변환을 위한 첫 번째 단계이다.
4-1. 음성부호화 기술 71
필요한 정보를 취하기 위해 그림 4-2와 같이 원래의 아날로그 정보신호를
시간 축에서 일정한 주기로 추출하는 과정이며 이렇게 표본화한 값으로 이루
어진 펄스열은 펄스 진폭 변조(PAM : Pulse Amplitude Modulation) 신호
가 된다. 표본화 과정에서 가장 중요한 것은 변환 하고자 하는 신호의 주파
수와 관계하여 얼마나 자주 표본화해야 하는가 하는 문제이다. 가장 느린 주
기로 표본화하는 것이 정보량이 가장 적다. 그러나 너무 늦은 주기로 표본화
하면 신호의 정확한 모양을 재생 할 수 없게 될 것이다. 손실 없는 복원을
위해서 표본화 주기를 아주 짧게 하면 되지만 그만큼 표본화 데이터의 양은
많아지게 되어 전송해야 할 데이터의 양이 증가한다. 따라서 여기서 중요한
점은 원래의 신호를 왜곡시키지 않으면서 표본화 값들의 수를 최소화하는 것
이다. 바로 그러한 표본화 주기, 다시 말하면 표본화 주파수의 선택은 중요한
과제이다. 그 때의 표본화 주파수를 구하기 위해 표본화 이론(Sampling
theorem)을 고려하면 원래의 신호로 복구하기 위한 최소한의 표본화 주파수
를 말하는 나이퀴스트 조건 (Nyquist condition)을 확인할 수 있다.
(2) 양자화
표본화를 거쳐 생성된 PAM 신호는 아직도 그 값이 아날로그이다. 따라서
디지털 신호화하기 위해 그림 4-4의 오른쪽과 같이 양자화에 필요한 단계
를 미리 정하고, 그 단계 수에 의해서 표현이 가능한 독립적인 개수만큼의
양자화 레벨을 선정하여 표본의 크기를 그와 가까운 크기를 갖는 양자화 레
벨에 근사화 시키는 것을 양자화라 한다. 원 PAM 신호와 양자화 된 신호
간에는 오차가 발생하는데 이를 양자화 잡음이라 한다. 양자화 잡음을 개선
하기 위한 방법으로 비선형 코드화, 압신법 (컴펜딩)이 사용되고 있다.
3) 부호화
부호화는 양자화 된 신호를 '1', '0'의 2진수의 조합으로 바꾸는 과정이다.
PCM에서 음성신호를 만약 256개의 양자화 레벨을 갖도록 한다면 각각의
가져야 한다는 뜻이다.
다. 델타 변조
1) 델타 변조(DM:Delta Modulation)
델타 변조는 한 주기전의 표본 값과 현재의 표본 값을 비교하여 증가, 또
는 감소의 2가지 중 1가지 정보만을 보내는 방식이다. 델타변조 방식은 잡
음을 줄여주기 위해서 표본화 주파수를 나이퀴스트의 표본화 율보다 2~4
배 (16,000Hz 32,000HZ) 많게 표본화를 실시하는데, 군에서 사용하고
있는 전술통신체계 장비에서는 32,000Hz를 표본화한다. PCM보다 성능이
저하되고 음질이 저하되나 구조가 단순하고 소요전송매체의 통신용량이 낮
고, 전송로의 품질이 좋지 않은 상태에서도 최소한의 음성통화 보장이 가능
하다. 델타변조에는 2가지 잡음성분, 격변잡음과 평탄잡음이 있다. 격변잡음
은 입력되는 신호가 갑자기 큰 변화를 일으킬 때 변환 결과가 신속하게 추적
할 수 없기 때문에(그림 4-6) 오차가 발생하게 되며 이러한 이유로 생기는
잡음을 말한다. 평탄잡음은 진폭 변화가 적은 신호에서 발생하는 잡음이다.
입력신호의 변화가 변조기 자체의 중감 폭보다 작을 때에도 비교기의 특성상
'+'와 '-'
전압을 계속 번갈아 발생시키므로 오차가 생기게 되며 이러
한 오차에 기인한 잡음을 평탄잡음이라고 한다.
