변조의 원리와 종류 그리고 디지털 변조

변조

 멀리 떨어진 곳으로 신호를 전송하는 경우에 신호 그 자체를 전송하는 것은 불가능합니다. 그렇기 때문에 진폭과 주파수가 일정한 고주파에 신호를 실어서 전송하게 되는데, 고주파에 신호를 싣는 것을 변조라고 합니다. 결국, 변조한 신호의 위상이나 전압과 같은 기본 특성을 변화시키는 모든 과정이며 그 종류는 매우 다양합니다. 신호의 특성 관점에서 변조는 크게 진폭 변조(AM), 주파수 변조(FM), 위상변조(PM) 이 세 가지로 구분이 됩니다.

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[그림1] - 무변조 상태에서의 지속적인 진동을 전압의 형식으로 표현하여 순시전압 e(t)로 나타낸 식.

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 또한, 아날로그 전송매체에서 디지털 신호를 전송하기 위해 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸는 디지털 변조 방식을 사용하는 경우도 있고, 그냥 디지털 형태 그대로 보내는 기저대역 전송도 있습니다. 특히 디지털 변조의 경우에는 상황에 따라 암호화라는 용어로 대치되기도 하며 ASK, FSK, PSK, QAM으로 분류할 수 있습니다.

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진폭변조 AM : Amplitude Modulation

 변복조 시스템을 말할 때 빠짐없이 기본이 되는 변조 방식입니다. 진폭 변조 시스템은 구조가 간단하고 구현하기도 쉽기 때문에 다양한 분야에서 통신에 광범위하게 사용되고 있습니다. 진폭변조는 캐리어 신호의 크기가 데이터 신호의 크기에 의존해서 변화하기 때문에 회로가 간단하며 비용이 적게 듭니다. 하지만 전력효율이 높지 않고 노이즈에 약해 손상이 많이 발생합니다. 기본적으로 AM은 신호 파형에 높은 주파수의 반송파를 한 파장 단위 높낮이에 맞추어 실어 보냅니다. 즉, 신호파를 양과 음 두 가지로 만들고, 그 안에 반송파를 집어넣어 전파하는 것입니다.

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 일반적인 AM에서 신호파는 원점을 기준으로 양과 음에 주파수가 대칭을 이루고 있습니다. 그래서 높은 주파수에 변조시키면, 반송파를 중심에 두기 때문에 반송파 양쪽에 주파수 성분을 가지게 됩니다. 이러한 일반적인 AM 변조 방식을 Double Side Band, DSB AM이라고 합니다. 여기서 반송파의 전력을 억제하여 효율을 증가시킬 수 있는데 이것을 DSB-SC라고 합니다. 

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 일반적인 AM 변조의 경우 대역폭이 W인 신호파가 변조되면 2W로 대역폭이 늘어나게 됩니다. 양의 주파수도 있지만, 음의 주파수가 생기면서 주파수대역을 이동시켰기 때문입니다. 이러한 DSB 변조 방식은 주파수 효율이 높지 않기 때문에 어느 한쪽에 주파수 대역을 잘라낸 AM 변조 방법이 바로 Single Side Band, SSB AM입니다. 신호 주파수는 0점을 기준으로 서로 반대된 거울과 같은 영상이기 때문에, 한쪽만 있어도 모든 정보가 전송이 가능합니다. SSB는 위쪽을 제거하느냐, 아래쪽을 제거하느냐에 따라 나뉘긴 하지만 그 성능 차이가 미미해서 사용자가 선택할 수 있습니다. 

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주파수 변조 FM : Frequency Modulation

 AM과 더불어 널리 사용되는 변조 방법으로 신호파의 크기 변화를 반송파의 주파수 변화에 담아서 보내는 방식입니다. AM이 주파수는 고정되고 진폭이 변화하는 반면, FM은 주파수가 변하는 대신 진폭은 항상 같은 값으로 유지됩니다. 신호파의 전압이 높을수록 주파수가 높아져서 파장이 조밀해지고, 그 반대로 전압이 낮을 때에는 주파수가 낮아져서 파장이 넓어지게 됩니다. 일반 변조 시스템에는 변조의 정도나 효율을 나타내는 지수로 변조지수 m을 사용합니다. 변조지수는 신호파와 반송파의 전압변화 관계가 잘 융화되어 1에 약간 모자라는 것이 효율적입니다. 

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 각도 변조파에서 변조의 정도를 표시하는 값으로 위상 변조파에서는 최대위상 편이를 말하며, 주파수 변조파에서는 최대 주파수편이를 변조신호 주파수로 나눈 값을 말합니다. 즉, AM과 FM에서의 변조지수는 최대 주파수 편이를 신호의 주파수를 나눈 값이 됩니다. 이론상 FM 통신을 위해서는 무한대의 주파수 대역이 필요하지만, 변조 지수의 값을 기초로 하여 중요한 주파수 대역만을 선택하여 골라낼 수 있습니다. 변조지수의 값이 높아질수록 변조율은 높아지겠지만 주파수 대역 폭이 점점 더 늘어나게 되면서 변조 지수에 따른 중요 측파대 주파수의 개수 결정돼 있습니다. 그렇기 때문에 AM보다는 노이즈에 강합니다.

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펄스 변조 PM : Pulse Modulation

 극히 짧은 시간 동안에만 흐르는 전압, 전류, 전파 또는 그 파형을 일반적으로 임펄스라고 합니다. 이 임펄스의 반복을 펄스라고 합니다. 펄스열의 매개변수를 변조파 신호에 따라서 변화시키면 정보 신호를 전송시킬 수 있습니다. 이와 같은 변조 방식을 펄스변조라고 합니다. 펄스변조는 매개변수에 따라서 다양하게 분류할 수 있습니다. 펄스 진폭 변조, 펄스폭 변조, 펄스 위상 변조, 펄스 주파수 변조, 펄스 수 변조, 펄스 부호 변조가 있습니다.

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디지털 변조

 우리가 일반적으로 사용하는 음성신호는 아날로그 신호인 데 반해 이동통신시스템은 디지털 시스템이어서 디지털 신호만을 처리할 수 있습니다. 그렇기 때문에 음성신호는 처리되기 전에 디지털로 먼저 변환 후에 처리되게 됩니다. 이렇게 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 것을 A/D 변환이라고 합니다. 이론상 아날로그 신호를 2배 이상으로 샘플링하게 되면, 원래의 아날로그 신호가 가지는 모든 정보를 포함할 수 있습니다. 전송채널에 맞는 신호의 형태로 변화하는 것을 디지털 변조라고 합니다. 전송되는 신호에 따라서 ASK, FSK, PSK로 나눌 수 있습니다. 

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 전압을 조절하여 진폭을 조절하는 AM 디지털 전송 방법이 ASK이며, 신호에 따라 고주파, 저주파를 보내는 FM 디지털 방식이 FSK 입니다. 전반적으로 ASK와 FSK의 차이점은 AM과 FM의 차이와 유사합니다. PSK는 위상에 일정한 차이를 두고 변조시키는 방법입니다. QAM은 PSK와 ASK를 함께 적용한 것으로 진폭 위상 편이 변조라고 합니다. 

 

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