들어가기전에.....
아날로그 신호(Analog Signal)란?
- 임의의 순간에 있어서도 신호의 크기가 정보로서 의미를 가지고 있습니다.
- 연속적으로 유사한 값이 이어지는 신호이며 디지털 신호와는 다르게 0과 1뿐만 아니라 모든 실수로 표현 가능합니다.
→ 즉 "자연상태의 정보이자 시간이 경과함에 따라 연속적으로 변해가는 신호" 로 정의 할 수 있습니다.
ex) 온도, 길이, 전압, 전류, 각도, 전파 등등
디지털 신호(Digital Signal)란?
- 시간이 경과함에 따라 *이산적인 정보인 0과 1만을 갖습니다.
*이산적이다 : 연속적이지 않다는 의미로 컴퓨터에서는 0과 1로 처리 할 수 있는 단속적인 값을 갖는 데이터라는 뜻
아날로그 신호의 디지털 변환
먼저 변환 방법을 알아보기전 "왜 해야하는가?" 에 대한 궁금증 부터 해결하고 들어가보겠습니다.
각각의 장점과 단점 먼저 살펴보자면
-아날로그 신호-
장점
(1) 연속적인 값을 가진다.
(2) 보다 정확한 정보를 가지고 있다.
단점
(1) 정보가 변질되기 쉽고 가공이 어렵다.
-디지털 신호-
장점
(1) 인공적인 신호로 가공이 용이하고 다루기 쉽다.
(2) 원본과 동일한 복제가 가능하다.
(3) 정보 저장의 단위와 용량이 명확하다.
단점
(1) 정해진 규격 외의 미세한 신호는 잡아내지 못한다.
(2) 순간의 오류가 이후의 신호에도 영향을 미칠 수 있다.
.
.
.
이를 바탕으로 질문에 답을 해보자면
Q. "왜 해야하는가?"
A. 무질서한 잡음으로부터 구분하는 전자회로 설계가 용이하며 아날로그 신호보다 명확하고 규칙적이다.
+
Q. "어디에 사용되는가?"
A. 디지털 전화, 컴퓨터, CD레드북, 디지털 오디오 등등에 쓰인다.
정도가 있겠습니다.
아날로그에서 디지털 신호로 변환하는 대표적인 방식으로는 펄스부호변조가 있습니다.
펄스부호변조(PCM, Pulse Code Modulation)란?
- 각 통화자마다 이용시간을 분할·배분하는 *시분할 다중방식이 사용되고 있습니다.
- 아날로그 신호의 디지털 표현으로, 신호 등급을 균일한 주기로 *표본화한 다음 디지털 코드로 *양자화 처리합니다.
- 아날로그 신호를 디지털 펄스로 변환하여 전송하고, 수신측에서 이를 다시 본래의 아날로그 신호로 환원시키는 방식입니다
*시분할 다중방식 : 전송로를 점유하는 시간을 분할하여 한 개의 전송로에 여러 개의 가상 경로를 구성하는 통신 방식
*표본화(Sampling) : 연속 신호(유동적인 신호)를 이산 신호(수치화된 신호)로 감소시키는 것을 말한다.
- 주어진 아날로그 신호를 나이퀴스트 기준에 따라 표본화합니다.(https://ralasun.github.io/signal%20analysis/2021/07/01/nyq/ --> 나이퀴스트이론)
*양자화(Quantization) : 연속적으로 보이는 양을 자연수로 셀 수 있는 양으로 재해석하는 것
- 표본화된 수치들을 반올림하여 정수로 만듭니다.
*부호화(Encoding) : 데이터의 양을 줄이기 위해 데이터를 코드화하고 압축하는 것이다.
- 앞서 정량화된 진폭의 크기를 2진수로 바꾸어서 7비트로 표현하며 마지막 8번째 비트는 부호를 표시합니다.
*복호화(Decoding) : 디지털 신호를 펄스 신호로 재복원 합니다.
*여과(Filtering) : 원래의 아날로그 신호로 변홥합니다.
PCM의 장점
(1) 잡음과 간섭에 강하다.
(2) 전송중 코딩된 신호를 효과적으로 재생
PCM 과정 : 아날로그 데이터 -> 표본화 -> 양자화 -> 부호화 -> 복호화 -> 여과 -> 아날로그 데이터
디지털 신호의 아날로그 변환
1. ASK(Amplitude Shift Keying)
(1) 진폭변이변조
- 신호를 만들기 위해 진폭을 변화시킵니다.
- 주파수와 위상은 변하지 않습니다.
- 디지털 클럭이 1일때는 높은 진폭을 0일때는 낮은 진폭을 보내는 *AM디지털 전송 방식입니다.
- 장거리 및 대용량 전송에 적합하지 않고 상대적으로 잡음의 영향을 많이 받지만 구조와 원리가 간단합니다.
- 2진수에 서로 다른 진폭을 적용하여 변조합니다. 300bps 저속 모뎀에서 사용합니다.
*AM디지털 전송 방식 : 반송파의 진폭을 변조합니다.
2. FSK(Frequency Shift Keying)
(1) 주파수변이변조
- 신호를 만들기 위해 주파수를 변화시킵니다.
- 진폭과 위상은 변하지 않습니다.
- 디지털 클럭이 0일때는 낮은 주파수를 1일때는 높은 주파수를 보내는 *FM디지털 전송 방식입니다.
- 전송선로에서 감쇄, 왜곡, 누화, 간섭등이 발생하지만 주파수는 변하지 않습니다.
-2진수에 서로 다른 주파수를 적용하여 변조합니다. 1,200bps 이하의 비동기식 모뎀에서 사용합니다.
*FM디지털 전송 방식 : 반송파의 주파수를 변조합니다.
3. PSK(Phase Shift Keying)
(1) 위상편이변조
- 신호를 만들기 위해 위상을 변화시킵니다.
- 진폭과 주파수는 변하지 않습니다.
- 전송로에 의한 레벨 변동 및 *심벌 에러에 강하고, *변복 조회로가 단순합니다.
- 2진수에 서로 다른 위상을 적용하여 변조합니다. 2,400~4,800bps의 중속 모뎀에서 사용합니다.
*심벌 에러
*변복 조회로 : 진폭변조, 주파수변조, 위상변조, 디지털변조 등
4. QAM(Quadrature Amplitude Modulation)
(1) 구상진폭변조
- 복수의 좁은 주파수 대역의 반송파로 복수의 정보를 한번에 전송하는 멀티 캐리어화된 디지털 변조 방식입니다.
- 진폭과 위상을 동시에 변화시켜 더 많은 비트수를 표현
- 2개의 비트를 처리하며 *BPSK에 비해 속도가 2배 빠릅니다.
- 오류 발생 확률이 BPSK에 비해 √2배로 늘어납니다.
- 2진수에 진폭과 위상을 변조하여 전송합니다. 4,800bps 이상의 고속 모뎀에서 사용합니다.
*BPSK : 심벌 당 1비트를 전송하기 위해 2가지 위상을 사용하는 2진 PSK 변조 방식
참고: https://linecard.tistory.com/38