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이번 글은 디지털 커뮤니케이션 과목에서 배우고 있는 내용을 정리하려 합니다.
목차
1.1 커뮤니케이션 시스템 (Communication System)
1.1-1 디지털 커뮤니케이션 (Digital Communication)
1.1-2 통신 채널 (Communication Channel)
1.1-3 변조 / 모듈레이션 (Modulation)
1.1 커뮤니케이션 시스템 Communication System
먼저, 커뮤니케이션 시스템 (communication system) 이란 메세지를 생성해내는 Source 로부터 다른 한 곳 혹은 여러 곳으로 정보를 보내는 시스템을 뜻한다.
예시로 전화기, 라디오, TV, 인공위성, 인터넷, 모스부호 전송시스템 등이 있다.
커뮤니케이션 시스템에는 기본적으로 아래와 같은 구성이 있어야 한다.
- 입력 변환기 Input transducer: 입력 메세지 (input message) 를 전기 파형 (electric waveform) 으로 변환시킨다.
- 송신기 Transmitter: 입력 시그널을 송신하기에 더 효과적인/효율적인 형태로 바꾼다
- 채널 Channel: 전기 신호를 먼 거리로 전달하기 위해 있는 매개/매질 (medium) 이다
- 리시버 Receiver: 전달받은 시그널을 본래의 시그널 형태로 회복하는 역할이다.
- 출력 변환기 Output transducer: 회복된 전기적 시그널을 다시 처음 입력된 메세지 형태 혹은 의도한 형태로 변환시켜 목적지에 전달한다.
위의 과정을 우리가 평상시 자주 쓰는 휴대폰 전화로 설명하자면,
이 경우 사람 목소리가 Source이고, 우리가 전화에서 하는 말이 입력 메세지로 변환기(마이크) 에 들어간다.
마이크에서 받은 메세지를 입력 신호로 변환하여 송신기로 들어가 신호를 보내기 효과적인 형태로 변환한다.
변환하는 이유는 입력 신호를 바로 전달할 경우 데이터가 너무 크거나, 보내는 과정 중 데이터 일부를 잃을 수 있기 때문이다. (조금 더 효율적이고 단순하게 변형해서 보낸다)
이렇게 변환된 신호는 채널(케이블/무선연결 시스템/전선) 을 통해 전달되는데, 이때 원하지 않는 노이즈가 섞일 수 있다.
채널을 통과해 전달받은 신호는 리시버에 들어가게 되는데, 이때 송신기에서 변환되었던 전달하기에 효과적인 형태의 신호를 다시 본래의 신호 형태로 변환한다.
이렇게 다시 되돌려진 출력신호는 출력변환기에 들어가 우리(목적지) 에게 메세지를 전달한다 (스피커가 목소리를 전달한다).
1.1-1 디지털 커뮤니케이션 시스템 Digital Communication System
디지털 커뮤니케이션은 통신 채널을 통해 디지털화된 아날로그 신호 및 비트열(bitstream) 데이터를 전송/수신 하는 시스템이다.
요즘의 대부분의 네트워크 시스템들은 디지털인데, 예시로 와이파이, 인터넷, 스마트폰, GPS, 인공위성, 그리고 라디오 등이 있다.
앞서 언급한 송신기(transmitter) 과 리시버(receiver) 을 조금 더 자세히 알아보자.
송신기와 리시버는 역할이 서로 반대가 되는데, 송신기에서 정보/신호를 변환한 것을 리시버에서는 원래대로 되돌린다.
먼저 송신기와 리시버의 과정은 크게 다음과 같다:
소스 인코더/디코더(Source encoder/decoder) 는 들어온 디지털 혹은 아날로그 신호를 이진수(binary digits: 0 & 1) 형태로 바꾼다. (신호를 컴퓨터 내부에서 사용하는 코드로 변경)
다음으로 채널 코딩(Channel coding) 에서는 이진수 형태의 정보에 중복/여분 (redundancy) 를 추가한다. 중복성을 더하는 이유는 이후 채널을 통과하며 추가될 노이즈(noise) 혹은 방해(interference) 를 무시하고 본래의 정보를 불러올 수 있게 하기 위해서이다.
마지막으로 디지털 변조/복조(Digital modulator/demodulator) 에서는 이진수 형태의 정보를 파형(waveform) 으로 바꾼다.
이때 송신기와 리시버는 동기화(synchronization) 가 필요한데, 이유는 채널을 지나며 데이터에 딜레이(delay) 가 생길 수 있기 때문이다.
1.1-2 통신 채널 Communication Channels
채널은 송신기와 리시버 사이를 이어주는 역할을 가지고 있다.
통신에서 전송 매체(transmission media) 는 크게 안내, 비안내 미디어 두 종류로 나뉜다.
1. 안내 미디어(guided media / wired): 유선이며 신호는 케이블을 통해 전달된다.
안내 미디어 채널으로는 아래와 같은 예시가 있다.
- 트위스티드 케이블 / 꼬인 선 케이블 (twisted-pair cable): STP(Shielded twisted pair), UTP (unshielded)
- 동축 케이블 (coaxial cable)
- 광섬유 케이블 (fiber-optic cable)
*위의 여러 케이블 종류와 특성에 대해서는 다음 글에서 설명하겠습니다.
2. 비안내 미디어(unguided media / unwired, radio): 라디오(radio) 신호로 케이블같은 매체를 통해 전달되는 것이 아니라 자유롭게 전달된다(free space). 예시로 와이파이, 블루투스 등이 있다.
비교적 최근 많이 쓰이게 된 비안내 미디어의 장단점을 살펴보자.
