비트의 수) * 4진: 한 번에 보낼 수 있는 비트 수가 2개 * 4진 ASK이면 00, 01, 10, 11 중 어느 하나가 됨
FSK(Frequency Shift Keying) 주파수 편이 변조	- FM(주파수 변조)의 원리                                      - 전송로 상태에 가장 강함 - 반송파의 주파수가 변화                                       - Distortion 현상 개선 -> CPFSK -> MSK - 비동기식, 저속 모뎀의 원리, 잡음 간섭에 강함 - M진 FSK: M = 2  (n: 한 번에 보낼 수 있는 비트의 수) * n의 수가 클 수록 한 번에 보낼 수 있는 비트 수가 많아짐 - M진 FSK는 스펙트럼 효율이 나빠짐 (주로 2진 FSK에 사용됨)
CPFSK(Continuous Phase Frequency Shift Keying) 연속적 FSK	- FSK의 단점 보완 - 위상이 불연속 - MSK는 가장 대역폭이 좁음 (MSK h = 0.5일 때 대역폭 가장 낮음) - 오류에 가장 강함 - FSK의 복조: 비동기 검파 및 동기 검파 * 비동기 검파: Envelope 검파기 * 동기 검파: 정합필터 또는 PLL *PLL의 구성요소: 위상비교기, 전압 제어 발진기, 부궤환
PSK(Phase Shift Keying) 위상 편이 변조	- PM(위상 변조)의 원리 - 반송파의 위상이 변화 - 동기식, 중속의 모뎀, 2400 ~ 9600bps * 동기검파만 가능(위상의 시작점 비교)
QPSK(Quadrature PSK) 4진 PSK	- 한 번에 2개의 비트 전송 - 경우의 수 00, 01, 10, 11 - 입력데이터 1인 경우 +레벨, 0인 경우 - 레벨
OQPSK(Offset QPSK)	- QPSK 단점 보완
8진 PSK
DPSK(Differential PSK)	* 비동기 검파, 반송파 사용 안함 - 동기문제 해결위해 1구간전의  PSK 신호를 기준파로 이용 - 이웃하는 신호의 위상과 현재의 신호를 비교하여 새로운 신호로 만듬
QAM(Quadrature Amplitude Modulation) = 16 QAM = 직교진폭변조 = APSK( Amplitude Phase Shift Keying) 진폭위상편이변조	- PSK의 변조 원리에 진폭 변조까지 포함 - 전송속도 빠름(9000bps 이상) - 동기식 전송 - 낮은 에러율 - 대역폭의 효율적 이용

 

각 변조별 비교 (아래로 내력갈 수록 오류 증가, 속도 증가)

ASK	2진	4진	- 전송로 방해에 약함                                            - 채널 상테에 민감 - 근거리 전송 잡움, 페이딩에 약함                        - IST
FAK	2진	4진	- 전송로 방해에 강함                                          - 대역폭 증가 -> CPSK - 잡음, 페이디에 강함                                        - 오류 확률이 가장 적고 대역폭이 가장 적음
DPSK	2진	4진	- 비동기 검파, 반송파 필요 없음
PSK	2진	4진	- 고속 전송, 레벨 변동에 강함 - 위성통신, 이동통신
QPSK	2진	4진	- 동시에 2비트 전송 동기식
QAM		16진	- 잡음과 위상변화에 우수함 - 초고속 방송

 

 

1-6 통신 속도

(1) 변조속도(B=baud): 1초 동안의 변조회수(단위: 펄스 수)

(2) 신호속도(bps): 1초 동안 전송된 비트 수 (정보량)

(3) 전송속도(0PM 자/분)   0PM = 60B/n

 

 

1-7 통신용량

(1) 샤논의 식

C = Blog2(1 + S/N)[bps]  

* B: 대역폭, S: 신호전력, N: 잡음전력

- 신호 전력 증가 시 대역폭 증가, 잡음 억제됨 그러나 log만에 있으므로 한계 존재

 

(2) 나이키스트 식

C = 2Blog2M[bps]

*M: 신호상태 수, 레벨

- 잡음을 고려하지 않음

- 대역폭이나 상태수 증가 시 용량 커짐

 

(3) 신호대 잡음비(SNR, S/N비)

S/N = 평균신호 전력 / 평균잡음전력

- SNR이 크다 = 신호 전력이 크거나 잡음 전력이 작음

0[db]: 통화 불능 상태	10[db]: 잡음은 크나 통화 가능 상태	20[db]: 잡음 있으나 통화 가능
30[db]: 잡음 약간 있으나 통화 가능	40[db]: 잡음이 약간 들리는 상태	50[db]: 잡음이 거의 들리지 않는 상태
60[db]: 무잡음 상태

 

 

1-8 다중화

(1) FDM(주파수 분할 다중화): 각신호의 반송파 다르게 할당해 주파수 분할 (아날로그)

(2) TDM(시분할 다중화): 전송로의 사용시간대를 분할(디지털, Point - To - Point)

(3) FDM과 TDM 비교

	FDM	TDM
대역폭	좁다 (4KHz)	넓다 (64KHz)
단국장치	복잡(여파기 필요)	간단
누화, 잡음	약함	강하다
기존장비	정합, 유리	불리
동기	불필요	필요

(4) CDM: 디지털, FDM + TDM, 대역확산

(5) WDW(Wavelength Division Multiplexing, 파장분할 다중화): 광통신

(6) SDN: 반교환기

* 감쇠: 전송신호세력이 전송매체 통과 과정에서 거리에 따라 약해지는 현상

* 지연 왜곡: 하나의 전송매체를 통해 여러 신호 전달되었을 때, 주파수에 따라 그 속도가 달라지므로 생기는 오류

* 백색잡음 = 가우스 잡음 = 열잡음: 전송매체 내부에서 온도에 따라 전자의 운동량이 변함으로써 생기는 잡음

* 누화잡음 = 혼선: 인접한 전송매체의 전자기적 상호 유도작용에 의해 생기는 잡음

* 충격성잡음: 번개와 같은 외부적인 충격 또는 통신 시스템의 결함이나 파손 등의 기계적인 충격에 의해 생기는 잡음, 디지털 데이터 전송 시 중요한 오류발생의 원인이 됨

* 우연적 왜곡: 예측할 수 없이 무작위로 발생하는 왜곡, 백색 잡음, 충격잡음, 위상하트 잡음 등 존재

* 시스템적왜곡: 전송매체에서 언제든 일어날 수 있는 왜곡, 손실/감쇠/하모닉 왜곡 등 존재

**하모닉 왜곡: 신호의 감쇠가 진폭에 의해 달라지는 것