[network] 아날로그 신호로 변환하기 Analog Transmission와 Multiplexing

데이터를 전송하기 위해 신호를 아날로그 형태로 변환하거나 변조하는 과정이다.

변환 대상에 따라 크게 두 가지로 나뉜다.

• 디지털-아날로그 변환 : 디지털 데이터를 bandpass 아날로그 신호로 변환하는 것
• 아날로그-아날로그 변환 : low pass 아날로그 신호를 band pass 아날로그 신호로 변환하는 것

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디지털-아날로그 변환 (Digital-to-Analog Conversion)

Bandpass 채널을 사용할 수 있을 때 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변경하는 방법이다.

디지털 데이터의 정보(0과 1)에 기초하여 아날로그 신호의 특성(진폭, 주파수, 위상) 중 하나를 변경하여 전송한다.

변환은 Sine파의 특성을 이용한다.

✔️ 주요 개념
Carrier Signal (반송파): 정보 신호의 베이스 역할을 하는 고주파 신호. 수신 장치는 송신기의 반송파 주파수에 맞춰 조정되며, 디지털 정보는 이 반송파의 특성을 변조(Shift Keying)하여 전달된다.
Bit rate (N): 1초당 전송되는 데이터 비트 수 (bps)
Baud rate (S): 1초당 전송되는 신호 요소 수 (baud)
상관관계: 비트가 신호에 올라타서 전송되므로, Baud rate는 Bit rate보다 작거나 같다. (S = N / r)

 

 

아래의 특징 중 하나를 변화시키면, 원래의 신호와 다른 모양을 그린다.

 

1. Amplitude Shift Keying (ASK)

• carrier의 진폭을 변화하여 신호요소 생성
• 진폭이 변경되는 동안 주파수frequency와 위상phase은 모두 일정하게 유지된다.
• 보통 한 진폭은 0이다.
• 갑작스러운 변화에 민감하다.

0: 안정된 신호(주파수가 낮아진다) / 1: 노이즈가 많은 신호(주파수가 높아진다)

 

 

2. Frequency Shift Keying (FSK)

• carrier 신호의 주파수가 데이터를 나타내도록 변화된다
• ASK는 잡음이 많은 환경에서는 신호 구분이 어렵다(진폭이 슉슉 바뀌면 구분이 잘 안되니..)
• amplitude진폭과 phase위상은 일정하게 유지
• ASK보다 오류가 적지만, 큰 대역폭을 요구한다

 

 

3. Phase Shift Keying (PSK)

• carrier의 위상은 2개 이상의 다른 신호 요소를 나타내도록 변화된다.
• 피크 진폭과 주파수는 모두 일정하게 유지된다
• ASK와 FSK보다는 더 일반적이고 우수함
• ASK보다 노이즈에 강하다
• FSK처럼 두개의 carrier 신호가 필요하지 않는다.
• 보다 정교한 하드웨어가 있어야 단계를 구분할 수 있다.

 

4. Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

ASK + PSK

• 진폭을 바꾸는 ASK와 위상을 바꾸는 PSK를 결합한 방식

변환 방식	명칭	특징	장단점 및 특징
ASK	진폭 편이 변조	데이터에 따라 반송파의 진폭을 변화시킴 (주파수/위상 고정)	구현이 쉬우나 갑작스러운 변화나 노이즈에 매우 민감함
FSK	주파수 편이 변조	데이터에 따라 반송파의 주파수를 변화시킴 (진폭/위상 고정)	ASK보다 오류가 적지만, 큰 대역폭을 요구함
PSK	위상 편이 변조	데이터에 따라 반송파의 위상을 변화시킴 (진폭/주파수 고정)	ASK, FSK보다 노이즈에 강하며 가장 우수하고 일반적임
QAM	직교 진폭 변조	진폭(ASK)과 위상(PSK)을 동시에 변화시키는 결합 방식	1개의 신호당 여러 비트(2bit, 3bit 등)를 전송할 수 있어 효율적임

 

 

아날로그-아날로그 변환 (Analog-to-Analog Conversion)

Low-pass 아날로그 신호를 Bandpass 아날로그 신호로 변환하는 과정이다.

