[무선통신 시스템 설계] 2강. 변조의 기초 (Modulation Basics)

[무선통신 시스템 설계] 2강. 변조의 기초

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[일러두기] 이 글은 아래 강좌를 토대로 작성되었습니다. 일부 내용은 저의 생각 담아 첨삭하였습니다. 오류가 있을 수 있으니 강좌 원본을 꼭 함께 보아 주시기 바랍니다.

[Radio System Design] Module 2. Modulation Basics / David S. Ricketts

배우는 중이니 아래 글에 오류가 있다면 가차없는 지적 바랍니다.
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이번 편에서는 아날로그 변조(Analog Modulation)의 기초사항을 다룬다. 아날로그 변조의 종류를 크게 나열하면 다음과 같다.

아날로그 변조의 종류

• AM (Amplitude Modulation): 진폭변조
  - SSB
• FM (Frequency Modulation): 주파수 변조
• PM (Phase Modulation): 위상변조

변조가 필요한 이유

• 전자기파(electromagnetic wave, 줄여서 '전파')는 소리나 빛이 도달하지 못하는 곳까지 간다.
  - 빛(light)도 전자기파다. 여기서 말하는 전자기파는 수십 킬로 헤르츠(kHz)에서 수백 테라 헤르츠(THz)의 주파수를 가진 파동을 뜻한다.
  - 파장이 너무 긴 소리(수십 헤르츠에서 수십킬로 헤르츠의 파동, 전자기파라 할 수 없이 속도도 느림)나 너무 짧은 파장의 빛(수백 나노미터, ~100 nm)은 지형지물에 차단되고 멀리 전달되지 않는다.
  
• 전자기파의 특성
  - 회절: 건물, 산에 부디쳐 경로가 휨. 중파의 특성
  - 반사: 얇은 금속판에도 쉽게 반사. 단파의 전리층 반사
  - 투과: 전기적 성질이 없는(부도체) 벽 투과. 초단파, 2.4GHz 대역의 WiFi 신호
  - 흡수: 테라 헤르츠의 극초단파는 대기 중 습기에도 흡수된다.
  - 회절, 반사, 투과, 흡수를 격으면 감쇄가 일어난다.
  
• 반송파(carrier wave) 만으로는 정보를 담을 수 없다.
  - 전자기파가 멀리 도달 한다지만 정보를 담으려면 변조 되어야 한다.
  - 변조는 반송파에 변화(change, modification)를 가하는 것.
  - 전신 통신은 반송파의 단속: 반송파에 가하는 가장 단순한 변화다.
  - 전파 과학기술: 인위적으로 전자기파를 생성과 변경이 가능
  - SSB: carrier suppressed ?
• 주파수 대 별 특성 활용
  - 변조의 범위: 반송파 주파수의 10% 이내에서 변화
  - 중, 단파: 신호파의 대역이 좁은 음성 진폭변조. 느린 속도의 디지털 통신. 채널 대역폭 10kHz 이내
  - 초단파: 주파수 변조 다채널(스테레오) 음성 방송. 채널 대역폭 100kHz 이내
  - 극초단파: 다채널 디지털 변조. 고속전송. 다중화 통신. 채널 대역폭 수MHz
      * 고속전송: 데이터 압축으로 동일 시간내 대량 데이터 전송. 작은 전송오류에 대량 데이터 유실. 높은 신뢰성 요구.
      * 부가정보: 오류 정정 및 복원용 부호, 다중화를 위한 경로 주소 삽입은 전달 내용보다 클 때가 허다하다(redundancy).

변조(Modulation)란 무엇인가?

