Transcript 펄스 변조

정보통신일반
(3)
차례
제3장 통신기술

신호 부호화
전송방식

인터페이싱
Analog/Digital 전송

데이터 부호화(Data Encoding)

데이터를 신호 형태로 변환해 주는 일

부호화 하는 방법에 따라 전송의 효율성과 신뢰성이 결정
아날로그 데이터
전화
아날로그 신호
(a) 아날로그 데이터의 아날로그 신호화
디지털 데이터
모뎀(MODEM)
아날로그 신호
(b) 디지털 데이터의 아날로그 신호화
아날로그 데이터
코덱(CODEC)
디지털 신호
(c) 아날로그 데이터의 디지털 신호화
디지털 데이터
DSU
(d) 디지털 데이터의 디지털 신호화
디지털 신호
DSU : Digital Service Unit
(디지털 서비스 장치)
Analog/Digital 전송

CODEC(Coder/Decoder)



Analog 정보를 Digital Signal로 표현
음성 정보를 표현하는 analog signal를 bit로 표시
MODEM(Modulator/Demodulator)


Digital 정보를 Analog Signal로 표현
반송신호의 주파수를 변조하여

이진전압 펄스를 Analog signal로 표현(주파수 스펙트럼)
아날로그 데이터
Encoder
디지털 신호
Decoder
아날로그 데이터
(a) 코덱(Codec)
디지털 데이터
Modulator
(b) 모뎀(Modem)
아날로그 신호
Demodulator
디지털 데이터
Analog/Digital 전송

변조(Modulation)


부호화 된 신호 형태로 변환시켜 주는 작업
복조(Demodulation)

신호를 원래의 형태로 복원시켜 주는 작업
Digital 정보의 Digital 부호화




영 비복귀 레벨(NonReturn to Zero Level:NRZ-L)
NRZ-I(NonReturn to Zero level, Invert on ones)
맨체스터(Manchester)
차동맨체스터(Differential Manchester)
0
(a) NRZ-L
(b) NRZ-I
(c) 맨체스터
(d) 차동맨체스터
0
1
1
0
1
0
Digital정보의 Analog 부호화



진폭편이 변조(Amplitude Shift Keying : ASK)
주파수편이 변조(Frequency Shift Keying : FSK)
위상편이 변조(Phase Shift Keying : PSK)
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
(a) 진폭편이 변조
0
0
1
1
0
1
(b) 주파수편이 변조
0
0
1
1
0
1
(c) 위상편이 변조
0
0
0
1
0

진폭 편이 변조(ASK : Amplitude Shift Keying)
0
1
0
0
1
디지털
데이터
ASK 신호
그림 3.14 ASK 변조
1
0

주파수 편이 변조(FSK : Frequency Shift
Keying)
0
1
0
0
1
디지털
데이터
FSK 신호
그림 3.15 FSK 변조
1
0

