4. 아날로그와 디지털의 관계

■ 아날로그 신호의 장단점

 

■ 시스템 설계가 난해함

- 아날로그 앰프를 만들 떄, 설계가 쉽지가 않다. 선 두께, 재질 등 소리를 구현하는 과정에서 장인이 필요할 만큼 어렵다.

- 반면에 디지털은 쉽다!

■잡음에 예민하고 처리가 어려움

- 주파수를 FM 방식으로 해도 노이즈가 생긴다.

- 직관적인건 사람이 봤을 때나 편한 것이다. 그런데 기계는 노이즈로부터 자유로운 것이 좋다. 

■ 표준화된 신호가 아님

-  옛날 라디오를 생각하자. 주파수를 맞출 때 규격을 조금 벗어나도 동작이 된다. 소리가 지지직거리긴해도 들린다.

- 그러나 디지털로 가면 다르다. 조금만 안맞아도 보거나 듣질 못한다. 그러나 반대로 생각하자면 규격만 맞으면(표준화된 신호) 제대로 잘 보고 들을 수 있기 때문에 좋은 것이다.

 

■ 디지털 신호의 장단점

 

■ 신호 처리 쉬움, 잡음에 강함 : 0,1로 이루어진 디지털 신호는 노이즈도 덜 타고, 신호가 0,1이기 때문에 편하다.

■ 오류 검출, 수정용이 : 표준화가 잘된 디지털신호는 오류 검출이 쉽다. 

■ 압축가능, 전송속도 증가 : 디지털이기에 압축이 가능하다.(아날로그는 불가능) 그리고 넷플릭스와 같이 글로벌 서비스 영상을 볼 때도 압축기술을 이용해 보내기에 적은 데이터로 보내서 우리가 볼 수 있는 것이다.

■ 설계 비용이 낮다 : 디지털 하드웨어는 칩하나로 모든 것이 된다. 즉 누구나 칩만 구입하면 만들 수 있다. 

 

■ 아날로그 > 디지털 시 정보 손실이 발생 : 아날로그에서 디지털로 바꾸면 100% 똑같지 않다. 흔히 우리가 귀로 직접듣는 목소리랑, 녹음된 목소리와의 차이를 생각하면 된다.

■ 표준을 벗어나면 처리가 불가능 : 위, 아날로그 신호에서 말했던 내용과 같다.

 

■ 디지털로 전환하는 이유

- 정보 처리의 편리성 (노이즈 처리 및 연산) : 오류수정, 압축연산, 

- 정보 보관의 안전 및 편리성 : 영상에 워터마크, 돈을 지불해야 볼 수 있는 영상

- 압축 기술의 발전 : 압축을 통해 더 빠른 전송 

- 반도체 기술의 발전 : 반도체의 소형화

- 광섬유 통신의 발전 : 예전에는 보낸A[아날로그 > 디지털 > 아날로그] > 보냄 > 받는B[아날로그 > 디지털 > 아날로그] 의 순이었다. 그러나 오늘날에는 광섬유로 인해 붉은색 아날로그 부분이 생략된다. 즉 좀 더 효율적으로 처리된다.

 

■ Sampling : 아날로그 신호를 디지털로 바꾸는 것 

- 샘플링 때, 얼마나 신호를 많이 캐치하고, 또 얼만큼의 시간마다 신호를 체크하냐에 따라 다르다. (2가지 요소가 있다고 생각하자)

-위 가운데 도표를 보면 빨간 점이 많다. 즉 아날로그 신호를 최대한 많이 캐치하고 있다. 반대로 아래로 갈 수록 덜한다.

-위는 그만큼 시간소모+데이터양이 많다. 대신 정확하다.

-반대로 아래는 빨간 점이 겨우 4개다. 즉 정확성이 너무 떨어진다. 

 

■ AD Converter

- 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환

- AD 컨버터는 위의 샘플링의 적절한 합의점을 찾아낸 것이라 보면 된다. 위의 그림 중앙 그래프다.

- 양자화 오류 발생 가능

 

■ Voltage (전압) : 알아만 두자.

- 전압V = 전류I * 저항R

- 모든 디지털은 전압으로 작동된다.

