Digital Signal Encoding Techniques

 

 

 

 

1. Background Knowledge - Wireless Communications System

 

다음은 간단하게 요약된 무선통신 시스템의 모습이다.

무선통신 시스템은 크게 4가지 단계를 거친다.

1. Source Coding: 정보 압축단계

2. Channel Coding: 에러 검출 및 수정

3. Modulation: 변조과정

4. Transmitter: 전송

 

[공기를 통해 RF통신(이건 아날로그)]

 

1. Receiver: 송신

2. Demodulation: 복조

3. Channel Decoding: 에러 검증 및 정정

4. Source Decoding: 압축을 푸는 과정

 

본 글에서는 Modulation을 다룰 예정이다.

 

2. Digital Signal Encoding Techniques

 

이 부분에서는 주로 Modulation(Shift Keying)에 대해서 다룸

 

Modulation이란?

 

 

 

Modulation(변조) : 기존의 데이터에 Carrier를 곱해 저주파의 데이터를 고주파로 올려줌

Modulation을 하는 이유: 일상의 대부분 데이터는 저주파에 몰려있다. 그리고 저주파는 멀리 전송하기 어렵기 때문에 이를 고주파로 만들어 줄 필요가 있다. 그 외의 이유들도 한번에 정리하자면 다음과 같다.

- 신호를 멀리 보낼 수 있다.

- 멀티플렉싱이 가능하다.

- 작은 안테나를 사용할 수 있다.

- 여러 캐리어 신호들이 동시에 전송될 수 있다.

- Digital 또는 Analog로 바꿀 필요가 있다.

 

변환 과정에 따른 Encoding Techniques

또한 어떤 신호를 반송하느냐에 따라서 칭하는 지칭 및 사용하는 변조 방법이 다르다.

무선통신에서는 주로 Digital Data에서 Analog Data로 변환하며, 이는 Modem을 통해 진행된다. 또한 대표적인 변조 방법은 ASK, FSK, 그리고 QAM이 있다. 자세한 이야기는 뒤에서 다룬다.

첨언하자면 Digital Data에서 Analog Data로 변환하는 이유는 안테나에서 전송할 때는 무조건 아날로그 데이터로 전송해야 하기 때문이다.

 

 

Signal Modulation

 

 

개념: 신호에 carrier(반송파)를 이용해 기존 데이터를 modulate(변조)한다.

이때 digital 형태로 진행되는거는 'Shift Keying'이라고 하며, 대표적인 예는 위에서도 언급됐듯이 ASK, FSK, PSK, QAM이 있다.

(+ 곱하기의 개념으로 생각하면 편하다고 하셨다)

 

순서대로 Carrier, 원본 sin wave, AM, PM, FM 변조 결과

 

Signal Encoding Criteria

 

논점: 송신된 신호에 대해서 잘 수신되었는가?

- 비례 / 반비례 관계⭐⭐⭐⭐

• Signal-To-Noise(SNR) ratio: 시그널 대비 노이즈의 비율
  
  • SNR <-> bit error rate(BER) 반비례관계
• Data rate: 데이터 전송 속도. 보통 1초에 얼마나 보낼 수 있는지를 이야기함
  • data rate <-> bit error rate(BER) 비례관계
• Bandwidth: 특정한 기능을 수행할 수 있는 주파수의 범위
  • 변조된 반송파가 차지하는 주파수 범대역폭

Bit rate & Baud rate 계산⭐⭐⭐⭐⭐⭐

Bit rate: 컴퓨터가 특정 시간동안 처리할 수 있는 비트수

Baud rate: 초당 얼마나 많은 symbol을 보낼 수 있는가, Baud rate * Bits Per Signal

 

ex) 주의: Bits Per Signal은 그때그때 다른 개념

analog signal: 4bit in each signal unit, 그리고 1000 signal/sec 가정하면
-> baud rate: 1000, bit rate: 4000bps

QPSK: 2bit in each data, 10,000 symbols/sec

-> baud rate: 10,000, bit rate: 20,000bps

16QAM: 4bit in each data, 10,000 symbols/sec

-> baud rate: 10,000, bit rate: 40,000bps

 

 

 

Signal Encoding Techniques

 

Digital data -> Analog signal

• Amplitude-shift keying (ASK): Amplitude(진폭) difference of carrier frequency
  • 1일때 carrier 존재, 0일때는 아무것도 없음
  • 단점: 진폭 기반이기 때문에 갑작스런 변화에 영향을 많이 받음
  • 현재 사용하기에는 어려움이 있으며, 광통신하는데 사용
• Frequency-shift keying (FSK): Frequency(진동수) difference near carrier frequency
  • 주파수 2개를 사용해 1과 0을 치환함
  • ASK보다는 에러감당이 가능
  • BFSK, MFSK

• Phase-shift keying (PSK): Phase of carrier signal shifted
  • 0 <-> 1 사이 바뀔 때마다 위상이 바뀜

 

각각 기법에 따라 변조한 결과

 

 

PSK(Phase-Shift Keying)의 종류

 

PSK가 가장 효율적이라 실제로도 많이 쓰이고, 가장 중요하다.

• Differential Phase-shift keying(DPSK): 0 <-> 1이 바뀔 때가 아니라, 매번 1일때마다 위상이 바뀜

 

• Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK): 위상을 4개로 나누어 쪼개서 modulation 진행
  • 이렇게 하는 이유?: 더 많은 정보량을 보내려고
  • 아무래도 BPSK에 비해서는 더 효율적이다

 

 

Quadrature Amplitude Modulation(QAM)

현재 라디오에서 가장 많이 쓰이는 modulation technique

 

그래서 이걸 얼마나 쪼개느냐에 따라 8-QAM, 16-QAM 등등으로 나뉨

 

각각 8QAM, 16QAM

 

 

Bit Error Rate(BER)

 

BER: Bit error가 발생할 수 있는 확률

위의 내용을 다시 복기해보면

• (b)에서 16QAM이 훨씬 더 BER 확률이 높음.
  • 당연한게, MPSK에서 더 M의 값이 올라갈 수록 data의 전송량이 늘어나기 때문에, 당연히 error trade off가 발생
• MFSK는 질문 예정