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전기신호

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전기신호를 통한 신호 전달

전기신호(Electrical Signal)는 전기적 형태로 정보를 전달하는 신호를 말한다. 주로 전류와 전압의 변화를 통해 신호가 형성되며, 다양한 형태의 데이터(예: 음성, 영상, 디지털 정보)를 전송하기 위한 매개체로 사용된다. 전기신호는 디지털 신호와 아날로그 신호로 구분되며, 각각의 특성과 응용이 다르다.

개요

전기신호는 전압이 일정 패턴으로 변하여 생기는 일련의 흐름으로 전압의 변화가 모여서 만들어진 신호이다. 이런 전기 신호들을 주고받음으로써 네트워크에서 사진이나 문서 등을 주고받을 수 있다.

0과 1만으로 이루어진 비트열을 전기 신호로 변환하려면 OSI 모델의 물리 계층의 기술이 필요하다. 즉 물리 계층은 데이터를 전기 신호로 변환하기 위해 필요하다.

네트워크를 통해 데이터를 주고받을 때는 0과 1의 비트열을 전기 신호로 변환해야 하는데, 이 전기 신호의 종류에는 아날로그 신호와 디지털 신호가 있다.

아래의 그림에서 물결 모양 전기 신호를 아날로그 신호라고 하고 이 신호는 전화 회선이나 라디오 방송에 사용되는 신호이다.

아날로그 신호와 디지털 신호.png

아래의 그림에서 막대 모양 전기 신호를 디지털 신호라고 한다. 아날로그 신호와 대비되는 신호 형태로 아날로그 신호를 전류의 유무나 극성, 위상의 동일이나 반대 등 물리적 현상을 이용하여 컴퓨터가 인식하는 - 또는 1의 2진수에 대응시켜 나타내는 신호를 말한다.

데이터가 전기신호로 변환하는 과정.png

데이터가 전기신호로 변환하는 과정은 다음과 같다. 데이터 송신 측 컴퓨터가 전송하는 0과 1의 비트열 데이터는 전기 신호로 변환되어 네트워크를 통해 수신 측 컴퓨터에 도착한다. 수신 측 컴퓨터에서는 전기 신호를 0과 1의 비트열 데이터로 복원한다.

전기신호의 주요 특징

  • 파형: 전기신호는 사인파, 사각파, 삼각파 등의 다양한 파형을 가질 수 있다.
  • 주파수: 신호의 주기는 초당 반복되는 횟수로, 주파수가 높을수록 더 많은 정보를 담을 수 있다.
  • 진폭: 전기신호의 최대 전압 또는 전류로, 신호의 세기를 나타낸다.
  • 위상: 신호의 시작 위치로, 두 신호 간의 상대적인 시간 차이를 의미한다.

전기신호의 변조 방식

변조(Modulation)는 신호를 전달할 때 특정 매체에 맞게 신호를 변형하는 과정이다. 아날로그와 디지털 신호 모두에 사용되며, 변조 방식에 따라 신호 전송의 효율과 품질이 달라진다.

아날로그 변조
  • 진폭 변조 (Amplitude Modulation, AM): 신호의 진폭을 조절하여 정보 전달.
  • 주파수 변조 (Frequency Modulation, FM): 신호의 주파수를 조절하여 정보 전달.
  • 위상 변조 (Phase Modulation, PM): 신호의 위상을 조절하여 정보 전달.
디지털 변조
  • 진폭편이변조 (Amplitude Shift Keying, ASK): 디지털 신호의 진폭을 변화시켜 정보 전달.
  • 주파수편이변조 (Frequency Shift Keying, FSK): 디지털 신호의 주파수를 변화시켜 정보 전달.
  • 위상편이변조 (Phase Shift Keying, PSK): 디지털 신호의 위상을 변화시켜 정보 전달.
  • 직교진폭변조 (Quadrature Amplitude Modulation, QAM): 진폭과 위상을 동시에 조절하여 정보량을 증가시킨다.

신호 처리의 주요 과정

  • 샘플링과 양자화: 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위해, 신호를 일정한 시간 간격으로 샘플링하고, 각 샘플의 값을 일정한 단계로 양자화한다.
  • 필터링: 신호에서 특정 주파수 성분을 강조하거나 제거하여 원하는 신호 특성을 얻는다. 필터링은 신호의 노이즈 제거, 대역폭 조정 등에 사용된다.
  • 푸리에 변환: 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하여, 신호의 주파수 구성 성분을 분석한다.
  • 모듈레이션과 디모듈레이션: 신호를 전송하기 위해 적절한 주파수로 이동시키는 과정이다. 모듈레이션은 신호를 원하는 전송 매체에 적합한 형태로 변환하는 데 사용된다.

전기신호의 주요 응용 분야

통신 시스템
  • 음성, 데이터, 비디오 등의 정보를 전기신호로 변환하여 전송한다.
  • 예: 휴대폰, 무선 네트워크, 위성 통신 등.
자동화 및 제어 시스템
  • 센서와 액추에이터를 사용하여 시스템을 자동으로 제어하는 데 전기신호가 사용된다.
  • 예: 산업용 로봇, 스마트 홈 제어 시스템 등.
전자기기 및 컴퓨터 시스템
  • 전기신호는 컴퓨터와 전자기기에서 데이터를 처리하고 저장하는 데 필수적이다.
  • 예: 컴퓨터의 마이크로프로세서, 메모리, 디지털 회로 등.
의료 기기
  • 심장박동기, 뇌파 검사기, MRI 장비 등은 생체 신호를 전기신호로 변환하여 진단에 사용한다.
  • 예: ECG, EEG, 혈당 측정기 등.

참고자료

같이 보기


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