4강. [CH-01 Introduction] - 시그널의 전송

지난 시간, 디지털 시그널도 특수한 아날로그 시그널이라는 것을 확인할 수 있었습니다. 즉 아날로그 시그널을 전송하는 방법을 알면, 디지털 시그널도 개념적으로는 동일하게 전송할 수 있습니다.

먼저 아날로그 시그널의 전송에 대해 알아보겠습니다.

 

아날로그 시그널의 전송

 

우리는 결국 컴퓨터 사이의 전기줄을 이용해 시그널을 전송하는 것입니다. 그렇다면 전기줄에 어떻게 전압을 걸어주어야할까요? 

이러한 방법을 사용한다는 것은 결국 시그널이라는 것은 도선에 걸리는 전압의 변화라고 할 수 있습니다. 따라서 아날로그 시그널을 보내고자 한다면, 적당한 주파수를 가진 여러개의 교류전압들을 전부 이 전깃줄에 연결해주면 될 것입니다. 갑자기 왜 여러개의 교류전압들을 전부 이 전깃줄에 연결을 하는 것인지 의문이 들 수도 있을 것입니다. 이는 지난 시간, 아날로그 시그널은 여러개의 시그널 컴포넌트로 구성되는 것과 관련이 있습니다.  각각의 시그널 컴포넌트는 아주 단순한 sin 파였기 때문에 시그널 컴포넌트 하나가 곧 교류 전압원 하나에 해당하는 것입니다.

 

예를들어봅시다.

내가 보내고자 하는 아날로그 시그널을 분석해보니, 총 3개의 신호 컴포넌트로 이루어졌다고 합시다.

5V / 10hz , 2V / 20Hz, 1V / 50hz 총 3개의 신호컴포넌트로 이루어졌다면, 교류 전압원 3개를 각각 전압/주파수/위상이 적절히 걸리도록 세팅을 해주고 전기줄에 직렬로 연결하면, 각각의 전압원에서 내보내는 시그널이 알아서 더해져 결과적으로 내가 보내고자 했던 시그널이 도선에 걸리게됩니다.

 

디지털 시그널의 전송

 

디지털 시그널은 특별한 아날로그 시그널이라고 했습니다. 그렇다면 아날로그 시그널과 동일한 방식으로 전압원들을 연결해주면 될까요?

 

안됩니다.

 

디지털 시그널은 주기적이든 주기적이지 않든 간에 무한대 대역폭, 무한한 신호 컴포넌트를 갖습니다. 무한개의 전압원을 구해서 이에 시그널을 전송한다는 것은 정말 말도 안됩니다. 그렇다면 어떻게 해야할까요?

 

여기서 등장하는 것이 라인코딩입니다. 라인코딩을 앞선 글들 중 하나에서 한번 언급한적이 있습니다. 

라인코딩이란 데이터를 어떠한 알고리즘을 통해 시그널로 바꾸는 것을 의미합니다. 그런데 라인 코딩 시에 주의할 점들이 몇가지 있습니다. 데이터를 시그널로 바꾸었을 때 결과로써 생성된 시그널이 DC 컴포넌트 문제를 가지게 된다는 것입니다.

그렇다면 DC 컴포넌트가 무엇이고 왜 이것이 문제가 되는 것일까요?

 

DC 컴포넌트를 포함한다는 것의 말의 의미를 정리하면 다음의 문장과 같습니다.

"신호를 구성하는 신호 컴포넌트들 중에 주파수가 0이거나 거의 0인 무시할 수 없는 진폭의 신포 컴포넌트가 존재한다"

즉 디지털 시그널을 전송하는 매체가 반드시 주파수 0부터 시작하는 대역을 가져야만 해결할 수 있습니다..

이런 채널을 낮은 주파수에서 싲가하는 대역을 가진 채널이라 하여, 저대역 통과 채널이라고 합니다.

즉, 디지털 시그널의 전송을 위해서는 저대역 통과 채널이 필요합니다. 그런데 이 말은 오직 이 채널만을 위해 전용으로 사용되는 매체가 필요하다는 의미를 내포합니다. 왜 그런지 알아보겠습니다.

 

조금 뜬금없을지도 모르겠습니다만, 세상에서 가장 큰 채널이 무엇일까요? 

공기입니다.

지금 이 순간에도 우리 주변에는 헤아릴 수 없이 많은 전파들이 제각각의 주파수와 진폭을 가지고 날아다닙니다. 즉 공기라는 패널은 수 많은 기기가 공유하는 채널입니다.

