주파수 변조기술(FM, AM, Bluetooth 원리)

변조

 

변조란 정보를 저장, 잔송하기 위해 전기적 신호로 변환하는 것을 말한다. 원하는 정보에 따라 반송파 신호의 진폭, 주파수, 위상 정보를 변경하여 변조된 신호를 얻는다. 신호를 전송하기 전에 변조하는 것은 여러 가지 이유가 있다. 그중에는 하나의 전송 매체를 여러 사용자가 공유 하도록 하는 것과(다중접속), 신호의 특성을 전송 매체의 물리적인 특성에 맞추기 위해서이다. 변조는 일반적으로 신호의 전송에 따른 문제점을 극복하여 다음과 같은 특성을 갖게 한다. 

 

1. 전자기파의 손쉬운 전달 (저손실,저분산)

2. 다중화 (여러 데이터 신호들을 각각 다른 반송파 주파수에 실어 하나의 주파수 대역을 통해 전송

3. 더 작고 지향적인 안테나 사용

 

반송파란 통신에서 정보의 전달을 위하여 입력 신호를 변조한 전자기파를 의미한다.

 

변조 방식으로 아날ㄹ로그 변조 방식인 AM,FM과 디지털 변조 방식인 CDMA방식 마지막으로 분산 스펙트럼 방식인 FHSS에 대하여 알아 볼 것이다.

 

진폭변조(AM)는 전자통신, 그 중에서도 일반적으로 라디오 반송파를 통한 정보통신에 쓰이는 기술이다. 진폭 변조는 송신될 신호의 세기를 보내려는 정보에 관하여 변화시킴으로서 작동한다. 송신될 신호에 따라 반송파의 진폭을 변화시키는 방식인 진폭변조는 구조가 간단하여 회로를 간단하게 할 수 있는 장점이 있기 때문에 초기 라디오 방송에 많이 사용 되었다. 전력효율이 나쁘고 전파의 진폭이 주변의 영향을 받기 쉽기 때문에 전파의 전달 과정에서 잡음이 섞이고 전체적으로 음질이 떨어지는 단점이 있다. 낮은 음질의 특성상 높은 주파수 대역을 필요로 하지 않기 때문에 단파 및 중파를 통하여 방송한다. 

 

주파수 변조(FM)는 진폭을 일정하게 하여 송신하기 때문에 송신 도중에 진폭이 준변의 영행을 받아도 진폭을 다시 일정하게 맞춤으로서 잡음이 적다. 진폭 변조보다 더 높은 음질로 내보낼수 있으나 변조한 파의 진동수 변화 범위가 넓어져서 광대역의 주파수를 요구하게 된다. 그래서 초단파 이상의 전파를 통하여 방송한다.

정보신호의 크기가 0일떄 FM반송파의 주파수에는 변화가 없고 중심주파수에 위치하게 된다. 

최대 주파수 편차는 중심 주파수로부터 정보 신호의 순간 크기에 비레한 만큼 떨어져 있다. 

%변조율은 반송파의 주파수 편차 정도를 표현한다. 반송파의 편차가 FCC에서 100%로 규정한 75KHz 보다 작을떄 %변조율도 작아진다.

측대파 쌍은 반송파의 중심주파수 위, 아래로 똑같은 거리 만큼 떨어져있는 두 개의 측대파를 말한다. 주파수 편차가 최소로 고정되어 있다면 단지 두 FM측대파만 발생하지만, 정보 신호의 크기가 증가하면 여기에 덧 붙여 중요한 측대파들이 반송파 중심 주파수의 위 아래에서 발생한다. 측대파의 쌍 위치는 변조지수에 의해 결정되고 FM변조지수는 정보신호 주파수와 반송파의 편차 비율로 구할수 있다. 

 

블루투스 통신이 FHSS방식을 사용하기 때문에 이를 예로 들어 FHSS를 설명하겠다. 블루투스는 2402MHz부터 2480MHz까지의 주파수를 1MHz 단위로 나누어 79개의 채널을 생성하고, 79개의 채널 중 몇 개를 선택하여 이동한다. 이때 채널을 선택하는 패턴을 확산 패턴이라고 한다. 블루투스 기기들은 여러 개의 주파수를 확산 패턴에 따라 1초당 1600번 이동해 가며 통신을 한다. 확산 패턴은 천이 레지스터와 XOR 연산을 이용해 만들 수 있다. 각 시행에서 각각의 천이 레지스터에 저장된 값은 오른쪽의 천이 레지스터로 이동한다. 이때 천이 레지스터Ⅳ가 가지고 있던 값이 출력되고, 비워진 천이 레지스터Ⅰ은 이전 시행의 천이 레지스터Ⅲ과 천이 레지스터Ⅳ의 값을 XOR 연산을 하여 채운다. 각 천이 레지스터의 초깃값이 1, 1, 1, 1일 때 각 시행에 따라 출력된 값은 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, …과 같이 나타난다. 따라서 선택하려는 채널의 개수를 고려하여, 출력된 값들을 변환하면 다양한 확산 패턴을 만들 수 있다. 그리고 블루투스 기기들이 동일한 확산 패턴으로 통신하더라도 페어링된 시간이 다를 수 있으므로 혼선이 일어날 확률이 매우 낮다.