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제2장 통신의 기본 개념 (Basic Concept) (D)

1.6 변조(Modulation)

변조는 데이터를 멀리 보내기 위해서 캐리어 신호에 데이터 신호를 실는 것을 말한다. 이렇게 설명하면

이해가 바로 안 될 수가 있다. 물론 바로 이해하면, 전자 공학에 타고 났다고 할 수 있을 것이다. 그럼, 차근

차근 알아 보도록 하자.

우선, 캐리어가 무엇인지 알아야 할 것이다. 캐리어 신호는 사인파 형태의 고주파 신호를 말한다. 일상에서

AM라디오의 주파수 대역이 550-1600Khz, FM 이 88-108Mhz, TV 가 52-88Mhz, 174-216Mhz, 470-

900Mhz 를 사용하는데, 이 주파수가 바로 캐리어 신호의 주파수를 말하는 것이다. 그런데, 왜 고주파여야

할까? 이건 전자기학과 관련되는 것인데, 신호가 시간적으로 변해야 에너지가 전파하기 때문이다. 그럼, 직류

신호는 캐리어로 못 되는가? 당연하다. 절대 안된다.

다음은, 이러한 물음이 생길 수 있다. "변조를 왜 하는 걸까?" 모든 공부가 다 그러하듯이, 새로운 것을 접할

때, 우선 왜 새로운 개념이 생겼는가에 대한 물음부터 던지고 공부해야 할 것이다. 그럼, 변조는 왜 할까에

대한 대답은 아래와 같다.

1. 신호를 멀리 보낼 수 있다.

2. 멀티플랙싱이 가능하다.

3. 작은 안테나를 사용할 수 있다.

4. 여러 캐리어 신호들이 동시에 전송될 수 있다.

변조하지 않고 그냥 데이터 신호만 보내면 안 될까? 당연히 안 된다. 왜냐하면, 일상의 거의 모든 데이터들이

저주파에 몰려 있기 때문에 멀리 전송이 안되기 때문이다.

변조의 기본적인 원리를 다이어그램으로 나타내면 다음과 같다.

즉, 정보를 가진 신호를 캐리어 신호에 곱하면 변조된 신호가 된다.

그럼, 이제 변조 방법에는 어떠한 것들이 있는지 알아 보자. 각각에 대한 설명을 볼려면 클릭하세요.

?? 아날로그 변조: 아날로그 데이터 신호에 대해서 변조하는 것으로 다음의 3가지로 보통 나뉜다.

1. 진폭 변조(Amplitude Modulation, AM)

2. 주파수 변조(Frequency Modulation, FM)

3. 위상 변조(Phase Modulation, PM)

?? 디지털 변조: 디지털 데이터 신호(0 또는 1)에 대해서 변조하는 것으로 다음의 두가지로 보통 나뉜다.

1. 펄스 변조(Pulse Modulation)

2. 키잉 방식(Keying Scheme)

진폭 변조 방식(AM) 여기서는 변조 방식중에 진폭 변조에 대해서 알아본다. 진폭 변조는 캐리어 신호의 크기가 데이터 신호의

크기에 의존해서 변한다.

1. 진폭 변조의 특징은 다음과 같다.

① 장점 : 회로가 간단하다, 비용이 적게 든다.

② 단점 : 전력 효율이 안 좋다, 잡음에 약하다.

2. 진폭 변조의 해석

일반적인 데이터 신호를 사용하여 변조를 해석하기에는 아주 복잡하기 때문에 대부분의 교재에서도 그렇지만,

데이터 신호를 하나의 주파수 성분만 가진 코사인 함수를 이용해서 변조방식을 해석한다. 아래는 이러한

방식으로 해석한 것이다.

① 반송파 : vc=Vcm·sin2πfct (Vcm:반송파의 최대값, fc:반송파의 주파수)

② 신호파 : vs=Vsm·cos2πfst (Vsm:신호파의 최대값, fs:신호파의 주파수)

③ 진폭변조파 : vAM =(Vcm + Vsmcos2πfst)·sin2πfct

=Vcm·sin2πfct + 1/2·Vsm·sin2π(fc+fs)t+1/2·Vsm·sin2π(fc-fs)t => 캐리어 크기 성분에 신호가

더해진다.

