[이동통신] 디지털 통신 기술

 

2025.04.26 - [전공수업/이동통신] - [이동통신] 디지털 신호와 통신

[이동통신] 디지털 신호와 통신

위 게시물에 이어서 작성하였습니다.

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* 디지털 통신 기술 기본 개념

디지털 이동통신 시스템에서 필수적인 기술은 보내고자 하는 신호가 아날로그인 경우 디지털화하는 기술, 많은 주파수를 이용할 수 있는 높은 주파수로 디지털 신호들을 변조하는 기술, 변조된 신호를 멀리 보낼 수 있도록 증폭하여 송신하는 기술이 있다.

 

물론 이것 만으로 통신이 가능하지만 방해신호에 대한 저항력을 높이기 채널부호화, 인터리빙, 암호화 등의 디지털 통신 기술을 추가하고, 여러 사람이 주파수를 효율적으로 사용하기 위해 음성부호화 다중접속 방식 등의 디지털 통신기술을 이용한다.

 

* A-D 변환 (Analog to Digital 변환)

아날로그 신호의 디지털 신호 생성은 표본화, 양자화, 부호화 3단계 과정을 이용하여 이루어진다.

 

A-D 변환 과정

 

1) 표본화

연속적인 아날로그 신호를 이산적인 신호로 만드는 과정이다. (시간당 몇 개의 샘플을 가져야 원래 모양을 유지할까?)

아날로그의 신호(소리의 세기 또는 빛의 세기)의 모든 시간에 정보를 보내는 대신 일부시간의 표본 값(sample)만을 보낸다.

 

예를 들어 0～0.01초의 아날로그 신호 변화를 대표하여 0.005초의 한 개의 값만을 선택한다.

따라서 0-1초 동안의 수많은 아날로그 신호 가운데 100개의 신호만 선택된다.

 

2) 양자화

아날로그 신호의 세기를 디지털신호의 세기로 만드는 과정이다. (신호의 세기를 몇 개의 레벨로 나누어야 원래 모양을 유지할까?)

선택된 표본 값의 세기가 수많은 값을 갖게 되는데, 세기의 종류를 16개, 32개, 64개 등으로 레벨을 나누어 그중 하나를 선택한다.

 

예를 들어 0～256mW의 세기는 256개로 구분하면 0-1mW는 0.5mW의 대표 값을 가진다.

이때 16.2mW는 16.5mW로 나타내는데, 0.3mW는 양자화하면서 나타나는 오차가 되며 실제 신호와의 차이를 양자화 잡음이라고 한다.

 

3) 부호화

디지털 신호의 세기를 디지털 부호로 만드는 과정이다. (디지털 신호의 세기를 몇 비트의 디지털 부호로 나타낼까?)

양자화 레벨 가운데 하나로 선택된 표본 값을 이진수로 표현한다.

 

원래의 아날로그 모양과 유사하도록 단위 시간당 표본 수를 결정해야 하는데, 나이키스트(Nyquist)는 일반적으로 원래의 정보가 가지고 있는 주파수 대역폭의 2배 이상 표본화를 하면 표본화된 디지털 신호가 원래의 정보를 복원할 수 있다는 것을 증명하였다.

원래의 신호를 복원하기 위한 최소 표본수인 주파수 대역폭의 2배를 나이키스트율(Nyquist rate)라고 한다.

나이키스트율

(Ns는 표본수, fm은 원래의 아날로그 정보가 가지고 있는 주파수 대역폭)

 

* 원천 부호화

원래의 아날로그가 디지털화 신호 또는 디지털신호를 압축하여 주파수 이용 효율을 높일 수 있다.

아날로그 및 디지털신호를 가능한 작은 디지털 비트 수로 부호화하고(Coding) 다시 원래의 아날로그 및 디지털신호로 복호화 하는(Decoding) 기능을 코덱(CODEC)이라고 한다. (코덱은 부호화기와 복호화기의 합성어)

 

원천 부호화는 압축 기술 방식에 따라 차등부호화, 블록부호화, 엔트로피 부호화 등이 있으며,

아날로그 신호 형태에 따라 음성, 정지영상, 동영상 부호화 등이 있다.

