1. 개요
보내고자 하는 정보를 반송파의 주파수에 실어나르는 변조 기법. 화상이나 음성 등의 전달하고자 하는 신호를 반송파에 담아 송신할 때, 반송파가 신호를 담는 방법에는 진폭 변조와 각 변조가 있다. 이 중에서 각 변조는 다시 주파수 변조(FM)와 위상 변조(PM)으로 나눌 수 있다. 주파수 변조는 반송파의 진폭은 일정하게 한 채로 신호를 주파수의 변화로 변환해 송신하는 방법이다.2. 아날로그 FM
변조지수에 따라 광대역(Wideband)으로 변조하는 경우 비선형적인 특성이 강하게 나타나지만, 협대역(Narrowband)으로 변조하면 비선형적인 특성이 약하게 나타나므로 선형으로 근사할 수 있고 이 경우 진폭변조와 유사한 특성을 보인다.현재 WFM은 고음질 라디오 방송, 아날로그 TV 음향부, SECAM의 컬러 인코딩 등에서 사용하며, NFM은 FRS, 업무용 무전기[1], 아마추어 무선(HAM)에서 사용한다. 혹은 1G 이동통신인 AMPS 등에 사용되었던 방식이다. 무선 전화기에서도 주로 사용했지만 보안성 문제로 현재는 디지털 방식을 훨씬 많이 사용한다.
수식은 다음과 같다.
[math( s(t)=A_c\cos(2\pi f_ct+2\pi k_f\displaystyle \int^{t}_{0} m(\tau) d\tau))]
[math(s(t))] = 변조된 신호(실제로 송신되는 신호)
[math(m(t))] = 메세지 신호(음성, 영상 등)
[math(k_f)] = 변조 지수
[math(f_c)] = 반송파 주파수
[math(A_c)] = 반송파 진폭
보통 라디오 신호나 TV의 음성 신호로 많이 쓰이며[2], 노이즈에 영향을 받기 쉬운 진폭 변조(AM)에 비해 음질이 깨끗하고 기상 조건의 영향을 덜 받기 때문에 최근에 개국하는 라디오 방송국은 대부분 주파수 변조를 많이 사용한다. 반송파 송신에 많은 전력을 소모하는 AM과 달리 소비 전력이 적은 것도 방송국이 선호하는 이유 중 하나이다.
다만, AM에 비하여 수식적으로 훨씬 복잡한데, 송수신기의 회로도 복잡하다. 그러나 DSP의 등장으로 회로가 간소화되었으며, 이것이 현재 DSP 수신기가 대세가 된 이유이다. 또한, 점유하는 주파수 대역폭이 넓다는 단점도 있다.
FM 신호를 복조하는 다양한 방법이 존재하지만, 가장 이해하기 쉬운 방식으로는 미분을 이용하는 방법이 있다. 빠르게 진동하는 사인함수를 미분하면 진폭이 큰 코사인 함수가 나오고, 느리게 진동하는 사인함수를 미분하면 진폭이 작은 코사인 함수가 나온다는 점을 이용해서 수신받은 FM 신호를 미분한 후 RMS(Root Mean Square, 제곱평균제곱근) 값을 구하는 방식으로 FM 신호를 복조할 수 있다. 하지만 이는 비동기 검파방식이기 때문에 일반적으로 성능이 낮다. 아날로그 FM을 동기검파하고 싶다면 위상 동기 루프를 쓰는 방법이 있다.
FM방송 송출과정 중에 프리엠파시스는 미분을 이용한다.
캡처 효과가 있다. 두 방송국의 신호가 동시에 들어온다면 수신 지점 기준으로 신호가 강한 방송국의 방송만 들린다.
3. 디지털 FSK(Frequency Shift Keying, 주파수 편이 변조)
[math(s_{i}(t)=\sqrt{\frac{2E}{T}}\cos (2\pi f_{i}t+\phi ))]
[math(i=1,2,...,M)]
[math(0\leq t\leq T)]
[math(i=1,2,...,M)]
[math(0\leq t\leq T)]
- BFSK(Binary Frequency Shift Keying) - 간단히 설명하자면, '0'을 전송하고자 할 때는 [math(f_{1})] 주파수의 신호를, '1'을 전송하고자 할 때는 [math(f_{2})] 주파수의 신호를 보내는 방식으로 정보를 전달하는 방식이다.
- MFSK(M-ary Frequency Shift Keying)
- CPFSK(Continuous Phase Frequency Shift Keying, 연속 위상 주파수 편이 변조) -CPM의 일종. FSK는 주파수가 변하는 부분에서 위상이 불연속적으로 변해 대역폭을 잡아먹는데 이를 개선한 방식이다.
- MSK(Minimum Shift Keying, 최소 편이 변조) - CPFSK의 일종. 높은 주파수와 낮은 주파수의 차이를 비트 레이트의 절반으로 맞춰 최소화한 방식이다.
- GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying, 가우시안 최소 편이 변조) - MSK에 가우시안 필터를 적용한 버전. 가우시안 펄스를 사용하는데 주파수 스펙트럼 효율이 좋지만 Nyquist ISI(Inter-Symbol Interference) Criterion을 만족하지 못하는 펄스다.[3] 2G GSM에서 사용한다.
- GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying, 가우시안 주파수 편이 변조) - FSK에 가우시안 필터를 적용한 버전. 블루투스에서 사용한다.[4]
[1] 업무용의 경우 현재는 디지털 방식만 허가가 되며 생활무전기는 2026년까지만 아날로그 방식의 사용이 가능하다.[2] 예외적으로 SECAM은 영상의 색상 신호에도 FM을 사용했다.[3] 자기가 보낸 신호에 셀프로 자기가 간섭을 받는 펄스 모양이라는 뜻. 당연히 에러가 발생하기 쉬워진다.[4] GMSK와 거의 유사한 변조 방법을 사용한다.