모바일통신시스템 10차시1강 -...

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<모바일통신시스템> 10차시 1강

모바일통신시스템신호 처리 개요10차시 1강



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• 아날로그 신호와 디지털 신호에 대한 개념을 이해한다.• 디지털의 특징 및 단·장점을 이해한다.• 아날로그 시스템에 대하여 이해한다.

학습목표

학습내용

• 디지털의 특징• 아날로그와 디지털 신호• 아날로그 시스템



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1. 통신공학

1 통신의 정의

통신

소식을 전하는 것으로 우편, 전신, 전화 등의 매체를 사용하여 정보나의사를 전달하는 것을 말함 (위키피디아)

목적원하는 목적지에 주어진 채널을 통하여 빠르고 많이, 안전하게전송하는 것이 통신의 목적으로 전기나 자기를 이용하여 송신자가수신자에게 필요한 정보(메시지, 데이터)를 채널을 통하여 전송하는 것



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1. 통신공학

1 통신의 정의

전자통신(Telecommunications)

• 원거리에 있는 송신기와 수신기가 신호를 주고받는 행위를 말함

※ 통신 시스템의 성능은 송신기와 수신기 사이 매체의 채널 특성과 노이즈 등에 의해결정되며, 채널은 주변에 영향을 받아서 잡음, 지연, 왜곡 등이 발생함. 이로 인하여 전송된 신호는 원 신호와 다르게 되며 데이터 손실이 발생하고 정보전송량이 제한됨



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1. 통신공학

2 통신의 3요소

통신의 3대 요소

통신로 통신기기 통신전달동력

통신수단

• 통신서비스 생산에 있어서필요 불가결한 물적 매개체를 말함

통신업

• 통신수단을 보유하고 통신서비스생산을 전담하는 행위



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1. 통신공학

3 통신 이론

1870년 전화가 발명된 이래 아날로그 통신이 급격하게 발전

1차 세계 대전으로 무선 기술이 비약적으로 발전하고 라디오와 TV 방송기술이활성화 되었음

전화의 자동연결과 사용자의 급격한 발전으로 다중화 방안이 연구됨

1980년대 반도체의 발전으로 이론적인 알고리즘이 CPU, 임베디드 컴퓨터, 신호 처리 기술의 발전으로 통신 시스템이 급격하게 발전하게 됨



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1. 통신공학

3 통신 이론

정보통신 기술은 전자공학과 시스템 공학으로 발전하게 됨

소자기술 특정한 작업 수행을 위한 설계 및 개발 (안테나, 증폭기 등 부품소자)

시스템공학

소자들을 묶어서 목표를 달성하는 방법 수행, 수학적 모델을 개발하고 이를 활용하여 시스템 설계 및 규격 작성



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1. 통신공학

4 통신 시스템 모델

송신자 수신자

눈으로 보거나 귀로 들을 수 없는범위를 벗어나 통신하고자 함

원하는 정보를 주어진 채널상에서정확하고 더 많이 전달하는 방법은?

채널(유선, 무선)



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2. 신호와 시스템

1 디지털의 특징

시간에 있어서 연속인 아날로그 신호가 시계열상의 단순한 숫자의 나열로 변환

• 아날로그는 자연에서 발생하는 소리, 이미지, 영상, 힘의 세기, 스프링의 변동 등

• 아날로그는 적용 대상에 따라서 형식이 틀리게 됨 (전류, 전압, 힘의 세기)

• 디지털은 단순한 이진신호의 집합으로 컴퓨터로 처리가 가능함

예아날로그: 오디오에서 나오는 음악, TV에서 나오는 영상디지털: 컴퓨터, 스마트 폰, 디지털 영화, 디지털 카메라



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1 디지털의 특징

디지털은 아날로그보다 취급하는 대상이 단순하고 쉽기 때문에 다양한 처리가 가능함

이러한 이유로 H/W 적으로 처리가 불가능한 것을 SW를 이용하여 처리 가능

- 필요한 영역 강조, 추출, 제거, 합성 등이를 신호 처리라고 함(오디오/영상 편집, 사진 편집과 가공이 가능)



