아날로그 및 디지털 통신이론(MATLAB 실습과 함께 배우는)(개정판)

이 책의 구성과 특징

이 책의 개정판 작업에서 지향했던 것은 통신이론의 기초를 이루는 시간 영역 및 주파수 영역의 시스템 해석 기법을 초보자가 다가가기 쉽도록 정리하는 것과 현재의 무선/이동통신 표준에 적용되어 있는 기술을 추가하여 보완하는 것이었다. 2~3세대 이동통신에서 적용된 CDMA 이론에 더하여 4~5세대 이동통신에 적용되어 있는 OFDM 기술을 소개하였으며, 채널 코딩을 다룬 장에서는 터보 코드와 LDPC 코드에 대한 기초 이론을 추가하였다.

정보의 디지털화에 따라 정보 전송도 디지털 통신을 기반으로 한 방식이 주 관심사가 되었지만 디지털 통신도 아날로그 통신을 근본으로 하고 있다. 또한 아날로그 정보나 디지털 정보나 실제로 정보 신호를 실어 나르는 통신 매체는 아날로그 시스템으로 표현된다. 이와 같은 이유로 연속시간 신호 및 시스템의 기초 이론이 필요하며, 디지털 통신을 이해하기 위하여 아날로그 통신의 기본원리가 필요하다. 따라서 이 책에서는 먼저 통신이론을 이해하기 위한 기초 지식으로 신호와 시스템에 대해 복습을 하고, 아날로그 통신이론을 살펴본 다음 디지털 통신이론을 다루고 있다.

아날로그 통신에서는 수신기에서 송신측의 메시지 신호 파형과 가능한 한 동일한 신호 파형을 재생하고자 한다. 따라서 원래의 신호 파형과 수신기에서 재생한 신호 파형이 얼마나 유사한지가 통신방식의 성능을 결정하는 주요 지표가 된다. 이에 비하여 디지털 통신 시스템의 수신기에서는 송신 신호와 동일한 파형을 복구해내는 것이 중요한 것이 아니라 1에 해당하는 신호가 왔는지 0에 해당하는 신호가 왔는지를 구별해내는 것이 중요하다(이진 통신의 경우). 즉 디지털 정보 1 또는 0을 정확히 판별해내는가가 중요하다. 따라서 디지털 통신 시스템의 성능 평가에서는 디지털 정보를 전송했을 때 수신기에서 판정오류가 발생하는 확률을 주요 지표로 삼는다. 이러한 이유로 이 책에서 디지털 통신이론을 전개하기에 앞서 확률과 랜덤 프로세스 이론을 다룬다.

이 책에 서는 MATLAB 실습을 통하여 통신 과정의 이해도를 높이고자 하였으며, MATLAB 프로그램에 익숙하지 않은 학생들을 위하여 예제 프로그램을 같이 수록하였다. 예제 프로그램을 포함하여 실습 과정에서 많이 호출하는 함수들을 출판사 홈페이지를 통해 다운로드할 수 있도록 하였다.



이 책의 내용

1장에서는 개관적인 통신 시스템의 모델과 아날로그 및 디지털 통신 시스템의 구성 요소들에 대해 살펴본다. 아날로그 정보 신호를 디지털 통신으로써 전송하기 위해 처리하는 과정을 알아본다. 또한 통신 시스템을 설계할 때 기본적으로 고려해야 할 요소로 신호 대 잡음의 비와 대역폭, 채널 용량 등의 개념을 정리한다.

2장과 3장에서는 신호와 시스템에 대한 기초를 다루고 있는데, 시스템과 입출력을 통신채널과 송수신 신호의 관점에서 요약정리를 한다. 2장에서는 시간 영역에서의 신호 해석을 위한 기초 이론을 다루는데, 신호의 시간 영역 연산과 선형 시스템의 입출력 관계, 상관함수 등이 주요 내용이다. 3장은 주파수 영역에서 신호를 표현하고 분석하는 방법을 다루는데, 신호를 직교 함수의 선형조합으로 표현하는 방법을 설명하고, 이를 토대로 하여 신호의 푸리에 급수와 푸리에 변환을 유도하여, 신호가 가진 주파수 성분, 즉 스펙트럼의 의미를 이해할 수 있도록 하고 있다. 통신 채널을 시스템으로 보고 무왜곡 전송을 위한 조건과, 이 조건이 만족되지 못할 때 어떠한 형태의 왜곡이 발생하는지 설명한다.

