[DC-11] 신호 변환

1. 개요

• 데이터의 형태에는 아날로그 데이터와 디지털 데이터가 있음
• 신호의 형태에도 아날로그 신호와 디지털 신호가 있음

• 따라서, 신호 변환 시 모두 4가지 유형이 나타날 수 있음
• 아날로그 데이터 ⇨ 아날로그 신호
• 아날로그 데이터 ⇨ 디지털 신호
• 디지털 데이터 ⇨ 아날로그 신호
• 디지털 데이터 ⇨ 디지털 신호

※ 변조(Modulation)

• 입력 신호파 fs와 fc의 주파수를 가진 반송파를 결합시켜 fc±fs의 대역폭을 갖는 신호 fo(t)를 생성하는 과정 

2. 베이스 밴드 전송 방식 

• 원래의 신호(펄스 파형, 디지털 데이터)를 다른 주파수 대역으로 변조하지 않고 전송하는 방식
• 정보를 0과 1로 표시하고, 이것을 직류의 전기 신호로 전송
• 단거리 전송에 적합

- 베이스 밴드 전송 방식의 유형

• 단류 NRZ(Non Return to Zero): 신호 1에 대해 양(+)의 전압을 주고, 0이면 전압을 주지 않음

• 복류 NRZ: 0은 음(-), 1은 양(+)의 전압을 표현

• 단류 RZ(Return to Zero): 신호 1에 대해 양(+)의 전압을, 신호 0이면 전압을 주지 않고 신호 간에는 반드시 전압이 0

• 복류 RZ: 신호 1에 대해 양(+)의 전압을, 신호 0에 대해 음(-)의 전압을 주어 신호 간에는 반드시 전압이 0의 상태를 취하는 방식

• Bipolar(바이폴라, 양극성) 방식: 신호 0에 대해서는 0V를 유지하고, 1일 때는 양(+), 음(-)을 교대로 표현 

• 맨체스터(Manchester)
  • 신호 0에 대해서는 음(-)에서 양(+)으로, 1일 때는 양(+)에서 음(-)으로 상태가 변화는 방식
  • IEEE 802.3의 CSMA/CD LAN에서의 전송 부호로 사용됨
  • 신호 준위 천이가 매 비트 구간의 가운데서 비트 1에 대해서는 고 준위에서 저 준위로 천 이하이며 비트 0은 저 준위에서 고 준위로 천이함

• CMI(Code Mark Inversion)

3. 아날로그 데이터를 아날로그 신호로 변환(아날로그 변조) 

• 진폭 변조(AM, Amplitude Modulation) - 변조 파형에 따라 진폭을 변조하는 방식
• 주파수 변조(FM, Frequency Modulation) - 변조 파형에 따라 주파수를 변조하는 방식
• 위상 변조(PM, Phase Modulation) - 변조 파형에 따라 위상을 변조하는 방식

4. 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환 

1) 펄스 변조 : 펄스파의 진폭, 위상 등을 변화시키는 변조 방식으로 아래와 같이 분류됨

• 연속 레벨(아날로그) 변조 전송 방식
  • PAM (펄스 진폭 변조, Pulse Amplitude Modulation)
  • PWM (펄스폭 변조, Pulse Width Modulation)
  • PPM (펄스 위치 변조, Pulse Position Modulation)
•  불연속 레벨(디지털) 변조 전송 방식
  • PNM (펄스 수 변조, Pulse Number Modulation)
  • PCM (펄스 코드 변조, Pulse Code Modulation)

2) 펄스 코드 변조(PCM, Pulse Code Modulation)

• 화상, 음성, 동영상 비디오, 가상현실 등과 같이 연속적인 시간과 진폭을 가진 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환하는 것

3) 펄스 코드 변조 순서 : 표본화(Sampling) ⇨ 양자화(Quantizing) ⇨ 부호화(Encoding)
 ① 표본화(Sampling) : 연속적인 신호 파형을 일정 시간 간격으로 검출하는 단계

