[데이터통신] 통신 시스템의 의의, 트레이드오프

게시 2025/04/22 업데이트 2025/04/22

By 정승우

7 분읽는 시간

서론

앞서 배운 내용을 바탕으로 데이터 통신이 뭔지 정리해봅시다.

아날로그 -> 아날로그

왜 디지털 변환을 거칠까

아날로그 신호를 아날로그로 보낼 때 왜 디지털 변환을 거쳐서 전송하는 걸까요.?

그 이유는 주파수 한계를 정해두고 디지털화하면 이론적으로 완벽하게 복원이 되기 때문입니다.

이런 수학적 근거는 나이퀴스트 정리로부터 나옵니다.

아날로그 -> 아날로그 통신의 문제점

문제점은 다음과 같습니다.

아날로그 신호는 연속적이기 때문에, 잡음이 섞이면 분리할 수 없습니다.
아날로그 신호는 전송하면서 거리에 비례해 감쇠가 누적이 됩니다. 따라서 이런 문제를 해결하려면, 증폭해야하는데, 이러면 잡음이 커지기 때문에 품질이 저하가 됩니다.
복제/편집/압축 또한 어렵습니다. 선형 연산만 가능합니다.
디지털 메모리나, 논리회로에서 다룰 수 없습니다.

디지털 변환 o / x의 트레이드 오프

둘의 차이를 비교하면 다음과 같습니다.

항목	아날로그 전송	디지털 전송 (PCM 기반)
잡음 내성	❌ 약함 (누적됨)	✅ 강함 (복원 가능)
장거리 전송	❌ 감쇠됨, 품질 저하	✅ 재생·복구 가능
처리 용이성	❌ 연산 어려움	✅ 압축, 암호화, 편집 가능
회로 단순성	✅ 아날로그 회로 간단	❌ 디지털 회로, ADC 필요
지연 시간	✅ 빠름	❌ A/D, D/A 지연 존재
파일 크기	❌ 저장 어려움	✅ 고효율 압축 가능
복제/전송 오류	❌ 오류 복제됨	✅ 오류 정정 가능

과정

[사람 목소리] (아날로그)
        ↓
[ADC]  ⟶ PCM 변환 (Sampling → Quantization → Encoding)
        ↓
[디지털 데이터] (0과 1)
        ↓
[변조기] ⟶ Modulation (ASK / FSK / QAM 등)
        ↓
[전송 매체] (유선/무선: 케이블, 전파, 광섬유 등)
        ↓
[수신기]
        ↓
[복조기] ⟶ Demodulation
        ↓
[디지털 데이터 복원]
        ↓
[DAC] ⟶ 아날로그 음성 재생
        ↓
[스피커] (아날로그 소리 출력)

변조와 복조

tradeoff

이번에는 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꿔 통신하는데. 왜 이렇게 할까요?

이 또한, 물리적 계층에선 결국 아날로그 신호로 송신되기 때문에 속도 향상을 위해 binary 상태가 아닌 여러 bit를 한 번에 묶어 송/수신 하기 위해 사용되는 것입니다.

물론, 이러한 점들은 잡음(SNR)에 취약해집니다.

따라서 잡음과 속도의 tradeoff라고 볼 수 있습니다.

4가지 방법에 대한 비교

각 4가지 방법에 대한 비교 표입니다.

항목	ASK (Amplitude Shift Keying)	FSK (Frequency Shift Keying)	PSK (Phase Shift Keying)	QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
변조 기준	진폭 (Amplitude)	주파수 (Frequency)	위상 (Phase)	진폭 + 위상 (Amplitude + Phase)
심볼당 비트 수	1 ~ 3비트	1 ~ 2비트	1 ~ 3비트 (BPSK, QPSK 등)	2 ~ 10비트 (16/64/256/1024-QAM 등)
잡음 내성	❌ 약함 (진폭 민감)	✅ 강함 (주파수 분리 쉬움)	✅ 보통~강함 (동기 필요)	❗ 민감 (고차일수록 SNR↑)
대역폭 효율	❌ 낮음	❌ 낮음	✅ 보통~좋음	✅ 매우 높음
구현 난이도	✅ 가장 쉬움	✅ 쉬움	🔁 중간 (위상 추적 필요)	❗ 복잡 (복소수 연산, DSP 필요)
실제 사용 예시	리모컨, 간단한 전송	전화 모뎀, RFID, LoRa	Wi-Fi, LTE, 위성통신	LTE, 5G, IPTV, 케이블 모뎀, Wi-Fi 6

🧠 정리

ASK는 회로 설계가 단순하지만, 잡음에 매우 취약합니다.
FSK는 주파수 차이를 기반으로 하므로, 잡음에 강하지만 전송 속도는 느립니다.
PSK는 적당한 대역폭 효율과 잡음 내성을 가지며, 많은 통신 시스템에서 사용됩니다.
QAM은 가장 효율적이고 빠르지만, 높은 SNR이 필요하고 복조가 복잡합니다.

pcm과 변조를 섞어 쓸 수도 있다.

대략적인 순서도는 다음과 같습니다.

[아날로그 소리]
    ↓ (PCM)
[디지털 비트열: 010101...]
    ↓ (변조: 예. QAM)
[아날로그 전파]
    ↓ (복조)
[디지털 비트열 복원]
    ↓ (DAC)
[소리 출력]

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