[RF 기초] 아날로그 변조 및 디지털 변조

이 글은 RF기초를 다지기 위해서 기본적인 아날로그와 디지털 변조에 대한 내용을 다룹니다. 

1. 변조와 아날로그 변조

변조는 정보 저장 및 데이터 전송을 위해서  정보를 전기적 신호로 변환하는 것을 의미합니다. 이는 낮은 주파수 메시지 신호를 높은 주파수 반송파(Carrier) 신호로 변경하는 Modulator의 하나의 프로세스입니다. 만약 반송파가 아래의 공식과 같이 표현이 된다면 메시지 신호의 변화는 캐리어의 진폭, 주파수 또는 위상 중 하나에 대응하는 변화를 나타낼 것입니다. 원하는 정보에 따라 반송파 신호는 신호에 대한 진폭, 주파수, 위상을 변경하여 변조된 신호를 얻게 됩니다. 

 

그러면 트랜스미터는 메시지 신호를 혼자 전송하는 것보다 효율적으로 통신 매체를 통해서 캐리어 신호를 전송합니다. 신호가 전송되면, 신호 수신단은 신호를 복조하고 기본 메시지로 변환합니다. 변조를 수행하는 장치를 변조기(modulator)라고 하며 이 반대의 과정을 수행하는 장치를 복조기(demodulator)라고 부르게 됩니다. 

 

진폭 변조(AM)에서는 캐리어 신호의 진폭 변화는 메시지의 크기에 기초하여 계산됩니다. 시간에 따라서 변하는 진폭에 의해 메시지 신호는 캐리어의 위에 올라타게 됩니다. 그러나 캐리어 주파수는 메시지의 주파수보다 더 빠릅니다. 주파수 할당은 통신 매체에 따라 달라지게 됩니다. 신호가 공기를 통해서 전송이 되는 브로드캐스트의 경우 주파수 할당은 정부가 담당합니다. 케이블 TV와 같이 만약 RF 신호가 유선으로 전송되면, 캐리어를 선택하는데 있는 훨씬 자유롭게 선택이 가능합니다. 진폭 변조는 라디오 방송을 위해 사용되었으며, 현재까지도 사용을 하고 있습니다. 

주파수 변조(FM)는 메시지 신호의 진폭에 기초로 하여 정현파 캐리어의 주파수를 변경시킵니다. 일정한 진폭의 연속에 따라 주파수를 변경시키는 방식입니다. 위상 변조(PM)는 메시지의 진폭의 변화에 따라 캐리어의 위상을 변경합니다. 

2. 디지털 변조

디지털 변조는 아날로그 변조와 비슷합니다. 그러나 진폭, 주파수, 위상의 지속적인 변화 할 수 있는 것 보다, 디지털 코드와 연관되어 있는 이러한 특성에 대해 분리된 값들이 존재합니다. 디지털 변조에는 파라미터를 분리하는 방식이 서로 다른 몇 가지의 디지털 변조 방법이 있습니다. 

가장 간단한 방법인 On Off Keying(OOK)는 2개의 디지털 상태 중 하나와 캐래어의 진폭을 대응시킵니다. 가장 단순한 방식으로서 어떤 시간에 보내는 반송파의 존재는 바이너리1로 표시하고, 어떤 시간에 보내는 반송파의 부족(존재하지 않는 상태)은 바이너리0으로 표시하게 됩니다. OOK의 대표적인 예는 모스 부호를 들 수 있습니다. 

진폭 변이 변조(ASK)는 전송 데이터의 스트림에 대응하고, 반송파에 대한 진폭을 변화시켜 송신 데이터를 전송하는 방식입니다. 

아래 그림에서 보여주는 주파수 변위 변조(FSK)는 특정 주파수를 바이너리의 값으로 나타내는 주파수 변조의 한 방법입니다. 이는 가장 간단한 FSK 방법입니다. FSK는 최소 편이 변조와 오디오 FSK등으로 구현될 수도 있습니다. 

 

마지막으로 직교 진폭 변조(QAM)은 진폭과 위상의 결합을 사용합니다. QAM은 2개의 반송파를 사용하는데 이는 서로 90도 만큼 서로 직각 위상 상태입니다. 이 방식은 최대 1024의 상태를 나타낼 수 있어 2개의 디지털 상태보다 많은 표현이 가능합니다. QAM은 MPSK와 달리 위상 뿐만 아니라 크기도 변수로 사용하기 때문에 더욱 많은 양의 디지털 데이터를 동시에 전송할 수 있지만, 에러에 취약한 편입니다.

3. IQ 와 IF Modulator 

IQ는 정현파의 크기와 위상을 직교 좌표계로 대치하여 가로축을 I로 세로축을 Q로 잡아서 표현하는 방식입니다. 두개의 신호는 서로 90도의 위상차이가 납니다. 

베이스밴드 메시지 신호로부터 디지털 I / Q 데이터를 계산을 하가 위해서 신호를 아날로그 RF 신호로 변환하기 위한 2개의 함수가 존재합니다. 첫 번째 함수는 I와 Q의 데이터를 아날로그 신호에 넣기 위한 함수입니다. 데이터가 들어가면 이는 직교 엔코더에 전달이 됩니다. 90도의 위상차 동작을 위해 2개의 오실레이터가 진폭을 제어합니다. 이 오실레이터의 출력은 합쳐지고, 적절한 진폭, 위상, 주파수를 가진 RF 신호로 생성이 됩니다.  

또 다른 함수는 디지털 I와 Q의 데이터를 아날로그 RF로 변환하기 위해서 디지털 도메인에서 오실레이터를 스케일링 하고 합하기 위해 사용됩니다. 디지털 I/Q 데이터를 기반으로 스케일된 90도의 위상차를 가진 디지털 사인 곡선은 합쳐지게 됩니다. 이 디지털 사인 곡선들은 IQ 변조 방식의 아날로그 오실레이터의 주파수보다 낮고 베이스 밴드 신호보다는 높은 주파수를 가지고 있습니다. 

IQ 변조에서 사용된 DAC보다 높은 주파수로 처리되는 DAC는 디지털 웨이브폼 신호를 더 낮은 주파수를 가진 RF 신호로 변환합니다. 마지막으로 업컨버터를 통해서 기존의 IF 주파수는 원하는 RF 주파수로 변경하기 위해서 여러 단계를 거치게 됩니다. 

참고 : 관련있는 NI 하드웨어

• NI RF & 통신 플랫폼
• NI 5660 2.7 GHz RF 벡터 신호 분석기
• NI 5671 2.7 GHz RF 벡터 신호 생성기

이 글에서는 아날로그 변조와 디지털 변조에 대해서 간략히 살펴보았습니다. 

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