- 예전에는 전류I를 낮추고 저항R을 높였다. 전류가 많아질수록 열발생 증가, 속도가 낮기 때문 (이유는 전류가 흐르면서 구리선 내에 원자들과 충돌하기 때)

 

■ 양자화 및 샘플링 주기 

- 아날로그 신호 > 디지털 신호 간의 차이를 최대한 줄이기 위한 방법

- 양자화 단계와 샘플링주기(TS)가 많을 수록 디지털신호는 아날로그 신호와 흡사해진다.

- 하지만 그만큼 샘플링주기와 양자화단계가 많아지기 때문에, CPU는 연산을 많이해야하고 데이터가 많은만큼 전송에도 시간이 걸린다. 이 때문에 효율적인 디지털 신호 변환을 위한 최소화 알고리즘이 등장한다.

 

■ DA Converter

- 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환 (AD컨버터와 반대)

- 디지털 노이즈 발생 가능

 

-쉽게 얘기해서, 각 그래프를 이으면 아날로그 소리가 나온다 치자.

-하지만 위의 그림처럼 이으면 그래프가 각지게 툭툭 된다. (곡선이 아니다)

-이러한 툭툭 끊긴 점은 고주파의 노이즈를 발생시킨다.

-DA컨버터가 부드럽게 곡선으로 처리해준다.

 

■ 위의 그래프를 확대한 그림

-잘 그려지진 않았지만, 녹색 부분의 꺾어진 부분은 곡선, 검은색은 각졌다.

-즉, DA 컨버터는 디지털 신호가 가진 문제점을 처리하고, 기존 아날로그 신호와 비슷하게 만들어준다.

 

■ 디지털 방송 - 다채널화

- 아날로그 신호인 음성을 디지털로 변환 필요

- 디지털 카메라의 등장

- 압축 기술의 발전 : 10~30Mbps라고 해도, 디지털의 압축기술이 있기에 속도는 더욱 빨라진다.

- 다채널, 고화질 방송 실현 : 디지털에서는 6Mbps에 1개 정도 보낼 수 있음. 30Mbps면 약 5개 정도 채널이 더 가능하다고 생각하자

 

■ 디지털 방송 - 고품질화

- 1920x1080 : HD수준이다.

- 결론 : 디지털 압축 기술의 발달로 고화질의 화면도 보낼 수 있게 되었다. 디지털의 최대 장점이다.

 

■ 디지털 방송 - 고신뢰성

- 어설픈 노이즈의 경우는 수정 보완하는 기능이 있다. (운전중 터널로 들어갔을땐 끊기지만, 밖에서는 어지간하면 신뢰성이 높다)

 

■ 디지털 방송 - 데이터 가공, 암호화 용이

- 스크램블, 한정수신 : 쉽게 말해 유료화하기 쉽다는 뜻이다. 특정 사람, 특정 국가만 볼 수 있게 할 수 있다.

- 데이터 가공처리 : 예를 들면 방송을 송출할 때, 실시간으로 자막처리, 워터마크와 같이 가공하기 쉽다. 

 

■ 결론

- 디지털 방송은 다채널, 고화질, 고음질,  데이터가공, 암호화가 쉽다.

- 하지만 속도면에서는 잘 생각해야한다. 디지털은 Converting 시간이 필요하기 때문이다. 현재는 옛날보다 인터넷 속도가 빨라서 우리가 빠르다고 느낄 뿐이다. 예를들면 옛날의 느린인터넷 속도와 같은 같은 환경이라면, Converting에 의해 디지털이 아날로그보다 느리다.

 

 

학습정리

1. 디지털 신호의 장점

• 압축
• 노이즈에 강함
• 회로 설계와 구현이 용이함
• 연산 등의 처리가 편리함
• 저장 과정에서의 손실이 적음

2. AD / DA converter

• AD Converter – 양자화와 샘플주기가 성능에 영향을 크게 미침
• DA Converter – 고주파 노이즈 처리가 중요함

3. 디지털 방송의 등장

• 고화질, 고음질, 다채널
• 압축 기술의 발전
• AD / DA Converting 기술의 발전
• 높은 Bandwidth