통신이론 4 장진폭변조 성공회대학교 정보통신공학과 1

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희라 민
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1 통신이론 4 장진폭변조 성공회대학교 정보통신공학과

2 제 4 장의구성 4. 아날로그변조방식 4. 진폭변조 AM 4.3 AM 송수신기 4.4 반송파억압양측대파변조 DSB 4.5 단측대파변조 SSB 4.6 동기검파의왜곡 4.7 잔류측대파변조 VSB

3 4. 아날로그변조방식 3

4 아날로그통신과디지털통신의차이 아날로그통신신호 신호의크고작음을아날로그레벨의변화로표현 신호대잡음전력비가높을수록깨끗한아날로그신호를전송 큰송신전력이필요 잡음에비해신호의크기가매우중요 디지털통신신호 디지털신호, 0 을전송 디지털신호를식별할정도의송신전력이면충분 비트의신호대잡음비 SNR 개선에관심 아날로그변조방식이든디지털변조방식이든 아날로그신호인반송파의진폭, 주파수, 위상변화에정보신호가들어감 4

5 아날로그통신과디지털통신의차이 신호대잡음전력비가작은경우 아날로그통신 송신되는음성이나영상은잡음이어느정도섞여있어도듣거나볼수있다. 디지털통신 잡음에의해에러가나면 0 / 0 송신된정보 음성, 영상등 을전혀볼수도들을수도없다. 5

6 아날로그변조방식의종류 아날로그변조방식 반송파의진폭, 주파수, 위상부분에아날로그변화량으로정보신호를실어서보내는변조방식 정보신호가반송파를변조시키는부분에따라 진폭변조 AM 주파수변조 FM 위상변조 PM 6

7 아날로그변조방식의종류 진폭변조 Apliude Modulaion DSB-LC Double Side Band - Large Carrier 반송파가있는양측대파변조, 상업용 AM 방송 DSB-SC Double Side Band - Suppreed Carrier 반송파억압양측대파변조 SSB Single Side Band : 단측대파변조 VSB Veigial Side Band : 잔류측대파변조 f f f f 각변조 Angle Modulaion FM Frequeny Modulaion : 주파수변조 PM Phae Modulaion : 위상변조 f f 7

8 아날로그변조신호의정의 AM, FM, PM 신호는정보신호 의크기에따라 반송파의진폭, 주파수, 위상부분을각각변조 보내고자하는정보신호가 AM, FM, PM 신호의진폭, 주파수, 위상부분의변화에각각들어있다. AM 신호의식 AM A o FM 과 PM 신호의식 FM PM A o 0 K f d 0 A o 0 K p hp://en.wikipedia.org/wiki/apliude_odulaion 8

9 4. 진폭변조 AM 9

10 AM 신호의발생 정보내용이진폭에실려있는변조 DSB-LC Double Side Band Large Carrrier 반송파를갖는진폭변조 흔히 AM AM 신호의발생원리 정보신호 A AM 신호 DSB-LC AM [ A ] o 정보신호 : 반송파 : o 반송파 o [ 그림 4-] AM 신호의변조원리 이부분이없으면 DSB-SC AM신호의시간영역에서의표현 A AM o 0

11 AM 신호의발생 o o o o AM AM S S A A X A A S S A AM ] o [ AM 신호 DSB-LC [ 그림 4-] AM 신호의변조원리정보신호 A o 이부분이없으면 DSB-SC ω X AM ω

12 o o o o AM S S A A A X F F F AM 신호의주파수영역에서의표현.47 B.8 반송파성분신호성분 4.6 AM 신호의발생 A AM o

13 AM 신호의발생 AM 신호의스펙트럼 정보신호 의대역폭 : ±ω 이라고할때반송파성분 : ±ω 근방에집중된전력양측대파성분 : 반송파중심 ω ±ω 사이에분포 3

14 AM 신호의발생 양측대파 double ide band wave, DSB 통신 양쪽측대파를모두전송 상측대파 upper ide band wave, USB 하측대파 lower ide band wave, LSB 단측대파 ingle ide band wave, SSB 통신 상측대파나하측대파의어느한쪽신호만전송 주파수스펙트럼의진폭특성은우함수성질 ω=0 축에좌우대칭이므로, ω>0 인쪽만정리하면 상측대파신호의성분 : ω <ω<ω +ω 하측대파신호의성분 : ω -ω <ω<ω LSB USB 4

