파동과 FSK(Frequency-shift keying)

이번에 euphony 멘티로 참여하면서 통신 도메인을 처음으로 공부하게 되었다.

아마 컴공 학생들은 대학교 1학년때 IT개론 컴퓨터개론 이런 수업으로 찍먹한 뒤 접할 일이 없는 분야다.

개발자 중에 설명충(?)이 워낙 많아서 컴공쪽 지식은 찾아보면 쉽게 설명하는 블로그가 많다, 반면 통신은 전자공학 쪽이라 그런가 나무위키랑 위키백과 말고는 뭔가 정리되어 있는 자료가 많지 않았다. 유튜브에 외국인들이 올린 강의 영상은 설명을 쉽게 잘해줘서 유튜브가 날 살렸다

 

아무튼 팀원들이랑 변조 기술을 같이 스터디했는데 그중에 FSK에 대해 조사해보았다

이 FSK를 이해하려면 음파에 대해 기본적으로 알아야하는 개념이 몇개 있어서 같이 정리했다

 

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FSK의 정의?

한국 버전 위키에 나와 있는 정의입니다.

주파수 편이 변조(Frequency-shift keying, FSK)란 반송파(carrier wave)의 이산 주파수(discrete frequencies) 변화를 통해 디지털 정보가 전송되는 주파수 변조 체계이다

영문 버전 위키에 나와있는 정의입니다.

Frequency-shift keying (FSK) is a frequency modulation scheme in which digital information is transmitted through discrete frequency changes of a carrier signal.

수능 비문학 같습니다. 읽을 수 있는데 읽을 수가 없습니다.
반송파, 주파수, 변조... 문장에 들어간 단어를 먼저 해석해 보겠습니다.

사전 지식

Signal (신호)

신호는 데이터를 전송하기 위해 사용되는 파형(waveform)입니다.
신호는 크게 두가지가 존재합니다. 디지털 신호와 아날로그 신호입니다.

• 디지털 신호는 0과 1로 이루어져 있습니다.
• 아날로그 신호는 온도, 길이, 각도 처럼 현실 세계에서 발생하는 정보로, 시간이 시간이 지남에 연속적으로 변화합니다.

파동(wave)의 구성 요소들

먼저 파동(wave)의 진폭, 주파수, 위상에 대해 간단히 소개합니다.

• 진폭(amplitude) : 아래와 같이 파동을 나타내는 그래프가 있을때, 중간인 0에서부터 최고점을 수직으로 연결했을 때의 높이가 진폭입니다. 공기 분자가 얼마나 강하게 진동했느냐로 진폭이 정해지기 때문에, 소리가 클수록 진폭이 커지고, 파동은 강해집니다. 작게 속삭일 때 발생하는 진폭보다 크게 소리칠 때의 진폭이 더 큽니다.
  
  
• 파장(wavelength) : 파동의 형태가 주기적으로 반복될 때, 그 반복되는 구간의 길이를 나타냅니다. wave cycle의 최고점에서 다음 최고점까지의 가로 길이를 측정합니다.
  
  
• 주파수(frequency) : 우리가 흔히 '빈도'로 알고 있는 단어인데요, 주파수 또는 진동수 라고도 부릅니다. 1초간 발생한 진동 횟수를 의미합니다. 즉, 1초 사이에 발생한 wave cycle의 갯수입니다. 표시하는 단위는 Hz입니다.
• 위상(phase) : 위상은 wave cycle에서 특정한 지점(point)이 어느 단계에 위치하는가를 나타냅니다. 이때 이 위치는 각도로 표현합니다. 두 지점의 위상차는, 이 둘이 서로 얼마나 다른 단계에 있는지를 나타냅니다.
  
  

Modulation (변조)

변조는 전송에 적합한 형태로 신호를 변환하는 과정을 의미합니다. 전송에 적합한 형태로 데이터를 싣게 될 더 높은 주파수의 음파를 반송파(carrier signal)이라 합니다. 신호를 있는 그대로 전송할 수도 있을 텐데, 왜 변조가 필요한 걸까요?

 

변조가 필요한 이유
신호를 송수신하기 위해 안테나라는 장치를 사용합니다. 안테나 길이는 신호의 크기에 의해 결정됩니다. 신호의 크기가 큰 고주파 대역일수록 안테나의 길이는 짧아집니다.

변조를 거치지 않은 원본 신호를 기저대역 신호(baseband signal)라 합니다. 기저대역 신호를 있는 그대로 전송할 경우, 주파수가 너무 낮아 문제가 발생합니다. 낮은 주파수 때문에 먼 거리를 이동할 수 없고, 아주 큰 안테나가 필요해집니다.

따라서 기저대역 신호를 파장이 짧은 고주파의 신호로 변환하기 위해 변조가 필요합니다.

FSK

아날로그 신호를 변조하는 것을 아날로그 변조, 디지털 신호를 변조하는 것을 디지털 변조라 합니다.
ASK와 FSK는 디지털 변조의 일종입니다. 디지털 변조를 거치고 나면, 기존의 데이터는 반송파에 실려 아날로그 신호가 됩니다. ASK와 FSK는 변조 과정에서 반송파의 어떤 부분을 변형시키느냐에서 차이가 갈립니다.

ASK는 amplitude를 포함하고 있으니 진폭을 변형한다는 것, 그리고 FSK는 frequency를 포함하고 있으니 주파수를 변형할 것 같다는 느낌적인 느낌이 듭니다.

BFSK(Binary FSK)는 가장 간단하고, 흔한 형태의 FSK 구현입니다. 입력 신호는 0과 1 딱 2가지의 값만을 가지고 있고, 이 정보를 전송하기 위해 한쌍의 이산 주파수를 사용합니다.

위에 나온 그림처럼, FSK는 2개의 주파수로 이진 데이터를 표현할 수 있습니다. 디지털 신호가 1일 때, 주파수는 더 높아집니다. 디지털 신호가 0일때 주파수는 반대로 낮아집니다.

 

FSK의 특징은 다음과 같습니다.

• 진폭이 일정하고 주파수로 정보를 담기 때문에 Noise에 강합니다. 그래서 데이터가 오류 없이 수신될 확률이 높습니다.
• decode가 쉽습니다.
• 전력 요구량이 일정합니다.
• 주파수가 계속 바뀌면서, 불연속적인 지점이 생기기 때문에 순간적으로 대역폭이 넓어지는 문제가 있습니다. 이로인해 대역폭 효율성이 떨어집니다.
• 빠른 속도가 필요하거나, 대용량 통신에서는 사용이 어렵습니다.

Reference

• https://unacademy.com/content/neet-ug/study-material/physics/relation-between-phase-and-frequency/
• https://www.youtube.com/watch?v=qGwUOvErR8Q
• https://www.youtube.com/watch?v=mHvV_Tv8HDQ
• https://www.scienceall.com/%ED%8C%8C%EC%9E%A5wave-length-2/
• https://www.carritech.com/news/what-is-modulation-in-telecommunications/
• https://www.techopedia.com/definition/3004/frequency-shift-keying-fsk
• https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B3%80%EC%A1%B0
• https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A3%BC%ED%8C%8C%EC%88%98_%ED%8E%B8%EC%9D%B4_%EB%B3%80%EC%A1%B0
• https://www.ecstuff4u.com/2018/08/advantages-and-disadvantages-of-fsk.html
• https://www.niu.edu/remote-lab/resources/graphical-user-interfaces/frequency-shift.shtml