주파수 변조방식

[管韻]

주파수 변조방식

주파수 변조(周波數變調, Frequency Modulation, FM)는 일정한 진폭의 연속에서 주파수를 전기 신호에 따라 변화시키면서 통신하는 방법이나 방식이다. 주파수 변조는 송신될 신호의 진폭은 일정하게 하되 신호의 크기에 비례하여 반송파주파수가 변하도록 한다.

주파수 변조는 진폭을 일정하게 하여 송신하기 때문에 송신 도중에 진폭이 주변의 영향을 받아도 진폭을 다시 일정하게 맞춤으로서 잡음이 적다. 더불어 진폭 변조보다 더 높은 음질로 보낼 수도 있다. 그러나 변조한 파의 진동수 변화 범위가 넓어져서 광대역의 주파수를 요구하게 된다. 그래서 초단파 이상의 전파를 통해서 방송하게 된다. 그리고 진폭 변조와 달리 회로가 복잡해지는 점이 있으나, 현재는 기술의 발달과 부품의 대량 생산 등으로 크게 문제가 되지 않는다.

주파수 변호는 주로 라디오 FM 방송이나 과거 아날로그 TV의 음성 정보 등에 사용된다.

주파수 변조는 1936년에 에드윈 하워드 암스트롱(Edwin Howard Armstrong)의 논문에 처음 등장한다. 암스트롱은 1914년에 재생 회로(regenerative circuit), 1918년에 슈퍼헤테로다인 수신기와 1922년 슈퍼 재생 회로에 관한 특허를 냈으며, 1935년 11월 6일 무선기술사협회에서 그의 논문인 "주파수 변조 시스템으로 라디오 신호의 간섭 현상을 줄이는 방법(A Method of Reducing Disturbances in Radio Signaling by a System of Frequency Modulation)"을 발표하였다. 2년 후 최초의 FM 라디오 방송국인 W1XOJ(현 WAAF)을 설립해 방송을 시작하였다.

데이터통신 다중화기법(FDM, TDM)

1. 다중화

하나의 전송로에 여러 개의 데이터 신호를 중복시켜 하나의 고속신호를 만들어 전송하는 방식으로, 전송로의 이용 효율을 높이는데, 그 의미가 있다. 이때 사용하는 장비를 다중화기(MUX, Multiplexer)라 하며, 다중화기를 사용하지 않으면 단말기 개수만큼 MODEM(변복조기)이 필요하므로 비용과 효율성 측면에서 불합리하다.

2. 다중화 기법 중 주파수분할 다중화(FDM) 기법의 개념과 특성

가. 주파수 분할 다중화(FDM, Frequency Division Multiplexing)의 개념

전송되어야 하는 신호들의 대역폭을 합한 것보다 링크의 대역폭이 클 때 적용할 수 있는 아날로그 기술로, 한 전송로의 대역폭을 여러 개의 작은 채널로 분할하여 여러 단말기가 동시에 이용하는 방식이다.

예를 들면, 넓은 고속도로를 몇 개의 차선(채널)으로 나누는 것과 같이, 넓은 대역폭을 좁은 대역폭으로 나누어 사용하는 것으로 표현할 수 있다.

나. FDM 다중화 / 복구 과정

각 송신측 장치들은 각기 유사한 주파수 영역의 신호를 만들어 낸다. 이 유사한 신호들은 다중화기 내부에서 제각기 다른 반송주파수로 변조된다. 그 결과 만들어진 신호들은 하나의 복잡신호로 합쳐져서 이 신호를 수용하기에 충분한 대역폭을 가진 매체를 통해 전송된다.

다중 복구기는 다중화된 신호를 구성요소의 신호들로 분리해내기 위해 일련의 필터들을 사용한다. 각 개별적인 신호를 넘겨받은 복조기는 반송파로부터 신호만을 분리하여 수신 장치로 보낸다.

수신측에서 원래의 신호를 복구하기 위하여, 최소한 다음의 두 가지를 만족해야 한다.

•반송 주파수들은 변조신호들을 수용할 수 있도록 서로 충분히 떨어져 있어야 한다.

•반송 주파수는 원래 데이터의 주파수와 간섭을 일으켜서는 안 된다.

다. 특징

•FDM은 MODEM이 필요 없는 간단한 구조이므로 비용이 저렴하다. FDM은 FSK(Frequency Shift Keying)모뎀에 의해 표현되며, 이 주파수 분할 다중화기가 FSK MODEM의 기능을 수행하기 때문이다.

