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모든 전자제품, 컴퓨터에서 아날로그 신호가 디지탈 신호를 바뀌고 있다. 디지탈 신호의 원리와 효용은 어떤 것일까.

현대사회를 정보화사회라 말한다. 사회생활의 향상, 경제사회의 고도화 복잡화에 따라 발생되는 정보의 양은 급속도로 증대되고 있다. 연일 쏟아지는 방대한 양의 정보를 발견하여 이를 가공하고 적절한 시간과 장소로 전달함으로써 그 정보의 가치가 발휘된다고 말할 수 있다.

이와같은 사회적요구에 의하여 정보처리를 일체화할 수 있는 정보통신시스템의 발전도 점차 고도화되고 있다.

본고에서는 이러한 정보통신시스템의 근간이 되는 '디지탈'에 대해 살펴보기로 한다. 디자탈신호와 아날로그신호를 비교하고 상호 신호변환 방법을 설명한 후, 이와같은 방법으로 응용되는 PCM통신을 예로 들었다. 그리고 컴퓨터와 컴퓨터를 연결하는 데이타통신 및 종합정보통신망을 설명하고 마지막으로 요사이 자주 매스컴에 등장하는 디지탈TV, 디지탈오디오, 디지탈전화 등에 대해 간략히 살펴보겠다.

연속성과 불연속성

일상생활에서 접할 수 있는 모든 신호(signal)는 크게 아날로그(analogue) 신호와 디지탈(digital)신호로 나뉜다. 아날로그 신호란 스테레오에서 흘러나오는 음향이나 연회장에서 떠드는 소리와 같이 연속적인 신호를 말한다. 이에반해 디지탈신호는 텔레타이프의 출력과 같이 알파벳이나 숫자를 유한한 집합으로 나타낼 수 있는 이산(離散)신호를 말한다. 달리 말하면 디지탈신호란 각 디지트(digit)들로 이루어진 신호를 일컫는다.

좀더 쉽게 설명한다면 15층에서 1층으로 내려오는 엘리베이터 안을 상상해 보자. 엘리베이터가 내려가고 있는 위치를 나타내는 방법은 2가지가 있다. 하나는 15층에서 1층까지를 하나의 선으로 표시해놓고 엘리베이터를 선 위에서 연속적으로 움직이는 전구로 나타낸다면 안에 있는 사람들은 전구를 보고 그 엘리베이터가 어디쯤 와있나를 알 수가 있다. 예를 들면 13층과 12층사이, 7층 바로 아래 등. 이와반면에 대부분의 엘리베이터처럼 3층이면 3층, 12층이면 12층에 불이 켜지는 것으로 나타낼수도 있다.앞의 방법이 아날로그식이고 뒤의 방법이 디지탈방식이라고 비유할 수 있다.

디지탈신호를 이용하여 통신을 하게 된 시초는 1835년 '모르스'에 의해 구상된 모르스부호가 그 시초이다. 모르스부호는 1867년 자동전신이 발명되면서부터 기호(Marking)와 간격(Spacing)의 2개의 단위소자로 조합되어 만들어지는 소위 2진부호로 사용되어 있다. 0과 1의 2진법은 정보전달의 확실성이 뛰어나고 전자의 스위치작용(켜진것이 아니면 꺼진 것)에 가장적합하기 때문에 디지탈신호의 기본이 되고 있다.

근래에 와서는 이러한 2진부호를 사용하여 각종 컴퓨터 및 단말기기, 통신기기에 디지탈방식을 도입하였다.

통신의 세계는 바야흐로 아날로그시대에서 디지탈시대로 넘어가는 역사적인 전환기를 맞고 있다.연속적으로 변화하는 아날로그통신에서 0과 1의 두숫자로 표현되는 이산적인 정보형태를 취하는 디지탈통신으로의 전환이다.

