디지털통신 시스템 설계

1. 디지털통신 시스템 설계 비동기 전송기술

2. 비동기 전송기술 지난시간회상 학습에 앞서 • QPSK 변조 후의 스펙트럼이 다음과 같을때 비트 전송율 (Rb)은 어느 것인가? • (1) 5K [bits/sec] (2) 10K [bits/sec] (3) 15K [bits/sec] (4) 20K [bits/sec] 정답 : (2) • 비트 전송율 Rb가 4800 [bits/sec]라고 가정하고 이를 동기 QPSK 변조를 사용하여 전송할때 전송 대역폭은 다음 중 어느 것인가? • (1) 2400 [Hz] (2) 4800 [Hz] (3) 7200 [Hz] (4) 9600 [Hz] 정답 : (2)

3. 학습목표 비동기 전송기술 학습에 앞서 • 전 회차에서는 직교반송파에 의한 다중화의 개념, 동기 QPSK와 OQPSK 신호의 생성과 검파, 비트에러율 등에 대하여 학습을 하였다. 본 회차에서는 비동기 전송기술로 동기 BPSK의 비동기 형태인 DPSK 변복조기과 비동기 FSK 변복조기의 구성 및비트에러율 등에 대하여 학습한다. 또한 DPSK와 비동기 BFSK 변조와 복조를 수행하는 시뮬링크 블록을 구성한 후 시간 및 주파수 축에서 신호를 분석하고 고찰한다. • DPSK 전송기술 • 비동기 FSK 전송기술 • 학습목표 • 동기 BPSK 와 DPSK의 차이점을 이해한다. • 차동부호화의개념 및 과정을 이해한다. • DPSK 변조기와복조기의 동작 원리를 이해한다. • 비동기 FSK 복조기의 3가지구조에대하여 동작 원리를 이해한다. • 비동기 BFSK의 복조기 구조를 이해한다.

4. 비동기 전송기술 사전테스트 1. DPSK 방식은동기 BPSK 방식에 비해 비트 에러율이 낮은 전송방식이다. 정답 : X DPSK는동기 BPSK의 비동기 형태로 동기 BPSK 에 비해 에러율이 높아진다.

5. 비동기 전송기술 DPSK 전송기술 Lesson1.DPSK 전송기술 • DPSK 변복조의 개요 • 차동부호화 • DPSK 변조기 • DPSK 복조기 • DPSK 시스템의 비트에러율

6. 1. DPSK 변복조의 개요 비동기 전송기술 Lesson1. DPSK 전송기술 • BPSK(Binary Phase Shift Keying) • 동기 방식으로 수신기에서 반송파 동기가 필수적 • 반송파의 절대 위상에 정보가담겨 있어 비트 구간마다 신호의 위상이 0인지 π인지를 구별해서 • 송신 정보를 판정 • DPSK(Differential Phase Shift Keying) • BPSK 의비동기 형태 • 반송파의 절대 위상에 정보가 담겨 있는 것이 아니라 인접 비트 구간에서의 상대적인 위상 즉, 위상 차에 정보가 담겨 있음 • 현재 비트 구간에서의 신호 위상이 이전 비트 구간에서의 위상과 같은지 다른지 만 구별하여 정보를 판정 • 송신기에서 차동부호화와 BPSK 변조과정을 통하여 DPSK를 구현 • 이 두 과정을 조합함으로서 수신기에서 동기기준신호에 대한 필요성을 배제

7. 2. 차동부호화 비동기 전송기술 Lesson1. DPSK 전송기술 • 차동부호화 • 정보 비트 1을 송신하는 경우 출력의 논리 값을 이전 값과 동일하게 유지 •  반송파의 위상이 이전 비트 구간과 동일 • 정보 비트 0을 송신하는 경우 출력의 논리 값을 이전 값과 다르게 변화 •  반송파의 위상이 180ㅇ즉, π만큼변화 • 차동부호화 과정 • bk는이진 데이터 열이고 dk는 차동부화화된열 • 차동부호화는 현재 데이터 비트 bk와 이전 부호화된 비트 dk-1의 XNOR (Exclusive Not OR)연산 • 차동부호화를 위해서는 부호화된 이전 비트의 값을 알아야 한다. 이는 초기 조건이 주어져야 함을 의미. • 아래 표에서는 초기 값으로 1을 사용

