제 3 장 신호처리

1. 제 3장 신호처리 목 차 정보의 부호화(Encoding) 변조 및 복조(Modulation and Demodulation)  음성, 화상, 문서 등의 다양한 정보가 어떻게 전자기적 신호로 변환되어 전송되는지를 알아본다

2. 부호화 부호화 개념  부호화 (Encoding) 정보 혹은 신호를 다른 신호로 변환시키는 과정 정보 혹은 신호를 통신처리장치 혹은 전송매체의 특성에 적합한 신호로 변환시키는 과정  넓은 의미에서 변조도 부호화의 범주에 속함  좁은 의미에서 정보 혹은 신호를 디지털신호로 변환시키는 과정  전송의 효율성(보다 많이, 보다 정확하게)과 동기화가 목적  정보형태, 전송매체의 대역, 타이밍신호 추출여부, 전송로감시 여부, 회로의 복잡도 등을 고려하여 부호화방법 결정  변조 부호화된 신호를 반송신호에 얹어 전송매체의 특성에 적합한 전송신호로 바꾸어주는 과정  반송신호(Carrier signal) 또는 반송파(Carrier wave) 전송매체를 통해 보내는 신호를 운반하기 위해 사용하는 고주파의 정현파나 펄스신호  신호를 변조하기위해 사용하는 기준파형  보통전송할 신호보다 훨씬 높은 주파수를 사용  전송매체의 효율적 이용, 즉 전송신호를 멀리, 많이, 정확하게 보내기위해 필요 <그림> 부호화와 변조

3. 부호화 비트동기화 및 직류전류 표류문제 디지털신호를 수신하여 이진정보로 환원할 때, 0과 1을 정확하게 복원하는 문제  비트동기화 전송되는 각 비트에 대응되는 펄스값을 펄스기간의 특정지점(대부분은 중간지점)에서 정확하게 측정할 수 있도록 하는 것  별도의 전용채널을 사용하는 동기화 방법과 동기화 정보를 포함시키는 동기화 방법이 있음  직류전류 표류문제 전송신호값 0 또는 1중 어느 하나가 계속 이어질 때, 이 신호를 실어나르는 반송파의 평균전위가 올라가거나 내려감으로써, 비트 값을 정확히 식별하지 못하는 문제  디지털신호의 0과 1은 전압수준이 기준치보다 높으냐 낮으냐에 따라 식별  부호화방법에 따라 표류정도는 다르며, 몇몇 방법은 효과적으로 해결 <그림> 비트동기화와 직류전류 표류문제

4. 부호화 부호화방법  NRZ(Non Return to Zero) 방식 한 비트시간 동안 전압값이 일정하게 유지되는 방식  1 또는 0 비트의 매 비트마다 전압상태가 변하지만 0 전압 상태로는 돌아오지 않음  대표적인 구현방법은 비트값 1에는 양 전압값을, 0에는 음 전압값을 대응  구현 용이  각 비트의 시작과 끝을 구분하기 어려워 자체 비트동기화 불가능  직류전류 표류문제 내포  RZ(Return to Zero) 방식 비트값 0 또는 1에 대응되는 펄스의 폭이 반으로 줄고, 다음 비트 신호가 시작되기 전에 항상 0 전압으로 떨어지는 방식  전압이 떨어지는 시점은 비트동기화에 관한 정보 제공  대표적인 구현방법은 비트값 1에는 양 전압값을, 0에는 음 전압값을 대응  직류전류 표류문제 내포 <그림> 디지털정보의 부호화방법

5. 부호화 부호화방법  Biphase방식 비트시간당 최소한 한번의 전압변화를 요구하는 방식  전압변화의 횟수는 NRZ방식의 두배  신호의 주파수가 높아지므로 NRZ에 비해 더 넓은 대역폭 필요  자체동기화 능력과 에러검출 능력을 가지므로 널리 사용  Biphase방식 중 맨체스터(Manchester)방식 매 비트시간의 중간에 한번의 전압변화를 가해주어 자동으로 동기화를 이루는 방식  0 또는 1 값이 계속되어도 직류전류 표류문제 발생 않함  대표적인 구현방법은 0일때는 전압이 저 ->고, 1일때는 고 -> 저로 펄스중간에서 전이  전이가 기대되는 위치에서 전이가 발생하지 않은 경우 에러로 검출

