3. Transmission of digital communication system
Bandwidth in phone line
Digital modulator
Digital demodulator
modem
Digital info.
디지털통신(Digital Comm.)
modem
Analog info.
Digital info.
4. Modulation
Digital modulation
digital data is translated into an analog signal (baseband)
ASK, FSK, PSK
differences in spectral efficiency, power efficiency, robustness
Analog modulation
shifts center frequency of baseband signal up to the radio carrier
Motivation
smaller antennas (e.g., /4)
Frequency Division Multiplexing
medium characteristics
Basic schemes
Amplitude Modulation (AM)
Frequency Modulation (FM)
Phase Modulation (PM)
디지털통신(Digital Comm.)
5. Modulation and demodulation in wireless communication
digital
data
101101001
digital
modulation
analog
baseband
signal
analog
modulation
radio transmitter
radio
carrier
analog
demodulation
radio
carrier
디지털통신(Digital Comm.)
analog
baseband
signal
synchronization
decision
digital
data
101101001
radio receiver
6. Digital modulation
변조(Modulation)
Digital data bits → analog carrier waves
Using carrier frequency
원거리 통신에 적당한 주파수와 진폭을 가진 아날로그(교류) 신호
Types of modulation
진폭 편이 변조(ASK: Amplitude Shift Keying)
반송파로 사용하는 정현파의 진폭에 정보를 싣는 변조
주파수 편이 변주(FSK: Frequency Shift Keying)
반송파로 사용하는 정현파의 주파수에 정보를 싣는 변조
위상 편이 변조(PSK: Phase Shift Keying)
반송파로 사용하는 정현파의 위상에 정보를 싣는 변조
디지털통신(Digital Comm.)
7. Digital modulation
Modulation of digital signals known as Shift Keying
Amplitude Shift Keying (ASK):
very simple
low bandwidth requirements
very susceptible to interference
Frequency Shift Keying (FSK):
1
0
1
t
1
0
1
needs larger bandwidth
t
Phase Shift Keying (PSK):
more complex
robust against interference
디지털통신(Digital Comm.)
1
0
1
t
8. Digital modulation
Analysis
(a) ASK
si (t )
Waves
Vector
2 Ei t
cos 0t
T
M=2
0t T
s1
s2
i 1,2,......., M
T
T
T
(b) FSK
si (t )
2E
co s( i t )
T
i 1, 2 ,......., M
0 t T
디지털통신(Digital Comm.)
1 t
2
t
M=3
s1
s3
T
T
T
3 t
1 t
9. Digital modulation
Analysis
(c) PSK
si (t )
Vector
2E
cos(0t 2 i / M )
T
i 1, 2,......., M
0t T
(d) QAM
Waves
M=2
1 t
T
T
T
M=8
2Ei t
si (t )
cos 0t i t
T
디지털통신(Digital Comm.)
2
t
1 t
i 1,2,......., M
0t T
s1
s2
T
T
T
10. Digital modulation
진폭 편이 키잉 (ASK: Amplitude Shift Keying)
si ( t )
2 Ei (t )
cos( 0 t ),
T
0 t T , i 1,, M
E : symbol energy si t dt
T
2
0
T : symbol duration time
Ex) Binary ASK (on-off keying; OOK) : 무선 전신에서 사용되었던
디지털 변조의 초기 형태중의 하나
주파수 편이 키잉 (FSK: Frequency Shift Keying)
si t
디지털통신(Digital Comm.)
2E
cos(i t ),
T
0 t T , i 1,, M
11. Digital modulation
위상 편이 키잉 (PSK: Phase Shift Keying)
si t
2E
cos0t i t ,
T
여기서,
i (t )
0 t T , i 1,, M
2 i
, i 1,, M
M
직교 진폭 변조 (QAM: Quadrature Amplitude Modulation)
si (t )
디지털통신 (Digital Comm.)
2 Ei (t )
cos(0t i (t )),
T
0 t T , i 1,, M
12. ASK(Amplitude Shift Keying)
진폭 편이 변조(ASK)
데이터의 신호와 전압 변화에 따라 반송파의 진폭을 변화
Data bit 1 : amplitude A1
Data bit 0 : amplitude A2
- Special case of ASK : OOK (on-off keying)
Data bit 1 : carrier transmitted
Data bit 0 : no carrier
비효율적
갑작스런 변화에 민감
음성급 회선에서 최고 1200bps
OOK modulation
디지털통신(Digital Comm.)
13. Generation of ASK signal
DSB method
PCM signal
Switching method
ASK signal
Carrier
OOK modulation
1 (t ) A cos ct , 0 t Tb
OOK modulation
디지털통신(Digital Comm.)