• 전파(radio wave)
  - 인공적인 유도(전선, 도파관, 광케이블 같은 전송로)없이 공간에 퍼져 나가는 전자파
  - 전자기파의 일종으로, 진동수 3KHz부터 3THz까지의 전자기파를 의미

[그림출처] 위키사전 '전파'

• 정보가 담긴 신호(information signal)를 반송파(carrier wave)에 얹는(convey) 것
  - '얹는다'를 수학적으로 표현하면 두 사인파의 곱하기
  예) 삼각함수의 곱을 합으로 바꾸는 공식 [링크]
  - 전자회로: 믹서(Mixer)
• 정보신호는 대역폭(여러 주파수의 사인파가 섞여있으므로)을 가진다.
  - '섞는다'의 수학적 표현은 여러 사인파의 더하기
  예) 푸리에 급수 [링크] [급수(Seriese) vs. 변환(Transform)]
  예) what is a Fourier series? drawing with circles [링크]
• 반송파는 단일 주파수의 고주파 전자기파다.
  - 정보신호가 전파에 실려 공중으로 복사(radiation, 방출/퍼져나감)된다.
  - 주기를 가진 파동의 수학적 표현: 삼각함수
  - sin(ωt) vs. cos(ωt) : 동일한 것으로 취급
  - In-Phase: I = cos(ωt)
  - Quadrature Phase: Q = sin(ωt) [In-Phase에 비해 1/4 주기 차이]
• 정보신호의 대역에서 가장 높은 주파수는 반송파보다 작아야 한다.
  f < 0.1 f_c
• 이 조건을 극복하기 위해 다양한 전자회로와 변조방식이 개발된다.
  - 제한된 대역폭 내에서 더많은 정보를 담기 위한 노력
  - 디지털 데이터 압축 후 디지털 변조 (digital modulation)
  - 다중화 (multiple access)

변조(Modulation)라고 말할 때는,

• 정보(information)을 전송 가능한 형태로 바꾸는 행위
  - 전송가능한 형태란?
  - 무선전파, 전기신호(유선통신), 광 등
• 정보를 구성하는 자료(data)에 의해 전기 신호가 뀌는 것
• '자료가 전기신호로 바뀜'은 잘못된 표현이다.
  - '자료'는 변함 없어야 한다.
  - 전기전자 신호가 바뀌는 것

변조의 종류 (Types of Modulation)

• 신호의 특성은 정보에 따라 달라짐
• 전파신호(RF Signal)의 특성
  - 진폭(Amplitude)
  - 주파수(Frequency)
  - 위상(Phase)

• 정보를 전송하려면 전파의 특성(진폭, 주파수, 위상)을 변경
  - 아날로그 변조: 정현파 기반의 연속적 변화. 무선통신용으로 자연공간으로 복사(radiation)
  - 디지털 변조: 구형파 기반의 단속적 변화. 유선전송용으로 공간에 복사되지 않음. NRZI, PWM 등
• 디지털 선송선(예: USB 케이블, 디지털 회로기판 상의 배선)은 전파장애를 잃으킬 지언정 전파신호 복사가 일어나지 않는 이유?

변조 방식을 선택할 때 고려사항

• 복잡성(Complexity)
  - SSB는 효율적이나 복잡한 시스템(회로)을 요구한다 
• 소요되는 대역폭(Bandwidth)
  - FM 변조는 음질은 좋으나 넓은 대역폭을 요구한다.
• 잡음에 대한 강인성(Sensitivity to noise)
  - 공간잡음(자연 잡음은 정보없는 진폭변화다)에 강한 주파수 변조(FM)는 음질이 좋다.
• 비선형 성에 대한 강인성 (Sensitivity to non-linearity)
  - 음성 통신: 진폭변조 vs 주파수변조
  - 데이터 통신: FSK vs PSK
  - Modulation vs Shift-Keying의 차이?
• 기타등등.... (경제성, 사회문화, 기후환경, 지형환경)

진폭변조(Amplitude Modulation)

• 정보신호를 단일 주파수의 정현파와 시간영역에서 곱하는 것(multiplication)
• 정보신호(baseband)
  - 정보를 담기 위해 연속된 변화하므로 대역폭(band)을 가진다.
  - 여러 주파수 성분의 합으로 연속신호다.
• 반송파(carrier)
  - 단일 주파수의 정현파(single-tone sinusoidal)
  - 안테나를 통해 공간으로 복사(radiation)되려면 단일 주파수 일 것
• 정보신호에 의해 반송파의 진폭이 변한다.

