진폭 변조 (AM)의 개요
진폭 변조는 전파의 진폭을 변화시키는 방법으로 장거리 단파방송이나 TV 화면 부분에 이용된다.진폭변조는 송신하고자 하는 정보 (변조신호)를 반송파의 진폭을 변화시켜 전송한다. 일반적으로 AM이라 함은 DSB-LC를 지칭한다.
진폭 변조는 어느 측파대를 전송하느냐에 따라 다음의 방식이 있다.
- 양측파대 (DSB, Double Side Band)
상측파대와 하측파대를 모두 전송하는 방식이다. 반송파를 동시 전송 유무에 따라 나뉜다.
- DSB-SC (Suppressed Carrier): 억압 반송파, 이름 그대로 반송파를 전송하지 않음
- DSB-LC (Large Carrier) : 큰 반송파, 이름 그대로 변조하지 않은 반송파를 함께 전송
SSB나 VSB에 비하여 점유 주파수 대역폭이 넚어져 전력소비가 커지는 단점이 있지만, 수신기 구조가 간단한 장점이 있다. - 단측파대 (SSB, Single Side Band)
불요한 한측파대를 제거하고 한측파대만 전송하는 방식이다. 한측파대를 제거하기 위해 필터를 이용한 방식과 위상변환기를 사용하는 방식이 있다.
DSB에 비해 주파수 대역폭이 좁아져 송신기 전력 소비가 낮은 장점이 있지만, 수신기의 구조가 복잡하다는 단점이 있다. - 잔류측파대 (VSB, Vestigial Side Band)
한측파대의 대부분과 다른쪽 측파대의 일부를 함께 전송하는 방식이다.
DSB와 SSB의 장점만을 취한 것이다.
진폭 변조의 다양한 방식을 살펴본다.
DSB-SC 방식
DSB-SC는 진폭변조를 통한 양측파대를 모두 전송하는 방식이다. 아래 그림과 같은 정현파 Sc(t)를 반송파로 하고, 정보신호 m(t)를 변조하여 생성된 피변조파 Sm(t)를 만드는 DSB-SC 변조기의 구성이다.
정보 신호 m(t)의 시간축 상 파형과 주파수 스펙트럼이 아래그림과 같다고 가정하면, 반송파에 의해 진폭변조된 신호 Sm(t)와 Sm(f)를 확인할 수 있다.
복조과정은 DSC-SC 로 진폭변조된 신호를 송신기와 같은 반송파를 이용하여 곱한 뒤 LPF (Low Pass Filter)를 통과시켜서 원 신호를 복원한다. 복조기는 아래 그림과 같다.
위의 신호를 LPF로 통과시켜 고주파 성분은 제거하면 기저대역 신호인 M(f)/2만 걸러진다. 복조된 신호의 크기가 절반으로 줄어들지만 신호의 성질에 영향을 주는 것이 아니므로 문제가 되지 않는다. 그러나 원신호로 복원을 원한다면, 반송파를 곱할 때 2 배로 하거나 증폭기를 이용하여 조절할 수 있다.
복조를 위한 동기검파
위의 복조 과정에서 처럼 수신기에서 송신기와 동일한 반송파를 생성하여 수신 신호에서 반송파의 위상을 추출하여 복조하는 방식을 동기검파라 하고, 동일한 반송파를 발생시키기 위해서는 국부발진기(Local Oscillator)가 필요하다. 국부발진기로 인해 회로의 복잡도가 증가하고 가격을 상승시킨다.
지금까지 DSB-SC 수신기의 국부 발진기와 반송파가 동기화 된 것을 가정하고 동기 검파를 진행하였지만, 만일 동기화되지 않을 때의 문제점을 고려해 볼 수 있다.
- 주파수 오차는 없고 위상 오차만 있을 경우
위상 오차에 따라 출력크기가 작아지고, 위상 오차가 90도에 근접하면 출력신호는 거의 없어진다. 보통 의 문선환경에서는 위성 오차가 전파 경로차에 의해 시시각 변하기 때문에 문제가 될 수 있다.