(fc : 반송파 주파수, fc+fs : 상측파 성분, fc-fs : 하측파 성분)

위의 그림은 데이터 신호 f(t)를 AM 변조하는데 있어서, 시간영역과 주파수 영역에서 해석한 것이다. (d)가

일반적인 AM이고, (b)는 DSB-SC(Double SideBand-Suppressed Carrier)라고 해서 피변조 신호에 캐리어의

에너지가 나타나지 않는 방식인데, 잘 사용되지 않는다.

3. 진폭 변조 회로

그림 출처:Electronic Town

4. 주파수 해석

?? 점유 주파수 대역폭 : 하측파대에서 상측파대까지 피변조파(변조된 신호)의 주파수 대역.

B=2f sm (단, fsm : 신호파의 최대주파수)

5. AM 의 전력소모

?? 반송파 전력 :

?? 상측파 전력 :

?? 하측파 전력 :

?? 피변조파 전력 :

?? 반송파와 측파대의 전력비 →

f. m=1일 때, 반송파→전체전력의 2/3, 양측파(메세지 있음)→전체전력의 1/3

6. DSB 와 SSB

위의 방식은 Double Side-Band(DSB) 방식이고, 이 방식의 주파수 대역이 같은 것을 감안해서

대역폭의 반만 이용해서 전송하는 방식을 Single Side-Band(SSB) 방식이라 한다. 아래 그림은

SSB 방식의 과정을 나타냈다.

o DSB에 대한 SSB의 특징

a.전력 절약

b.점유주파수 대폭 1/2로 됨.

c.송·수신 장치 복잡

7. 변조도

① 변조도 : 변조의 정도를 나타내는 것. ×100[%]

② m<1 : 이상없음.

a. m=1 : 100[%]변조. 아래 그림과 같다.

b. m>1 : 과변조→위상반전, 일그러짐이 생김, 순간적으로 음이 끊김. 아래와 같다.

8. 진폭 변조 회로

① 컬렉터 변조회로(직선변조회로) → C 급 증폭으로 동작

a. 컬렉터에 신호파를 가함.

b. 직선성이 대단히 우수

c. 거의 100%까지 변조가능.

d. 큰 변조 전력이 요구됨(결점)

② 베이스 변조회로(제곱변조회로) → C 급 증폭으로 동작

a. 베이스에 반송파와 신호파를 가함.

b. 컬렉터 변조에 비교하여 훨씬 작은 변조 신호 전력이 요구됨

c. 일그러짐이 컬렉터 변조 회로보다 크고 효율도 나쁨.

d. 변조도를 크게 할 수 없음.

③ 링변조 회로

a. 피변조파대에서 반송파를 제거하고 상측파대와 하측파대만을 얻는 회로. 평형 변조 회로

b. 단측파 통신에 이용.

c. 단측파대를 얻고자 할 때 필터회로를 부착.

d. 특징-소형, 경제적, 낮은 전력

④ 평형 변조 회로

a. 반송파 제거 통신 방식이나 단측파대 통신 방식의 변조회로로 쓰이는 회로.

b. 반송파가 제거되면 양측파대(상하측파대)만 나옴.

c. 링변조 회로와 같은 방식.

9. 진폭 변조의 복조 회로

복조는 변조파로부터 신호파를 얻어내는 것을 말하며 검파라고도 한다.

신호파는 반송파의 주파수를 임의로 변화시켜도 변조파에 접해있는 곡선 즉, 변조파의 포락선과

일치한다.

1) 포락선 복조 회로(직선 복조 회로)

a. 다이오드의 전압 전류 특성의 직선 부분을 이용하도록 입력 전압을 충분히 크게 하여 복조하는

방식.

b. 입력 전압의 피크가 증대할 때 출력전압이 입력 전압의 포락선에 충실히 따르려면 시정수 RC 를

크게해 주어야 함.

c. 비직선에 의한 일그러짐이 작다.

위의 그림은 RC 값에 따라서 포락선의 윤곽을 나타낸 것이다.

2) 제곱 복조 회로(자승 검파 회로)

a. 비직선 소자의 제곱 특성을 이용한 복조 방식.

b. 직선 검파기에 비해 검파 능률이 낮고 일그러짐도 크기 때문에 특수한 경우만

사용→비교적 진폭이 작은 진폭 변조파의 복조에 사용.

