변조방식 - 디지털 to 아날로그 (ASK, FSK, PSK)

Shift Keying의 개요
디지털 신호를 전송하기 위해 아날로그 변조 원리를 그대로 이용한다. 1과 0의 이분법식 단순 신호를 효율적으로 변조하는 것이 주목적으로 아날로그식 파형 변환을 그대로 이용하는 디지털 데이터 변조 방법은 크게 3가지가 있다. 

• ASK (진폭 편이 변조, Amplitude Shift Keying)
• FSK (주파수 편이 변조, Frequency Shift Keying)
• PSK (위상 편이 변조, Phase Shift Keying) 

Shift Keying은 모스부호장치 (전건)을 영어로 Key라하고, 모스부호 장치를 누르는 동작을  Shift Keying이라고 하는 것에 유래하여 Modulation과 동일한 의미로 사용된다.

편이 변조의 세부적인 방식은 다음과 같다.

ASK	FSK	PSK	QAM
	MSK	QPSK	16QAM
	GMSK	8PSK	64QAM
	GFSK	DPSK	128QAM
			256QAM

오른쪽으로 갈수록 고속 전송이 가능하고, 왼쪽으로 갈수록 저렴하다.

ASK 
디지털 클럭이 1일때는 높은 진폭을 디지털 클럭이 0일때는 낮은 진폭을 보내는 AM 디지털 전송 방식이다. 진폭에 정보가 담겨있기 때문에 감쇄에 의한 영향을 많이 받아 장거리 및 대용량 전송에 적합하지 않다. ASK는 구조와 원리가 가장 간단하지만, 전압을 조정하는 방식이라 상대적으로 잡음의 영향을 많이 받는다. 

극단적인 ASK 방식은 디지털 클럭이 0일 때는 신호를 보내는 형식의 On-Off Keying이다. 

ASK는 지능형 교통 시스템 (ITS, Intelligent Transportation System)에서 전용 근거리 통신 (DSRC, Dedicated Short Range Communication)을 이용하는 하이패스에 사용된다.

• 자동 요금 징수와 같이 차량과 도로측 간의 근거리 통신
• 초장기에는 ASK 였지만 지금은 PSK 계열로 통신
• 자동차에 탑재된 OBU (On Board Unit)과 도로변에 있는 RSU (Road Side Unit) 사이의 통신

FSK
디지털 클럭이 0일때는 낮은 주파수를 1일때는 높은 주파수를 보내는 FM 디지털 전송 방식이다. 주파수에 정보를 담기 때문에 전송로 상태에 강하다. 전송선로에서 감쇄,왜곡,누화, 간섭은 발생하지만, 어떤경우에도 주파수 변화는 없고, 예외적으로 송수신기가 모두 움직일 때 도플러 효과가 유일하다. 따라서, 전송로 상태가 열악한 댁내 통신이나 홈네트워크 계열에서 많이 쓰인다. 

위의 그림과 같이 FSK는 불연속 부분이 생김으로 순간적으로 대역폭이 넓어지는 단점이 있다. 대용량 통신에는 사용이 불가능하고 1M 이하의 저속 통신에 사용한다.  고속 통신을 원할 경우에는 M진 FSK를 사용 가능하지만, 거의 사용하지 않는다. 4진 FSK는 4가지 종류의 주파수를 사용하는 것으로 00(f₁), 01(f₂), 10(f₃), 11(f₄)와 같이 한번에 두 비트의 정보를 전송하는 것이다. 

  

FSK는 블루투스 등의 홈네트워크 분야와 해양항만 컨테이너 관리분야에 활용된다.

FSK의 단점인 불연속 부분 제거를 위한 많은 연구가 진행되고 있고 대표적으로 CPFSK가 있다.

• CPFSK (Continuous Phase Frequency Shift Keying)
  FSK의 불연속 부분을 제거하기 위해 제안되었다. FSK는  두 개의 발진기를 사용하기 때문에 발생하므로 한 개의 발진기를 이용하여 위상이 연속적으로 사용한다. 이런 기술로 블루투스가 가능하다.  
  
  
  
  실험결과  h= 0.5 일때 최소대역을 얻는 것으로 밝혀져 h=0.5인 CPFSK를 MSK (Minimum Shift Keying)라고 한다.
  
  MSK에 대해 자세히 살펴보면,
  t=Td라 가정하면,  2진 부호가 0일 때 d=-1이므로 -hㅠ 만큼 감소하고, 1일 때 d=1이므로 hㅠ 만큼 증가합니다. 수신시 검파된 심볼이 겹쳐지지 않도록 하기위한 최소 주파수 간격은 f2-f1 = 1/2Tb이므로 최소 주차수 편이비 f=0.5가된다. 
  