위상 편이 변조(PSK : Phase Shift Keying)
0
1
0
0
1
1
디지털
데이터
PSK 신호
그림 3.16 BPSK 변조
0
00
01
입력
10
00
01
11
10
11
s1
s2
s3
s4
그림 3.17 QPSK 방식의 신호
위상
45°
135°
225°
315°
0001
0111
0100
1100
1101
그림 3.18 9600bps용 16진 QAM 방식
0110
0010
0101
0011
1111
1001
1110
1010
0000
1000
1011
펄스 변조(pulse modulation)
 펄스 변조의 유형
펄스 변조(pulse modulation)
① 펄스 진폭 변조(PAM, pulse-amplitude modulation)
 진폭이 아날로그 신호에 따라 변하고, 일정 폭을 갖는 일련의 펄스이다.
 펄스는 대개 표본화 주기에 비해 매우 좁다. (듀티 사이클이 낮다)
 장점 : 가장 간단하고, 구현하는데 가장 저렴하다.
 단점 : - 펄스의 진폭이 변하므로 잡음에 훨씬 취약하다.
- 잡음 제거하기 위해서 클리핑 기술이 사용될 수 없다.
⇒ 클리핑 기술을 사용하면 변조가 제거된다.
② 펄스 폭 변조(PWM, pulse-width modulation)
 아날로그 신호의 진폭에 따라 펄스의 폭 또는 지속시간이 변한다.
 낮은 아날로그 전압에서 펄스 폭이 좁고, 높은 진폭에서 폭이 더 넓어지
며, 진폭이 단지 두 레벨만을 갖는 이진수이다.
 펄스 변조의 모든 이점을 제공한다.
펄스 변조(pulse modulation)
③ 펄스 위치 변조(PPM, pulse-position modulation)
 아날로그 신호의 진폭에 따라서 펄스의 위치가 바뀐다.
 펄스 폭이 매우 좁다.
 기저대역 형태로 전송될 수 있으나, 대부분의 응용에서 고주파 무선 반
송파를 변조하며 펄스가 반송파를 on과 off시킨다.
 펄스 변조의 모든 이점을 제공한다.
펄스 변조(pulse modulation)
(1) PAM
 표본화(sampling)이란?
 짧은 시간 동안 아날로그 신호를 바라보는 과정으로, 표본화 구간 동안
에 아날로그 신호의 진폭이 전달되거나 저장되도록 허용한다.
 주기적인 비율로 아날로그 신호의 많은 수의 표본을 취하면, 아날로그
신호에 포함된 정보의 대부분이 전달된다.
 얻어진 신호는 아날로그 신호의 변화에 따라 진폭이 변하는 일련의
표본이나 펄스들이다.
펄스 변조(pulse modulation)
 표본화 율
 표본화율은 신호가 적절히 표현되도록 하기 위해서 원래 신호의 최고
주파수 성분의 최소 2배 이상이어야 한다.(나이퀴스트 율)
 표본화율이 높을수록 정보의 표현은 더 좋아진다.
 실제의 표본화율은 응용에 따라 결정되나, 일반적으로 아날로그 신호의
최고 주파수 성분의 3∼10배이다.
(ex) 전화 통신에서 음성 성분의 상위 주파수 값은 3kHz로 가정하면,
- 나이퀴스트 표본화 율 : 2×3 kHz 또는 6kHz
- 실제 표본화 율 : 8kHz (파형의 복잡성 때문에)
펄스 변조(pulse modulation)
 PAM 변조기
비안정 클록 발진기는 폭이 고정된 좁은 펄스를 발생하는 원-슈트 멀티
바이브레이터(one-shot multivibrator)를 구동 시킨다.
원-슈트 멀티바이브레이터에서 발생된 펄스는 게이트 회로(다이오드,
BJT, FET 등으로 구성되는 스위치)에 인가된다.
클록이 사이클 당 한번씩 원-슈트를 트리거(on)할 때, 게이트는 짧은 시간
동안 열려서 아날로그 신호가 통과하고, 원-슈트 신호가 OFF일 때, 게이
트
는 닫히고 게이트에 인가된 아날로그 신호는 통과하지 못한다.
펄스 변조(pulse modulation)
 PAM의 복조
전송된 펄스로부터 원래의 정보를 복원하기 위해서 전송된 펄스가 LPF
를 통과하도록 하여야 한다.
LPF의 상한 차단 주파수는 아날로그 신호에 포함된 최고 주파수 성분을
통과시키도록 선택되어야 한다.
결과적으로, 펄스들은 실제로 원래 전송된 신호와 동일한 정보 내용인
연속적인 아날로그 신호로 매끄럽게 된다.
필터링 과정은 간단한 AM 다이오드 검파기에서 사용된 것과 유사하다.

