1. Modulation / Demodulation Concept
○ Modulation
전달하고자 하는 신호(정보)를 목적지까지 효율적으로 보내기 위해 신호를 전송에 적합한 형태로 바꾸는 조작(주파수 Shifting, 디지털화 등)이다. 일반적으로 음성, 데이터, 화상 등의 신호는 주파수대역이 낮기 때문에 공간을 효율적으로 전파되기 어렵다. 따라서 공간을 매체로 하는 무선통신에서는 변조과정을 거쳐 높은 주파수대의 반송파에 실어서 안테나를 이용하여 전자파를 전송해야 한다. 한편 유선통신에서는 전송매체(케이블, 도파관, 광케이블)의 전송 특성과 허용 대역폭에 따라서 낮은 주파수 신호를 그대로 전송하거나, 또는 변조 과정을 거쳐 높은 주파수대의 반송파에 실어서 전송할 수 있다. 통상적으로 보내고자 하는 신호(정보)는 저주파 신호이며, 제한된 대역폭을 갖는다. 이와 같은 저주파 신호를 Baseband 신호라 한다.(Ex : 전화의 Baseband 신호(300~3400Hz), TV의 영상 Baseband 신호(0~4.2MHz)) 신호(정보)를 전송할 때 신호의 주파수 대역을 옮기지 않고(변조하지 않고) Baseband 신호를 그대로 전송하는 기저대역전송 (Baseband Transmission) 과Baseband 신호를 전송하기에 쉬운 전파인 높은 주파수 대역으로 변조 후 전송하는 대역전송(Broadband Transmission)으로 나눌 수 있다.
| 원본데이터 | 정보전송 형태 | 아날로그 전송신호 | 디지털 전송신호 | ||
| 아날로그 데이터 | AM, FM, PM (안테나길이 줄임, 주파수 다양하게 사용) |
PCM (아날로그신호보다 디지털 신호가 잡음에 강함) |
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| 디지털 데이터 | ASK, PSK, FSK, QPSK (원거리 전송가능, 주파수 다양하게 사용) |
RZ, NRZ, manchester등 (+,0,-사용하면 직류성분이 없어짐. 동기화 유리) | |||
<전송신호와 전송망에 따른 Modulation>
○ Demodulation
데이터 통신에서 변조되어 수신된 신호를 원래의 신호로 복구하는 과정으로 고주파에 화상이나 음성 등의 신호에 따라 변조시킨 변조파를 실어 송신하며, 수신기에서는 고주파 전류로부터 변조파를 꺼내서 원래의 신호로 복구하는 것이다.
복조는 크게 두 가지로 나뉘는 데 동기 복조와 비동기복조로 나뉘게 된다
- 동기(Coherent) 복조 또는 검파 방식
수신 신호에서 반송파 정보를 검출하여, 반송파의 위상 정보를 이용
송신측과 수신측에서 반송파 위상 동기를 맞추기 위한 하드웨어가 필요
AM복조 : DSB-SC 등
Digital 복조 : PSK, Coherent FSK, ASK동기 검출, QAM 검출 등
- 비동기(Noncoherent) 복조 또는 검파 방식
수신 신호의 반송파 위상 정보를 전혀 이용하지 않고 검파
반송파 위상동기를 맞추기 위한 하드웨어가 불필요
AM라디어 수신기 : Envelope Detection
비동기식 디지털 복조 : DPSK, Noncoherent FSK, ASK비동기 검출 등
2. 𝝅/𝟐-BPSK/BPSK/QPSK/𝝅/𝟒-QPSK/OQPSK/MSKGMSK/16QAM/64QAM/256QAM/HPSK
○ BPSK
BPSK는 위상 천이 키잉의 가장 간단한 형태로 심벌 0과 1을 나타내는데 사용되는 신호쌍이다. 아래 식은 BPSK의 생성식이다.
위상이 180도 차이이며, 정현파 신호쌍은 180도만큼 상대적 위상 천이만 다른 이유로, antipodal signal이라 불린다. BPSK 특징으로는 변조 신호 s(t)의 포락선이 모든 시간 t에 대해 값을 유지하여 비트당 전송에너지 일정하며 즉 전송되는 평균전력 일정이다. 또한 동기 검파 적용해야한다.