   
• GMSK (Gaussian MSK)
  입력되는 디지털 데이타에 가우시안 필터를 적용하여 Shaping 시킨 후에 MSK 변조를 하면 SIdelobe의 전력이 줄어드는 대신 Mainlobe의 전력이 올라가서 상대적인 저전력 통신을 수행할 수 있다. 
  
  따라서, 저출력을 이용한 블루투스 및 Zigbee 에서 활용된다.
  
  
  
• GFSK (Gaussian FSK)
  협대역 특성은 필요없고, 저전력 통신만을 원할때 사용한다.

PSK
반송파의 위상을 각각 다르게 하여 디지털 데이타를 전송하는 방식이다. M진 PSK의 M은 2^n을 의미하여 (M=2^n) 1회 변조시 전송되는 비트 수이다.  M진 PSK는 2진, 4진, 8진 PSK 등이 있다. PSK는 일정한 진폭을 유지하므로 전송로에 의한 레벨 변동 및 심벌 에러에 강하고, 변복조회로가 단순하다

PSK의 적용분야는 이동통신과 위성통신이며, PSK의 종류에 대해 살펴본다.

• BPSK (Binary Phase Shift Keying)
  디지털 신호 0,1에 따라 2 종류의 위상을 갖는 변조 방식이다. 2진 정보를 전달하는 BPSK는 FSK 보다 빠르다. 
  
  
  위의 그림에서와 같이 디지털 신호가 1일 때 S(t)=Acoswt 신호를 전송하면, 디지털 신호가 0일때 위상차이를 180도를 주어 S(t)=Acos(wt+ㅠ) 신호를 전송한다. 여기서 w는 반송파 주파수이다. 
  
  BPSK에 대한 복조는 동기 검파(Synchronous Detection)를 이용한다. 동기 검파는 변조된 수신파로 부터 위상이 변화하지 않는 기준 반송파를 만들어 이 것을 기준으로 하여 변조파의 위상을 검출하는 방법이다. 동기 검파는 지연 검파와 비교시 기준 반송파의 재생이 필요하므로 회로 구성이 약간 복잡하게 되지만 기준 반송파에 수신되는 잡음 성분을 포함하지 않으므로 오류율 특성이 매우 좋다. 
  
  
  
  
• QPSK
  BPSK는 한 번에 1 비트를 처리하지만, QPSK는 2개의 비트를 처리한다. 
  
  위의 블럭 다이어그램에서 2개의 비트가 들어오면 직병렬 변환기에서 직렬 2 비트를 병렬로 1개씩 나누어 처리하므로 속도가 빨라진다. 입력되는 파형은 I 채널 (In-Phase, 동상)과 Q 채널 (Quadrature, 직교)로 분리 되어 처리된다. I 채널과 Q채널은 90도의 위상차를 두어 직교성을 갖도록 한다.  
  
  
  
  
• OQPSK (Offset QPSK)
  주파수의 불연속성 (Discontinuity)은 순간적으로 대역폭을 넓어지게 하여 전력소모를 증가시킨다. QPSK는 180도 반전으로 불연속이 발생할 수 있으므로 이를 없애기 위해  OQPSK가 사용된다.OQPSK는 90도 반전만 있으므로 전력소모를  줄일 수 있어서 휴대폰에서 사용된다. 
  
  
  
  
  위의 그림보다 더욱 부드러운 파형을 만들어서 협대역 파형하기 위해 Sine Filter (싸인 필터)를 적용할 수 있다. 싸인 필터가 적용된 Sine Filtered OQPSK라 하고 MSK라 한다. 여기서 MSK는 FSK의 MSK와 다르므로 구분이 필요하다.
    - FSK 계열의 MSK는 주로 홈네트워크 분야에서 사용
    - PSK 게열의 MSK는 주로 이동통신 분야에서 사용용
  Sine Filtered OPSK는 PSK 계열에서 가장 협대역 특성을 보이지만 실제 이동통신은 정해진 대역이 존재하므로 실제로 사용되는 곳은 없다.  
  
  
  
  
• DPSK (Differential  PSK)
  ASK, FSK는 비동기식이고, PSK는 동기식이이다. 그러나, DPSK는 비동기식이다. ASK와 FSK도 비동기식이다. 

BPSK와 QPSK의 비교
BPSK는 한 번의 변조로 1 비트를 전송하고, QPSK는 한 번의 변조로 2 비트를 전송한다. QPSK는 속도가 BPSK에 비해 2배 빠르므로 절반의 대역폭으로도 충분하다. 오류 발생확률은 BPSK에 비해 루트 2배로 늘어든다. 따라서, 오류발생 확률 증가분보다 속도 증가분이 더 크므로 사용한다. 

참조자료

http://jungbomadang.pe.kr/100015179284