[펌]아날로그 변조 -AM과 FM

[출처] http://blog.naver.com/jjongwerny/110026660988

아날로그 변조 -AM과 FM

1. 알아 두어야 할 사항 혹은 약속
1> 주파수[frequency] - 1동안에 진동한 횟수, 전파, 전파수의 주파수 등을 모두 프리퀀시라고 지칭합니다. 주파수와 시간은 서로 역수 관계입니다. 즉, 주파수를 역수를 취하면, 1번 진동하는데 걸린 시간이 되며, 시간을 뒤집으면 1초에 몇 번 진동하는 가를 표시하게 됩니다.
예를 들어서 2Hz라는 주파수는 1초에 2번 진동한다는 뜻입니다. 이를 역수를 취하면 0.5초가 나옵니다. 이는 1번 진동하는게 걸리는 시간이 0.5초라는 뜻입니다. 이를 정리한 공식은 다음과 같습니다.

f = 1/T(f는 주파수, T는 시간)

우리가 통신에 사용하는 주파수들은 고주파들입니다. 이들은 진동수가 매우 높습니다. 때문에, 1초 동안에 그릴 수 있는 사인 함수파로 보면 수백 번에서 수억번(기가헬즈대)까지 된다는 것을 알 수 있습니다.(대단히 격렬하게 진동하는 수치인겁니다.)

2> 주파수와 관련해서 통신상에서 우리가 알아 두어야 할 사항중 하나는 파장이라는 개념입니다. 파장은 한 번의 진동이 얼마나 길게 가는가를 나타냅니다. 즉, 한번의 진동 사이클을 이루는 길이(주기인 T와 같지는 않지만 공식상으로 보면 T와 마찬가지로 f와 역수 관계입니다.)

f= c/ㅅ (f는 주파수, c는 광속, ㅅ은 파장)

3> 위에서 보면 알 수 있듯이 주파수가 높을 수록 파장은 짧아 진다는 것을 알 수 있습니다. 실제, 파장수치는 수신 안테나의 길이와 밀접한 관계가 있습니다. 여러 가지 안테나 공식이 있습니다만, 공통적인 사항은 모두 파장이 길수록 안테나의 길이 역시 길어 진다는 것입니다.

우리가 사용하는 현재 사용하는 CDMA방식(1.8기가대)의 휴대폰이 기존의 휴대폰(800메가 대)보다 안테나가 짧은 이유 중 하나는 바로 이 높은 주파수에 의한 파장길이 단측, 나아가서 안테나 길이의 단축까지 이어지게 됩니다.

주파수는 높으면 높을 수록 직진성을 띄게 됩니다. 하지만, 그만큼 가로막히는 장애물이 있다면, 통신에 방해가 됩니다. 반면에 주파수가 낮으면 낮을 수록 직진성은 떨어지지만, 회절이(즉, 잘꺽여 나갑니다.)잘 됩니다. 때문에, 장애물이 있다고 하더라도, 회절 성질 때문에 장애물 너머에까지 통신이 가능하게 됩니다. 예를 들어서, 우리의 음성처럼 주파수가 낮은 파형은 벽 너머에 까지도 그 소리가 들리는 것은 바로 이 회절성때문입니다. 반면에 빛처럼 직진성이 극한에 이른 고주파(여기서는 빛까지도 전자파로 치부하고 이야기하는 것입니다. 아직, 빛은 입자인지 파동인지는 확실치 않습니다.)는 벽이 가로 막고 있으면, 반대편에 있는 사람은 그 빛을 볼 수 없는 것이 바로 이런 이유에서입니다.  

물론, 고주파가 장애물을 투과해서 반대편 수신자에게 전달되는 방법이 있기는 합니다. 전게 강도를 높여주는 것입니다. 그렇게 되면 막고 있는 장애물을 뚫고 나가겠지요? 그리고, 재수 없으면 수신자 역시 뚫고 나가게 될 겁니다.

실제로 실험 도중에 이러한 사건이 발생하기도 했습니다. 레이더 연구를 하던 미국에서 어느날 실험실과 연락이 두절되어서 조사관들을 파견했는데 연구원들이 모두 오븐에 들어간 것처럼 익어 버린 것입니다. 이것은 어처구니 없고도 비참한 사고입니다만, 우리가 현재 가정용 전자 레인지발명에 지대한 공헌을 한 것도 사실입니다.-_-a

현재 기가대 주파수를 사용하는 휴대폰은 중간 중간에 우리가 흔히 기지국이라고 부르는 중계기가 있기 때문에 통신이 가능 한 것입니다. 처음 PCS 나왔을때, 기지국 개수를 중요하게 내세운 이유중에 하나가 바로 이런 이유입니다.

2. 변조란 무엇인가?
1> 변조의 목적 - 사람의 음성은 매우 낮은 저주파에 속하기 때문에 멀리 전달되기가 힘듭니다. 앞서 말씀드린대로 주파수가 낮아서 파장이 길어지고, 이를 멀리서 수신하기 위해서는 긴 파장 덕분에 안테나 길이가 길어지게 되지요.(대충 계산하면 직선 안테나일 경우 Km단위입니다.) 따라서, 보다 멀리 전달을 하기 위해서는 높은 주파수로 변형을 가할 필요가 있습니다. 이것을 바로 변조라고 부릅니다. 실제로는 고주파인 전자파에 음성인 저주파를 실어 보내는 과정을 우리는 기술적으로 변조[modulation]이라고 부릅니다.

