요약

신호는 멀리 갈수록 약해지고 잡음이 섞인다. 중간에서 신호를 그냥 크게 키우면(앰프) 잡음도 같이 커져서, 중계할 때마다 잡음이 쌓인다. 중간에서 신호를 읽어 0과 1을 알아낸 뒤 깨끗한 신호를 새로 만들어 보내면(리피터) 잡음이 쌓이지 않는다. 다만 이 방법은 신호에 담긴 것이 0과 1일 때만 쓸 수 있어서, 목소리처럼 매끄럽게 변하는 데이터는 먼저 숫자로 바꿔야 한다.

예시로 보기

광케이블이나 구리선으로 수십 km를 보내면, 신호는 가는 길에 점점 약해지고(감쇠) 잡음이 끼어든다. 그래서 중간중간에 신호를 되살리는 장치를 둔다. 되살리는 방법이 두 가지다.

아날로그 전송 (앰프)
보냄 ∧∧   →  약해짐+잡음 ≈≈  →  [앰프] 크게 ≋≋  →  또 약해짐+잡음  →  [앰프] 더 지저분 ≋≋≋
                                     잡음도 같이 커진다              잡음이 쌓인다

디지털 전송 (리피터)
보냄 ┌┐┌┐ →  약해짐+잡음 ≈≈  →  [리피터] 기준선보다 높으면 1, 낮으면 0으로 읽음
                                     → 깨끗한 ┌┐┌┐ 를 새로 만들어 보냄

앰프는 받은 파형 전체를 키운다. 앰프는 어느 부분이 신호이고 어느 부분이 잡음인지 모른다. 리피터는 파형을 키우지 않는다. 신호를 기준선과 비교해 “이 칸은 1, 이 칸은 0”을 먼저 정하고, 그 0과 1로 처음과 같은 신호를 다시 만든다. 잡음은 0과 1을 정하는 순간 버려진다.

그림

그림은 구간마다 신호가 30%로 약해지고 잡음이 섞이는 링크를 다섯 번 중계한 결과다. 위의 앰프는 한 번 뒤(파란 선)보다 다섯 번 뒤(주황 선)가 훨씬 거칠다. 구간마다 섞인 잡음이 그대로 남아 함께 커지기 때문이다. 아래의 리피터는 다섯 번 뒤에도 보낸 신호(점선)와 똑같다1.

리피터가 잡음을 지우는 데는 조건이 있다. 잡음이 커서 신호가 기준선 반대편으로 넘어가면, 리피터는 그 칸을 틀린 비트로 읽고 틀린 비트를 깨끗하게 다시 만들어 보낸다. 그래서 리피터는 신호가 기준선을 넘을 만큼 망가지기 전에, 즉 충분히 촘촘한 간격으로 둔다.

정의

데이터를 보내는 과정은 세 단계로 나뉘고, 단계마다 아날로그와 디지털 두 가지가 있다.

단계 아날로그 디지털
데이터 매끄럽게 변하는 값 (목소리, 음악) 0과 1 (글자, 파일)
신호 매끄러운 물결 모양 높고 낮은 두 값을 오가는 모양
전송(중계) 신호를 단순 증폭: 앰프 신호에서 데이터를 되살려 다시 신호로: 리피터

두 전송을 정확히 정하면 다음과 같다.

  • 아날로그 전송: 중계할 때 신호를 단순 증폭한다. 앰프(Amplifier)를 쓴다.
  • 디지털 전송: 중계할 때 신호에서 데이터를 복원해 다시 신호로 만든다. 리피터(repeater)를 쓴다. 디지털 데이터를 담은 신호에만 쓸 수 있다.
  • 디지털 전송의 장점은 잡음 제거, 기기 비용, 부가 기능을 더할 수 있다는 것이다. 그래서 거의 모든 전송이 디지털 전송을 쓰고, 아날로그 데이터는 디지털로 바꿔서 보낸다.

“디지털 전송”은 중계하는 방법을 가리키는 말이다. 신호 모양과는 따로다. 0과 1을 물결 모양 신호에 실어 보내도(예: 휴대폰), 중계할 때 0과 1을 읽어 내 다시 만들면 디지털 전송이다.

