신호 변환과 변조

신호 변환과 변조

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1. 정보, 데이터, 신호의 개념

정보(information)는 예를 들어 "비가 온다"와 같은 사실이나 의미를 가진다. 이 정보를 멀리 있는 누군가에게 전달하기 위해 0과 1 같은 데이터(data)로 바꾼다. 실제로 공간을 이동하는 것은 전자기파와 같은 신호(signal)다. 데이터와 신호는 각각 아날로그와 디지털 두 가지 형태로 구분한다.

2. 아날로그와 디지털의 구분

• 아날로그(Analog): 연속적(continuous)이고, 값이 부드럽게 변화한다. 예: 목소리, 음악, 영상, 실수
• 디지털(Digital): 불연속적(discrete)이고, 값이 단계적으로 변화한다. 예: 문자, 정수, 컴퓨터 데이터(0/1)

신호 역시 아날로그 신호(연속 파형)와 디지털 신호(펄스, 불연속 신호)로 나뉜다.

3. 데이터와 신호의 조합에 따른 변환 방식

데이터	신호	방식	설명
아날로그	아날로그	아날로그 변조	AM, FM, PM 등
아날로그	디지털	PCM	Pulse Code Modulation (A/D 변환)
디지털	디지털	라인코딩	Unipolar, Polar, Bipolar 등
디지털	아날로그	디지털 변조	ASK, FSK, PSK, QAM 등

4. 디지털 전송: PCM과 라인코딩

• PCM(Pulse Code Modulation): 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환하는 방식이다. 3단계(표본화 Sampling → 양자화 Quantizing → 부호화 Encoding)로 진행된다. 표본화 정리(Nyquist theorem)에 따라 원 신호의 최고 주파수의 2배 이상으로 샘플링해야 한다.
• 라인코딩(Line Coding): 디지털 데이터를 디지털 신호로 바꾸는 방식이다. Unipolar, Polar(NRZ, RZ, Biphase/Manchester), Bipolar(AMI) 등 다양한 방식이 있다.

5. 아날로그 변조

• AM(Amplitude Modulation): 반송파의 진폭을 정보신호에 따라 변화시킨다.
• FM(Frequency Modulation): 반송파의 주파수를 정보신호에 따라 변화시킨다.
• PM(Phase Modulation): 반송파의 위상을 정보신호에 따라 변화시킨다.

아날로그 변조는 라디오(AM, FM) 등에서 사용된다. 펄스 변조(PAM, PPM, PWM)도 있으나, 주로 디지털 전송과 연관된다.

6. 디지털 변조

• ASK(Amplitude Shift Keying): 디지털 데이터에 따라 진폭을 바꾼다.
• FSK(Frequency Shift Keying): 디지털 데이터에 따라 주파수를 바꾼다.
• PSK(Phase Shift Keying): 디지털 데이터에 따라 위상을 바꾼다. BPSK, QPSK, 8-PSK 등으로 확장된다.
• QAM(Quadrature Amplitude Modulation): 진폭과 위상을 동시에 바꾼다. 16-QAM, 64-QAM 등 고속 데이터 전송에 사용한다.
• MSK(Minimum Shift Keying): PSK와 FSK를 결합한 방식으로, 대역폭 효율이 높다.

디지털 변조는 주로 모뎀에서 사용되며, 신호의 대역폭 효율과 잡음 내성에 따라 다양한 방식이 선택된다.

7. 동기 검파와 비동기 검파

• 동기 검파(Coherent Detection): 송신기와 수신기의 위상을 일치시켜 복조한다. PSK, QAM 등에서 사용한다.
• 비동기 검파(Noncoherent Detection): 위상 정보를 사용하지 않고 복조한다. AM, DPSK, MSK 등에서 사용한다.

8. 주요 용어 및 정리

• CODEC: 아날로그-디지털 변환 및 복원 장치
• DSU: 디지털 데이터를 디지털 신호로 바꾸는 장치(라인코딩)
• 모뎀(Modem): 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환/복원하는 장치
• Eye Pattern: 디지털 신호의 ISI(Inter Symbol Interference) 측정 그래프
• Nyquist Theorem: 최고 주파수의 2배로 샘플링해야 원 신호 재생 가능

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정리

아날로그와 디지털 데이터 및 신호의 개념, PCM과 라인코딩, 아날로그 변조와 디지털 변조의 원리를 살펴보았다. 데이터와 신호는 각각 아날로그와 디지털로 나뉘며, 실제 통신에서는 데이터의 특성과 전송 거리에 따라 다양한 변환 및 변조 방식이 사용된다. PCM은 아날로그 데이터를 디지털로 바꾸는 대표적인 방식이고, 라인코딩은 디지털 데이터를 디지털 신호로 바꾼다. 아날로그 변조(AM, FM, PM)는 주로 라디오 등에서, 디지털 변조(ASK, FSK, PSK, QAM 등)는 데이터 통신과 모뎀에서 널리 활용된다. 각 방식의 원리와 특징을 정확히 이해하는 것이 데이터통신의 핵심임을 다시 한 번 확인한다.