제목 없음

Ch 5. 주파수 편이 변조 (FSK): Step By Step

소개

이 Step By Step 데모는 FSK 송신기의 M진(M-ary)과 그 결과 주파수 영역의 관계를 살펴보기 위한 것입니다. 주파수 편이 변조(FSK)는 반송 정현파의 주파수 변화를 통해 디지털 정보를 전송하는 디지털 변조 방식입니다. 디지털 통신에는 진폭, 주파수 또는 위상 변조와 같은 동일한 기본 개념으로 구성한 몇 가지 변조 방식 종류가 있습니다. 여기서는 주파수 편이를 통해 정보를 전송합니다. 그리고 “편이 변조(Shift Keying)”라는 말이 의미하듯, 주파수 변화를 이용하여 이산 디지털 값을 나타냅니다. 기타 FSK 변형에는 기호 번호를 나타내는 접두 번호가 포함됩니다(B = 2, Q = 4, M = any). 하지만 M=2이면 보통 접두 번호를 생략할 수 있습니다. 따라서 BFSK는 FSK와 동의어입니다. FSK는 RFID, 무선 전화, 호출자 ID 및 기타 수 많은 어플리케이션에서 이용하는 간단한 변조 방식입니다.

FSK의 코히어런시(Coherency)

주파수 편이 변조는 두 가지 유형 즉, 코히어런트(Coherent)와 비코히어런트(Non Coherent)로 나눌 수 있습니다. 코히어런트 FSK의 경우에는 출력 신호 위상 불연속이 없습니다. FSK 변조 형식은 철저히 실수 값인 변조 파형을 생성하므로 QAM 방식과 공통적인 기능을 공유하지 않습니다. 비코히어런트 FSK에서는 두 이산 값 사이에 순간 주파수가 바뀝니다. BPSK에서는 이를 “마크(Mark)”와 “공간(Space)” 주파수라고 부릅니다. 이 데모에서는 비코히어런트를 설명할 것인데, 주파수 영역에서 보다 쉽게 나타낼 수 있기 때문입니다.

연습:

1) 먼저 FSK_step_by_step-Exercise.vi를 열고 다음과 같은 블록다이어그램으로 전환합니다. 그림에서 볼 수 있듯이 쉽게 프로그래밍할 수 있도록 몇 가지 컨트롤, 상수 및 인디케이터가 미리 만들어져 있습니다.

	2) Modulation 팔레트를 찾아 블록다이어그램에 “MT Bit Generation” VI를 배치하고 “total bits(128)” 컨트롤을 total bits 입력에 연결합니다. 이 VI는 나중에 FSK변조를 사용하여 변조할 디지털 비트 스트림을 생성합니다.
	3) 블록다이어그램에 “Generate System Parameters” VI를 배치하고 polymorphic instance FSK (M)을 선택합니다. “samples per symbol” 및 “symbol phase continuity” 상수를 “Generate System Parameters” 상에서 이름이 동일한 입력에 연결합니다. 그런 다음 “FSK deviation (Hz)” 및 “M-FSK” 컨트롤도 해당 입력에 연결합니다. 마지막으로 이전 VI의 “error out” 터미널을 시스템 매개변수 생성의 “error in” 입력에 연결합니다.
	4) 블록다이어그램에 “Modulate FSK” VI를 배치하고 이전 VI의 시스템 매개변수와 Error in을 연결합니다. 또한 MT Generate Bits의 출력 bit stream을 Modulate FSK의 비트 스트림 입력에 연결합니다.
	5) “Upconversion.vi”를 삽입하고 입력 “carrier frequency”를 해당 컨트롤에 연결합니다. “complex waveform” 입력은 “Modulate FSK.vi”의 출력과 연결해야 합니다.
	6) 그런 다음 Express >> 신호 분석을 찾아 “Spectral Measurements Express VI”를 추가합니다. 기본 설정을 이용할 것이므로 “OK”를 눌러 대화상자를 닫으면 블록다이어그램에 Express VI가 표시됩니다. 공간을 절약하려면 이를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 “아이콘으로 보기”를 선택하여 블록다이어그램 상의 공간을 절약합니다.

