통신시스템 용어정리

아날로그 변조 (AM, FM, PM)

진폭 변조 (AM, Amplitude Modulation)

반송파의 진폭을 신호파에 비례하여 변화시킨다.
신호파가 반송파의 신폭에 실려 전송되므로 잡음 개입이 쉽다.
장거리 단파 방송이나 TV 화면부분에 이용된다. 진폭변조는 송신하고자 하는 정보를 반송파의 진폭을 변화시켜 전송한다.

주파수 변조 (FM, Frequency Modulation)

반송파의 주파수를 신호파에 비례하여 변화시킨다.
필요에 따라 주파수만을 변화시키는 방법
진폭을 일정하게 유지하므로 잡음과 혼선에 강하다.
AM에 비해 이득, 선택도, 감도가 우수하나 송수신기의 회로가 복잡하다.
스테레오 사운드, 텔레비전의 소리 부분, 장거리 전화 등에 이용되며, FM은 88 ~ 108 MHz 대역의 주파수를 사용한다.
주파수에 정보를 실어 전송하는 변조 방식

위상 변조 (PM, Phase Modulation)

반송파의 위상을 신호파에 따라 비례하여 변화시킨다.
주파수가 일정한 교류신호를 입력신호의 변화에 따라서 위상을 벗어나게 하여 그 위상의 벗어남의 양으로 정보를 전달하는 방식
1회의 위상의 벗어남에 대해서 2비트나 3비트 등, 복수 비트의 정보를 전달할 수 있으며, 고속전송에 적용된다.
2빈 부호를 180도의 위상차로 기억하는 방식이며 비트의 중앙에서 극성을 바꾸어 주는 방식으로 고밀도 전송에 적합하다.
위상에 정보를 실어 전송하는 변조 방식

Modulation(변조)

정보 전달을 위해 크기, 주파수, 위상 등을 변화시키는 것

이유

안테나 크기를 작게 만들기 위해서 - Carrier(고주파)를 사용하게 되면, 신호의 파장은 작아진다. 그리고 일반적으로 안테나 사이즈는 신호의 반파장으로 설계 되어야 한다.
다양한 정보를 실어 보내기 위해서 - 단순한 AM, PM, FM 이외에도 여러 Modulation 방식이 연구되고 있다.

Demodulation(복조)

수신단에서 수신된 modulated signal을 원래의 메시지 신호로 추출하는 과정

Band pass filter (대역 통과 필터)

특정 주파수 사이에 있는 신호만 통과시키는 필터

Phase Locked Loop (위상 고정 루프)

기준 주파수를 통해서 주기적 신호의 위상을 원하는 대로, 흔들리지 않는 정확한 주파수로 고정시켜 주는 것
즉, 일정한 주파수로 유지시켜주는 회로

VCO (Voltage Controllered Oscillator)

입력전압에 따라 특정한 주파수를 내보내는 PLL의 최고 핵심 멤버

Phase detector

두 개의 주파수신호 입력을 받아서 두 개가 얼마나 주파수/위상차가 있는지를 알아낸다.
두개의 주파수 입력신호가 완전히 동일한 주파수만 들어오고 있다면 P/D는 별로 할일이 없겠지만. 하지만 어느 한쪽 신호가 주파수가 변한다면(결국 위상이 변하는 것), P/D는 그 차이에 해당하는 특정한 클럭을 생성한다.

Nyquist sampling 이론

한정된 대역의 주파수를 갖는 함수의 경우, 적절한 샘플링 간격을 취하면 샘플링 과정에서 아무런 정보의 유실도 없이 완전하게 재생될 수 있다는 이론이다. 이 때 특정 주파수 성분의 한 사이클을 제대로 나타내기 위해서는 적어도 2개 이상의 샘플이 있어야 한다.

예) 음성 신호의 경우 유효 음성 주파수 대역 300-3,400Hz의 2배인 6800Hz가 2배가 넘는 8000Hz로 표본화 중이라고 한다. 하지만 모두 가능한 것은 아니다. 입력 신호에 상당히 높은 주파수 성분이 존재하지 않을 경우, 즉 대역 제한된 신호에서만 가능한데 이를 표본화 정리라고 한다.

사람의 최대 가정 주파수인 20Hz를 40hz이상의 주기로 샘플링을 한다.

(CD, 오디오 : 44.1KHz 주파수로 샘플링 한다.)

샤논의 정리

최적의 통신시스템 설계에 대한 이론적 근거 제시
만약 신호가 BHz보다 높은 주파수를 포함하고 있지 않다면. 1/2B 간격으로 일련의 지점에서 좌표를 지정함으로써 완전히 결정된다.
1/2B seconds/sample는 나이퀴스트 샘플 간격의 길이라고 불린다.
2B samples/second는 나이퀴스트 샘플링 율이라고 불린다.

