Analog conversion 아날로그 전송
Digital-to-analog conversion & Analog-to-analog conversion. Study date: 28/Mar/2024
Goals: Digital-to-analog conversion 원리(principal)와 목적(goal)을 설명할 수 있다. Analog-to-analog conversion 원리와 목적을 설명할 수 있다.
Digital-to-analog conversion
원리: 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 과정이다. 이 변환은 주로 디지털 시스템에서 아날로그 신호를 생성하는 데 사용된다.
변조 기법(modulation scheme):
진폭 편이 변조 Amplitude Shift Keying (ASK): 디지털 데이터 값(data bit = 1 , 0)에 따라서 반송파의 진폭(the amplitude of the carrier wave)을 변경(altered)하는 방식이다. 온-오프 편이변조(OOK, On-Off Keying)방식이라고도 한다. 반송파의 주파수(frequency), 위상(phase)은 변화하지 않음(remain unchanged)
주파수 편이 변조 Frequency Shift Keying (FSK): 디지털 데이터 값(data bit = 1 , 0)에 따라서 반송파의 주파수(the frequency of the carrier wave)를 변경(altered)하는 방식이다. 서로 다른 주파수를 갖는 여러개의 반송파(Using multiple carrier waves with different frequencies)를 이용해서 디지털 신호의 0과 1을 다른 주파수로 표현(represent)한다. 반송파의 주파수(frequency), 위상(phase)은 변화하지 않음(remained unchanged)
위상 편이 변조 Phase Shift Keying (PSK): 디지털 데이터 값(data bit = 1, 0)에 따라서 반송파의 위상(phase)을 변경(altered)하는 방식, 최대 진폭(amplitude)과 위상(phase)은 변화하지 않음(remain unchanged).
위상 편이 변조의 형태 중 2가지 설명: Binary Phase Shift Keying (BPSK), Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)
BPSK (Binary Phase Shift Keying): 가장 간단한 형태(simplest form), 두개의 다른 phase를 사용해 두개의 이진(two binary states)을 나타낸다.
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying): 한번에 2개의 비트(2 bits at once)를 전송한다. 신호 전송율을 낮추고 요구 대역폭을 낮춘다. 요즘 사용하는 대표적인 방식(most commonly used)이다.
구상 진폭 변조 Quadrature Amplitude Modulation (QAM): ASK방식에서 진폭을 변화시키고 PSK에서 위상을 변화시켜 결합(combines)한 변조 방식입니다. 데이터 비트를 동시결합(both amplitude and phase)으로 더 많은 비트를 한 번에 전송(transmit more bits at once)할 수 있으며, 이는 대역폭을 효율적으로 사용(efficiently utilizing bandwidth)하고 데이터 전송률을 높일 수 있습니다.(increasing data transmission rate)
성운 그림(Constellation diagram)
위에 열거된 변조 기법들은 모두 성운 그림을 사용하여 시각적으로(visualize the modulation scheme) 표현될 수 있다.
동위상 반송파(in-phase-carrier)와 구상 반송파(quadrature carrier)로 구성됨. 동위상 반송파는 점으로 신호를 표현할 때 그어지는 직선의 거리로 신호의 진폭(length:amplitude)을 나타낸다. 구상 반송파는 그어지는 직선과 x축의 각도(angle: phase)를 통해 위상을 나타낸다.
목적: 디지털-아날로그 변환은 디지털 시스템의 결과를 현실 세계에서 사용 가능한 형태로 전달하는 역할을 합니다.
실생활에 쓰이는 Digital-to analog conversion used in real life:
음악 재생(playing music on device) 디지털 음악 파일을 스피커/이어폰으로 듣기 위해서는 디지털 음악 파일의 데이터가 아날로그 신호로 변환되어 스피커의 진동으로 음악을 재생한다.
센서 인터페이스(sensor interface): 많은 센서는 아날로그 형태로 데이터를 출력한다(예: 온더 센서, 모션 센서 등) 이러한 아날로그 신호는 디지털 시스템에 입력되기 전에 디지털-아날로그 변환을 통해 디지털 데이터로 변환된다.
Analog-to-analog conversion
원리: 아날로그 데이터를 원하는 띠대역 주파수 대역으로 전송하기 위함이다.
변조기법(modulation scheme): 서로 다른 신호 특성을 갖고 있어서 특정한 통신 환경이나 요구 사항에 따라 적합한 방법을 선택할 수 있다.