6. 부호화 부호화방법  Biphase방식 중 차등적 맨체스터(Differential Manchester)방식 매 비트시간의 중간에 한번의 전압변화를 가해주는 점은 맨체스터 방식과 같으나, 매 비트의 시작 시점에서 비트값이 0일 때는 전압이 변하고, 1일 때는 전압이 변하지 않는 방식  다음 비트가 무엇이냐에 따라 전압변화 형태가 다르므로 한 비트 동안의 전압형태만으로는 비트 값을 알 수 없음  0 또는 1 값이 계속되어도 직류전류 표류문제 발생 않음  동기화와 직류전류 표류문제 해결  전이가 기대되는 위치에서 전이가 발생하지 않은 경우 에러로 검출 <그림> 디지털정보의 부호화방법 디지털다중화전송에는 북미방식인 T1전송방식과 유럽방식인 E1전송방식이 주로 사용된다. T1방식에서는 Bipolar부호화방식(AMI 부호화방식) 혹은 B8ZS부호화방식을 사용하고, E1방식에서는 HDB3 부호화방식 혹은 4B3T부호화방식을 사용한다. 이들 부호화방식은 어떤 원리이며 특징은 ?

7. 변조와 복조 변조와 복조의 개념  변조(Modulation) 전송할 신호를 전송매체의 특성에 맞도록 보다 높은 주파수대역의 반송신호에 싣는 과정  전송할 신호의 주파수대역이 전송매체의 특성에 맞지 않을 경우 이 신호의 주파수대역을 전송매체의 주파수대역에 옮겨 전송할 경우 필요  대표적인 사용예로서 음성 주파수대역을 라디오전파의 주파수대역에 옮기는 경우  무선통신에서 변조를 통하면 수신측 안테나 크기 작아짐  변조를 통하면 주파수분할 다중화 가능  기저대신호(Baseband signal 혹은 Modulating signal) 변조되기전의 전송신호  변조된신호(Modulated signal) 변조된 전송신호  복조(Demodulation) 변조되어 전달된 신호로부터 반송신호를 제거하여 기저대신호를 얻는 과정 <그림> 변조와 복조의 과정 예

8. 변조와 복조 변조의 목적(필요성)  다중화  주파수분할이나 시분할을 통해 하나의 전송매체상에 여러 정보를 동시에 전송 가능  효과적 무선통신  변조과정을 거치지 않고 낮은 주파수의 기저대신호를 직접 보낼 경우 수신측의 안테나 크기는 수 Km에 달함  성능향상  잡음과 간섭을 갖는 불필요한 신호를 효과적으로 제거  스펙트럼의 효과적 이용  다른 통신시스템에서 사용하는 주파수대역과는 다른 주파수대역을 사용하면 통신시스템간 간섭 방지 가능

9. 변조와 복조 변조기술의 이해  변조 분류  디지털변조 : 기저대신호가 디지털인 경우의 변조  아날로그변조 : 기저대신호가 아날로그인 경우의 변조  변조기술 신호의 3가지 요소인 진폭, 주파수, 위상을 바꾸어 변조하는 기술  같은 신호를 같은 반송파로 변조하더라도 방법에 따라 변조된 신호형태가 각기 다름  진폭변조(AM: Amplitude Modulation) 기저대신호에 따라 반송신호의 순간진폭만을 변화시키는 변조  주파수변조(FM: Frequency Modulation) 기저대신호에 따라 반송신호의 주파수만을 변화시키는 변조  위상변조(PM: Phase Modulation) 기저대신호에 따라 반송신호의 순간위상만을 변화시키는 변조 <그림> 변조방법에 따른 분류

10. 변조와 복조 아날로그 변조  아날로그변조 아날로그신호인 기저대신호에 대한 변조 1) 진폭변조 기저대신호에 따라 반송신호의 순간 진폭만을 변화시키는 변조  기저대신호에 반송신호를 곱하여 얻어짐  두 신호를 곱함은 각 신호의 순간진폭을 곱한다는 의미  기저대신호의 순간진폭에 비례하여 전송신호의 순간진폭을 변화시킴  변조된 신호파형의 제일 높은 값들을 이은 선(포락선)은 기저대신호와 형태가 같다 <그림> 진폭변조 예