 

만약 친구와 전화를 한다면, 제 전화기는 친구 전화기의 주파수에 맞는 시그널을 생성하여 공기 채널을 통해 전송합니다. 그러면 제 시그널과 과 주파수가 맞은 친구 전화기에서 벨이 울리고, 친구가 받으면 통화를 할 수 있습니다. 따라서 친구 전화기의 주파수와 같은 주파수를 쓰는 기기가 있다면 혼선이됩니다. 그리고 추가적으로 전화를 걸 때 정확히 특정 주파수의 신호만 계속 보내지는 것이 아니고 약간의 오차가 있을 수 있습니다. 따라서 전화기는 특정 주파수에만 반응하는 것이아니라, 약간의 오차가 있어도 반응 할 수 있도록, 특정 주파수 영역, 대역의 신호가 오면 반응합니다. 따라서 여러개의 기기가 특정 대역을 공유할 수는 없습니다. 

 

그러면 다시 돌아와, 공기를 저대역 통과 채널로 사용할 수 있을까요? 다시말해 컴퓨터A와 컴퓨토B를 연결해서 디지털 시그널을 전송하기 위해 공기를 채널로 사용할 수 있을까요?

 

공기 중에는 0Hz의 신호 컴포넌트를 포함하는 신호들이 잔뜩있습니다. 따라서 A에서 제가 보낸 신호가 아니라, 다른 사람들이 보낸 신호도 계속해서 B로 컴퓨터로 들어가게됩니다. 따라서 0Hz인 신호 컴포넌트를 가진 디지털 시그널을 전송하기 위해서 반드시 다른 기기로부터의 시그널을 받지 않도록 전용으로 사용하는 매체가 필요합니다. 따라서 A와 B를 직접 전기줄로 연결을 해놓아야 서로간의 디지털 시그널을 전송할 수 있습니다. 그리고 이러한 전송을 기저대역 전송이라고 합니다.

 

기저대역 전송 (Baseband transmission)

 

기저대역 전송 (Baseband transmission)

기저대역 전송이란 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸지 않고 그대로의 채널을 통해 전송하는 것입니다.

기저 대역 전송을 하기 위해서는 주파수 0에서 시작하는 대역폭을 갖는 저대역 통과 채널(low-pass channel)이 필요합니다. 이는 오직 하나의 채널만을 위해 전용으로 사용됩니다.

 

그리고 기저대역전송에는 두가지 경우가 있습니다. 하나는 전용선이 허용하는 대역폭이 넓은 경우, 다른 하나는 대역폭이 좁은 경우입니다. 

당연히 무한적으로 대역폭을 가지는 채널이 좋겠지만 현실에서는 있을 수 없는 일입니다. 넓은 대역폭을 가지는 저대역 통과 채널은 동축 케이블이나 광섬유 같은 매우 넓은 대역폭을 가지는 케이블로 구현이 가능합니다. 이는 높은 정밀도의 통신이 가능하며 어느 정도의 디지털 신호의 모양을 유지할 수 있습니다. 좁은 대역폭을 가지는 저대역 통과 채널은 디지털 신호와 근사한 아날로그 신호를 사용합니다. 

 

아래에서 더욱 자세히 살펴보겠습니다.

 

(이러한 이유들로 디지털 시그널은 무선 통신에서 사용할 수 없습니다.. 무선 통신에서 사용되는 시그널은 아날로그 시그널입니다. 물론 어떤 라인 코딩 알고리즘은 전혀 DC 컴포넌트 문제를 만들지 않기도 합니다만.. 이런 방식이라면 무선에서도 사용할 수 있겠지만 기본적으로 무선에 사용되는 시그널은 아날로그 시그널입니다.)

 

우리는 현재까지, 디지털 시그널의 전송에서 DC 컴포넌트와 관련된 것들만 알아보았을 뿐입니다.

여전히 신호 컴포넌트가 무한개이고 대역폭이 무한대라는 문제점이 있습니다.

 

가장 이상적인 해결책은 무한개의 교류전압원을 사용하고 무한대의 대역폭을 갖는 채널을 사용하는 것이지만 현실적으로 말이되지않습니다.

 

하지만 다행히, 우리에게는 대단히 많은 전압원을 사용하고, 대단히 큰 대역폭을 갖는 채널을 사용하는 방법이 있습니다.

 

예를 들어, 무한개의 신호컴포넌트들 중에 진폭이 낮은 것들은 과감히 버리고, 가장 영향력있는 상위의 컴포넌트들만을 추려서 그것들만을 조합해서 전송해도 내가 전송하려던 디지털 신호와 완벽히 같지는 않아도 판독이 가능할 정도로 약간만 다르게 전송이 됩니다.

그리고 디지털 데이터/시그널의 특성상 0아니면, 1이기 때문에 대략적인 판독이 가능합니다.

