다중레벨 변조와 보오레이트

Multilevel Modulation // 다중레벨 변조

많은 변조 방식이 높은 비트 전송률을 구현할 수 있습니다. 예를 들어, 주파수 편이 키잉(FSK)은 일반적으로 각 심볼 간격에서 두 개의 다른 주파수를 사용하여 이진 0과 1을 나타냅니다. 따라서 비트 전송률은 보드 속도와 같습니다. 그러나 각 심볼이 두 비트를 나타내는 경우 네 개의 주파수(4FSK)가 필요합니다. 4FSK에서 비트 전송률은 보드 속도의 두 배입니다.

PSK는 또 다른 인기 있는 예입니다. 이진 PSK를 사용할 때 각 기호는 0 또는 1을 나타냅니다(표 참조). 이진 0은 0°이고, 이진 1은 180°입니다. 기호당 비트가 하나이므로 보드율과 비트 전송률은 동일합니다. 그러나 기호당 여러 비트를 쉽게 구현할 수 있습니다.

 

예를 들어, 사분위 PSK에서는 심볼당 2비트가 있습니다. 이 배열과 보드당 2비트를 사용하면 비트 전송률은 보드 전송률의 두 배입니다. 다른 형태의 PSK는 보드당 더 많은 비트를 사용합니다. 보드당 3비트를 사용하면 변조는 8PSK가 되어 3비트를 나타내는 8개의 다른 위상 이동이 됩니다. 그리고 16PSK를 사용하면 16개의 위상 이동이 심볼당 4비트를 나타냅니다.

 

다중 레벨 변조의 고유한 형태 중 하나는 직교 진폭 변조(QAM)입니다. QAM은 다양한 진폭 레벨과 위상 변화를 혼합하여 여러 비트를 나타내는 심볼을 만듭니다. 예를 들어, 16QAM은 심볼당 4비트를 인코딩합니다. 심볼은 다양한 진폭 레벨과 다양한 위상 변화를 혼합한 것입니다.

 

성상 다이어그램은 일반적으로 각 4비트 코드의 캐리어의 진폭 및 위상 조건을 설명하는 데 사용됩니다(그림 2). 각 점은 특정 캐리어 진폭 및 위상 이동을 나타냅니다. 총 16개의 심볼은 심볼당 4비트를 인코딩하여 궁극적으로 보드율보다 비트율을 4배로 늘립니다.

16QAM의 성상 다이어그램

Why Multiple Bits Per Baud? 보오당 멀티비트 사용 이유

보오당 1비트 이상을 전송함으로써 더 좁은 채널에서 더 높은 데이터 전송률을 전송할 수 있습니다. 가능한 최대 데이터 전송률은 전송 채널의 대역폭에 의해 결정됩니다.

데이터의 1과 0이 번갈아 나타나는 최악의 경우를 가정하면 주어진 대역폭 B에 대한 최대 이론 비트 전송률 C는 다음과 같습니다.

C = 2B

또는 최대 비트 전송률에 대한 대역폭은 다음과 같습니다.

B = C/2

1Mbit/s 신호를 전송하려면 다음이 필요합니다.

B = 1/2 = 0.5 MHz or 500 kHz

심볼당 여러 비트를 사용하는 다중 레벨 변조를 사용할 때 최대 이론 데이터 전송률은 다음과 같습니다.

C = 2B log2N

여기서 N은 심볼 인터벌 당 심볼 수입니다.

log2N = 3.32 log10N

원하는 속도에 필요한 특정 수의 다양한 레벨의 대역폭은 다음과 같이 계산됩니다.

B = C/2 log2N

예를 들어, 심볼당 2비트와 4개 레벨로 1Mbit/s 데이터 속도를 얻는 데 필요한 대역폭은 다음과 같이 결정할 수 있습니다.

log2N = 3.32 log10(4) = 2

B = 1/2(2) = 1 /4 = 0.25 MHz

고정 대역폭에서 원하는 데이터 속도를 얻는 데 필요한 심볼 수는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

log2N = C/2B

3.32 log10N = C/2B

log10N = C/2B = C/6.64B

이전 예를 사용하면 250kHz 채널에서 1Mbit/s를 전송하는 데 필요한 심볼 수는 다음과 같이 계산됩니다.

log10N = C/6.64B = 1/6.64(0.25) = 0.602

N = log–1 (0.602) = 4 symbols

이러한 계산은 잡음이 없는 채널을 가정합니다. 잡음을 고려하려면 잘 알려진 섀넌-하틀리 법칙이 필요합니다.

C = B log2 (S/N + 1)

C는 초당 비트 단위의 채널 용량이고 B는 헤르츠 단위의 대역폭입니다. S/N은 신호 대 잡음 전력 비율입니다.

상용 대수의 관점에서

C = 3.32B log10(S/N + 1)

 

30dB S/N을 가진 0.25MHz 채널에서 최대 속도는 얼마입니까? 30dB는 1000 대 1 S/N으로 변환됩니다. 따라서 최대 속도는 다음과 같습니다.

C = 3.32B log10(S/N + 1) = 3.32(.25) log10(1001) = 2.5 Mbits/s

 

섀넌-하틀리 법칙은 그 이론적 결과를 얻기 위해 다중 레벨 변조를 사용해야 한다고 구체적으로 언급하지 않습니다. 이전 절차를 사용하면 심볼당 필요한 비트 수가 드러납니다.

log10N = C/6.64B = 2.5/6.64(0.25) = 1.5

N = log–1 (1.5) = 32 symbols

 

32개의 기호를 사용하면 기호당 5비트(25 = 32)가 됩니다.

 

Baud Rate Examples 보오레이트 예제

거의 모든 고속 데이터 연결은 어떤 형태의 광대역 전송을 사용합니다. Wi-Fi 무선은 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 변조 방식에서 QPSK, 16QAM 및 64QAM을 활용합니다. WiMAX 및 Long-Term Evolution(LTE) 4G 셀룰러 기술도 마찬가지입니다. 케이블 TV와 고속 인터넷 액세스는 16QAM 및 64QAM을 활용하여 아날로그 및 디지털 TV를 제공하는 반면 위성은 QPSK 및 다양한 버전의 QAM을 사용합니다.

 

공공 안전을 위한 육상 이동 무선(LMR) 시스템은 최근 음성 및 데이터 4FSK 변조에 대한 표준을 채택했습니다. 이 "협대역화" 노력은 채널당 필요한 대역폭을 25kHz에서 12.5kHz, 그리고 결국 6.25kHz로 줄이도록 설계되었습니다. 결과적으로 스펙트럼 할당을 늘리지 않고도 추가 무선에 대한 채널이 더 많아질 것입니다.

 

미국의 고화질 TV는 8레벨 잔류 사이드밴드 또는 8VSB라고 하는 변조 방식을 사용합니다. 이 방식은 8개의 진폭 레벨에 대해 심볼당 3비트를 사용하여 10,800개의 심볼/초 전송이 가능합니다. 심볼당 3비트에서 이는 3 x 10,800 = 32.4Mbit/초의 총 비트 전송률을 나타냅니다. 하나의 전체 사이드밴드와 다른 사이드밴드의 잔류 부분만 전송하는 VSB와 결합하면 고화질 비디오 및 오디오를 6MHz 폭의 TV 채널에서 전송할 수 있습니다.

 

<출처> 

Texas Instrument에서 다운로드 받은 Electronic Design Library 중

"What's the differences: Serial Communications" 내용 번역 정리 업로드 자료임