Analog to Digital Conversion

온도, 습도, 조도와 같이 우리가 주변에서 측정하는 대부분의 물리량은 연속적인 아날로그 값이다. 이런 물리량들은 센서를 통해 전압, 전류, 저항과 같은 전기적인 신호로 변환되는데 이 값도 역시 연속적인 아날로그 값이다.
센서 출력 값을 프로세서로 처리하기 위해서는 프로세서가 알 수 있는 0과 1의 2진 디지털 신호로 변환해야하는데 이 과정을 담당하는 부품이 AD Convert이다.

Sampling(표본화)

연속적인 아날로그 신호를 일정한 시간 간격으로 측정하는 것
예) 하루의 온도를 1시간 간격으로 측정한다. 이 1시간 간격으로 측정하는 것을 샘플링 이라 한다.

Quantization(양자화)

아날로그 레벨을 한정된 디지털 레벨로 바꾸는 과정을 말한다.
샘플링에서 얻어진 아날로그 레벨을 몇 개의 한정된 값에 할당된다는 것. 다시 말하면 샘플링에서 얻어진 모든 값을 디지털 값으로 표현할 수 없다.
예) 2비트의 AD Convert에서는 2^2=4. 즉, 4개의 값 중 하나로 샘플링 값을 할당해야 한다는 것이다. 4개의 값 중간에 있는 값들은 가까운 4개중 하나의 값으로 근사화 해야하는데 이런 과정에서 에러가 발생한다. 이 것을 양자화 에러라고 한다.
AD Converter의 bit 수가 많을수록 양자화 에러가 감소하게 된다.

Encoding(부호화)

이 값들을 0과 1만으로 표현된 디지털 값으로 표현해야하는 것

Pulse Modulation(펄스 변조)

주기적인 펄스를 정보 신호에 의해 변조하는 방식

특징

연속파 변조와의 대비
구현 용이
- 레이저, 마이크로파 장비 등으로 펄스변조를 쉽게 구현 가능한 장비가 많다.
시분할 다중화 기능
- 펄스가 존재하지 않은 구간에 다른 시간 구간의 신호 샘플들을 넣을 수 있다.
큰 폭의 주파수 대역이 필요

펄스 변조의 구분

아날로그 펄스 변조 방식 (연속 펄스 변조)
- 아날로그 파형을 이산적인 시간 간격으로 표본화 시킨 후, 그 값에 따라, 펄스 열의, 진폭, 위상(위치), 폭 등을 변화시키면서 ,변조하는 방식. 펄스 파형의 파라미터가 ,연속적인 아날로그 양에 따라 변조됨
주요 종류
- 펄스 진폭 변조 (PAM)
- - 표본치 진폭크기에 1:1 대응 관계를 갖느 가장 많이 사용되는 방식
- 펄스 폭 변조 (PWM)
- - 펄스 폭 제어에 의한 듀티사이클의 변조 방식
- 펄스 위치 변조(PPM)
- - 펄스의 시간적 위치를 변화시키는 변조 방식
디지털 펄스 변조 방식 (불연속 펄스 변조)
- 아날로그 파형을 샘플링하고 양자와시킨 신호로써 펄스를 변조하거나 부호화하는 방식
- 결국, 아날로그 펄스 변조된 결과를 디지털 비트로 변환하여 표현하게됨

PCM(Pulse Code Modulation)

PAM은 아날로그 데이터를 크기에 따라 높이가 다른 펄스열로 나열한 1차적인 펄스변조법이다. 이러한 멀티레벨 신호를 컴퓨터 파일처럼 순전히 0과 1만의 데이터 열로 전송하기 위해서는 2진신호로 변환할 필요가 생긴다.
그러한 변조방법으로 가장 일반적으로 사용되는 것이 바로 PCM인데, 컴퓨터와 관련된 아날로그 신호 체계는 거의 PCM에 기반하여 저장되고 전송되어 진다.

PCM의 성능

PCM 시스템 성능은 다음의 두가지 잡음에 대해 영향을 받는다.

채널 잡음 : 시스템이 동작하는 모든 채널에 항상 존재하는 부가잡음
양자화 잡음 : 디지털로 변환하면서 버려지는 아날로그 신호의 특성 자체가 잡음으로 평가되며, 채널잡음과는 신호가 있을 때만 존재하는 잡음이다.

