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통신이론

Digital and Analog Communication System

통신이론 강의 내용 통신이론 신호의 시간영역 분석 - 신호의 분류 - 신호의 기본 연산 - 기본신호의 수학적 표현 - 상관함수 - (샘플링 이론) 신호의 주파수 영역 분석 - 직교 신호에 의한 신호의 표현 - 푸리에 급수 - 푸리에 변환 - 스펙트럼 밀도 - 선형 시스템과 필터 - 신호의 왜곡 아날로그 통신  진폭변조(AM) - 변조의 필요성 및 기본 원리 - DSB-SC, DSB-TC (DSB-LC) - SSB, VSB - 반송파 추적 - 주파수분할 다중화, 수퍼헤테로다인 수신기  각변조(FM, PM) - 각변조 기본이론 - FM, PM신호의 생성법, 복조기술 - 각변조시스템에서 잡음의 효과 - FM 스테레오 (디지털 통신) 10장 디지털 대역통과변조 - ASK방식 (진폭천이 변복조) FSK방식(주파수천이 변복조)

강의 주제 강의 주제 11장 MATLAB 사용법 6장 디지털 통신의 기초(1)~(2) 1장 통신의 개요(1)~(2) 7장 부호화(1)~(2) 2장 주파수 해석(1)~(2) 8장 디지털 변조(1)~(3) 3장 신호와 여파기(1)~(2) 9장 다중화와 다중접속(1)~(3) 4장 진폭 변조(1)~(4) 10장 이동통신(1)~(2) 5장 각 변조(1)~(3) 통신이론 강의 내용 교재 : “최신통신이론”(생능출판사, 윤남일 저)

제1장

1.1 통신의 개요

-통신의 역사

•

1837년 모스의 유선 전신 시스템

• 미국의 발명가(화가) • 통신시스템에 실제로 생활에 활용되기 시작한 것 • 1844년 모스 부호를 사용하여 61Km떨어진 워싱턴과 볼티모어 간의 장거리 전보 통신에 성공

통신의 역사

•

1864년 맥스웰의 전자기파 예측

• 영국의 물리학자

• 파동방정식을 이용하여 빛의 속도로 움직이는 전자기파의 존재를 예

통신의 역사

•

1876년 벨의 유선전화기 발명

• 미국의 발명가

통신의 역사

•

1887년 헤르츠의 전자기파 증명

• 독일의 물리학자

통신의 역사

통신의 역사

•

1893년 테슬라의 무선통신 실험

• 오스트리아 제국(현재의 크로아티아) 출신의 미국인 발명가

통신의 역사

•

1895년 마르코니의 장거리 무선 전신 시스템 개발

• 이탈리아 물리학자

• 1901년 대서양을 횡단하는 3500Km 무선 전신에 성공하여 무선통신

통신의 역사

•

1906년 페선던의 진폭변조 라디오 방송 송출

• 캐나다 출생

• 진폭변조를 이용하여 음성과 음악을 전송하는 라디오 방송을 최초로

통신의 역사

•

1918년 암스트롱의 슈퍼헤테로다인 수신기

• 미국 과학자

• 1918년 슈퍼헤테로다인 수신기라는 효율적인 통신 수신장치 발명

통신의 역사

•

1937년 리브스의 펄스부호변조(PCM)방식 고안

• 영국인

• 디지털 통신의 시초라 할 수 있는 PCM 을 고안

통신의 역사

•

1991 GSM

통신시스템의 기본 구성



송신기, 수신기, 전송채널

 송신기에서 정보신호를 고주파인 반송파에 실어 변

아날로그 통신과 디지털 통신



아날로그 통신 시스템(AM, FM/PM)

-  - 

아날로그 통신과 디지털 통신



디지털 통신 시스템

전파란

 전자기파(electromagnetic wave)

 전파 = 전자파 = 전자기파

 전파전파(電波傳播) ⇒ 전파의 전달(propagation)

전파의 성질

전파의 성질



레이더(radar)

 전파의 직진과 반사 특성을 이용



회절(diffraction)

 파동이 장애물이나 좁은 틈을 통과할때 그 뒤편까지 파가 전달되는 현상  주파수가 높을수록 전파의 직진성이 좋아지고 주파 수가 낮을수록 회절이 잘 이루어진다.  2.1GHz 대역의 이동전화는 850MHz 대역의 이동전화 에 비해 더 많은 기지국을 세워야

전파의 전달

 시간적으로 변하는 전계는 자계를 발생

 시간적으로 변하는 자계는 전계를 유도

파장



파장(wavelength)

 전파가 진행하면서 주기적으로 변화하는 에너지 레 벨의 한 주기 동안 진행한 거리  진공에서 전파의 전달속도는 빛의 속도와 같다.  진공에서의 빛의 속도는 299,792,458m/sec  대략

]

[

]

/

[

]

[

Hz

s

m

m

f







변조와 복조

 광의의 변조 : 한 신호



-변조와 복조



반송파(carrier wave)

 정보신호를 전달해 주는 역할



정보신호

 변조파(modulating wave)  정보를 반송파에 싣기 위해 반송파를 가공한다.



