[컴퓨터통신] 디지털 데이터를 신호로

목차 (OPEN)

• 📑 들어가며
• 🟥 Modulation (인코딩)
• 🟧 디지털 전송 방식
• 🟨 PCM (Pulse Code Modulation)
• 🟩 디지털 신호를 아날로그로 변조하는 3가지 방법
• 🟦 통신 속도를 높이는 방법
• 📚 결론

 

 

 

 

📑 들어가며

우리가 인터넷으로 메시지를 보내거나 전화를 하는 과정에서 실제로 전송되는 것은 0과 1의 디지털 데이터이다.

하지만 이 디지털 데이터는 케이블이나 공기 중을 그대로 흐를 수 없기 때문에, 반드시 “신호”라는 물리적 형태로 바뀌어야 한다.

 

이번 포스팅에서는 디지털 데이터를 신호로 바꾸는 방법(변조), 아날로그 데이터를 디지털로 바꾸는 방법(PCM),

그리고 통신 속도를 높이는 원리가 무엇인지에 대해서 하나씩 정리해보고자 한다.

 

 

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🟥 Modulation (인코딩)

앞선 포스팅에서 말했던 것처럼, 모듈레이션은 디지털 데이터를 전송 가능한 신호로 바꾸는 과정이다.

[컴퓨터통신] 노드, 링크, 신호

 

우리가 컴퓨터 안에서 다루는 정보는 항상 0과 1로 표현되는 디지털 데이터이지만,

전송 매체인 케이블이나 전파는 이 0과 1을 그대로 실어 나를 수 없기 때문에

데이터를 ‘흘러갈 수 있는 형태’로 바꾸어 주는 변환 과정이 필요하고,

바로 이때 수행되는 작업이 Modulation이라고 했었다.

 

 

그리고 이 모든 과정은 OSI 1계층, 물리 계층에서 이루어진다.

 

이러한 물리 계층은 프레임 구조나 주소 같은 논리적 의미에는 관심이 없고,

단지 ‘비트를 어떤 방식의 신호로 표현할 것인지’,

‘전압을 얼마나 높일 것인지’, ‘주파수를 어떻게 변화시킬 것인지’ 같은

가장 하드웨어적이고 원초적인 부분만을 담당한다.

 

즉, 데이터 링크 계층이 프레임을 정의하면,

물리 계층은 그 프레임을 실제 전선이나 공기를 통해

전달할 수 있는 신호로 만드는 일에 집중하는데,

이 핵심 기능이 바로 Modulation인 것이다.

 

 

 

 

 

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🟧 디지털 전송 방식

네트워크 안에서 신호를 전송할 때에는 크게 두 가지 방식이 있다.

• 아날로그 전송
  • 신호 자체를 계속 증폭하여 보내는 방식
  • 증폭기(Amplifier)를 사용함
  • 이때, 노이즈도 함께 증폭 된다는 문제가 있음
• 디지털 전송
  • 신호에서 디지털 데이터를 복원한 뒤, 그 데이터를 다시 신호로 만들어 전송하는 방식
  • 리피터(Repeater)를 사용함
  • 노이즈 제거가 가능하고, 신호 품질이 일정하다는 장점이 있음

 

 

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🟨 PCM (Pulse Code Modulation)

PCM은 아날로그 신호(음성 등)를 디지털 데이터로 바꾸는 과정이다.

 

아날로그 신호는 부드럽게 연속적으로 변하는 곡선이지만,

컴퓨터는 이런 연속적인 신호를 그대로 이해하지 못하기 때문에

이 곡선을 일정한 시간 간격으로 잘라서 숫자로 기록하는 방식으로 디지털화 하는 PCM이 필요하다.

 

 

PCM에서는 위 그림처럼 일정한 주기마다 신호의 값을 하나씩 측정한다.

이후, 이 측정된 값을 0과 1로 표현되는 디지털 값으로 저장하는데,
이 작업을 샘플링(sampling)이라고 한다.

 

그리고 이처럼 아날로그 신호를 디지털 데이터로 바꾸는 전체 과정을 A2D(Analog to Digital)라고 한다.

 

 

참고로 A2D와 정 반대되는 개념으로는, D2A(Diginal to Analog)라는 것이 있다.

