변조

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1. 개요
2. 아날로그 변조
3. 디지털 변조
4. 펄스 변조
5. 기타 변조 기술
6. 변조 방식의 응용
참조

1. 개요

변조는 신호의 특성을 변경하여 정보를 전송하는 기술을 의미한다. 아날로그 변조는 아날로그 신호를 사용하여 진폭, 주파수, 위상 등을 변화시키며, 라디오 방송에 주로 사용되는 AM, FM 등이 있다. 디지털 변조는 디지털 신호를 사용하여 정보를 전송하며, PSK, FSK, ASK, QAM 등 다양한 방식이 존재한다. 펄스 변조는 펄스 신호를 사용하여 정보를 전송하며, PAM, PWM, PCM 등이 있다. 또한, 온-오프 키잉, 적응 변조 등 다양한 변조 기술이 존재하며, 직교 변조와 동기 방송과 같은 응용 분야에서 활용된다.

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변조
기본 정보
정의	주기적인 파형의 하나 이상의 속성을 변경하는 과정
적용 분야	통신 및 전기 공학
아날로그 변조 방식
종류	AM FM PM QAM SM SSB
디지털 변조 방식
종류	ASK APSK CPM FSK MFSK MSK OOK PPM PSK QAM SC-FDE TCM TC-PAM WDM
계층적 변조
종류	QAM WDM
스펙트럼 확산
종류	CSS DSSS FHSS THSS
관련 주제
관련 항목	Capacity-approaching codes 복조 Line coding 모뎀 AnM PoM PAM PCM PDM PWM ΔΣM OFDM FDM 다중화
변조 방식
아날로그 변조	AM SSB FM PM
디지털 변조
종류	OOK ASK PSK FSK QAM APSK DM MSK CCK CPM OFDM TCM
펄스 변조
종류	PWM PAM PDM PPM PCM
스펙트럼 확산
종류	FHSS DSSS
관련 항목
관련 항목	복조

2. 아날로그 변조

아날로그 변조는 아날로그 신호에 따라 정보를 연속적으로 변화시켜 전송하는 방식이다. 주로 라디오 방송에 사용된다.^[1]

저주파 메시지 신호(위쪽)는 AM 또는 FM 라디오파에 의해 전달될 수 있습니다.

일반적인 아날로그 변조 기술은 다음과 같다.

진폭 변조(AM): 반송파 신호의 진폭이 변조 신호의 순간적인 진폭에 따라 변화한다.
* 양측파대 변조(DSB)
** 반송파 포함 양측파대 변조(DSB-WC) (AM 라디오 방송 대역에서 사용됨)
** 반송파 억압 양측파대 전송(DSB-SC)
** 반송파 감소 양측파대 전송(DSB-RC)
* 단측파대 변조(SSB 또는 SSB-AM)
** 반송파 포함 단측파대 변조(SSB-WC)
** 반송파 억압 단측파대 변조(SSB-SC)
* 잔여측파대 변조(VSB 또는 VSB-AM)
* 직교 진폭 변조(QAM)
각도 변조 (대략 일정 진폭이다)
* 주파수 변조(FM): 반송파 신호의 주파수가 변조 신호의 순간적인 진폭에 따라 변화한다.
* 위상 변조(PM): 반송파 신호의 위상 변화가 변조 신호의 순간적인 진폭에 따라 변화한다.
* 전치 변조(TM): 파형 변곡이 수정되어 각 사분의 일 주기가 변조 과정에서 전치되는 신호가 생성된다. TM은 의사 아날로그 변조(AM)이다. AM 반송파가 위상 변수 위상 f(ǿ)를 전달하는 경우 TM은 f(AM,ǿ)이다.

모스 부호나 아날로그 전화 등에서는 신호를 단속시키거나, 음파를 그대로 전기 신호로 변환하여 통신을 한다(베이스밴드 전송).

하지만, 무선 음성 통신(라디오 등)에서 음성 신호를 무변조로 전파로 송신하는 것은 음성의 주파수가 너무 낮기 때문에 현실적이지 않다. 따라서 음성 신호를 일단 더 높은 주파수의 신호로 변환(변조)하여 송신하고, 수신측에서 다시 음성 신호로 되돌리는(복조) 방식으로 신호를 전송한다.

이는 20세기 초, 삼극관을 시작으로 하는 각종 증폭 작용을 가진 진공관의 발명에 의해 시작되어, 전자공학에 의해 실용적으로 가능해진 기술이다. 유선 통신에서도 같은 시기에 다중화에 의한 설비의 효율적 이용 등을 목적으로, 무선 통신과 마찬가지로 반송파를 변조하는 방식이 채용되었다. 또한 광통신은 빛을 변조함으로써 통신을 한다.

