7강. [CH-02 Physical layer]Analog to Digital

저번 강의에서 디지털 데이터를 디지털 시그널로 바꾸는 방법에 대해 알아보았습니다.

이번 시간에는 아날로그 데이터를 디지털 시그널로 바꾸는 방법을 알아보겠습니다. 사실 이를 위해서는 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 바꾼 후 이를 디지털 시그널로 변환하여 전송하면 됩니다.

따라서 우리는 아날로그 데이터를 디지털 시그널로 변환하는 방법에대해 알아보겠습니다.

 

우선 아날로그 데이터를 디지털 시그널로 변환해야하는 이유에 대해 생각을 해 봅시다.

컴퓨터에서 만들어지는 모든 정보는 디지털 데이터입니다만, 의외로 우리가 사용하는 많은 데이터들은 그 원본이 아날로그입니다.

전송은 디지털로 하더라도, 원본은 아날로그인 경우가 많습니다. 

 

아날로그 데이터가 디지털 데이터로 바뀌기만 한다면, 앞서 배운 라인코딩을 통해 최종적으로 디지털 시그널을 얻을 수가 있습니다.

즉 아래의 그림과 같은 순서로 진행됩니다.

 

 

그렇다면 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 바꾸는 2가지 방법에 대해 알아보겠습니다.

 

 

PCM(Pulse code modulation)

 

아날로그 데이터를 디지털로 변환하는 방법은 생각보다 아주 간단합니다.

바로 일정 시간 간격으로 아날로그 데이터의 voltage를 측정해서 디지털로 모델링 하는 것입니다.

즉, Sampling을 통해 값을 측정하고 그 값을 Quantizing 한 후 나온 디지털 데이터를 인코딩 하는 것입니다.

 

 

즉 아래 그림과 같은 방법을 이용합니다.

 

원래 아날로그 데이터의 voltage를 특정 시간마다 측정해서, 일정 준위에 해당하면 그 디지털 데이터로 변환을 합니다.

해당 과정을 거쳐 아날로그 데이터는 디지털 데이터로 변환됩니다.

 

1) Sampling

 

그렇다면 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 바꾸기 위해 아날로그 데이터의 전압을 1초에 몇번 측정해야할까요? 이를 Sampling rate, 채집률이라고 하며, 물론 채집률이 클 수록 원래의 아날로그 시그널과 유사한 디지털 데이터가 생성되겠지만, 당연히 파일의 용량도 커질 것입니다. 

 

나이퀴스트 정리에 따르면, 원래의 아날로그 신호를 재생하기 위한 한 가지 필요조건은 채집률이 원래 신호 최고 주파수의 최소한 2배가 되어야한다고 합니다. 이에 따라 대역폭이 제한적이어야 신호를 채집할 수 있으며, 무한 대역폭을 가지는 신호는 채집이 불가능합니다.

 

2) Quantization

 

Sampling이 끝났다면, 아날로그 신호를 일정 구간의 레벨로 나누어 정수의 디지털 값으로 변환하는 과정이 필요합니다.

 

3) Encoding

PCM의 마지막 단계는 만들어진 디지털 데이터를 인코딩 하는 것입니다.

 

사실 PCM은 매우 복잡한 기술입니다. 이러한 PCM의 복잡도를 낮추기 위해 다른 기술들이 개발되었는데, 그 중 하나가 DM입니다.

이를 살펴보겠습니다.

 

DM(Delta Modulation)

DM은 각 표본 채집 시에 직접 표번 값과의 차이를 찾고 증감에 따라 1과 0을 표시합니다. 

 

더욱 자세히 나타낸 그림은 다음과 같습니다.

 

여기까지 Analog data를 Digital signal로 변환하는 방법을 알아보았습니다. 다음시간에는 Digital Data를 Analog signal로 변환하는 방법에 대해 알아보겠습니다.