제1장 서론
제1장 : 서론
통신 시스템 모델
아날로그 통신시스템과 디지털 통신시스템
통신이란?
어떤지역(정보근원지)에서 다른지역(정보목적지)으로
어떤지역(정보근원지)에서 다른지역(정보목적지)으로
의미있는 정보를 전달하는 것
과거의 통신수단
: 봉화, 파발마, 나팔
현재의 통신수단
: 전기, 전파를 이용하는 송신기기, 수신기기
통신 시스템 모델(1)
( ) r t ( ) m t s t( ) m tˆ ( ) 메시지 신호 m(t) ▶ 아날로그 또는 디지털 ▶ baseband signal? (기저대역 신호란?) 송신기 ▶ 기저대역 신호를 채널에 적합한 신호 형태로 변환 (변조) 채널(Channel) ▶ 송신기 출력 신호가 전달되는 매체▶ example: 유선(wire coaxial cable optical fiber) 무선(air water) ▶ example: 유선(wire, coaxial cable, optical fiber), 무선(air, water)
수신기
▶ 송신기와 채널에서 변형된 수신 신호를 송신기에서의 메시지 신호로 복원하는
역할 (복조) 역할 (복조)
아날로그통신 시스템과 디지털 통신 시스템
디지털통신 시스템 : 디지털 메시지를 목적지로 전송 디지털 변조 : ASK(OOK), PSK, FSK, QAM 아날로그통신 시스템 아날로그 메시지를 목적지로 전송 아날로그통신 시스템 : 아날로그 메시지를 목적지로 전송 아날로그 변조 : AM(DSB, SSB), FM, PMTypical Digital Communication System
디지털통신 : Bit Error Rate이 주요 성능지표
▶ 메시지 디지털 비트(1 또는 0)에 에러가 없도록 복원하는 것이 목적
아날로그통신 : SNR이 주요 성능지표
▶ 메시지 신호 파형 그대로를 복원하는 것이 목적
Analog and Digital Messages
g
g
g
Digital Message
▶ 메시지, 또는 데이터의 종류(ex:0,1)가 유한한 개수로 구성
▶ 예 : text, Morse-coded telegraph message (two symbols:
mark/space => binary message)
Analog Message
데이터의 기 값이 연 적인 범위 내에 있음 ▶ 데이터의 크기 값이 연속적인 범위 내에 있음 ▶ 예 : 온도, 음성 파형 아날로그 정보도 디지털 전송이 가능함 ▶ 아날로그 정보도 디지털 전송이 가능함Analog-to-Digital (A/D) 변환
g
g
아날로그메시지를 디지털로 변환하기 위한 방법
아날로그메시지를 디지털로 변환하기 위한 방법
Sampling(표본화) ▶ 신호를 시간적으로 이산화 시키는 것 ▶ 신호를 시간적으로 이산화 시키는 것 ▶ 표본화 정리(Sampling theorem) ▶ B[Hz]로 대역 제한된 아날로그 신호를 2B[Hz]이상으로 표본화하면 원래의 아 날 신호 완벽히 재생해낼 수 있음 날로그 신호를 완벽히 재생해낼 수 있음 ▶ 샘플크기는 여전히 디지털이 아님 Quantization(양자화) Quantization(양자화) ▶ 신호의 크기를 이산화 시키는 것▶ Quantizer introduces some distortion (“quantization noise”)
▶ Good quantizers are able to use few bits and introduce small distortion 디지털 정보는 (e.g. computer files) 표본화와 양자화할 필요가 없음
Sampling(표본화)
sampler ( ) m t m ts( ) ∞∑
( ) m t s( ) ( ) ( s) n m t m t δ t nT =−∞ = ⋅∑
− t 0 t 0 s TsQuantization(양자화)
binary quantized( )
m t
를 양자화한 표본 code 3.5 level 111( )
m t
1.5 2.5 110 101t
sT
0.5 -0.5 100 011 -1.5 -2.5 010 001 -3.5 000Pulse-Code Modulation (PCM)
아날로그 신호를 표본화하고 양자화를 거쳐 아날로그 신호를 표본화하고 양자화를 거쳐 이진수로 표현된 이진 디지털 데이터를 펄스 열로 만들어서 전송하는 방식 • Ts 마다 k 개의 이진레벨 펄스 전송 • 예: 4 개의 이진펄스로 16 레벨 양자화된 샘 플 표현 가능 플 표현 가능Channel Effects
Distortion
▶ attenuation, noise, fading
▶ 페이딩은 무선/셀룰러 이동통신 시스템의 설계에 특히 중요함
Simple channel model : additive white Gaussian noise (AWGN)p ( )
디지털 통신 시스템은 잡음이나 왜곡에 더 강인함:
transmitted signal
