[Computer Network] 5장 아날로그 전송

5. 아날로그 전송

1. 디지털-대-아날로그 변환

디지털-대-아날로그 변환은 디지털 데이터의 정보를 기반으로 아날로그 신호의 특성 중 하나를 변경하는 처리이다.

• 반송파 신호(Carrier Signal)
  • 통신에서 정보의 전달을 위해 입력 신호를 변조한 전자기파(일반적으로 사인파)를 의미한다.
    • 변조 : 신호의 진폭, 주파수, 위상 중 한가지 이상을 변화시키는 방식
  • 반송파를 이용하는 목적은 정보를 전자기파의 형태로 전송하거나, 또는 여러 주파수 대역에 반송파를 배분하는 주파수 분할 다중화를 통해 단일한 전송 매체를 공유하는 데에 있다.

디지털-대-아날로그 변환 유형

• 변조란 ?
  • 신호를(전송로 특성에 맞도록) 반송파(케리어)에 실어 정보 신호의 주파수를 높은쪽으로 옮기는 작업

• 변조의 종류

  전송신호	반송파	명칭	방법
  아날로그	아날로그	연속파 아날로그 변조	AM, FM, PM
  아날로그	디지털	펄스 아날로그 변조	PCM, DM
  디지털	아날로그	연속파 디지털 변조	ASK, PSK, FSK
  디지털	디지털	펄스 디지털 변조	Unipolar, Polar Bipolar

• 신호율(보오율) : 초당 신호 단위의 수
  • S(신호율) = N × baud,
    • N : 데이터율(bps) - 초당 전송되는 비트의 수
      • r : 하나의 신호 요소에 전달되는 데이터 비트의 수

예제 5.1

아날로그 신호가 각 신호 요소에 4비트를 전송한다. 초당 1000개의 신호 요소가 보내진다면 비트율(bps)은 얼마인가?

해답 : 이 경우에는 r = 4, S = 1000이며 N 은 미지수이다. 다음과 같이 N을 구할 수 있다.

예제 5.2

어떤 아날로그 신호의 비트율(bps=N)이 8000이고 보오율이 1000 보오(=S)이다. 각 신호 요소에는 몇 개의 데이터 요소를 전달하는가? 또한 몇 개의 신호 요소가 필요한가?

해답 : 이 경우에는 S = 1000, N = 8000이며 r과 L은 미지수이다. 다음과 같이 먼저 r의 값을 구하고 L의 값을 구한다.

$S = N \times \frac{1}{r}$ ⇒ $r = \frac NS = \frac {8000}{1000} = 8 bits/baud$

$r = log_2L$ ⇒ $L = 2^r = 2^8 = 256$

진폭 편이 변조(ASK: Amplitude Shift Keying)

• 진폭이 변하지만 주파수와 위상은 변하지 않는다
• 반송파의 진폭을 변화시켜 보내는 방식이다. 아날로그 변조 방식인 진폭 변조(AM)와 마찬가지로 이 방식은 다른 변조 방식에 비해 소음의 방해와 페이딩의 영향을 받기 쉽다
• ASK의 대역폭
  • B(대역폭) = (1 + d(0 ~1 사이의 값)) × S(신호율)

• 2진 ASK

  

  S(보오율) = N(=5(bps)) * 1/r(=1) =5 baud

  • ASK의 대역폭
    • B(대역폭) = (1 + d (0 과 1 사이의 값)) × S(신호율)

• 2진 ASK의 구현

  

예제 5.3

200 kHz에서부터 300 kHz에 걸치는 100 kHz의 대역을 사용할 수 있다. d = 1인 ASK를 사용하는 경우의 반송파의 주파수는 무엇인가?

해답 : 대역의 중간 지점은 250 kHz이다. 이는 반송파의 주파수 fc는 250 kHz인 것을 말한다. 비트율을 구하기 위해 다음 식을 사용할 수 있다.

$B = (1 + d) \times S = 2 \times N \times \frac 1 r = 2 \times N = 100kHz$ ⇒ $N = 50kbps$

예제 5.4

양방향으로 통신하기 위해 보통 전이중 링크를 사용한다. 그림 5.5와 같이 두 개의 반송파를 사용하고 2개 구간으로 대역을 나누어야 한다. 그림은 2 개 반송파의 위치와 대역폭을 보여주고 있다. 각 방향에 사용 가능한 대역폭은 이제 50 kHz이며, 각 방향 25 kbps의 데이터율을 제공한다. 그림 5.5

주파수편이 변조

Frequency Shift Keying (FSK)

BFSK(Binary FSK(Frequency Shift Keying))

• 신호의 주파수가 2진 1 또는 0에 따라 변경
• 2진 주파수 편이 변조

• BFSK의 대역폭
  • B(Bandwidth) = (1 + d) × S + 2Δf
    • d : 0과 1사이
    • S : 신호율
    • 2Δf : 요구 대역폭

예제 5.5

100 kHz의 가용 대역이 영역 200 kHz부터 300 kHz에 걸쳐 있다. d =1인 FSK를 사용하여 데이터를 변조한다면 반송 주파수와 비트율은 얼마인가?