이는 디지털 데이터를 다시 아날로그 형태로 복원하는 과정이다.

예를 들어 스피커에서 소리가 나오려면 결국 연속적인 파형으로 다시 변환되어야 하기 때문에 D2A 또한 매우 중요하다.

 

다만 이때 단순히 저장된 값들(샘플 값들)을 막대 그래프처럼 이어 붙이면,
원래 신호는 빠르게 움직였더라도 복원된 신호는 마치 천천히 올라가는 곡선처럼 잘못 표현될 수 있다.

 

따라서 실제 시스템에서는 샘플링을 더 자주 하거나, 보간(interpolation) 같은 기술을 사용해

원래 파형에 가깝도록 복원한다고 한다.

 

 

어쨋든 이러한 PCM은 다음 두 가지 요소에 따라 품질이 결정된다.

• 샘플링 주기: 얼마나 자주 측정하느냐
• 샘플 하나의 bit 수: 한 지점을 얼마나 정밀하게 기록하느냐

이처럼 샘플링을 더 자주 하면 원래 아날로그 신호의 모양을 더 정확하게 따라갈 수 있고,

샘플 하나를 더 많은 bit로 표현하면 한 지점의 높낮이를 더 세밀하게 기록할 수 있다.

 

 

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🟩 디지털 신호를 아날로그로 변조하는 3가지 방법

아날로그 신호로 데이터를 실어 보내는 방식은 크게
진폭 변조(AM), 주파수 변조(FM), 위상 변조(PM) 세 가지가 있다.

 

세 방식 모두 “사인파 하나(=carrier)”를 기준으로 하되,
어떤 요소(진폭/주파수/위상)를 바꿔서 0과 1을 표현하느냐의 차이만 있다.

 

 

1. 진폭 변조(AM: Amplitude Modulation)

carrier(순수 사인파)에 신호를 실어서 0과 1을 표현하는 방법이다.

 

 

이처럼 진폭 단계를 여러 단계로 나누면 한 번에 더 많은 비트를 보낼 수 있지만,

진폭 단계가 너무 많아지면 노이즈로 인해 신호가 감쇠되었을 때 구분이 어려워지는 문제가 있다.

 

 

2. 주파수 변조(FM: Frequency Modulation)

사인파의 진동수(주파수)를 바꾸어 데이터를 표현하는 방식이다.

 

보통 주파수가 빠르면 1, 느리면 0이라고 보며,

이것도 마찬가지로 주파수 단계를 늘리면 한 신호 당 더 많은 비트를 표현 가능하다.

 

 

3. 위상 변조(PM: Phase Modulation)

사인파의 위상을 바꾸어 데이터를 표현하는 방법이다.

 

이것도 마찬가지로 위상 단계를 늘리면, 아래 예시처럼 더 많은 비트를 표현 가능하다.

 

 

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🟦 통신 속도를 높이는 방법

통신 속도를 높이는 방법에는 크게 세 가지가 있다.

• 모듈레이션 기법 향상하기
  • 한 심볼(Symbol)로 표현할 수 있는 상태를 늘리면,
    심볼당 비트 수 증가하므로 통신 속도가 빨라진다.
• 더 높은 주파수 대역 사용하기
  • 주파수가 높아지면 사용할 수 있는 대역폭이 넓어지고,
    대역폭이 넓다는 것은 더 넓은 데이터 파이프를 쓰는 것과 같으므로,
    더 많은 데이터를 전송할 수 있어서 통신 속도가 빨라진다.
• 채널 병렬화 (Channel Splitting) 하기
  • 여러 개의 채널을 동시에 사용해 데이터를 병렬로 보내는 방식으로,
    데이터를 병렬로 보내니까 통신 속도가 더 빨라진다.

 

 

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📚 결론

단순한 사인파 하나를 가지고도
진폭을 바꾸거나, 주파수를 바꾸거나, 위상을 바꾸는 것만으로
완전히 다른 방식의 통신을 만들어낼 수 있다는 점이 인상적이었다.

 

또한 AM/FM/PM처럼 오래된 기술들이
지금의 4G·5G, 와이파이, 위성통신 같은 현대 기술의 기반이 되고 있다는 사실도 새삼 신기했다.