본 포스팅은 McGraw-Hill Education의 Data Communications and Networking, 5th Edition By Behrouz .A Forouzan 을 참고하였습니다.
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5.1 디지털 대 아날로그 변환
디지털 대 아날로그 변환은 디지털 데이터의 정보를 기반으로 아날로그 신호의 특성중 하나를 바꾸는 과정이다.
위 그림은 디지털 정보가 변조 처리과정을 거쳐 아날로그 신호 결과로 출력되는 과정을 보여주고 있다.
디지털 데이터를 아날로그 신호로 신호로 부호화하는 데에는 최소한 3가지 메커니즘이 존재한다.
- 진폭 편이 변조(ASK)
- 주파수 편이 변조 (FSK)
- 위상 편이 변조 (PSK)
- 구상 진폭 변조 (QAM)
등이 존재한다.
이번 포스팅에서는 이러한 메커니즘에 대해 알아보도록 하겠다.
5.1.2 진폭 편이 변조 (ASK)
진폭 편이 변조 (ASK, amplitude shift keying) 에서는 신호요소를 만들어내기 위해 반송파의 진폭을 변경한다. 주파수와 위상은 진폭이 변화하는 동안에도 일정하게 유지된다.
💡반송파 신호(반송 주파수)란?
아날로그 전송에서 송신장치가 생산하는 정보신호의 기반이 되는 고주파신호 (carrier signal, carrier frequency)
2진 ASK (BASK)
2개 레벨을 사용하여 구현하는 방법인 2진 진폭편이변조 (BASK, OOK)이다.
한 신호의 최고 진폭은 0이고 다른 신호의 최고 진폭은 반송파의 진폭임을 위 그림을 통해서 알 수 있다.
BASK의 대역폭 = (1 + d) x 신호율 (0 ≤ d ≤ 1)띠대역 통과 채널(0부터 시작X)을 사용하는 경우 그 대역(주파수)에 위치하도록 옮길 수 있다
다준위 ASK
지금까지는 2개의 진폭만을 이야히 했지만 2개 이상의 레벨을 가지는 ASK도 존대한다. 4, 8, 16 또는 그 이상의 레벨을 사용하여 동시에 여러 비트를 사용하여 변조할 수 있다.
이런 것들은 순수 ASK로 구현되지 않고 뒤에 나올 QAM으로 구현된다.
5.1.3 주파수 변이 변조 (FSK)
주파수 편이 변조 (FSK, frequency shift keying)에서는 데이터를 나타내기 위해 신호의 주파수가 바뀐다.
다음 데이터 요소가 다른 값을 가지면 신호의 주파수가 바뀐다. 최고 진폭과 위상은 일정하게 유지된다.
2진 FSK (BFSK)
2진 FSK(BFSK)를 보는 2개의 주파수를 사용하여 0과 1을 표현한다.
위 그림에서 2개의 반송파 주파수 f1과 f2를 보자.
데이터 요소가 0이면 f1을, 데이터가 1이면 f2를 선택하여 위 그림과 같이 나타낼 수 있다.
BFSK의 대역폭 = (1+d) x 신호율 + 2(f2-f1)다준위 FSK
마찬가지로 FSK 또한 2개 이상의 더 많은 주파수를 선택하여 디지털 데이터를 나타낼 수 있다.
이는 다른 기술들 보다 더 많은 대역폭을 사용하게 되는데, 잡음이 심각한 문제가 될 때 사용하기도 한다.
5.1.4 위상 편이 변조 (PSK)
위상편이변조 (PSK, phase shift keying)에서는 2개 이상의 서로 다른 신호 요소를 나타내기 위해 신호의 위상을 바꾼다. 위상은 변화하되 최대 진폭과 주파수는 일정 하게 유지된다.
2진 PSK (BPSK)
2진 PSK(BPSK)는 위 그림과 같이 데이터 요소에 따라 위상을 바꿔버림으로써 디지털 데이터를 나타낼 수 있다.
BPSK는 간단하지만 한 가지 큰 이점을 가지는데, 이는 잡음에 더 강하다는 것이다. 잡음에 의해 신호의 진폭등은 쉽게 변화하지만 위상은 변하지 않기 때문에 분명하게 데이터를 표현할 수 있다.
FSK와 같이 주파수를 여러개 쓰지 않기 때문에, ASK와 같이 요구되는 대역폭이 적다.
구상 PSK (QPSK)
PSK도 마찬가지로 BPSK만 아니라 동시에 2비트를 사용할 수 있는 방법이 고안되어 존재한다. 이를 구상 PSK(QPSK, quadrature PSK)라고 한다.
이는 2개의 비트를 서로 다른 변조기로 보내서 각각의 BPSK 아날로그 신호를 생성한다. 그리고 두 신호를 합치게 되면 서로 다른 4가지 종류의 위상을 갖는 정현파가 된다.
성운 그림 (constellation diagram)
성운 그림 (constellation diagram)은 다 준위 ASK, PSK, QAM 등을 나타내는데 편리한 다이어그램이다.
- X축은 동위상 반송파 (cos축)
- Y축은 구상 반송파 (sin축)
- 원점에서까지의 길이는 신호 요소의 최대 진폭
- X축과의 각은 위상
5.1.5 구상 진폭 변조 (QAM)
구상 진폭 변조 (QAM, quadrature amplitude modulation)은 정현파의 세 가지 특성 중 한가지만 바꾸지 않고 두 가지를 변조한다. ASK와 PSK를 조합하여 수 많은 변형 조합을 만들어 낼 수 있게 된다.
ASK, PSK과 마찬가지로 최소 대역폭을 가지며, PSK와 같은 잡음에 강한 장점도 가지게 된다.