 

그런데 만약 사용할 수 있는 채널이 극히 제한적이라 사용 가능한 대역폭이 지나치게 좁으면 어떻게 될까요?

가장 영향력 있는 신호들을 정말 최소한으로만 추려야한다면 어떻게 해야할까요?

 

즉 우리는 지금 채널에서 사용가능한 대역폭이 좁다는 사실 때문에, 신호 컴포넌트를 몇개나 쓸 수 있는지에 관심을 두고 있습니다.

 

우선, 조금 있다가 등장 할 그림들을 이해하기 위해서는 비트율을 알아야합니다.

간단히 설명하자면, 시간 당 비트 간격의 개수입니다. 이는 일반적으로 시간당 비트 간격의 개수를 표현하는 bps라는 단위로 나타냅니다.

 

그럼 다시 돌아와 다음을 그림을 통해 원본 디지털 시그널을 아날로그 시그널로 변환했을 때 최소 몇개의 신호 컴포넌트가 필요한지 살펴봅시다.

 

 

 

 같은 데이터를 전송하는 것이라면, 대역폭은 당연히 적게 차지할 수록 더 좋습니다. 내가 적게 차지한 만큼 하나의 채널을 다른 기기가 사용할 수도 있기때문입니다. 위의 그림을 보면 주파수가 N/2일 때 아날로그 시그널이 디지털 시그널과 아주 근사합니다.

 

여기서 같은 속도로 전송하는데, 디지털 시그널을 아날로그 시그널로 변환했을 때 대역폭이 더 적어지기 때문에 매번 이렇게 하는 것이 더 좋을 것이라는 생각을 할 수도 있습니다. 그러나 전용선이 있고, 가능한 대역폭도 크다면 굳이 아날로그 시그널로 바꿀 필요가 없습니다.

디지털 시그널이 노이즈에 훨씬 더 강하기 떄문입니다.세상 모든 정보를 컴퓨터에 저장하게된 배경도 여기에 있습니다. 디지털은 0아니면 1이기 떄문에 일부분이 손상이되어도 0인지 1인지 구분할 수 없을 정도로 손상을 입지 않는다면 원본 그대로 복원이 가능합니다

 

하지만 아날로그 시그널이라면 깍인부분이 무엇을 의미하는지 알 방법이 없습니다. 이런 이유로 아날로그 시그널은 노이즈에 매우 취약합니다. 따라서 전용선도 있고 대역폭도 큰 경우라면 디지털 시그널을 그냥 보내면 됩니다.

 

baseband transmission, 기저 전송에서 채널의 가용 대역폭이 큰 경우에는 디지털 시그널을 그냥 전송하고(아주 많은 아날로그 신호 컴포넌트를 조합해서), 가용 대역폭이 적은 경우에는 아날로그 시그널로 바꾸어전송한다고 했습니다. 이 때 가용 대역폭이 적은 경우 아날로그 시그널로 바꾼다면 기존보다 대역폭이 줄들기에 디지털 시그널을 보낼때보다 빨라지는지 궁금할 수 있습니다. 정답을 말하자면, 속도는 빨라질 수 있으나, 애초에 디지털 시그널에 근접하게 만든 아날로그시그널일뿐더러, 아날로그 시그널은 노이즈에 취약하기 때문에 신호의 모양이 원래 디지털 신호에 근접하지 못해 오류가 생길 수 있습니다. 따라서 디지털 신호와 최대한 근사시키기 위해 더 많은 신호컴포넌트들을 사용해 더 많은 대역폭을 사용해야합니다.

 

광대역 전송 (Broadband transmission)

 

위와 같이 광대역 전송을 위해 디지털 시그널을 아날로그 시그널로 변형할 때는 DC 컴포넌트가 없도록 변형됩니다. 따라서 광대역 전송에서는 반드시 대역이 0hz에서 부터 시작하는 채널이 필요하지 않습니다. 이러한 아날로그 시그널은 띠 대역 채널로 전송할 수 있습니다. 띠 대역이란 말그대로 0에서 부터 시작하지 않은 어떤 대역을 가진 채널이라는 소리입니다. 

 

정리하자면, 아날로그 시그널과 디지털 시그널을 어떻게 전송하느냐에대해서는 모두 알아보았습니다.

아날로그 시그널은 그냥 전압원 여러개를 걸어주면되는 것이고, 디지털 시그널은 전압원이 많이 필요한 아날로그 시그널로 생각할 수 있습니다. 하지만 DC 컴포넌트 문제와, 무한개의 전압원 문제를 해결하기 위해 어떤 방법을 사용하는지도 배워보았습니다.

 

* 아래의 글을 보고 작성하였습니다.

https://m.blog.naver.com/unionlkh/220748882878