4장과 5장에서는 아날로그 변조 방식으로 각각 진폭 변조와 각 변조를 다룬다. 4장에서는 진폭 변조의 여러 세부 방식들의 원리를 알아보고, 시간 영역 및 주파수 영역에서 변조 방식의 특성을 살펴본다. 5장에서는 각 변조의 두 가지 부류인 주파수 변조와 위상 변조에 대해 변조 원리와 두 방식의 상호 관계 및 특성을 알아본다.

6장에서는 디지털 통신 시스템을 분석하기 위한 기초로 확률변수와 랜덤 프로세스를 다룬다. 먼저 확률변수의 개념과 통계적 평균의 의미, 그리고 통신 시스템의 분석에 빈번하게 나오는 주요 확률분포들에 대해 설명한다. 불확실성이 포함된 신호 또는 잡음을 모델링하는 랜덤 프로세스의 개념을 알아보고, 이러한 신호가 존재하는 통신 시스템의 주파수 영역 해석 방법을 살펴본다.

7장에서는 펄스 변조와 펄스부호 변조를 다루는데, 이를 위한 기초로 표본화와 양자화에 대해 먼저 알아본다. 펄스 변조는 아날로그 신호를 표본화하여 전송하지만 전송신호의 파라미터 값이 연속적인 값을 가지므로 아날로그 변조에 속한다. 펄스부호 변조(PCM)는 신호의 표본값을 양자화하고 부호화하여 전송하는 방식으로 디지털 전송의 기본 방식이 되어 있다. 디지털 전송의 단점인 넓은 대역폭 요구사항을 해결하는 방식으로 차동 펄스부호 변조(DPCM)와 델타 변조(DM)의 원리를 PCM에 이어 설명한다.

디지털로 표현된 정보를 전송하는 방식을 8장, 10장, 11장에서 다루고 있는데, 기저대역 전송은 8장의 주제이고, 반송파에 실어서 전송하는 대역통과 변조는 10장과 11장의 주제이다. 대역통과 변조에 대해 다시 이진(binary) 변조는 10장에서 다루고, M-진 변조는 11장에서 다룬다. 디지털 변조된 신호에 대한 수신기의 구조와 잡음하에서의 수신기 성능을 9장에서 알아본다. 디지털 통신 시스템의 수신기는 여러 형태의 구조가 가능한데 잡음에 대한 내성이 수신기 구조에 따라 다르다. 잡음이 더해진 신호가 입력될 때 출력단에서의 신호 대 잡음비를 최대화하는 필터로서 정합필터(matched filter)에 대해 알아보고, 이 정합필터가 비트오류 확률을 최소화하는 최적 수신기가 된다는 것을 설명한다. 9장에서 살펴본 정합필터 수신기는 8장의 기저대역 신호뿐만 아니라 10장 및 11장에서 다루는 일반적인 디지털 통신 시스템에 적용할 수 있다.

10장에서는 이진 디지털 대역통과 변조를 다루는데, 이진 데이터에 따라 반송파의 진폭을 변화시키는 진폭천이 변조(ASK), 반송파의 주파수를 변화시키는 주파수천이 변조(FSK), 그리고 반송파의 위상을 변화시키는 위상천이 변조(PSK)에 대해 송수신기 구조와 스펙트럼 특성, 비트오류 확률 등을 살펴본다.

디지털 통신의 단점 중의 하나로 넓은 채널 대역폭이 요구된다는 것을 들 수 있는데, 이를 극복하는 한 가지 접근 방법은 소스코딩을 사용하여 데이터를 압축하는 방법을 들 수 있고, 다른 접근 방법은 대역폭 효율이 높은 변조 방식을 사용하는 것을 들 수 있다. 11장에서는 데이터 비트별로 두 개의 신호 파형을 대응시키는 이진 통신을 일반화하여 여러 비트로 구성된 심볼 단위로 M개의 신호 파형을 대응시키는 M-진 변조 방식을 다룬다. 반송파의 진폭, 주파수, 위상을 M개로 확장한 MASK, MFSK, MPSK 변조와 반송파 진폭과 위상을 모두 변화시키는 QAM 변조 등에 대해 스펙트럼 특성과 비트오율 성능 등에 대해 설명한다.