8. 2. 차동부호화 비동기 전송기술 Lesson1. DPSK 전송기술 • 전송되는 DPSK 신호 • - 구간에서 송신되는 DPSK 신호 : • 여기서 Tb는 비트 간격이고 Eb는 비트 당 신호에너지 • 간격에서 입력으로 비트(심볼)1을 보내는 경우  반송파의 위상이 이전 비트 구간과 동일 • 간격에서 입력으로 비트(심볼)0을 보내는 경우  반송파의 위상이 180ㅇ즉, π만큼변화

9. 3. DPSK 변조기 비동기 전송기술 Lesson1. DPSK 전송기술 •  DPSK 변조기 • 이진 데이터 열 bk는차동부호화 과정을 거쳐 차동부화화된열 dk를 생성 • 차동부화화된데이터 열 dk는 양극 NRZ 레벨부호화기에 의해 양극 펄스로 부호화 • 양극 NRZ 펄스는 정현 반송파 F1(t) 와 곱해져 BPSK 신호가 생성되는데 이 신호가 바로 DPSK 신호 • 즉, DPSK 신호는 차동부호화와 BPSK 변조과정을 통하여 구현

10. 4. DPSK 복조기 비동기 전송기술 Lesson1. DPSK 전송기술 •  DPSK 복조기 • BPSK 동기복조기와 수신기 구조는 동일 • 잡음이 섞인 DPSK 신호 x(t)는상관기에 인가 • BPSK의경우 상관기는 국부적으로 생성된 동기기준신호 F1(t) 를 사용하나 DPSK 복조기에서는반송파를 추출하는 과정이 없이 수신 신호를 단지 Tb만큼 지연시킨 신호를 사용하여 두 비트 간격에서 수신된 신호의 상대적 위상차를 측정 • 상관기 출력 x1은 임계값 0과비교 • 만약, x1 >0 이면 수신기는 심볼 1이 송신된 것으로 판정하고 반면 x1 <0 이이면 심볼 0이 송신된 것으로 판정

11. 4. DPSK 복조기 비동기 전송기술 Lesson1. DPSK 전송기술 •  DPSK 복조 예 • 처음 두 수신 신호(첫 번째와 두 번째)의 위상차는 0이므로 양수 값이 출력되고 이 양수 값은 1로 판정 • 다음 두 수신 신호(두 번째와 세 번째)의 위상차는 π이므로 음수 값이 출력되고 이 음수 값은 0으로 판정 • 다음 두 수신 신호(세 번째와 네 번째)의 위상차는 π이므로 음수 값이 출력되고 이 음수 값은 0으로 판정 • 다음 두 수신 신호(네 번째와 다섯 번째)의 위상차는 0이므로 양수 값이 출력되고 이 음수 값은 1로 판정

12. 5. DPSK 시스템의 비트에러율 비동기 전송기술 Lesson1. DPSK 전송기술 •  DPSK 시스템의 비트에러율 • BPSK의 경우에는 반송파 복구를 거쳐 생성된 잡음이 없는 정현파를 동기기준신호로 사용하는 것에 비해 DPSK에서는 잡음이 섞인 수신 신호를 지연시켜 위상기준신호로 사용하기 때문에 BPSK의비트에러율에 비해 성능 열화 • DPSK의 비트에러율 • 그러나 수신기에서 반송파를 복원할 필요가 없어 수신기 구조가 간단 • DPSK의대역폭은 BPSK의 대역폭과동일하게 전송 비트율의 2배

13. 돌발퀴즈 비동기 전송기술 돌발퀴즈 • DPSK 변조방식이 BPSK 변조방식에 비해 갖는 장점은다음 중 어느 것 입니까? • (1) 에러율 감소 (2) 대역폭 감소 (3) 수신기 구조가 간단 정답 : 1) (3) : 반송파 복원을 할 필요가 없으므로 수신기 복잡도가 감소한다.

14. 비동기 전송기술 비동기 FSK 전송기술 Lesson2.비동기 FSK 전송기술 • 비동기 FSK 변조기 • 상관기를 이용한 직교 수신기 • 정합여파기를 이용한 직교 수신기 • 비동기 정합여파기 • 비동기 2진 FSK 변조기 • 비동기 2진 FSK 복조기 • 비동기 2진 FSK 시스템의 비트에러율

