디지털 통신을 사용하는 이유

이 글에서는 왜 통신에서 아날로그 방식보다 디지털 방식이 선호되는지에 대해 다루어본다.

 

Two-state signal

디지털은 의미가 담겨있는 정보가 1과 0 두 가지 상태 중 하나로 저장되어 작동한다. 이로 인한 장점이 있는데, 통신 시 발생할 수 있는 방해(disturbance)가 1과 0의 상태를 바꿀 수 있을 만큼 충분히 커야 오류가 발생하므로 디지털 통신이 아날로그 통신보다 왜곡(distortion)과 간섭(interference)으로부터 유리하다.

 

또한 1과 0으로 작동하는 two-state의 operation이 signal regeneration을 하기에 적합하고, regeneration을 일정한 구간을 두고 반복하기에 적합해 전송 시 노이즈(noise)와 다른 방해(disturbance)들이 누적되는 것을 예방한다. 

 

그러나 아날로그 신호는 two-state 신호가 아니라 infinite variety of shape이다. 아날로그 신호는 작은 방해(disturbance)에도 허용할 수 없을 정도의 왜곡(distortion)된 waveform으로 regeneration 될 수 있다. 이 왜곡된 regenerated waveform은 왜곡이 증폭(amplification)으로 지워질 수 없다. 축적된 노이즈(noise)는 아날로그 신호를 회복할 수 없을 정도가 되고 신호를 완벽히 복구할 수 없게 된다.

 

Regeneration

송전선과 회로들은 비이상적인(nonideal)한 주파수 전송 함수(freqeuncy transfer function)를 가지고 있어, 이상적인 펄스(ideal pulse)에 왜곡(distortion)이 발생할 수 있고, 원하지 않는 노이즈(noise) 또는 간섭이 pulse wave에 들어가면서 왜곡이 발생할 수도 있다. 이러한 문제들로 본래의(original) pulse shape이 감소하는 현상이 발생하게 된다.

 

이러한 현상을 디지털 통신 기술을 통해 해결할 수 있다. 디지털 증폭기(Digital amplifier)의 증폭을 통해서 original ideal shape으로 회복할 수 있으며, 이렇게 회복된 pulse를 reborn 또는 regenerated되었다고 한다. 신호의 전송과정에서 일정한 간격을 두면서 이러한 기능을 수행하는 circuits을 regenerative repeaters라고 한다.

 

 

More reliable

디지털 기술은 아날로그는 사용할 수 없는 오류 검출 및 정정(error detection, error correction)등의 기술을 사용할 수 있어, 높은 신호 충실도(signal fidelity)를 기반으로 매우 낮은 오류율(error rates)의 통신을 구현할 수 있다. 게다가 아날로그 회로보다 lower cost로 생산될 수 있다.

 

More flexible

디지털 회로는 아날로그 회로보다 더욱 유연한(flexible) 구현이 가능하다. 그 예로 microprocessors, digital switching, large-scale integrated (LSI) circuit등의 회로들이 있으며, Time-division multiplex(TDM)을 이용한 디지털 신호 결합이 frequency-division multiplexing(FDM)을 이용한 아날로그 신호 결합보다 더 단순하다.

 

다양한 형태의 디지털 신호(data, telegraph, telephone, television)는 transmission과 switching에서 동일한 신호(bit)로 다뤄질 수 있다. 핸드폰이나 TV나 똑같이 bit로 이루어진 신호를 사용해 통신할 수 있다는 의미이다. 편리한 switching을 위해서 디지털 메시지는 packets이라는 자율적인 그룹에서 처리될 수 있다.

 

디지털 통신은 간섭(interference)나 재밍(jamming)으로부터 보호하는 신호 처리 기술에 활용될 수 있고 암호화(encryption)나 개인화(privacy)를 제공하는 기술도 구현이 가능하다.

 

Disadvantage

디지털 통신의 단점이 존재하지 않는 것은 아니다. 성능이 좋은 만큼 그로 인해 발생하는 cost도 존재한다. 디지털 시스템은 동기화(synchronization) 작업에 자원의 상당한 부분을 할당해야 한다. 반면 아날로그는 synchronization이 더 쉽게 되는 경우가 많다.

 

디지털 통신의 단점은 nongraceful degradation이다. Signal-to-noise rate가 특정 threshold보다 낮아질 때, 서비스의 질이 순간적으로 very good에서 very poor로 바뀐다. 아날로그는 통신 시스템의 degrade가 디지털 통신 보다 gracefully하다.

 

 

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Reference

Sklar, Bernard. Digital communications. Vol. 2. Upper Saddle River, NJ, USA:: Prentice hall, 2001.