펄스 변조(pulse modulation)
(2) PWM
 기본적인 PWM 생성 과정
 일정한 주파수의 클록 발진기가 PWM 변조기를 구동 시킨다.
 PWM 변조기에 대한 다른 입력은 아날로그 정보 신호이다.
 변조기의 출력은 변조 신호에 따라서 클록 펄스의 폭이 변하는 신호이다.
 전형적인 변조기는 아날로그 입력신호에 의해서 펄스 지속시간이 변경
될 수 있는 단안정 또는 원-슈트 멀티바이브레이터이다.
펄스 변조(pulse modulation)
 PWM 신호의 변조
펄스 변조(pulse modulation)
1) PWM 변조기는 원-슈트 M/V로써 접속된 555 타이머 IC이다.
2) F/F은 처음에 Set 상태로 출력이 high이고, pin 3의 인버터 출력은 0이다.
3) F/F은 Q1을 on로 만들어 외부 커패시터 C1을 단락시켜 충전을 방해한다.
4) Clock으로부터 트리거 펄스가 발생할 때, 아래쪽 비교기가 상태를 바꾸
고 F/F을 Reset시킨다.
5) Pin 3의 PWM 출력은 high로 가고, Q1이 off되어 커패시터 C1이 충전한다.
6) Q2 및 그와 관련된 부품들은 커패시터를 충전시키는 정전류원을 형성한
다. 일정한 충전 전류를 사용하여 커패시터 양단의 전압이 선형 램프
(linear ramp)가 된다.
7) 커패시터는 위쪽 비교기의 드레스홀드(입력신호 전압)를 초과할 때까지
계속 충전된다.
8) 커패시터의 충전 전압이 입력 신호 전압을 초과할 때 F/F은 Set된다. 그리
고 출력 펄스는 low로 가고 Q1이 on되어 커패시터가 단락되어 방전한다.
펄스 변조(pulse modulation)
출력 펄스의 지속시간은 커패시터의 충전 시간에 의해 결정되며, 차례로
이것은 입력 신호의 진폭에 의해서 결정된다.
입력 신호가 클수록 위쪽 비교기의 드레스홀드 전압이 더욱 높아지고,
커패시터는 더 오랫동안 충전한다.
따라서, 출력 펄스 지속시간은 아날로그 입력의 진폭에 직접 비례한다.
펄스 변조(pulse modulation)
 PWM 신호의 복조
 PWM 과 PPM 의 복조는 변조의 역으로 구함.
복조 회로는 펄스를 평균화 하는 간단한 LPF이다.
좁은 폭의 펄스 주기 동안에 필터 출력의 평균 전압은 낮고, 넓은 폭 펄스
구간 동안에 평균 출력은 높다.
필터는 폭이 변하는 펄스들을 원래의 아날로그 신호로 매끄럽게 한다.

Ts : 표본화주기 , τ1 : 최대펄스변이 , PT : 평균전송전력 , BT : 전송대역폭
펄스 변조(pulse modulation)
(3) PPM
(a) PPM 변조기
(b) PPM 파형
펄스 변조(pulse modulation)
 PPM 신호의 생성
 PPM 신호는 PWM 변조기에 간단한 회로를 추가하여 쉽게 얻어진다.
 PWM 신호는 매우 폭 좁은 양과 음의 펄스들을 생성하는 RC 미분기를
통과한다.
 반파 다이오드 정류기는 양의 펄스를 잘라내게 되고, 음의 펄스가 원-슈
트 멀티바이브레이터를 트리거 하는데 사용하도록 한다.
 원-슈트는 펄스 위치가 변조 신호에 따라 결정되는 일정-진폭 및 일정폭을 갖는 펄스들을 발생한다.
 원-슈트 출력이 PPM 신호이다.
펄스 변조(pulse modulation)
 PPM 신호의 복조

 Ts : 표본화주기 , τ1 : 최대펄스변이 , PT : 평균전송전력 , BT : 전송대역폭
펄스 변조(pulse modulation)
(4) 펄스 변조의 전망
 3가지 펄스 변조 기술들은 대부분 PCM 방법으로 대체되었지만, 아직도
전자공학에서 여전히 사용되며 통신용보다는 제어용으로 사용된다.
 PWM은 전원공급 스위칭 조절기와 모터속도 제어회로에 널리 사용된다.
 PPM은 현대 전자공학에서는 거의 사용되지 않는다.
 PAM은 시분할 다중화 방법에 적합하므로 여전히 사용되고 있다.
펄스 변조(pulse modulation)
 펄스 변조
 전송하려는 정보를 표현하기 위해서 이진 펄스를 변경시키는 과정이다.
 반송파는 연속적으로 전송되지 않지만, 변조에 대응하는 지속시간과 진
폭을 갖는 짧은 버스트(burst)로 전송된다.
 반송파가 버스트 보다 더 긴 시간 동안 off에 있도록 반송파의 듀티 사이
클(duty cycle)을 대개 짧게 만들어진다.
 펄스 변조의 이점
순간 첨두 전력은 높지만 평균 반송파 전력을 낮게 유지해 준다.
 주어진 평균 전력에 비해 첨두 전력 펄스는 더 장거리를 전달할 수 있다.
 시스템에서 어떤 잡음을 더 효과적으로 극복할 수 있다.
Digital정보의 Analog 부호화

