정보통신에서 변조의 개념, 필요성, 종류, 적용예시

목차

1. 변조의 개념

2. 변조의 필요성

3. 변조의 종류

4. 변조의 적용

5. 관련 시험 문제

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1. 변조의 개념

출처 : 네이버 국어사전

 

변조의 사전적의미를 위와 같다.

 

 

정보통신에서의 변조를 간단하게 설명하면,

신호정보를 전송매체의 특성에 맞게

신호의 세기, 변위, 주파수, 위상 등을

적절한 형태로 변환하는 것이다.

○ 변조(Modulation) : 신호정보를 전송매체에 맞게 변환하는 것

 

 

여기서 전송매체는 통신을 위해 사용되는

모든 유, 무선 통신방식을 포함한다.

 

 

그리고 변조된 파형을

원래의 신호정보로 복원하는 것을 복조라고 한다.

○ 복조(demodulation) : 변조된 파형을 복원하는 것
  - 동기 복조
  - 비동기 복조

 

복조는 반송파(Carrier)의 위상정보 이용 유무에 따라

동기 복조, 비동기 복조로 구분할 수 있다.

 

수신 신호에서 반송파를 검출하여,

이 반송파의 위상정보를 이용하는 경우 동기복조,

 

수신 신호의 반송파 위상정보를 이용하지 않는 경우 비동기 복조이다.

 

 

변조는 통신을 함에 있어서 반드시 필요하다.

정보는 주파수(f)를 가지고 있다.

예를 들어 음성정보는 300Hz~3,400Hz의 낮은 주파수를 가진다

낮은 주파수는 에너지를 적게 가지고 있다

통신은 신호를 멀리 보내야 하며

신호를 멀리 보내기 위해서는 큰 에너지가 필요하다.

그래서 낮은 에너지를 가진 신호를 높은 에너지를 가진 신호로 변조한다.

 

 

2. 변조의 필요성

변조를 통해 주파수를 적절한 수준으로 바꾼다.

 

주파수를 조정하면

장거리전송, 다중화, 안테나 크기, 대역제한, 안정성 및 품질 개선

등의 효과를 얻을 수 있다.

 

 

○ 장거리(효율적) 전송

예를 들어서 음성정보는 20Hz~20kHz(가청주파수)의 낮은 주파수를 가지며

 

주파수의 에너지의 관계를 나타내는 식을 생각해보면

주파수가 높을수록 에너지가 커지며

(E : 에너지[J], h : 플랑크 상수, f : 주파수[Hz])

 

에너지가 크면

감쇠를 보상하고 더 먼 거리를 안정적으로 전송할 수 있다.

 

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참고 : 주파수의 범위에 따른 분류

가청주파수는 저주파~중주파

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에너지가 작은 신호는 무선통신에서 장애물을 우회하는 등

더 먼거리까지 전달될 수도 있지만

에너지 밀도가 낮아 신호 품질이 떨어질 수 있다.

 

 

○ 다중화

다중화는 여러개의 신호를 하나의 전송경로(채널)에서

동시에 전송할 수 있게 하는 기술이다.

변조는 다중화에서 중요한 역할을 하며

다양한 변조기법(TDM, FDM, CDM 등)을 통해 다중화가 가능하다.

 

다중화는 하나의 물리 채널이나 통신회선을 통해

여러 신호를 동시에 처리할 수 있기 때문에 

전체 시스템의 효율성 측면에서 유리하다.

 

 

 

○ 안테나 크기

신호를 송수신할때

안테나의 크기는 신호의 파장에 비례한다.

(안테나 길이는 보통 λ/2 또는 λ/4를 기준으로 잡는다.)

 

 

c : 빛의 속도, 3 x 10^8 m/s

f : 주파수

주파수와 파장의 관계를 보면,

낮은 주파수에서는 파장이 길어지기 때문에 매우 큰 안테나가 필요하다.

 

예를 들어서, 음성주파수인 4Khz 신호를 전송한다고 할때

파장의 길이는 75,000m가 되고

안테나 길이를 λ/2 로 하면 37,500m가 된다.

 

따라서, 변조를 통해 신호를 높은 반송파에 실어주면

안테나의 길이를 적절하게 조절할 수 있다.

 

 

 

○ 주파수 대역의 한계

신호를 전송할 때, 가능한 주파수 범위가 

통신채널의 물리적 특성에 의해 제한된다.