12장 이전에서는 가능하면 전송 대역폭이 작은 것을 지향하는 변조 방식을 다루는 데 비해 12장에서는 광대역을 사용하여 전송하는 방식을 다룬다. 12장의 구성은 대역확산 통신과 직교 주파수분할 다중화(OFDM)로 되어 있다. 대역확산 통신은 의사잡음(PN) 코드를 사용하여 고의적으로 대역폭을 확장시켜 전송하는 방식으로 대역폭 확산으로 얻는 장점에 대해 알아본다. OFDM은 데이터열을 직병렬 변환하여 다수의 반송파로 전송하는 기술로 다중경로 채널에서 유리하다. OFDM의 특성과 구현 방법에 대해 알아본다.

13장에서는 정보 데이터를 가공하여 채널을 통과하면서 발생한 오류를 검출하거나 정정하는 채널 코딩 기법을 다룬다. 채널 코드의 대표적인 부류로서 블록 코드와 컨볼루션 코드에 대해 부호화 및 복호화 과정, 이로부터 얻는 성능개선 효과에 대해 살펴본다. 근래에 주목받고 있는 방식으로 터보 코드와 LDPC 코드의 원리에 대해 알아본다.

CHAPTER 01 서론

1.1 통신 시스템

1.2 아날로그 통신 시스템과 디지털 통신 시스템

1.3 신호 대 잡음비와 채널 대역폭



CHAPTER 02 신호의 시간 영역 해석

2.1 신호 해석을 위한 기초 용어

2.1.1 시간평균과 직류값 및 실효값

2.1.2 전력과 에너지

2.1.3 주기와 주파수

2.2 신호의 유형 분류

2.2.1 연속시간 신호와 이산시간 신호

2.2.2 아날로그 신호와 디지털 신호

2.2.3 주기 신호와 비주기 신호

2.2.4 에너지 신호와 전력 신호

2.2.5 결정형 신호와 랜덤 신호

2.3 신호의 기본 연산

2.3.1 시간 천이

2.3.2 시간 반전

2.3.3 시간 척도 변경

2.4 신호 해석에 많이 사용되는 기본 함수

2.4.1 계단 함수

2.4.2 임펄스 함수

2.4.3 사각 펄스(구형파)

2.4.4 삼각 펄스

2.4.5 표본화 함수

2.4.6 정현파 함수

2.4.7 복소 정현파 함수

2.4.8 지수 함수

2.5 선형 시스템

2.5.1 시스템의 유형 분류

2.5.2 시스템의 시간 영역 표현

2.5.3 컨볼루션 적분

2.5.4 선형 시불변 시스템

2.6 상관 함수

2.6.1 신호의 유사성과 신호 검출

2.6.2 상호상관 함수

2.6.3 자기상관 함수

연습문제



CHAPTER 03 신호의 주파수 영역 해석

3.1 스펙트럼의 개념

3.2 직교 기저함수에 의한 신호의 표현

3.2.1 직교 벡터 공간

3.2.2 직교 함수 공간

3.3 푸리에 급수

3.3.1 복소 지수 함수형 푸리에 급수

3.3.2 삼각 함수형 푸리에 급수

3.3.3 스펙트럼의 특성

3.3.4 푸리에 급수 표현의 예

3.3.5 Parseval의 정리와 전력 스펙트럼

3.4 푸리에 변환

3.4.1 비주기 신호의 푸리에 변환

3.4.2 푸리에 변환의 성질

3.4.3 주기 신호의 푸리에 변환

3.5 스펙트럼 밀도

3.5.1 신호의 에너지와 에너지 스펙트럼 밀도

3.5.2 신호의 전력과 전력 스펙트럼 밀도

3.6 선형 시스템과 필터

3.6.1 선형 시스템의 입출력 관계와 주파수 응답

3.6.2 무왜곡 전송

3.6.3 필터

3.7 신호의 왜곡

3.7.1 선형 왜곡

3.7.2 비선형 왜곡

3.7.3 다중경로에 의한 왜곡

3.8 푸리에 변환의 디지털 연산

3.9 Matlab을 이용한 실습

연습문제



CHAPTER 04 진폭 변조

4.1 변조의 필요성

4.2 양측파대 억압 반송파 진폭 변조(DSB-SC; DSB)

