1. 디지털 신호와 아날로그 신호
1. 신호란?
신호란 동작, 그림, 소리와 같이 인간이 취하거나 활용할 수 있는 정보를 부호화하거나 전달하는 수단적 개념입니다. 신호는 시간에 대한 연속성 여부에 따라 아날로그 신호와 디지털 신호로 구분됩니다.
2. 아날로그 신호 vs 디지털 신호
(1) 아날로그 신호
- 연속적인 물리량으로 표현되는 신호
- 예시: 사람의 음성, 물의 흐름, 온도 및 습도의 변화, 바람의 움직임 등
- 시간에 따라 진폭이 연속적으로 변함
- Continuous Time, Continuous Amplitude 신호
(2) 디지털 신호
- 아날로그 신호를 인위적으로 가공하여 만든 신호
- 시간적으로 불연속적인 신호
- 이산 시간(Discrete Time), 이산 진폭(Discrete Amplitude) 신호
- 예시: 컴퓨터 데이터(숫자, 문자), 디지털 오디오 등
3. 일반적인 디지털 신호의 특징
디지털 신호는 서로 명확하게 구별되는 두 개 이상의 레벨을 가지며, 일반적으로 2진수(0과 1) 형태로 표현됩니다.
2. 디지털 시스템과 아날로그 시스템
1. 디지털 시스템과 아날로그 시스템의 차이
(1) 디지털 시스템
- 이산적인 정보를 가공 및 처리하여 최종적으로 원하는 정보를 출력하는 장치
- 예시: 컴퓨터, 스마트폰, 디지털 카메라
(2) 아날로그 시스템
- 연속적인 정보를 입력받아 처리하고 출력하는 시스템
- 예시: 아날로그 라디오, 증폭기
2. 디지털 시스템의 주요 특징
디지털 시스템은 다음과 같은 장점을 가집니다.
- 잡음에 강함: 내·외부 잡음으로부터 신호의 정확성이 쉽게 영향을 받지 않음
- 설계 및 수정 용이: 디지털 회로의 변경 및 개선이 비교적 쉬움
- 프로그래밍 가능: 소프트웨어를 활용하여 기능을 유연하게 제어 가능
- 정확성과 정밀도 향상: 아날로그 시스템보다 높은 정밀도의 정보 처리가 가능
- 소형화 및 저비용화 가능: 대량 생산이 용이하며 시스템을 보다 작고 경제적으로 만들 수 있음
3. 아날로그-디지털 변환 (A/D 변환)과 디지털-아날로그 변환 (D/A 변환)
디지털과 아날로그 시스템 간에는 변환 과정이 필요하며, 대표적인 변환 기술은 다음과 같습니다.
- A/D 변환(Analog to Digital Converting, ADC)
- 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환
- 음성 인식, 디지털 오디오 등에서 활용
- D/A 변환(Digital to Analog Converting, DAC)
- 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환
- 스피커, 디지털 TV 등에서 사용
3. 디지털 신호 변환 기술 (PCM)
PCM(Pulse Code Modulation)이란?
PCM(펄스 코드 변조)은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 대표적인 방법입니다.
이 과정은 표본화(Sampling) → 양자화(Quantization) → 부호화(Coding) 3단계로 진행됩니다.
1. 표본화(Sampling)
- 샤논(Shannon)의 표본화 정리: 원본 신호의 최고 주파수의 2배 이상의 빈도로 샘플링하면 원래 신호를 재구성할 수 있음
- 예시: 인간의 음성을 디지털화할 때, 4kHz의 주파수를 가진 신호는 최소 8kHz(2×4kHz) 이상으로 샘플링해야 함
2. 양자화(Quantization)
- 샘플링된 신호의 진폭을 이산적인 값(디지털 값) 으로 변환
- 이 과정에서 양자화 잡음(Quantization Noise) 발생 가능
- 양자화 단계 수를 늘리면 잡음이 줄어들지만, 데이터 용량이 증가하는 단점 존재
3. 부호화(Coding)
- 양자화된 값을 2진수(Binary Code)로 변환
- 일반적인 전화 음성의 경우 8비트로 부호화됨
요약
1. 디지털 신호
- 이산 시간(Discrete Time), 이산 진폭(Discrete Amplitude) 신호
- 두 개 이상의 명확한 레벨을 가지는 신호
2. 디지털 시스템의 특징
- 잡음에 강함
- 설계 및 수정이 용이
- 프로그래밍으로 기능 제어 가능
- 정확성과 정밀도가 높음
- 소형화 및 저비용화 가능
3. 디지털 신호 변환 기술 (PCM)
- A/D 변환: 아날로그 신호 → 디지털 신호 (ADC)
- D/A 변환: 디지털 신호 → 아날로그 신호 (DAC)
- PCM 변환 과정: 표본화 → 양자화 → 부호화