부가 기능은 리피터가 0과 1을 읽어 낸다는 데서 나온다. 데이터를 읽었으니 오류를 검사하거나, 다른 방식의 신호로 바꿔 내보낼 수 있다.

연결

자주 하는 오해

“디지털 전송은 디지털 신호(네모난 펄스)를 보내는 것이다”

아니다. 디지털 전송은 중계할 때 데이터를 읽어 내 다시 만드는 방식을 말한다. 음성을 디지털로 보낼 때도 PCM으로 만든 0과 1을 FSK·PSK 같은 물결 모양 신호에 실은 뒤 리피터로 중계한다. 휴대폰도 신호는 물결 모양이지만 0과 1을 실어 디지털로 전송한다. 확인하는 법: “중계 장치가 0과 1을 알아내는가?”를 묻는다. 알아내면 디지털 전송이다.

확인 문제

C1 앰프와 리피터가 신호를 되살리는 방법을 각각 쓰고, 중계를 여러 번 거칠 때 잡음이 어떻게 되는지 비교하라.

답: 앰프는 받은 신호를 통째로 크게 키운다. 잡음도 같이 커지므로 중계할 때마다 잡음이 쌓인다. 리피터는 신호에서 0과 1을 읽어 낸 뒤 그 값으로 깨끗한 신호를 새로 만든다. 읽는 순간 잡음이 버려지므로 쌓이지 않는다.
흔한 오답: “리피터는 잡음을 걸러 내는 필터다”. 리피터는 걸러 내지 않고 새로 만든다.

C2 리피터가 잡음을 지우지 못하고 오류를 그대로 퍼뜨리는 경우는 언제인가? 또 AM 라디오 방송에 리피터를 쓸 수 없는 이유는?

답: 잡음이 커서 신호가 기준선을 넘어가면 리피터는 틀린 비트를 읽고, 그 틀린 비트를 깨끗하게 다시 만들어 보낸다. AM 라디오는 목소리라는 아날로그 데이터를 그대로 물결의 높이에 싣는다. 신호 안에 0과 1이 없으니 리피터가 읽어 낼 것이 없다. 디지털 전송은 디지털 데이터를 담은 신호에만 쓸 수 있다.

C3 다음 여섯 가지 통신에서 데이터가 아날로그인지 디지털인지, 링크가 유선인지 무선인지 쓰라. ① AM 라디오(방송국 → 라디오) ② 휴대폰 문자(휴대폰 ↔ 기지국) ③ 휴대폰 통화 ④ 블루투스 이어폰 ⑤ PC실 PC끼리 파일 교환(유선 케이블) ⑥ 노트북 웹(노트북 ↔ 공유기)

답:

통신 데이터 링크
① AM 라디오 아날로그 (목소리를 그대로) 무선
② 휴대폰 문자 디지털 무선
③ 휴대폰 통화 목소리는 아날로그지만 휴대폰이 디지털로 바꿔 보낸다 무선
④ 블루투스 이어폰 디지털 (소리를 디지털로 바꿔 보낸다) 무선
⑤ PC 파일 교환 디지털 유선
⑥ 노트북 웹 디지털 무선 (와이파이)

①만 아날로그 데이터를 그대로 보낸다. ③과 ④는 PCM 같은 방법으로 목소리를 0과 1로 바꾼 뒤 보낸다2.

  1. 약해지는 비율 30%와 잡음 크기는 설명용 가정이다. 37_digital-transmission_plot.py로 그렸고, 리피터가 다섯 번 모두 16비트를 그대로 되살린 것과 앰프 뒤 잡음의 크기가 중계 횟수의 제곱근에 비례해 커지는 것(1번 뒤 약 0.3, 5번 뒤 약 0.67)을 같은 코드로 확인했다. ↩

  2. 휴대폰 통화와 블루투스 오디오는 목소리를 디지털 부호로 바꿔 보낸다(예: GSM·LTE의 음성 코덱, 블루투스 A2DP의 SBC 코덱). ↩