주파수 변조 방식(FM) 여기서는 변조 방식중에 주파수 변조에 대해서 알아본다. 주파수 변조는 캐리어 신호의 주파수가 데이터

신호의 크기에 의존해서 변한다.

1. 주파수 변조의 특징

① 장점 : 진폭에 영향을 받지 않음, 페이딩에 덜 민감.

② 단점 : 대역폭이 넓어짐, sidelobe 가 많이 생김.

2. 주파수 변조의 해석

① 주파수 변조시 피변조파의 순시 각주파수 ω : ω=ωc +Δωccosωst

여기서, 반송파 : vc=Vcmsinωct , 신호파 : vs=Vsmcosωst , 최대주파수편이 : Δωc=2ωΔfc

② 변조지수 : 최대주파수편이 Δfc 와 신호주파수 fs의 비, 이 값이 클수록 측파대(Sideband)에

존재하는 주파수 성분이 많음을 의미한다.

mf=(최대주파수편이)/(신호주파수)=Δfc/fs=Δωc/ωs

③ 실용적 주파수 대역폭 : B=2fs(mf +1)=2(Δfc+fs)≒2fs·mf =2Δfs(mf》1일 때)

≒2·fs(mf《1일 때)

④ 주파수 변조된 피변조파 : vFM=Vcmsin(ωct + Δωc/ωs sinωst)

위의 그림을 보면 (A)가 데이터 신호이고, (B)가 변조된 신호인데, (B)를 보면 피변조파의 변화가

데이터 신호의 크기에 비례함을 알 수 있다. 이것이 주파수 변조의 원리이다.

3. 주파수 변조 회로

1) 직접 FM 방식

① 정의 : 발진 회로의 발진 주파수를 신호파의 진폭에 비례해서 직접 변화시키는 방법

② 구성 : 발진 회로의 발진 주파수를 변화시키는 방법-리액턴스 트랜지스터, 가변 용량

다이오드(바리캡)등을 사용한다.

③ 실효 인덕턴스 : Le=hieRC/hfe

실효 용량 : Ce=hfeRC/hie

2) 간접 FM 방식

① 정의 : 위상 변조에 의해 간접적으로 FM 파를 만드는 것

② 동작 원리 : 신호파 주파수 fs 에 반비례하고, 위상이 90°다르게 하는 보정회로(적분회로)를 통해

위상 변조를 시켜서 FM 파를 얻는다.

3. 주파수 변조의 복조 회로

주파수 판별회로 : FM 파에 실린 신호를 재생할 때 FM파를 진폭변조파로 변화시킨 다음 이것을

신호파로 복조하는 회로.

1) 포스트실리 판별회로

① 주파수 편이가 작은 범위에서는 직선적으로 되나 주파수 편이가 크면 S 자형의 특성이 됨.

② 단점 : 입력 진폭에 의한 복조 감도가 변하므로 판별 회로의 앞에 별도의 진폭제한 회로를

삽입해야 함.

2) 비검파 회로

① 포스트실리 회로와 다른점

a. 다이오드 D1, D2의 접속 극성이 다름.

b. 단자 A-C 사이에 용량이 큰 콘덴서 C6이 병렬로 접속됨.

c. 출력전압을 얻는 방법이 다름.

d. 진폭변동에 민감하지 않으므로 별도의 리미터 회로가 필요 없음.

② 동작

a. a-b 간의 전압 :

b. c-d 사이에서 얻어지는 검파출력 : (R1=R2일 경우)

b. C6 및 R1, R2가 진폭 제한 작용을 함.

위상 변조 방식(PM) 여기서는 변조 방식중에 위상 변조에 대해서 알아본다. 위상 변조에서는 데이터 신호의 크기에 의해서 캐리어

신호의 위상이 변화된다. 위상 변조는 주파수 변조와 함께 각변조(angle modulation) 라고 하며, 수식에서

캐리어 신호의 각 성분에 포함되어서 변조하는 방식이기 때문에 이러한 말이 생겼다. 위상 성분을 한번

미분하면 각주파수 성분이 되므로 PM 변조된 신호도 carrier 의 주파수가 바뀌는 것처럼 보인다. 그러나, FM

신호는 데이터 신호(modulating signal)의 진폭이 클 때 높은 주파수가 되지만 PM 신호는 데이터 신호를

한번 미분한 값이 클 때, 즉, 데이터 신호의 기울기가 큰 값을 갖는 부분에서 높은 주파수가 됨을 볼 수 있다.

