8. 반송대역(Carrier Band) 전송방식
가. 반송대역 전송 방식의 개요
아날로그 전송로를 이용한 디지털 데이터 부호의 전송을 위해서는 송신 데이터 신
호에 대응한 아날로그 신호로의 변조가 필요하다. 즉, 디지털 기저대역 신호를 주파수
와 진폭을 갖는 반송파(carrier wave)를 이용하여 전송로에 적합한 아날로그 신호 형
태로 변환하는데, 이를 반송대역(carrier band) 전송방식 또는 디지털 변조라고 한다.
음성, 화상, 텍스트 등의 정보는 아날로그 형태인 전자기적(electro-magnetic) 신
호로 전송되는데, 음성 정보를 디지털로 변환하여 전송하려면 먼저 이 정보를 디지털
신호화 한 후 다시 아날로그 또는 디지털 전송신호로 변환시켜야 한다. 예를 들면, 전 화선을 전송로로 이용하는 경우의 변조는 기저대역 신호의 주파수 스펙트럼을 별도의
대역, 즉 음성 대역으로 전환하는 것을 의미한다. 이것은 현재의 PC 통신에서 가정의
PC는 가정의 전화선에 연결되는데, 컴퓨터 내부의 디지털 데이터 신호를 전화선의 아
날로그 신호로 변조 및 복조하는 것이며, 이를 위해 모뎀(MODEM)이 사용된다. 반송
대역 전송방식은 아날로그 전송로를 통한 장거리 전송 시에 많이 사용된다.
디지털 변조방식은 아날로그 신호 변수들인 진폭, 주파수, 위상 등을 하나 또는 그
이상의 조합을 통해서 분류하고 있는데, 이들은 진폭편이변조(ASK : Amplitude
Shift Keying), 주파수편이변조(FSK : Frequency Shift Keying), 위상편이변조
(PSK : Phase Shift Keying), 그리고 진폭위상편이변조(APK 또는 APSK :
Amplitude Phase Shift Keying) 등이며, APSK는 구상진폭변조(QAM :
Quadrature Amplitude Modulation)라고도 한다.
나. ASK, FSK 및 PSK 변조방식
(1) 진폭편이변조(ASK)
ASK는 아래 그림과 같이 데이터 전송에 있어서 신호의 전압변화에 따라 반송
파를 온-오프키잉(on-off keying) 하여 반송파의 진폭을 변하게 하는 방식이다.
즉, 2진 부호‘1’ 이 있으면 정현파 신호가 존재하고, 그 부호가‘0’ 이면 정현파 신호
가 존재하지 않는다. 따라서 진폭은 변하지만 주파수와 위상은 변하지 않는다. 또한
1보오(Baud) 당 1비트의 신호가 전송되므로 비트율(bit rate)과 보오율(Baud rate)은 동일하다.
ASK는 회로 구성이 간단하고 가격이 저렴하며, FSK 및 PSK에 비하여 소요 대
역폭이 협소하다. 그리고 정보가 진폭에 실리므로 잡음에 의해 진폭이 영향 받을 수
있으므로 잡음에 매우 취약하며, 불연속 변조 및 복조 방식이므로 전송로의 레벨변
동에 약하다. 비동기 신호의 전송은 가능하나, 수신측에서 동기를 취하기가 곤란하
여 그다지 많이 사용되지 않고 있다.
(2) 주파수편이변조(FSK)
FSK는 데이터 전송에 있어서 2진 디지털 부호에 대해 진폭이 동일한 2개의 주파
수 중 한 개의 주파수를 갖는 반송파를 스위칭하여 전송하는 방식이다. 이것은 각각
상이한 주파수를 가진 2개의 ASK 파형으로도 이루어져 있다고 볼 수 있다. 이와 같
이 FSK는 주파수가 변하더라도 진폭과 위상은 일정하게 유지되고, 1보오 당 1비트
의 신호가 전송되므로 ASK와 마찬가지로 비트율과 보오율이 동일하다.
FSK는 수신측에 수신된 신호가 불필요한 주파수 성분과 잡음 등이 제거된 후에
진폭의 크기가 일정하게 제한되므로, 전송로의 레벨 변동에 매우 강하다. 일정한 진
폭으로 정형된 신호는 이후 주파수가 검출되고 원래의‘1’ 과‘0’ 으로 재생된다. 또
한 FSK 방식은 ASK 방식에 비해 잡음에 강하고 회로도 비교적 간단하지만, 주파
수 대역폭이 넓고, 수신측에서 복조 시 반송파가 필요하다. 저속의 데이터 전송과
방송통신 및 비동기식 모뎀에서 주로 사용하고 있다.
(3) 위상편이변조(PSK)
디지털 신호의 정보 내용에 따라 반송파의 위상을 변환시키는 방식으로서, 2진 디
지털 신호를 m개의 비트로 묶어서 M(=2m)개의 위상으로 분할시킨, 즉 반송파 위
상간의 위상차를 2π/M로 분할하는 위상변조 방식을 M진 PSK(M-ary PSK)라 부
른다. 특히, 위상을 세분화 하여 전송함에 따라 1회의 변조로 많은 데이터의 전송이
가능한 데, 4상인 경우에는 2비트(dibit), 8상인 경우에는 3비트(tribit) 그리고 16
상인 경우에는 4비트(quadbit)의 정보를 단위 시간마다 전송할 수 있으므로 전송의
고속화가 가능하다. 따라서 동일한 전송대역에서 FSK에 비하여 고속의 데이터 전
송이 가능하므로, 중속 및 고속의 데이터 전송과 동기식 전송에 널리 사용한다.