시간/주파수 영역에서 보는 진폭변조

• 시간영역(Time Domain) vs 주파수영역(Frequency Domain)
  - 정현파를 다루는 관점의 차이
  - 상호 등가 변환

• 진폭변조:
  - 시간영역에서 보면 곱셈(Multiplication in Time-Domain)
  - 주파수영역에서 보면 합성곱(Convolution in Frequency-Domain)

합성곱(convolution) 이란?

합성곱, 또는 콘벌루션(convolution)은 하나의 함수와 또 다른 함수를 반전 이동한 값을 곱한 다음, 구간에 대해 적분(겹침 영역을 구함)하여 새로운 함수를 구하는 수학 연산자이다. [위키사전]

합성곱을 취하므로서 고정시킨 함수 X(ω)가 필터 역할을 하면서 들어오는 입력신호 Y(ω)를 가공하는 것으로 해석할 수 있다[나무위키].

* 합성곱의 응용은 통계처리 기반의 결정에 사용된다. 신경망 기법, 신호처리, 영상처리 등에 응용된다.

[참조] But what is a convolution? [ https://youtu.be/KuXjwB4LzSA ]

[참조] Introducing convolution: intuition+Convolution Theorem [ https://youtu.be/N-zd-T17uiE ]

합성곱(Convolution), 상호상관(Cross-Correlation), 자기상관(Auto-Correlation) 비교

반송파를 고정함수라 하고 정보신호를 입력신호라고 하면 변조는 주파수 영역에서 합성곱으로 해석할 수 있다. 아래 그림에서 적색 그래프를 음성신호 스펙트럼이라하고 청색 그래프를 반송파 스펙트럼이라 하면 합성곱으로 변조된 스펙트럼을 구할 수 있다. 이상적인 반송파 스펙트럼은 델타 함수에 가까워야 변조된 신호에 왜곡이 없다.

진폭변조된 신호의 주파수 변환 (AM Frequency Conversion)

• 업-컨버젼(Up-Conversion): 낮은 주파수 대역의 정보신호를 고주파 전파신호로 변환하는 과정(송신기)
• 다운-컨버젼(Down-Conversion): 고주파 전파신호에서 정보신호 주파수 대역으로 낮추는 과정(수신기)

• 수퍼 헤테로다인 방식 송수신기에서 고주파 전파 신호를 만드는 방법
  - 고안정 고주파 발진기가 없이 단계적 주파수 변환
  - 이미지(음의 주파수) 신호 활용
  - 이미지 신호와 실신호 간격을 넓혀놓을 것
  - 복잡한 회로: 손실, 왜곡

• 직접변환(Direct-Conversion) 송수신기: 가변 고안정 고주파 발생기(DDS,  Direct Digital Synthesizer)의 출현으로 중간 주파수 변환없이 전파신호 생성

진폭변조 신호를 무선전파(Radio Frequency)로 변환 후 반송파

• 전송할 신호 이외의 dc-성분(dc-component)이 포함되어 에너지가 낭비된다.
• 이미지 신호(음의 주파수)를 실신호(양의 주파수)로 끌어올리게 되어 양측파를 전송하게 된다.
• 단측파 만으로도 정보신호를 복원 할 수 있으므로 양측파를 전송할 필요는 없다.
• 양측파로 인한 점유 주파수 대역이 넓어진다.
• 반송파 억압 단측파대(SSB, Suppressed Single Side Band)의 활용
  양측파대 대신에 단측파대만 쓰는 만큼 주파수 대역폭(Bandwidth)이 절감되고(주파수 효율성이 상대적으로 좋고) 전력(Power)효율성 및 페이딩 대처능력이 향상되는 장점이 있지만 음질이 떨어진다는 단점이 있으며, 수신기의 가격도 비싸지는 단점도 있다. SSB 수신기의 경우 해당 유입 신호에 RF회로 내부에서 반송파를 주입하는 형태로 수신하는 방식을 쓰기 때문. [참고]
• 진폭변조의 다양한 형태
  - 반송파 포함 양측파대 (Double Side Band)
  - 반송파 억압 양측파대 (DSB-SC, Suppressed Carrier)
  - 반송파 억압 단측파대 (SSB, Suppressed Single Side Band)
• 억압시키는 방법
  - 대역통과 필터: 아날로그 또는 디지탈
  - 주파수 영역에서 위상 변환 (디지털 신호처리, DSP)