BPSK를 생성할 때는 두 개의 곱셈 변조기가 사용된다. 처음에 NRZ 레벨 인코더를 사용하여 심벌 1, 0이 각각 일정한 진폭 레벨을 만든다. 그 후 곱셈 변조기를 통해 레벨 인코딩 된 이진 신호에 진폭인 정현반송파 c(t)를 곱한다. 아래는 생성 블록도이다.
아래는 검파의 블록도 이다.
아래는 BPSK의 스펙트림이다. 비트주기 변화에 따른 BPSK신호의 전력은 (a)는 fc=8Hz, Tb=1s 이고, (b)는 fc=8Hz. Tb=1/2s이다. 비트 주기가 1/2이 되면, 싱크 함수의 main lobe 폭이 두 배가 된다.
○ BPSK의 성상도
대척신호(Antipodal signal)의 형태이고, 진폭은 같고 위상은 반대이다.
○ BPSK의 오류확률
○ pi/2BPSK
일반적으로 BPSK와의 같은 BER 성능을 가진다. 아래 식을 보면 BPSK와 다르게 위상 값이 추가 되었다.
pi/2 BPSK를 사용하면 envelope variation과 PAPR(Peak to average power ration)이 줄어들고 Power amplifier efficiency cost를 향상시킨다.
○ pi/2 BPSK의 성상도
○ QPSK
QPSK의 개념
2비트를 한 symbol에 전송하는 방식으로 위상변화를 π/2 (90˚)씩 변화시키고 4개의 위상 값은 각각 디비트(dibit)라 불리는 유일한 비트 쌍에 상응한다. 두개의 BPSK의 합으로 이루어져 있으며 두 반송파는 기본함수의 직교쌍을 이룬다.
○ QPSK 신호 형태
- 정형 반송파의 위상 : π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4 중 하나를 취함
- Gray encoding을 통해서 다음 디비트로 넘어 갈 때 오직 하나의 비트만 바뀌게됨
○ QPSK의 특징
- 위상 잡음 등 잡음 환경에 강함
- 다중경로 페이딩 왜곡 및 잡음에 대한 강한 면역성이 있음
- 포락선이 일정함
- 주로 고속의 전송에 사용되는 변조방식
- 하나의 심볼에는 4개의 값을 식별하며, 이에 따라 2개의 비트가 대응
○ QPSK 신호 생성
- 이진 데이터를 2개의 독립된 I(In-phase) 및 Q(Quadrature) 채널로 분리시키고, 서로 90도 위상차를 갖는 2개의 반송파를 I 채널과 Q 채널의 이진 데이터로 진폭 변조(DSB-SC)한 후 합성하여 전송시킨다.
○ QPSK 신호 검파
- In-phase channel 과 Quadrature channel으로 구성. 각각의 채널에는 product, LPF, sampler, Decision-making device로 구성이 됨
- 두 개의 LPF는 각각은 수신기의 만족스러운 동작을 위해 심벌 주기 T의역수와 같거나 크도록 대역폭이 할당이 됨
○ QPSK 스펙트럼
- 비트 주기 변화에 따른 QPSK의 전력 스펙트럼 변화를 볼 수 있으며 예시로(a)는 fc=8Hz, Tb=1s, (b)는 fc=8Hz, Tb=1/2s 일때를 비교를 하면 BPSK와 QPSK의 carrier freq.는 같지만 , QPSK의 대역폭이 BPSK의 1/2 이 된다.
○ pi/4QPSK
- π/4 QPSK의 개념
직교 위상 편이 변조(QPSK)에서 파생한 변조 방식의 하나이며 반송파의 위상 변화를 135°, 45° 간격으로만 취하여 180°의 위상 변화가 일어나지 않기 때문에 진폭 변동이 발생하기 어렵다. 따라서 복조가 정확하게 이루어지므로 디지털 방식의 휴대 전화, 자동차 전화나 디지털 코드 없는 전화 등의 이동 통신 방식에 사용된다.
