기본이론 - 정보전송(2) - 양자화, 변조

아래 내용중 중요한 개념과 단어 설명은 TTA 한국정보통신기술협회 및 용어 설명 사이트를 참고하였습니다.

https://terms.tta.or.kr/main.do

http://www.ktword.co.kr/index.php

[정보통신기술용어해설]

 

<목차>

1. Quantizing
2. Modulation

 

1. Quantizing (양자화)

입력 신호를 유한한 개수의 값으로 근사화하는 것. 비선형 연산이며, 원신호의 완전한 재생이 불가능하다. 입력 신호에 따라 스칼라 양자화와 벡터 양자화로 나눌 수 있으며, 부호어의 배치에 따라 균일 양자화와 비균일 양자화로 나눌 수 있다. 양자화된 결과는 디지털값으로 전송된다.

 

Quantizing Noise (양자화 잡음)

원신호에 비교하여 양자화된 아날로그 신호의 오차분. 이 잡음의 최댓값은 양자화 스텝의 ±1/2로 일정하므로, 원신호에 대한 양자화 잡음의 신호 대 잡음비(S/N)는 입력의 크기에 따라 변화한다. 양자화 잡음을 작게 하려면 아날로그/디지털(A/D) 변환기의 비트 수를 확장하여 양자화 스텝의 폭을 줄여야 하며, 부호기 등에서는 입력에 따라 스텝의 폭을 변화시켜 양자화 잡음을 일정하게 유지하는 방법이 쓰이고 있다.

주로 PCM, ADPCM 등에서 주로 발생한다. 왜냐면 PAM 신호을 0,1의 이산값으로 바꾸는 과정에서 발생하는 오차 값이기 때문.

 

출처 : TTA 한국정보통신기술협회

 

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양자화 잡음의 경감 방법

1. 양자화 단계(스텝수) 증가: 양자화 단계의 수를 늘려 더 세밀한 양자화를 수행하면 잡음을 줄일 수 있다.
2. 비선형 양자화: 입력 신호의 크기에 따라 양자화 단계의 크기를 조정하여 잡음을 줄이는 방식.
3. 디더링(Dithering): 입력 신호에 랜덤 노이즈를 추가하여 양자화 잡음을 분산시키는 방법입니다.
4. 오버샘플링(Oversampling): 높은 샘플링 주파수를 사용하여 잡음을 줄이고 신호 품질을 개선합니다.
5. compander 사용 : https://terms.tta.or.kr/dictionary/dictionaryView.do?word_seq=039186-2

양자화 잡음의 종류

1. 입상 잡음 (Granular Noise): 신호가 양자화 단계 내에서 움직일 때 발생하는 잡음.
2. 과도 잡음 (Transient Noise): 신호가 양자화 단계 경계를 넘을 때 발생하는 잡음.

양자화 간격에 따른 분류

1. 선형 양자화 : 동일한 크기의 스텝으로 양자화
2. 비선형 양자화 : 신호 레벨의 크기에 따라서 양자화 스텝의 크기를 조절
3. 적응형 양자화 : 입력 신호의 기울기에 따라 스텝 크기를 조절.

M = 2^n (M : 양자화 계단수, n : 양자화 비트수)

ex) 양자화 비트수가 6비트 ==> 양자화 계단수 M = 2^6 = 64

 

 

2. Modulation (변조)

 

말그대로... 

출처 : https://namu.wiki/w/%EB%B3%80%EC%A1%B0%EC%9D%B4%EB%A1%A0

 

원 신호를 케리어 주파수에 실어 보낸다. 

 

<변조의 이유와 목적>

• 신호의 간섭을 피하기 위해
  - 라디오 방송을 예로 들어 변조를 하게되면 필터를 통해 내가 원하는 방송국 주파수만 들을 수 있다.
   
• 송수신용 안테나 제작 문제의 해결
  - 너무 큰 안테나는 만들지 않고 작게 만들 수 있다.
• 잡음과 간섭의 개선
• 주파수 분할 다중 통신을 위해서
• 장거리 통신을 위해서
• 짧은 파장의 반송파 신호를 이용하여 변조함으로써 장비가 소형 경량화되는 장점이 있다.

   

  - 높은 주파수를 쓰면 쓸수록 안테나와 소자를 점점 작게 할 수 있다. 최신 휴대폰이 될수록 내부 장비도 점점 더 작아지고 있는데, 이는 고주파를 쓰기 때문이다.
• 하나의 통신로에 여러 신호를 동시에 송수신할 수 있다.
  - 전송로 하나를 여러 명이서 나누어 쓸 수 있다.
  - 이것을 다중화라 한다.. 변조를 함으로써 다중화를 할 수 있다.
• 변조 구현 시 곱셈기를 사용한다.

<변조의 효과>

• 안테나의 길이를 줄일 수 있다.
• 송신대역폭을 늘릴 수 있다.
• 잡음과 간섭의 영향을 줄여서 신호를 멀리 보낼 수 있다.
• 주파수분할 다중화를 할 수 있다.

 

<Distortion, CrossTalk, Noise 비교>

항목	Distortion (왜곡)	Crosstalk (누화)	Noise (잡음)
정의	신호가 전송 중 형태나 특성이 바뀌는 현상	인접 회선의 신호가 간섭되어 혼입되는 현상	외부에서 유입되는 불필요한 신호
원인	전송 지연, 대역폭 제한, 반사 등	가까운 케이블 간 전자기 간섭	전기기기, 무선 신호, 열 등
주요 영향	신호 모양 변화 → 데이터 오류 발생	인접 회선 간 간섭 → 통신 품질 저하	신호에 불필요한 에너지 혼입 → 수신 오류 가능
발생 위치	동일 회선 내 (내부 요인)	인접 회선 (케이블 간)	외부 환경 (외부 요인)
대표 예시	고주파 감쇠로 인한 신호 열화	UTP 케이블 간 NEXT, FEXT	전자레인지, 전원선 인근, 라디오 간섭 등