변조

요약 음성, 화상, 데이터를 전송할 때 사용하는 반송파에는 고주파수 정현파나 펄스를 이용한다. 일정한 형태의 반송파에 전달하려는 저주파 신호를 담기위해 크기, 주파수, 위상 등에 변형을 주는 것을 변조라 한다.

보통 변조는 라디오 방송을 위한 반송파 변조를 의미 하지만 전자흐름[電子流]과 레이저광 등에 신호로서 변화를 주는 것도 포함한다. 정보통신 분야에서는 디지털신호에 따라 아날로그신호를 변환하는 것을 의미한다.

음성 표준 방송의 경우 수신기가 수신하는 것은 전파이지만 수신자가 실제로 듣는 것은 그 전파에 실려온 음성이다. 방송 송신기에는 고주파 발진회로가 있어 고주파 전류를 발생시키고 있다. 마이크로폰과 테이프 리코더의 컴팩트디스크 등에서 나온 음성신호는 증폭된 후 고주파 전류와 함께 하나의 전자회로에 가해져 그 곳에서 고주파의 여러 요소들을 음성신호의 강약에 따라 변화시킨다. 이 회로를 변조회로 또는 변조기(modulator)라 한다.

변조된 고주파 전류는 다만 음성신호를 송신기에서 수신기까지 실어 보내는 구실을 하는데 이것을 반송파(carrier wave)라 한다. 수신기는 변조 반송파를 수신하고, 반송파 성분을 제거하며, 음성신호를 얻게 된다. 이것을 복조(復調:demodulation)라 한다. 변조는 반송파의 어떤 부분을 변형시키는 가에 따라 크게 진폭변조(AM)와 주파수변조(FM) 그리고 디지털 신호를 반송파에 담는 디지털 변조가 있다.

AM변조는 전달신호의 크기에 따라 반송파의 크기를 변화시키는 방법으로 소리나 TV의 영상을 전송하는데 사용되는 가장 오래된 방법이다. AM변조는 장파 153~279kHz, 중파 520~1,610kHz, 단파 2,300~26,100 kHz 등의 방송 또는 항공무선 등에 사용된다.

위상변조(PM: phase modulation)는 신호의 변화를 반송파의 순간적인 위상의 변화로 만든다. 복잡한 장비가 필요하여 FM처럼 많이 사용하지는 않는다. 반송파에 실어 전달하려는 신호를 S(t)는 다음 식과 같이 정현파(sin), 진폭(As), 각진동수(a)와 위상(b)으로 표현할 수 있다.
S(t)=As sin(at + b)
이 신호에 의해 위상변조 된 전송파는 다음과 같이 표현된다.
T(t)=A sin(wt+S(t)+c)
위식에서 A는 전송파의 진폭으로 일정하고, w는 전송파의 각진동수이다. 위상이 S(t)+c로 전달신호에 따라 변해 위상변조라 한다. 반송파의 주파수가 위상변화의 미분으로 변조되는 주파수변조(FM)의 한 예라고도 할 수 있다. 또한 위상변조는 데이터 전송에서 2진 부호의 0과 1을 위상값을 원주율(3.14)값과 0으로 변조하여 사용한다. PM방식은 방송국에서 음성신호를 증폭할때 FM방식을 바로 사용할 수 없어 사용된다. 군사용 이동 무전기에도 사용한다. 

FM변조는 신호를 반송파의 각 순간의 주파수를 변화시켜 전송한다. 즉 반송파의 주파수가 전달 신호의 진폭의 변화에 비례한다. 디지털 전송인 경우는 비 연속적인 주파수 사이를 반송파가 이동함으로써 신호를 전달한다. FM변조는 VHF(30MHz~300MHz) 라디오, TV의 음성 등을 전송하는데 사용된다. AM변조에 의한 방송에서 다른 전파와의 간섭과 번개 그리고 전기기구의 전류에 의해 잡음이 생기는 것에 대한 대안으로 1930년대초 미국의 전기기사 암스트롱이 개발하였다. 잡음이 작아 고음질 방송에 적합하다.

컴퓨터 통신에 있어서는 지금까지 대부분 음성통신망을 이용하여 통신을 하였는데, 컴퓨터는 디지털 자료를 취급하지만 음성통신망은 아날로그 신호만 처리할 수 있다. 따라서 컴퓨터로부터 송출하는 디지털 자료는 아날로그 자료로 변환하여 음성통신망에 실어서 전송해야 한다. 디지털변조라 한다. 이렇게 전송된 자료를 수신 컴퓨터가 받아서 이용하려면, 음성통신망으로부터 수신한 아날로그 자료를 디지털로 바꾸어야 하는데 이를 복조라 한다.

디지털변조는 아날로그인 반송파를 디지털화 하여 변조하게 된다. 가장 간단한 예로는 CW방식이다. CW방식은 모르스부호 같이 반송파를 보내거나 끊어서 보내는 방식이다. PSK(phase-shift keying)방식은 반송파의 위상을 바꿔서 변조한다. FSK(Frequency-shift keying)에서는 미리 정해진 반송파 주파수에 각각의 디지털 신호가 대응되어 변조하는 방식이다. ASK(Amplitude-shift keying)는 정해진 반송파의 진폭의 크기로 디지털 신호를 나타내어 전송한다. QAM(Quadrature amplitude modulation)은 반송파가 두 개로 구성된다. 즉 한 개의 전송파와, 이 전송파와 위상이 90⁰ 다른 전송파로 이루어진다. 각각의 전송파에 주어진 디지털 신호에 따라 정해진 진폭의 크기로 바꾸면서 변조하게 된다.
 
펄스형태의 전송파에 전달신호를 변조하는 방법에는 대표적으로 펄스부호변조(PCM)와 펄스폭변조(PDM)이 있다. PCM방식은 펄스의 진폭은 일정하게 하고 펄스사이의 간격이 변하는 일련의 펄스의 나열로 정보를 송신한다. 1939년 미국의 리브스에 의해 개발되었으며 컴퓨터사이의 디지털통신에 유용하다. PDM방식은 펄스의 발생은 일정하나 펄스의 지속시간이 변화하여 신호를 전송한다. PDM방식의 대표적 예는 모스부호이다. 1924년 미국의 물리학자 하이징에 의해 발명되었으며 무선통신에 사용된다.