- 위상오차는 없고 주파수 오차만 있을 경우
출력의 크기가 일정 주파수로 변화게 되므로 마치 수신기 볼륨을 최저에서 최대까지 주파수로 조작하는 것과 같은 효과임
정확한 동기 검파를 위해 국부 발진기 및 복잡한 동기회로가 수신기에 구현되어야 하는 단점을 해결하기 위한 방식이 DSB-LC 방식이다.
DSB-LC 방식 (DSB-TC)
DSB-LC는 수신단에서 반송파 복구를 쉽게 하기 위하여 변조되지 않은 반송파 신호를 함께 보내는 방식이다. 보통 AM이라고 하면 DSB-LC 방식을 의미하며, 반송파를 함께 전송하므로 DSB-TC (Transmitted Carrier)라고도 한다.
아래는 DSB-LC 변조기의 구성도이다. DSB-SC 방식에 원 반송파 신호도 함께 합성하여 전송신호 Sm(t)를 만든다.
반송파를 푸리에 변환하면 위와 같으며, 기저 대역 신호화 DSB-LC로 변조된 신호의 주파수 스펙트럼은 아래와 같다.
변조지수
DSB-LC는 신호파에 직류 성분을 더해서 DSB-SC 변조한 것이므로 수신단에서는 DSB-SC 방식과 마찬가지로 동기 검파기를 사용하여 복조할 수 있다.
비동기 검파
포락선 검파와 같이 반송파 복구를 필요로 하지 않는 검파방식을 비동기 검파 (NonCoherent Detection)이라고 한다. 입력신호의 포락선을 찾아내는 회로는 아래 그림과 같이 다이오드, 저항, 캐패시터를 사용하여 쉽게 구현할 수 있다. RC 시정수 값을 적당하게 선택해야만 올바른 포락선을 검출할 수 있다.
SSB 변조 - 필터를 이용한 변조기 구성
SSB 변조는 반송파에 의해 주파수 천이된 양측파대 중 한 측파대만을 전송하는 방식으로 대역 통과 필터 를 사용하는 방식과 위상 변환기를 사용하는 방식이 있다.
대역통과필터 (BPF, Band-Pass Filter)는 수신기에서 특정 범위의 주파수에 존재하는 신호는 통과시키고 이 범위를 벗어난 신호는 제거하는 회로이다.
대역통과필터를 이용한 SSB 변조기의 회로도는 다음과 같다.
전송에 사용되는 한측파대 반송파보다 높은 주파수 대역에 있는 것을 USB(Upper Side Band)라 하고, 반송파보다 낮은 주파수 대역에 있는 것을 LSB (Lower Side Band)라 한다.
대역통과 필터를 이용한 방식은 반송파 부근에서 매우 빠른 감쇄 특성을 가진 필터를 필요로 하지만, 실제로 구현하는 것은 불가능하다. 따라서 저주파 성분이 아주 적은 음성에 한해 전송을 하고 저주파 성분을 많이 포함하고 있는 신호파를 SSB로 변조할 경우에는 위상변환기 방식을 사용한다.
SSB 변조 - 위상변환기를 이용한 변조기 구성
위상 변환기 (Phase Shifter)를 이용하는 SSB변조기는 아래 그림과 같다.
위상변환기는 아래그림과 같이 -2/ㅠ 만큼 각변환시키는 Hilbert 변환을 담당한다.
따라서 위상변환기에 의한 스펙트럼 변화는 다음 그림과 같다
이런 원리를 이용하여 위상변환기를 통해 SSB 변조된 신호의 스펙트럼은 아래 그림과 같다
복조기 구성은 다음과 같으며, DSB-SC 복조와 마찬가지로 동기 검파 방식을 이용한다.
동기 검파 과정에 대한 수식과 스펙트럼 신호로 표현하면 아래와 같다.