다중 레벨 신호 방식

진폭,위상 편이변조

QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
100
0°=00
270°=11
90°=01
111
011
000
001
010
180°=10
(a) 위상 다이아그램
110
(b) QAM
101
Analog정보의 Digital 부호화

PCM(Pulse Coded Modulation) 방식

표본화 이론에 근거



표본화 과정 : 음성 신호의 경우에는 최고 주파수의 2배의
표본화(Sampling)
양자화 과정 : 표본화 된 신호의 높이를 양자화(Quantizing)
부호화 과정 : 수량화 된 값을 2진 부호로 변환
아날로그 신호
PAM 펄스
표본 추출기
디지털 부호
PCM 펄스
양자화기
부호화기
PAM : Pulse Amplitude Modulation(펄스 진폭 변조)
PCM : Pulse Code Modulation(펄스 코드 변조)

이때 PAM펄스의 양자화에 의해 근사치가 전송되므로 양자화
오류(Quantizing Error)가 발생
Analog정보의 Digital 부호화

PCM(Pulse Coded Modulation) 방식
신호 강도
1.52  1.5
1.6
1.44  1.4
1.4
1.2
0.98  1.0
1.0
0.88  0.9
0.8
0.54  0.5
0.6
0.4
0.2
0.35  0.4
0.20  0.2
시간(t)
1/2fm
(a) 음성신호의 양자값
Analog정보의 Digital 부호화
신호 강도
이진수
0.0
0000
0.1
0001
0.2
0010
0.3
0011
0.4
0100
0.5
0101
0.6
0110
0.7
0111
0.8
1000
0.9
1001
1.0
1010
1.1
1011
1.2
1100
1.3
1101
1.4
1110
1.5
1111
(b) 부호화 코드
펄스코드 파형
Analog정보의 Digital 부호화

DM(Delta Modulation) 방식

계단함수로 증가는 1로 감소는 0으로 표현


간단하면서 진폭이 높은 신호도 표현
급격히 변하는 신호는 표현이 힘들어 경사가 깍여 지는(slop
clipping)문제가 발생
신호
진폭
아날로그 입력
경사 과부하 잡음
계단 함수
단계
크기

Ts
샘플링 시간
델타 변조
출력
양자화 잡음
1
0
시간
Analog정보의 Analog 부호화

진폭 변조(Amplitude Modulation : AM)



가장 간단, 잡음에 약함
주파수 변조(Frequency Modulation : FM)
위상 변조(Phase Modulation : PM)
(a) 반송파 신호
(b) 변조할 정현파 신호
(c) 진폭 변조파
(d) 주파수 변조파
(e) 위상 변조파
전송 방식

직렬 전송과 병렬 전송

Serial Transmission, Parallel Transmission
S1
d6
d5
d4
d3
d2
d1
d0
P
S2
x
1
1
0
1
1
0
0
0
x
전송 방향
S1 : 시작 비트 (1비트),
S2 : 종료 비트 (1, 1.5, 2비트),
(a) 직렬 전송
" A"
(b) 병렬 전송
"B"
di : 데이터 비트 (5-8비트)
P : 패리티 비트 (0, 1비트)
전송 방식

동기 방식
비동기 전송(Asynchronous Transmission)

유휴 상태
0
패리티 비트
유휴 상태
종료 비트
데이터 비트(5~8비트)
시작
비트
(1~2비트)
1
(a) 문자 형식
시작 비트
종료 비트
시작 비트
1 1 1 1 0 0 0 1
종료 비트
0 0 1 0 1 1 0 0
(b) 8비트 비동기식 문자열
0
100
200
300
400
500
600
700
800
송신 동기 시각
0
1
시작
0
종료
93
186
279
372
465
(c) 타이밍 오류의 결과
558
651
744
수신 동기 시각
전송 방식

동기 방식

동기 전송(Synchronous Transmission)

문자 동기(Byte Synchronous) : 문자 단위로 동기
 Xmodem, Ymodem, Zmodem, Kermit 등

비트 동기(Bit Synchronous) : 비트 단위로 동기
 HDLC, SDLC, BSC, ADCCP, LAB-B, LLC, LAP-D 등
시작 플래그
제어 필드
프리앰블
데이터 필드
제어 필드
종료 플래그
포스트앰블
전송 방식