여기서는 이 두 변조에 대한 비교를 위주로 설명한다.

1. 각 변조의 해석

각 변조의 일반적인 용어와 각각의 변조에 대한 수식은 아래와 같다.

즉, 주파수 변조와 위상 변조의 피변조파에서 차이는 캐리어 신호의 각 성분에 데이터 신호가 그대로

포함되냐 아니면 적분되어서 포함되냐의 차이라고 할 수 있다. 그럼, 좀 더 시각적으로 설명하기 위해서

구형파와 사인파의 데이터 신호에 대한 피변조파의 결과를 아래 그림으로 보자.

위에서 설명한 바와 같이, 각 데이터 신호에 대한 변조 결과를 보면, FM 신호는 데이터 신호의 진폭이 클 때

높은 주파수가 되고, PM 신호는 데이터 신호를 한번 미분한 값이 클 때, 즉, 데이터 신호의 기울기가 큰 값을

갖는 부분에서 높은 주파수가 됨을 볼 수 있다. 따라서 다음과 같은 각 변조를 위한 상호 관계의 블록

다이어그램을 생각할 수 있다.

즉, 위상 변조 신호는 데이터 신호를 한 번 미분해서 주파수 변조를 해서 얻을 수 있고, 주파수 변조 신호는

한 번 미분한 데이터 신호를 위상변조해서 얻을 수 있다.

그러면, 주파수 영역에서 FM 과 AM 의 차이를 아래 그림으로 설명한다.

위의 그림에서, 주파수 변조는 데이터 신호의 주파수가 작을수록 측파대에 존재하는 주파수 개수가 많고,

고주파의 데이터 신호일수록 주파수 개수가 작고, 크기가 작다는 것을 알 수 있다. 그림에서는 나타나

있지는 않지만, 총 측파대의 주파수 개수는 같다. 크기가 작으므로 소모 전력은 줄어든다. 그리고,

위상변조는 데이터 신호의 주파수에 관계없이 측파대에 존재하는 주파수 개수는 같지만, 대역폭이 달라 짐을

알 수 있다.

2. 위상 변조 회로

위상 변조 회로는 위에서 설명한 각 변조의 상호 관계를 이용해서 간단히 만들 수 있다. 즉, 주파수 변조에

대한 구현 회로가 이미 다 나와 있으므로, 굳이 위상 변조에 대한 새로운 회로를 만들 필요 없이 미분기와

주파수 변조 회로를 적용시켜서 만들면 된다.

펄스 변조(Pulse modulation)

펄스 변조는 말 그대로 펄스를 변조하는 것이다. 여기서 펄스라는 것은 구형파 열(Pulse Train), 상승

코사인(Raised Cosine) 펄스 열, 싱크(sync) 펄스(Nyquist Pulse)가 될 수 있다. 일반적인 디지털 통신

교재에는 구형파 열을 사용한 펄스 변조를 예를 들면서 개념을 설명한다.

=>Pulse Train

그렇다면, 펄스 변조를 왜 하는 걸까? 그 이유는 아날로그 신호를 디지털로 전송하기 위해서이다.

1. 종류

펄스 진폭 변조(PAM)

펄스 폭 변조(PWM or PDM)

펄스 위상 변조(PPM) 연속 레벨 변조

펄스 주파수 변조(PFM)

펄스 수 변조(PNM)

펄스 부호 변조(PCM) 불연속 레벨 변조

델타 변조(ΔM)

2. 펄스 변조 방식

① 펄스 진폭 변조(PAM) : 데이터 신호 레벨에 따라 펄스의 진폭을 변화시킨다.

=>Pulse Train

② 펄스 폭 변조(PWM, PDM) : 신호 레벨에 딸라 펄스폭(pulse duration)을 변화시킴.

③ 펄스 위상 변조(PPM) : 신호 레벨에 따라 펄스의 위상이 변한다..

④ 펄스 주파수 변조(PFM) : 신호 레벨에 따라 주파수가 변화된다. 신호 레벨이 크면 펄스 주기가

짧아지고 주파수가 높아진다.

=>Pulse Train

⑤ 펄스 수 변조(PNM) : 신호 레벨에 따라서 펄스 수를 변화시킨다.