진폭 변조 (Amplitude Modulation, AM): 아날로그 신호에 진폭을 변화시켜 반송파의 진폭에 정보를 부여한다. 신호의 진폭 변화에 정보가 인코딩되므로, 외부 잡음에 민감할 수 있다. 예)라디오 통신 - 구형 라디오 방송에서 널리 사용되며, 간단한 구현과 낮은 복잡도를 가지지만 잡음에 취약하며, 전송 거리가 짧고 대역폭 효율이 낮습니다. 주로 지역 커뮤니티 프로그램에서 자주 사용된다
주파수 변조 (Frequency Modulation, FM): 진폭은 일정하게 유지하고, 반송파의 주파수를 변화시켜 정보를 전달한다. 주파수 변화에 정보가 인코딩되므로, 진폭 변화에 더 강하고 잡음에 대한 내성이 높다. 예)라디오 방송 - AM에 비해 더 높은 음질과 잡음에 대한 내성을 제공. 전송 거리가 멀고 대역폭 효율이 높지만 비용이 더 든다.
위상 변조 (Phase Modulation, PM): 원래의 아날로그 신호에 위상을 변화시켜 디지털 데이터의 비트 패턴을 나타내는 데 사용된다 예)통신 시스템(PSK), 레이더 및 센서 시스템: 주파수 변조(FM)에서 함께 사용된다. 거리 측정, 위치 추적, 객체 감지 등과 같은 응용 프로그램에서 사용된다. 자동차 및 산업용 자동화 같은 분야에서 널리 사용된다. 의료 응용: MRI같은 의료 장비에서 위상 변과 사용되어 환자의 조직 및 구조를 측정하고 이미지를 생성한다.
목적: 주어진 아날로그 신호를 다른 형태의 아날로그 신호로 변환하는 건 일상 생활의 다양한 측면에서 사용 된다. 음향 시스템, 라디오, 의료 분야(뇌파, 심박 층적기), 음향 및 영상 처리에서 사용된다.
추가 설명(word explanations)
반송파(carrier signal)란? 정보를 운반하기 위한 파형(wave)이다. 통신채널을 통해 데이터를 보내기 위한 '도로'역할 을 한다. 반송파를 통해 고주파(frequency)나 위상(phase)신호를 전송할 수 있다. 일반적으로 진폭은 고정되어 있다. 고주파로 사용시 이 정보는 주파수 변조(FM)나 진폭 변조(AM)와 같은 변조 기술을 사용하여 반송파에 올바르게 부여된다. 이렇게 함으로써, 정보가 반송파 신호에 실려 전송된다. 받는 측에서는 반송파 신호를 수신하여 정보를 추출하고 해독한다.
위상(phase)이란? The position of a wave at a point in time (instant) on a waveform cycle. It provides a measurement of exactly where the wave is positioned within its cycle, 동일 주파수에서 파형(wave)의 위치를 위상이라고 합니다. 주로 디지털 데이터를 전송할 때 사용됩니다.
진폭(amplitude)이란? 파동(wave)이나 진동(vibration)의 크기(size), 강도(intensity)를 나타내는 물리적인 특성이다. 진폭은 파동이나 진동이 움직이는 범위로, 파동의 최고점에서 최저점까지(from its highest point to its lowest point.)의 거리를 의미한다. 소리 파동(sound waves)의 경우 진폭은 소리의 크기 또는 음량(the volume or loudness of the sound)을 나타낸다. 큰 진폭은 더 큰 소리를, 작은 진폭은 더 작은 소리를 나타낸다. 빛의 파동(light's amplitude)의 경우 진폭은 빛의 밝기(the brightness of the light)를 나타낸다. 진폭이 크면 더 밝은 빛을, 작으면 더 어두운 빛을 나타낸다.
주파수(frequency)란? 파동(wave)이나 진동(vibration)이 일정한 주기(within a fixed period)로 반복되는 횟수(repeats)를 나타낸다. 단위는 헤르츠(Hertz, Hz)로 측정되며, 1초에 반복되는 횟수(repetitions per second)를 나타낸다.
진폭과 주파수의 차이점: 주파수는 파동이나 진동의 반복 속도를 나타내고, 진폭은 파동이나 진동의 크기나 강도를 나타냅니다.
변조(modulation)란? 변조는 데이터를 전송할 때 사용되는 "번역" 과정이다. 정보를 전송하기 위해 원래의 형태에서 신호의 특성을 변화시키는 과정을 의미한다. 변조를 통해 신호에 부여함으로써 해당 신호를 전송하고 수신하는 장치는 변조를 통해 원래의 정보를 복구 할 수있다.
복조(demodulation)란? 변조된 신호로부터 원래의 데이터를 추출하는 과정이다. 변조된 신호는 전송을 위해 데이터가 추가된 형태이며, 이를 다시 원래의 데이터로 복원하기 위해서는 demodulation이 필요하다. 복조(demodulation)는 데이터복원, 오류 검출 및 수정등 수신측에서 데이터를 올바르게 이해하고 활용하기 위해 필요하다.
