디지털 신호를 송신하기 위해서는 대역폭이 큰 로우패스 채널이 필요합니다. TV 및 라디오와 같은 방송 서비스에서는 서로 다른 주파수 대역을 다른 채널에 할당합니다. 동시 통화를 위해 휴대전화 사용자에게는 서로 다른 주파수 대역이 할당됩니다. 이러한 이유로 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환해야 하는 경우가 있습니다.
데이터 요소: 비트 bit
• 신호 요소: 신호의 가장 작은 단위
• 디지털 신호에서의 신호 요소 - 일정한 레벨을 가지는 가장 작은 신호 단위
• 아날로그 신호에서의 신호 요소 - 하나 이상의 비트를 나타내는 가장 작은 신호 단위
- 아날로그에서는 비트 속도 ≥ 보드 속도 항상 성립
Q)
An analog signal carries 4 bits of data per signal
element. If baud rate is 1000 baud, what is the data
transmission rate?
Since the analog signal carries 4 bits per signal element, the bit rate is 4 times the baud rate.
Therefore, the bit rate would be:
Bit rate = 4 x Baud rate
Bit rate = 4 x 1000 baud = 4000 bps (bits per second)
So the data transmission rate of the analog signal is 4000 bps.Q)
An analog signal transmits at 1000 baud and its bit
rate is 8000 bps. How many bits are carried in a
single signal element? → 8 bits
How many different signal elements must be used? → 256
If the baud rate is 1000 baud, it means that 1000 signal elements are transmitted per second.
If the bit rate is 8000 bps, each second 8000 bits are transmitted.
To find out how many bits are carried in a single signal element, we can use the formula:
bits per signal element = bit rate / baud rate
bits per signal element = 8000 / 1000 = 8 bits
Therefore, each signal element carries 8 bits of data.
To find out how many different signal elements must be used, we can use the formula:
number of signal elements = 2^(bits per signal element)
number of signal elements = 2^8 = 256
So, 256 different signal elements must be used.ASK
Amplitude Shift Keying (ASK)은 데이터를 인코딩하기 위해 캐리어 신호의 진폭을 변조하는 디지털 변조 방식입니다. 캐리어 신호란, 데이터를 전송하기 위해 변조되어 전송되는 아날로그 신호를 의미합니다. ASK는 간단한 구조를 가지고 있으며, 수신기에서도 쉽게 복조할 수 있어서 많이 사용되는 변조 방식 중 하나입니다. 일반적으로 ASK는 저비용으로 구현이 가능하고, 적은 대역폭에서도 사용할 수 있기 때문에 많이 사용됩니다.
ASK는 진폭 변조 방식으로, 데이터를 인코딩하기 위해 캐리어 신호의 진폭을 변화시킵니다. 캐리어 신호란 데이터를 전송하기 위한 아날로그 신호이며, 캐리어 주파수는 캐리어 신호의 주파수를 의미합니다. 보통 캐리어 신호의 중심 주파수를 사용합니다.
FSK
Frequency Shift Keying (FSK)은 디지털 신호를 변조하기 위해 사용되는 디지털 변조 기술 중 하나입니다. 이 기술은 진폭이 일정한 캐리어 신호의 주파수를 변경하여 데이터를 전송합니다.
일반적으로 FSK 시스템에서는 두 개의 주파수가 사용됩니다. 바이너리 데이터 "0"을 나타내는 캐리어 신호의 주파수와 바이너리 데이터 "1"을 나타내는 캐리어 신호의 주파수가 서로 다릅니다. 이러한 주파수는 일반적으로 캐리어 신호의 중심 주파수 주위의 대역폭으로 표시됩니다.
FSK는 ASK와 비교하여 노이즈에 강하며, 주파수 변화가 있는지 여부를 검출하여 데이터를 해석하므로 채널 품질이 좋은 경우 높은 신호 대 잡음 비율(SNR)을 제공합니다. FSK는 주로 모뎀과 무선 통신 시스템에서 사용됩니다.
