Analog Transmission

이번 시간에는 Digital data 를 Analog signal로 변환하는 방법에 대해 알아보자.

 

Digital Data to Analog Signal

무선 통신에 주로 사용한다 (Wi-Fi, Zigbee, LTE , NR , etc.)

 

Bitrate and Baud Rate

Bit rate = N : 초당 비트 수 (bps)

Baud rate = S(보오 레이트):  초당 Signal element의 수

 

baud rate is less than (or equal) to the bit rate

보오 레이트는 비트 레이트보다 작거나 같다

 

r : 하나의 signal symbol이 전송하는 bit 양.

r = bit / signal symbol

 

S = N / r

 

예시) 아날로그 시그날이 4bit per signal element 이다.

1000 signal elements가 초당 보내질때, 비트 레이트를 구하여라

r = 4 (4bit/signal element)

보오레이트 = 1000 (1000 signal element / 1 sec)

비트레이트 = r * 보오레이트 = 4*1000 = 4000

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디지털 데이터를 아날로그 시그널로 바꾸는 기법들

• Amplitude Shift Keying (ASK / OOK)
• Frequency Shift Keying (FSK)
• Phase Shift Keying (PSK)
• Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

ASK

Amplitude Shift Keying

진폭 편이 변조

진폭을 변화시키면서 값을 표현하는 방식

진폭이 있으면 1, 진폭이 없으면 0

 

 

FSK

Frequency Shift Keying

주파수를 변화시켜서 값을 표현하는 방식

 

주파수가 높을 때 1, 상대적으로 낮을 때 0

 

PSK

Phase Shift Keying

위상 편이 변조

 

PSK큰 ASK보다 noise에 강함

 

QPSK

Quadrature PSK

 

비트레이트(초당 비트 수)를 높이기 위해

하나의 signal element에 두개 이상의 비트를 코드함.

 

위상차이가 180도씩 나게 하면 2개의 상태만 표현할 수 있다 ==> 1bit 표현가능

 

위상차이가 90도씩 나게 하면 4개의 상태를 표현할 수 있다 ==> 2bit 표현가능하게 됨

==> r 증가 ==> 같은 시간에 전송하는 bit 수가 증가 ==> 데이터 전송 속도가 빠름

 

하지만 잘게 쪼개는 만큼 noise 발생이 쉽게 일어남

 

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Constelloation Diagrams

원점에서의 거리가 amplitude, 위치는 phase의 표현인 듯 하다.

그림에서 ASK는 0을 표현할 때 amplitude가 0이므로 원점에 0이 찍혀있고

1일 때 amplitude가 존재하므로 멀찍이 떨어져서 점이 찍혀있다

 

BPSK는 0,1을 표현할 때 모두 amplitude가 존재하지만 phase가 180도 차이나므로 둘 다 원점에서 떨어져 서로의 반대방향에 위치한다

 

QPSK도 마찬가지. amplitude는 일정하지만 phase의 차이가 90도씩 나는것을 표현함

 

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Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

QAM

쾀.

 

ASK(진폭을 변화시키는 방식) + PSK(위상을 변화시키는 방식) = QAM이다.

b. 4-QAM을 보면..

얘도 QAM은 맞지만, 잘 보면 네 점이 똑같은 amplitude인데 phase만 90도씩 차이난다

얘는 QPSK라고도 할 수 있음

 

d. 16-QAM을 보면

위상의 차이에 따라, 진폭의 차이에 따라 16개의 점으로 나눠놓았다

이렇게 많이 쪼갤 수록, 하나의 symbol이 더 많은 bit를 표현하게 되어 데이터전송 속도가 빨라질 것이다.

하지만~ 장점만 가질 수는 없는 법. -trade off-

많이 쪼개서 속도가 빨라지는 반면, 노이즈가 발생하기 쉬워진다.

 

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정리

무선 통신에 주로 이용되는 Digital data -> Analog Signal 전송 방식

Bit rate : 초당 bit 수

Baud rate: 초당 signal element = signal symbol 수

 

Digital data to Analog Signal 방식

• ASK / OOK (Amplitude Shift Keying) : 진폭을 변화시키는 방식. 노이즈에 취약함
• FSK (Frequency Shift Keying) : 주파수를 변화시키는 방식.
• PSK (Phase Shift Keying): 위상변화를 이용 (BPSK, QPSK 등이 있고 특히 BPSK는 노이즈에 강하다고 함) 
• QAM : ASK + PSK. 진폭변화와 위상변화를 이용함

위상을 변조시키는 방식은, 더 작은 각으로 나눌 시 한 symbol이 표현할 수 있는 bit가 많아져 데이터 전송속도가 빨라진다.

하지만 잘게 쪼갤수록 noise에 취약해진다.