이런 전환의 계기가 된 것은 이미 2진수로 디지탈화된 컴퓨터정보를 통신회선에 태우자는데서 나왔다. 컴퓨터가 네트웍화되면 개개의 위력은 몇백배의 힘을 발휘하게 된다. 오랜 전통적기술이었던 아날로그통신에서 디지탈통신으로의 전환은 같은 디지탈정보를 다룬다는 점에서 컴퓨터와 통신을 동등한 위치에 올려놓게 된다.

표본화와 양자화
 

아날로그와 디지탈을 보다 확실히 이해하기 위해서 A/D(아날로그/디지탈) 신호변환을 살펴보자.

아날로그 신호와 디지탈 신호는 그 파형만으로는 확실하게 구별할 수가 없다. 일반적으로 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변화하는데는 표본화(Sampling)와 양자화(Quantization)라는 두단계의 과정이 필요하다.

표본화는 아날로그신호를 이산신호로 바꾸어 주는 역할을 한다. (그림1)의 (a)는 전형적인 아날로그 신호이다. 아날로그 신호를 간격 $\Delta t$로 분할한 시간축상의 점을 ${t}_{0}$ ${t}_{1}$ ${t}_{2}$…라고 하면 이들 시각에서의 값은 f(${t}_{0}$) f(${t}_{1}$) f(${t}_{2}$)…가 된다. 이 ${t}_{0}$ ${t}_{1}$ ${t}_{2}$…를 표본점(sampling Point)이라 하고 f(${t}_{0}$) f(${t}_{1}$) f(${t}_{2}$)…를 구하는 것을 표본화(sampling)라한다. 이와같이 표본화에 의하여 생성된 신호를 이산신호라 말한다.

양자화는 표본화에서 얻어진 이산신호를 디지탈신호로 바꾸어 주는 역할을 한다. f(${t}_{0}$) f(${t}_{1}$) f(${t}_{2}$)…와 같은 표본화값 즉 이산신호를 유한개의 n비트의 2진수를 사용하여 (표1)과 같이 근사적으로 표현하는 것을 양자화라 하며 이때 생성된 신호를 디지탈 신호라 부른다.

(그림 1)은 8레벨(3비트)로 양자화 시킨것이다. 예를들면 시간축 ${t}_{2}$에서의 f(${t}_{2}$)는 7이므로 이를 양자화시키면 '111'이라는 디지탈 값이 나타난다. 따라서 이를 디지탈 신호로 나타내면 연속적인 펄스 3개로 구성되어 (그림1)의 (c)와 같이 나타난다. 만일 4레벨(${2}^{2}$)로 양자화 시킬 경우에는 2비트의 디지탈값으로 표시되므로 원래의 아날로그신호가 충실하게 전달될 수가 없다.

이와 마찬가지로 표본화 간격($\Delta t$)를 좁게할수록 신호가 신뢰성있게 전달될 수 있는 반면에 신호의 대역폭이 넓어진다는 단점을 가지고 있다. 일반적으로 표본화 정리에 따르면 원래 신호파형이 포함하는 최대 주파수의 2배 이상의 빈도로 표본화한다면 원래의 아날로그 신호를 충실하게 재생할 수 있다. 음성신호의 경우, 최대 4㎑이므로 이에 대한 표본화 주기는 2배인 8㎑ 즉1초간 8천회(주기 1백25μsec) 이상으로 표본화해야만 음성신호를 재현할 수 있다.

디지탈신호에 대한 원래의 아날로그 신호로의 변환 과정은 앞에 설명했던 순서의 역순이다. 즉 양자화와 표본화를 거쳐서 원래의 아날로그 신호를 재생시킬 수 있다.
 

잡음이 없는 통신

그러면 왜 아날로그 신호를 디지탈신호로 변환시키는 것일까.

앞 장에서 설명 되었던 것과 같이 양자화에 발생되는 잡음은 표본화 간격을 적절히 정함으로써 줄일 수 있다. 아날로그 신호를 전송할 경우에 증폭기가 여러곳에서 사용되는데 이 증폭기를 통과할 때 신호는 물론 잡음까지 같이 증폭된다. 따라서 증폭기를 여러개 통과하면서 잡음은 점차 누적되어 나가 신호전송에 심각한 영향을 줄수도 있다.