주파수 변조(Frequency Modulation)와 위상변조(Phase Modulation)

• 변조는 공간으로 복사 가능한 고주파 반송파를 변화시켜 정보를 싣는 것.
• 전파신호의 표현식에서 변화 시킬 수 있는 요소
  - 진폭 (Amplitude)
  - 주파수 (Frequency)
  - 위상 (Phase)

• 주파수 변조와 위상변조는 기본적으로 같은 것
  - 파동의 삼각함수 표현에서 각도 부분을 변화시키는 것

• 시간-주파수 상호 등가변환
  - AC (alternating current)신호: 모든 파동은 한 주기 내에 0을 지날 것
  - FM 과 PM은 한 파동이 0을 지나는 시간 간격(주기)변화를 일으킨 것과 같다.

위상에 대한 생각?

• 시간-주파수 변환(예, Fourier Transform)의 실수항과 허수항으로 표현된다.
• 위상차는 시간영역에서 주기의 변화를 잃으키며 이는 주파수 영역에서 주파수 변화를 의미한다.

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<처음><계속>

[무선통신 시스템 설계] 1강. 기본 정의(Basic Definitions)

[무선통신 시스템 설계] 1강. 기본 정의(Basic Definitions)

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[일러두기] 이 글은 아래 강좌를 토대로 작성되었습니다. 일부 내용은 저의 생각 담아 첨삭하였습니다. 오류가 있을 수 있으니 강좌 원본을 꼭 함께 보아 주시기 바랍니다.

[Radio System Design] Module 1. Basic Definition / David S. Ricketts

배우는 중이니 아래 글에 오류가 있다면 가차없는 지적 바랍니다.
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내용

이 앞으로 무선통신을 다루면서 자주 등장할 몇가지 기본개념들을 간단하게 짚어보기로 한다.

• 신호를 다루는 두가지 관점
  - 시간 영역 (Time Domain)
  - 주파수 영역 (Frequency Domain)
• 전파 신호를 다룰때 사용하는 단위, '데시벨'
  - dB
  - dBm
  - dBc
• 필터 특성의 규정 (Filter Specifications)
  - 차단 및 통과 주파수 (Frequency)
  - 특성 량 (Power in dB)
  - 대역폭 (Bandwidth)
  - Q
  - 삽입손실 (Insertion Loss)

신호를 다루는 관점1: 시간영역(Time Domain)

• 우리가 다루려는 '신호(signal)'는 파동(wave)이다.
• 우리가 사는 세상은 시간순으로 발생하는 사건들이다.
• 사건들을 표현할 때 '시간(time)'을 독립변수로 사용한다.
• 관찰하기 쉽지만 여러 신호가 합성된 경우 구성 성분을 파악하기 어렵다.

신호를 다루는 관점2: 주파수 영역(Frequency Domain)

• 신호는 여러 주파수를 가진 파동들의 조합이다.
• 시간순 배열의 사건을 주기성을 가진 성분의 분포로 바꿔놓을 수 있다.
• 주기적(periodic) 이라는 말에 시간(time)과 반복(frequent)의 의미를 모두 내포하고 있다는 점에 주목하자.
• 주파수(frequency)를 독립변수를 두고 사건의 구성을 표현한다.
• 분석은 일정 시간 구간 내에서 한정된다. 시간은 무한히 흘러가지만 주파수 구간은 유한 범위내에서 이뤄진다.