15 o o AM AM S S A X A 시간 주파수 A o AM 3 4 AM 신호의변조과정 AM 신호의발생 5

16 AM 신호의발생 정보신호는 반송파의진폭을변조시켜 3 양측대파신호를만들고 4 AM 변조된신호로전송 6

17 AM 신호의발생 7

18 AM 신호의발생 AM 신호의복조는 반송파주파수 ω 에동조시켜수신 ω ±ω 근방의신호를여파기로걸러낸후찾아낸 AM 신호의진폭부분을포락선검파 포락선 envelope, 包絡線 여러개의곡선을감싸서이은선 어떤신호가만드는모든곡선에접하는곡선 AM 신호의포락선은변조된반송파의진폭을이은선이며이를검출하면전송한본래정보신호를복원 8

19 AM 신호의변조지수 AM 신호의변조지수 odulaion inde 반송파의진폭이정보신호에의해얼마나많이변조되었나를표시 보통 0~ 사이 백분율 % 로변조율을표시하기도 AM 변조지수의다양한표현 정보신호가정현파일때의 AM 변조지수 9

20 AM 신호의변조지수 AM 신호를해석하기위한반송파 : A o 정보신호를정현파신호로가정 : A o 피변조신호 A o AM A A o o A o A o o A o AM A o o 4.8 A 정보신호 A - A 반송파 - A 0 0

21 AM 신호의변조지수 AM o o A 최대치 Ma = A+ Ma Ma Min Min A A A A A A 최소치 Min = A- 변조지수 : Ma Min A Ma Ma Min Min 4.9

22 AM 신호의변조지수 AM o o A 최대치 Ma = A+ 최소치 Min = A- 변조지수 : 정보신호의진폭반송파의진폭 A A A AM 신호의최대크기 반송파의진폭반송파의진폭 4.0

23 AM 신호의변조지수 변조지수에따른 AM 신호의영향 만일 > 일때과변조 반송파의진폭에정보신호를완전히싣지못한다 정보의손실이발생하여왜곡된신호전송 3

24 AM 신호의변조지수 변조지수에따른 AM 신호의영향 0.5 4

25 AM 신호의전력 P T AM 변조지수와 AM 신호의전력 반송파신호 : 정보신호 : Ao Ao AM변조된신호 Ao o AM A o A o o A o o o 이라가정 Ao o o 반송파 USB LSB A A Ao o o AM 은 3개의정현파가합쳐진형태 LSB USB 4. 5

26 AM 신호의전력 P T 평균전력 P R= 이라놓고실효치를계산하면됨. AM 신호의전력 T v 반송파 r A v P A T USB r v v 진폭 r LSB r A v 진폭 v 즉, 위 AM 식은 3 개의정현파가합쳐진형태이므로, AM 신호의전력은 v 반송파진폭 v 4.3 USB진폭 4. v LSB 진폭 6

27 P A A A A A P T 반송파와양측대파에대한전력을분리해보면 =0 P T = P C : 신호는없고반송파만전송 이증가 양측대파전력이증가 AM 신호의전력 P T 7

28 AM 신호의전력 P T AM 전송효율 μ 신호전력 4 총전력 여기서 P P 4.8 =00% 일때 : 33.3% 전체전력의 /3 만실제전력전송에사용 AM 신호는정보신호보다반송파에서더욱많은전력을소모 / 간단함 8

29 4.3 AM 송수신기 9

30 AM 송신기 TR., Diode 능동소자 입출력특성이비선형 입력출력 비선형소자 출력 V 비선형 입력 V 30

31 AM 송신기 비선형회로와 BPF 이용하면 AM 신호를발생시킬수있다. 입력신호의자승성분때문에새로운주파수성분의신호가발생된다. 비선형회로를이용한변조기 자승변조기 라고도함 입력신호 : 비선형회로출력 : o y a a a o a o 3

32 a a a a a a a a a a a a y o o o o o o o 비선형회로출력 : 비선형회로에서입력신호의자승성분으로곱셈동작 여기서, 으로놓으면, a a A a A a a a y o o BPF 로제거 DSB-LC 신호 AM 송신기 3

33 AM 수신기 송신기 채널 수신기 페이딩 Fading 현상 수신기의이동, 대기상태등에영향받아전파의강도가시간적으로불규칙하게변하는현상수신기의동조회로 Tuner 반송파주파수대역을골라 BPF 를통해송신신호를받아들 이는역할 BPF f f f3 잡음, 간섭, 패이딩 BPF 로수신신호를동조 정보의손실을막고외부잡음의영향을피하기위해신호대역폭보다약간크게 33