1 (t ) (for the bit 1)
ASK (t )
(for the bit 0)
0
20. ASK demodulation
<< envelope detector >>
p1 ( y )
y 2 A2
y
exp
,
2
2
2Ac
2
y2
p0 ( y ) 2 exp 2 ,
2
y
A
y0
E
1
Pe exp
2 , E 1.
2
디지털통신(Digital Comm.)
21. ASK demodulation
E
1
Pe exp
2 , E 1.
2
Incoherent detector
Coherent detector
E
1
Pe erfc
2
2
디지털통신(Digital Comm.)
22. FSK(Frequency Shift Keying)
주파수 편이 변주(FSK)
두개의 이진 값에 서로 다른 반송파의 주파수를 적용(진폭은 동일)
데이터 표현
낮은 주파수 : 0
높은 주파수 : 1
ASK에 비해 잡음 등의 레벨 변동을 받지 않음
저속의 데이터 통신방식에 많이 이용
대역폭을 넓게 차지
동축케이블을 이용한 근거리 통신망
디지털통신(Digital Comm.)
23. FSK (Frequency Shift Keying)
0 (t ) A cos 0t ,
FSK (t )
1 (t ) A cos 1t ,
Ideal FSK
waves
Tb
디지털통신(Digital Comm.)
2
2
0
1
0 t Tb (for data bit 0)
0 t Tb (for data bit 1)
30. PSK (Phase Shift Keying)
위상 편이 변조(PSK)
디지털 신호에 대응 반송파의 위상을 각각 다르게 전송
2,4,8 등분으로 위상을 나누어 데이터를 표현
다른 위상에 1비트 또는 2, 3비트를 한꺼번에 할당
2위상 편이 변조방식 (BPSK)
2등분된 각각의 서로 다는 위상에 0또는 1을 할당
데이터 표현
1 : 180도의 위상변화
0 : 위상의 변화 없음
디지털통신(Digital Comm.)
31. BPSK (Binary Phase Shift Keying)
0 (t ) A cos(c t 0 ),
0 t T (for data bit 0)
b
PSK (t )
1 (t ) A cos(c t 1 ),
0 t Tb (for data bit 1)
Ideal
PSK waves
Data bit 1
Data bit 0
디지털통신(Digital Comm.)
32. BPSK (Binary Phase Shift Keying)
위상이 2진 1 또는 0에 따라 변경
성운 다이아그램(또는 성상도)
디지털통신(Digital Comm.)
33. BPSK (Binary Phase Shift Keying)
BPSK (t ) A cos c t ,
디지털통신(Digital Comm.)
0 t Tb
34. BPSK demodulation
<< coherent detector >>
LPF
BPF
A2 A2
cos(2c t 2 )
A cos (c t )
2
2
2
디지털통신(Digital Comm.)
2
Selected by BPF
35. BPSK demodulation
<< matched filter detector >>
A2Tb
E
2
2
2
A Tb
Tb
0
A cos( c t 0 ) A cos( c t 1 ) dt cos(1 0 )
= -1
E (1 ) 1
1
erfc E[1 cos(1 0 )] 1 erfc E
Pe erfc
2
2
2 2
2
디지털통신(Digital Comm.)
1 0 180
36. BPSK demodulation
E 2 E
1
BPSK : Pe erfc
, 2
2
E 2
1
BFSK : Pe erfc
2 , E
2
디지털통신(Digital Comm.)
3dB increased
BPSK의 확률밀도:
2진 FSK(BFSK)에 비해
분산이 1/2
40. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)
4위상 편이 변조방식(QPSK)
연속되는 2 비트의 조합으로 분할
바로 직전에 전송한 반송파의 위상을 기준
다음에 전송할 2비트의 종료(4종류)에 의해서 결정되는 각도만큼 위상
변화
권고안
DIBIT
ITU-T
V.26
00
01
11
10
BELL
201 B/C
00
01
11
10
디지털통신(Digital Comm.)
위상 편이각
A 방식
0˚
90˚
180˚
270˚
B방식
45˚
135˚
225˚
315˚
45˚
135˚
225˚
315˚
41. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)
BPSK1 (t ) A cos c t ,
QPSK (t )
2 A cos c t
4
3
2 A cos c t
4
5
2 A cos c t
4
7
2 A cos c t
4
sin( ) sin cos cos sin
cos( ) cos cos sin sin
디지털통신(Digital Comm.)
BPSK2 (t ) A sin c t
A cos c t A sin c t
A cos t A sin t
c
c
QPSK (t )
A cos c t A sin c t
A cos c t A sin c t
A(cos c t sin c t )
42. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)
BPSK1 (t ) A cos c t ,
디지털통신(Digital Comm.)
BPSK2 (t ) A sin c t
43. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)
Even bit
Odd bit
QPSK modulator
디지털통신(Digital Comm.)
QPSK demodulator
49. MFSK (M-ary Frequency Shift Keying)
MFSK 변조
디지털통신(Digital Comm.)
