[멀티미디어 시스템] 시그널의 quality가 저하되는 요인과 digital 신호의 특징

안녕하세요 소프트웨어 공부하는 레오존입니다.

이번 포스팅에서는 phase에 대해서 간략하게 정리하고, 시그널의 quality가 저하되는 요인과 digital 신호의 특징에 대해 정리해 보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

• phase

phase는 위상이란 뜻으로, 위키피디아에 따르면 반복되는 파형의 한 주기에서 첫 시작점의 각도 혹은 어느 한순간의 위치를 뜻하는 단어입니다. 보통 사인함수와 코사인 함수가 π/2 만큼 차이가 난다고 할 때 그 π/2를 위상차라고 합니다. 일반적으로 멀티미디어에서 phase는 time delay에 해당이 됩니다.

 

 

 

• digital binary

디지털은 어떤 속성을 가지고 있고 아날로그와 어떤 차이가 있는지 알아보도록 하겠습니다.

디지털 바이너리는 네트워크를 통해서 전송하는데,  예를 들어 binary가 1일 때 amplitude가 5v이고  binary가 0일 때 amplitude가 0v로 101100....라는 바이러니 펄스 시그널을 실어서 보낼 수 있습니다. 이렇게 바이너리 펄스 시그널을 a라는 지점에서  b라는 지점까지 보냈을 때, b라는 지점은 들어오는 바이너리 펄스를 보고 어떻게 원래 시그널 모습을 판별해 낼 수 있을까요? 바이너리 펄스 시그널이 b라는 지점까지 이동한 후, 노이즈가 낀 시그널에서 어떻게 원래 모습의 시그널을 알아낼 수 있을까요?


먼저, 시그널의 quality가 저하되는 요인에 대해 알아보도록 하겠습니다. 시그널의 quality가 저하되는 요인은 2가지가 존재합니다.
첫 번째는 네트워크는 완전한 매체가 아니기 때문에 시그널에 당연히 노이즈가 낀다는 것입니다.
두번째는 시그널 감쇄(signal attenuation)가 일어나서 신호의 amplitude가 줄어들어 신호의 크기가 작아지는 것입니다.  
이렇게 잡음이 끼고 신호가 작게 들어오게 되면 0, 1 판별이 부정확하게 됩니다.
디지털 시그널의 경우, 0과 1로 판별을 해야 하는데 신호가 작아지고 노이즈가 끼게 되면 0과 1을 판별하는 데에 오류가 발생하게 됩니다. 지금은 기술이 좋아져서 0, 1 판별에 오류가 거의 발생하지 않는데 예전에는 오류가 많이 발생했었습니다.
예전에는 원래 디지털 시그널의 amplitude가 5v의 크기를 가지고 있으면, a에서 b지점으로 이동하고 난 후에 시그널의 amplitude가 5v크기의 절반인 2.5v크기 이상을 가지고 있으면 1로 판별하고, 2.5v크기보다 작으면 0으로 판별하는 방법으로 0과 1을 판별했었습니다. 이러한 방법으로 판별 에러가 많았다고 합니다.

 

다시 되돌아와서 5v(amplitude)로 시그널이 이동할 때, 어떻게 하면 0, 1 판별 에러를 줄일 수 있을까요?? 
직관적으로 생각해 보면, 바이너리 1과 0 사이의 갭이 커지면 커질수록 판별 에러를 줄일 수 있습니다. 즉, 바이너리 1일 때 2.5v, 바이너리 0일 때 -2.5v로 보내면 더욱 판별 에러를 줄일 수 있겠죠.

하지만 문제가 존재합니다. 바이너리 1과 0의 갭이 크면 클수록 판별 에러를 줄일 수 있지만 바이너리 1을 크게 하면 크게 할수록 파워소모가 많이 든다는 것입니다. 우리가 많이 사용하는 모바일 기기의 경우 파워 소모가 작아야 하기 때문에 원하는 만큼 갭을 크게 만들기 어렵습니다. 그래서 이런 신호를 psk라는 변조 기법이 존재합니다.


결론적으로 우리 목표는 바이너리 0 과 바이너리 1을 얼마나 정확하게 판별하느냐는 것입니다. 펄스의 크기는 별로 중요하지 않고, receiver측면에서 얼마나 정확하게 판별하느냐가 중요한 것이죠.
아날로그 신호가 사람의 음성신호라면 목소리가 커졌다가 작아질 수 있습니다. 목소리의 크기가 변하면서 목소리의 크기에 담긴 의미 있는 정보가 전달되는 것이죠. 즉, 그 말은 아날로그 신호에는 진폭의 정보가 담겨있다는 것입니다. 아날로그 신호 자체에 진폭의 정보가 담겨있기 때문에 잡음이 진폭에 끼게 되면 우리가 필터링 기법을 이용해서 노이즈를 어느 정도 완화할 수 있지만, 노이즈 영역을 완벽히 제거하는 것이 불가능합니다.

반면에 디지털 시그널 같은 경우 5v라는 정보와 전혀 무관하고, 진폭의 정보가 담겨있지 않습니다. receiver 측면에서는 2.5v 진폭의 크기가 필요한 것이 아니라 바이너리 0과 바이너리 1을 구분할 수 있는 갭만 충분하면 됩니다. 갭의 크기만 충분히 있다면, 0과 1을 판별해 낼 수 있기 때문입니다.  

이러한 아날로그 신호와 디지털 신호의 차이가 엄청난 차이를 만들어내게 됩니다. 노이즈를 제거할 수 있는지 없는지의 차이를 만들어내게 되는 것이죠. 결국 디지털 시그널이 잡음에 강인한 이유는 디지털 시그널에 진폭의 정보가 담겨있지 않아서라고 할 수 있습니다.

다시 말해, 아날로그 신호는 진폭의 정보가 담겨 있어서 노이즈가 한번 끼게 되면 완전히 노이즈를 깨끗이 제거하는 방법이 없습니다. 반면에 디지털 신호는 진폭의 정보가 담겨있지 않고 바이너리 펄스 0과 1을 구분할 수 있는 갭만 충분히 있으면 됩니다. 갭만 충분하면 신호를 받는 receiver에서 0과 1을 정확하게 판별해 낼 수 있게 됩니다.

 

 

 

지금까지 phase 정의와 시그널의 quality가 저하되는 요인과 digital 신호의 특징에 대해 정리해 보았습니다.

감사합니다.