4.2.1 DSB-SC 변조의 원리

4.2.2 DSB-SC 신호의 복조

4.2.3 변조기 구조

4.3 양측파대 전송 반송파 진폭변조(DSB-TC; AM)

4.3.1 DSB-TC 변조의 원리

4.3.2 DSB-TC 변조기 구조

4.3.3 DSB-TC 신호의 복조

4.4 단측파대 변조(SSB)

4.4.1 SSB 변조의 원리

4.4.2 SSB 변조기 구조

4.4.3 SSB 신호의 복조

4.5 잔류측파대 변조(VSB)

4.6 반송파 추적

4.6.1 위상동기 루프(PLL)와 AM 신호의 동기 검파

4.6.2 제곱법 소자를 이용한 반송파 추출과 DSB-SC 신호의 검파

4.6.3 Costas 루프를 이용한 동기 검파기

4.7 주파수분할 다중화와 수퍼헤테로다인 수신기

4.7.1 주파수분할 다중화(FDM)

4.7.2 수퍼헤테로다인 수신기

4.8 Matlab을 이용한 실습

연습문제



CHAPTER 05 각 변조

5.1 순시 주파수

5.2 각 변조

5.2.1 FM과 PM의 관계

5.2.2 각 변조된 신호의 특성

5.3 각 변조된 신호의 대역폭

5.3.1 협대역 각 변조

5.3.2 광대역 각 변조

5.4 FM 신호의 생성

5.4.1 간접 생성 방법

5.4.2 직접 생성 방법

5.5 FM 신호의 복조

5.6 각 변조 시스템에서 잡음의 효과

5.7 FM 스테레오

5.8 Matlab을 이용한 실습

연습문제



CHAPTER 06 확률변수와 랜덤 프로세스

6.1 확률의 개념

6.1.1 상대 빈도와 확률

6.1.2 상호배반 사건의 확률

6.1.3 조건부 확률과 Bayes 법칙

6.2 확률변수

6.2.1 이산 확률변수와 연속 확률변수

6.2.2 확률분포함수(누적분포함수)

6.2.3 확률밀도함수

6.2.4 결합 확률분포

6.3 통계적 평균

6.4 주요 확률분포

6.4.1 균일 분포

6.4.2 가우시안 분포

6.4.3 레일리 분포

6.4.4 라이시안 분포

6.4.5 이항 분포

6.5 랜덤 프로세스

6.5.1 통계적 평균과 상관 함수

6.5.2 랜덤 프로세스의 정상성

6.6 랜덤 프로세스의 전력 스펙트럼 밀도

6.7 대역통과 랜덤 프로세스

6.8 백색 잡음

6.9 Matlab을 이용한 실습

6.9.1 확률변수

6.9.2 랜덤 프로세스

연습문제



CHAPTER 07 펄스 변조와 펄스부호 변조

7.1 표본화

7.1.1 이상적인 표본화

7.1.2 실용적 표본화

7.2 펄스 변조

7.2.1 펄스진폭 변조(PAM)

7.2.2 펄스폭 변조(PWM)

7.2.3 펄스위치 변조(PPM)

7.3 시분할 다중화(TDM)

7.4 펄스부호 변조(PCM)

7.4.1 양자화

7.4.2 비선형 양자화와 압신

7.4.3 PCM 신호의 대역폭과 SNR

7.4.4 PCM 시스템

7.4.5 T1 다중화 시스템

7.5 차동 펄스부호 변조(DPCM)

7.5.1 선형 예측

7.5.2 DPCM 시스템

7.5.3 SNR 개선 효과

7.6 델타 변조(DM)

7.6.1 델타 변조 시스템의 구조

7.6.2 델타 변조의 문제점

7.6.3 적응 델타 변조(ADM)

7.7 Matlab을 이용한 실습

연습문제



CHAPTER 08 디지털 데이터의 기저대역 전송

8.1 라인 코딩

8.1.1 NRZ 방식

8.1.2 RZ 방식

8.1.3 맨체스터 방식

8.1.4 라인 코딩 방식의 비교

8.2 통신 채널의 영향

8.2.1 잡음 및 대역제한 필터의 효과

8.2.2 눈 다이어그램

8.3 심볼 간 간섭과 펄스정형

8.3.1 펄스정형

8.3.2 상승 여현 펄스정형

8.4 Matlab을 이용한 실습

연습문제

[부록] 랜덤 펄스열의 전력 스펙트럼 밀도 60317 차례



CHAPTER 09 디지털 수신기와 잡음 환경하에서의 성능

9.1 NRZ 신호의 검출

9.2 정합 필터와 일반 이진 신호의 검출

9.2.1 정합 필터

9.2.2 정합 필터를 이용한 신호의 검출

9.2.3 상관 수신기

9.3 최적 수신기

9.4 수신기의 비트오율 성능

9.5 Matlab을 이용한 실습

연습문제



CHAPTER 10 디지털 대역통과 변조

10.1 진폭천이 변조(ASK)

