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아날로그
아날로그(analog)는 어떤 수치를 외부적 원인에 의해 연속적으로 변하는 물리량으로 나타내는 일을 뜻한다. 영어로는 'analog'라고 쓰지만, 'analogue'라고 쓰기도 한다. 아날로그의 반대말은 디지털(digital)이다.[1] 아날로그는 공학에서 전기통신 신호의 한 종류이며, 일상생활에서는 카세트 테이프나 오디오 및 종이 출판물 등을 의미한다.
개요
아날로그는 연속적으로 변화하는 물리량을 표현하는 데 사용하는 용어이다. 전압과 전류의 변화 및 크기를 눈금으로 표시하는 것과 같은 표현이다. 일반적으로 음성 및 영상은 연속적으로 변환하는 아날로그 양이지만, 이를 디지털로 변환하여 처리하는 방법과 같이 디지털에 대응되는 용어이다. 아날로그는 전압이나 전류처럼 연속적으로 변화하는 물리량을 나타내며, 단속적이고 숫자를 세는 디지털과 반대의 성질이다. 주어진 전자기적 교류 주파수의 매체 파장에 시시각각으로 변하는 주파수와 진폭 신호를 추가하여 수행되는 전자적 정보전송과 관련된 기술이기도 하다. 또한, 아날로그는 정보를 전달하는 사인(Sine) 곡선으로 표현되는 경우가 많으며, 기존의 매체파의 변조가 소리 그 자체의 변동과 '유사하다(analogous)'라는 말에서 기인하였다. 아날로그는 사람의 목소리와 같이 연속적으로 변하는 신호는 아날로그 형태이며, 그 양을 계량할 수 있다. 하지만, 모든 데이터 장비의 신호는 2진 펄스 형태의 디지털 신호로서 단속적이고 계수 적인 점에서 아날로그와 구분된다.[2]
일상생활에서의 아날로그는 LP 음반, 자동차의 속도 측정계, 수은을 이용하여 온도를 측정하는 온도계 등이 해당한다. 자연에서 얻는 빛의 밝기나 소리의 높낮이, 소리의 크기, 바람의 세기와 같은 신호는 대부분이 아날로그이다.[1] 전자책이나 PDF 등과 대비되는 종이 출판물 등을 아날로그라고 부르기도 한다. 아날로그는 신호대가 일정하지 않기 때문에 변질하기 쉬워 가공이 용이하지 않고,[3] 아날로그 신호는 필터로 잡음을 제거하더라도 왜곡된 신호를 원래의 신호로 복원하는 것이 어렵다는 단점이 있다. 또한, 신호 처리 부품의 노후화에 따라 손실이 높아서 오래 사용하면 미세하게 달라지는 등 이러한 이유로 높은 신뢰성을 기대하기가 어렵다.[4] 자연 상태의 정보를 전달하므로 먼 거리로 전송할 경우 변형되기 쉬우며,[5] 신호를 독립적으로 처리하기 어려워 한 번에 처리되는 신호의 양이 많아서 전송이 느리다.[6] 하지만, 아날로그는 자연의 신호이므로 매우 미세한 신호까지도 명확하게 잡아낼 수 있으며, 데이터에 일부 변형이 생겨도 기본적인 재생이 가능한 경우가 많다.[3]
특징
아날로그는 주어진 구간에서 연속적인 값을 가지는 아날로그 데이터로, 전기나 전류처럼 시간에 따라 연속적으로 변화하는 물리량을 그대로 표현한 것이다. 예를 들어, 소리, 빛의 밝기, 카세트테이프, 음악 씨디(CD) 등이 있다. 이 데이터를 통신 회선을 통하여 전송할 수 있는 상태로 변환시키는 것을 아날로그 신호라고 한다. 아날로그 신호는 주파수에 따라 연속적으로 변환하는 전자기파를 의미하며, 다양한 매체를 통해 전송할 수 있다. 