34 AM 수신기 우리나라표준 AM 방송대역각 9kHz 간격, 대역폭 ±4.5kHz 34

35 슈퍼헤테로다인 Super-Heerodyne 수신기 반송파주파수를기저대역주파수로직접변환하지않고 RF 신호에서선택된신호만을 IF 신호로변환한후다시기저대역으로변환하는수신장치 슈퍼헤테로다인방식의원리 주파수가각각다른여러가지무선주파수 RF; Radio Frequeny 신호를이미설정한일정한중간주파수 IF; Inerediae Frequeny 신호로주파수변환시켜서검파하는방식 98 년에 E. H. Arong 이창안 기본아이디어 수신주파수에관계없이중간주파수 IF 는항상일정하게처리한다 35

36 슈퍼헤테로다인 AM 수신기 수신신호 X AM { A} o v0 o 36

37 슈퍼헤테로다인 AM 수신기의각단의역할. RFRadio Frequeny 단 안테나로받은미약한무선신호를반송파주파수로동조시켜찾아내고증폭함 V A RF 신호의스펙트럼 v A v o o 출력주파수 : f RF 증폭기의특성 0 KHz uning f. Mier 단 혼합기단 반송파주파수대역에있던수신신호 f f 를중간주파수대역의신호 f f 로스펙트럼이동시키는역할 IF f f 이러한과정을 Heerodyning or Miing 이라한다. fif f fl+f f 37

38 슈퍼헤테로다인 AM 수신기의각단의역할 국부발진기 LO; Loal Oillaor LO의출력주파수는 f f f L RF단출력주파수 f와항상 fif 차가나는주파수신호를발생시킨다. f f L IF v A v0 o f V B o LO f L ~ IF f Low fif f IF v B v0 o o IF vo {o IF H o } vo {o IF oif} v 0 o IF High f + fif f L IF 38

39 슈퍼헤테로다인 AM 수신기의각단의역할 3. 중간주파수단 IF 단 ; Inerediae Frequeny IF단주파수 fif fl f f fif f 일정 IF 대역의신호만 Filering 후증폭함 4. 복조단 Deodulaor 포락선검파기로원래의정보신호를재생 비동기복조 5. 가청주파수단 AF 단 ; Audio Frequeny 음성신호를증폭함 39

40 슈퍼헤테로다인 AM 수신기의각단의역할 A~D 각점에서의신호 V 0 o V o 0 IF V 0 RF 포락선 IF A B 검파 C D 주파수동조 채널선국 f L f f IF V 0 o o V0 {o L IF LPF 로제거 o IF } f f fif f f + fif fif f 0 <A> <B> <C> <D> f 40

41 슈퍼헤테로다인 AM 수신기의각단의역할 A~D점신호파형 o V 0 o V o 0 IF V 0 V 0 = + oω RF 포락선 IF A B 검파 C D 주파수동조 채널선국 f L f f IF V 0 o o V0 {o L IF o IF } <A> <B> 4

42 슈퍼헤테로다인 AM 수신기의각단의역할 A~D점신호파형 o V 0 o V o 0 IF V 0 RF 포락선 IF A B 검파 C D 주파수동조 채널선국 f L f f IF V 0 o o V0 {o L IF o IF } <C> <D> 4

43 슈퍼헤테로다인 AM 수신기 포락선검파기 IF 단을통과한수신신호의진폭변화에서원래의정보신호를검출 시정수 = RC 43

44 이미지주파수간섭 이미지 iage 신호혹은영상 影像 신호 슈퍼헤테로다인수신기의국부발진주파수를중심으로본래의수신신호와대칭인주파수를갖는신호 이미지주파수 iage frequeny 혹은영상주파수 f f i f IF

45 이미지주파수 Iage Frequeny ω RFi =ω +ω IF 수신신호대역근방의원치않는 RF 신호 슈퍼헤테로다인수신기의 IF 사용으로나타남 RF단에서막지못하면신호와섞여 IF단통과 w + w IF w + w IF w IF, w C + w IF w w 3 L i 4.6 RF VAw w wi w -w i -w 0 w w i w RF va vb IF Mier VBw w + 3w IF wl=w+wif - -w w i +w w + w IF IF IF IF -w 0 IF w w i +w + w IF w 46

