이전 페이지에서 우리는 캐리어의 진폭이나 주파수의 이산적 변화를 1과 0을 표현하는 방법으로 사용할 수 있다는 것을 보았습니다. 위상을 사용하여 디지털 데이터를 표현할 수도 있다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 이 기술을 위상 편이 키잉(PSK)이라고 합니다.
이진 위상 편이 키잉
가장 간단한 PSK 유형은 BPSK(바이너리 위상 편이 키잉)라고 하며, 여기서 "바이너리"는 두 개의 위상 오프셋(하나는 논리 하이용, 다른 하나는 논리 로우용)을 사용하는 것을 의미합니다.
우리는 이 두 위상 사이에 더 큰 분리가 있을 경우 시스템이 더 견고해질 것이라는 것을 직관적으로 알 수 있습니다. 물론 수신기가 위상 오프셋이 90°인 심볼과 위상 오프셋이 91°인 심볼을 구별하기 어려울 것입니다. 우리는 작업할 위상이 360°에 불과하므로 논리 하이와 논리 로우 위상 사이의 최대 차이는 180°입니다. 하지만 우리는 사인파를 180° 이동하는 것이 반전하는 것과 동일하다는 것을 알고 있습니다. 따라서 BPSK는 한 논리 상태에 대한 응답으로 캐리어를 반전하고 다른 논리 상태에 대한 응답으로 그대로 두는 것으로 생각할 수 있습니다.
이를 한 단계 더 발전시키자면, 사인파에 -1을 곱하는 것은 그것을 반전하는 것과 같다는 것을 알고 있습니다. 이는 다음의 기본 하드웨어 구성을 사용하여 BPSK를 구현할 수 있는 가능성을 가져옵니다.
그러나 이 방식은 캐리어 파형에서 높은 기울기의 전이를 쉽게 초래할 수 있습니다. 캐리어가 최대값에 있을 때 논리 상태 간의 전이가 발생하면 캐리어 전압은 최소 전압으로 빠르게 이동해야 합니다.
이러한 고경사 이벤트는 다른 RF 신호를 방해할 수 있는 더 높은 주파수 에너지를 생성하기 때문에 바람직하지 않습니다. 또한 증폭기는 출력 전압에서 고경사 변화를 생성하는 능력이 제한적입니다.
위의 구현을 두 가지 추가 기능으로 개선하면 심볼 간의 원활한 전환을 보장할 수 있습니다. 첫째, 디지털 비트 주기가 하나 이상의 완전한 캐리어 주기와 동일하도록 해야 합니다. 둘째, 디지털 전환을 캐리어 파형과 동기화해야 합니다. 이러한 개선을 통해 캐리어 신호가 제로 크로싱에 있을 때(또는 매우 가까이 있을 때) 180° 위상 변화가 발생하도록 시스템을 설계할 수 있습니다.
한국어:
BPSK는 심볼당 1비트를 전송하는데, 이는 지금까지 우리가 익숙했던 방식입니다. 디지털 변조와 관련하여 논의한 모든 내용은 캐리어 신호가 디지털 전압이 논리 로우인지 논리 하이인지에 따라 수정되고 수신기는 각 심볼을 0 또는 1로 해석하여 디지털 데이터를 구성한다고 가정했습니다.
직교 위상 편이 변조(QPSK)에 대해 논의하기 전에 다음과 같은 중요한 개념을 소개해야 합니다. 하나의 심볼이 하나의 비트만 전송할 수 있는 이유는 없습니다. 디지털 전자의 세계는 전압이 한쪽 극단 또는 다른 극단에 있는 회로를 중심으로 구축되어 전압이 항상 하나의 디지털 비트를 나타내는 것은 사실입니다. 하지만 RF는 디지털이 아닙니다. 오히려 우리는 아날로그 파형을 사용하여 디지털 데이터를 전송하고 있으며, 아날로그 파형이 인코딩되고 하나의 심볼이 두 개(또는 그 이상)의 비트를 나타낼 수 있는 방식으로 해석되는 시스템을 설계하는 것은 완벽하게 허용됩니다.
QPSK는 한 심볼이 두 비트의 데이터를 전송할 수 있도록 하는 변조 방식입니다. 가능한 2비트 숫자는 네 가지(00, 01, 10, 11)이며, 따라서 네 가지 위상 오프셋이 필요합니다. 다시 말하지만, 위상 옵션 간의 최대 분리가 필요한데, 이 경우 90°입니다.