• 샤논의 표본화 이론 - 어떤 신호 f(t)를, f(t)가 가지는 최고 주파수의 2배 이상으로 채집하면, 채집된 신호는 원래의 신호가 가지는 모든 정보를 포함한다는 이론
• 표본화 횟수 : 2 × 최고 주파수
• 표본화 간격 : 1 / 표본화 횟수 

 ② 양자화(Quantizing) : 표본화에 의해 얻어진 신호를 평준화시키는 단계 (정수로 된 2진 코드로 만듦)

• 양자화 레벨 : PAM 신호(표본화에 의해 검출된 신호)를 부호화할 때 2진수로 표현할 수 있는 레벨
• 양자화 레벨 = 2^(표본 당 전송 비트)

 ③ 부호화(Encoding)

• 펄스 진폭의 크기를 디지털량으로 변환하는 것

 ④ 디지털 신호를 부호화하는 이유 

• 신호의 동기화
• 신호의 에러 검출
• 신호의 잡음 영향 감소

  ⑤ 복호화(Decoding) : PCM 신호를 PAM 신호로 되돌리는 것 

 

※ DM(델타 변조, Delta Modulation)

• 펄스 코드 변조의 하나로 입력 신호를 표본화하여 바로 앞의 표본치와 진폭을 비교했을 때 입력 신호가 크면 1을 출력하고 입력 신호가 작으면 0을 출력하여 1비트의 디지털 부호화 신호를 생성하는 변조 방식

5. 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환(브로드밴드(Broadband) 변조 방식) 

1) 진폭 편이 변조(ASK, Amplitude Shift Keying)

• 2진수 0과 1을 각각 서로 다른 진폭의 신호로 변조하는 방식
• 1200~2400 [bps]

2) 주파수 편이 변조(FSK, Frequency Shift Keying)

• 2진수 0과 1을 각각 서로 다른 주파수로 변조하는 방식
• 1200 [bps] 이하
• 비동기식 변/복조기(Asynchronous MODEM)에서 주로 사용

3) 위상 편이 변조(PSK, Phase Shift Keying) 

• 2진수 0과 1을 각각 서로 다른 위상을 가진 신호로 변조하는 방식
• 반송파로 사용하는 정현파의 위상에 정보를 실어 변조
• 일정 주파수, 일정 진폭의 정현파 위상에 1Bit(2위상), 2Bit(4위상), 3Bit(8위상)을 대응시켜 각각 다른 위상에 '1' 혹은 '0'을 할당하거나 두 비트 혹은 세 비트를 한꺼번에 할당(위상 변환)하여 전송하므로 속도 향상에 유리
• 동기식 변/복조(Synchronous MODEM)에서 주로 사용
• 2400 [bps] 이상

4) 직교 진폭 변조(QAM, Quadrature Amplitude Modulation)

• 일정 진폭 및 위상을 상호 변환하여 신호를 싣는 변조 방식
• 비트 전송률을 높이기 위해 각각의 벡터를 위상 변화뿐만 아니라 진폭 변화도 시키는 방식
• 반송파의 위상과 진폭을 상호 변환하여 신호를 전송함으로써 4개의 위상과 2개의 진폭으로 한 번에 3비트가 전송 가능한 방식
• 고속 데이터 전송에 이용되며, 주로 9600 [bps]의 속도에서 운용되는 변조방식

※ 진폭 위상 편이 변조 방식의 위상 진폭에 따른 전송 비트 수 구하는 방법

• 예를 들어 4위상이라면 2^2 = 4(위상)이므로 2bit이고, 2 진폭은 2^1 = 2(진폭)이므로 1bit 임. 따라서 한 번에 전송할 수 있는 비트 수는 3bit(2bit+1bit) 임

6. 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환 

• 디지털 데이터를 디지털 회선을 통해 전송하기 위해 디지털 형태로 변환하는 것
• DSU를 이용

※ 변/복조의 개념
- 변조

• 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 과정

- 복조

• 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정
• 피변조파 즉 변조된 파형으로부터 원래의 신호파를 만드는 것