Transcript 진폭의 변화(ASK특성)

Ch. 5 : Analog Transmission
Analog Transmission
Introduction
이번 장에서 배울 내용
디지털을 아날로그로 변조하는 방법
아날로그를 아날로그로 변조하는 방법
Data Communication
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Digital-to-Analog Conversion
디지털 신호의 정보를 근거로 하여 아날로그 신호의 특성을 가지도록
변경하는 프로세스
Value
Value
Modulator
Time
Digital signal
5.1 Digital-to-Analog Conversion
Time
Analog signal
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Types of Digital-to-Analog Conversion
ASK : 진폭편이 변조
FSK : 주파수편이 변조
PSK : 위상편이 변조
QAM : 구상 진폭 변조
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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D-to-A 변조의 종류
Sine wave의 3가지 특성
Amplitude, frequency, phase
3가지 특성 중 한가지를 변화시키면, 다른 wave가 됨
원래 wave를 binary 0, 변화시킨 wave를 1이라 함
진폭을 변조
주파수를 변조
위상을 변조
크기와 위상을 변조
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Aspects of Digital-to-Analog Conversion
Bit rate
1초 동안 전송된 비트 수
Baud rate
비트를 나타내기 위해 요구되는 초당 신호 유닛의 수
신호를 보내기 위해 요구되는 대역 폭을 결정
Bit rate은 항상 Baud rate보다 크거나 같다
캐리어 신호(Carrier signal)
아날로그 전송에서 송신장비는 정보신호의 기초로 동작하도록 높은
주파수를 만든다 이 기초 신호를 캐리어 신호라고 한다.
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S  N
r
5.1 Digital-to-Analog Conversion
baud
N : data rate (bps)
r : bit/signal element
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Aspects of Digital-to-Analog Conversion (Cont.)
Example 5.1
An analog signal carries 4 bits per signal element. If 1000 signal elements
are sent per second, find the bit rate.
Solution
In this case, r = 4, S = 1000, and N is unknown.
We can find the value of N from
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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Aspects of Digital-to-Analog Conversion (Cont.)
Example 5.2
An analog signal has a bit rate of 8000 bps and a baud rate of 1000 baud.
How many data elements are carried by each signal element? How many
signal elements do we need?
Solution
In this example, S = 1000, N = 8000, and r and L are unknown. We find first the
value of r and then the value of L.
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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Amplitude Shift Keying
비트 Duration : 1비트를 정의하기 위한 시간의 주기
ASK의 특성
진폭(Amplitude)의 변화, 주파수와 위상은 일정
전송 속도 : 전송매체의 물리적 특성에 따라 제한
노이즈 간섭에 민감 –노이즈는 진폭(Amplitude)를 변화시킴
OOK (On-Off Keying)
많이 사용하는 ASK기술로 비트 값 중 하나를 no voltage로 표시
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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ASK (Amplitude Shift Keying)
ASK
진폭(Amplitude)의 변화, 주파수와 위상은 일정
전송 속도 : 전송매체의 물리적 특성에 따라 제한
노이즈 간섭에 민감 –노이즈는 진폭(Amplitude)을 변화시킴
신호 0과 신호 1은 진폭의 차이
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Amplitude Shift Keying (Cont.)
대역폭(Bandwidth) 구하는 공식
B  (1  d )  S
d : 라인의 상태에 관련된 요소
S : signal rate
Implementation of binary ASK
디지털신호의 0과 1의 값에 따라 반송파의 진폭을 변화시키는 방식으로, 디지털 신호가
0과 1로 변함에 따라 미리 약속된 2가지 진폭의 정현파를 수신 측에 전송하면, 수신
측에서는 약속된 원래의 0 또는 1로 복원시켜주는 방식임
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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ASK의 대역폭
BW = ( 1 + d ) * Nbaud
BW : 대역폭, Nbaud : baud rate
d : 회선의 상태와 관련된 계수
최소 대역폭은 baud rate와 같음
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Amplitude Shift Keying (Cont.)
Example 5.3
We have an available bandwidth of 100 kHz which spans from 200 to 300
kHz. What are the carrier frequency and the bit rate if we modulated our
data by using ASK with d = 1?
Solution
The middle of the bandwidth is located at 250 kHz. This means that our carrier
frequency can be at fc = 250 kHz. We can use the formula for bandwidth to find
the bit rate (with d = 1 and r = 1).
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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ASK의 예제
예제 5
10,000 Hz (1000 to 11,000 Hz)의 대역폭이 주어졌다.
시스템의 full-duplex ASK 다이어그램을 그리고,
각 캐리어와 대역폭을 구하라.