15. 1. 비동기 FSK 변조기 비동기 전송기술 Lesson2. 비동기 FSK 전송기술 • FSK 신호의비동기 검파(Noncoherent Detection): FSK 신호에 대하여 수신기에서 송신 반송파의 위상과 위상동기가 이루어져 동작을 하는 것을동기검파라 하며 그러한 위상동기를 이루기 위해서는 많은 비용이 소요되므로 성능 저하를 감수하고 반송파의 위상 동기를 배제하는 방법이 비동기검파 • 송신신호가 다음과 같은 FSK 신호를 생각 - 여기서, T는 심볼지속시간이고, E는 심볼에너지, fi는 송신주파수 • AWGN 채널을 통해 수신된 수신신호  - w(t)는 평균이 0이고 전력 스펙트럼밀도가 No/2인 백색가우시안잡음의 표본함수 - 위상 q는 알려져 있지 않으며 [0, 2π] 사이에서 균일하게 분포되어 있는 랜덤변수의 표본값으로간주되며 이러한 가정은 위상에 대하여 전혀 모르는 상황을 반영 • 송신 주파수 fi에 대한 에너지를 검파해 내는 비동기 수신기 구조를 생각해 보자 • 위 식을 전개하면

16. 2. 상관기를 이용한 직교 수신기 비동기 전송기술 Lesson2. 비동기 FSK 전송기술 • 상관기를 이용한 직교 수신기 • - 수신신호 x(t)가 한쌍의 상관기에 인가된다고 가정하자. 하나의 상관기는 인 기준신호를 갖으며, 다른 하나의 상관기는 인 기준신호를 갖는다 • 잡음이 없는 경우, 첫 번째 상관기 출력은 이고 , 두 번째 상관기 출력은 이다. 미지의 위상 q는 두 상관기 출력을 제곱한 후 더하고, 여기에 제곱근을 취하면 제거 된다. • 잡음 w(t)가 0일 때. 이 연산의 결과는 단순히 이며 미지의 위상 q 에 무관

17. 3. 정합여파기를 이용한 직교 수신기 비동기 전송기술 Lesson2. 비동기 FSK 전송기술 • 정합여파기를 이용한 직교 수신기 • - 각각의 상관기를 그에 상응하는 등가의 정합여파기로 대치 • 이 수신기의 한 경로는 신호 에 정합된 여파기가 있으며 • 다른 한 경로에는 에 정합된 여파기 • - 두 여파기 출력은 시간 T에서 표본화되고, 제곱되고 더해져진 후제곱근을 취하면 미지의 위상 q 가 제거된 가 출력된다.

18. 4. 비동기 정합여파기 비동기 전송기술 Lesson2. 비동기 FSK 전송기술 • 비동기 정합여파기 • - 정합여파기의 수를 줄이기 위해 에 정합된 여파기를 생각 • 정합여파기의 임펄스 응답 : • 수신신호 x(t)에 대한 정합여파기의 출력

19. 비동기 전송기술 Lesson2. 비동기 FSK 전송기술 4. 비동기 정합여파기 - 포락선(envelope)은 적분항들을 제곱하고 합한 것에 제곱근을 취한 것이므로 시간 T에서포락선 - 이 포락선을 구현한 것이 상관기를이용한 직교 수신기의 구조와 동일하므로 - 이 연산의 결과는 미지의 위상 q 에 무관한 이다.

20. 5. 비동기 2진 FSK 변조기 비동기 전송기술 Lesson2. 비동기 FSK 전송기술 • 2진 FSK(BFSK) 송신신호 • 여기서, 반송파 주파수 fi는 두 개의 가능한 값 f1, f2중 하나 • 이들 두 주파수를 나타내는 신호들이 직교하기 위해 fi=(n+mi)/Tb 여기서 n, m은 임의의 정수 • 위상이 연속인 BFSK 파형의예 • - 심볼 1은 주파수 f1으로 전송되며 심볼 0는 주파수 f2중 전송

21. 6. 비동기 2진 FSK 복조기 비동기 전송기술 Lesson2. 비동기 FSK 전송기술 • 상관기를 이용한 직교 수신기 구조 • - 위쪽 두 가지는 주파수 f1에 대한에너지 검파기이며 출력 I1은 검파된 에너지 • 아래쪽 두 가지는 주파수 f2에 대한에너지 검파기이며 출력 I2는 검파된 에너지 • I1 > I2이면 심볼 1을 판정 하고 I1 < I2이면 심볼 0을 판정

22. 6. 비동기 2진 FSK 복조기 비동기 전송기술 Lesson2. 비동기 FSK 전송기술 • 비동기 정합여파기를 이용한 수신기 구조 • - 위쪽은 주파수 f1에 대한에너지 검파기이며 출력 I1은 검파된 에너지 • 아래쪽은 주파수 f2에 대한에너지 검파기이며 출력 I2는 검파된 에너지 • I1 > I2이면 심볼 1을 판정 하고 I1 < I2이면 심볼 0을 판정