그러나 디지탈 전송의 경우는 각 재생기에서 펄스만 재생되어 전송되기 때문에 재생기를 거칠 때마다 잡음은 없어지고 새로운 펄수가 만들어지는 셈이다. 따라서 원래의 아날로그 신호와 동일한 신호의 전달이 가능하다. 디지탈 전송의 단점은 넓은 대역폭을 사용한다는 점과 또한 재생기를 짧은 구간에 설치해야 한다는 점이다. 그러나 이와같은 단점은 치밀한 선로조정기술 및 디지탈통신기술의 발달에 힘입어 점차 보완되어 지고 있다.

디지탈통신이 아날로그통신에 비해 유리한 근본적인 것은 서로 다른 종류의 정보(데이타, 음성, 영상 등)가 디지탈 이라는 동질의 정보로써 다룰 수 있다는 점이다. 즉 모든 정보가 디지탈화되면 음성이나 팩시밀리정보, 데이타, 영상정보 등을 같은 회선에 수용하여 일원적으로 다룰 수 있게 되는 것이다(종합정보통신망, ISDN).

이밖에도 위에서 언급한 통신의 품질향상, LSI(대규모 집적회로) 등으로 인한 높은 신뢰도, 소형화, 저가격화 등을 실현할 수 있다. 또한 정보처리가 매우 쉽다는 점도 들 수 있다. 특히 앞으로 동축케이블(구리선)을 대체할 광통신시스템에 대한 친화력이 매우 뛰어나다.

통신주체는 인간에서 컴퓨터로

1960년대 이후 LSI(대규모 집적회로) 및 VLSI(초 대규모 집적회로) 칩으로된 집적회로의 급격한 발전과 대량생산에 의해 컴퓨터는 점차적으로 대중화 되었다. 이와 더불어 2진부호로 구성된 디지탈 논리가 정립된 후, 진공관으로 구성된 규모가 큰 아날로그 컴퓨터는 점차적으로 소형화된 디지탈 컴퓨터로 전환되었다.

우리 주변에서 디지탈 기기는 수없이 많이 볼 수 있다. 각종 컴퓨터, 터미날, 프린터 등 주변기기, 각종 계측장비 등이 있다. 뿐만 아니라 근래에는 디지탈시계, 디지탈TV, 디지탈영상 기기 등과 같이 기존의 아날로그 신호를 디지탈화 시키는 경향이 나타나고 있다. 여기에서는 여러 통화로(channel)의 신호를 한개의 전송로(transmission line)를 이용하여 전송하는, 디지탈다중방식으로서 사용되고 있는 PCM(Pulse Code Modulation)통신에 대하여 알아보자. 또한 컴퓨터의 대중화에 따라 통신의 주체를 인간에서 컴퓨터로 전환함으로써, 대규모 정보처리를 가능케하여 정보화사회의 요구를 충족시킬 수 있는 데이타통신을 예로 들어 보자.

□PCM 통신

반송다중 통신방식은 주파수 분할방식(Frequency Division Modulation)과 시분할방식(Time Division Modulation)이 있다. 종래의 반송다중 방식은 주로 전자에 포함되고, PCM방식은 후자에 속한다. 주파수 분할방식은 하나의 전송로에 주파수의 차이를 두어 여러개의 주파수 대역을 사용하여 전송하는 아날로그 전송방식이다. 시분할다중방식(TDM)은 하나의 통화로에 음성전류 신호를 1초간 8천회, 즉1백25μ(1/8000)sec 간격으로 뽑아내고 그 사이사이에 다른 통화로를 삽입함으로써 각 통화로를 시간적으로 배열하여 간섭이 일어나지 않게 전송하는 방식이다.