또한, 잡음에 굉장히 민감하다는 특징이 있고, 소리와 공기 및 물 등이다. 여기서 아날로그 전송은 아날로그 신호를 통신 회선을 이용하여 전송하는 방식이다. 거리에 따라서 신호 세기가 감소하는 감쇠 현상이 발생하기 때문에 이를 복원하기 위해서는 증폭기(amplifier)를 이용하여 신호를 증폭시킨다. 다중화 방법으로는 주파수 분할 다중화(FDM)를 이용하기 때문에 누화 및 잡음에 민감하다. 공중 전화망(PSTN) 등이 이에 해당한다. 주파수 분할 다중화 방법은 가드 밴드(Guard Band)가 필요하고 다소 비효율적인 방식이며, 대역폭을 이용하여 주파수를 분할하는 방식이 있다. 또한, 아날로그를 디지털로 변환하여 전송하는 시분할 다중화(TDM) 방식은 주파수 분할 다중화와는 다르게 효율적이며, 동기식과 비동기식으로 분류된다.[7]
신호
아날로그 신호는 자연계에 포함된 연속적인 파형으로, 주기 신호와 비 주기 신호로 분류할 수 있다. 주기 신호는 다시 정현파와 비 정현파로 나뉘며, 비정현파에는 계단파와 직선파 및 삼각파 등이 있다. 예를 들어, 컴퓨터의 내부의 클록(Clock) 파형이 해당한다. 주기 아날로그 신호는 연속적으로 반복된 패턴으로 구성되며, 주기마다 하나의 완성된 패턴이 특징이다. 아날로그의 비주기 신호는 시간에 따라 반복되는 패턴이나 사이클이 없이 항상 변하여 신호는 반복된 패턴이 없다. 아날로그 주기 신호의 가장 기본적인 형태가 되는 정현파는 진폭(amplitude), 주파수(frequency), 위상(phase)으로 구성되어 있다. 진폭은 신호의 크기와 세기를 나타내며, 단위는 볼트(V)이다. 음성의 크기가 해당하고, 특정 순간의 신호 값인 전압(Voltage)과 전류(amperes) 및 전력(watts)으로 신호의 높이를 표현한다. 주기는 하나의 사이클을 완성하는 데 필요한 초 단위의 시간이며, 주파수는 주기의 역수로 1초에 완성되는 주기의 횟수 및 1초 동안 생성되는 신호 주기의 수를 의미한다. 주파수의 단위는 헤르츠(Hz)이며, 시간에 대한 신호의 변화율이다. 짧은 기간 내의 변화는 높은 주파수를 의미하며, 긴 기간에 걸친 변화는 낮은 주파수를 의미한다. 마지막으로, 정현파의 위상은 임의의 시간에서 반송파 사이클의 상대적인 위치를 의미한다. 시간 0시에 대한 파형의 상대적인 위치이고, 시간 축을 따라 앞뒤로 이동될 수 있는 파형에서 그 이동된 양을 말하며, 첫 주기의 상태를 표시한다.[8]
- 아날로그 시스템
아날로그 시스템은 연속적인 정보를 입력받아 처리하여 연속적인 형태의 정보를 출력하는 시스템이며, 전기 전자회로가 취급하는 신호의 성격에따라 구분된다. 연속적으로 변화하는 다양한 정보를 이산적인 정보로 변환해주는 회로를 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analog-to-Digital Converter)라고 하며, 아날로그 전기 신호를 디지털 전기 신호로 변환하는 전자 회로이다. 예를 들어, 마이크에서 들리는 소리와 카메라에서 찍힌 빛을 디지털 데이터로 전환하기 위한 부품이다. 대부분의 센서에 달린 필수요소 중 하나이며, 기본적으로 신호는 아날로그 신호이기 때문에 아날로그-디지털 변환기가 없으면 읽어낼 수가 없는 경우가 대다수이다. 