23. 7. 비동기 2진 FSK 시스템의 비트에러율 비동기 전송기술 Lesson2. 비동기 FSK 전송기술 • 비동기 2진 FSK 시스템의 비트에러율 • 동기 2진 FSK 시스템의 비트에러율 - 동기 2진 FSK 시스템과 비교하여 성능차이는 1dB이하 열화

24. 돌발퀴즈 비동기 전송기술 돌발퀴즈 • 아래의 그래프는 동기 2진 FSK와 비동기 2진 FSK의 비트에러율을 비교한 것이다. 비동기 2진 FSK의 비트에러율을 나타낸 것은 (1), (2) 중에서 어느 것 일까요? 정답 : 1) (1)

25. 학습정리 비동기 전송기술 학습정리 • BPSK 변조방법은 동기 방식으로 반송파의 절대 위상에 정보가담겨 있고 DPSK 변조방법은 BPSK의비동기 형태로반송파의 절대 위상에 정보가 담겨 있는 것이 아니라 인접 비트 구간에서의 상대적인 위상에 점보가 담겨 있다. • 차동부호화란 정보 비트 1을 송신하는 경우 출력의 논리 값을 이전 값과 동일하게 유지시켜 반송파의 위상이 이전 비트 구간과 동일 하게 만들어 주고 정보 비트 0을 송신하는 경우 출력의 논리 값을 이전 값과 다르게 변화시켜 반송파의 위상이 180ㅇ즉, π만큼변화시켜 주는 과정이다. • DPSK 신호는 차동부호화와 BPSK 변조과정을 통하여 생성되며 DPSK 복조기에서는반송파를 추출하는 과정 없이 수신 신호를 단지 Tb만큼 지연시킨 신호를 사용하여 두 비트 간격에서 수신된 신호의 상대적 위상차를 측정하여 신호를 검파한다. • 주파수가 fi인송신 신호의 송신 에너지를 검파하는 방법으로 상관기를 이용한 직교 수신기, 정합여파기를 이용한 직교 수신기, 비동기 정합여파기 수신기 구조를 생각할 수 있으며 각 구조는 위상동기가 없는 기준신호를 사용하여도 위상 q에 무관하게 주파수가 fi인송신 신호의 에너지를 검파해 낸다. • 비동기 2진 FSK 복조기로 상관기를 이용한 직교 수신기 구조를 보면 주파수 f1에 대한에너지 검파기와 주파수 f2에 대한에너지 검파기로 구성되며 각 에너지 검파기의 출력을 비교하여 전송 심볼을 판정한다.

26. 비동기 전송기술 실습하기 실습하기 (1) DPSK 변복조 시스템실습

27. 비동기 전송기술 실습하기 실습하기

28. 비동기 전송기술 • 구성된 시뮬링크 블록도 • 시간영역 신호 파형 • 주파수영역 신호

29. 비동기 전송기술 실습하기 실습하기 (2) 비동기 BFSK 변복조 시스템실습 29

30. 비동기 전송기술 실습하기 실습하기

31. 비동기 전송기술 적용하기 • 구성된 시뮬링크 블록도

32. 비동기 전송기술 • 시간영역 신호 파형 • 주파수영역 신호

33. 비동기 전송기술 학습평가 아래의 이진 데이터 열 bk를 DPSK 변조하여 전송하고자 한다. 차동부호화된 열 dk와 BPSK된 위상을 결정하시오. 초기 값으로 1을 사용하였다. [풀이] • 차동부호화는 현재 데이터 비트 bk와 이전 부호화된 비트 dk-1의 XNOR (Exclusive Not OR)연산을 통하여 수행되고 차동 부호화된 비트는 BPSK 변조되므로차동부호화된 비트가 1인 경우 전송되는 위상은 0이고 차동부호화된 비트가 0인 경우 전송되는 위상은 π 이다. 이러한 규칙을 이용하여 표를 채우면 다음과 같다.

34. 비동기 전송기술 학습마무리 • 이번 회차에서는 • 비동기 전송기술 • DPSK 전송기술 • 비동기 FSK 전송기술 • 다음 회차에서는 • M진 전송기술 • M진 변조기법 • M진 QAM 전송기술 • 관련사이트 및 참고문헌 • 시뮬링크를 이용한 디지털통신시스템설계, 김한종, 미래컴출판사 • 아날로그와 디지탈통신, 진년강, 청문각출판사 • 디지털통신(기초와응용), 이문호, 영일출판사 • 아날로그 및 디지털 통신이론, 김명진, 생능출판사