11. 변조와 복조 아날로그 변조  주파수변환 (=주파수혼합, 헤테로다이닝) 진폭변조과정에서 서로 다른 2개의 주파수 1 , 2를 갖는 신호를 곱하면 출력신호는 각각의 합과 차(1 ± 2)인 다른 주파수 성분을 갖는 신호로 변환되는 원리를 이용하여 입력되는 신호의 주파수를 다른 주파수로 변환시켜주는 방식 기저대신호 Amcosmt와 반송신호 ACcosCt를 곱하면 변조된 신호 x(t)는 1) 기저대신호가 주기신호인 경우 :  합성된 신호의 주파수대역은 이론적으로 c - m과 c +m만을 가지나, 실제 출력에 서는 그 외의 두 주파수 요소인 c 와 m도 존재  c 와 m값은 매우 작으므로 여과나 억제과정으로 제거 2) 기저대신호가 비주기신호인 경우 (기저대신호의 주파수대역이 1에서 2까지 제한될때)  합성된 신호의 주파수대역은 c - 2에서 c +2에 걸쳐 넓게 분포  c 를 기준으로 한 양측 대역 : DSB(Double Side Band)  c 를 기준으로 왼쪽 혹은 오른쪽 대역 : SSB(Single Side Band) <그림> 진폭변조된 신호의 주파수대역

12. 변조와 복조 아날로그 변조  진폭변조신호의 여과 및 복조 진폭변조된 신호로부터 기저대신호를 얻는 과정 기저대신호를 mt, 반송신호를 cosCt라 할때, 진폭변조된 신호 x(t)는 수신측에서는 기저대신호를 얻기위해 수신된 신호에 다시 cosCt를 곱하면 위 식은 기저대신호 mt와 반송신호의 두배의 주파수를 갖는 신호가 섞여 있으므로 여기서 반송파의 성분만을 걸러내어 기저대신호를 얻음  저역필터(LPF: Low Pass Filter) 반송파의 성분만을 걸러내어 기저대신호를 얻는 회로 <그림> 변조된 신호의 복조과정  반송신호 cosCt를 정확히 만드는 기술의 구현이 어렵고 복잡하여 많이 사용 안함  기저대신호를 복조하는 보다 보편적인 방법인 포락선(envelope)검출 방법은 과변조 (overmodulation)문제 해결이 우선 조건임

13. 변조와 복조 아날로그 변조  과변조(Overmodulation) 기저대신호가 음의 값을 갖는 경우 변조된 신호의 포락선이 기저대신호와 다른 형태가 되는 현상 <그림> 과변조  과변조 해결방법 기저대신호에 일정한 직류값(dc)을 더한 후 변조 <그림> 과변조 해결 방법  기저대신호에 더해지는 직류값은 기저대신호의 정점 절대치보다 같거나 커야함  진폭변조의 변조지수 직류값에 대한 기저대신호의 최대진폭크기의 비율

14. 변조와 복조 아날로그 변조 2) 각도변조(Angle Modulation) 반송신호 Accos(Ct + C )= AccosCt에서 Ct의 두 매개변수인 주파수(C) 또는 위상(C)을 기저대신호에 따라 변화시키는 변조  위상변조 위상 C 를 (t)= c + Kp mt (Kp : 비례상수)가 성립되도록 변화시키는 변조  주파수변조 주파수 C를 (t)= c + Kf mt (Kf : 비례상수)가 성립되도록 변화시키는 변조  진폭변조는 변조된 신호의 진폭이 변화되지만, 위싱변조와 주파수변조는 기저대신호의 크기에 관계없이 변조된 신호의 진폭이 일정 <그림> 위상변조와 주파수변조  변조된 신호의 각도함수 (t)의 시간에 따른 변화율

15. 변조와 복조 아날로그 변조  위상변조(PM: Phase Modulation)의 수학적 이해 기저대신호에 대해 반송신호 Accos(Ct + C )에서 시간에 따라 C를 변화시키는 변조  기저대신호가 변하지 않을 때 mt=0이 되어 위상 (t)=c + Kp mt =c가 되어 (t)는 일정하게 유지되므로 위상변조된 신호의 순간주파수에는 변함이 없다  기저대신호의 크기가 계단형으로 증가하는 순간(mt=C1), 순간주파수는 변화가 없지만 기저대신호 크기에 비례하여 위상이 증가되므로 KpC1만큼의 위상변화가 발생