2) 적응형 델타변조(ADM : Adaptive Delta Modulation)
입력신호의 기울기가 급격하게 증가하거나 감소하면 양자화 계단의 크기를
증가시켜 격변잡음을 감소시키고, 입력신호가 서서히 변화하거나 또는 입력
신호의 레벨이 전체적으로 감소하면 양자화 계단의 크기를 감소시켜 잡음을
시간 분할 다중화(TDM : Time Division Multiplexing) 시간 분할 다중화 방식은 군과 민간부문에서 가장 많이 사용되는 다중화 방식이다. TDM 방식에서는 개개의 아날로그 정보 신호가 디지털 변환을 거 친 후 디지털화된 정보신호를 시간에 따라 구분하여 전송한다. PCM에서 언 급된 대로 음성 정보는 8KHz로 표본화된 후, 양자화를 거쳐 8비트로 부호화된다. 그 결과를 PCM워드라고 하자. 음성 정보가 부호화되어 목적지로 전 송될 때 한 표본에 이웃하는 다음 표본이 다시 표본화되어 부호화될 때까지 는 125ps가 걸리게 된다. 이 시간 동안 전송로는 어떤 동작도 하지 않는 휴 지상태(Idle)에 있게 된다.
82 4장. 신호처리 및 전송기술 라. 코드 분할 다중화(CDM : Code Division Multiplexing) 코드 분할 다중화는 대역확산 변조 방식을 이용한 다중화 방식으로 직교 되는 부호 상호간에는 영향을 거의 주지 않는 성질을 갖고 있는 의사 잡음 (Pseudo Noise) 부호를 이용하는 것이다. 사용자는 각각 다른 PN 부호를 할당 받게 되는데, 이 부호를 이용하여 원신호를 주파수 대역 확산시켜서 전달하게 된다. 그 후 수신 측에서는 전달된 신호에서 원래의 신호를 추출하 기 위해서는같은 PN 부호를 사용해야 한다. 다른 PN 부호를 사용하여 복 원한 신호는 원래의 신호와는 다르게 마치 잡음처럼 변환되어 다른 사용자는 원 신호를 알 수 없다. 따라서 이 방법은 같은 부호를 사용하지 않는 사용자 들은 서로 복조할 수 없기때문에 비화성을 확보할 수 있고, 정보의 보안성 이 좋다. 보통 이동통신 기지국에서 단말(이동국)에 신호를 전송할 때 사용 되고 군에서는 RLI에서 사용된다. 신신 있다. 으로 느린 이터 에 강 OFD FDM 마. 직교 주파수 분할 다중화(OFDM Orthogonal FDM) 최근 4세대 이동통신 시스템에서 사용되는 직교 주파수 분할 다중화는 원 신호를 다수의 직교하는반송파를 사용하여 변조한 후 동시에 전송하는 방식 이다. 주파수 분할 다중화보다 한정된 주파수 대역을 더욱 효율적으로 운용 하기 위해 반송파들은 주파수 대역에서 중첩되어 있다. 주파수 분할 다중화 에서는 주파수 대역에서 다른 채널과서로 중첩되는 현상이 있으면 서로에게 방해가 되기 때문에 수신이 제대로 이루어지지 않는다. 그러나 OFDM에서는 반송파들이 주파수 대역에서 중첩하더라도 서로에게 직교하기 때문에 복원 시에 주변 채널의 신호에 영향을 받지 않고 원신호를 복구할 수 있다. 그림 4-13에서 보는 바와 같이 FDM은 송신 신호가 주파수 대역에서 서로 겹치 지 않고, 겹치는것을 방지하기 위해 보호대역이 있다. 하지만 OFDM은 송신신호끼리 서로 겹쳐질 수 있기 때문에 주파수 대역을 효율적으로 사용할 수 있다. 다만 겹쳐질 때, 직교성을 유지하기 위해 정확하고 일정한 주파수 간격 으로 겹쳐져야 한다. 또한 한개의 빠른 속도의 광대역 신호보다는 여러 개의 느린 속도의 협대역 신호를 병렬로 보내기 때문에 저속 전파로 보내더라도 데 이터 전송량은 동일하게 받을 수 있고, 다중경로에 의한 주파수 선택 페이딩 에 강하며 채널의 상태가 좋지 않더라도 데이터가 왜곡되는 확률이 낮다.