Solution
Amplitude
full-duplex ASK에서, 대역폭은 BW = 10000 / 2 = 5000 Hz
캐리어 주파수
fc (forward) = 1000 + 5000/2 = 3500 Hz
fc (backward) = 11000 – 5000/2 = 8500 Hz
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Frequency Shift Keying
Binary Frequency Shift Keying (BFSK)
FSK의 특성
주파수의 변화(비트 duration동안은 일정), 진폭과 위상은 일정
FSK의 제한 요소 : 캐리어의 물리적 용량
ASK노이즈 문제 회피:수신장비는 주파수 변화만 감지, 진폭 변화는 무시
BFSK의 진폭
B = (1+d)*S + 2Δf
FSK는 ASK에 비해 더 넓은 대역을 필요로 하며 오류 확률은 비슷
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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FSK의 대역폭
BW = fc1 - fc0 + Nbaud
FSK 스펙트럼은 fc0 과 fc1 의 주위에 있는 ASK 스펙트럼
2개의 결합으로 나타남
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Frequency Shift Keying (Cont.)
Example 5.5
We have an available bandwidth of 100 kHz which spans from 200 to
300 kHz. What should be the carrier frequency and the bit rate if we
modulated our data by using FSK with d = 1?
Solution
This problem is similar to Example 5.3, but we are modulating by using FSK.
The midpoint of the band is at 250 kHz. We choose 2Δf to be 50 kHz
예제5.3과 비교해 ASK는 비트전송률이 50kbps 인데 반해서
FSK는 25kbps 인것을 알 수 있다
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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FSK의 예제
예제 7
대역폭이 12,000Hz이고 캐리어 간격은 2000Hz일 때,
FSK신호의 최대 bit rate를 구하라.
full-duplex 모드로 전송
Solution
Full-duplex 모드 전송이므로, 각 방향당 6000 Hz가 할당
BW = baud rate + fc1 - fc0
Baud rate = BW - (fc1 - fc0 )
= 6000 - 2000 = 4000
baud rate가 bit rate와 같으므로, bit rate은 4000 bps
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Implementation of BFSK
FSK의 특성
NRZ (Non Return Zero) 신호방식 사용
비트신호가 전송될 때마다 볼트 값이 변하는 방식
비트1은 높은 주파수, 0은 낮은 주파수에 대응시켜 변조
VCO 는 디지털 신호가 한 레벨에서 다른 레벨로 바뀔 때 변조된 신호에서의
주파수 변화를 부드럽게 연결
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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Multilevel FSK
Multilevel FSK의 특성
BFSK에서 신호 레벨을 여러 개로 증가시킴
BFSK 보다 넓은 대역폭을 요구
MFSK의 대역폭
B = (1+d) * S + (L – 1) 2Δf
5.1 Digital-to-Analog Conversion
B=L*S
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Multilevel FSK (Cont.)
Example 5.6
We need to send data 3 bits at a time at a bit rate of 3 Mbps. The carrier
frequency is 10 MHz. Calculate the number of levels (different
frequencies), the baud rate, and the bandwidth.
Solution
We can have L = 23 = 8. The baud rate is S = 3 MHz/3 = 1000 Mbaud. This
means that the carrier frequencies must be 1 MHz apart (2Δf = 1 MHz). The
bandwidth is B = 8 × 1000 = 8000. Figure 5.8 shows the allocation of
frequencies and bandwidth.
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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Phase Shift Keying
Binary Phase Shift Keying (BPSK)
PSK의 특성
위상의 변화(비트 duration동안은 일정), 진폭과 주파수는 일정
위 두 그림은 180도의 위상 차를 이용 : 2-PSK 혹은 binary PSK
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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PSK (Phase Shift Keying)
PSK
위상이 1 또는 0 (2진)에 따라 변경, 진폭과 주파수는 일정
아래 그림은 180도의 위상 차를 이용 : 2-PSK 혹은 binary PSK
두 신호는 위상의 차이
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2-PSK
2-PSK 혹은 binary PSK
두 개의 다른 위상 사용 (0° 와 180° )
PSK constellation(배열) 혹은 phase-state diagram
비트와 위상과의 관계를 나타내는 다이어그램
PSK는 노이즈 감쇄나 대역폭 제한에 민감하지 않음
신호 1 : 위상 180 °
신호 0 : 위상 0 °
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Quadrature PSK(QPSK)
QPSK
두 값의 디지털 신호인 0과 1의 2비트를 모아서 반송파의 4위상에
대응시켜 전송하는 방식
예를 들면 0위상에 (0, 0), π/2위상에 (0, 1), π위상에 (1, 0),
3π/2위상에 (1, 1)을 대응시켜 전송
반송파의 위상 변화를 90°간격으로 취하여 하나의 부호로 1비트를
전송하는 2진 위상 편이 변조와는 달리 하나의 부호로 2비트를
전송하는 방식으로, 4위상 편이 변조(quadri-phase PSK)라고도 함
4위상 편이 변조파는 2위상 편이 변조파와 같은 주파수 대역폭 에서
2배의 정보를 전송할 수 있음
위성 방송에서 음성 신호의 전송이나 위성 통신에 널리 사용되고
있음
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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4-PSK or Q-PSK
4개의 다른 위상 사용
0°, 90°, 180°, 270°
신호 10 : 위상 180°
신호 00 : 위상 0°
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Quadrature PSK (Cont.)