펄스부호 변조방식(PCM)은 이와같은 시분할 다중방식의 일종으로서 (그림2)와 같은 구성도를 가진다. (그림2)를 보면 앞에서 설명된 표본화와 양자화 과정이 송신축에 적용되며, 수신측에서도 복호기와 표본화 과정이 이용된다. 다만 각 통화로에서 입력된 음성전류 신호가 각각 표본화 과정을 거친 후 압축과정을 통하여 통합된 이산신호를 형성한다. 그리고나서 양자화 즉 부호화 과정을 거쳐서 디지탈신호를 생성하여 전송로에 보내진다.

수신측에서는 수신된 디지탈 신호를 복호기 과정을 거쳐서 이산신호로 재생한 후, 신장기 분리기를 통하여 각각의 통화로에 이산신호를 분리시키고 이를 표본화의 역과정으로 원래의 음성전류 신호를 재생시킨다.

송신측과 수신측에서 사용된 저역여파기는 최대 음성주파수(4㎑) 이하의 주파수성분만을 통과시키므로 잡음을 제거할 수 있다. 또한 표본화 이론에 의한 표본화 주기는 8㎑ 즉 1초당 8천회 이며 양자화 과정은 주로 1백28레벨로써 7비트가 사용되지만, 최근 새로운 PCM기술은 2백56레벨로써 8비트가 사용된다.
 

□데이타통신
 

지금까지는 통신이 주로 아날로그 형태인 사람의 음성을 통신의 목적으로 삼았기때문에 통신의 역사는 아날로그통신에서 디지탈통신으로 변하는 과정일 수밖에 없다.

그러나 컴퓨터의 데이타통신은 이미 디지탈논리에 의해 2진부호로 표시된 정보를 목적물로 하는 통신이라고 정의할 수 있다.

일반적으로 데이타통신시스템의 구성은(표2)와 같다. 정보의 처리 가공 보관 등의 기능을 수행하는 데이타 처리계화 데이타전송계로 크게 나누어진다.데이타전송계는 다시 터미날, 데이타 전송회선, 통신제어장치로 나누어지며 데이타 전송회선은 신호변환장치와 통신회선으로 구분된다. 그리고 데이타처리계는 컴퓨터가 그 역할을 수행하며 컴퓨터는 중앙처리장치(CPU)와 주변장치로 구분할 수 있다.

우선 데이타전송계를 살펴보자. 단말장치와 통신제어장치를 데이타터미날장비(DTE, Data Terminal Equipment)라고 부르며, 데이타 전송회선의 신호변환장치는 데이타통신장비(DCE, Data Communication Equipment)라고 한다. 다시 말하면 컴퓨터 전자계산기 터미날 등 데이타전송계를 이용하는 측은 전자에 속하고, 전자간의 통신을 원활히 하기 위해서는 통신회선과 변복조기 혹은 DSU(Digital Service Unit)와 같은 신호변환기가 있어야 하는데 이같은 장비가 후자에 속한다.  (그림3)은 데이타통신시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.

이와같은 데이타통신은 열차나 비행기의 좌석 또는 호텔의 예약시스템, 은행업무의 수행과 금융기관간의 환전업무, 기업체나 조직 단체의 통신 및 데이타처리 등 그 이용범위가 매우 폭넓다.

한편 데이타통신서비스와 더불어 이를 전화교환망과 연결하여 전화, 텔렉스, 비디오텍스 등 각종 서비스를 하나의 가입자선로를 이용하여 제공할 수있는 종합정보통신망 (ISDN : Intergrated Services Digital Network) 구성을 모색하게 되었다. 현재 국제전신전화자문위원회 (CCITT) 에서는 몇개의 연구 그룹으로 나뉘어 표준안을 제정하고 있으며 이미 몇 나라에서는 각각의 실험모델을 계획하거나 실험하고 있다.(134페이지 참조.)
 