⑥ 펄스 부호 변조(PCM) : 신호를 표본화한뒤 얻어진 PAM 신호를 양자화 하여 양자화 된 값을

기저대역신호(Baseband Signal)로 변조하는 방식이다. 즉, 원래의 정보는 표본화되어 양자화되고,

다시 몇 비트의 코드워드(code word)로 부호화 (encoding)되고, 기저 대역에서의 전송을 위하여

코드워드는 다시 펄스 파형으로 변환되는 것이다. 양자화는 신호의 크기를 나누어주는 방법에따라

양자화와 비균일 양자화로 나눈다.

위의 그림은 PCM 의 단계를 나타내었고, 좀 더 구체적으로 묘사하면 아래와 같다.

⇒⇒⇒

(표본화)

(양자화) ⇒⇒⇒ (부호화)

양자화에 대해서 좀더 설명하자면, 아래 그림과 같다.

위의 그림은 16레벨의 양자화이며, 각 레벨에 해당하는 코드를 정의해 두고서 입력 신호의 크기에

따라서 그 코드를 생성시킨다.

⑦ 델타 변조(ΔM): 신호 레벨을 일정한 계단파에 근사화시켜 레벨이 커져 갈 때는 양의 펄스로,

작아져 갈 때는 음의 펄스로 바꿈.

3. 변조 회로

1) PAM : 원래의 신호를 표본화 하는 회로는 그대로 PAM 변조 회로가 된다.

2) PWM: 신호파에 톱날파를 가해서 이것을 일정한 레벨로 자른 다음 증폭해서 만든다.

3)PPM

① 신호파의 레벨에 대응시켜 펄스의 위상을 변화시키는 PPM 파는 먼저 PWM 변조 회로로써

PWM 파를 만든다.

② 다음 PWM 파를 미분한 다음 다이오드로 양의 펄스만을 출력시켜서 만든다.

4)PFM: 아날로그 변조에서 주파수 변조와 위상 변조의 경우와 같이 신호를 적분 회로를 통해서 PPM

회로에 가하면 PFM 파가 얻어진다.

4. 복조 회로

☞펄스 복조 회로 : 수신측에서 수신한 펄스파에서 신호분(정보)을 빼내는 회로.

1) PAM

① PAM 파는 저역필터(적분회로)로 복조할 수 있다.

② 주파수 성분에 대해 생각하면 PAM파의 고주파 성분(펄스)이 콘덴서를 통해 접지로

흐르고 남은 신호분을 출력 단자에서 빼낼 수 있도록 한 것이다.

2) PWM: PWM 파의 복조도 PAM 과 같이 적분 회로로 할 수 있다.

3) PPM : PPM 파를 PAM 파로 변환하고, PAM 복조 회로로 신호파를 빼냄.

4) PFM : PPM 과 같게 해서 신호파를 빼냄.

확산 대역 전송

** 확산 대역 기술

통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때, 주로 시스템이 신호의 에너지와 대역폭을 이용하는 것에

대해 고려한다. 물론 대부분의 통신 시스템에 있어서 그것은 중요한 이슈이다. 하지만 그 외에도 시스템이

외부적인 간섭 현상에 대항하고, 낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며, 외부 제어 없이도 다중 접속 능력을

제공하고, 외부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공해야 하는 상황이 있을 수가 있다. 여러 가지 무선 통신

기술 중에서 확산 대역 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기술이다.

확산 대역 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는 통신용 제품들에 주로 적용되고 있다.

확산 대역은 과거에 군사용 디지털 통신용으로 사용되던 기술이었다. 현재는 확산 대역을 무선 LAN에

적용한 상업적 응용들도 다수 존재한다. 웨어하우징을 위한 통합 바코드 스캐너, 팜탑 컴퓨터, 라디오 모뎀

장치와 디지털 셀룰러 전화 통신, 그리고 팩스 교환, 컴퓨터 데이터, 전자우편, 멀티미디어 데이터 등을 위한

광대역 네트워크를 구축한 소위 "정보화 사회"를 위한 핵심 기술이 바로 확산 대역 기술인 것이다.

