(전자공학과 전공소개) 통신이론

(전자공학과 전공소개) 포스트는 해당 과목을 수강하기 전, 이 과목이 대강 어떤 내용에 대해 배우는지를 알고자 하는 사람들을 위해 작성하고 있습니다.

때문에 해당 전공에 대한 세부적인 지식과 정보 등을 다루는 것과는 거리가 있으므로, 이 점 유의하여 읽어주시면 감사하겠습니다.세부전공의 커리큘럼, 선수과목 등의 내용은 현재 제가 다니고있는 학교를 기준으로 작성할 예정입니다.

안녕하세요 레몬입니다.

이번엔 전자공학과 3-1 과목 중 통신이론에 대해 소개해보려고 한다.

이번 학기에 내가 수강한 과목부터 작성해나갈 예정이라 3학년 1학기때 통상 듣는 과목들이 제일 먼저 작성될 듯 하다.

그 중에서도 성적이 제일 빨리 공지된 김에 통신이론을 첫번째로 작성하게 되었다.

 

어떤 내용을 배우는가

과목 이름이 통신이론인 만큼, 주변에서 쉽게 접할 수 있는 라디오, TV 등의 신호가 어떤 과정을 통해 송수신 되는지에 대해 배우게 된다.

송신 측에서 음성 및 영상 신호가 어떻게 변조되어 멀리까지 전달되고, 수신측에서 변조된 신호에서 원래 신호를 어떻게 뽑아내는지와 중간 과정에 추가되는 잡음의 영향 등에 대해 다루는 과목이다.

내가 수강한 과목의 강의계획서에 따른 순서대로 수업 내용에 대해 간략하게 소개해보도록 하겠다.

 

1. 통신시스템 개요

옛날 봉수대부터 시작해서 모스 부호, 전화기의 발명, 라디오, TV, 휴대폰... 등을 거쳐 현대의 5G까지 통신 시스템의 발전 과정을 대략적으로 배운다.

1주차 오리엔테이션같은 느낌으로 가볍게 듣고 공부도 안했는데 중간고사에 뜬금없이 한문제 나와서 틀렸다;

암튼 공학적인 내용은 거의 없고 역사를 배운다고 생각하면 된다.

 

2. 신호의 시간영역/주파수영역 분석

실제 신호를 전송하는 데 있어서 필수적인 푸리에 변환을 통해 신호를 시간/주파수 영역에서 분석한다.

신호를 분석하는 과정에서 신호를 주기신호, 비주기신호로 구분해 신호의 전력/에너지, ESD/PSD, 자기상관성 등을 계산하는 법을 배우게 된다.

두 신호를 컨볼루션(Convolution) 하는 과정과 신호의 푸리에 변환에 대해 학습하는 과정에서 두 연산의 특성, 기본적인 중요 신호의 변환쌍 등을 암기하는 것이 좋다.

푸리에 변환에 관해서는 이전 포스팅에서 조금 더 자세히 다루었으니 참고하면 좋을 것이다.

2020/07/05 - [전자공학과] - 푸리에 급수와 푸리에 변환(Fourier Transform)에 대해

푸리에 급수와 푸리에 변환(Fourier Transform)에 대해

 

3. 신호의 진폭 변조 (Amplitude Modulation. AM)

통신 시스템에서 신호를 장거리로 전송하고, 안테나 크기를 작게 하는 등의 목적으로 원래 메세지 신호 m(t)를 변조하여 사용한다.

여러가지 신호의 변조 방법 중 진폭 변조(AM)에 대해 배우게 된다. 원신호를 변조하는데 사용되는 반송파(Carrier) 신호 c(t)의 진폭을 원신호에 맞게 변조한다고 생각하면 쉽다.

위 그림에서 볼 수 있듯 변조된 신호 mc(t)는 캐리어 신호의 주파수를 가지고, 진폭(포락선)은 원신호의 모양을 따라가고 있음을 알 수 있다.

위는 여러 진폭 변조 방식 중 하나인 DSB-SC 방식이고, 이외에도 DSB-TC, SSB, VSB 등의 진폭 변조에 대해 배우게 된다.

통신이론 과목에서 배울 모든 변조 방식에 대해서, 수학적으로 변조를 가하는 과정, 신호를 변조했을 때 time domain에서의 파형 변화, frequency domain에서의 스펙트럼 변화, 수신 측에서의 신호 복조 방식 등이 중요한 내용이다.

 

4. 확률변수와 랜덤프로세스 -> 잡음(Noise)

신호의 송수신 과정에서 필연적으로 들어가는 잡음에 대해 학습한다.

잡음을 일종의 랜덤프로세스로 이해하여 잡음의 에너지 등을 분석하고, 여러 변조 방식의 잡음에 대한 성능 SNR(Signal Noise Ratio)을 계산하는 법에 대해 배우게 된다.

2학년 과목인 확률 및 랜덤변수의 내용을 간단히 정리하고, 이를 소음에 적용하여 분석하게 된다. 나는 확랜 과목을 수강하지 않은 채로 수업을 들었는데, 교수님은 그때 배운거니 대충대충 넘어가는 바람에 여기서 굉장히 헤매고 혼자 공부를 많이 해야했다..

그래도 고등수학에서 배운 확률, 통계, 적분에 대한 개념만 잘 잡혀있으면 따라가는데 크게 어렵진 않다.

