메시지 신호의 진폭에 따라 펄스 반송파 신호의 진폭이 변경되는 변조 기술을 PAM(Pulse Amplitude Modulation)이라고 합니다. 데이터 전송은 변조 신호에 따른 펄스 진폭의 변화에 의해 발생합니다.
1. PAM의 기초
PAM은 연속파 변조에 비해 많은 변화를 보이지 않습니다. 유일한 차이점은 펄스 변조 기술의 반송파는 본질적으로 연속적이지 않고 오히려 직사각형 펄스 트레인이라는 것입니다.
펄스 신호의 진폭 변조는 아날로그 변조 신호의 샘플링에 의해 수행됩니다. 신호의 샘플링은 기본적으로 자연 샘플링 방법 또는 플랫 탑 샘플링으로 수행됩니다.
PAM의 경우 플랫 탑 샘플링이 널리 사용되며 자연 샘플링보다 더 인기가 있다는 점에 유의해야 합니다. 이는 신호 전송 시 채널 노이즈가 어떤 형태의 왜곡을 일으키기 때문에 플랫 탑의 경우 쉽게 제거할 수 있습니다.
PAM 신호의 경우 자연 샘플링이 수행되는 경우와 달리 펄스의 상단은 변조 신호에 따라 달라집니다. 따라서, 이 경우, 샘플링된 신호로부터 잡음 성분을 제거하는 것은 검출 시점에 다소 어려워집니다. 동시에 자연 샘플링은 플랫 탑 샘플링에 비해 약간 복잡한 과정입니다. 따라서, 플랫 탑 샘플링은 펄스 진폭 변조에서 선호됩니다.
2. PAM 발생기의 블록 다이어그램
아래 그림은 PAM 발생기의 블록 다이어그램을 보여줍니다
PAM은 저역 통과 필터, 기차 발전기와 함께 변조기 및 펄스 재형성 회로로 구성됩니다. 여기서 변조 신호는 메시지 신호의 대역 제한을 위해 저역 통과 필터에 제공됩니다.
샘플의 앨리어싱을 피하기 위해 시작 부분의 LPF가 배치됩니다. LPF는 신호의 저주파 성분만 통과시키고 고주파 신호 성분을 제거합니다. 그런 다음 LPF의 출력은 변조기에 제공되어 직사각형 펄스 트레인과 혼합됩니다.
기본적으로 펄스 반송파는 여기에서 메시지 신호에 의해 변조됩니다. 직사각형 캐리어 펄스는 펄스 발생기 회로에 의해 생성됩니다. 변조기는 펄스 진폭 변조 신호를 생성합니다. 샘플링된 펄스는 자연 샘플링 또는 플랫 탑 샘플링으로 얻을 수 있습니다.
변조기의 출력은 펄스 재형성 회로에 제공되며 기본적으로 수신기에서 쉽게 감지할 수 있도록 펄스를 형성합니다.
3. PAM 신호 생성을 위한 회로도
PAM 신호 발생기의 회로에 대해 알아보겠습니다.
여기서 Rb, Re 및 Rc는 베이스 저항, 이미터 저항 및 컬렉터 저항을 나타내고 Vcc는 공급 전압을 나타냅니다. 회로에 사용된 트랜지스터는 원하는 펄스 신호를 담당합니다.
회로는 트랜지스터의 이미터 단자에서 출력을 수신하기 때문에 이미터 팔로워라고도 합니다. 직사각형 펄스는 메시지 신호와 함께 트랜지스터에 적용됩니다. 펄스의 피크가 높으면 트랜지스터가 포화 영역에서 작동합니다. 따라서 단락으로 작동하여 아날로그 신호가 출력에 도달할 수 있습니다.
그러나 직사각형 펄스의 낮은 피크의 경우 트랜지스터는 차단 영역에서 작동합니다. 결과적으로 개방 회로로 동작하기 시작하고 신호 전송을 차단합니다. 이러한 방식으로 펄스 진폭 변조 신호가 전송됩니다.
아래 표시된 파형 다이어그램은 발전기 회로 처리에 대한 더 나은 아이디어를 제공합니다.
여기서 볼 수 있듯이 첫 번째 이미지는 아날로그 메시지 신호를 나타내고 다음 이미지는 변조할 펄스 반송파를 나타냅니다. 마지막 그림은 회로에서 생성된 PAM 신호를 보여줍니다.
파형의 PAM 신호는 장점으로 인해 가장 선호되는 플랫 탑 샘플링을 보여줍니다. 그러나 블록 다이어그램에서 변조기가 자연스러운 샘플링을 수행하는 것을 보았습니다.
PAM 신호를 생성 및 전송하는 동안 고려해야 할 또 다른 중요한 측면은 대역폭 사용률입니다.
4. PAM의 전송 대역폭
펄스 진폭 변조 기법 중에는, 일반적으로, 변조된 신호의 펄스 지속 시간인 τ(타우)는 Ts로 표시된 두 샘플 사이의 시간 주기에 비해 매우 작은 것으로 가정된다.
변조 신호 m(t)의 최대 주파수를 fm으로 간주합니다. 따라서 샘플링 정리에 해당합니다
fs는 샘플링 주파수이고,
또는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
따라서
펄스 변조 신호의 최대 주파수는 변조 펄스의 ON 및 OFF 시간이 동일할 때 달성되며,
따라서, PAM 신호의 경우의 전송 대역폭은 최대 주파수 성분과 다소 동일하다.
BW ≥ fmax
그러므로
따라서
따라서, PAM 신호의 전송을 위한 대역폭은 메시지 신호의 최대 주파수 성분보다 큽니다.
5. 펄스 진폭 변조 장/단점
1) 장점
- PAM은 펄스 변조의 가장 간단한 형태입니다.
- 구현은 매우 쉽습니다.
2) 단점
- 필요한 전송 대역폭은 매우 큽니다.
- 진폭의 변화로 인해 발전 장치에 필요한 전력도 달라집니다.
- 진폭 변화로 인한 소음에 대한 영향이 적습니다.
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