아날로그 통신을 위한 진폭, 주파수, 위상 등을 연속적으로 변화시키는 변조 방식이다.^[1]

진폭 변조(AM, amplitude modulation|앰플리튜드 모듈레이션^영어): 반송파의 진폭 변화로 변조하는 방식이다.
각도 변조
* 주파수 변조(FM, frequency modulation|프리퀀시 모듈레이션^영어): 반송파의 주파수 변화.
* 위상 변조(PM, phase modulation|페이즈 모듈레이션^영어): 반송파의 위상 변화.

3. 디지털 변조

디지털 변조는 디지털 신호를 이산적인 값으로 변화시켜 정보를 전송하는 방식으로, 현대 디지털 통신 시스템의 핵심 기술이다. 아날로그 반송파 신호는 이산 신호로 변조되며, 이는 디지털-아날로그 변환으로 볼 수 있다. 반송파 신호의 변화는 유한한 수의 M개의 대체 심볼(｢변조 알파벳｣) 중에서 선택된다.

예를 들어, 전화선은 음성을 전송하도록 설계되었지만, 모뎀을 통해 디지털 비트를 음색(심볼)으로 나타내어 통신할 수 있다. 4개의 심볼이 있다면, 각 심볼은 00, 01, 10, 11과 같은 비트 시퀀스를 나타낼 수 있다. 모뎀이 초당 1000개의 음색을 재생하면 심볼 속도는 1000 심볼/초 (1000 보)가 되고, 비트 속도는 심볼 속도의 두 배인 초당 2000비트가 된다.

디지털 변조 방식은 데이터 전송과 동의어인 디지털 전송의 한 형태로 간주되는 경우가 많다.

가장 기본적인 디지털 변조 기법은 키잉(keying)을 기반으로 하며, 다음과 같다.

PSK (위상 편이 변조): 유한 개의 위상을 사용한다.
FSK (주파수 편이 변조): 유한 개의 주파수를 사용한다.
ASK (진폭 편이 변조): 유한 개의 진폭을 사용한다.
QAM (직교 진폭 변조): 2개 이상의 위상과 2개 이상의 진폭을 사용한다.

QAM은 동상 신호(I)와 직교 위상 신호(Q)가 유한 개의 진폭으로 진폭 변조된 후 합산되는 방식이다. PSK와 ASK의 조합으로 볼 수 있다.

이러한 방식들에서 각 위상, 주파수, 진폭에는 고유한 이진 비트 패턴이 할당된다. 각 위상, 주파수, 진폭이 표현하는 ''심볼''은 보통 동일한 수의 비트를 인코딩한다.

만약 알파벳이

M = 2^N

개의 대체 심볼로 구성되면, 각 심볼은 ''N''비트로 구성된 메시지를 나타낸다. 심볼 속도가

f_{S}

심볼/초 (또는 보오)이면, 데이터 속도는

N f_{S}

비트/초가 된다. 예를 들어, 16개의 심볼로 구성된 알파벳은 각 심볼이 4비트를 나타내므로 데이터 속도는 보오 속도의 네 배가 된다.

PSK, ASK, QAM의 경우 변조 알파벳은 산포도에 표시될 수 있으며, x축은 I 신호의 진폭, y축은 Q 신호의 진폭을 나타낸다.

변조기의 일반적인 데이터 전송 단계는 다음과 같다:

1. 데이터 비트를 코드워드로 그룹화한다.

2. 코드워드를 I 및 Q 신호의 진폭, 주파수 또는 위상 값에 매핑한다.

3. 펄스 성형 등으로 대역폭을 제한하고 등가 저역 신호의 스펙트럼을 형성한다.

4. I 및 Q 신호의 디지털-아날로그 변환(DAC)을 수행한다.

5. 고주파 사인 반송파 파형과 코사인 직교 성분을 생성하고, I 및 Q 신호를 곱하여 변조를 수행한다.

6. 증폭 및 아날로그 대역 통과 필터링을 수행한다.

복조기는 일반적으로 다음을 수행한다:

1. 대역 통과 필터링

2. 자동 이득 제어(AGC)

3. RF 신호를 기저대역 I 및 Q 신호 또는 중간 주파수(IF) 신호로 이동한다.

4. 샘플링 및 아날로그-디지털 변환(ADC)

5. 등화 필터링

6. I 및 Q 신호의 진폭 또는 IF 신호의 주파수 또는 위상 검출

7. 진폭, 주파수 또는 위상을 가장 가까운 허용 기호 값으로 양자화한다.