주파수의 표현

• 주파수(frequency): 고정된 시간 간격을 두고 반복되는 횟수
• 각 주파수(angular frequency): 등속도로 원운동하는 회전자의 회전수
• '고정된 시간 간격' 과 '등속도로 원운동'은 같은 말이다.
• 주파수 f 와 각주파수 ω 와의 관계: ω = 2πf
• 2π 는 회전자(phasor)가 원 둘레를 한바퀴 돌았을 때 각도를 값으로 나타낸 것이다.
• 위상차를 따로 취급할 때가 아니라면 우리는 한바퀴 돈 '횟수'를 따질 것이다. 2πf 에서 '주파수'는 초당 회전자가 한바퀴 돈 횟수를 뜻한다.

신호를 관찰하는 장비들

• 오실로스코프(oscilloscope): 시간영역에서 신호의 크기를 보여주는 장비
• 스펙트럼 아날라이져(spectrum analyzer): 주파수영역에서 신호의 성분을 보여주는 장비

두 영역의 상관 관계

• 시간영역에서 기록된 신호는 주파수영역으로 분석될 수 있다.
• 퓨리에변환(Fourier Transform): 두 영역 사이의 변환과 역변환
• 서로 가역변환이다. 관점만 다를뿐 동일한 정보를 가진다.

시간영역에서 주파수영역으로 신호분석 예: 필터링 (Filtering)

• 구형파(square wave): 시간영역에서 보면 단순한 사각형이지만 주파수 영역에서 보면 매우 다양한 주파수의 사인파들이 합성된 왜곡파다.
• 시간영역의 구형파를 주파수영역으로 변환하면 다양한 주파수 성분들이 나타난다.
• 필터링(filtering): 그중 가장 세력이 큰 주파수 성분만을 가려내서 시간영역으로 복원하는 것
• 변환과 복원
  - 변환 분석(Analysis): 시간영역에서 수집한 신호를 주파수 영역으로 변환
  - 필터링: 불필요한 주파수 성분 제거
  - 역변환 복원(Recover): 시간 영역으로 복원
• 필터링(Filtering)
  - 변환(Forward transform)과 역변환(Inverse Transform) 과정은 계산상 불리
  - 시간-주파수 변환은 분석, 판단, 시현을 위해 활용
  - 직접 필터링 알고리즘 사용(FIR Filter)

음의 주파수 (Negative Frequency)

• 주파수는 일정 시간(초)당 한주기 파의 갯수다.
• 시간순으로 사건을 기록하는 실생활에서 주파수는 항상 양수다.
• 시간은 항상 한방향으로만 흐른다. 시간의 기준을 뒤로 미룬다 해도 주기적인 파동은 변함이 없다.
• 시간은 절대적 기준이다. 하지만 과거 사건들을 기록해 둘 수는 있다. 예를 들면, 사진, 디지털화 된 파동 샘플 등

자연계에서 일어나는 사건은 항상 대칭성을 갖는다. 주파수도 대칭성을 가져야 하므로 0을 기준으로 양수쪽 주파수에 대칭인 음수의 주파수가 존재한다. 이 주파수를 이미지(image) 신호라 한다. 영어 'image' 를 그대로 번역해 '영상' 신호라고 하는 경우가 있는데 좀 어이없다. 0을 기준으로 거울에 비친 듯이 대칭이라는 뜻이다.

음의 주파수를 가진 신호는 실행활에서는 감지할 수 없더라도 수학으로는 표현 되어야 한다. 음의 주파수 신호는 두 파동을 섞을 경우 실제 세계로 발현된다. 이는 실험으로 그리고 수학 표현으로 일치한다. 'image'는 '가짜' '허구' 혹은 '가상'이 아니다. 이런 대칭의 이미지를 표현하기 위한 수학이 도입 됐는데 바로 허수체계(imagenary numbers)다.