received distorted signal (without noise) received distorted signal (with noise)
regenerated signal (delayed)
Source Coding and Channel Coding
Source Coding
Source Coding
▶ Redundancy를 줄이기 위한 디지털 데이터의 압축
▶ Bit rate를 감소시킴으로써 필요한 채널 대역폭 감소가능Bit rate를 감 시킴 써 필 한 채널 대역폭 감 가능
▶ 또는 주어진 대역폭으로써 전송할 수 있는 데이터 양의 증가 가능
Channel Coding
▶ Redundant data를 삽입함으로써 전송 과정에서 발생하는 오류를Redundant data를 삽입함 써 전송 과정에서 발생하는 류를
검출하거나 정정하는 기법
▶ 비트 에너지를 고정시켰을 때 발생하는 오류 확률 감소
Modulation(변조)
디지털 데이터를 채널을 통한 전송에 적합한 연속파형으로 변환
디지털 데이터를 채널을 통한 전송에 적합한 연속파형
변환
시키는 것
▶ Baseband (usually square waveform) : “line coding” ▶ “baseband modulation”
▶ Bandpass (usually sinusoidal waveform)
▶ “bandpass modulation” or “carrier modulation”
반송파변조(Carrier modulation, bandpass modulation)
▶ 반송파는 높은 주파수의 정현파
▶ 반송파의 진폭, 주파수, 위상 (amplitude, frequency, phase)을 메시지
Bandpass Modulation (Analog변조의 경우)
E amples of Analog Mod lation Examples of Analog Modulation 1) Amplitude Modulation (AM):) p ( )
Bandpass Modulation (Digital변조의 경우)
Examples of Digital Modulation Examples of Digital Modulation
1) Amplitude Shift Keying (ASK) or ON/OFF Keying (OOK):
ON/OFF Keying (OOK):
2) Ph Shift K i (PSK) )
2 cos(
1 ⇒ A
π
fct0
⇒
0
2) Phase Shift Keying (PSK):
) 2
cos(
1⇒ A
π
fct3) Frequency Shift Keying (FSK):
) 2 cos( ) 2 cos( 0⇒ A πfct+π = −A πfct ) 2 cos( 0⇒ A πf0t
Multiple Access
Multiple Access(다중접속)
Multiple Access(다중접속)
통신매체를 여러 사용자가 공유하도록 하는 것
여러사용자의 신호를 단일 채널을 통해 원거리로 전달
여러사용자의 신호를 단일 채널을 통해 원거리로 전달
T
f M lti l A
Type of Multiple Access
▶ FDMA(Frequency Division Multiple Access)
TDMA(Ti Di i i M lti l A )
▶ TDMA(Time Division Multiple Access) ▶ CDMA (Code Division Multiple Access)
SNR, Bandwidth, Data Rate (1)
통신에 있어서 가장 중요한 두가지 자원
채널대역 과 신신호전력 ▶ 채널대역폭과 송신신호전력 채널 대역폭 : Channel Bandwidth B
▶ 정보 전송률은 채널 대역폭 B에 비례 신호전력 : Signal Power, S
▶ 송신 전력은 수신측에서 원하는 품질(SNR)을 얻기 위하여 거리에 따 른 전력손실을 고려하여야 함 ▶ 아날로그 통신에서는 수신측에서 요구되는 SNR을 얻기 위해, 디지털 통신에서는 수신측에서 원하는 비트오율 성능을 얻기 위해, 일정 크기 이상의 송신 전력이 요구 일정 크기 이상의 송신 전력이 요구 ▶ 송신 신호 전력을 높이면 채널 잡음의 영향을 줄일 수 있으며, 따라 서 정보 전달의 신뢰도가 높아짐SNR, Bandwidth, Data Rate (3)
신호전력과 채널 대역폭
▶ Channel bandwidth B and signal power S are exchangeable;
- 높은 대역폭 효율을 얻기 위해 전력을 희생할 수 있음 - 주어진 전송률의 메시지를 전송시 필요한 채널 대역폭을 줄이기 위해 큰 송신 전력을 사용하도록 통신 시스템을 설계가능 반대로 낮은 송신 전력을 사용하는 대신 넓은 대역폭을 사용하도록 - 반대로 낮은 송신 전력을 사용하는 대신 넓은 대역폭을 사용하도록 통신 시스템을 설계할 수도 있음.
