데이터 통신 아날로그 전송

Published: June 03, 2019 by 아형

Categories:
Network 13

아날로그 전송

디지털 데이터를 띠대역 통과 아날로그 신호로 변환 : 디지털-대-아날로그 변환
저대역-통과 아날로그 신호를 띠대역 통과 아날로그 신호로 변환 : 아날로그-대-아날로그 변환

1. 디지털-대-아날로그 변환

디지털 데이터의 정보를 기반으로 아날로그 신호의 특성 중 하나를 바꾸는 과정
디지털 데이터를 아날로그 신호로 부호화하는데에는 3가지 메커니즘이 있다.
- 진폭 편이 변조(ASK,amplitude shift keying)
- 주파수 편이 변조(FSK, frequency shift keying)
- 위상 편이 변조(PSK, pahse shift keying)
- 구상 진폭 변조(QAM, quadrature amplitude modulation) : 진폭과 위상을 조합하여 바꿈

1.1 디지털-대-아날로그 변환의 여러 측면

데이터 전송률 대 신호 전송률
- 아날로그 전송 또한 디지털 전송과 마찬가지로 데이터 전송률(비트 전송률)과 신호 전송률(보오율)을 정의할 수 있다.
- \[S = N * {1 \over r} \ baud\]
  - N : 데이터 전송률
  - r : 하나의 신호 요소에 전달되는 데이터 요소의 개수
    - \[r = log_2L\]
    - L : 서로 다른 신호 요소의 개수
- 비트 전송률은 초당 비트수이다. 보오율은 초당 신호 단위의 수이다. 디지털 데이터의 아날로그 전송의 경우에는 보오율은 비트 전송률과 같거나 적다.
대역폭
- 디지털 데이터의 아날로그 전송에 요구되는 대역폭은 주파수 편이 변조의 경우를 제외 하면 신호율에 비례한다.
반송파 신호
- 아날로그 전송에서 송신장치는 정보 신호의 기반이 되는 고주파 신호를 생성한다. 이 신호를 반송파 신호 혹은 반송 주파수라 부른다.
- 수신 장치는 송신장치로부터 받을 반송파 신호의 주파수에 맞추어지도록 조절한다.
- 디지털 정보는 반송파 신호의 특성(진폭, 주파수, 위상)중 한가지 이상을 변화시키는 방식으로 변조된다. 이러한 종류이 변경을 변조, 혹은 편이 변조라고 한다.

1.2 진폭 편이 변조(ASK, amplitude shift keying)

신호 요소를 만들어내기 위해 반송파의 진폭을 변경한다. 주파수와 위상은 진폭이 변화하는 동안 일정하게 유지 된다.
2진 ASK
- 보통 2개의 준위를 이용하여 ASK를 구현한다. 이 방법을 2진 진폭 편이 변조(Binary ASK, BASK) 또는 온-오프 편이(OOK, on-off keying)이라 한다.
- 대역폭
  - 대역폭은 신호율(보오율)에 비례한다. 그러고 변조 필터 과정에 관련되는 d라고 불리는 다른 요소도 관련된다. (0<=d<=1)
  - \[B(대역폭) = (1+d)*S\]
  - 최소 대역폭은 S이며, 최대 대역폭은 2S
  - 대역의 중간점은 판송파 주파수 fc가 위치한 지점이다.
  - 띠대역 통과 채널을 사용한다면 변조 신호가 그 대역에 위치하도록 fc를 선정해야 한다.
- 구현
  - NRZ 디지털 신호와 진동기로부터 나오는 반송파 신호를 곱해 구현 가능
  - NRZ 신호의 진폭이 1이면 반송파의 진폭은 유지되고, NRZ 신호의 진폭이 0이면 반송파 신호의 주파수는 0이다.
다준위 ASK
- 4,8,16 또는 그 이상의 준위를 사용하여 동시에 2,3,4개 또는 그 이상의 비트를 사용하여 데이터를 변조할 수 있다. 이 경우 각각 r=2, r=3, r=4가 된다. 이런 것들은 순수 ask로 구현되지 않고 뒤에서 배울 QAM으로 구현된다.