• 파동의 표현: 직교하는 실수 축과 허수 축 평면상에서 회전자(phasor)의 궤적 표현, (r, θ)
  - 원점에서 거리, r(t) 과 실수축 에서 반시계 방향 각도 θ(t)
  - r 과 θ는 모두 시간의 함수
  - 시간은 절대적이다. 한방향으로 흐른다(음수가 없다).
  
• 회전자의 r(t)=1로 고정된 회전자의 움직임을
  - 실수 축의 움직임을 시간상 투영한 궤적: cos(θ)
  - 허수 축의 움직임을 시간상 투영한 궤적: sin(θ)
• 회전자의 실수 궤적과 허수 궤적은 동시에 존재한다.
• 회전자의 회전방향에 따른 각도의 부호
  - 반시계방향: 양의 각도, 양의 주파수
  - 시계방향: 음의 각도, 음의 주파수
• 주파수는 회전자의 초당 회전수
  - 양의 방향으로 회전: 양의 주파수
  - 음의 방향으로 회전: 음의 주파수
• 회전자가 만드는 궤적(파동)의 특징
  - cos()는 양의 방향으로 돌든 음의 방향으로 돌든 동일
  - sin()은 양의 방향으로 회전하는 파동과 음의 방향으로 회전하는 파동은 부호가 반대
  
• 삼각함수의 매개인자(parameter)는 각도
  - 시간에 따라 변하는 각도
  - 1파장: 회전자가 한바퀴 회전 했을 때 거리
  - 각도를 시간당 회전수(주파수)로 표현
• 주파수 영역에서 분석
  - 파동은 회전자가 한바퀴 돈 것으로 간주한다.
  - 주파수 분석: 초당 몇회전하는 파동인지 알아내는 것.
  - 주파수를 삼각함수의 인자로 바꿈
  - 각도와 회전수는 모두 차원이 없는 숫자
  - 각주파수(angular frequency): 초당 회전한 바퀴수 = 초당 360도 x 회전수
  - 주파수(f) = 회전수(ω) : ω = 2πf

데시벨 (decibel, dB)

전파를 다루는 무선공학자들(RF engineers)은 척도로 로가리듬(logarithm)을 즐겨 사용한다. 눈금(scale) 간격이 우리가 늘 보면서 익숙한 등간격(evenly spaced)이면 얼마나 좋은가. 등간격은 거듭 더하는 횟수다. 로가리듬은 거듭 곱하는 횟수다. 아무래도 덧셈이 곱셈보다 쉬운데 말이다.

그럼에도 로가리드믹 눈금(logarithmic scale)을 사용하는 이유는,

• 곱셈을 덧셈으로 바꿀 수 있다.
• 범위가 큰 숫자를 다루기 편리하다/보기 좋다.
• 별것 아닌 걸로 뭔가 있어보이는 척할 수 있다.

데시벨(decibel, dB)은,

• 전력 배율(증폭율)을 10을 밑(base)으로 로그를 취한 것이다.
• 지수만 취하니 숫자가 너무 작아서 10배 했다.
• 시스템의 성능은 입출력의 증폭(amplify) 또는 감쇄(attenuate) 비율이다.
• dBm은 소신호를 다룰 때 숫자가 너무 작아서 1000배한 것
• 전력을 표시할 때 사용된다. (배율의 분모를 1와트, 1미리와트로 둔다.)
• 무선통신에서 전파를 다루는데 있어서 숫자의 범위가 너무 크다. (송신은 Kilo 단위, 수신Micro 단위: 변화폭 10^9)

무전기 사양서 읽기

고조파(Harmonics) 방출: -50dB 이하

• 원하는 주파수의 방출량에 비해 1만분의 1
  - 7Mhz에서 1와트 출력일 때 14Mhz, 21Mhz 등의 고조파 방출량은 10u와트
• 출력 대비 고조파 방출량도 증가하므로 비율로 표시