 

5. 신호의 위상 변조, 주파수 변조 (Phase Modulation/Frequency Modulation. PM/FM)

신호의 변조 방식 중 위상 변조와 주파수 변조에 대해 학습한다. 두 변조 방식의 수학적 과정이 비슷하여 둘을 묶어 한번에 배웠다.

각각 반송파 신호의 위상 또는 진폭이 원신호의 크기에 따라 달라지는 변조 방식이다.

앞선 진폭 변조와 마찬가지로 변조/복조 과정, 잡음 대 성능비(SNR), 파형 변화 등을 아는것이 중요하다.

 

6. 라디오와 TV 신호

라디오와 흑백TV, 컬러TV 신호가 어떻게 생성되고 송수신 되는지 배운다.

라디오의 모노 음성신호 -> 스테레오 음성신호 -> 흑백 영상신호 -> 컬러 영상신호 순으로 어떻게 신호가 생성되며, 어떤 대역폭에서 사용되는지, 해당 대역폭에서 파형은 어떤 모습으로 존재하는지 등을 학습하게 된다.

우리가 흔히 접하는 TV의 채널을 정하는 방식이나 화소, RGB값, 해상도 등 익숙한 용어가 많이 등장하고 이에 대한 자세한 설명을 들을 수 있기에 나름 재밌기도 하다.

다만 이 부분은 교재에서 자세히 다루지 않은 내용을 교수님이 추가 자료로 수업했던 부분이라 다른 학교 수업에서 다룰지는 잘 모르겠다.

 

7. 샘플링과 양자화 (Sampling, Quantization)

보내고자하는 대부분의 메세지 신호는 연속된 시간에 존재하고, 연속된 값을 가지기 때문에 이를 원본 그대로 정확히 송수신하는 것은 불가능하다.

그러므로 신호를 시간에 대해 표본화하는 샘플링, 크기에 대해 표본화하는 양자화를 거쳐 신호를 전달하게 되는데, 이에 대한 자세한 과정을 학습한다.

샘플링 이론, Nyquist 주파수, 대역통과 신호의 샘플링 등 주어진 신호의 샘플링 주파수를 계산하는 것 과 원래 신호와 샘플링된 신호의 파형, 스펙트럼을 잘 아는것이 중요하다.

양자화 파트에서는 표본화할 level 수에 따라 필요한 bit수, 양자화 간격, 대표값, 양자화 오차 등을 계산하는 과정이 중요하다.

이후 샘플링과 양자화를 거친 신호를 0과 1로 나타낼 수 있도록 펄스 부호화 변조(Pulse Coded Modulation) PCM에 대해 학습하게 된다.

이러한 과정을 거치며 최대한 신호의 크기를 압축하고, 대역폭을 효율적으로 사용하기 위해 애써온 사람들의 노력과 아이디어가 보여 신기하기도 하다. 내가 배운 강의는 위 커리큘럼에 따라 학습하고 종강하게 됐다.

 

사용한 교재

MATLAB 실습과 함께 배우는 아날로그 및 디지털 통신이론(개정판)

저자 : 김명진 / 생능출판사

위 교재를 사용해 학습했다. 아주 최근에 개정이 되어 연습문제의 솔루션이 제대로 없어 과제하는데 고생을 많이 했다.

특히 교수님 강의력도 영 별로여서 혼자 문제푸느라 구글링하고 교재 뒤져보며 공부하다가 배운게 더 많았던 것 같은 과목이다.. 그나마 매트랩 실습은 교재에 주어진 코드에 조금씩 수정하는 것 정도라 할만했다.

 

선수과목

확률 및 랜덤변수 : 위에 언급한대로 들어뒀다면 한 장 편하게 넘어갈 수 있고 안들었어도 그냥저냥 할만함

공학수학 / 회로이론2 : 아마 푸리에 급수, 푸리에 변환에 대해 살짝 배우는 걸로 기억하고 있다. 굳이 안들었어도 지장은 없긴 한데 아마 다들 수강했을듯?

추가적으로 신호 및 시스템 과목과 함께 들으면 내용이 겹치는 부분이 있어 두 과목을 이해하는 데 서로서로 도움이 되는 면이 있다. 내용이 비슷해서 굳이 둘 다 들을 필요 없다는 말도 있었지만 나는 두 과목을 수강하면서 꽤 만족했다.

 

연계분야

통신에 대한 기초적인 내용을 전반적으로 배우기 때문에, 통신 쪽 과목과 전부 연계된다고 말할 수 있겠다.

사실 나도 재학생일 뿐이라 나중 과목과의 연계는 자세히 몰라 정확히 집어주기가 어려운 점은 있다.. 어쨌건 통신 쪽에 관심이 있다면 꼭 수강할 수 있도록 하자.

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이렇게 전자공학과 전공소개의 첫번째 과목인 통신이론에 대해 적어보았다.

처음으로 적어보는 전공 소개 글이라 정해진 틀도 없이 너무 대충 쓴건 아닌가 싶기도 하고, 학습하는 내용을 어느정도로 자세하게 소개해야 할지도 감이 안잡혀 대충 손가는대로 작성한 느낌이 있어 업로드하며 걱정이 된다.

계속 작성해가다보면 나아지겠지..? 수강신청 전에 글을 읽어준 분들에게 도움이 되길 바란다.