전송신호

 피변조파(modulated wave)  『변조된 파』라는 의미  정보에 의해 반송파의 파형이 가공된 신호 형태

피변조파의 예

 아날로그 변조

1) Amplitude Modulation (AM): 2) Frequency Modulation (FM):

피변조파의 예

 디지털 변조

1) Amplitude Shift Keying (ASK) or ON/OFF Keying (OOK):

2) Phase Shift Keying (PSK):

3) Frequency Shift Keying (FSK):

) 2 cos( 1  A f_ct 0  0 ) 2 cos( 1 A f₁t ) 2 cos( 0 A f₀t ) 2 cos( 1 A f_ct ) 2 cos( ) 2 cos( 0 A f_ct  A f_ct

변조의 목적



변조의 목적은 고주파를 이용하는 목적과 같다.

 수신 안테나의 길이를 줄일 수 있다.

 원하는 주파수 대역으로 이동시킬 수 있다.

1-35

안테나 길이를 소형화



1/4 파장 안테나의 길이 계산

 음성 주파수 100Hz~4kHz를 고려하여 3kHz 신호 예  FM 방송 주파수 88Hz~108MHz 중 100MHz 신호 예  이동전화 대역 850MHz, 2.1GHz 신호 예  ⇒고주파를 사용할수록 안테나의 길이가 줄어든다. 참고 : AM라디오 방송 주파수 535~1605KHz

주파수 분할의 다중통신



예 : FM 방송의 주파수 분할

 89.1MHz, 91.9MHz, 107.7MHz 등 원하는 방송을 선

택해 들을 수 있다.

전자기 스펙트럼



백색광의 분광(spectrum) 현상

 프리즘 분광



전자기 스펙트럼(electromagnetic spectrum)

 전자기파를 파장이나 주파수의 분포로 나눈 것



주파수 대역(frequency band)

 통신이나 방송을 위해 할당된 전파의 주파수 범위  각 영역은 통신시스템에 이용되는 주파수의 분포를 보 다 편리하게 구분하기 위한 경계 표시

전자기 스펙트럼

Ultra vs. Super

전자기 스펙트럼



RF(Radio Frequency)

 RF는 통신에 사용되는 무선 주파수를 통칭하는 말  라디오(radio)는 무선이나 전파라는 뜻



밀리미터파(millimeter wave) : 파장이 mm인 전파



마이크로파(microwave)

 통상적으로 300MHz~30GHz사이(다른경우도 있음)  『micro-』는 파장이『작다』라는 의미로 사용



헤르츠(Hertz, Hz)

 주파수의 단위 [/sec]

 Hz 앞에 k(kilo), M(mega), G(giga), T(tera), P(peta)를

전파 관리



주파수와 공간이 한정된 천연자원이라는 인식

ITU(International Telecommunication Union)

초극초단파 센치미터파

주파수 대역폭



주파수 대역폭(frequency bandwidth)

 신호를 전달하도록 할당된 최고주파수와 최저주파수의 차  지상파 TV : 6MHz  AM 라디오 : 9kHz, FM라디오 : 200KHz  정보량이 많을수록 넓은 주파수 대역폭이 필요



전송로의 효율적 사용을 위해

 신호가 갖는 본래 주파수 대역폭을 제한하여 처리  음성신호 : 300Hz~3400Hz로 제한  오디오 신호 : 50Hz~15kHz로 제한 (*가청 주파수대역 20Hz~20kHz : 참고https://www.youtube.com/watch?v=qNf9nzvnd1k)

주파수 대역폭



주파수 대역과 채널 간에 할당 간격이 정해짐

 TV 방송대역

지상파 디지털 TV 방식



ATSC(advanced television system committee)

 미국식으로 우리나라도 채택  아날로그 TV와 6MHz 대역폭이 동일해 적용이 용이  하나의 반송파를 사용하는 8VSB 변조기술 적용  전송속도가 빠르고 대용량 전송으로 화질이 우수  이동 중이나 전파 방해가 많은 도심에서 수신율이 떨어지고 난시청 지역이 더 많다



유럽의 DVB(digital video broadcasting) 방식

 여러 개의 반송파를 사용하는 OFDM 기술을 적용

 한 채널로 여러 데이터를 전송할 수 있어 효율적

전송속도와 비트율



데이터의 전송속도를 나타내는 용어

 데이터 전송률(data transfer rate)

 =전송률(transfer rate)=데이터율(data rate)



데이터율은 『단위 시간당 전송되는 정보량』

 모든 단위 시간과 모든 정보량의 단위를 포괄

 비트율 (bit/s, bps)

 바이트율 (Byte/s, Bps)

전송속도와 비트율

 초당 비트 수(bit per second)의 공식 약자는 bit/s

 초당 바이트 수(byte per second)의 공식 약자는 B/s

채널 용량



채널 용량(channel capacity)

 『주어진 채널의 주파수 대역폭 단위 시간당 전송할 수 있는 최대 정보량』  전송 채널이 처리할 수 있는 이론적인 최대 용량, 최 대 전송능력, 최대 전송속도 



비트율과 채널 용량

 비트율은 전송속도를 나타내는 단위  채널 용량은 해당 채널이 허용하는 최대 비트율

채널 용량



섀넌(Shannon)의 채널 용량 공식

 채널의 대역폭을 B, 신호대잡음 전력비가 S/N이면  주어진 전송 채널대역폭을 통해 이론적으로 전송할 수 있는 최대 전송속도  (ex) S/N비가 63일 때, 최대 전송속도 54kbit/s를 만족 하기 위해 필요한 대역폭은?