- 장점으로는 가격이 안내 미디어보다 적다. (안내 미디어 채널은 케이블 가격이 생각보다 많이 나간다) 또 거의 항상 언제 어디든 연결이 가능하고, 새 터미널을 뚫기가 편하므로 위급 상황의 경우 더 유리하다.
- 단점은 스펙트럼이 안내 미디어와 비교했을 때 부족하여 추가 용량을 확보하기가 힘들다. 또 간섭(interference) 에 취약하고, 예측하기 힘든 만큼 의존성이 떨어진다. 신호가 중간에 가로채지기 쉽고 데이터 전송 속도 또한 더 느린 편이다.
이렇듯 채널은 신호를 전달하는 통로 역할을 가지고 있는데, 특성상 신호를 전송할 때 정보가 일부분 손상되기도 한다. 다른 말로, 리시버에서 전달받는 신호는 수신된 신호와 차이가 있을 수 있다는 것을 의미한다.
이번 글 초반에 설명했던 채널에서의 노이즈 부분이 바로 이것이다.
노이즈는 항상 존재한다. 원하지 않는 무작위의 신호(random wave) 가 추가되는 것으로, 통신 시스템에 사용된 여러 구성 요소로부터 나온다.
노이즈 이외에도 데이터의 왜곡(distortion), 손실/감쇠(attenuation), 또 간섭(interference) 현상들이 존재한다.
- 왜곡은 시그널이 본래의 형태가 아니게 변화해버린 것을 의미한다. (wave 의 경우 진폭, 주기 등이 변화된 것)
- 손실/감쇠는 거리로 인한 복사 전력(radiated power) 한계로 인해 시그널이 손실되는 것이다.
- 간섭은 다른 source 로부터 흘러들어온 시그널으로 인해 본래의 데이터가 영향을 받는 것이다.
1.1-3 변조 / 모듈레이션 Modulation
통신 시스템에서 매우 중요한 변조 / 모듈레이션에 대해 간단히 알아보자.
모듈레이션(Modulation) 은 아날로그(analog) 혹은 디지털(digitia) 신호의 정보를 저장하고 전송하기 위해 주파수(frequency), 위상(phase), 그리고 크기(amplitude) 등을 변조시키는 과정이다.
송신기로 들어오는 입력 신호(아날로그 혹은 디지털) 는 베이스밴드(Baseband) 라고 불린다. 이것은 변조되기 이전의 본래의 정보를 담고 있는 신호이다.
반송파/캐리어(carrier) 는 정보 전달을 위해 입력 신호를 변조하는 전자기파이다. 반송파는 신호를 멀리 보내야 하기 때문에 대부분 입력 신호보다 주파수가 높다.
예시로 라디오 시그널의 음파의 베이스밴드 신호는 대부분 저주파(low-frequency) 영역에 있는데, 주파수가 너무 낮아 멀리 보내기가 힘들다. 이 경우 반송파를 신호에 섞어 고주파로 바꿔준 후 전송한다.
아래는 각각 크기, 주파수, 위상 모듈레이션의 예시이다. 기본 입력신호와 캐리어 신호가 섞이며 각각 다르게 변조된 것을 알 수 있다. 이렇게 변조된 신호는 전송이 비교적 수월하다.
높은 주파수로 바꾸어 주는 것에는 또 다른 이유가 있다. 바로 안테나(antenna) 와 연관이 있는데, 고주파의 전파는 안테나의 크기를 줄일 수 있게 도와준다.
효과적으로 전자기파(electromagnetic wave) 를 송신하려면 안테나의 크기는 송신되는 신호의 파장(wavelength) 의 분수 형태와 같아야 한다.
*antenna size should be a fraction of the wavelength of the transmit signal
또한 모듈레이션을 통해 동시에 여러 신호를 송신할 수 있다.
송신하는 신호마다 각각 다른 주파수의 캐리어 신호를 섞으면 신호들은 서로 방해되지 않게 송신이 가능하다.
아래의 FDM 모듈레이션을 보면 세개의 신호에 각각 다른 주파수를 가진 캐리어 신호 fc1, fc2, fc3 를 사용해 서로 겹치지 않게 신호들을 송신한 것을 알 수 있다.
이때 중요한 것은 캐리어 신호의 주파수가 서로 너무 가깝지 않게 해서 신호들이 겹치지 않아야 한다.
디모듈레이션/복조 (Demodulation) 는 말 그대로 모듈레이션의 반대이다. 캐리어와 섞여 변조된 고주파 신호를 다시 원래 신호로 되돌리는 과정을 말한다.
마지막으로, 디지털 송신의 장점은 다음과 같다:
- 디지털 송수신기(digital transceiver) 은 가격이 더 싸고, 빠르며 전력 효율이 좋다
- 오류를 수정할 수 있다 (error correction)
- 채널 손상(channel impairments) 에 대한 저항성이 있다 (예시: multipath fading)
- 효율적이고 보안성이 좋다
단점으로는 동기화가 필요하고 디지털 송수신의 과정에서 필요한 캐리어(carrier) 와 주파수 복구 과정이 단순하지만은 않지만, 요즘에는 신호처리 기술이 많이 발달해 크게 어려움이 많이 없다.
오늘은 통신 시스템에서 중요한 채널, 송신기, 리시버, 모듈레이션 등을 설명했는데, 모듈레이션의 경우 처음 접하는 것이라면 조금 헷갈리거나 알기 어려운 부분이 있을 거라 생각합니다.
모듈레이션의 종류와 방법이 매우 다양해서 이번 글에 다 넣기 힘들것 같아 이후 더 자세히 따로 글을 적어보겠습니다!
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