나. 주파수 분할 다중화(FDM Frequency Division Multiplexing) 주파수 분할 다중화 방식은 사용자가 이용 가능한하나의 전송로에 대해 전체 주파수 대역폭을 일정한 크기의 작은 대역폭으로 여러 개 분할하여 다수의 단말기가 동시에이용할 수 있게 하는 방식이다. 정보는 동시에 전달되 고, 각 신호는 서로 다른 주파수 채널을 설정해 이용한다. 인접 주파수 채널 간의 상호 간섭을 줄이기 위해 완충지대로서 보호밴드가 존재하고 이 대역은 채널의 이용률을 감소시킨다. 그림4-9에서 보는 것과 같이 전송매체 (통신링크)를 주파수 영역에서 일 정한 대역폭으로 분할하여 다수의 부 채널을 생성하고, 전송하고자하는 동일 한 주파수 대역을 가진 다수의 신호들을 분할된 부 채널의 다른 주파수를 갖 는 반송파에 각각변조시킨다. 그것은 각 신호를 서로 다른 대역의 높은 주파 수 대역으로 변조하여 분리시키는 것을 말하며, 모든 부 채널과 보호밴드를 합친 넓은 대역의 신호로 통합되고 동일한 전송 매체를 사용하여 전송된다. 전송 후 수신 측에 도달하였을때 필터를 통해 이들 통합된 신호 중에서 수 신하고자 하는 신호가 존재하는 특정한 주파수의 부 채널에서 원하는 신호를복원해서 수신하는 방식으로 전통적인 아날로그 다중통신 방식이다. 이 방법을 사용하기 위해서는 특성이 예리한 고가의필터의 소요가 많아지 게 된다. FDM은 전송매체에서 사용 가능한 주파수 대역이 전송하고자 하는 신호 대역폭보다 넓을경우에 적용할 수 있다.
맨체스터 (Differential Manchester) 방식으로 구별된다. 맨체스터 방식은 매 비트 시간의 중간에 한번 +, -전압 변화를 가해주는 것으로 비트를 구별할 수 있기 때문에 동기화 기능을 수행하면서 비트 값(0 또는1)을 나타낸다. 그림 4-18에서 맨체스터 방식의 예를 보여준다. 이 방식 으로 하면 0 또는 1의 값이 계속된다 하더라도 항상 평균 전압은 0이 되기때문에 직류 표류 문제는 더 이상 발생하지 않는다. 따라서 이 방법은 위의 비트 동기화와 직류 표류라는 두 가지 문제를동시에 해결하는 방법이다.
진폭편이변조(ASK Amplitude Shift Keying) 디지털 신호의 두 비트 값에 각기 다른 진폭을 대응시키는 변조방법이다. 일반적으로는 그림 4-28에서 보는 바와 같이, 비트 값 1을 나타내는 기간 (duration)중에는 반송파를 흐르게 하고, 0을 나타내는 기간 중에는 반송파 가 흐르지 않게 하는 방법이다. 이러한 변조 방법을 OOK (On-Off Keying) 라고도부른다.
위상편이변조(PSK : Phase Shift Keying) PSK는 비트 값을 나타내기 위해 반송파의 위상을 변화시키는 방식으로 수신 측에서는 원래의 반송파의 위상과 비교하여 같으면 0으로 다르면 1로 인식한 다. 180° 의 위상 차이를 식별하는 것은주파수 변화의 식별에 비해 용이하므 로, PSK가 FSK보다 선호된다. 그러나 PSK에서는 수신측이 위상의 변화를 추 적하기 위해 위상의 동기화를 위한 회로를 필요로 하는데, 이 회로의 비용이 많 이 든다. 이런 부담을 피하는 방법으로DPSK(Differential PSK)를 사용한다.