확산 대역 기술은 협대역 방식과는 정반대로 전송하고 싶은 정보를 필요한 최저 한도의 대역폭으로 전송하는

것이 아니라 의도적으로 그것보다 더 확실하게 넓은 주파수 대역폭을 사용하여 정보를 전송한다. 즉, 1비트를

보내는 데 여러 주파수를 사용한다. 송신측에서는 PSK(Phase Shift Keying: 위상 변조)와 FSK(Frequency

Shift Keying: 주파수 변조)라고 하는 일반적인 변조 방식을 사용하여 일차 변조를 행한다. 또한 이 일차

변조파의 대역폭을 넓히기 위해서 이차 변조를 행한다. 이 과정을 확산 변조라고 한다. 수신측에서는 확산

변조된 신호를 원래대로 받기 위해서 이차 복조 혹은 역확산시킨다. 역확산된 신호는 송신측에서의 일차

확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 마지막으로 일차 복조(통상적인 복조)를 행한다

확산 대역은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다. 이러한 특성 때문에 신호를 다른 사람이 감지하기가

상당히 어렵다. 또한 확산 대역 신호는 가로채거나 복조하기도 비교적 어렵다. 나아가서 협대역 신호에 비해

좀처럼 방해받지 않는다. 이러한 낮은 차단 가능성(LPI: Low Probability of Intercept)과 잼(Jam) 방지 특성은

과거 오랫동안 군사용 목적으로 사용된 확산 대역 방식의 유용성을 말해주는 것이다. 확산 대역의 통신

방식에는 DSSS 방식과 FHSS 방식 두 가지가 주로 사용되고 있다.

직접 시퀀스 확산 대역(DSSS)

DSSS 방식은 전달될 각 비트에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다. 이 비트 패턴은 칩(chip)이나 chipping

code 라고 불린다. 칩이 크면 클수록, 원래의 데이터가 복원될 가능성이 커진다(물론, 더넓은 대역폭이

요구된다). 칩 안에 있는 하나 혹은 그 이상의 비트가 전송될 동안 손상을 입을 수 있지만, 무선 장치에

적용된 통계적인 기술로 신호를 재 전송할 필요 없이 복원이 가능하다. 관계없는 수신기에 대해서는 DSSS 는

저 에너지의 광대역 노이즈로 인식되며, 대부분의 협대역 수신기들은 DSSS 신호를 무시한다.

다시 말해, DSSS 방식은 스펙트럼을 확산시켜야 할 신호에 이 신호가 갖는 대역폭에 비해 충분히 넓은

스펙트럼을 가진 확산 부호를 이용하여 협대역 신호에서 광대역 신호로 변환하는 방식이다. DSSS 방식은

신호를 확산함으로서 그 에너지를 분산시킨다.

데이터 시퀀스로 변조된 반송파를 광대역 확산 신호(spreading signal)로 직접 변조하여 주파수 대역을

확산시키는 것을 DSSS 방식이라 한다. 이 +1 과 -1로 구성된 확산 신호는 확산 시퀀스, 확산 코드, 또는

코드 시퀀스라고 부른다. 주파수 대역에 확산된 신호를 전송하면 전송 신호는 잡음, 간섭, 신호 방해 등에

의해 변형되어 수신기에 도달한다. 수신기에서는 송신기에서 사용한 것과 동일한 확산 신호를 이용하여

수신 신호의 확산된 대역을 대역환원(despread)한다. 이 대역환원된 신호를 복조하면 원하는 데이터

시퀀스가 얻어진다. +1, 또는 -1을 곱하는 것은 위상을 반전시키는 것과 같으므로, 변조에 위상 변조

방식인 BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 또는 MSK(Minimum

Shift Keying) 등이 주로 사용된다.

주파수 도약 확산 대역(FHSS)

FHSS 방식은 발신기와 수신기 모두가 알고 있는 패턴의 범위 내에서 주파수를 변화시키는 협대역의

반송파를 사용한다. 수신기와 발신기 양측이 적절하게 동기화되면, 하나의 논리적인 채널로 유지되는 효과를

얻을 수 있다. 관계없는 수신기에 대해서는 FHSS 는 지속성이 짧은 임펄스 노이즈로 인식된다.

다시 말해, FHSS 방식은 스펙트럼을 확산시켜야 할 신호의 반송파 주파수를 어떤 특정한 패턴에 따라

시간적으로 전환해 감으로서 시간평균으로 협대역 신호를 광대역 신호로 변환하는 방식이다.