7) 그 후, 스펙트럼 측정 VI의 “Signals” 입력을 이전 VI의 “Waveform” 출력에 연결합니다. 그리고 블록다이어그램에서 “FFT (RMS)” 출력을 “FFT - (RMS)” 그래프 표시기에 연결합니다. 이제 블록다이어그램은 다음과 같이 표시됩니다.

데모

다음으로, FSK 송신기의 다양한 매개변수를 살펴보고 이들이 주파수 영역에 미치는 영향을 관찰할 것입니다. 그 중에서도 특히 M진, FSK 주파수 편차, symbol rate와 같은 특성을 변경하면서 신호의 주파수 영역에 미치는 영향을 살펴봅니다.

1) 먼저 LabVIEW 실행 버튼을 클릭하여 앞서 만들어 놓은 프로그램을 실행합니다. FFT(RMS) 그래프에서는 주파수 영역의 모든 전력이 5MHz에서 집중됩니다. 그리고 피크 4개를 볼 수 있는데 서로의 간격은 약 650MHz입니다. 이 피크는 전이에서 사용 중인 주파수 4개와 대응합니다. “4”는 “M-FSK” 컨트롤에서 선택해 놓은 것입니다. 이를 변조 방식의 M진이라고 하며, 네 값 중 하나가 되도록 주파수를 조정하여 데이터를 전송함을 나타냅니다.

2) 그런 다음 M진이 주파수 영역에 미치는 영향을 살펴볼 것입니다. M-FSK 값을 가능한 모든 값(2,4,8)으로 조정하면서 주파수 영역에서의 영향을 살펴봅니다. 변화를 통해 알 수 있듯이 피크 개수는 M진에 대해 선택한 주파수 개수와 일치합니다. M-FSK=8일 때 피크는 서로 간섭하게 됩니다. 이러한 현상은 주파수 간격이 적절치 않을 때 발생합니다. 이 문제는 다음 단계에서 다룹니다.

3) FSK 편차는 피크 간 간격을 결정합니다. 좀 더 구체적으로 말해서, 반송파 주파수와 가장 바깥쪽 주파수 대역 간 주파수 차이를 정의합니다. 지금까지 이 값을 1MHz로 했습니다. 하지만 8-MSK를 선택하면 주파수 편차에 비해 각 채널의 대역폭이 너무 넓습니다. 따라서 채널이 겹칩니다. 그러므로 더 많은 채널을 수용할 수 있도록 FSK 편차(Hz) 컨트롤을 변경하면 됩니다. 이 값으로 실험하고 주파수 영역에 나타나는 결과를 주시합니다. 다음은 주파수 편차가 1.25MHz 및 3MHz인 주파수 스펙트럼입니다.

4) 이 데모에 나타나는 마지막 매개변수는 채널 대역폭에 미치는 symbol rate의 영향입니다. 이 개념을 좀 더 자세히 살펴볼 수는 있으나(채널 대역폭 링크) 여기서는 간략히 다뤄보도록 하겠습니다. VI 실행 중 symbol rate를 200kHz에서 50kHz로 천천히 낮춥니다. symbol rate가 떨어지면서 각 주파수 피크 폭이 좁아지는 것을 볼 수 있습니다. 따라서 주파수 영역의 보다 작은 부분을 이용할 수 있습니다. 실제로, 8개 개별 주파수를 통해서 주파수 편차를 낮춰 각 피크를 서로 겹치지 않고 좀 더 가까워지도록 옮길 수 있습니다. 하지만 symbol rate는 데이터 처리능력과 정비례합니다. 따라서 실제 통신 시스템에서는 대역폭과 시스템 성능이 서로 트레이드 오프 됩니다. 다음에 표시된 것은 변조한 파형의 8개 피크입니다.

결론

이 데모에서 살펴봤듯이 FSK에서는 반송파 주파수의 변화를 통해 디지털 정보를 전송해야 합니다. 그리고 FSK는 반송파 주파수와 M진, 주파수 편차 및 symbol rate 간의 관계를 보여줍니다.

<< Back