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2 신호

신호는 의미가 있는 일련의 정보로 자료의 집합이나 전송되어진 데이터나 메시지를말함(데이터와 메시지에 송신자의 의미가 담겨있어야 함)

예년도별 주식 거래양, 지구 평균 기온, 센서로 부터 측정된 전압 또는 전류, 병원에서의 응급환자의 심전도(ECG) 및 뇌전도 파형

• 신호는 측정 대상에 따라서 다양한 형태로 표현이 가능

• 수학적으로 표시하면 신호는 한 개 이상의 독립 변수의 함수로 표현이 가능

음성신호 → 마이크(전기신호), 테이프(자기신호), CD(숫자열)

정보는 신호가 변화하는 자료 속에 담겨 있음. 이를 어떻게 해석하는가가 통신 공학 설계에있어서 중요한 요인임



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2 신호



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3 아날로그와 디지털 신호

아날로그 신호: 측정의 대상이 시간에 따른연속된 형태의 값으로 표현됨

예센서의 전류 값, 마이크의 전류 값, 심전도(ECG), 뇌전도(EEG) 등

디지털 신호: 측정의 대상이 불연속 값을가지는 신호로 이산 크기와 이산 시간으로 구성

예컴퓨터 이진 신호,영상 이미지 값,주사위 확률



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4 시스템

신호를 디지털화 하여 설계 목표를 달성하기 위하여 다양한 처리(교환, 변환, 가공, 추출, 전송)과정을 통하여 다른 신호를 만드는 대상

• 전기회로, 통신 시스템, 통신 채널, 공장 기기, 영상 및 이미지 장비

• 설계 목표를 달성하기 위하여 시스템을 모델링하고 입력신호에 대한 출력(응답)에 대한동작 규칙에 의해 기술

• 수학적으로는 방정식으로 표현

• 시스템은 물리적 요소(하드웨어) 또는 알고리즘(소프트웨어)으로 구성

오디오의 등화기(Equalizer): 전자회로 구현(H/W) + DSP chip + 알고리즘(S/W)



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5 신호 처리

신호 연산이나 신호 분석을 다루는 전기 공학, 응용수학의 분야를 말하며, 신호를 여러 목적에 따라 가공하는 일이나 그 기술을 가리킴.신호는 아날로그 또는 디지털 신호로 표현되며, 음향, 전자기파, 영상 또는센서 출력값 등 다양한 측정값을 표현할 수 있음 (위키피디아)

해석 신호로부터 원하는 정보를 추출하여 다양한(통계, 수치, 그림)방법으로 표현

합성 조절 신호에 의해 원하는 출력 신호를 발생

변환 신호를 한 물리적인 형태로부터 다른 형태로 변환(힘의 세기를 전류,전압값)

필터링 불필요한 성분을 제거하거나 바람직한 형태로 신호를 변형



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5 신호 처리

분류

아날로그신호처리

이산시간신호처리

디지털신호처리

신호 처리분야

• 통계학적 신호 처리

• 오디오 신호 처리

• 회화 신호 처리

• 영상 처리, 배열 처리

• 시간 주파수 신호 처리, 필터링

• 진동성 신호 처리

• 데이터 마이닝



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5 신호 처리

음성인식 과정

마이크(변환) 음성 음압 신호를 전기 신호로 변환

필터(필터링) 주변의 잡음을 걸러내고 사람 음성만 깨끗하게 추출함

음성 합성(합성) “승인되었다.”는 기계음을 발생

암호해독기(해석) 입력 신호가 사전에 승인된 화자가 맞는지를 판별



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5 신호 처리

음성인식 과정

마이크 필터 화자 인식 음성합성기음성 입력 화자 승인



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6 블록선도

신호 처리 시스템의 해석 및 설계

• 시스템을 우선 몇 개의 작은 시스템(부시스템)으로 분리

- 부시스템은 프로세싱이 가능함

- 입력값을 프로세싱하여 출력

• 각 작은 시스템의 기능과 동작 특성을 파악

• 각 작은 시스템 간의 관계를 파악(관계 및 파라미터 세팅)