8. 양자화된 값을 코드워드에 매핑한다.

9. 코드워드를 비트 스트림으로 병렬-직렬 변환한다.

10. 오류 정정 코드 제거 등 추가 처리를 한다.

디지털 변조 방식은 송수신기 쌍이 데이터 인코딩 및 표현 방식을 미리 알고 있기 때문에 가능하다. 송신기의 변조기와 수신기의 복조기는 서로 역 연산을 수행하도록 구성된다.

비동기식 방법은 송신기 반송파 신호와 위상 동기화된 수신기 기준 클록 신호를 필요로 하지 않는다. 반대는 동기 변조이다.

일반적인 디지털 변조 방식은 다음과 같다:

위상 편이 변조 (PSK)
이진 위상 편이 변조 (BPSK)
직교 위상 편이 변조 (QPSK)
8PSK
16PSK
차동 위상 편이 변조 (DPSK)
차동 직교 위상 편이 변조 (DQPSK)
오프셋 직교 위상 편이 변조(OQPSK)
π/4–QPSK
주파수 편이 변조 (FSK)
오디오 주파수 편이 변조 (AFSK)
다중 주파수 편이 변조 (M-ary FSK 또는 MFSK)
이중음 다중 주파수 (DTMF)
진폭 편이 변조 (ASK)
온-오프 키잉 (OOK)
M-ary 잔여측파대 변조
직교 진폭 변조 (QAM)
극성 변조
연속 위상 변조 (CPM) 방식
최소 편이 키잉 (MSK)
가우스 최소 편이 키잉 (GMSK)
연속 위상 주파수 편이 변조 (CPFSK)
직교 주파수 분할 다중화 (OFDM) 변조
이산 다중톤 (DMT)
웨이블릿 변조
트렐리스 부호화 변조 (TCM)
확산 스펙트럼 기법
직접 시퀀스 확산 스펙트럼 (DSSS)
차프 확산 스펙트럼 (CSS)
주파수 호핑 확산 스펙트럼 (FHSS)

MSK와 GMSK는 연속 위상 변조의 특수한 경우이다. MSK는 연속 위상 주파수 편이 변조(CPFSK)의 하위 계열 중 하나이며, 하나의 심볼 시간 동안 직사각형 주파수 펄스로 정의된다.

OFDM은 주파수 분할 다중화(FDM)를 기반으로 하지만, 다중화된 스트림은 모두 하나의 원래 스트림의 일부이다. OFDM은 다중화 기술이라기보다는 변조 기술로 간주된다. OFDM은 다중 사용자 채널 접속 방식으로 확장할 수 있다.

RF 전력 증폭기 중 스위칭 증폭기(D급 증폭기)는 선형 증폭기보다 비용이 저렴하고 배터리 소모량이 적지만, 각도 변조(FSK 또는 PSK) 및 CDMA와 같은 신호에서만 작동하고 QAM 및 OFDM에서는 작동하지 않는다.

4. 펄스 변조

펄스 변조는 펄스파를 변조하여 협대역 아날로그 신호를 2레벨 신호로 아날로그 기저대역 채널을 통해 전송하는 방식이다. 일부 펄스 변조 방식은 고정 비트율을 가진 디지털 신호(즉, 양자화된 이산 시간 신호)로 협대역 아날로그 신호를 전송할 수 있도록 한다. 이는 선 코드와 같은 기저 디지털 전송 시스템을 통해 전송될 수 있다. 이러한 방식들은 기존의 변조 방식(채널 부호화 방식)이 아니며, 소스 부호화 방식으로 간주되어야 하고, 경우에 따라 아날로그-디지털 변환 기술이기도 하다.

반송파가 직사각파인 방식을 통칭한다.^[1]

아날로그 정보를 표본화·양자화(A/D 변환)하여 인코딩(부호화)하는 것이 펄스 부호 변조(PCM)이다.^[1] 펄스 부호 변조 외에도 펄스의 진폭, 폭, 위상 등을 변조하는 방식이 있으며, 변화량이 연속적인 경우와 불연속적인 경우가 모두 있다.^[1]

펄스 부호 변조 (PCM, pulse-code modulation^영어)
펄스 폭 변조 (PWM, pulse-width modulation^영어)
펄스 진폭 변조 (PAM, pulse-amplitude modulation^영어)
펄스 위치 변조 (PPM, pulse-position modulation^영어)
펄스 밀도 변조 (PDM, pulse-density modulation^영어)