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[ π/4 QPSK의 다이어그램 ]
○ OQPSK
- OQPSK의 개념
채널상 신호의 위상변화가 크면 클수록 위상왜곡 발생이 쉬우므로, 기존 QPSK 변조방식에서 신호간 최대 위상변화가 다소 급격한 180˚가 아닌 90˚로 줄인 방식
- Q(Quadrature) 성분 채널 신호에 Tb 만큼의 시간지연(Offset)을 줌
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[ QPSK, OQPSK의 Constellation 및 위상 변화 ]
- QPSK는 ± 90˚와 ± 180˚변화를 가진 형태
- OQPSK는 ± 90˚로 변화시키므로 변화가 적음
○ OQPSK 스펙트럼
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- 비트 주기 변화에 따른 OQPSK의 전력 스펙트럼 변화를 볼 수 있으며 예를 들어 위의 그림을 살펴보면 (a)는 fc=8Hz, Tb=1s, (b)는 fc=8Hz, Tb=1/2s의 경우로 carrier freq가 같을 때 QPSK과 OQPSK의 대역폭은 같다.
- OQPSK의 경우 QPSK와 Bandwidth가 같음
○ MSK
- MSK의 개념
위상에 불연속이 발생하면 대역폭이 급격하게 증가 하게 되는데 OQPSK에서 나타나는 위상 불연속을 제거함으로써 고주파 성분을 더욱 줄인 형태의 변조기법이다. Main lobes는 QPSK에 비해 1.5배 증가되고, side lobe 진폭을 크게 감소하게 하는 형식이다. 일반적으로 2개의 반송파 주파수들의 위상차가 유지되게 선택해 2개의 주파수가 만나는 부분에서 만나도 연속적인 위상, 변화가 유지 되는 방식이다.
또한 FSK방식에서 0을 나타내는 반송파 주파수와 1을 나타내는 주파수를 1/2주기 차이가 난다.
○ GMSK
- GMSK는 유럽 지역 이동통신 시스템(GSM)에서 표준으로 채택한 것으로 MSK 피변조파 스펙트럼의 MAIN Lobe를 협대역화 하여 효율적인 스펙트럼 사용으로 데이터 전송시 위상 불연속성을 없앤 변조 형태이다. 이진 데이터를 Gaussian low pass filter에 통과 시켜 대역폭을 제한하고 편이비 h=0.5로 하여 FM 변조한 방식이라고 할 수 있다.
○ QAM
- M-ary Quadrature Amplitude ModulationM진 PSK에서 원점에서 신호 점까지 길이의 제곱이 E라는 가정을 제거 하면 M진 변조 신호의 동위상 및 직교 위상 성분이 서로 독립적이다. M진 QAM은 ASK와 PSK의 결합이라는 점에서 하이브리드 형태의 M변조이다.
- 특징으로는 PSK. QPSK 변조방식보다 주파수 효율이 좋다. 주어진 대역폭에서 MPSK 보다 더 높은 성능 및 전송률을 가지고 있다. 또한 수신 구현 및 복조가 비교적 용이다. 하지만 잡음 및 페이딩 등 오류에 민감하고 취약하다. 아래 그림은 QAM의 변복조의 구성이다.
○ 16QAM
- 신호를 진폭 3 level, 위상 12 level로 총 16개의 상태가 만들어져서 4비트의 정보를 표현한다. 주파수 효율이 높고 고속의 전송을 위하여 많이 사용한다.
○ 64QAM
- 위상과 진폭을 각각 8종류씩 이용하여 그것들의 조합에 값을 할당함으로써 한번에 64개의 값의 데이터를 송/수신한다, 페이딩(무선의 송신자와 수신자의 거리나 시간의 변화에 따라 전파의 강도가 변화하는 현상)이 발생하기 쉽다.
○ 256QAM
- 위상과 진폭을 각각 16종류씩 이용하여, 그것들의 조합에 값을 할당함으로써 한번에 256개의 값의 데이터를 송/수신한다. Symbol당 8bit이며, 인터넷 데이터 신호로 256QAM을 사용하는데, 이것은 더 많은 트래픽과 속도를 구현할 수 있도록 한다.
○ HPSK(Hybrid Phase-shift keying)
- HPSK는 신호의 PAPR을 최소화 하도록 하는 complex scrambling 기술을 사용한다. 일반적으로 엠프는 포화단계에 가깝게 동작할 때 가장 효율적이고 이동국의 엠프는 신호의 평균전력레벨이 포화단계에 가능한 가깝도록 디자인을 한다. 그리고 모든 두 번째 칩 점에 대해 Zero-crossing을 제거하는 기본 복소수 scrambling의 이형이다. 서로 다른 채널을 확장하는 것은 scrambling 신호처럼 특정한 반복 수열과 특정한 orthogonal코드를 고름으로써 이루어져있다.