장점은 더 높은 데이터 전송 속도입니다. 동일한 심볼 기간을 유지하면 데이터가 송신기에서 수신기로 이동하는 속도를 두 배로 높일 수 있습니다. 단점은 시스템 복잡성입니다. (QPSK는 가능한 위상 값 사이의 분리가 적기 때문에 BPSK보다 비트 오류에 훨씬 더 취약하다고 생각할 수도 있습니다. 이는 타당한 가정이지만 수학을 살펴보면 오류 확률이 실제로 매우 비슷하다는 것이 밝혀졌습니다.)
변형
QPSK는 전반적으로 효과적인 변조 방식입니다. 하지만 개선할 수 있습니다.
위상 점프
표준 QPSK는 높은 기울기의 심볼 간 변환이 발생하도록 보장합니다. 위상 도약이 ±90°일 수 있기 때문에 BPSK 변조로 인해 발생하는 180° 위상 도약에 대해 설명된 접근 방식을 사용할 수 없습니다.
이 문제는 두 가지 QPSK 변형 중 하나를 사용하여 완화할 수 있습니다. 변조 프로세스에 사용된 두 개의 디지털 데이터 스트림 중 하나에 지연을 추가하는 오프셋 QPSK는 최대 위상 점프를 90°로 줄입니다. 또 다른 옵션은 최대 위상 점프를 135°로 줄이는 π/4-QPSK입니다. 따라서 오프셋 QPSK는 위상 불연속성을 줄이는 측면에서 우수하지만 π/4-QPSK는 차등 인코딩(다음 하위 섹션에서 논의)과 호환되기 때문에 유리합니다.
심볼 간 불연속성을 처리하는 또 다른 방법은 심볼 간에 더 부드러운 전환을 만드는 추가 신호 처리를 구현하는 것입니다. 이 접근 방식은 최소 편이 키잉(MSK)이라는 변조 방식에 통합되어 있으며, 가우시안 MSK라고 알려진 MSK에 대한 개선 사항도 있습니다.
차등 인코딩
또 다른 어려움은 PSK 파형을 사용한 복조가 FSK 파형을 사용한 복조보다 더 어렵다는 것입니다. 주파수는 주파수 변화가 항상 시간에 대한 신호 변화를 분석하여 해석될 수 있다는 의미에서 "절대적"입니다. 그러나 위상은 보편적인 기준이 없다는 의미에서 상대적입니다. 송신기는 시간 지점을 기준으로 위상 변화를 생성하고 수신기는 별도의 시간 지점을 기준으로 위상 변화를 해석할 수 있습니다.
이것의 실제적 표현은 다음과 같습니다. 변조 및 복조에 사용된 발진기의 위상(또는 주파수) 사이에 차이가 있는 경우 PSK는 신뢰할 수 없게 됩니다. 그리고 우리는 위상 차이가 있을 것이라고 가정해야 합니다(수신기에 캐리어 복구 회로가 통합되어 있지 않는 한).
차등 QPSK(DQPSK)는 비코히어런트 수신기(즉, 복조 발진기와 변조 발진기를 동기화하지 않는 수신기)와 호환되는 변형입니다. 차등 QPSK는 이전 심볼에 대해 특정 위상 편이를 생성하여 데이터를 인코딩합니다 . 이런 방식으로 이전 심볼의 위상을 사용함으로써 복조 회로는 수신기와 송신기에 공통인 레퍼런스를 사용하여 심볼의 위상을 분석합니다.
요약
- 이진 위상 편이 변조는 기호당 하나의 비트를 전송할 수 있는 간단한 변조 방식입니다.
- 구적위상 편이 방식은 더 복잡하지만 데이터 전송속도가 두 배입니다(또는 절반의 대역폭으로 동일한 데이터 전송속도를 달성합니다).
- 오프셋 QPSK, π/4-QPSK 및 최소 편이 변조는 높은 기울기의 심볼 간 전압 변화의 영향을 완화하는 변조 방식입니다.
- 차등 QPSK는 송신기와 수신기 사이의 위상 동기화가 부족하여 발생하는 문제를 피하기 위해 인접한 심볼 간의 위상 차이를 사용합니다.