M 2N
MFSK (t ) A cos i t , 0 t Ts , i 0, 2, , M 1
50. MFSK (M-ary Frequency Shift Keying)
0 n s , 1 (n 2) s , 2 (n 4) s ,
WT 2M s (2 M )(
b
N
) (2
N 1
N )b
(Required bandwidth for FSK modulation)
디지털통신(Digital Comm.)
Symbol period
Ts NTb
Symbol frequency
s 2 / Ts 2 / NTb b / N
51. MPSK (M-ary Phase Shift Keying)
MPSK (t ) A cos( c t i ), 0 t Ts , i 0, 1, , M 1
i (2i 1)
M 2N
M
MPSK 변조
MPSK (t ) ( A cos i ) cos c t
( A sin i ) sin c t
be A cos i ,
bo A sin i
MPSK (t ) be cos ct bo sin ct
2
WT 2s b
N
(Required bandwidth for PSK modulation)
디지털통신(Digital Comm.)
52. special pre-computation avoids sudden phase shifts
MSK (Minimum Shift Keying)
MSK (Minimum Shift Keying)
MSK 변조
CPM (Continuous Phase Modulation)
-> 구형파를 완만하게 만드는 과정 필요
b
t cos c t
4
MSK (t ) Abe (t ) sin
Abo (t ) cos b t sin c t
4
bo (t ) be (t )
sin( c )t
2
b
4
b (t ) be (t )
A o
sin( c )t
2
bo (t ) be (t )
b (t ) be (t )
, bL (t ) o
bH (t )
2
2
H c ,
L c
MSK (t ) A
AbH (t ) sin H t , (bo (t ) be (t )일 때)
MSK (t ) 또는
Ab (t ) sin t , (b (t ) b (t )일 때).
L
o
e
L
디지털통신(Digital Comm.)
53. MSK (Minimum Shift Keying)
n n
b (n은 정수)
H L
Tb 2
m m (m은 정수)
b
L
H
Tb 2
H c
b
4
, L c
b
4
n
H L b b n 1
2 2
m
c 4 b
H (m 1)
디지털통신(Digital Comm.)
b
4
, L (m 1)
b
4
.
Tb
0
sin H t sin L t dt 0
54. MSK (Minimum Shift Keying)
T
Sb ( ) 2 A2Tbsinc 2 b .
pe (t ) be (t ) sin b t , 0 t Tb
4
p (t ) b (t ) cos b t , T t T
o
b
b
o
4
( b 4)Tb
( b 4)Tb
S p ( ) A Tb sinc
sinc
2
16 A2Tb cos Tb
2 1 (2Tb ) 2
2
( c )Tb
S QPSK ( ) 2 A2Tb sinc 2
2
16 A 2Tb cos{( c )Tb }
S
MSK ( ) 2 1 {2( )T }2
c b
디지털통신(Digital Comm.)
2
MSK 전력 스펙트럼
57. Example of MSK
1
0
1
1
0
1
0
bit
data
even
0101
even bits
odd
0011
odd bits
signal
value
hnnh
- - ++
low
frequency
h: high frequency
n: low frequency
+: original signal
-: inverted signal
high
frequency
MSK
signal
t
No phase shifts!
디지털통신(Digital Comm.)
58. MSK (Minimum Shift Keying)
각 변조 방식의 정규화된 전력 스펙트럼 밀도
0
BPSK
OQ P S K and Q P S K
MSK
Normalized Power Spectal Density G(f)[dB]
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-3
-2
-1
0
1
2
BPSK,QPSK,OQPSK, MSK 에 대한 정규화된 전력 스펙트럼 밀도
디지털통신(Digital Comm.)
3
59. QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
다중 레벨 신호 방식
진폭,위상 편이변조
주파수의 진폭과 위상 모두에 변화를 주어 신호를 할당
대부분의 최근 모뎀들은 이 변조방식을 사용함
디지털통신(Digital Comm.)
62. QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
QAM 모뎀
QAM (t ) Ai (t ) cos( c t i )
(i 0, 1, ,15)
16진 QAM
위상 선도
디지털통신(Digital Comm.)
63. Channel Capacity
Impairments, such as noise, limit data rate that can
be achieved
For digital data, to what extent do impairments limit
data rate?
Channel Capacity – the maximum rate at which data
can be transmitted over a given communication path,
or channel, under given conditions
디지털통신(Digital Comm.)
64. Concepts Related to Channel Capacity
Data rate - rate at which data can be communicated
(bps)
Bandwidth - the bandwidth of the transmitted signal
as constrained by the transmitter and the nature of
the transmission medium (Hertz)
Noise - average level of noise over the
communications path
Error rate - rate at which errors occur
Error = transmit 1 and receive 0; transmit 0 and receive 1
디지털통신(Digital Comm.)