 

저주파 신호는 대역폭이 상대적으로 넓기 때문에

제한된 대역폭 내에서 전송이 어려울 수 있다.

 

음성 신호를 예로 들면,

음성신호는 동시에 많은 주파수들이 섞여 있다.

가청주파수(20Hz~20kHz)를 기준으로 하면 

 

신호를 전송하는데 필요한 대역폭은 약 20kHz가 된다.

 

물론, 사용하지 못할 크기는 아니지만,

효과적인 채널 사용을 저해하는 요소가 되거나

대역폭이 제한된 채널에서는 전송이 어려울 수도 있다.

 

따라서, 변조가 필요하다.

변조는 저주파 신호를 고주파 신호로 변환하여

더 넓은 주파수 대역을 사용할 수 있게 해 준다.

 

예를 들어, 0~20kHz 대역폭을 가진 신호를

1MHz ~ 2MHz 범위의 고주파 신호로 바꾸면

더 넓은 주파수 대역을 사용할 수 있고

동시에, 기존의 저주파 신호가 차지하는 대역폭도

더 효율적으로 활용할 수 있다.

 

 

 

○ 안정성, 품질 개선

자연잡음 또는 인공잡음이 집중된 주파수가 있을 수 있는데

해당 주파수를 피함으로써

잡음과 간섭을 예방할 수 있다.

 

또한, 고주파 신호는 직선 전파 특성을 가지기 때문에

경로상 장애물이나 간섭이 적으면

더 정확하게 전파 및 수신 될 수 있다.

 

 

3. 변조의 종류

정보 신호는 형태에 따라

아날로그 정보와 디지털 정보로 나눌 수 있다.

 

아날로그 정보는 연속적인 신호로 표현된다.

온도, 소리, 빛 등 자연계의 대부분의 현상은 아날로그 형태로 표현된다.

잡음에 취약하고 신호를 정확히 복원하기 어렵다.

 

디지털 정보는 이산적인 신호로 표현된다.

컴퓨터의 데이터는 보통 디지털 신호이다.

잡음에 강하고 신호 복원이 용이해, 저장 및 전송이 효율적이다.

 

변조는 아날로그 또는 디지털 정보를

어떤 반송파에 싣냐에 따라 크게 4가지로 나눌 수 있다.

  - 아날로그 데이터 & 아날로그 반송파

  - 아날로그 데이터 & 디지털 반송파

  - 디지털 데이터 & 아날로그 반송파

  - 디지털 데이터 & 디지털 반송파

 

 

각각의 구분안에서도

어떤 것(진폭, 주파수, 위상 등)에 맞춰 변조하냐에 따라

세분화 될 수 있다.

 

 

 

4. 변조의 적용

각각의 변조가 실생활에 적용되는 예시는 위의 그림과 같다.

 

 

 

5. 관련 시험문제

변조와 관련해서 아래의 문제들이 제출된 적이 있다.

 

Q. 변조의 4가지 방식에 대해 기술하시오.(2.5 페이지 작성)

문제풀이 : 

서술형으로 2쪽 반을 적어야 하는데,

4가지 방식을 간단하게 적으면 분량을 채울 수 없다.

(참고로, 1페이지는 22줄이다.)

물론 각각의 변조의 방식들을 세세하게 적으면

2페이지 반을 적지 못할것도 없을거 같긴 하지만,

변조의 개요, 필요성, 변조의 4가지 방식을

단계적으로 설명함으로써

좀 더 세심하게 접근하는 방식을 취할 수도 있다.

구체적으로는 아래와 같다.

 

1. 변조의 개요

2. 변조의 필요성

3. 변조의 4가지 방식

 가. 아날로그 데이터 + 연속 반송파

 나. 아날로그 데이터 + 불연속 반송파

 다. 디지털 데이터 + 연속 반송파

 라. 디지털 데이터 + 불연속 반송파

 

Q. 무선통신에서 변조의 필요성(1페이지)

문제풀이 : 

위에서와 마찬가지로 단계적으로 적으면 된다.

1. 무선통신의 한계(변조를 하지 않았을 때의 한계)

2. 변조의 개념도 : 변조 간략히 설명

3. 변조의 필요성

 

Q. AM변조보다 FM변조가 음질이 좋은 이유

문제풀이 : 

AM에는 없는 FM에서 성능을 우수하게 만들어주는

FM의 특징을 적어준다.

FM의 특징으로는 삼각잡음, 한계레벨, 포획효과 등이 있다.