컨버터의 유형은 저분해능 플래시 컨버터(Flash ADC Converter), 입력전압 레벨을 추적하는 업다운 카운팅 컨버터(Up-Down Counting Converter), 카운터값에서 입력전압 레벨을 추적하는 트래킹 컨버터(Tracking Converter), 최상위 비트(MSB)부터 기준전압을 입력전압과 비교하는 연속 근사 컨버터(SAR) 등이 있다. 시스템에 관측 및 동작하여 제어되는 정보의 물리적인 양은 대부분 아날로그 양이다. 사람들이 아날로그 정보의 물리적인 양에 익숙해지기 때문이며, 아날로그 형태의 정보로 다시 변환해야 한다. 이를 위한 장치가 디지털-아날로그 변환기(DAC)이며, 아날로그와 인터페이스를 필요로한다. 전체 시스템을 효율적으로 구축하기 위해서는 아날로그 신호의 본질이나 특성을 이해해야 한다.[9][10]
통신
음성과 같이 연속적으로 변화하는 신호를 그대로 보내는 방법이다. 대표적인 예로 TV 등의 신호나 전화 통신이 있으며, 아날로그 통신은 경제적이고 점유주파수 대역폭이 좁다. 또한, 임의의 시간에서 임의의 전압 레벨을 추출할 수 있어 회로가 간단하다. 소스 입력장치, 소스 출력장치, 변, 복조 장치, 증폭기는 아날로그 통신의 필수 구성요소이다.[11] 최초의 이동통신 시스템은 2MHz 주파수 대역폭을 사용했다. 초기에는 단파(HF) 주파수(3~30MHz) 대역폭을 사용했다. 이후 초고주파(VHF) 주파수(30~300MHz) 대역폭에서 진폭 변조(AM)방식을 이용하다가 1935년 새로운 아날로그 변조 방식인 주파수 변조(FM) 방식이 적용되기 시작했다. 주파수 변조는 진폭 변조보다 시간에 따라 전파의 세기가 크게 변함에도 불구하고 신호 대 잡음 비가 뛰어나다. 하지만 진폭 변조보다 많은 주파수 대역폭이 필요하다. 진폭 변조 라디오가 9KHz의 주파수를 이용하고, 주파수 변조 라디오가 200kHz를 이용한다. 상대적으로 주파수 변조 방식이 많은 주파수를 이용하고 있음을 알 수 있다. 1940년대에 사용된 이동통신 시스템은 150MHz 주파수 대역에서 120kHz의 주파수 대역폭(Bandwidth)을 이용했다. 1950년대에는 60kHz 주파수 대역폭을 이용할 수 있게 되었고, 1960년대에는 30kHz 주파수 대역폭으로 줄어들어 효율성을 높였다. 이후에는 12.5kHz 주파수 대역폭을 이용하는 이동통신 시스템도 나오게 되었다.[12] 아날로그 신호에 의해 반송파의 진폭, 위상, 주파수를 변화 시켜 전송한다.
- 변조 방식
안테나를 통하여 전파되는 반송파의 진폭, 주파수, 위상 부분에 변화를 주어 신호를 전달하며, 반송파 신호의 전력이 잡음과 비교하여 클수록 신호를 복원하기가 수월하다. 아날로그의 변조 방식은 신호의 크고 작음을 아날로그 레벨의 변화로 표현한다. 약간의 잡음이 있어도 본래의 신호를 왜곡하며, 신호를 정확히 알기 위해서는 잡음에 대비한 신호의 크기가 중요하다. 이에 신호 대 잡음 전력비가 높을수록 깨끗한 아날로그 신호가 전송되며, 신호전력이 커질수록 유리하다. 또한, 아날로그 변조 방식의 전송에서는 높은 통신 품질을 위해서 송신전력을 크게 높여야 한다. 진폭 변조, 주파수 변조 등 연속 파형 변조와 펄스진폭 변조(PAM), 펄스폭 변조(PWM), 펄스위치 변조(PPM) 아날로그 펄스 변조로 구분된다. 