PSK
위성 통신에서 사용되는 디지털 변조 기술 중 하나인 위상 변조(Phase Shift Keying, PSK)은 캐리어 파형의 위상을 변조하여 디지털 정보를 전송하는 방식입니다. 즉, 캐리어 파형의 위상이 바뀌면서 0과 1을 구분하며, 이를 이용해 디지털 신호를 전송합니다. PSK는 BPSK(Binary PSK) 및 QPSK(Quadrature PSK)와 같은 변형이 있으며, 이는 각기 다른 위상을 사용하여 여러 개의 비트를 전송할 수 있습니다. PSK는 저비용으로 구현 가능하며, 다른 디지털 변조 기술과 함께 다양한 통신 시스템에서 사용됩니다
ASK, FSK, PSK는 모두 디지털 통신에서 사용되는 변조 방식입니다. 각각의 방식은 다음과 같은 특징과 차이점이 있습니다:
- ASK (Amplitude Shift Keying)
- 데이터를 전송하기 위해 캐리어 신호의 진폭을 변조
- 쉽게 구현할 수 있지만, 노이즈와 왜곡에 민감하여 오류가 발생하기 쉬움
- FSK (Frequency Shift Keying)
- 데이터를 전송하기 위해 캐리어 신호의 주파수를 변조
- ASK에 비해 노이즈와 왜곡에 강하나, 대역폭이 크기 때문에 더 많은 주파수 대역폭을 필요로 함
- PSK (Phase Shift Keying)
- 데이터를 전송하기 위해 캐리어 신호의 위상을 변조
- ASK와 FSK보다 더 많은 정보를 전송할 수 있으며, 대역폭이 적기 때문에 더 적은 주파수 대역폭을 필요로 함. 하지만 노이즈와 왜곡에 민감하기 때문에 ASK나 FSK에 비해 더 복잡한 회로가 필요할 수 있음.
| 구현난이도 | 노이즈, 왜곡 | 주파수 대역폭 | |
|---|---|---|---|
| ASK | 쉬움 | 민감 | - |
| FSK | - | 강함 | 많음 |
| PSK | 어려움 | 민감 | 적음 |
이러한 특징들을 고려하여 각각의 방식은 다른 상황에 적합합니다. 예를 들어, 대역폭이 충분하고 노이즈가 적은 환경에서는 PSK를 사용하여 더 많은 정보를 전송할 수 있습니다. 반면, 대역폭이 제한적이거나 노이즈가 많은 환경에서는 FSK나 ASK를 사용하여 오류를 최소화할 수 있습니다.
BPSK와 QPSK는 PSK의 변형으로, 다음과 같은 특징과 차이점을 가지고 있습니다:
BPSK (Binary Phase Shift Keying):
- 2진 데이터를 전송하기 위해 사용되며, 각각의 비트는 0 또는 1의 상태를 나타냅니다.
- Carrier signal의 위상(phase)를 반대로 바꾸어 전송함으로써 1과 0을 구분합니다.
- BPSK는 단일 비트 당 1개의 심볼을 사용합니다.
- 복조 시, 수신된 신호가 carrier signal의 위상과 비교되어 0 또는 1의 값을 가지게 됩니다.
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying):
- 2진 데이터를 전송하기 위해 사용되며, 각각의 2 비트는 4가지의 상태(00, 01, 10, 11)를 나타냅니다.
- Carrier signal을 I(Q)상과 Q(I)상으로 분리하여 각각을 다른 위상을 가진 carrier signal과 곱해 전송합니다.
- QPSK는 단일 비트 당 2개의 심볼을 사용합니다.
- 복조 시, 수신된 신호를 I상과 Q상으로 분리한 후, 각각의 carrier signal과 곱하여 4가지의 가능한 상태(00, 01, 10, 11) 중 하나로 변환됩니다.
따라서, BPSK와 QPSK는 각각 1비트와 2비트 당 심볼의 수가 다르며, QPSK는 4가지의 가능한 상태를 사용하여 BPSK보다 더 높은 비트 전송률을 제공할 수 있습니다. 그러나 QPSK는 BPSK에 비해 좀 더 복잡한 신호 처리 과정이 필요하다는 단점이 있습니다.