 

* 음성부호화

코덱 가운데 음성의 신호를 부호화/복호화하는 것을 음성코덱이라고 하며 줄여서 보코덱(Vocoder:Voice Coder)라고 한다.

원래 사람의 목소리를 가능한 적은 비트 수로 줄이되 수신할 때 원래의 목소리로 복원할 수 있도록 일정한 규칙에 의해 압축한다.

음성부호화에는 파형 부호화, 음원부호화, 복합부호화 방식이 있다.

 

음성 부호화

 

1. 파형 부호화

아날로그 신호인 음성의 원음을 A-D변환의 3단계(표본화, 양자화, 부호화)를 적용하여 디지털신호를 생성하는 방식이다.

사람의 목소리뿐만 아니라 일반적인 모든 소리를 표현할 수 있다.

 

파형부호화

 

위 그림은 목소리의 세기를 디지털로 변환하는 과정이다.

목소리의 주파수 성분 가운데 약 4000Hz를 필터링하여, 4000Hz의 2배인 초당 8000번의 나이키스트율로 표본화하고(표본화), 각각의 표본을 256단계의 크기 가운데 1개로 나타내고(양자화), 각 256 레벨의 크기를 8bit의 이진수로 나타내었다.(부호화)

 

2. 음원 부호화

음성 자체의 특성을 분석하여 고유 파라미터로 모델링하여 전송하는 방식이다.

사람의 목소리는 특정 주파수 대역에 목소리가 모여 있고, 말하는 중에 쉬는 경우도 있어 파형 부호화와 같이 많은 비트를 보내지 않아도 사람의 목소리를 복원할 수 있다.

음원 부호화의 전송률은 매우 낮아 약 2kbps의 데이터 속도면 목소리를 복원할 수 있지만, 음질이 나빠 누구의 목소리인지 구분이 곤란하다.

 

3.  복합 부호화

파형 부호화 방식과 음원 부호화 방식을 혼합한 방식으로 음원 부호화 방식을 기본으로 하고 실제 음원과 합성된 신호의 차이를 파형 부호화 방식으로 보완한 것이다.

이는 가능한 음성의 품질을 유지하면서 가능한 적은 디지털데이터를 보내기 위한 것이다.

일반적으로 복합 부호화 방식은 완전한 음질을 보장하는 64kbps와 음의 뜻만을 구분하는 2kbps 전송속도 사이에서 결정되는데 약 7~13kbps전송속도를 제공하면 누구의 목소리인지 구분할 수 있다.

 

* 채널 부호화

정보 데이터에 추가적으로 에러 체크를 위한 비트(패러티비트)를 삽입하여 에러를 찾고 정정한다.

 

채널 부호화

 

위 그림과 같이 원천 부호화 방식에 의해 정보데이터가 줄어들지만 채널부호화에 의해 다시 늘어난다.

 

 

채널부호화의 에러 정정

 

위 그림은 채널부호화를 이용하여 에러를 찾는 과정이다.

정보데이터 1비트가 1이면 1을 5번 반복해서 전송, 이때 수신된 데이터 가운데 페이딩 등에 의해 일부 데이터가 깨져 1개 또는 2개가 송신 측에서 전송한 정보 데이터와 다르면 에러를 확인.

이때 변화된 비트보다 변하지 않은 비트가 많으므로 송신 측의 정보데이터를 추정해 내어 에러를 정정할 수 있다.

 

1. 블록 부호화

데이터를 일정한 길이로 잘라 블록을 만들고 블록마다 에러 체크 비트(패리티 비트)를 추가하여 송신하고 수신 측에서 에러 체크 비트를 확인하여 에러를 정정하는 방식이다.

 

에러를 체크하기 위해 원래 신호에 패러티체크 비트를 추가할 때 각 신호 사이에 가능한 서로 비트의 위치가 다르도록 추가하고, 1개의 에러가 발생할 경우 가장 유사한 신호를 원래의 데이터로 인식한다.

버스트 에러 형태의 에러를 정정하는 능력이 좋다.

 

2. 콘볼루션 부호화

현재의 비트정보를 앞에 있는 여러 비트와 관계식을 갖도록 하여, 새로운 비트를 생성함으로써 에러가 발생할 경우 이전 비트를 이용하여 에러 검출 및 수정하는 방식이다.