선형성 여부에 따라 선형 변조에는 진폭 변조, 비선형 변조에는 각 주파수 변조와 위치변조(PM)로 분류된다. 펄스코드 변조는 아날로그 신호를 디지털 신호로 상호 변환하는 장치인 코덱(CODEC)을 사용하며, 코덱은 펄스코드 변조 방식(PCM, Pulse Code Modulation)을 통해 디지털 부호화를 수행한다. 연속적인 아날로그 데이터에서 일정 시간마다 신호의 값을 추출하는 과정으로 샤논의 표본화 이론을 바탕으로 하는 표본화(Sampling) 방법을 이용한다. 표본화에 의해 추출된 신호를 펄스 진폭 변조라 하며, 표본화된 신호 값을 불연속적인 유한개의 값으로 표시하는 과정을 양자화(Quantization)라고 한다. 또한, 양자화 과정을 통해 나온 결괏값은 정수이고, 그 정숫값을 이진값으로 변환하는 과정을 부호화(Encoding)라고 한다. 일반적으로 아날로그 변조 방식은 전달하고자 하는 신호가 아날로그 형태일 때 신호를 아날로그 형태 그대로 높은 주파수로 변경한다. 이후, 이동시스템에서 일반적인 아날로그 변조 방식은 안테나를 통하여 전파로 전달한다. [12]
전송
아날로그 전송은 어떤 양을 표시할 때 연속적인 물리량으로, 오디오와 비디오 및 음성 등 연속적으로 변하는 신호 형태의 데이터 통신 방식이다. 송신 측과 수신 측이 서로 정보를 교환하기 위해서는 정보의 형태가 전송 매체에 따라 전기 신호로 변환되어 송신돼야 한다. 사용되는 전송기 신호는 시공간에 따라 전기 신호로 변환되어 송신한다. 여기서 사용되는 전기 신호는 시공간에 따라 전압, 전류, 빛 등으로 변환해야 한다. 아날로그 전송은 아날로그 신호를 통신 회선을 이용하여 전송한다. 아날로그가 디지털 데이터를 전송하기 위해서는 모뎀과 같은 신효 변조 장치를 사용해야 한다. 거리에 따라서 신호 세기가 감소하는 감쇠 현상이 발생하기 때문에 증폭기(amplifier)를 이용하여 신호를 증폭 시켜 일정 거리마다 복원해야 한다. 하지만, 증폭기는 아날로그 신호에 포함되어 있는 잡음까지 같이 증폭하여 기존의 신호로 완전히 복원되지 않아 전송 품질이 좋지 않다. 또한, 아날로그는 다중화 방법으로 주파수 분할 다중화(FDM, Frequency Division Multiplexing)를 이용하기 때문에 누화 및 잡음에 민감하다는 특징이 있다. 아날로그는 전화에 의해 사람의 음성 정보를 소통시킬 목적으로 설치된 통신망으로 전화망의 집합체인 공중 전화망(PSTN)이 있다.[7] 공중 전화망은 세계의 공중 회선 교환 전화망들이 얽혀있는 전화망으로 세계의 공공 IP 기반 패킷 교환망인 인터넷과 유사한 방식이다. 1960년대에는 제어 부분이 컴퓨터로 처리되어 축적 프로그램 방식이 된 아날로그 전화 교환기가 도입되었다. 하지만, 고정 전화의 아날로그 전화망이었던 공중 전화망은 이제 거의 디지털화하여 고정 정화와 휴대전화를 뜻한다.[13]
- 유선 매체
- 트위스티드 페어(TP, Twisted Pair) : 두 개의 절연된 도선이 서로 꼬인 선이다. 꼬임선 또는 와선 이라고 한다. 가격이 저렴하고 설치가 간편하며, 비교적 안정성이 좋다는 장점이 있다. 하지만 일반적으로 좁은 대역폭, 낮은 전송률, 짧은 거리를 갖고, 높은 비율의 감쇠 현상이 존재하며, 신호 잡음에 민감하고 태핑(Tapping)에 약하다는 단점이 있다.