해답 : 이 문제는 예제 5.3과 유사하지만 FSK를 사용해야 한다. 중간점은 250 kHz이다. 2Δf를 50 kHz가 되도록 하자. 그런 경우에는 다음과 같다.

$B = (1 + d) \times S + 2 \Delta f = 100$ ⇒ $2S = 50kHz \quad S = 25kbaud \quad N = 25kbps$

예제 5.6

비트율 3 Mbps의 속도로 동시에 3비트를 보내야 한다. 반송파 주파수는 10 MHz이다. 준위의 개수(서로 다른 주파수의 개수)와 보오율과 대역폭을 구하라.

해답 : L = 23 = 8이다. 보오율은 S = 3 MHz/3 = 1000 Mbaud이다. 이는 반송파 주파수는 서로 1 MHz씩 떨어져야 하는 (2∆f = 1 MHz)것을 의미한다. 대역폭은 B = 8 × 1000 = 8000이다. 그림 5.8에 각 주파수와 대역을 배당한 그림이 있다.

위상 편이 변조 (PSK: Phase Shift Keying)

• BPSK(Binary Phase Shift Keying)
  • 위상이 2진1 또는 0에 따라 변경
  • 2진 위상 편이 변조

  

• QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)
  • 각 신호 요소 마다 동시에 2비트를 사용할 수 있는 방법

  

예제 5.7

12 Mbps로 전송하는 QPSK 신호의 대역폭을 구하라. d값은 0이다.

해답 : QPSK에서는 한 신호요소가 2비트를 전송하므로 r = 2이다. 따라서 신호율(보오율) S = N × (1/r) = 6 Mbaud이다. d 값이 0 이므로 B = S = 6 Mbaud.

성운 그림(Constellation diagram)

• 수평선 X축은 동위상 반송파

• 수직선 Y축은 구상 반송파

  

• ASK(OOK), BPSK 그리고 QPSK 신호의 성운 그림

구상 진폭 변조

구상 진폭 변조(QAM)는 ASK와 PSK를 조합한 것이다.

• ASK와 PSK의 조합
• 몇 가지 QAM의 성운 그림

• 16-QAM

  

  

• 비트율과 보오율 비교

  

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2. 아날로그-대-아날로그 변환

• 아날로그-대-아날로그 변환은 아날로그 신호로 아날로그 정보를 표현하는 것이다. 왜 이미 아날로그 신호인데 아날로그 신호를 보조 하는가 하는 의문을 가질 것이다. 매체가 특정 대역 통과 특성을 갖고 있거나 특정 대역만이 사용 가능한 경우에 변조가 필요하다.

  

AM(Amplitude Modulation)- 진폭 변조

• 신호의 진폭에 따라 반송파의 진폭이 변화한다.

  

• AM 대역폭

  AM에 필요한 대역폭은 음성 신호의 대역폭으로부터 추론할 수 있다. $B_{AM} = 2B$

• AM 라디오의 표준 대역 할당

  • 오디오 신호(음성과 음악)의 대역폭은 5kHz
  • 각 방송국은 10kHz씩 할당
  • AM 대역 할당

  

FM(Frequency Modulation)- 주파수 변조

• 변조 신호의 전압 준위 변화에 따라 반송 주파수가 변화

  

• FM 대역폭

  FM의 전체 요구 대역폭은 음성 신호의 대역폭으로부터 다음과 같이 구할 수 있다. $B_{FM} = 2(1 + \beta) B$

• FM 라디오의 표준 대역 할당

  • 스테레오로 방송되는 오디오 신호 대역폭 15kHz
  • 각 FM 방송국은 최소 150kHz 대역폭 필요
  • 각 방송국에 200kHz(0.2MHz) 할당
  • FM 대역 할당

  

PM(Phase Modulation)- 위상 변조

• 정보 신호의 진폭에 따라 반송파의 위상이 비례하여 변화한다.

  

• 위상 변조 대역폭

  PM의 전체 요구 대역폭은 변조되는 신호의 대역폭과 최대 진폭으로부터 다음과 같이 구할 수 있다. $B_{PM} = 2(1 + \beta)B$