1.3 주파수 편이 변조(FSK, frequency shift keying)

데이터를 나타내기 위해 신호의 주파수가 바뀐다.
각 비트의 지속시간 동안 신호의 주파수는 일정하되 다음 데이터 요소가 다른 값을 가지면 주파수가 바뀐다.
최고 진폭과 위상은 일정하게 유지된다.
2진 FSK (BFSK)
- 2개의 반송파 주파수 f1과 f2를 골라 데이터 요소가 0이면 첫 번째 주파수를, 데이터 요소가 1이면 두번째 것을 사용한다.
- 설명을 하기 위한 것이지 실현 가능하지 않은 예이다. 반송파 주파수는 매우 높으며, 그 차이는 매우 작기 때문.
- BFSK의 대역폭
  - FSK는 각각 자신의 주파수를 갖는 2개의 ASK로 볼 수 있다.
  - 두 주파수의 차이가 2△f라면 요구 대역폭은 다음과 같다.
  \[B = (1+d)*S\ +\ 2△_f\]
  - 2△f의 최소값은 S 보다 커야 한다.
- 구현
  - 비연접
    - 한 신호 요소가 끝나고 다른 신호 요소가 시작될 때 위상 차이가 발생할 수 있다.
    - 비연접 BFSK는 BFSK를 2개의 반송파를 사용하는 2개의 ASK로 취급할 수 있다.
  - 연접
    - 위상이 두 신호 요소의 경계를 따라 연속된다.
    - 입력 전압에 따라 주파수를 바꾸는 전압 제어 진동기를 사용하여 구현할 수 있다.
    - 진동기의 입력은 단극형 NRZ 신호로, NRZ의 진폭이 0이면 정규 주파수를 내고, 진폭이 양이면 주파수가 증가한다.
다준위 FSK
- 2개보다 더 많은 주파수를 사용한다.
  - f1, f2, f3, f4의 4개의 주파수를 사용하여 동시에 2개의 비트를 전송할 수 있다.
  - 3개의 비트를 동시에 전송하기 위해서는 8개의 주파수를 사용해야 한다.
  - 주파수는 각각 2△f 만큼 떨어져 있어야 한다.
  - 적절한 변조와 복조를 위해서는 2△f의 최소치는 S가 되어야 한다.
  - d=0일때
    \[B = (1+d) * S+(L-1)2△_f -> B = L*S\]
  - 다준위 FSK가 다른 기술보다 더 많은 대역폭을 사용하는데, 잡음이 심각한 문제가 될 때 사용한다.

1.4 위상 편이 변조(PSK, phase shift keying)

2개 이상의 서로 다른 신호를 나타내기 위해 신호의 위상이 바뀐다.
위상은 변화하지만 최대 진폭과 주파수는 일정하게 유지된다.
PSK는 ASK나 FSK 보다 더 많이 사용되지만, QAM이 가장 널리 사용된다.
이진 PSK
- 가장 간단한 PSK: 하나는 위상 0' 하나는 위상 180'로 2개의 신호 요소만을 사용하는 것.
- ASK 만큼 간단하며, 잡음에 ASK 보다 더 강하다. 잡음에 의해 진폭은 쉽게 바뀌지만 위상은 바뀌기 어렵기 때문.
- FSK 보다도 우수한데, 2개의 주파수를 사용할 필요가 없기 때문
- 대역폭
  - 최소 대역폭은 2진 ASK 전송에 요구되는 대역폭과 같고 BFSK보다 적다. 2개의 반송파 신호를 구분하기 위해 대역을 낭비하지 않기 떄문이다.
- 구현
  - 180의 위상을 갖는 신호는 0의 위상을 갖는 신호 요소를 뒤집은 것으로 볼 수있어 구현은 간단하다.
  - 양극형 NRZ를 사용하여 양극형 NRZ 신호가 반송파 신호에 곱해져, 비트 1(양전압) 은 위상 0의 신호로 나타내고, 비트0은 위상 180의 신호로 나타낸다.
구상 PSK(Quadrature PSK)
- 각 신호 요소바다 동시에 2비트를 사용하게 할 수있는 방법을 고안하여 보오율과 요구 대역폭을 감소 시켰다.
- 하나는 동위상의 것이고, 다른 것은 상이 위상인 2개의 개별적인 BPSK 변조기를 사용한다.
- 입력 배트는 먼저 직렬-대-병렬 전환을 거쳐 앞선 비트는 첫 번째 변조기로 보내지고, 그 다음 비트는 두 번째 변조기로 보낸다. 입력 비트의 신호 길이가 T라면, 해당 BPSK로 보내지는 각 신호는 2T가 된다. 각 BPSK로 보내지는 비트 신호는 원래 주파수의 절반이 된다는 것을 의미한다.
- 각 곱하기 장치에 의해 만들어진 두 복합 신호는 같은 주파수를 갖지만 다른 위상의 정현파들이다. 두 신호를 합하게 되면 결과는 45', -45', 135', -135'의 4개의 가능한 위상을 갖는 다른 정현파가 된다. 출력 신호는 모두 4개의 신호요소가 생기며, 각 신호 요소당 2비트를 전송할 수 있게 된다.