- 동축 케이블(Coxial Cable) : 아날로그 신호와 디지털 신호 모두를 전송할 수 있다. 원통형의 외부 도체 안 단일 전선으로 구성되어 있다. 이 케이블은 외부 간섭을 덜 받고, 전력 손실이 적다. 또한 설치가 쉽고, 트위스티드 페어에 비해 큰 대역폭을 가지며 최대 전송속도가 빠르다. 하지만 설치 기술에 따라 관리와 재구성이 어렵고, 광케이블에 비해 높은 감쇠 현상이 존재한다. 때에 따라 도청과 전자기적 간섭에 민감하다.
- 광케이블(Optical Cable) : 전기적 신호를 광원에 의해 광신호로 변화시킨 후 이를 유리 도체 내로 전반사 특성을 이용하여 데이터를 전송한다. 높은 대역폭을 지원하고, 신호의 보안성이 우수하며, 신호 감쇠 현상이 적고, 넓은 범위에 적용된다. 또한, 절연성이 좋아 전자유도의 영향을 받지 않기 때문에 누화 방지가 가능하다. 하지만 구축비가 많이 들고, 설치가 복잡하며, 분기하거나 접속을 할 때 쉽지 않다는 단점을 가지고 있다.[7]
- 무선 매체
무선 통신은 사람의 육안으로 전송로를 이용하여 정보를 송신 및 수신하는 유선 통신과는 달리 대기 혹은 진공 상태를 통과하는 전파를 이용하여 정보를 전달하는 방식이다. 아날로그 통신은 주파수 분할 다중화(FDM)로 할당되어 대역폭을 이용하며, 비효율적인 대신 무선 분야의 가드 밴드를 이용한다. 가드밴드는 주파수 분할 다중화 방식에서 각 채널 간에 간섭을 막기 위해 일종의 완충 지역 역할을 수행한다.
무선 통신 파형 대역폭 주파수 범위 주요 용도 장파 초저주파수(VLF),
저주파(LF)3 ~ 30 KHz,
30 ~ 300 KHz항해 중파 중주파수(MF) 300 ~ 3,000 KHz AM 라디오 방송 단파 고주파수(HF) 3 ~ 30 KHz 단파 라디오, CB 라디오 초단파 초단파(VHF) 30 ~ 300 KHz 초단파 티비(VHF TV), CB 라디오 극초단파 극초단파(UHF),
초고주파(SHF),
극고주파(EHF)300 ~ 3,000 KHz,
3 ~ 30 GHz,
30 ~ 3,000 GHz극초단파 티비(UHF TV), 지상 마이
크로파, 위성 마이크로파, 실험적 단거리
점대점(Point-to-point)* 무선 주파수 대역폭에 따른 범위와 용도
- 라디오파(radio wave) : 방향성이 없는 무선파인 진폭 변조, 주파수 변조, 초단파(VHF), 극초단파(UHF) 등을 이용하여 마이크로파처럼 굳이 접시형 파라볼라 안테나를 사용할 필요가 없다.
- 지상 마이크로파(Terrestrial Microwave) : 접시형 파라볼라 안테나를 이용하여 유선 전송 매체 설치가 비효율적인 습지대나 사막 등에서 유용하며, 주로 장거리 통신 서비스용으로 사용된다. 가시거리 내에서만 전송이 가능하고 높은 구조물이나 기상 조건에 영향을 받지만, 동축 케이블보다 리피터나 증폭기가 적게 필요하다는 장점이 있다. 또한, 장거리 전송을 위해 마이크로파 중계탑이 필요하다.