비동기 전송 VS 동기 전송의 비교

비 동기 전송






각 문자는 시작 비트가 앞에 오고, 한 비트 이상의 종료 비트가 문자
뒤에 온다(오버헤드가 크다)
활동이 없는 기간(유휴 상태)이 문자들 사이에 존재할 수 있다
문자의 비트들은 규정된 시간의 간격으로 전송된다
송신기와 수신기는 독립적으로 시간을 설정한다
전송속도는 회선 상에서 1800bps를 초과하지 않고, 직접 송신기와
수신기를 연결한 경우에도 9600bps를 초과하지 않는다
동기 전송






하나 이상의 동기화 문자 또는 플래그(flag)가 전송될 데이터 블록 의
앞과 뒤에 쓰인다(오버헤드가 적다)
동기화 문자 또는 플래그는 회선 동기화를 유지하기 위해 데이터 블록
사이에 전송된다
다수의 문자들이 문자들 사이에 간격 없이 블록으로 묶인다
송신기와 수신기는 동기화의 시간을 설정하고 유지한다
장치는 저장 영역(버퍼)이 필요하다
전송속도는 보통 2000bps이상이다
인터페이스

DTE(Data Terminal Equipment)

DCE(Data Circuit-terminating Equipment)
모뎀
모뎀
통신망
DTE
DCE
DCE
DTE
그림 3.19 DTE-DCE 인터페이스
DTE-DCE 인터페이스
 기계적 특성 : 핀의 수 등 물리적인 접속을 정의
 전기적 특성 : 전압 레벨, 펄스폭 등을 정의
 기능적 특성 : 핀의 기능을 정의
 절차적 특성 : 수행되는 동작들의 절차를 정의
인터페이스 : EIA-232

인터페이스(Interface)
전송회선
디지털 데이터
송수신기
전송회선
인터페이스 장치
DTE
전송회선
인터페이스 장치
디지털 데이터
송수신기
DCE
인터페이스
(a) 전송매체를 통한 인터페이스
데이터
데이터 회선
단말장치
종단 장치
통신망
공중통신망
인터페이스
(b) 통신망을 통한 인터페이스
데이터 회선
데이터
종단 장치
단말장치
인터페이스 : EIA-232

DTE와 DCE 간의 인터페이스 특성

기계적 특성


전기적 특성


전압의 레벨과 전압 변화의 시간 등에 관한 특성
기능적 특성



물리적 연결에 관한 특성
각 회선의 의미
데이터, 제어, 타이밍, 전기적 배경 등
절차적 특성

기능적 특성을 기초하여 전송을 위한 절차의 순서
인터페이스 : EIA-232

EIA-232/E 인터페이스
디지털 신호
아날로그 신호
25회선 인터페이스
RIGOH
데이터 단말장치
(컴퓨터 또는 터미널)
데이터 회선-종단장치
(모뎀)
음성급 전송회선
인터페이스 : EIA-232

EIA-232/E 핀 배치도
데이터
수신선
보호 접지
데이터
송신선
1
3
15
송신기 신호
요소 동기
제 2의 데이터
송신선
4
16
5
17
제 2의 데이터
수신선
6
18
수신기 신호
요소 동기
시험을 위한
예약
신호 접지
데이터 세트
준비
송신 요청
2
14
송신 준비
완료
수신선 신호
감지
7
19
제 2의
송신 요청
지역 루프 백
8
20
시험을 위한
예약
9
21
데이터
단말장치 준비
10
22
원격 루프 백
제 2의 송신
준비 완료
비할당
제 2의 수신선
신호 감지
11
23
24
데이터
전송률 선택
링 표시기
12
13
25
시험 모드
전송 신호
요소 동기
인터페이스 : EIA-232

회선 정의

첨부 슬라이드 (39번)
인터페이스 : EIA-232

널 모델(Null Modem)

DCE(Modem)없이 직접 컴퓨터와 터미널간의 연결
컴퓨터
RI
DTR
널 모뎀
터미널
RI
DTR
CD
CD
SIG
SIG
DSR
DSR
CTS
CTS
RTS
RTS
RxD
RxD
TxD
TxD