반송파 및 측파대 억제: 50db 이상

• 유효신호 대비 불요신호 억제의 정도 10만분의 1 이상

감도

• 증폭은 신호는 물론 잡음도 증폭한다.
• 신호의 전압이 0.2uV 일때 이를 구분할 수 있다. (증폭곡선 참조)

전파의 전력(RF Power)

• 고주파 전파의 전압과 전류를 측정하는 것은 매우 어렵다.
• 자연계에 존재하는 신호(인공적인 변조포함)는 여러 주파수 성분이 혼합된채 존재한다.
• 순간적으로 변화하는 전압을 측정하기 보다 일정 시간 간격을 두고 평균을 취하는 방식으로 측정한다.
• 고주파 전력 측정 법
  - 부하저항 양단의 전압으로 측정
  - 저항 손실 분은 온도 측정 (전기적 측정분 외의 손실분)
  - 부하저항은 50옴으로 표준: 안테나(antenna), 더미 로드(dummy load)

출력 측정 예:

• 부하저항 없이 전력을 잴 수 없다. 오실로스코프로 전압을 살피는 것은 전압파형 관찰일 뿐 전력이 아니다. [전류 흐름이 없음]
• 50옴짜리 부하저항을 연결 했을 경우 멀티미터 교류 전압은 실효 전압이 아니다.
• 실효전압은 RMS 전압이다.
• 다이오드로 반파정류 후 컨덴서 평활화된 전압(V_peak)을 측정한 후 유효전압(V_RMS)과 부하저항(50옴)을 적용하여 전력계산

[참조] SSB 와 AM 변조된 전파의 파형 모습과 출력전력 측정치 [링크]

간이형 QRP용 전력 측정 장치의 예

[1] 12W Dummy Load / Power Meter, https://qrpguys.com/12w-dummy-load-power-meter

[2] 2W 더미로드 / 출력 표시기

요약 [dB, dBm, dBc]

입출력 비율(Ration)식 이다. 분모와 분자의 단위에 유의해야 한다.

필터 (Filter)

• 특정 주파수에 반응 (Frequency selective response)
• 주파수(대역)을 차단 또는/그리고 통과 시키는 역활을 하는 부품(하드웨어 또는 프트웨어)

필터의 역활

아날로그 vs 디지탈 필터

• 아날로그 필터 설계 툴
  https://rf-tools.com/lc-filter/
• 디지탈 필터 설계 툴
  http://t-filter.engineerjs.com/

필터의 성능을 판단하는 평가요소

• 차단과 통과 사이의 전환 대역폭(Transition Band)
  
• 디지털 필터:
  - 높은 정밀도와 안정성 실현 (부품 삽입 손실이 없다)
  - 엄청난 계산량을 요구하므로 실시간 처리는 계산 능력에 좌우된다. 
  - 적응성: 대역폭, 통과와 억제 비율을 필요에 따라 변경 가능하다
  - 셀계용이하다. 시뮬레이션으로 필터 성능 평가
  - 대역폭이 좁은 베이스 밴드 처리 용
• 아날로그 필터:
  - 정밀도가 낮다.
  - 사용된 부품(코일, 콘덴서)의 물리적 특성(주파수, 온도 등)에 영향을 받는다.
  - 적응성이 없다.
  - 부품의 안정성이 보장되지 않으므로 시뮬레이션 평가와 일치하지 않는다.
  - 디지털 변환이 필요 없으므로 간단하다.
  - 고주파 전파 처리용

필터의 구조

• 아날로그 필터 (LC Network)
  - L 과 C 의 결합 (임피던스 매칭)
  
• 디지털 필터
  - 곱셈과 덧셈의 연속
  

현대적인 직접 변환 무선장비 (Modern Direct Conversion Radio)

• 초고속 아날로그-디지털 변환(ADC) 칩의 일반화
• 주파수 가변 PLL
• 곱셈과 덧셈을 빠르게 수행하는 FPGA
  
• 고주파 믹서(RF Mixer) 마져 디지털로 실시간 실현!

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<계속>