왜 아날로그 신호를 변조해야하나? → 대역통과(Bandpass)일 경우 필요하다

아날로그-아날로그 변환은 AM, FM, PM의 세 가지 방법

 

1. AM (Amplitude Modulation, 진폭 변조)

carrier signal의 진폭 변화에 따라 반송파의 진폭을 변경한다. 주파수와 위상은 유지된다.

modulating signal의 진폭에 따라 carrier signal의 진폭을 변경해야하기 때문에 단순 곱셈으로 구현된다.

AM 라디오 방송에 사용되며, 신호 간섭을 피하기 위해 각 방송국 사이에 10kHz 이상의 보호 대역(Guard Band)이 필요하다.

 

2. FM (Frequency Modulation, 주파수 변조)

변조 신호의 주파수 변화에 따라 반송파를 변조한다. 진폭과 위상은 유지된다.
FM 라디오에 사용되며, 각 방송국 사이에 200kHz 이상의 보호 대역이 필요하다.

3. PM (Phase Modulation, 위상 변조)

변조 신호의 위상에 따라 반송파를 변조한다. 진폭과 주파수는 일정하게 유지된다.

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다중화 (Multiplexing)

실제 통신 링크의 대역폭은 제한되어 있으므로 이를 효율적으로 사용하는 것이 핵심이다.

더 큰 대역폭을 가진 하나의 채널을 사용하려면 여러 개의 저대역폭 채널을 결합해야한다.

다중화는 링크를 통해 여러 개의 신호나 정보 스트림을 동시에 전송하여,

n개의 장치가 단일 링크의 대역폭을 공유할 수 있게 해주는 기술이다.

링크: 두 개 이상의 통신 매체가 데이터 전송을 위해 사용하는 여러 종류의 정보 전송 경로

 

동작 원리

• MUX (다중화기): 여러 스트림을 결합하여 하나의 선로로 보냄 (다-대-일)
• DEMUX (역다중화기): 수신된 복합 신호를 분리하여 각 선로로 보냄 (일-대-다)

 

다중화 기법의 종류

1. FDM (Frequency-Division Multiplexing, 주파수 분할 다중화)

• 전송할 신호들의 대역폭을 합한 것보다 링크의 전체 대역폭이 클 때 적용할 수 있는 기술이다.
• 링크의 대역폭(주파수)을 나누어 공유하는 방식이다.
• 과정:
  1. 각 송신 장치에서 에서 신호가 생성된다.
  2. 이 신호들이 MUX 내부에서 서로 다른 반송파 주파수(f1, f2, f3...)로 변조된다
  3. 하나의 복합 신호로 결합되어 전송된다. 수신 시에는 일련의 필터와 복조기를 거쳐 원본 신호로 분리된다.

 

2. WDM (Wavelength-Division Multiplexing, 파장 분할 다중화)

• 광 신호를 결합하는 아날로그 다중화 기술이다. SONET 등에서 사용된다.
• FDM과 개념적으로 동일하지만, 광섬유 케이블의 높은 데이터 전송률을 활용한다.
• 과정:
  1. 정보들을 각기 다른 파장에 할당하여 하나의 광섬유에 전송한다.
  2. 여러 개의 광파장을 하나의 광섬유를 통하여 전송하여 광코어의 수를 줄인다.
  3. 결합과 분할은 프리즘에 의해 처리된다 (프리즘의 입사각과 주파수를 기준으로 광선을 휘게 함)

 

3. TDM (Time-Division Multiplexing, 시분할 다중화)

• 여러 연결이 링크의 높은 대역폭을 공유할 수 있도록, 주파수가 아닌 시간을 공유하는 방식이다.
• FDM은 대역폭을 공유했다면, TDM은 시간을 공유
• 과정:
  1. 서로 다른 소스의 디지털 데이터를 순차적으로 구획
  2. 하나의 시간 공유 링크로 결합하여 전송.

그림에서 1,2,3,4번 신호에 순차적으로 링크를 차지하는 것을 확인할 수 있다.