신호와 스펙트럼 - 디지털통신 시스템

디지털통신의 특징 (아날로그와 비교 시)

장점 

- 아날로그 신호보다 쉽게 재생할 수 있음

- 왜곡 및 간섭에 의한 영향이 적음 (아날로그 신호는 작은 교란으로도 원파형을 파악할 수 없을 정도로 심하게 왜곡될 수 있음)

- 더 신뢰할 수 있고 낮은 비용으로 생산

- 유연한 구현이 가능

- 다중화 (Multiplexing)

- 간섭과 방해 전파로부터 원 신호를 보호

(Noise와 Disturbance에 강함 => 2개의 state 밖에 없어서, state에 영향을 주려면 Disturbance가 꽤 커야 함)

- 암호화와 프라이버시

 

단점

- 넓은 대역폭 필요 (Sampling에 의한 대역폭 증가)

- 동기화 필요 (동기화 장치, 부가 data 필요, Coding이 많아짐)

- 급격한 성능저하 

(-신호 대 잡음 비가 일정 값 이하로 떨어지면 서비스 질이 매우 나쁜 상태로 급격히 변할 수 있음 *채널 부호화 : 신호 대 잡음 비 높임

- 0,1로 구성되어 있기 때문에 아주 좋거나 아주 나빠짐)

 

디지털통신 시스템 블럭도

 

신호 변환

상위 블록 : 신호원 => 송신기 (신호 변환)

하위 블록 : 수신기로부터의 신호 변환 (역 과정)

무선 응용을 위한 구성

- 송신기

  - 주파수의 상향 변환

  - 고출력 증폭기

  - 안테나

- 수신기

  - 안테나

  - 저잡음 증폭기

  - 주파수의 하향 변환

   

디지털 통신의 기본적인 용어 (형식화, 신호원부호화, 채널부호화, 변조,복조, 검출, 다중화, 다원접속, 확산, 암호화, 동기화)

형식화

- 신호원 정보 => 디지털 심볼 (변환)

- 정보를 디지털 통신처리에 적하한 형태로 변환

- 기저대역 전송에 적합한 심볼을 위한 파형 선택

 

신호원 부호화 

- 아날로그 대 디지털 변환

- 불필요한 잉여 정보를 제거

- 데이터 압축 수행

 

채널 부호화 (Encoding)

- 전송 대역폭 또는 부호기의 복잡도를 증가 => 오류 확률 줄이고, 신호 대 잡음비는 높임

- 오류 정정 등을 통한 성능 향상

- 2개의 기본적인 유형 (파형 부호화, 구조화된 시퀀스(자동 재전송 요구(ARQ), 순방향 오류 정정 (FEC))

 

변조

- 심볼 => 파형

- 펄스 변조

- 대역통과 변조

 

복조

- 파형의 복원 (기저대역 펄스)

- 2개의 기본적인 유형 (동기(coherent): 위상 정보 포함, 비동기(noncoherent): 위상 정보 사용 안함)

 

검출

- 채널 심볼의 추정 값 또는 메시지 심볼의 추정 값으로 변환

 

다중화와 다원 접속 (multiplexing & multiple access)

- 다른 특성을 가진 다양한 정보원에서 발생한 신호들을 결합하여 통신 자원의 일부를 공유

 

확산 (spreading)

- 간섭 방지

- 프라이버시 보장

- 제한된 대역폭 자원을 효율적으로 공유

 

암호화 (encryption)

- 프라이버시

- 인증

 

동기화 (sysnchronization)

- 시간과 주파수의 측정

- 주파수 동기화 (동기 시스템, 비동기 시스템)

- 시간 동기화 (time synchronization) (심볼 동기화, 프레임 동기화)

 

디지털 통신 용어 예시

 

정보원

- 디지털 통신 시스템에서 교환되는 정보를 생산하는 장치

- 아날로그 정보원 => 표본화 => 양자화 => 디지털 정보원

 

문자 메시지

- 문자열

문자 

- 알파벳이나 심볼 집합의 원소

- 표준화된 부호 : 문자를 2진수의 열로써 부호화 ex) ASCII,EBCDIC, Hollerith, Baudot, Murray, Morse

 

