펄스 폭 변조(PWM)

펄스 반송파의 펄스 폭이 변조 신호에 따라 변경되는 변조 기술을 PWM(Pulse Width Modulation)이라고 합니다. PDM(Pulse Duration Modulation)이라고도 합니다.

 

 

 

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1. 펄스 폭 변조의 기초

변조 신호에 따라 반송파 펄스의 타이밍이 달라지는 PTM(Pulse Time Modulation) 기술의 한 유형입니다.

 

PDM(Pulse Duration Modulation)에서는 펄스의 진폭이 일정하게 유지되고 폭의 변화만 인식됩니다. 정보 구성 요소가 펄스의 너비에 존재하기 때문입니다. 따라서 신호 전송 중에 신호는 펄스 폭 변조를 겪습니다. 일정한 진폭 특성으로 인해 소음의 영향을 덜 받습니다. 그러나 전송 채널 중 노이즈는 본질적으로 부가적이기 때문에 진폭에 약간의 변동을 도입하며리미터 회로를 사용하여 수신기에서 완전히 쉽게 제거할 수 있습니다.

 

 

펄스의 너비에는 정보가 포함되어 있습니다. 따라서 잡음 계수는 많은 신호 왜곡을 일으키지 않습니다. 따라서 PWM 시스템의 잡음에 대한 내성은 PAM 시스템보다 우수합니다.

 

 

 

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2. PWM 신호 파형 표현 생성

아래 그림은 펄스 폭 변조 과정을 보여줍니다. 일반적으로 PWM 생성의 간접 방법으로 알려져 있습니다.

 

 

 

메시지 신호와 반송파는 PAM 신호를 생성하는 변조기에 공급됩니다. 이 펄스 진폭 변조 신호는 비교기의 비반전 단자에 공급됩니다. 램프 신호는 비교기의 반전 단자에 공급됩니다.

이 두 신호가 추가되어 비교기 회로의 기준 전압과 비교되며 비교기의 레벨은 기준과 파형의 기울기가 교차하도록 조정됩니다.

 

PWM 펄스는 램프 신호의 선행 에지에서 시작하고 펄스의 폭은 비교기 회로에 의해 결정됩니다.

 

 

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PWM 신호의 폭은 비교기 레벨에 의해 램프 신호의 생략된 부분에 비례합니다.

아래 그림은 PWM 신호가 비교기에 의해 생성되는 방법을 더 잘 이해하는 데 도움이 됩니다.

 

 

 

여기서, 첫 번째 이미지, 즉 (a)는 정현파 변조 신호의 파형을 나타내고, 두 번째 이미지(b)는 펄스 반송파를 나타낸다. 변조 후 (c)와 같은 PAM 신호가 생성됩니다. 이 PAM 신호는 (d)에 표시된 램프 신호와 함께 추가될 때 그림 (e)에 표시된 비교기의 기준 전압과 비교됩니다. 마지막으로 그림 (f)는 PWM 신호를 보여줍니다.

 

 

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3. PWM 신호 변조

아래 그림은 변조된 것에서 원래 메시지 신호를 제공하는 PWM 변조 회로를 보여줍니다.

 

 

신호 전송 중에 알 수 있듯이 PWM 신호에 약간의 노이즈가 추가됩니다. 따라서 먼저 전송된 신호에 도입된 노이즈를 제거하기 위해 들어오는 신호는 펄스 발생기에 공급됩니다. 이렇게 하면 PWM 신호가 재생성됩니다.

 

이 재생성된 PWM 펄스는 일정한 폭과 함께 일정한 진폭의 펄스를 생성하는 기준 펄스 발생기에 제공됩니다.

재생성된 펄스는 또한 램프 신호 생성기에 제공되며, 이 램프 신호 생성기는 지속 시간이 펄스 지속 시간과 유사한 일정한 기울기의 램프 신호를 생성합니다. 따라서 PWM 펄스 폭에 비례하는 램프 신호 높이가 있습니다.

 

그런 다음 일정한 진폭 펄스는 램프 신호와 함께 추가되기 위해 합계 단위에 제공됩니다. 그런 다음 추가된 출력은 클리퍼에 공급되며, 이는 임계값까지 신호를 잘라내어 출력에서 PAM 신호를 생성합니다.

 

그런 다음 이 PAM 신호는 변조된 신호에서 원래 메시지 신호를 생성하기 위해 LPF에 제공됩니다.

 

 

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아래 그림은 PWM 감지 프로세스의 파형 표현을 제공합니다.

 

 

 

첫 번째 이미지(i)는 왜곡된 PWM 파를 보여주고 다음 이미지(ii)는 재생된 PWM 펄스를 보여줍니다.

램프 발생기의 동작은 (iii)에 나타나 있고, (iv)는 기준 펄스 발생기의 출력을 나타낸다. 합계 연산 및 신호 컷핑은 (v)에 나와 있습니다. (vi)는 원래 메시지 신호가 복구되는 PAM 펄스를 나타냅니다.

 

 

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4. PWM 파형의 주파수 스펙트럼

PWM 신호의 스펙트럼은 아래와 같습니다

 

 

 

여기서, 변조 신호는 주파수 fm을 갖는 정현파 신호이다. 따라서 표현된 스펙트럼은 여러 측파대와 함께 변조 주파수 fm을 보여줍니다.

 

정보 내용은 진폭이 아닌 펄스의 너비에 존재합니다. 또한 노이즈가 펄스 신호의 진폭과 함께 추가되어 약간의 변동을 일으킨다는 것을 알고 있습니다  따라서 원본 정보는 전송 중 노이즈의 영향을 받지 않고 노이즈 효과에 대한 내성을 보여줍니다.

 

 

 

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5. 펄스 폭 변조의 장/단점

1) 장점

1. PAM보다 채널 유도 잡음에 더 강합니다.
2. 노이즈가 진폭에 추가됨에 따라 왜곡된 PWM 신호에서 PWM 신호를 재구성하는 것이 다소 쉽습니다.
3. 전송 및 수신을 동기화할 필요가 없습니다.

 

2) 단점

1. 펄스의 폭이 변경되기 때문에 전송 전력의 변화도 눈에 띕니다.
2. PWM의 경우 대역폭 요구 사항은 PAM보다 다소 큽니다.