Example 5.7
12Mbps로 신호를 전송하는 QPSK에서 대역폭을 구해라. 참고로 d = 0
Solution
QPSK에서, 한 시그널에 2비트가 전송된다. 그러므로 r = 2.
신호율(baud rate) S = N × (1/r) = 6 Mbaud. 그래서 d = 0, B = S = 6 MHz 가 된다.
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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8-PSK
8개의 다른 위상 사용 (shifts of 45°)
신호 010 : 위상 90°
신호 101 : 위상 225°
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PSK의 대역폭
PSK의 대역폭
PSK 최소 대역폭과 ASK 최소 대역폭은 같음
PSK 최대 Baud rate와 ASK 최대 Baud rate는 같음
Bit rate의 경우는 PSK가 ASK보다 2배 이상 커질 수 있음
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Constellation Diagram
진폭과 위상의 변화로 다양한 Signal Element 표현 가능
멀티레벨 ASK, PSK, QAM의 기본 개념 표현
Angle : 위상, Length : 진폭
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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Quadrature Amplitude Modulation
QAM (Quadrate Amplitude Modulation)
진폭의 변화(ASK특성)와 위상의 변화(PSK특성)
진폭은 노이즈에 민감 : 위상의 변화는 진폭의 변화보다 항상 큼
QAM전송의 최소 대역폭은 ASK,PSK와 같음
ASK에 비해 우수한 PSK의 장점을 QAM도 그대로 가지고 있음
Constellation Diagrams For Some QAMs
5.1 Digital-to-Analog Conversion
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QAM
(Quadrature Amplitude Modulation)
QAM
ASK와 PSK의 조합 :
진폭의 변화(ASK특성)와 위상의 변화(PSK특성)
진폭은 노이즈에 민감 : 위상의 변화는 진폭의 변화보다 항상 큼
QAM전송의 최소 대역폭은 ASK,PSK와 같음
신호 101과 100은 진폭의 변화
신호 011과 110은 진폭과 위상의 변화
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4-QAM과 8-QAM의 예
4-QAM의 예 :
진폭은 모두 같고
위상의 변화만 줌
8-QAM의 예 :
2 가지 진폭의 변화와
4가지 위상의 변화로
8개의 신호를 나타냄
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16-QAM의 예
예1
3 종류의 진폭 사용
12 종류의 위상 사용
예2
4 종류의 진폭 사용
8 종류의 위상 사용
예3
2 종류의 진폭 사용
8 종류의 위상 사용
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Analog-to-Analog Conversion
아날로그를 아날로그로 변조하는 3가지 타입
AM : Amplitude Modulation
FM : Frequency Modulation
PM : Phase Modulation
Analog-to-analog
conversion
Amplitude
Frequency
Phase
modulation
modulation
Modulation
5.2 Analog-to-Analog Conversion
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Amplitude Modulation
캐리어 시그널이 변조 신호(modulating signal)의 변경되는 진폭을 따라
진폭이 변하도록 변조됨
5.2 Analog-to-Analog Conversion
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AM Band Allocation
AM신호의 대역폭은 변조 신호의 대역폭의 2배와 같음
음성 신호의 대역폭은 5KHz
전체 대역폭 = 2 x 변조 시그널 대역폭
AM라디오
최소 10KHz대역 필요
캐리어 주파수는 530KHz에서 1700KHz사이
라디오 방송국간 간섭을 피하기 위해 10KHz 이상의 주파수 차이
5.2 Analog-to-Analog Conversion
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Frequency Modulation
주파수 변조
캐리어 신호의 주파수가 변조 신호의 진폭 변화에 따라 변조
대역폭 = 2(1 + β)B
5.2 Analog-to-Analog Conversion
(β: 변조기술에 따라 유동적으로 변하는 값)
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FM Band Allocation
FM 라디오
적어도 150KHz의 대역이 필요하며, 보통 200KHz정도 분리
88~108MHz의 캐리어 주파수 사용 : 20MHz100개의 방송국가능
동시에 적어도 50개가 동작 가능
5.2 Analog-to-Analog Conversion
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Phase Modulation
위상 변조(PM: Phase Modulation)
주파수 변조의 대안으로 일부 시스템에서 사용
캐리어 신호의 위상이 변조신호의 진폭의 변화에 따라 변조
대역폭 = 2(1 + β)B
5.2 Analog-to-Analog Conversion
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