2진수 (비트)

- 기본 정보 단위

 

비트 스트림

- 2진수 (0,1)의 열

 

심볼(디지털 메시지)

- k 비트의 군을 한 단위로 간주

- 알파벳의 크기 : M = 2^k (k : 심볼을 이루는 비트의 수)

 

디지털 파형

- 디지털 심볼을 표현하는 전압 또는 전류 파형

   - 기저 대역 펄스 : 진폭, 폭, 위치

   - 대역통과 파형 : 진폭, 주파수, 위상

 

http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?no=4185

ㅇ 데이터율 (Data Rate) 
     - 데이터(비트,심볼,패킷 등)가 전송되는 속도(비트율,심볼률 등)를 총칭 

  ㅇ 비트율  Rb
     - 초당 전송되는 비트 수  (bps, bits/sec, Bit Per Second)
        .  Rb = 1/Tb (Tb: 비트 구간,비트 주기)

  ㅇ 심볼율  Rs
     - 초당 전송되는 심볼 수  (sps, symbols/sec)
        .  Rs = 1/Ts = 1/kTb = Rb/k
           .. (Ts = kTb : 심볼 구간, 심볼 주기)                         
           .. 하나의 심볼은, k개(k = log₂M) 비트를 하나로 모아놓은 단위 임 
       
  ㅇ 심볼 비트율  Rsb
     - (심볼로 묶여) 초당 운반되는 비트 수  (bps, bits/sec)
        .  Rsb = k Rs = k/Ts = (log₂M)/Ts
           .. 심볼주기 Ts 동안에, k = log₂M 개의 비트들이 있음
           .. ( M = 2k,   k = log₂M,  심볼주기 : Ts ,
                개별 비트 간격 : Tb = 1/Rb = Ts/k )

 

아날로그 통신 시스템
  - 연속적인 신호를 사용하여 정보를 전송하는 시스템
  - 무한한 집합을 형성하는 연속체(continuum)에서 파형을 도출
  - 자연계의 대부분의 신호(음성, 빛, 온도 등)는 아날로그 형태

- 성능 평가 기준
  1. 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)
     - 원하는 신호의 강도와 배경 잡음의 비율
     - 높을수록 통신 품질이 좋음
     - 단위는 일반적으로 데시벨(dB) 사용
  2. 왜곡률(Percent Distortion)
     - 원본 신호가 얼마나 변형되었는지를 백분율로 표시
     - 낮을수록 원본 신호와 유사함을 의미
     - 주로 음향 시스템에서 중요한 지표
  3. 예상 평균 제곱 오차(Expected Mean-Square Error)
     - 전송된 파형과 수신된 파형 간의 차이를 수치화
     - 작을수록 전송 품질이 좋음
     - 통계적 방법으로 시스템 성능 평가

디지털 통신 시스템
  - 이산적인 디지털 신호를 사용하여 정보를 전송
  - 주로 0과 1의 이진수로 데이터를 표현
  - 현대 통신의 주류를 이루는 방식

- 성능 평가 기준
  - 오류 확률(Probability of Error)
    - 디지털 신호를 잘못 감지할 확률
    - 비트 오류율(Bit Error Rate, BER)로도 표현
    - 낮을수록 통신 품질이 좋음
    - 예: 10^-6은 백만 비트당 1비트 오류를 의미

 

아날로그 vs 디지털 통신 시스템 주요 차이점 요약
- 신호 특성
  - 아날로그: 연속적인 신호 사용
  - 디지털: 이산적인 신호 사용
- 노이즈 영향
  - 아날로그: 노이즈에 더 취약하며, 전송 거리가 멀어질수록 품질 저하
  - 디지털: 노이즈에 상대적으로 강하며, 재생 과정에서 원본 품질 유지 가능
- 성능 측정
  - 아날로그: SNR, 왜곡률 등 다양한 지표 사용
  - 디지털: 주로 오류 확률이라는 단일 지표로 평가