65. Nyquist Bandwidth
Consider the case of a channel that is noise free
The limitation on data rate is simply the bandwidth of the signal
Nyquist states that if the rate of signal transmission is 2B, then a
signal with frequencies no greater than B is sufficient to carry the
signal rate.
For binary signals (two voltage levels)
C = 2B
ex) BW = 3100 Hz, capacity of the channel = 2B=6200 Hz
With multilevel signaling (multi voltage levels)
C = 2B log2 M
M = number of discrete signal or voltage levels
BW
1
W (1 ) Rs
2
; Baseband transmission
W (1 ) Rs
;Bandpass transmission
디지털통신(Digital Comm.)
if ) 0 (no ISI)
theoretical min BW
W 1/ 2T Rs / 2 ( Hz )
66. Signal-to-Noise Ratio
Ratio of the power in a signal to the power contained in the
noise that’s present at a particular point in the transmission
Typically measured at a receiver
Signal-to-noise ratio (SNR, or S/N)
( SNR ) dB
signal power
10 log10
noise power
A high SNR means a high-quality signal, low number of required
intermediate repeaters
SNR sets upper bound on achievable data rate
For a given level of noise, we would expect that a greater signal
strength would improve the ability to receive data correctly in
the presence of noise
디지털통신(Digital Comm.)
67. Shannon Capacity Formula
Equation:
C B log 2 1 SNR
Represents theoretical maximum that can be achieved
In practice, only much lower rates achieved
Formula assumes white noise (thermal noise)
Impulse noise is not accounted for
Attenuation distortion or delay distortion not accounted for
Spectrum of a channel between 3 MHz and 4 MHz ; SNRdB
= 24 dB
B 4 MHz 3 MHz 1 MHz
SNR dB 24 dB 10 log10 SNR
SNR 251
디지털통신(Digital Comm.)
68. Example of Nyquist and Shannon Formulations
Using Shannon’s formula
C B log 2 1 SNR
C 106 log 2 1 251 106 8 8Mbps
How many signaling levels are required?
C 2 B log 2 M
8 106 2 106 log 2 M
4 log 2 M
M 16
디지털통신(Digital Comm.)
69. MODEM의 분류(1)
Classification
ASK modulator
구조 간단
전송과정에서의 레벨 변동에 약함
근거리 전송 및 소량의 전송에만 이용
FSK modulator
1200bps 이하의 비동기식 모뎀으로 널리 이용
원거리 전송용
전송 과정에서의 잡음 및 간섭에 강하고 레벨 및 주파수 변동도 작기 때문
PSK modulator
2400, 4800bps 등의 중속 데이터 전송을 위한 모뎀
QAM modulator
9600bps의 중속 데이터 전송을 위해 사용
디지털통신(Digital Comm.)
70. ITU-T Modem Standards
V.22bis
Two-speed modem: 1200 or 2400 bps
1200bps mode: DPSK (Differential Phase Shift Keying)
Bit pattern defines the phase change
2400bps mode: 16-QAM
V.32, V.33
TCM (Trellis Coded Modulation)
QAM + redundant bit
For error detection and correction
V.42
LAPM (Link Access Procedure for Modems)
디지털통신(Digital Comm.)
71. TCM (Trellis Coded Modulation)
Block code
Linear equation, RS, BCH
To reduce PB, bandwidth increased
Convolutional code
Nonlinear system, viterbi decoding
To reduce PB, bandwidth increased
TCM : Coding + Modulation
Coding gain without B.W expansion (3~6 dB) but complex
decoder
디지털통신(Digital Comm.)
76. Traditional Modems
Data rate of traditional modem is limited by 33.6Kbps
Data rate Signal-to-noise ratio, (shannon의정리 C=Blog2(1+S/N))
디지털통신(Digital Comm.)
77. 56K Modems
전송속도 : 하향(최대 56Kbps), 상향(최대 33.6Kbps)
기존의 모뎀 접근 방식과 다름
기존의 방식
PC A → modem → PCM(Inverse PCM) → PSTN → Inverse PCM(PCM) → modem → PC B
양방향으로 PCM을 사용하는 양자화의 단계에서 제한을 받음
양자화 잡음(quantization noise)이 발생하여 대역폭의 손실 발생
상하향 최대 33.6Kbps
56K 모뎀 방식
PC A → modem → PCM(Inverse PCM) → PSTN → ISP 인터넷(digital link)
업로드 방향으로만 PCM을 사용하는 양자화의 단계에서 제한을 받음
다운로드시는 양자화 과정이 없으므로 양자화 잡음이 발생하지 않음
하향(최대 56Kbps), 상향(최대 33.6Kbps)
Why 56Kbps?
Switching stations of the telephone company use PCM/Inverse
PCM for digitizing voice
8000 samples/sec * 7 bits/sample = 56 Kbps
디지털통신(Digital Comm.)