▶ Example: PCM with 16 quantization levels
SNR, Bandwidth, Data Rate (4)
채널 용량 (C : Channel Capacity)
정의 주어진 채널 대역폭으로 비트오류없이 전송가능한 최대 데이터율 ▶ 정의: 주어진 채널 대역폭으로 비트오류없이 전송가능한 최대 데이터율 ▶ 데이터율이 채널의 대역폭 B에 비례하므로 채널 용량 C는 채널의 대역폭 B 에 비례 B 에 비례 ▶ SNR을 높이면 비트오류 확률을 줄일 수 있으므로 주어진 대역폭에서 다치 변조 등의 기법으로 전송할 수 있는 데이터 양을 증가시킬 수 있음 ▶ Shannon-Hartley 정리, (채널용량에 대한 방정식) ▶ 채널용량은 대역폭과 SNR의 함수임 데이터 전송률을 채널 용량 보다 낮게 하는 경우 통신 시스템의 비트오류 2log (1
) [bits/sec]
C
=
B
+
SNR
▶ 데이터 전송률을 채널 용량 보다 낮게 하는 경우, 통신 시스템의 비트오류 확률을 0에 근접하게 만들 수 있다.Good Communication System
높은 데이터율 R [bps]
작은 대역폭 B [Hz]
작은 요구 SNR 또는 E
b/N
0 작은 요구 SNR 또는 E
b/N
0 작은 왜곡(높은 수신 SNR) 또는 작은 비트오류 확률
높은 시스템 사용도(사용자 용량)
높은 시스템 사용도(사용자 용량)
낮은 복잡도와 비용
실제의 시스템 설계에서는 이들 사이에서 t d
ff를 하고
실제의 시스템 설계에서는 이들 사이에서 tradeoff를 하고
있음
Data Rate vs. Bandwidth
Data rate R ↑ ⇒ data pulse width ↓ ⇒ bandwidth B ↑
p
Bandwidth Efficiency,
η
B의 정의
- the ratio of data rate R to bandwidth B:
the ratio of data rate R to bandwidth B:
η
η
BB= R / B [bps/Hz]
R / B [bps/Hz]
BER vs. Signal Power
낮은 비트에러율을 달성하도록 잡음을 극복하기 위해 높은
전력을 사용하는 방법이 있음
변조방식 및 시스템 구성에 따라 동일한 에러율을
달성하는데 필요한 전력이 차이가 있음
Energy Efficiency,
η
E의 정의
:
/
0|
10 5 b EE
bN
Ph
=
=-gy
y,
η
E We want small
0 b 10 E b P Eη
Tradeoff in System Design
대역폭 효율과 에너지효율 간의 Tradeoff
•
M
-진 변조Binary modulation sends only one bit per use of the y y p
channel.
M
-ary modulation sends multiple bits, but is morevulnerable to noise.
• 에러제어 코드(Error correction coding)
Inserting redundant bits improves BER performance, but