Q)
Data was transmitted at 12Mbps using QPSK
modulation. What is the baud rate?
In QPSK modulation, each symbol represents 2 bits of data. Therefore, the number of symbols per second (baud rate) is half the bit rate.
Thus, in this case, the baud rate would be:
Baud rate = 12 Mbps / 2 = 6 Msymbols/secConstellation Diagram
컨스텔레이션 다이어그램은 신호의 진폭과 위상을 나타내는 그래프입니다. 디지털 통신에서는 여러 개의 데이터 시그널이 미세한 진폭과 위상 변화를 통해 전송되며, 이러한 변화는 복소평면에서 좌표값으로 표현됩니다. 이렇게 얻어진 값들을 이용하여 신호의 진폭과 위상을 그래프로 나타내게 되는데, 이를 컨스텔레이션 다이어그램이라고 합니다. 컨스텔레이션 다이어그램은 신호의 형태를 시각적으로 이해하는 데 도움을 주며, 수신기에서 신호를 복원하는 데에도 사용됩니다.
QAM
Quadrature Amplitude Modulation(QAM)은 캐리어 신호에 진폭 변조와 위상 변조를 모두 사용하여 데이터를 인코딩하는 방식입니다. QAM은 QPSK와 ASK의 조합으로 이루어져 있습니다. QPSK가 2개의 비트를 1개의 심볼(symbol)로 표현하는 방식인 것과 달리, QAM은 4개 이상의 진폭 및 위상 값을 조합하여 1개의 심볼로 나타낼 수 있습니다. QAM은 다양한 비트 전송률과 큰 대역폭 활용도를 가지고 있어 디지털 통신에서 많이 사용됩니다.
n-QAM은 n개의 점으로 이루어진 constellation diagram을 사용하여 데이터를 인코딩합니다. 이때 log2 n 비트를 인코딩하기 위해 n개의 신호 요소를 사용합니다. 예를 들어, 16-QAM은 16개의 점으로 이루어진 constellation diagram을 사용하며, 4개의 비트를 나타내기 위해 4개의 신호 요소를 사용합니다
Analog-to-Analog conversion
아날로그 데이터를 캐리어 주파수를 이용하여 전송하기 위해서는 데이터의 주파수 범위와 캐리어 주파수가 일치해야 합니다. 예를 들어, 음성 데이터는 20-20000Hz의 주파수 범위를 갖지만, 라디오 채널의 주파수 범위는 88-108MHz입니다. 따라서, 이러한 경우 아날로그 데이터를 아날로그-아날로그 변환을 통해 캐리어 주파수를 이용하여 전송할 수 있습니다.
진폭 변조(AM, Amplitude Modulation)은 정보 신호를 진폭을 변화시킴으로써, 주파수가 일정한 고정 주파수인 캐리어 신호와 결합시켜 전송하는 방식입니다. 변조 신호는 캐리어 신호의 진폭에 따라 변조되며, 수신측에서는 이 변조된 신호를 다시 복조하여 원래의 정보 신호를 얻습니다. 일반적으로 AM 방식은 라디오 방송 등에서 음성 정보를 전송하는 데에 사용됩니다.
아날로그 변조 기법에는 Amplitude Modulation (AM), Frequency Modulation (FM), Phase Modulation (PM)이 있습니다.
- 공통점: 모두 아날로그 신호를 이용하여 데이터를 전송합니다.
- 차이점: AM은 변조 신호의 진폭을 변경하여 데이터를 전송하고, FM은 변조 신호의 주파수를 변경하며, PM은 변조 신호의 위상을 변경하여 데이터를 전송합니다.
Amplitude Modulation (AM):
- 특징: 변조 신호의 진폭(amplitude)을 변경하여 데이터를 전송합니다.
Frequency Modulation (FM):
- 특징: 변조 신호의 주파수를 변경하여 데이터를 전송합니다
Phase Modulation (PM):
- 특징: 변조 신호의 위상을 변경하여 데이터를 전송합니다.