•각 사용자의 단말기에서 사용하는 코드와는 무관하게 다중화가 가능하다.

•채널간의 상호 간섭을 막기 위하여 보호대역이 필요하고, 이 보호대역으로 인하여, 채널의 이용률을 낮춘다.

라. 사용예와 구현

FDM은 매우 쉽게 구현될 수 있다. TV방송, CATV, 라디오와 같은 경우에 구현될 수 있으며, 이 경우 다중화 시키거나 다중화를 푸는 장치가 필요 없다. 이동전화 시스템의 경우에는 기지국에서 전화 사용자들에게 반송 주파수를 할당한다. 각 사용자들에게 영구적으로 할당할 만큼의 충분한 대역은 없으므로, 통화자가 전화를 끊으면 그 대역을 다른 통화자에게 할당한다.

3. 시분할 다중화(TDM)기법의 개념과 동작

가. 시분할 다중화(TDM, Time-Division Multiplexing) 기법의 개념

링크의 높은 대역폭을 여러 연결이 공유할 수 있도록 하는 디지털 과정이다. TDM은 하나의 전송로 대역폭을 시간 슬롯(Time Slot)으로 나누어 채널에 할당함으로써 몇 개의 채널들이 한 전송로의 시간을 분할하여 사용한다.

즉, FDM에서는 대역의 일부를 공유한다면 TDM은 시간을 공유한다. FDM에서와 마찬가지로 같은 링크가 사용되지만, 링크는 주파수가 아닌 시간별로 구획된다.

동기식 시분할 다중화 방식의 단점으로는 타임 슬롯이 낭비되는 경우가 많은데, 이는 어떤 채널이 실제로 전송할 데이터가 없는 경우에도 타임 슬롯으로 나누어 채널에 할당 시간폭은 배정되기 때문이다.

나. 동기화 동작과 끼워 넣기

TDM은 하나의 Multiplexing 쪽에서 다른 하나는 Demultiplexing하는 쪽에서 매우 빠르게 돌고 있는 스위치로 표현이 가능하다. 스위치들은 서로 동기화되어 같은 속도로 서로의 반대 방향으로 돈다. 다중화기 쪽에서는 스위치가 연결의 앞에서 열리게 되며, 그 연결이 경로의 한 단위를 전송할 수 있는 기회를 얻는다.

이 과정을 끼워 넣기(Interleaving)라고 한다. Demultiplexing을 하는 쪽에서는 스위치가 연결 앞에서 열리게 되며, 그 연결이 경로로부터 한 단위를 받을 기회를 얻는다.

4. 통계적 시분할 다중화 방식과 동기식 시분할 다중화 방식의 비교

•동기식 시분할 다중화(synchronous TDM, STDM)

•통계적 시분할 다중화(statistical TDM, STATDM / 비동기식 시분할 다중화(asynchronous TDM, ATDM)

시분할 다중화(TDM)기법과 동작에서 이야기 하였다시피 STDM은 할당된 타임 슬롯에 데이터의 전송 유무에 상관없이모든 패킷에 동일한 타임 슬롯을 할당한다.

위의 그림에서 알 수 있듯이, 송신할 데이터가 없더라도, 시스템에 시간과 대역폭을 할당하여 사용한다.

비동기식 시분할 다중화(synchronous TDM, ATDM)은 STDM처럼 무의미하게 타임 슬롯을 할당하지 않고 실제 전송 요구가 있는 채널만 타임 슬롯을 동적으로 할당시켜 전송 효율을 높이는 방식이다. 이렇게 함으로써 동일 시간에 많은 양의 데이터를 전송할 수 있고, 대역폭의 낭비를 최소화할 수 있으며, 전송과정에서 통계적 추측 및 오류의 분포 등을 사전에 추측할 수 있으므로 적절한 방지책을 세울 수 있다.

하지만, STDM에 비하여 접속에 필요한 시간이 길고, 버퍼 기억 장치 및 주소 제어 장치 등 다양한 기능이 있어 가격이 비교적 비싸다. STDM 시스템은 해당 소프트웨어가 타임 슬롯을 한 번 할당하면 비교적 수행하기가 쉽다. 하지만 ATDM 방식은 사용하지 않는 타임 슬롯을 재할당할 수 있으나 복잡하다.