16. 변조와 복조 아날로그 변조  기저대신호의 크기가 일정하게 증가하는 동안(mt=C2t+C3)에는, 기울기(C2 )에 비례하여 파형이 그 만큼씩 계속 왼쪽으로 이동되어 순간주파수가 높아짐  기저대신호의 변화율이 일정할때는 변조된신호의 순간주파수가 변하지 않으나, 변화율의 크기가 커짐에 따라 순간주파수가 높아짐  위상변조의 변조지수 기저대신호의 최대주파수대역의 크기에 대한 변조된 신호의 순간위상의 최대변화 ((t)-c) <그림> 위상변조와 주파수변조

17. 변조와 복조 아날로그 변조  주파수변조(FM: Frequency Modulation)의 수학적 이해 기저대신호에 대해 반송신호 Accos(Ct + C )에서 시간에 따라 C를 변화시키는 변조  기저대신호가 변하지 않을 때는 mt=0이 되어 위상 (t)= c + Kf mt = c 가 되어 (t)는 일정하게 유지되어 주파수변조된 신호의 순간주파수에는 변함이 없음  기저대신호의 크기가 계단형으로 증가하는 순간(mt=C1)에는 순간주파수가 높아짐

18. 변조와 복조 아날로그 변조  기저대신호의 크기가 일정하게 증가하는 동안(mt=C2t+C3)에는, 주파수는 기저대신호의 크기 만큼씩 계속 증가하여 순간주파수가 높아짐  기저대신호(mt)의 크기가 클수록 주파수가 높아지므로 기저대신호의 크기가 최대일때 주파수변조된 신호의 순간주파수는 최대  FM과 PM은 서로 유사한 신호특성을 보이므로 신호의 외형만으로는 어떤 방법으로 변조되었는지 알 수 없음 <그림> 사인파의 위상변조와 주파수변조  기저대신호의 크기에 비례하여 순간주파수가 커짐  주파수변조의 변조지수 기저대신호의 최대주파수대역의 크기에 대한 변조된 신호의 순간주파수의 최대변화 ((t)-c)

19. 변조와 복조 아날로그 변조 진폭변조와 각변조간 비교 <그림> AM 신호와 FM신호의 주파수대역 비교

20. 변조와 복조 아날로그 변조  FM신호의 복조 반송파의 입력주파수 (c)와 입력신호의 주파수( )와의 차이를 나타내는 주파수편이에 비례하는 진폭을 갖는 신호를 출력  복조장치는 미분기와 포락선검파기로 구성 <그림> FM 복조기  미분기 복조기에 입력되는 변조된 FM신호를 미분 입력된 FM신호는 X(t) = Ac cos(t)라 할때 이므로 미분한 결과는 e(t) = -Ac (c + Kf m(t) )sin(t)  포락선검파기 미분기의 출력신호에서 포락선만을 추출  근래에는 성능이 우수하면서 IC회로로 간단히 구현되는 복조기 사용

21. 변조와 복조 디지털 변조  디지털 변조 디지털신호인 기저대신호에 대한 변조  디지털 기저대신호가 다시 아날로그 전송신호로 변조되는 경우  광전송이나 무선전송에서는 전송매체의 특성상 디지털신호를 전송신호로 사용못함  기존의 아날로그 전송장비를 사용하기 위함 (예: 모뎀을 이용한 디지털정보를 아날로그 음성채널로 전송) <그림> 부호화된 디지털신호의 전송방법  디지털변조의 분류  아날로그변조와 같이 진폭, 주파수, 위상변조로 분류  기저대신호가 디지털신호인 특성때문에 아날로그와 방법이 다름  변조방식의 선택은 주로 비트에러율을 일정수준으로 보장하기위한 필요 대역폭 또는 전송전력에 의해 결정  회로복잡도 역시 변조방법 선택의 요인 <그림> 디지털변조의 분류

22. 변조와 복조 디지털 변조  ASK(Amplitude Shift Keying) 또는 OOK(On-Off Keying) 디지털신호의 두 비트값에 각기 다른 진폭을 대응시키는 진폭변조 방식 <그림> ASK 예  비트값 1 기간중에는 반송파를 흐르게하고, 0 기간중에는 반송파를 보내지 않음  간단  신호대 잡음비가 좋지 않은 상태에서는 수신측이 반송파의 흐름을 구별하기 어려움  무선전신(wireless telegraphy)에 널리 사용  광섬유를 이용한 디지털전송에도 사용  FSK(Frequency Shift Keying) 디지털신호의 두 비트값에 각기 다른 주파수를 대응시키는 변조 방식 <그림> FSK 예  주로 공중교환전화망에서 많이 이용  두개의 ASK 신호의 합으로 볼 수 있으며, 실제로 변조 및 복조 회로는 이 원리를 이용  회로복잡도는 ASK에 비해 크게 높지 않으므로 많이 선호  정보전송율이 높을 경우 낮은 주파수를 반송파로 사용하면 0과 1을 정확히 식별못함

