아날로그와 디지털의 정보와 신호

1. 아날로그 정보 -> 디지털 신호 : 펄스 부호 변조

 

펄스 부호 변조 방식은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 전송하는 것이다. 아날로그 정보를 표본화, 양자화, 부호화하는 과정을 거쳐 디지털 신호(펄스 부호)로 변환하여 전송한 후 이를 다시 받아 원래의 아날로그 정보로 복원한다. 1937년 영국의 리브가 개발한 방식으로, 대표적인 예는 통신장비의 디지털방에서 사용하는 회선 종단 장치인 디지털 서비스 유닛이 있대 잡음에 강하기 때문에 행성을 탐사한 우주선에서 영상을 전송하거나 위성 텔레비전의 음악 프로그램 등을 전송하는 무선통신에 주로 사용한다.

연속적인 아날로그 정보에서 일정 시간마다 시간 값을 추출하는 과정을 표본화라고 한다. 표본화의 주기가 길면 원래의 아날로그 신호를 재생하는 능력이 떨어지고, 주기를 짧게 하여 펄스를 고속으로 전송하면 전송 주파수 대역이 넓어져 원래의 아날로그 신호를 재생하는 능력이 높아진다.

표본화된 신호 값을 미리 정해 둔 불연속 한 유한 개의 값으로 표시하는 과정이 양자화이다. 즉, 무한한 아날로그 신호를 일정한 대푯값으로 연속 표시한다. 그러므로 원래의 신호 파형과 양자화된 파형 사이에는 약간 차이가 있으며, 이를 양자화 잡음 또는 양자화 오차라고 한다.

양자화 잡음을 최소한으로 줄이려면 양자화 레벨을 진폭에 따라 다르게 조절하는 것이 좋다. 즉, 진폭이 작은 신호일 때는 양자화 간격을 좁게, 큰 신호일 때는 양자화 간격을 짧게 하여 양자화 잡음을 최소화하면 된다.

양화화 과정에서 얻은 결과 정수 값을 2진수로 변환하는 것을 부호화라고 한다.

 

2. 디지털 정보 -> 아날로그 신호 : 대역 전송(브로드밴드)

 

대역 전송 방식은 디지털 정보를 아날로그 신호로 변환하는 것으로 디지털 변조 방식이라고도 한다. 컴퓨터에서 발생하는 디지털 신호를 아날로그 통신망인 전화망을 이용해 전송하려면 디지털 신호를 다시 아날로그 신호로 바꿔주어야 한다. 이때, 사용하는 방식이 바로 모뎀 역할을 하는 디지털 변호 방식이다.

이 방식은 직류가 전송되지 않아, 송신 측에서는 직류 신호를 교류 신호로 변화하여 데이터를 전송하고, 수신 측에서는 교류 신호를 직류 신호로 변환하여 전송한다. 전화망을 이용하여 컴퓨터 통신을 할 때 사용하는 모뎀의 신호변환이 대표적인 예이다. 즉, 베이스밴드의 주파스 스펙트럼을 별도의 음성 대역으로 전환하는 것이다. 이때, 사용하는 대역 내의 주파수를 반송파라고 한다.

진폭 편이 변조는 반송파의 진폭을 2개나 4개로 정해 놓고, 데이터가 1 또는 0으로 변하면 미리 약속된 진폭의 반송파를 수신 측으로 전송하는 방식이다. 다른 변호 방식보다 오류가 많고 전송 효율이 떨어져 디지털을 전송할 때는 거의 사용하지 않는다. 

주파수 편이 변호는 반송파의 주파수를 높은 주파수와 낮은 주파수로 미리 정해 놓은 후 데이터가 0이면 낮은 주파수를, 1이면 높은 주파수를 전송하는 방식이다. 진폭 편이 변호에 비해 잡음 등의 영향을 받지 않고, 회로가 단순해 많이 사용한다. 전이중 방식으로 동시에 정보를 주고받을 수도 있어 비교적 속도가 낮은 비동기 모뎀에서도 사용할 수 있다.

위상 편이 변호는 송신 측에서 반송파의 위상을 2등분, 4등분, 8등분 등으로 나누어 각각 다른 위상에 0 또는 1을 할당하거나, 2나 3비트로 한꺼번에 할당하여 수신 측에 전송한다.

진폭 위상 편이 변조는 진폭 편이 변호 방식과 위상 편이 변호 방식을 혼합한 방식이다. 고속으로 데이터를 전송할 수 있는 반면 변호 회로가 복잡하다는 단점이 있다.

 

3. 아날로그 정보 -> 아날로그 신호 : 아날로그 변조

 

아날로그 변조 방식은 아날로그 정보를 아날로그 신호로 변환하는 방식을 말한다. 디지털 변호 방식과 기본 원리는 비슷하나 원래의 신호가 아날로그라는 점만 다르다.

진폭 변조는 반송파는 0과 1로 on, off 하는 방식이다. 설계가 간단하며, 전송로의 주파수 변동에 강하나 전송로의 레벨 변동에 영향을 받기 쉬운 단점이 있다. 또한 잡음에 따라 불규칙 왜곡에 발생하기도 한다. 전송로의 레벨 변동에 영향을 받아 왜곡에 발생하므로 수신 측에 보상회로가 필요하다.

주파수 변호는 전송로의 레벨 변동과 잡음에 영향을 적게 받지만 전송로의 주파수 변동에는 약하다. 자동으로 주파수를 제어해 주는 회로와 복조 회로 쪽에 주파수 판별기가 필요하다.

위상 변조는 0가 1에 따라 반송파의 위상을 변환하는 방식이다. 기준파의 위상이 아니라 반송파의 위상이 변화함에 따라 정보를 전송한다.