위상과 주파수



라디안(radian)의 정의

 각도의 단위 : radian [rad], degree [°]

 원 주위를 따라 반지름 r만큼 진행한 각도

(1 rad = 약 57.3°)

Degree : 0°~360°

위상과 주파수



사인(sine)파의 정의

 위상 x에 대한 신호의 크기 y를

위상과 주파수



코사인(cosine)파의 정의

위상과 주파수



반복운동의 주기가 T일 때

 주파수(frequency) 혹은 진동수 f  단위 시간 동안 일어나는 반복 운동의 횟수  각주파수(angular frequency) 혹은 각진동수 ω  단위 시간 동안 진행하는 각도 (주기 T동안 2π 진행)  시간과 주파수 특성을 동시에 표현하면

신호의 표현



실제 신호는 여러 가지 주파수 성분이 섞여 있다

 각기 다른 주파수를 갖는 무수한 신호들이 모여 구성  시간적으로 불규칙해 수식으로 표현하기 불가능



대표 신호 사인파와 코사인파

 통신 신호의 해석에서 기본 신호의 형태로 사용  한 가지 주파수만을 가지고 있어 해석이 쉽고 수식이 간편

아날로그와 디지털 정보



통신에서의 정보(information)

 보내고자 하는 데이터, 음향, 영상 신호  아날로그(analog) 정보  무한한 개수의 크기(연속적)로 표현된 정보  디지털(digital) 정보  한정된 유한 개수의 원소(크기)로 표현된 정보

아날로그와 디지털 정보

아날로그와 디지털 정보



디지털 정보의 최대 장점은 생산성이 높다는 것

 탁월한 보존성으로 정보가 훼손 가능성이 적다  편집과 재생산이 용이해 시간과 비용이 절감  방대한 자료를 쉽게 검색  여러 사람이 자료를 공유  필름 없는 카메라처럼 자원절약 효과



디지털 정보의 단점

 악의적인 목적의 완벽한 복제와 정보 유출이 가능 정보의 보안성과 데이터 백업(backup)이 중요

MATLAB 실습 방법



11장 MATLAB 사용법을 먼저 공부하는 것이 좋다.

 MATLAB 기본 명령어  기호수학 도구상자  데이터 입출력 등을 익힐 수 있다



책에 실린 MATLAB 예제 실습 방법

 ① 문서 편집기를 이용해 소스 프로그램을 작성  ② 파일명은 ○○○.m으로 저장한다.  ③ 확장자 .m을 제외한 파일명 ○○○↙치면 실행 ④ MATLAB 명령 창이나 그림 창에서 결과를 확인

MATLAB 예제(1장)



1-1(42page) /4안테나의 길이 구하기

 전송신호의 중심주파수 : 600MHz



1-2(43page) UHF 전체주파수에서 TV 방송채널 1

개가 차지하는 비율 %단위로 구하기

 TV방송채널 주파수 대역폭 : 6MHz



1-3(43page) 채널용량 구하기

 대역폭 1.75kHz, 신호전력62W, 잡음전력2W

MATLAB 예제(1장)



기본적인 시간파형 그래프 그리기

 주파수f=5[Hz] (=10𝜋[rad/sec])인 사인파 그리기 sin 10𝜋𝑡  주파수 10[Hz](=20𝜋[rad/sec])인 사인파 그리기 sin 20𝜋𝑡  주파수 5[Hz]인 사인파와 코사인파를 한 화면에 그리기 sin 10𝜋𝑡, cos10𝜋𝑡

MATLAB 예제(2장)



2-1 (72page) 주기함수는 sin, cos함수 등의 합으로

구성됨을 확인

 53페이지의 그림2-5와 같음을 확인

2/

1/

O, X 퀴즈 1. 밀리미터파는 파장의 길이가 밀리미터 대역인 전파를 이야기한다. 【답】 2. 주파수가 더 높은 대역은 EHF > SHF 이다. 【답】 3. 전파의 주파수가 낮을수록 직진성이 좋아진다. 【답】 4. 전파의 주파수가 높을수록 장애물을 넘어서는 회절 능력이 좋아진다. 【답】 5. 전파가 전달된다는 것은 전자기 에너지가 전달되는 것이다. 【답】 6. 파장은 전파의 에너지 레벨이 최고치가 되는 구간 사이의 공간적인 최소거 리를 나타낸다. 【답】 7. 원주율 π의 정의는 원의 지름을 원의 둘레로 나눈 것이다. 【답】 8. 전파는 전계와 자계 성분을 가지고 있다.