데이터 시퀀스로 변조된 반송파의 주파수를 주파수 합성기에 의하여 불규칙적으로 바꿈으로서 주파수 대역을

확산시킨다. 송신기에서 하는 변조 작업을 주파수 도약이라 하고 이 장치를 주파수 도약기라고 한다.

수신기에서는 주파수 환원기(dehopper)가 송신기와 정반대의 방법으로 반송파 주파수를

도약환원(Dehopping)함으로써 주파수 대역을 환원시킨다. 변조에는 주파수 변조 방식인 BFSK(Binary

Frequency Shift Keying) 또는 MFSK(M-ary FSK) 등이 주로 사용된다.

DSSS 와 FHSS 방식의 비교

DSSS 와 FHSS 방식은 기술적으로 상호 보완적인 장단점을 가지고 있다. 그러므로 두 방식의 장단점을

열거해 보는 것이 DSSS 방식과 FHSS 방식을 비교하는 가장 좋은 잣대가 될 것이다(<표 2>).

방 식 장 점 단 점

DSSS

? 우수한 잡음과 잼 방지 성능을 가지고 있다.

● 가로채기가 어렵다.

● 다중경로(Multipath: 신호가 여러 경로로

분산되어 도달하는 효과) 효과에 강력하다.

? 상대적으로 작은 위상 왜곡과 함께 큰 대역폭 채널

을 필요로 한다.

● 긴 PN(Pseudo Noise) 코드 때문에 오랜 포착

시간(Acquisition Time)을 필요로 한다.

● Near-to-far problem 이 상존한다. Near-to-far

problem 이란 여러 송신기 중에서 수신기에 보다

가까운 송신기의 과도한 전력이 신호를 파괴하는

효과를 일컫는다.

FHSS

? 방대한 양의 확산을 제공한다.

● 스펙트럼의 분할을 피하기 위한 조정이

가능하다.(예를 들어, 다른 시스템에 넘기거나,

주파수 선택성 페이딩의 적용을 받을 수 있다)

● Chip rate가 현저하게 적기 때문에

상대적으로 짧은 포착 시간을 요구한다.

● DSSS 가 가지고 있는 Near-to-far

problem 에 영향을 받지 않는다.

? Hop을 생성하기 위한 복잡한 주파수 합성기가 필요

하다.

● 에러 보정이 필요하다.

<표 2> DSSS 와 FHSS 방식의 비교

무선 LAN 구현 방식에 우세한 FHSS 방식

FHSS 기술 적용 사례 - RDC PortLAN

2.4GHz 의 ISM 주파수 대역 상에서 FHSS 기술을 적용한 무선 LAN 제품으로 당사가 상용화하고 있는

이스라엘의 무선 LAN 업체인 RDC Communication 의 PortLAN 시스템을 소개한다. 이 시스템은 휴대형

컴퓨터 사용자들에게 사내 기간망 상의 망 자원과 연결된 상태에서 최대한의 이동성을 제공한다는데 주안점을

둔 제품이며, 무선 LAN 제품군에서 안정된 성능을 인정받고 있다.

이 시스템은 두 가지 요소로 구성되어 있다. Access Point(AP)는 무선 셀을 제어하며 이더넷 기간망과의

브리지 역할을 수행한다. User Unit 은 ISA 나 PCMCIA 정합장치로 구성되어 있으며, 랩탑 컴퓨터에 부착할

수 있을 정도로 작고 가벼운 정합장치가 추가된다. PortLAN 소프트웨어는 노벨 네트웨어, LAN 메니저 등,

TCP/IP 기반의 대부분의 네트워크 운영체제를 지원하는 드라이버로 구성되어 있다. 또한 SNMP 네트워크

메니지먼트 에이전트도 포함한다. 그리고, 네트워크를 모니터링하고 관리하기 위한 HP OpenView 기반의

그래픽 어플리케이션도 포함되어 있다. 부가적으로 고급 보안 기능과 포터블 컴퓨터의 10%에 달하는 저전력

소모 기능도 가지고 있다.

PortLAN의 주요한 특징을 열거해 보면 다음과 같다.

?? 안정되고 대중적인 FHSS 방식을 적용하였고, 트래픽에 최적화된 MAC(Medium Access Control) 프

로토콜 사용한다.

