위상 변조

Phase Modulation, PM

위상 변조는 신호의 위상을 변형하여 정보를 전달하는 변조 방식이다. 즉, 신호의 진폭이나 주파수는 유지한 채, 위상을 변조함으로써 데이터를 표현한다. 위상 변조는 아날로그와 디지털 통신 모두에서 사용되며, 특히 디지털 신호 전송에 매우 중요한 역할을 한다.

의의

위상 변조에서는 위상의 변화를 통해 정보를 실어 나른다. 일반적으로 주파수나 진폭 변조와 달리, 여기서는 신호가 전달하는 데이터에 따라 신호의 위상이 변화하는 것이다. 이는 주파수나 진폭이 변하지 않는 상태에서 위상각만 변형되므로, 위상 변화만으로도 정보를 전달할 수 있게 된다.

위상 변조의 동작 원리

• 신호의 위상이 0도일 때와 180도일 때 각각 다른 데이터를 표현할 수 있다.
• 예를 들어, 위상을 0도로 유지하면 '0'이라는 데이터를, 180도로 변화시키면 '1'이라는 데이터를 전송하는 방식으로 정보를 전달한다.
• 이는 디지털 신호 전송에서 매우 유용하며, 여러 위상 상태를 사용하여 더 많은 비트를 동시에 전송할 수 있다.

주요 방식

BPSK (Binary Phase Shift Keying)

• 가장 간단한 위상 변조 방식으로, 두 개의 위상(보통 0도와 180도)을 사용해 데이터를 전송한다.
• 한 위상 상태는 0, 다른 위상 상태는 1을 나타낸다.

QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)

• 네 가지의 위상(0도, 90도, 180도, 270도)을 사용해, 두 비트씩 데이터를 전송할 수 있다.
• 더 높은 데이터 전송 속도를 제공한다.

8-PSK (8-Phase Shift Keying)

• 여덟 가지의 위상을 사용해 한 번에 3비트씩 데이터를 전송할 수 있다.
• QPSK보다 더 많은 비트를 전송하지만, 잡음에 더 민감할 수 있다.

위상 변조의 장점

• 대역폭 효율이 좋다: 주파수 변조(FM)나 진폭 변조(AM)보다 같은 대역폭에서 더 많은 정보를 전송할 수 있다.
• 잡음에 강하다: 진폭 변조보다 잡음에 더 강한 특성을 가지고 있어 안정적인 데이터 전송이 가능하다.

위상 변조의 활용

위성 통신, 디지털 텔레비전, 무선 통신 등 다양한 분야에서 사용된다. Wi-Fi, Bluetooth, 4G LTE와 같은 통신 시스템에서 위상 변조를 통해 데이터를 전송한다. Wi-Fi, Bluetooth, 4G LTE와 같은 통신 시스템에서 사용되는 위상 변조 방식은 각각의 기술적 요구사항과 응용에 따라 다르게 선택된다. 아래는 각 통신 시스템에서 일반적으로 사용되는 위상 변조 방식이다.

Wi-Fi

• Wi-Fi는 주로 **OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)**을 사용하며, 이 과정에서 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)와 16-QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation) 같은 위상 변조 방식이 활용된다.
  • QPSK: 2비트를 동시에 전송할 수 있어 데이터 전송 속도를 높인다. 신호가 서로 직교하므로 주파수 자원을 효율적으로 사용하게 된다.
  • 16-QAM: 4비트를 전송할 수 있는 방식으로, 위상뿐만 아니라 진폭도 조절하여 더 많은 데이터를 전송한다. Wi-Fi의 성능 향상에 기여한다.

Bluetooth

• Bluetooth는 주로 GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) 방식을 사용하지만, π/4-DQPSK와 같은 위상 변조 방식도 지원한다.
  • GFSK: 주파수 변조의 한 형태로, Gaussian 필터를 사용해 대역폭을 줄이고 신호의 잡음을 감소시킨다.
  • π/4-DQPSK: 디지털 데이터 전송을 위한 위상 변조 방식으로, 두 개의 비트를 동시에 전송할 수 있으며, 더 빠른 데이터 전송을 가능하게 한다.

4G LTE

• 4G LTE는 주로 **OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)**와 **SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access)**를 사용하며, 이 과정에서 QPSK, 16-QAM, 64-QAM과 같은 여러 위상 변조 방식을 지원한다.
  • QPSK: 저신호 대 잡음비 환경에서 안정적인 연결을 위해 사용된다.
  • 16-QAM 및 64-QAM: 고속 데이터 전송을 위해 사용되며, 각각 4비트와 6비트를 전송할 수 있는 방식이다. 이를 통해 LTE는 높은 데이터 전송 속도를 실현한다.