○ OCQPSK(HPSK로 알려짐)
- W-CDMA, CDMA2000에 대한 확산 기술로써 제안됨
- 일반적으로 사용된 변조형식과는 매우 다른 복소수 확산기술
여기서 사용되는 Complex scrambling 기술은 복소수 scrambling은 두 복소수 신호의 곱셈이다. 아래는 COmplex scramblin block diagram이다. (Ichip+jQchip) : 칩으로확산된 복소수 데이터 신호
(Is+jQs) : 복소수 스크램블링 신호
1. I = Ichip ⋅·Is - Qchip⋅Qs
2. Q=Ichip⋅Qs+Qchip⋅Is
3. I+jQ=(Ichip⋅Is-Qchip⋅Qs)+j(Ichip⋅Qs+Qchip⋅Is) =(Ichip+jQchip)⋅·(Is+jQs) =Achip⋅As⋅e j(Φchip+Φs)
Achip, e jΦchip 는Ichip + jQchip 신호의크기와위상
As⋅e jΦs 는Is + Qs 신호의크기와위상
○ BER
- modulation 기법에 따른 simulation결과를 보게 되면 다음 그림과 같다.
- BER 기준으로 QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM,순으로 성능이 좋은 것을 볼 수 있다.
○ SER
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[ 여러 Modulation들의 SER ]
- SER 기준으로 QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM,순으로 성능이 좋은 것을 볼 수 있다.
○ FER
○ BLER
○ Modulation mapper
- BPSK
- QPSK
- 16QAM
- 64QAM
- 256QAM
○ AMC
- 무선 채널에서 수신전력, 페이딩, 혼신 등 전파 상태에 따라 수시로 변조 및 코딩 방식의 파라미터를 변경하여 최대의 데이터 속도를 얻도록 하는 기술이다. 이러한 적응 기술로는 적응 멀티미디어 변조 기술(adaptive multimedia modulation technique), 적응 터보 코드 변조(adaptive turbo code modulation), 비트 오류율 기술(BER technique) 등이 있다.
3. Application System
○ GSM(Global System for Mobile communication)
○ IS-95
○ CDMA2000
○ UMTS(Universal Mobile Telecommunication System)
- TS[25.213]를 살펴보면, Modulation chip rate는 3.84Mcps이다.
Spreading process를 통해 complex-valued chip sequence를 만들어낸다.
- Downlink Modulation에서 각 채널 별 사용한 modulation은 아래 표와 같다.
○ 16QAM과 64QAM에서 사용한 I,Q 값은 아래 표를 보면 나와있다.
○ Downlink modulation의 블록도는 아래 그림과 같다.
○ Uplink modulation의 블록도는 아래 그림과 같다.
○ UMTS의 스펙을 정리하면, 아래 표와 같다.
○ LTE & LTE-A
Uplink 쪽을 살펴보면 각 채널 별 modulation이 조금씩 다르다. 먼저 Physical uplink shared channel을 보면 사용하는 Modulation은 QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM 이다.
○ Physical uplink control channel은 아래 표에 나와있다.
○ Short Physical Uplink control channel은 아래 표에 나와있다.
○ Uplink modulation과 Upconversion의 블록도는 아래 그림에서 볼 수 있다.
○ Downlink의 Enhanced physical downlink control channel은 아래 표에 나와있다.
○ Short physical downlink control channel은 아래 표에 나와있다.
○ Physical hybrid ARQ indicator channel은 아래 표에 나와있다.
○ Downlink modulation의 블록도이다.
○ LTE의 스펙을 정리한 표는 아래와 같다.
4. Acromy
○ AMC (Adaptive Modulation &Coding)
○ BFSK (binary frequency-shift keying)
○ BPSK (binary phase-shift keying)
○ CDMA (Code Division Multiple Access)
○ GMSK (Gaussian Minimum shift keying)
○ GSM (Global System for Mobile communication)
○ HPSK(Hybrid Phase-shift keying)-
○ LTE (Long term evolution)
○ LTE-A(LTE-Advanced)
○ MSK (Minimum shift keying)
○ NR(New Radio)
○ OQPSK (offset quadriphase-shift keying)
○ QAM (Quadrature amplitude modulation)
○ QPSK (quadriphase-shift keying)
○ UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
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