세 가지 유형의 RF 변조의 두드러진 특성을 이해하는 것이 중요합니다. 하지만 이 정보는 고립되어 존재하지 않습니다. 목표는 성능 목표를 효과적이고 효율적으로 충족하는 실제 시스템을 설계하는 것입니다. 따라서 특정 애플리케이션에 적합한 변조 방식에 대한 일반적인 아이디어가 필요합니다.
진폭 변조
진폭 변조는 구현 및 분석 측면에서 간단합니다. 또한 AM 파형은 복조하기가 매우 쉽습니다. 전반적으로 AM은 간단하고 저렴한 변조 방식으로 볼 수 있습니다. 그러나 평소와 같이 단순성과 낮은 비용은 성능 저하를 동반합니다. 더 쉽고 저렴한 솔루션이 최고라고 기대하지는 않습니다.
전 세계의 수많은 차량에 AM 수신기가 포함되어 있기 때문에 AM 시스템을 "희귀하다"고 설명하는 것은 정확하지 않을 수 있습니다. 그러나 아날로그 진폭 변조의 적용은 현재 매우 제한적입니다. AM에는 두 가지 중요한 단점이 있기 때문입니다.
AM 라디오 방송 외에도 아날로그 진폭 변조가 민간 항공에 사용됩니다.
진폭 잡음
잡음은 무선 통신 시스템에서 끊임없는 어려움입니다. 어떤 의미에서 RF 설계의 품질은 복조된 신호의 신호 대 잡음 비율로 요약할 수 있습니다. 수신 신호의 잡음이 적을수록 출력 품질이 더 높아집니다(아날로그 시스템의 경우) 또는 비트 오류가 줄어듭니다(디지털 시스템의 경우). 잡음은 항상 존재하며, 우리는 항상 그것을 시스템의 전반적인 성능에 대한 근본적인 위협으로 인식해야 합니다.
잡음(무작위 전기 잡음, 간섭, 전기 및 기계적 과도 현상)은 신호의 크기에 따라 작동합니다. 즉, 잡음은 진폭 변조를 생성할 수 있습니다. 잡음으로 인한 무작위 진폭 변조는 송신기가 수행한 의도적인 진폭 변조와 구별할 수 없기 때문에 이는 문제입니다. 잡음은 모든 RF 신호에 문제가 되지만 AM 시스템은 특히 취약합니다.
증폭기 선형성
RF 전력 증폭기 설계의 주요 과제 중 하나는 선형성입니다. (더 구체적으로 말하면, 높은 효율과 높은 선형성을 모두 달성하는 것은 어렵습니다.) 선형 증폭기는 입력 신호에 특정 고정 이득을 적용합니다. 그래픽 용어로 선형 증폭기의 전달 함수는 단순히 직선이며 기울기는 이득에 해당합니다.
직선은 완벽한 선형 증폭기의 응답을 나타냅니다. 출력 전압은 항상 입력 전압에 고정 이득을 곱한 값입니다.
실제 증폭기는 항상 어느 정도의 비선형성을 가지고 있는데, 이는 입력 신호에 적용되는 이득이 입력 신호의 특성에 영향을 받는다는 것을 의미합니다. 비선형 증폭의 결과는 왜곡, 즉 고조파 주파수에서 스펙트럼 에너지가 생성되는 것입니다.
비선형 증폭은 진폭 변조의 한 형태라고 말할 수도 있습니다. 증폭기의 이득이 입력 신호의 주파수나 온도 또는 전원 공급 조건과 같은 외부 요인에 따라 달라지면 전송된 신호는 의도하지 않은(그리고 바람직하지 않은) 진폭 변조를 겪고 있습니다. 이것은 AM 시스템에서 문제가 되는데, 스퓨리어스 진폭 변조가 의도적인 진폭 변조를 방해하기 때문입니다.
진폭 변화를 통합하는 모든 변조 방식은 비선형성의 영향을 더 많이 받습니다. 여기에는 일반적인 아날로그 진폭 변조와 QAM(quadrature amplitude modulation)으로 통칭되는 널리 사용되는 디지털 방식이 모두 포함됩니다.
각도 변조
주파수 및 위상 변조는 전송된 신호의 시간적 특성에 정보를 인코딩하므로 진폭 잡음 및 증폭기 비선형성에 강합니다. 신호의 주파수는 잡음이나 왜곡으로 인해 변경될 수 없습니다. 추가 주파수 콘텐츠를 추가할 수 있지만 원래 주파수는 여전히 존재합니다. 잡음은 물론 FM 및 PM 시스템에 부정적인 영향을 미치지만 잡음은 기저대역 데이터를 인코딩하는 데 사용된 신호 특성을 직접 손상시키지 않습니다.