PSK 파는 일정한 진폭을 갖는 파형이기 때문에 전송로 등에 의한 레벨 변동에 강
하고, 또한 피변조파는 양측파대 신호이기 때문에 타이밍 정보 및 주파수 정보를 포
함하고 있어 변복조 회로가 비교적 간단하며, 양호한 비트 오율(오류확률) 특성을 보유하고 있다.
한편, 2진 PSK의 양호한 비트 오율을 이용하면서 단점을 극복하기 위해 여러 가
지 변형 PSK 방식이 사용되고 있다. 2진 PSK인 경우 단순히 위상을 반전시킬 뿐이
며 수신측에서 어느 쪽 위상이‘1’ 에 대응하는가를 판단할 기준이 없어, 최초의 조
건을 정해두어도 도중에서 회선의 단절 등이 발생하면‘1’ 을‘0’ 으로 또는‘0’ 을
‘1’ 로 잘못 판정하는 경우가 발생될 수 있다. 이를 개선하기 위해서‘0’ 일 때에만
위상을 180도 반전시키고,‘1’ 일 때에는 위상을 변화없이 그대로 유지한다. 즉,
PSK를 수신하여 검파하는데 동기 문제를 해결하기 위해 1구간(T초) 전의 PSK 신
호를 기준으로 하여 검파하는 방식이다. 이와 같은 변조방식을 차동 PSK(DPSK :
Differential PSK)라고 하며, 데이터 전송에서는 실제로 이 방식이 많이 사용되고
있다. 특히, 전후의 신호 구간 사이의 위상차가 정보에 대응하도록 송신측에서 PSK
신호를 변조하기 전에 차동 부호화 할 필요가 있으며, DPSK에서는 수신측에서 동
기를 위한 반송파가 불필요하므로 회로가 간단하다.
QPSK는 위상을 4등분하는 방식으로 연속되는 두 비트의 조합(dibit)으로 분할하
고, 바로 직전에 전송한 반송파의 위상을 기준으로 하여 다음에 전송할 2비트의 종
류에 의해 결정되는 각도만큼 위상을 변화시키는 방식이다. 이는 90도의 위상차를
갖는 2개의 BPSK(Binary PSK)를 합성한 것과 같다. QPSK 방식은 기존의 광대역
성 PSK 성질을 이용하여 BPSK보다 2배의 비트를 전송할 수 있다. 그러나 위상을
4등분하여 사용하므로‘00→11’또는‘01→10’ 으로 2비트가 동시에 변동하는 경우
에는 위상이 180도로 급격하게 변하여 스펙트럼이 확장되는 원인이 되어 측대파
(sideband wave)를 발생시킨다. 이를 해결하기 위해 직교(orthogonal)하는 특성
을 갖는 2채널의 주기를 1비트의 주기만큼 상대적인 시간차를 갖도록 구성하는
OQPSK(Offset QPSK)가 사용되고 있다.
다. 구상진폭변조(QAM)
일반적인 PSK 변조방법으로는 M=8일 때의 8진 PSK 이상을 구현하는데 한계가
있다. 이는 위상 상태의 수가 증가할수록 신호 공간은 더욱 밀집되어 오류가 발생할
확률이 그만큼 더 증가하기 때문이다. 따라서 이를 개선하기 위해서 반송파의 위상변
화에 진폭의 변화를 조합하여 데이터 신호를 전달하는 방법이 도입되었는데, 이것을
진폭위상편이변조(APSK) 또는 구상진폭변조(QAM)라고 한다. QAM은 완전히 독립
된 2개의 기저대역 신호계열로 직교하는 2개의 반송파를 각각 ASK 변조한 것을 합성
해서 동일한 전송로에 전송하는 것이며, 비트 전송속도를 2배, 즉 스펙트럼 효율을 2
배로 향상시킬 수 있다.
이 방식은 ASK 방식이 갖는 협대역 특성과 PSK 방식이 갖는 비트 오율 특성을 복
합한 형태이며, 완전히 독립된 2개의 기저대역 신호(+1, -1)로 직교하는 2개의 반송파
를 각각 ASK 변조한 것을 합성하여 전송함으로써 전송속도를 보다 높일 수 있다. 따
라서 M진 QAM은 M진 PSK와 대역폭 효율은 동일하지만, 오류확률 면에서는 우수하
다. QAM은 높은 데이터 전송률, 대역폭의 효율적 사용, 낮은 오율, 복조의 용이성 등
의 특징이 있으며, 데이터의 타이밍 신호가 불필요하고 제한된 전송 대역 내에서 고속
의 데이터를 전송 가능하기 때문에, 현재 대부분의 데이터 통신과 무선 통신에서 사용
되고 있다.
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