- 위성 마이크로파(Satellite Microwave) : 통신 위성이 통신의 중계 역할을 하여 지상에 위치한 두 개 이상의 송신 및 수신국을 연결하기 위해 사용되는 주파수이다. 태양열에 의한 잡음 문제와 동시성으로 인해 데이터의 보안성이 떨어질 수 있고 유지 보수에 어려움이 있으며, 가까운 거리에서 전송하면 장거리 통신 방식으로 동작하여 전파지연이 발생할 수 있다는 단점이 있다. 하지만, 넓은 지역을 중계할 수 있는 광역성이 있으며, 광대역 통신이 가능하다. 지구국을 이동 시켜 자유롭고 신속하게 회선 구성할 수 있고, 광대역 주파수의 동시 전송이 가능하여 대용량 및 고품질의 정보를 전송할 수 있다. 또한, 지상 무선 통신보다 에러율이 현저히 감소하며, 유선 매체의 거리에 비례하여 통신 거리와 관계없이 비용이 일정하다.[7]
활용
- 아날로그 회로
아날로그 전기신호를 처리하는 전자 회로이다. 아날로그는 연속된 입력 신호를 받아서 연속된 출력 신호를 내보내는 역할을 한다. 간섭이나 잡음에 의한 외부요인에 약하고, 소자 사이에 영향을 받기 쉽다. 회로가 짧은 시간에 복잡한 처리를 할 수 있으며, 신호를 처리하는 관점에서 아날로그 신호로 처리하는 것이 비효율적이어서 효율적인 디지털화로 차츰 바뀌고 있다.[14] 아날로그 회로는 일반적으로 연산 증폭기, 저항, 캡 및 기타 기본전자 부품의 복잡한 조합이다. 대부분의 아날로그 기본 전자 부품은 저항, 커패시터, 인덕터, 다이오드, 트랜지스터 등으로 구성되어 아날로그 회로에서 활용된다.[15]
- 증폭 회로 : 신호의 전력 세기를 높이기 위해 쓰이는 전기회로이다. 이 회로를 통과한 출력 신호는 입력 신호와 모양이 같다.[16]
- 발진 회로 : 주기적으로 전압이나 전류가 변하는 신호를 만드는 회로이다. 주위에서 볼 수 있는 발진 현상으로는 괘종시계의 추가 있다.[17]
- 전원 회로 : 교류(AC: Alternating Current) 전원에서 진공관에 필요한 직류를 만들어낸다.[18]
- 고주파 회로 : 300MHz 이상을 고주파라고 한다. 이 회로에서는 전력을 효율적으로 어떻게 전달할 것인지가 중요하다.[19]
각주
- ↑ 1.0 1.1 〈아날로그〉, 《위키백과》
- ↑ 김진혜, 〈디지털 영상론 2.〉, 《경상대학교》
- ↑ 3.0 3.1 〈아날로그〉, 《나무위키》
- ↑ sc100, 〈아날로그(Analog)와 디지털(Digital)의 차이는 무엇일까?〉, 《스팀잇》
- ↑ 전소장, 〈아날로그(Analog)와 디지털(Digital)〉, 《네이버 블로그》, 2011-05-21
- ↑ 먼그옛날, 〈디지털 시스템의 장점과 단점〉, 《네이버 블로그》, 2013-04-07
- ↑ 7.0 7.1 7.2 7.3 문양세, 〈통신〉, 《강원대학교》
- ↑ LIB, 〈제06절 아날로그 신호〉, 《네이버 블로그》, 2016-04-10
- ↑ 윌리, 〈ADC 컨버터 유형 : 플래시, 업다운 카운팅, 트래킹, 연속근사(SAR)〉, 《네이버 블로그》, 2007-07-01
- ↑ 재미있는과학이야기, 〈디지털 신호와 아날로그 신호〉, 《티스토리》, 2020-06-28
- ↑ 시사상식전, 〈아날로그통신〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 12.0 12.1 순금이, 〈아날로그 통신과 디지털 통신의 비교〉, 《네이버 블로그》, 2013-04-03
- ↑ 〈공중 교환 전화망〉, 《위키백과》
- ↑ 〈아날로그 회로〉, 《위키백과》
- ↑ 디바이스마트, 〈아날로그vs디지털〉, 《네이버 블로그》, 2017-12-01
- ↑ 〈증폭 회로〉, 《위키백과》
- ↑ 하비메이커, 〈발진회로의 기초〉, 《네이버 블로그》, 2007-11-08
- ↑ phil7724, 〈4. 전원 회로 원리〉, 《네이버 블로그》, 2015-11-24
- ↑ 연우, 〈고주파 이론(고주파 개념)〉, 《네이버 블로그》, 2006-05-02
참고자료
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같이 보기
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