위에서 언급했듯이, 전력 증폭기 설계는 효율성과 선형성 간의 균형을 포함합니다. 각도 변조는 저선형성 증폭기와 호환되며, 이러한 저선형성 증폭기는 전력 소비 측면에서 더 효율적입니다. 따라서 각도 변조는 저전력 RF 시스템에 적합한 선택입니다.
대역폭
진폭 변조의 주파수 영역 효과는 주파수 및 위상 변조의 효과보다 더 간단합니다. 이는 AM의 장점으로 간주될 수 있습니다. 변조된 신호가 차지하는 대역폭을 예측할 수 있는 것이 중요합니다.
그러나 FM과 PM의 스펙트럼 특성을 예측하는 어려움은 설계의 이론적 부분과 더 관련이 있습니다. 실제 고려 사항에 초점을 맞추면 각도 변조는 주어진 기저대역 대역폭을 다소 작은(AM에 비해) 전송 대역폭으로 변환할 수 있기 때문에 유리하다고 볼 수 있습니다.
주파수 대 위상
주파수 변조와 위상 변조는 밀접한 관련이 있지만, 어느 쪽이 더 나은 선택인 경우도 있습니다. 두 가지의 차이는 디지털 변조에서 더 두드러집니다.
아날로그 주파수 및 위상 변조
위상 변조 에 대한 페이지에서 보았듯이 , 기저대역 신호가 사인파일 때 PM 파형은 단순히 해당 FM 파형의 이동된 버전입니다. 따라서 스펙트럼 특성이나 잡음 감수성과 관련된 주요 FM 대 PM 장단점이 없다는 것은 놀라운 일이 아닙니다.
그러나 아날로그 FM은 아날로그 PM보다 훨씬 더 일반적이며, 그 이유는 FM 변조 및 복조 회로가 더 간단하기 때문입니다. 예를 들어, 주파수 변조는 인덕터와 전압 제어 커패시터(즉, 기저대역 신호의 전압에 따라 커패시턴스 변화를 경험하는 커패시터)를 중심으로 구축된 발진기만큼 간단한 것으로 달성할 수 있습니다.
디지털 주파수 및 위상 변조
PM과 FM의 차이는 디지털 변조의 영역에 들어가면 상당히 커집니다. 첫 번째 고려 사항은 비트 오류율입니다. 분명히 모든 시스템의 비트 오류율은 다양한 요인에 따라 달라지겠지만, 이진 PSK 시스템을 동등한 이진 FSK 시스템과 수학적으로 비교하면 이진 FSK가 동일한 비트 오류율을 달성하기 위해 상당히 더 많은 전송 에너지가 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 이는 디지털 위상 변조의 장점입니다.
하지만 일반적인 디지털 PM에도 두 가지 큰 단점이 있습니다.
- 디지털 위상 변조 페이지 에서 논의한 대로 , 일반(즉, 비차등) PSK는 비코히어런트 수신기와 호환되지 않습니다. 반면 FSK는 코히어런트 감지가 필요하지 않습니다.
- 일반적인 PSK 방식, 특히 QPSK는 급격한 위상 변화를 수반하는데, 이로 인해 고경사 신호 변화가 발생하고, 신호가 저역 통과 필터로 처리될 때 파형의 고경사 섹션의 진폭이 감소합니다. 이러한 진폭 변화는 비선형 증폭과 결합되어 스펙트럼 재성장이라는 문제가 발생합니다. 스펙트럼 재성장을 완화하기 위해 보다 선형적인(따라서 덜 효율적인) 전력 증폭기를 사용하거나 특수 버전의 PSK를 구현할 수 있습니다. 또는 급격한 위상 변화가 필요하지 않은 FSK로 전환할 수 있습니다.
여기서는 PSK 신호에 대한 저역통과 필터링으로 인해 발생한 진폭 변화를 볼 수 있습니다.
요약
- 진폭 변조는 간단하지만, 잡음에 취약하고 고선형성 전력 증폭기가 필요합니다.
- 주파수 변조는 진폭 잡음의 영향을 덜 받으며 더 높은 효율, 더 낮은 선형성의 증폭기와 함께 사용될 수 있습니다.
- 디지털 위상 변조는 디지털 주파수 변조보다 비트 오류율 측면에서 이론적인 성능이 더 뛰어나지만, 디지털 FM은 고선형성 증폭기가 필요하지 않기 때문에 저전력 시스템에서 유리합니다.