[데이터 통신] 정보의 형태와 디지털화 ( 아날로그, 디지털 )

정보의 형태 

정보의 형태에는 음성, 문서, 사진, 동영상 등 다양한 것들이 포함될 수 있다. 이 중 신호는 "정보를 통신로에 맞는 형식으로 변환한 물리적인 양"으로서 2가지로 분류할 수 있다. 신호는 아날로그 신호와 디지털 신호로 나누어 볼 수 있는데 각각의 정의와 차이점을 비교해 보도록 하자.

 

 

 1. 아날로그

 

 

아날로그는 " 어떤 수치를 '길이', '각도' 또는 '전류'와 같이 외부적인 원인에 의해 연속적으로 변하는 물리량으로 나타내는 것"이며, 아날로그 신호는 사람이 말하는 것과 같이 시간적으로 연속적인 값을 갖는 신호를 뜻한다.

 

아날로그에서 가장 중요한 것은 연속적인 값을 가진다는 것이다. 예를 들어 사람의 목소리와 같은 자연의 소리들은 대게 아날로그 신호라고 볼 수 있다.

 

아날로그 신호는 통신에서도 사용된다. 과거 2011년 이전의 TV방송과 현재까지의 라디오는 아날로그 신호를 사용하여 통신한다. 하지만 시간의 흐름에 따라 기술의 발달로 고품질 정보를 고속으로 전송이 가능하게 되면서 현재에는 아날로그 통신보다 디지털 통신이 주가 되었다.

 

 

 

 2. 디지털

 

 

 

디지털은 연속적 실수가 아닌, 특정한 최소 단위를 갖는 이산적인 수치를 이용하여 처리하는 방법을 말하며, 디지털 신호는 미리 정해진 값 중 하나로 근사화 된 것으로 이해할 수 있다. 예로 사람의 목소리와 같은 자연의 소리가 아닌, 0 or 1과 on / off와 같이 확실하게 정해진 이산적인 수치라고 할 수 있다.

 

디지털 신호는 현재 통신에서 주로 사용되는 신호로 WIFI, TV방송, 이동통신시스템과 같이 대부분의 통신에 사용된다. 아날로그의 신호인 사람의 목소리와 같은 음성 데이터의 경우도 아날로그 통신이 아닌, 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어서 디지털 통신으로 주고받게 된다.

아날로그 신호는 어떻게 디지털 신호로 변환할 수 있을까?

 

 

 

 

정보의 디지털화 

 

 

아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정에는 표본화, 양자화, 부호화 3 단계가 존재한다. 

 

 

 1. Sampling ( 표본화)

 

 

Sampling (표본화)는 "연속적인 아날로그 신호를 일정한 시간간격(T)으로 나누어 각각의 점에 해당하는 부분의 값을 얻는 것"이다. 하지만 시간 간격으로 나누는 표본의 개수가 적게 된다면, 원래 아날로그의 신호에서 외곡이 심한 디지털 신호로 변환될 것이다.

 

외곡이 가장 적게 아날로그 신호를 표본화 하려면 어떻게 해야 할까??

 

 

나이퀴스트 이론은, 그 신호에 포함된 가장 높은 진동수의 2배에 해당하는 빈도로 일정한 간격으로 샘플링하면 원래의 신호를 복원할 수 있다는 이론이다.

 

 

 

 

 

1.5배의 경우

예를 들어 해당 아날로그 신호의 가장 높은 진동수의 1.5배에 해당하는 빈도로 일정한 간격으로 Sampling을 하게 된다면, 사진과 같이 원본에서 외곡이 발생한 채로 신호가 복원된 것을 볼 수 있다. 

 

 

 

3배의 경우

하지만 2배가 넘는 3배의 빈도로 Sampling 하는 경우 정상적으로 신호를 복원한다. 나이퀴스트의 정리는 이와 같이 표본의 주파수가 2*신호의 최고 주파수 보다 큰 경우 신호를 복원할 수 있다는 것을 알 수 있다.

 

 

 

 2. Quantization ( 양자화)

 

 

 

 

Quantization( 양자화)는 신호의 크기를 미리 정해진 유한한 값 중의 한 값으로 대체시키는 과정으로 샘플링한 아날로그 데이터를 이산적인 값으로 변환하는 것이다. 샘플링의 한 표본의 크기를 이진수로 변환한다고 생각하면 이해가 쉽다.

 

양자화는 샘플링한 아날로그 신호를 위의 그림에서 빨간색 막대의 크기를 이진수로 표현한 것인데, 문제는 크기를 이진수로 표현하는 것에서 발생한다. 만약 해당 데이터가 5.5의 크기를 가지고 있다면 3bit로 표현하는 것은 불가능하며 가장 근사한 값으로 변경하면서 외곡이 발생하게 된다. 이러한 문제로 몇 비트로 양자화를 하는지에 따라 신호의 외곡의 정도가 결정되게 된다.

 

 

 

 

좌측이미지를 보면, 이처럼 bit 수에 따라 이미지의 외곡이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 3. Coding ( 부호화)

 

 

 Coding ( 부호화)는 표본화와 양자화를 거친 샘플들의 값을 컴퓨터가 처리할 수 있는 형태의 부호로 표현하는 과정이다.

여기서 착각할 수 있는 것은 부호화가 이진수로 표현한다고 생각할 수 있는데, 사실 양자화에서 아날로그 데이터가 디지털 데이터로 변경하는 것이므로 이진수로 표현되는 것은 양자화에서 진행된다.

 

양자화의 결과물을 그대로 전송 가능한데 왜 부호화를 하는 것일까? 

 

정확히 부호화는 데이터를 특정 형식으로 변환하여 전송하는 과정이라 할 수 있다. 또한 부호화를 통해 데이터 압축, 보안, 오류 수정 등을 하기 때문에 현재 디지털 통신방식에서는 부호화과정을 포함하여 진행한다.

 

 

 

 

 

아날로그 신호를 통신할 때에는 디지털 신호로 변환하여 통신을 한다. 위에서 살펴본   Sampling ( 표본화) , Quantization( 양자화) ,Coding ( 부호화) 3단계를 통해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 

 

 

 

 

 

참고자료 : "위키디피아", https://ko.wikipedia.org/wiki/