통신시스템의 이해(SIMULINK를 활용한)

통신 시스템의 송수신 과정을 눈으로 쉽게 확인



수년 전 《MATLAB과 함께 배우는 통신이론》을 출간했던 저자는 통신공학 이론 강의와 함께 실습을 진행해 오면서 통신 시스템의 송수신 과정에서 일어나는 과정을 눈으로 쉽게 확인할 수 있도록 하면 학습 효과를 더 높일 수 있겠다는 생각을 했다.

예를 들면, 전체 통신 시스템이 동작하고 있는 상황에서 중간중간에 오실로스코프나 스펙트럼 분석기를 연결하여 신호 파형과 스펙트럼을 관찰할 수 있도록 하면 통신공학을 공부하는 학생들은 과목의 이해도를 높일 수 있고, 통신 시스템 개발자는 설계한 시스템의 검증을 효율적으로 할 수 있을 것이다.

이처럼 Simulink는 Matlab 문법을 몰라도 비주얼하게 자신이 설계한 시스템의 응답특성을 볼 수 있어 한눈에 통신 시스템의 송수신 과정을 확인할 수 있다.



Simulink를 활용한 통신 시스템



Simulink는 그래픽 기반의 동적 데이터 분석 Tool로서 그래픽으로 표현된 기능 블록들을 서로 연결함으로써 시스템 블록 다이어그램을 구성하여 한눈에 시스템의 구성도를 알 수 있으며, 원하는 위치에 다양한 종류의 출력장치를 연결하여 신호 파형, 스펙트럼, 신호 성상도, eye diagram 등을 관찰할 수 있다. Matlab을 사용해도 이러한 작업을 할 수 있으나 Matlab 프로그래밍에 상당히 익숙해야 하며, Matlab만으로는 동적으로 신호가 처리되는 것을 관찰하기는 어렵다. Matlab의 경우 분석 대상 데이터에 대해 한 번에 연산을 하여 결과를 보여주는 방식인 데 비해 Simulink는 일정한 시간 간격을 두고 순차적으로 처리되도록 하여 그 과정을 볼 수 있도록 해주기 때문이다.

Simulink가 Matlab 프로그램상에서 돌아가는 Tool이기는 하지만 Matlab에 익숙하지 않아도 기본적인 시스템 시뮬레이션을 수행할 수 있고 중간 과정을 쉽게 눈으로 확인할 수 있다. 이와 같은 관점에서 Simulink는 통신공학을 공부하는 학생이나 통신 시스템 개발자에게 매우 유용한 Tool이다.



이 책의 내용



1장은 기초적인 Matlab에 대해 다룬다. Matlab을 모르더라도 Simulink를 작동시킬 수 있지만 효과적으로 Simulink를 활용하기 위해서는 Matlab과 적절히 연동시키는 것이 필요하다. 기본 연산과 함수의 사용, 그래프 및 m-파일의 사용법에 대해 알아본다. 2장은 Simulink 작업 환경과 기본적인 사용법에 대해 기술하고 있다. 모델 윈도우에서 시뮬레이션 할 시스템의 블록 다이어그램을 구성하는 방법과 기능 블록이 들어 있는 응용 분야별 라이브러리에 대해 설명한다. 설계한 블록 다이어그램에 대한 시뮬레이션 실행 환경과 configuration 파라미터 설정 방법에 대해 알아본다. 또한 데이터 구조체 및 Matlab과의 연동 방법에 대해 알아본다.

통신 시스템을 이해하기 위한 기본은 선형 시스템에 대한 이해이다. 3장에서는 선형 시스템에 대한 시간영역 표현과 전달함수에 대한 기초 이론을 살펴본 다음 Simulink를 이용하여 선형 시스템을 시뮬레이션하는 실습을 해 본다. 미분방정식이나 전달함수로 표현된 시스템을 Simulink 모델로 구성하고 주어진 입력에 대한 출력을 구해 본다. 4장은 신호 해석을 주제로 하여 주로 주파수 영역에서의 해석을 다루고 있다. Fourier 변환 연산과 스펙트럼 및 필터에 대해 알아본다. Simulink 시뮬레이션을 위하여 신호를 발생시키는 다양한 방법을 알아보고, Matlab 및 Simulink를 통하여 스펙트럼을 계산하고 디스플레이하는 방법을 알아본다. 또한 아날로그 및 디지털 필터를 설계하고 적용하는 시뮬레이션을 실행해 본다. 5장은 아날로그 변조 방식으로 진폭 변조와 주파수 변조를 다루고 있다. 이 책은 디지털 통신 시스템에 초점을 맞추었기 때문에 아날로그 변조는 디지털 통신을 이해하기 위한 기초로서 작은 분량만 할당하였다. 진폭 변조 및 주파수 변조 시스템의 송수신기를 구성하고 송수신 과정에서의 신호 파형과 스펙트럼을 관찰한다.

