PSK와 QAM에 대한 설명

디지털 변조의 종류에는 ASK, FSK, PSK, QAM등이 있다.

그 중 PSK는 디지털 신호에 따라 반송파의 위상을 변화시키는 변조방식으로 한 번에 변조시킬 수 있는
비트 수에 따라 2진, 4진, 8진, M진(M=2ⁿ) PSK가 있다.
PSK는 일정한 진폭을 가지므로 전송로에 의한 레벨변동에 강하고 심벌 에러도 우수하다.
PSK의 종류와 각 특성을 알아본다.

[BPSK]
Binary Phase Shift Keying, PSK의 일종으로 디지털 신호의 0, 1에 따라 2종류의 위상을 갖는 변조
방식이다.
BPSK의 일반식은 디지털 신호가 1일 때 S(t)=Acoswt 라고 하면, 신호가 0일 땐 S(t)=Acos(wt + π)
이다.
서로 다른 신호간 위상이 180도 차이가 나는것이다.

만일 1010이 입력된다고 하고 1이 sin파라고 하면 다음과 같은 출력으로 변조되어 전송된다.

PSK는 w라는 반송파 주파수를 가지고 있으므로 수신시에도 w라는 주파수를 사용하는 동기검파 방식만
가능하다.

[QPSK]
QPSK의 블록 다이어그램을 보면 다음과 같다.

BPSK는 한 번에 한 bit씩 처리하지만 QPSK는 2개의 bit가 들어오면 직병렬 변환기에서 직렬 2bit를
병렬로 1개 bit씩 나뉘어 처리하게 된다. 그만큼 속도가 빨라지게 되는 것이다.

입력되는 파형은 I채널과 Q채널로 분리되어 1이 들어오면 I채널이면서 +진폭으로, 0이 들어오면
Q채널이면서 -진폭의 값으로 변환된다.
여기서 I채널은 Acoswt이고 Q채널은 Asinwt 이면 I채널은 +Acoswt이고 Q채널은 -Asinwt 이 된다.

최종 출력에 대한 일반식은 I채널에서 Q채널을 뺀 것으로 S(t)=A{d_I(t)coswt - d_Q(t)sinwt} 이다.
이 일반식에서 진폭은 일정한 값을 갖는다.

상기의 값에 A배 한 진폭이 되는 것이다.

위상은

으로 d_I(t)에 ±1이, d_Q(t)에 ±1이 올 수있다. 이를 표와 성상도로 표현하면 다음과 같다.

만일 1100 1001이 들어온다고 할 때 이를 위상으로 표현하면 아래와 같다.

QPSK는 위상이 틀어지면 데이터가 깨지기 때문에 전송로가 좋은곳에서 사용되며 근래에 사용되는
대표적인곳은 CDMA의 기지국에서 단말기까지의 통신에 사용되고있다.

[OQPSK]
BPSK가 널리 사용되지 않는 이유는 180도의 위상차가 발생하는 부분이 있기 때문인데 180도 위상변화는
많은 대역폭이 소요되므로 그렇다.
QPSK도 마찬가지로 불연속 구간과 180도 위상차가 발생하는 부분이 있어서 전력이 풍부한
기지국에서는 사용될 수 있으나 PCS단말기기에선 사용할 수 없다. 그래서 90도 위상차만 발생하도록
Q채널을 T/2씩 delay를 하여 전송하는 방식이 OQPSK이다.

11001001로 입력된 신호를 I, Q채널로 나누면 아래와 같고

채널들을 아래와 같이 한 뒤

Q채널을 T/2 만큼 delay 시키면 아래와 같다.

이렇게 하면 180도 위상차가 발생하는 구간이 없어져서 전력손실을 많이 줄일 수 있다.

여기서 불연속 구간을 조금 완만하게 하기 위하여 T/2 지연회로 전단에 sine filter를 추가하여 불연속
구간을 약간 곡선처리 할 수 있는데 이런 변조방식을 sine filtered OQPSK 혹은 MSK라고 한다.
(FSK계열의 MSK와는 다르다.)

[QAM]
Quadrature Amplitude Modulation은 M진 PSK의 직교성 변조원리를 진폭변조까지 일반화시킨 것으로
볼 수 있다.

블록도는 다음과 같다.

PSK와 매우 유사한 구조를 보이고 있다.
여기서 왼쪽에서 첫번째와 세번째의 bit는 극성을 나타내며 두번째와 네번째의 bit는 진폭을 나타낸다.
첫번째와 세번째의 bit가 1이면 (+), 0이면 (-)를, 두번째와 네번째 bit가 1이면 0.821V, 0이면 0.22V가
된다.

I channel과 Q channel에 각 각 4가지 경우의 수가 있으며 결과는 16가지의 경우의 수가 발생한다.
이를 16QAM이라 한다.
일반식은 S(t)=U_I(t)coswt - U_Q(t)sinwt 이고 진폭과 위상은

이다.

진폭은 0.311, 0.850, 1.161로 세가지 경우가 나오며 PSK와 비슷한 16QAM의 위상도는 아래와 같다.

QAM은 속도가 빠르나 오류 발생의 경우도 있어서 전송로가 좋은 위성이나 방송등에 사용되고 있다.