디지탈시대의 첨병들

요즈음 개발되고 있는 TV, 오디오 등 첨단가전제품에는 약방의 감초처럼 하나의 공통된 단어가 등장한다. 디지탈TV, 디지탈 오디오, 디지탈비디오, 디지탈카세트 등. 그만큼 음성 및 영상정보, 데이타 등을 디지탈화 한다면 고화질 다기능을 실현할 수 있다는 말이다. TV와 오디오를 중심으로 디지탈가전제품의 의미를 살펴보자.

□디지탈TV

일반적으로 디지탈TV가 개발되었다 하더라도 완벽한 의미(송신측및 수신측과 영상 및 음성통신 모두)의 디지탈화가 실현되는 것은 아니다. 현재 발표되고 있는 디지탈TV는 수신측 즉 수상기의 디지탈화를 의미한다.

TV에서의 디지탈의 요구는 위성방송 문자다중방송 비디오텍스 등 뉴미디어의 보급과 VTR(Video Tape Recorder) VDP(Video Disk Player)의 침투에 따라 고화질 고해상도의 요구가 높아졌기 때문이다. 여기에 고속ㆍ고집적 반도체기술의 발달로 디지탈TV의 실현이 현실화된 것이다.

디지탈TV는 아날로그기술로서는 곤란했던 화질개선과 여러가지 부가기능이 덧붙여져 뉴미디어시대에 대응할 미래의 TV로서 기대되고 있다.

즉 영상메모리와 마이크로컴퓨터를 이용하고 기능을 다양화시키고 영상의 특수재생 등 새로운 기능부가가 가능하다.

예를들면 83년 일본 미쓰비시에서 개발한 프린트내장형TV는 반도체메모리를 활용하여 TV나 VTR의 화면을 기억시킨 후 즉시 프린트해낼 수 있는 다기능디지탈TV이다. 이외에도 TV에 퍼스널컴퓨터를 일체화한 퍼스컴TV도 있다.

우리나라에서는 PIP(Picture in Picture,자화면)TV와 프로그램예약신청 등 20여가지 새로운 기능을 갖는 디지탈TV를 개발한바 있다.

디지탈TV의 핵심기술은 디지탈신호처리 기술과 그것을 저가격으로 실현하는 디지탈IC기술이다. 디지탈IC는 비선형으로 일그러짐의 영향을 받지않고 온도변화 전압변화등에도 안정적이다.

디지탈TV를 갖추었다 하더라도 방송국측에서 송신하는 통신방식이 디지탈화 하지 않으면 선명도나 화상으로부터 받는 박력 긴장감 등이 영화에 미치지 못한다.

TV신호는 대역폭이 넓어 대량의 정보를 고속으로 처리해야 하므로 디지탈화에는 어려움이 많다. 현재 방속국의 스튜디오장비는 상당부분 디지탈화가 진행되었지만 통신방식은 아직 시험단계이다. 위성방송의 실현을 눈앞에 두고 있는 유럽의 예를 살펴보면 지금까지 사용한 PAL전송방식을 사용하지 않고 새로운 방식인 MAC를 쓸 계획을 추진 중이다.

PAL방식은 색신호와 휘도신호가 주파수 다중방송되는데 비해 MAC방식은 시분할 다중전송되는디지탈방식이다. MAC방식이 일반화되면 훨씬 우수한 화질을 시청자에게 제공할 수 있을뿐아니라 음성신호의 디지탈통신으로 음악프로의 질도 대폭 향상시킬 수 있다.

□디지탈오디오

음향신호의 디지탈화는 최근 빠른속도로 진전되고 있다. 음성신호의 디지탈화는 통신회선에서 이미 시험단계를 거치고 부분적으로 실용화를 실현시켰다. 이를 배경으로 최근에는 오디오분야에서도 디지탈기술을 이용하고 있다.