6장 이후부터는 디지털 통신을 위주로 기술한다. 6장에서는 아날로그 신호의 디지털화 및 펄스부호 변조(PCM)를 다루는데, 이를 위한 기초로 표본화와 양자화 방법에 대해 먼저 알아본다. 선형 및 비선형 양자화기를 구현하며, 정보량 압축을 위한 기초적인 소스 부호화 방식으로서 차동 펄스부호 변조(DPCM)와 델타 변조(DM)를 구현해 본다. 7장에서는 디지털 데이터를 전송하는 방법으로서 펄스 정형과 디지털 변조에 대해 다룬다. Communications Blockset에는 통신 시스템의 시뮬레이션을 편리하게 할 수 있도록 하는 다양한 블록이 들어 있는 라이브러리가 제공되어 있어서 Simulink 모델 윈도우로 필요한 블록을 가져가서 사용하면 된다. 디지털 통신 시스템의 시뮬레이션을 위한 랜덤 데이터의 생성과 펄스 정형화, 디지털 변복조를 구현해 본다. 통신 시스템 및 채널 효과를 관찰하기 위하여 신호 성상도 및 eye diagram을 그리는 방법을 알아보며, 시뮬레이션 효율을 높이기 위하여 프레임 기반으로 데이터를 처리하는 방법에 대해 알아본다. 통신 시스템의 블록 다이어그램을 구성한 후 AWGN 채널을 추가하여 비트오류 확률을 구하는 시뮬레이션을 실행해 본다.

8장에서는 디지털 통신 시스템의 비트오율 성능 분석 시뮬레이션 기법에 대해 다룬다. AWGN 채널에서 Eb/No에 따른 비트오류 확률을 구하는 Monte Carlo 시뮬레이션을 수행한다. Simulink 시뮬레이션 실행 효율을 높이기 위하여 Matlab 명령어를 사용하여 일괄 처리하는 기법에 대해서도 알아본다. Matlab에서는 디지털 통신 시스템의 비트오율 성능 분석하는 도구로서 BERTool을 제공하고 있다. 이 도구를 사용하면 시스템의 성능을 해석적, 반해석적(semi-analytic), 또는 시뮬레이션 방법을 사용하여 분석할 수 있는데, 8장에서는 BERTool을 활용하는 여러 기법을 살펴본다. 디지털 통신 시스템을 구성하는 변복조기 외에 추가로 채널코딩 블록도 추가하여 성능 분석을 실행해 본다. 9장은 페이딩 채널 환경에서의 무선통신을 주제로 하여 무선통신 채널의 영향과 이를 보상하는 기법에 대해 알아본다. 먼저 위상 및 주파수 옵셋에 의한 영향이 수신기에 어떻게 작용하는지 신호 성상도를 통해 관찰해 보고, 그 다음 멀티패스 페이딩 채널의 영향에 대해 살펴본다. Matlab의 Channel Visualization Tool 및 Simulink의 채널모델 블록을 사용하는 방법을 알아본다. 채널 영향을 보상하는 기본적인 방법을 알아보고, flat 페이딩 채널 및 주파수 선택적 페이딩 채널하에서 수신기의 성능 분석 시뮬레이션을 실행해 본다.