DSB-SC 방식과 마찬가지로 변조 반송파의 복조 반송파의 주파수 및 위상이 정확히 맞아야 한다. 또한, 사람의 귀는 신호의 크기에는 민감하지만 위상에는 상대적으로 둔감하므로 LPF 통과시 생기는 잡음은 SSB 방식에서 큰 영향을 미치지 않지만, 사람의 눈은 신호의 크기보다 위상에 더 민감하기 때문에 영상 신호의 전송에 SSB 방식을 사용하는 것은 한계가 있다.
VSB 변조
VSB 변조는 SSB와 DSB-LC를 절충한 방식으로 양측파대 중 원하지 않는 측파대를 완전히 제거하지 않고 일부를 잔류시켜서 원하는 측파대와 함께 전송한다. 원하지 않는 측파대를 완벽히 제거하는 것이 아니므로 필터 설계조건이 까다롭지 않다. 원하는 측파대도 완전한 모양 그대로 전송하는 것이 아니라 반송파 근처의 주파수 성분은 감쇄시켜서 전송한다.
VSB 변조기 구성과 변조 신호는 다음과 같다.
기저대역 신호를 DSB로 만든 다음 잔류측파대 필터에 통과 시키면 위의 변조 신호의 스펙트럼을 얻을 수 있다.
복조기 구성과 신호는 다음과 같으며 동기 검파 방식을 사용한다.
VSB는 동기 검파 방식을 사용한다.
잔류측파대 필터 (VSB Filter)는 텔레비젼 방송의 영상 신호를 전송하기 위한 고대역 통과 필터이다. 반송파 fc를 영상 신호 0 ~4 MHz 로 진폭변조하면 fc 중심으로 8MHz의 대역폭을 점유하지만, 상측파대와 하측파대 신호 내용이 같기 때문에 대역폭을 절약하기 위해 하측파대의 1.25MHz 폭을 잔류시키고 불필요한 대역을 제거하는 특성을 지닌 필터이다.
아날로그 TV는 잔류 측파대 필터를 이용하여 아래 그림처럼 6MHz 대역폭을 가진다.
현재 북미 및 우리나라 HDTV는 VSB를 발전시킨 8-VSB 방식을 사용하며, 8-VSB를 개선하여 HDTV 이동 수신까지 가능하게 하는 E-VSB 방식도 있다.
DSB-SC와 DSB-LC의 비교 구분 DSB-SC DSB-LC 반송파 전송 없음 있음 변조기 구성 송신단 전력 소모 반송파를 전송하지 않아 전력소모 적음 반송파 동시 전송으로 전력소모 많음 검파 방식 동기 검파 포락선 검파 등의 비동기 검파 방식 수신단 복잡도 발진기와 동기회로 필요하므로 복잡 반송파 추출이 필요없으므로 단순 사용처 주로 일대일 통신 AM 방송과 같은 일대다 통신
지금까지 비교한 DSB-SC 와 DSB-LC를 비교해 보자
AM의 DSB,SSB,VSB 변조 방식 비교
지금까지 설명한 AM의 각각의 변조 방식을 비교해 보자
구분 DSB SSB VSB DSB-SC DSB-LC 반송파 전송 없음 있음 없음 없음 점유 주파수 대역폭 2B 2B B B <Bvsb < 2B 송수신기 구성 수신기 복잡 송신기 복잡 매우복잡 검파방법 동기 검파 비동기 검파 동기검파 동기검파 사용분야 일대일 통신 일대다통신 HAM TV
(신호파 대역 B)
전력소모 많음
DSB는 간단하게 구현할 수 있지만 주파수 이용 효율이 낮으며, SSB는 주파수 이용 효율은 좋지만 저주파 신호 성분을 많이 포함한 신호나 광대역 신호에 적용하기 어렵다. VSB는 DSB와 SSB의 장점을 취한 변조방식으로 적절한 주파수 이요 효율 특성을 가지며 TV와 같은 광대역 신호를 전송할 수 있다. VSB는 현재 8-VSB 형태로 HDTV 전송에 사용되고 있으며, HDTV 이동수신을 가능하게 하는 E-VSB로 진화하였다.
참조자료
http://blog.naver.com/jhongban?Redirect=Log&logNo=100042604717
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