?? 하나의 셀 범위는 직경 1600미터이다.

?? 1 Mb/s 전송율에 최적의 성능을 보이며, 사용자 수의 증가에 영향을 거의 받지 않는다. 최대 전송율은

3 Mb/s 이상이다.

?? 뛰어난 로우밍(Roaming) 능력으로 작은 작업 공간에서부터 대형의 멀티 셀 환경에 모두 적합하다. AP

는 이더넷과 무선 간의 투명성을 제공하는 브리지 역할을 수행한다.

?? 보안: Frequency Hopping 알고리즘, Data Scrambling, AP에서의 사용자 인증

?? 저전력 소모: 일반 포터블 컴퓨터의 10에서 15%에 달하는 전력 소모량을 보인다.

구 성 라 디 오 일 반

User: 386 PC 이상; DOS

or Windows; ISA or

PCMIA Type II 인터페이

스; Card and Socket

Services 지원

AP: 386/40 MHz PC 이상;

DOS 5 이상; 4MB RAM;

최소 2 ISA 슬롯 (Radio

Digital Board, Ethernet

Card)

Distance: 환경에 따라

다름

Free Space: 820 m (2,700

ft.) (AP 에서 사용자까지의

반경)

Office: 100-150 m (300-

주파수 밴드: 2,400-2,500

MHz (무허가 ISM 밴드)

적용기술: Frequency

Hopping Spread Spectrum

(FHSS)

변조방식: FSK(주파수 변조)

출력: 10 mW or 100 mW,

소프트웨어 제어 가능

안테나: 전방향 수신 가능

옵션: 거리 확장이 가능한

고품질 안테나; 전송율 1

Mb/s 가 허용되는 지역에서

사용 가능; 최대 3 Mb/s

까지도 사용 가능

면적: 11.5 x 8 x

2 cm (User

Unit Radio)

무게: 170 g.

(User Unit

Radio)

전력 소비:

포터블 컴퓨터의

배터리 소모량의

15% 정도

사용온도: 0 -

50°C

450 ft.) (AP 에서

사용자까지의 반경)

Cell 당 사용자 수: 일반

20 - 64 까지. 디자인에

따라서 무한대

유선 LAN: 이더넷. IEEE

802.3 과 이더넷 패킷

NOS 지원: Novell

Netware 3.X, 4.X, Lan

Manager TCP/IP,

Windows for Workgroup,

etc.

Drivers: ODI, NDIS

<표 4> PortLAN 의 기술적 규격

<그림 6>은 광주에 소재하는 대형 백화점의 Point Of Sale(POS) 망을 PortLAN을 이용하여 구축한

구성도이다. 이 8층짜리 백화점은 총면적이 24,000 평방미터이며, 당면 문제는 네트워크의 오류를

방지하면서 어떻게 POS 의 이동성을 보장하느냐에 있었다. 즉, 구성 네트워크의 핵심 요구 사항은 백화점의

POS 환경의 특성을 그대로 반영한 '고밀집 멀티-셀 환경에서 비용의 증대없이 쉽게 POS 터미널을 재배치할

수 있어야 한다'는 것이었다.

무선 LAN을 이용하면 이 문제는 쉽게 해결된다. 케이블이 연결되어 있지 않으므로 기존 유선 LAN으로

구축했을 경우에 비하여 POS 단말기를 마음대로 이동시킬 수 있을 뿐 아니라, 심지어는 상점의 바깥에서도

POS 단말기를 사용할 수 있게 된다.

이 사례에서는 초고속의 데이터 전송이 필요없으며 물품이나 고객에 의한 전파 방해 상황이 많이 발생할 수

있는 POS 통신망의 성격을 최대한 고려하여 FHSS 방식의 PortLAN을 최적의 솔루션으로 결정하였다. 이

프로젝트의 개요는 다음과 같다.

- 어플리케이션: POS 통신망

- 핵심 요구 사항: POS 단말기의 쉬운 재배치

- Access Point 수: 22개

- 무선 노드의 수: (8개 층에 걸친) 160대

- AP와 POS간 거리: 주로 90m

- 사용된 제품: PortLAN*ISA User Unit(TEC POS 터미널에 장착), PortLAN*AP Access Point

- 장점: 성능의 지속성, 우수한 Roaming, 많은 수의 사용자, 안정된 데이터 처리