PCM 시스템의 장점

잡음과 간섭에 강함
전송중 코딩된 신호를 효과적으로 재생
SNR을 개선하기 위한 채널대역폭의 증가를 효과적으로 바꿀 수 있다
동일한 포맷으로 공통된 네트워크에서 다른 디지털 데이터와 합칠 수 있다.
TDMA 시스템에서 신호를 빼거나 삽입하기가 쉽다.
특수한 변조법이나 암호화를 적용하기가 쉽다

Line Coding

베이스밴드, 무 변조 상태에서 가입자 선로, 동선로, 광선로 등으로 전송하기 위해 취해지는 부호화 형식

Bipolar (Unipolar) NRZ (RZ)

RZ(Return to Zero) : 펄스 사이에서 반드시 일정시간 동안 0을 유지한 후 다음 신호를 전송하는 특징이 있다.
NRZ(Non-Return to Zero) : 1이라는 신호가 발생하면 다음 펄스까지 1을 유지하는 것

NRZ는 펄스폭이 RZ에 비해 넓기 때문에 BW 효율이 좋은 장점을 가지고 있다. 그러나 펄스 폭이 넓기 때문에 파워 효율이 좋지 않다.

그리고 만약 111111 이라는 신호를 표현한다고 하면 NRZ는 인접 신호 구분을 위해 수신기에서 동기가 필요하다. 반면, RZ신호는 1이 0으로 돌아가기 때문에 신호 구분에 용이하다.

Unipolar RZ/NRZ

K-194

단극성 펄스로 신호를 전달하는 포맷이다. 5V는 1로 0V는 0으로 전송한다는 특징을 가지며, 가치 없는 정보를 담고 있는 DC Component를 가지고 있는 단점을 가지고 있다.

Polar RZ/NRZ

K-195

양극성 펄스로 신호를 전달하는 포맷이다.
5V는 1로 -5V는 0으로 전송한다는 특징을 가지기 때문에 DC Component를 가지지 않아서 unipolar보다 파워 효율이 더 좋다.

디지털 변조 (Digital Modulation)

디지털 심볼들을 채널 특성에 맞춰 아날로그 파형으로 변환/매핑하는것
디지털 정보 신호를 여러 가능한 신호(신호집합) 중 하나와 대응시켜 전송하는 것

특징

수치(비트) 열에 대응하는 파형이 전송됨
- 매 심볼 마다 전송가능한 신호 집합 중 하나를 골라 수신쪽에 전달
심볼주기 내에서만 존재
- 각 심볼 파형은 심볼주기 내에서만 전소됨
전송 파형이 랜덤함
- 전송파형이 사전에 알려지는 아날로그 통신과 달리 일련의 전송 파형이 랜덤하게 보여짐
- 송신 비트가 랜덤하게 보내지므로 랜덤프로세스로 간주하여 해석하게됨
변조된 주파수 스펙트럼이 대체로 넓게 퍼짐
- 진폭, 주파수, 위상 등이 불연속적인 펄스 형태를 취하므로 신호 주파수 대역이 넓게 퍼져, 심볼간 간섭 발생이 쉬워짐
- 따라서 대역폭 제한된 채널에 대한 극복이 필요함

장점

스펙트럼의 효율적 사용
저 전력 소모
잡음 환경에서 보다 나은 성능 개선 방법 가능
여러 다중화 방식 구현이 용이

단점

대체로 전송 대역폭이 넓음

종류

ASK(Amplitude Shift Keying) : 변조 신호를 가지고 반송파의 진폭을 변화시키는 변조방식
FSK(Frequency Shift Keying) : 변조 신호를 가지고 반송파의 주파수를 변화시키는 변조 방식
PSK(Phase Shift Keying) : 변조 신호를 가지고 반송파의 위상을 변화시키는 변조 방식
QAM(Quadrature Amplitude Modulation) : 변조 신호를 가지고 반송파의 진폭과 위상을 같이 변화시키는 변조 방식

AWGN(Additive white Gaussian noise) 채널

전 주파수 대역에 동일한 확률을 갖는 잡음이 발생하도록 모델링한 채널
Additive : noise가 신호에 곱해지지 않고 더해지는 형태로만 발생하기 때문에
White : 모든 주파수 대역에서 발생하기 때문에
Gaussian : 시간 영역에서 에너지 스펙트럼이 가우시안 형태를 가지기 때문에

BPSK (Binary Phase Shift Keying)

디지털 신호(0, 1)에 따라 위상이 180도 (0, 180) 다른 두 정현파로, 위상편이변조하는 방식
- 정보 신호에 따라 전송 신호의 극성(위상)이 결정됨
즉, 두 신호가 180도 위상 차이를 갖는 대척신호가 됨