46 이미지주파수 Iage Frequeny w L w + w IF 일때 w 의신호와 w i 의신호가동시에 w IF 에 들어오면 w - w w + w - w + w i L 이주파수 w i 를 w 에대한이미지주파수라한다. w w + w i C IF C IF IF w IF 영상주파수억제방법 RF RF VAw f 가커질수록중간주파수 f IF 를높여주어야 AM 신호의중간주파수 : 455kHz FM 신호의중간주파수 : 0.7MHz RF 단에서미리차단함 -w i -w 0 Mier VBw - -w w i +w w + w IF IF IF IF w w i -w 0 IF w w i + +w w IF w w 47

47 기본예제 4. f IF f IF f f L fi f 48

48 4.4 반송파억압양측대파 변조 DSB 49

49 DSB-SC 신호의변조 DSB-SCDouble Side Band-Suppreed Carrier 변조 정보신호 : 반송 : o w 라하면 v o w 피변조파 odulaed ignal wave o w v o w 주파수영역 : V w F{ o w } Fourier 변환의변조정리를이용 : V w S w - w + S w + w 50

50 DSB-SC 신호의변조 v o w A 변조신호 정보신호 o w o w 정보신호 반송파 S w 의스펙트럼 w 피변조신호 v v o w -w 0 w 의스펙트럼 V w F[ o w ] 피변조신호 S w+ w / S w - w w -w 0 w 5

51 DSB-SC 신호의변조 평형변조기 balaned odulaor 두개의 AM 변조기를써서반송파를제거 v v DSB - SC A + A - v - v o w o w A o w

52 DSB-SC 신호의변조 링변조기 ring odulaor 정보신호와구형반송파를곱해신호를발생 53

53 DSB-SC 신호의복조 동기검파혹은호모다이닝 Hoodyning 수신신호에국부반송파 Loal Carrier Wave 를곱해본래의신호를복조 v o w y A y B o w < 변조기 > < 복조기 > 54

54 DSB-SC 신호의복조 y A w w w w w o o o o o + + Mier 의출력 위신호를 LPF 에통과시키면 y A ; 원래의신호복조 주파수스펙트럼표현 4 o } o { } { A S S S v y w w w w w w w F F F w w 0 LPF -w 4 S w w - 4 S w w + w S w w 0 LPF 55

55 DSB-SC 신호의복조 이상적인동기검파 송신측의반송파와수신측의국부반송파사이에주파수와위상이일치해야이상적 주파수차와위상차가발생하고계속해서변한다면수신신호가왜곡됨 동기검파의위상오차가 Δф 0 일때 Δф 가일정하면 oδф 도상수이므로복조가능 56

56 DSB-SC 신호의복조 동기검파의위상오차가 Δф=0 이면이상적 57

57 직접변환수신기 직접변환수신기 dire onverion reeiver RF 대역에서기저대역주파수로직접변환하여검파 중간주파수를사용하지않고수신신호에국부반송파 loal arrier wave 를곱하고 LPF 를이용해복조 DSB-SC, SSB, VSB 등에사용 58

58 직접변환수신기 호모다인 hoodyne 수신기 일종의동기검파 ynhronou deeion 방식 수신신호에서반송파정보를검출해이에주파수와위상에맞추어국부반송파를재생해내며검파 이미지주파수문제가없으나반송파성분을정확히추적하기위해 PLL 등을협대역여파기로사용 비동기검파보다검파품질은우수하나구조는복잡 주파수와위상오차가발생하면성능이급격히저하 호모다이닝 hoodyning 중간주파수로변환하지않고반송파와같은주파수대역에서직접처리하는작업 59

59 4.5 단측대파변조 SSB 60

60 DSB와 SSB 양측대파 DSB 변조 양쪽측대파를모두전송 단측대파 SSB 변조 상측대파 USB 신호와하측대파 LSB 신호를분리상측대파나하측대파의어느한쪽만전송 LSB USB 6

61 DSB 와 SSB 양측대파를만든후 SSB, VSB 여파기를사용 6

62 SSB 신호의변조 SSB 변조방식 평형변조기 + BPF 방법 : 여파기설계가어렵다. 위상천이phae hif 방법 : 현실적인방법 위상천이기를이용한 SSB 신호의발생 63

63 SSB 신호의변조 o SSB 90 ˆ 90 in 64

64 SSB 신호의변조 위상천이기를이용한 SSB 신호의발생 정보신호 반송파 : : o o 평형변조기 의출력 o o 평형변조기 의출력 라하면 o o o 90 o ˆ 90 in o SSB o ˆ in o in o in : : 0 65