23. 변조와 복조 디지털 변조  PSK(Phase Shift Keying) 디지털신호의 두 비트값을 나타내기 위해 반송파의 위상을 변화시키는 변조방식 <그림> PSK 예  비트값이 0일때는 위상을 0으로 하고, 1일때는 180o로 바꿈  수신측은 원래의 반송파의 위상과 비교하여 같으면 0, 다르면 1로 인식  위상차를 식별하는 것은 주파수 변화의 식별에 비해 용이하므로 FSK보다 선호  사인파의 한 주기만으로 한 비트를 표현할 수 있어 FSK보다 낮은 주파수의 반송파로 구현  위상의 변화를 추적하기 위한 위상의 동기화 회로(동기를 위한 반송파 발생) 비용이 부담  해소방안으로 동기화 회로를 없앨 수 있는 방법 : DPSK(Differential PSK)  DPSK(Differential Phase Shift Keying) 바로 전의 신호 위상을 기준으로 1을 나타내는 비트의 시작점에서는 바로 전 신호의 위상을 180o로 바꾸고, 0을 나타내는 비트에서는 바로 전 신호의 위상과 같은 위상으로 그대로 유지 <그림> DFSK 예  송신측과 위상 동기화 불필요  저속의 정보전송에 이용

24. 변조와 복조 디지털 변조  PSK와 ASK의 변형(QPSK, QASK)  QPSK(Quadrature PSK) 반송파의 위상이 4가지로 변하는 PSK PSK 보다 위상 변화를 좀더 작게(예컨대 90o 씩)하여 4 종류의 신호형태(심볼)를 만들고 하나의 심볼이 4가지 값(00,01,10,11)중 하나를 식별하도록 하는 PSK의 변형 <그림> QPSK 예  한 심볼에 두 비트가 대응되므로 정보전송율은 PSK의 2배  QASK(Quadrature Amplitude Shift Keying) 위상변화를 작게하면서 반송파의 진폭도 바꾸어주는 PSK와 ASK가 혼합된 변조 <그림> QASK 예  예를들어 위상변화의 단위를 30o 씩 하여 한 주기를 전부 12개로 나누고, 이들 중 4개의 각에는 변조된 신호의 진폭을 2개 값으로 가지게하여 총 16개의 정보를 표현  하나의 심볼로서 16값 중 하나를 나타내므로 한 심볼은 4개의 비트에 대응  위 경우 정보전송율은 PSK에 비해 8배, QPSK에 비해 4배

25. 변조와 복조 모뎀  모뎀 컴퓨터내의 디지털신호를 음성신호와 같은 대역을 갖는 통신망회선에 실려보내기 위해 아날로그신호로 바꾸어주는 변조 및 복조장치  모뎀의 변조방식과 전송속도  전송속도를 높이려면 높은 주파수의 반송파를 사용  전화선의 경우 변조된 신호의 주파수가 음성신호의 주파수대역인 300 ~ 3400Hz로 한정  ASK 방식은 잡음에 약해 거의 사용 않함  FSK 방식은 비교적 높은 주파수를 사용하여야 하므로 1,200bps이하의 저속전송에 사용  PSK방식은 낮은 주파수의 반송신호로 많은 양의 정보를 보낼 수 있어 주로 중속전송(2,400~4,800bps)에 이용  QPSK, QASK 방식은 9,600bps이상의 고속 모뎀에 이용 1. 최근 56kbps 초고속모뎀과 동축케이블과 광케이블망에 이용되는 케이블모뎀의 변조방식은? 2. 전화선을 이용하여 채널의 용량을 크게하기 위한 연구가 현재 활발하다. 그 대표적인 예가 DSL(Digital Subscriber Line) 기술이며, 이는 DMT(Discrete Multi Tone) 변조방식과 CAP(Carrierless AM/PM)변조방식을 사용한다. 이들 변조방식의 원리 및 특징은?