• 전체 시스템 분석 및 설계



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6 블록선도

블록선도

• 시스템의 구성과 기능을 알기 쉽게 시각적으로 나타낸 그림(모델링)

- 시스템을 각 부시스템 또는 구성요소로 나누고 이를 블록으로 대체- 블록 안에 시스템의 특성을 말해주는 수식, 그래프, 명칭 등을 표시- 신호의 흐름을 따라 각 부시스템 또는 구성 요소를 연결(수학적으로묘사)



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6 블록선도

블록선도 구성방법

• 종속(Cascade) 연결: 각 부시스템들을 직렬로 연결

• 병렬(Parallel) 연결: 각 부시스템들을 병렬로 연결



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3. 디지털 신호 처리

1 디지털 신호 처리

디지털 시스템에 의해서 이산 신호를 처리함

수학적인 처리가 가능

하드웨어적 + 소프트웨어적으로 처리가 가능

• 이산 신호의 수열을 디지털 신호로 처리가 가능



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2 디지털 신호 처리 시스템 구성도

전처리 필터: 처리 대상의 최고 주파수 주파수 범위를 제한하여 Aliasing 현상 방지

A/D 변환기 아날로그 신호 신호를 디지털 신호로 변환

디지털시스템

디지털 신호 처리를 담당하는 블록

후처리 필터 D/A 과정에서 발생하는 불필요한 잡음을 제거

D/A 변환기 디지털 신호를 원 아날로그 신호로 복원



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2 디지털 신호 처리 시스템 구성도

전처리 필터: 처리 대상의 최고 주파수 주파수 범위를 제한하여 Aliasing 현상 방지



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3 디지털 신호 처리 장점

디지털로 구성된 데이터, 음성, 영상 등의 다양한 형태의 신호를 통합적으로 처리 가능

알고리즘이 덧셈, 곱셈, 시간 지연으로 표현 가능하므로 신호 조작이 쉽다

컴퓨터와 S/W를 이용하여 편리하게 개발하고 시뮬레이션으로 검증이 가능

H/W와 S/W의 결합으로 다양한 처리 방식이 가능하여 아날로그 방식으로는 불가능한작업도 구현이 가능

데이터의 손상 없이 동일한 동작을 무한히 반복/재현 가능(음학 무한 반복 등)

정확도 및 감도를 특정 수준으로 보장할 수 있고, 조절이 쉬움

IT 발달로 시스템을 값싸고, 작고, 가볍고, 간결하게 제작이 가능



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4 디지털 신호 처리 단점

A/D와 D/A 변환 과정에서 아날로그 신호보다 정보의 소실이 발생(샘플링, 양자화)

CPU 처리 시간에 따라 데이터 처리 시간 지연 및 속도의 제한이 발생

시스템 설계 시 수학적 해석(지식)이 필요하고 모델링 하는데 많은 시간의 투입이 필요

A/D 과정에서 양자화 오차에 의한 유한 어장 효과(Finite Word Length Effect)가발생

※ 디지털시스템에서 아날로그 신호를 유한 개의 비트의 연속적인 값으로 표현하는 한계에 따른오차 발생 현상을 말하며, 주로 A/D 변환 시 양자화 오차에 의해 발생함



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정리하기

디지털의 특징은 아날로그 신호가 단순한 숫자의 나열로 변환하는 것으로자연의 소리를 녹음하고(아날로그신호) 디지털화 하여 CD로 만드는작업등과 같음

아날로그 신호를 디지털화 하면 하드웨어로 처리가 어려운 작업을소프트웨어 적으로 처리가 가능(예 : 영상편집, 음성편집, 사진편집 등)

신호는 의미가 있는 일련의 정보.자료의 집합들로서 다양한 형태로 표현이가능하고, 수학적으로 한 개 이상의 독립변수의 함수로 표현이 가능

아날로그 신호는 시간에 따른 연속된 값을 가지며, 디지털 신호는 불연속된값을 가지는 이산 크기 값을 가짐



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