디지탈오디오의 실용화는 PCM(Pulse Code Modulation)테이프레코더에서 시작되었다. 보통의 테이프레코더는 아날로그신호를 테이프상의 자성박막(磁性薄膜)의 자화(磁化)에 대응시켜 녹음하는데 비해, PCM에서는 신호를 디지탈부호와(표본화 및 양자화)하여 테이프상의 자화에 대응시켜 기록하는 것이다.이는 잡음이 전혀 개입될 수 없을뿐 아니라 음향신호의 열화(劣化)가 매우 적어 고품질의 녹음을 할 수 있다.

오디오의 디지탈화를 더욱 촉진시킨 것은 디지탈오디오디스크(DAD)이다.이는 녹음된 신호의 검출방식에 따라 여러종류가 있다. 일본의 '소니'나 네덜란드의‘필립스’사가 제안하고 있는 CD(Compact Disk), 일본 '빅터'사의 AHD(Audio High―Density Disk), 서독 '텔레푼겐'사의 MD(Mini Disk) 등이 유력하다.

CD는 레이저광선의 반사로 검출하는 것으로서 비접촉식이므로 더러움을 타지않고 수명도 길다. 직경 12cm의 디스크 화면에 LP(Long Play)레코드 양면분이 기록된다.

MD는 직경 13.2cm 앞뒤 1시간짜리가 표준이며 홈통이 있어 바늘을 사용하여 픽업한다.

AHD는 음향용 채널 외에도 정지화(靜止畫)용 채널도 첨가된 AV(Audio Visual)형이다. 바늘로 재생하지만 홈통은 없고 트래킹신호로 픽업한다. 바늘은 홈통이 없기 때문에 가로방향으로 이동할 수 있다.AHD는 비디오디스크와 꼭같은 사이즈를 사용하고 있고 재생장치도 공용성이 있기 때문에 앞으로 비디오디스크가 보급되면 어댑터를 장치, 화상도 즐길 수 있다.

오디오신호의 디지탈화에는 30―50㎑의 표본화주파수가 쓰인다. 보통 음성신호의 표본화주파수가 8㎑인데 비해 표본수가 많은 것은 그만큼 음을 정확하게 재현할수 있다는 뜻이다. 또한 표본화값의 양자화에는 12~16비트가 쓰이게 되므로 표본화값의 레벨은 ${2}^{12}$~${2}^{16}$까지 취할 수 있어 매우 세밀한 디지탈화를 할 수 있다.(아날로그 디지탈 신호변환 참조)

현재 우리나라는 네덜란드와 일본에 이어 세계 3번째 콤팩트디스크(CD)의 하드웨어 생산국이다.

이외에도 디지탈전화 등이 개발 중에 있으나 아날로그 신호를 디지탈화한다는 것은 매우 많은 정보량을 고속으로 전송할수있는 전송로를 필요로 하므로 ISDN (종합정보통신망)의 실현 이후에나 가능할 것으로 보여진다.
 

제3세대의 통신

디지탈신호의 발달과정은 흔히 현대 컴퓨터과학의 발달과 상응한다고 할 수 있다. 기계식 혹은 진공관식 계산기의 비합리성은 1950년 '노이만'에 의해 최초로 개발된 디지탈컴퓨터 EDVAC의 출현과 더불어 말끔히 해소되었다. 이 시기를 전후하여 비로소 컴퓨터란 용어가 사용되기 시작하였으며 이후30년이라는 짧은 세월동안 노이만의 아이디어를 기초로 급격한 발전이일어났다.

현대에 이르러 집적회로 기술은 32비트 CPU(중앙처리장치), 각종 통신용 VLSI(초대규모 집적회로)칩 등 수많은 반도체와 컴퓨터의 개발이 이루어졌다. 한편 아날로그신호를 잡음에 강한 디지탈신호로의 변환기술과 통신기술의 발전으로 PCM이라는 디지탈 다중 통신방식을 인간대 인간의 통신에서 컴퓨터대컴퓨터의 통신이라는 '제3세대'의 통신이라 일컬어지는 데이타통신망과 이를 기존 전화망에 연결하여 종합정보 통신망(ISDN)을 구축하려는 움직임이 차츰 실현화되고 있다.