5. 기타 변조 기술

온-오프 키잉을 사용하여 무선 주파수에서 모스 부호를 전송하는 것을 연속파(CW) 동작이라고 한다.
적응 변조
공간 변조는 계기 착륙 장치와 같이 공역 내에서 신호를 변조하는 방법이다.
마이크로웨이브 청각 효과는 이해할 수 있는 말로 된 숫자를 유도하기 위해 오디오 파형으로 펄스 변조되었다.^[5]^[6]^[7]

6. 변조 방식의 응용

소프트웨어 정의 무선(Software-Defined Radio, SDR) 및 인지 무선(Cognitive Radio)에서 자동 디지털 변조 인식(Automatic Digital Modulation Recognition, ADMR)은 지능형 통신 시스템에서 가장 중요한 문제 중 하나이다. 지능형 수신기의 증가 추세에 따라 자동 변조 인식은 통신 시스템 및 컴퓨터 공학 분야에서 어려운 과제가 되고 있으며, 민간 및 군사 분야에서 다양한 응용 분야를 가지고 있다.^[4]

변조 방식의 블라인드 인식은 상용 시스템, 특히 소프트웨어 정의 무선(Software-Defined Radio, SDR)에서 중요한 문제이다. 일반적으로 이러한 시스템에서는 시스템 구성에 대한 추가 정보가 있지만, 지능형 수신기에서 블라인드 방식을 고려하면 정보 과부하를 줄이고 전송 성능을 향상시킬 수 있다. 전송 데이터에 대한 지식이 없고 수신기에서 신호 세기, 반송파 주파수 및 위상 오프셋, 타이밍 정보 등과 같은 많은 알 수 없는 매개변수가 있는 경우 변조의 블라인드 식별은 매우 어려워진다. 다중 경로 페이딩, 주파수 선택적 및 시간 변화 채널이 있는 실제 시나리오에서는 이러한 어려움이 더욱 커진다.^[4]

자동 변조 인식에는 가능도 기반 방법과 특징 추출 기반 방법, 두 가지 주요 방법이 있다.

모스 부호나 아날로그 전화 등에서는 신호를 단속시키거나, 음파를 그대로 전기 신호로 변환하여 통신을 한다(베이스밴드 전송).

하지만, 무선 음성 통신(라디오)에서 음성 신호를 무변조로 전파로 송신하는 것은 음성의 주파수가 너무 낮기 때문에 현실적이지 않다. 따라서 음성 신호를 일단 더 높은 주파수의 신호로 변환(변조)하여 송신하고, 수신측에서 다시 음성 신호로 되돌리는(복조) 방식으로 신호를 전송한다.

이는 20세기 초, 삼극관을 시작으로 하는 각종 증폭 작용을 가진 진공관의 발명에 의해 시작되어, 전자공학에 의해 실용적으로 가능해진 기술이다. 유선 통신에서도 같은 시기에 다중화에 의한 설비의 효율적 이용 등을 목적으로, 무선 통신과 마찬가지로 반송파를 변조하는 방식이 채용되었다. 또한 광통신은 빛을 변조함으로써 통신을 한다.

통신 이외에도, 특성이 비선형적인 아날로그 자기 기록 매체 등에서 고주파의 변조에 의해 기록하고 있다. 예를 들어 비디오테이프에서는 전후의 반송파에 주파수 변조로 NTSC를 기록하고 있다.

직교 변조: 여러 개의 독립적인 정보를 서로 간섭 없이 동시에 전송하기 위한 다중 변조 방식이다.
동기 방송: 동기화된 동일한 주파수를 송신하는 무선국을 여러 곳에 배치하여 넓은 서비스 지역을 확보하는 방법이다.

참조

_[1] 웹사이트 How does modulation work? Tait Radio Academy https://www.taitradi[...] 2024-06-17
_[2] 웹사이트 General Antennas: What antenna length do I need for which frequency? https://www.wimo.com[...] 2024-06-19
_[3] 웹사이트 Modulation Methods Electronics Basics ROHM https://www.rohm.com[...] 2020-05-15
_[4] 논문 Survey of automatic modulation classification techniques: classical approaches and new trends http://web.njit.edu/[...]
_[5] 서적 Auditory Effects of Microwave Radiation Springer 2021-08-20
_[6] 잡지 Microwaves and Behavior http://www.mitchelle[...] American Psychological Association 2021-10-05
_[7] 잡지 Microwaves and Behavior https://pubmed.ncbi.[...] American Psychological Association 2021-10-15

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