65 SSB 신호의변조 와 의출력파형 o o in in o in 90 o ˆ 90 in SSB 66

66 SSB 신호의변조 위상천이기를이용한 SSB 신호의발생 LSB 과 의 합의출력 SSB 합의출력 차의출력 LSB SSB SSB SSB o o o o o o ˆ in 90 o ˆ 90 in SSB LSB SSB 67

67 SSB 신호의변조 LSB 신호의파형 SSB o o LSB ˆ in SSB 90 o ˆ 90 in SSB SSB 68

68 SSB 신호의변조 위상천이기를이용한 SSB 신호의발생 USB 차의출력 SSB USB SSB o o o o o o ˆ in 90 o ˆ 90 in SSB USB SSB 69

69 SSB 신호의변조 USB 신호의파형 SSB o o ˆ in USB SSB 90 o ˆ 90 in SSB SSB 70

70 SSB 신호의변조 위상천이기를이용한 SSB 신호 상측대파와하측대파중에서원하는신호를만든다. 상측대파와하측대파를합치면양측대파 위상천이기 phae hifer 신호의진폭은그대로두고위상특성만 90 도천이 7

71 SSB 신호의복조 직접변환수신기를이용한호모다인동기검파 7

72 SSB 신호의복조 수신신호 SSB = o ω in ω Mier 의출력 = SSB o ω =? 73

73 SSB in ˆ o in ˆ o in in ˆ o o in ˆ o o in ˆ o o SSB 신호의복조 Mier 의출력 복조된신호 v o USB, LSB 에상관없이복조가능 LPF 로제거 74

74 SSB 신호의복조 수신신호 SSB SSB o SSB = o ω in ω 3 o 일때의 Mier 출력 = SSB o ω =? 75

75 SSB 신호의복조 SSB SSB o o 3 76 일때 Mier 의출력 복조된신호 3 SSB o o o o o o o in in o o o in ˆ o o LPF 로제거 v o o

76 SSB o o o SSB 신호의복조 SSB SSB o 수신기출력파형 3 Mier: o 3 복조신호 : 77

77 SSB 신호의복조 주파수영역상의 SSB 동기검파 USB 0 0 X USB F 조 F S 신호 F o USB SSB SSB o 0 LSB F X LSB 조 F S 0 신호 F o LSB 0 78

78 4.6 동기검파의왜곡 79

79 수신측에서의왜곡 SSB 수신측에서의왜곡국부반송파의주파수오차와위상오차의영향주파수오차와위상오차를고려한국부반송파신호 LPF 로출력되는신호 이면 로정상적인검파 이면 성분이포함되어왜곡이생김 80 0, 0 0, 0 0 v v in o 0 L o SSB in o o v

80 수신측에서의왜곡 SSB 수신측에서디지털펄스의왜곡 송신측의반송파와수신측의국부반송파사이에주파수와위상오차가발생하면심각한왜곡 8

81 동기검파의왜곡을피하려면 SSB-LC 방법 반송파를실어 DSB-LC 처럼포락선검파 SSB SSB LC o SSB in A o 만약 A가 나 에비해상당히크다면 SSB LC A o 4.4 PLLphae loked loop 방법 동기검파에서수신신호의왜곡을피하려면주파수차와위상차가없는정확한반송파의복원이필요 반송파주파수를중심주파수로하는협대역여파기로 PLL 을사용해수신신호에서반송파성분을추적 8

82 4.7 잔류측대파변조 VSB 83

83 잔류측대파변조 VSB 잔류측대파 veigial ide band wave, VSB 변조 한쪽측대파의대부분과다른쪽의일부를송신 직류성분에가까운저주파성분의신호를보호 84

84 잔류측대파변조 VSB VSB 신호의대역폭 SSB 신호의대역폭에비해약.5 배정도 ω ±ΔB 구간은 ω=ω 에대한기함수형태로설계 VSB 의주파수특성에서기울기를세우면 SSB 85

11 주차 M 진디지털변조 (1) 통과대역신호의표현 (2) Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) (3) Minimum Shift Keying (MSK) (4) M-ary Amplitude Shift Keying (M-ASK) (5) M-ar

11 주차 M 진디지털변조 (1) 통과대역신호의표현 (2) Quadraure Phase Shif Keying (QPSK) (3) Minimum Shif Keying (MSK) (4) M-ary Ampliude Shif Keying (M-ASK) (5) M-ary Frequeny Shif Keying (M-FSK) (6) M-ary Phase Shif Keying