10.1.1 ASK 신호의 발생

10.1.2 ASK 신호의 동기식 복조

10.1.3 ASK 신호의 비동기식 복조

10.2 주파수천이 변조(FSK)

10.2.1 FSK 신호의 발생

10.2.2 FSK 신호의 동기식 복조

10.2.3 FSK 신호의 비동기식 복조

10.3 위상천이 변조(PSK)

10.3.1 BPSK 신호의 발생

10.3.2 BPSK 신호의 복조

10.3.3 반송파 복구와 반송파 위상의 모호성

10.4 차동 위상천이 변조(DPSK)

10.4.1 차동 부호화

10.4.2 DPSK 신호의 복조

10.5 Matlab을 이용한 실습

연습문제



CHAPTER 11 M-진 변조

11.1 대역통과 신호의 표현

11.2 직교 위상천이 변조

11.2.1 QPSK

11.2.2 OQPSK

11.2.3 QPSK의 비트오율 성능

11.3 최소천이 변조(MSK)

11.3.1 MSK 변조기

11.3.2 MSK의 비트오율 성능

11.3.3 MSK 신호의 전력 스펙트럼

11.4 M-진 진폭천이 변조(MASK)

11.4.1 MASK 송수신기

11.4.2 MASK의 비트오율 성능

11.5 M-진 주파수천이 변조(MFSK)

11.5.1 MFSK

11.5.2 동기식 MFSK 복조와 비트오율 성능

11.5.3 비동기식 MFSK 복조

11.6 M-진 위상천이 변조(MPSK)

11.7 QAM

11.8 Matlab을 이용한 실습

연습문제



CHAPTER 12 광대역 전송

12.1 대역확산 통신

12.1.1 대역확산 통신의 개념

12.1.2 직접부호열(DS) 대역확산 시스템

12.1.3 주파수도약(FH) 대역확산 시스템

12.1.4 PN 코드

12.1.5 PN 코드의 동기화

12.2 직교 주파수분할 다중화(OFDM)

12.2.1 OFDM의 기본 원리

12.2.2 보호 구간과 순환 확장

12.2.3 OFDM 송수신기 구조

12.2.4 OFDMA

연습문제



CHAPTER 13 채널 코딩

13.1 오류 제어 기법

13.1.1 ARQ 시스템

13.1.2 FEC 시스템

13.1.3 오류 검출/정정 능력

13.2 선형 블록 코드

13.2.1 발생기 행렬

13.2.2 패리티 검사 행렬

13.2.3 신드롬 검사

13.3 인터리빙

13.4 블록 코드의 예

13.4.1 Hamming 코드

13.4.2 확장 Golay 코드

13.4.3 BCH 코드

13.4.4 Reed-Solomon 코드

13.5 컨볼루션 코드

13.5.1 컨볼루션 코딩

13.5.2 컨볼루션 부호화기의 표현

13.5.3 컨볼루션 코드의 복호

13.5.4 경판정 복호와 연판정 복호

13.6 연접 코드

13.7 터보 코드

13.7.1 터보 부호화기 구조

13.7.2 재귀 조직 컨볼루션(RSC) 부호화기

13.7.3 RSC 부호화기의 꼬리 비트

13.7.4 터보 코드의 복호

13.8 LDPC 코드

13.8.1 LDPC 코드 개요

13.8.2 LDPC 코드의 구성

13.8.3 Tanner 그래프

13.8.4 LDPC 코드의 복호

연습문제



부록: 수학 공식과 표

김명진 1982년 서울대학교 제어계측공학과 학사

1984년 서울대학교 제어계측공학과 석사

1992년 미네소타주립대학교 전자공학과 박사

1984년~1996년 한국전자통신연구원 이동통신기술연구단 책임연구원

1996년~현재 한국외국어대학교 정보통신공학과 교수