2> 신호파 - 인간의 음성이 대표적입니다. 우리가 보내고 수신받고자 하는 것입니다. 라디오 방송의 경우네는 가수들이나 DJ들의 음성이 신호파가 될것입니다. 또한, 모르스 부호통신이라면 삐. 삐하는 단순한 음파가 신호파가 될테고요. TV의 경우는 음성을 포함해서 화면역시 신호파가 됩니다. 이들 신호파는 보통 저주파이기 때문에 앞서 말씀드린대로 변조과정을 거쳐서 송신을 하게 됩니다.

3> 반송파[carrier] - 신호파를 실어 보내는 고주파입니다. 전공관련자분들은 흔히 캐리어라는 단어가 더 익숙 할 것입니다. 이 반송파에 어떻게 신호파를 실는냐에 따라서 오늘 우리가 알아볼 AM과 FM으로 구분됩니다.

4> 피변조파 - 신호파와 고주파가 합성된 결과 파형입니다. 실질적으로는 이렇게 만들어진 파형이 통신에 사용됩니다.

3. AM(Amplitude Modulation)
신호파의 진폭에 따라서 변조를 하는 방식입니다. 그림을 한 번 보실까요?

이것을 우리의 음성 신호라고 합시다.

이것이 바로 우리의 믿음직한 반송파가 되겠습니다.

이 둘을 앞서 AM로 변조하면 다음과 같이 됩니다.

(그림 실력의 한계로 주파수가 보다 높게 표현되었는데, 그것은 개의치 마시고 파형이 어떻게 변했는지 봐주시길 바랍니다.)

위에서 보시는 것처럼 파형의 전체적인 윤곽은 신호파와 비슷합니다. 그런데, 주파수는 반송파 주파수 그대로(그림은 좀 잘못되었지만.^^;;) 변함이 없습니다. 즉, AM은 신호파의 높낮이에 따라서 피변조파의 높낮이가 변화하게 됩니다. 대부분의 경우는 보시는 대로 전체적니 파형은 신호파와 무척이나 닮게 됩니다. 따라서, AM의 원 신호 정보는 바로 저 높낮이의 모양 그자체라고 할 수 있습니다.

AM은 가장 손쉬운 변조방법입니다. 신호파의 진폭이 그대로 변조에 반영되기 때문이지요. 그러나, 이러한 진폭 방식은 충격성 잡음에 굉장히 취약합니다. 가령 여기에 잡음이 끼게 되면, 피변조 신호는 심한 훼손을 겪게 되는 것입니다. 왜냐하면, 앞서 말씀드린대로 원 신호 정보가 피변조파의 높낮이 그자체이기 때문이지요. 충격성 잡음이 섞여 들어가면, 신호의 높낮이에 변동이 생기게 되고, 이것이 바로 우리 귀에는 듣기 싫은 치지직~하는 잡음으로 들리게 되는 것입니다.

4. FM(Frequency Modulation)
앞서 설명한 것과 대비되는 통신 방법이 바로 이 FM입니다. FM은 주파수 변조 방식이라는 그 말 뜻처럼 반송파의 주파수가 변하는 변조 방식입니다. 그림을 다시 한 번 볼까요? 신호파와 반송파는 그대로 적용됩니다.

보시는 바대로 신호파의 진폭이 높아지면, 피변조파의 사인 파형은 조밀하게 되고(즉, 주파수가 증가합니다.), 신호파의 진폭이 하강 국면에 접에 들게 되면, 피변조파의 사인 파형은 넓어지게 됩니다.(주파수가 감소합니다.)

실제로 FM은 주어진 주파수를 중심으로 위에 나온 그림처럼 주파수의 여유 변동분을 가지고, 통신을 하게 됩니다. 때문에, 이 통신의 단점은 주파수 너비를 AM에 비해서 많이 차지한다는 점이 됩니다. 따라서, 주파수 대역폭 확보를 위해서, 필연적으로 높은 주파수대로 통신을 할 수 밖에 없게 됩니다. FM 라디오 방송이 AM에 비해서 주파수가 높은 이유는 바로 이러한 이유에서입니다.

그러나, 그럼에도 불구하고 FM은 AM에 비해서 매우 뛰어난 장점이 있습니다. 음질에서 AM은 FM에 적수가 될 수 없습니다. 앞서 말씀드린 충격성 잡음이 FM에 끼어 든다고 해도 FM의 신호 정보는 진폭이 아니라 주파수의 높아지고 낮아지는 데에 있기 때문에 음질에 별다른 해악을 받지 않게 되는 것입니다. 통신상에서 가장 빈번하고 경계시하는 잡음의 종류가 이러한 충격성 잡음이라고 본다면, FM은 실질적으로 잡음의 영향을 받지 않는다고 말씀드릴 수 있습니다.(실제로는 충격성 잡음외에도 지연잡음도 있지만, 이는 충격성에 비하면 조족 지혈의 수준이기 때문입니다.)

현재 AM과 FM은 일반적이 TV방송에 동시에 사용되고 있습니다. 화면 영상은 AM인 반면에, 음성부분은 FM방식을 쓰고 있는 것이지요. HDTV의 경우에는 FM방식으로 영상을, PCM으로 음성을 송출하게 됩니다. PCM은 이후에 또 다시 언급되게 됩니다