CHAPTER 01 MATLAB 기초

1.1 MATLAB 시작하기

1.2 Matrix

1.3 수식 표현과 연산자

1.4 Matrix 연산

1.5 Array 연산

1.6 Vector 연산과 Subscript의 사용

1.7 기초 MATLAB 함수의 사용

1.8 그래프

1.9 Control Flow

1.10 M-파일

1.11 예제



CHAPTER 02 SIMULINK 기초

2.1 SIMULINK의 특징

2.2 SIMULINK 시작하기

2.3 SIMULINK의 작업 환경

2.4 Library 환경

2.5 시뮬레이션 실행과 Configuration Parameter 설정

2.6 SIMULINK 시뮬레이션 기본 예제

2.7 Structure 데이터 유형

2.8 User-Defined Function 블록의 사용

2.9 Subsystem 블록의 생성 및 사용

2.10 SIMULINK로 데이터 가져오기

2.11 SIMULINK 데이터의 Workspace 저장

2.12 Workspace에서 SIMULINK로 파라미터 가져오기

2.13 MATLAB command window에서의 SIMULINK 모델 파라미터 설정 및 시뮬레이션 실행하기

2.14 SIMULINK에서 Annotation 사용하기

2.15 연습문제

부록 : SIMULINK Scope window와 MATLAB Figure window



CHAPTER 03 선형시스템

3.1 시스템의 분류

3.2 시스템의 시간영역 표현

3.3 선형 시스템의 응답과 컨볼루션

3.4 선형 시불변 시스템

3.5 전달함수(Transfer Function)

3.6 Laplace 변환을 이용한 시스템 해석

3.7 Feedback 시스템의 시뮬레이션

3.8 연습문제



CHAPTER 04 신호 해석

4.1 푸리에 급수(Fourier Series)

4.2 푸리에 변환(Fourier Transform)

4.3 푸리에 변환의 디지털 연산: DFT

4.4 MATLAB 시뮬레이션을 위한 신호의 생성

4.5 스펙트럼 그리기

4.6 필터 블록의 사용

4.7 잡음의 생성과 필터링

4.8 연습문제



CHAPTER 05 아날로그 변조

5.1 양측파대 억압 반송파 진폭변조(DSB-SC; DSB)

5.2 양측파대 전송 반송파 진폭변조(DSB-TC; AM)

5.3 SIMULINK를 이용한 진폭변조 시뮬레이션

5.4 주파수 변조

5.5 SIMULINK를 이용한 FM 변복조 시뮬레이션

5.6 연습문제



CHAPTER 06 표본화와 양자화

6.1 표본화

6.2 펄스부호변조(PCM)

6.3 양자화(Quantization)

6.4 차동 펄스부호 변조(DPCM)

6.5 델타 변조(DM)

6.6 SIMULINK를 이용한 시뮬레이션

6.7 연습문제



CHAPTER 07 Communications Blockset을 이용한 디지털 통신 시스템 시뮬레이션

7.1 Communications Blockset

7.2 랜덤 데이터의 발생

7.3 프레임 기반 데이터 처리

7.4 디지털 대역통과 변조

7.5 SIMULINK를 이용한 디지털 변조 구현과 신호 성상도 그리기

7.6 펄스정형 필터와 Eye Diagram

7.7 SIMULINK에서 펄스정형 필터와 Eye Diagram 이용하기

7.8 SIMULINK를 이용한 디지털 수신기의 구현

7.9 SIMULINK를 이용한 디지털 통신 시스템의 비트오율 분석

7.10 단원 정리 예제: QAM

7.11 연습문제



CHAPTER 08 디지털 통신 시스템의 성능 분석 시뮬레이션

8.1 Monte Carlo 시뮬레이션과 신뢰도 구간

8.2 디지털 변복조 시스템의 성능 분석 시뮬레이션

8.3 채널 코딩

8.4 BERTool의 사용

8.5 연습문제



CHAPTER 09 페이딩 채널과 수신기

9.1 RF 손상과 SIMULINK 블록

9.2 위상 및 주파수 옵셋

9.3 페이딩 채널

9.4 SIMULINK에서 페이딩 채널 사용하기

9.5 채널 영향의 보상

9.6 연습문제

김명진 저자 김명진은

1982년 서울대학교 제어계측공학과 학사

1984년 서울대학교 제어계측공학과 석사

1992년 University of Minnesota 전기/컴퓨터공학과 박사

1984년~1996년 한국전자통신연구원 이동통신기술연구단 책임연구원

1996년~현재 한국외국어대학교 정보통신공학과 교수