디지털 통신

지금까지 배운 AM, FM은 소리 신호를 연속적인 값 그대로 반송파에 실었습니다. 요즘 스마트폰, Wi-Fi, 디지털 방송은 이와 달리 정보를 0과 1이라는 숫자로 바꾸어 보냅니다. 이것이 디지털 통신입니다.

연속된 값을 숫자로 바꾸기

목소리나 음악 같은 원래 신호는 시간에 따라 부드럽게 변하는 아날로그 신호입니다. 디지털 통신에서는 이 신호를 아주 짧은 간격으로 여러 번 측정(표본화)해서 숫자로 바꾸고, 그 숫자를 다시 0과 1의 조합(이진수)으로 표현합니다. 예를 들어 소리의 크기를 "13"이라는 숫자로 쟀다면, 이는 이진수로 "00001101"처럼 8개의 0과 1로 표현됩니다.

0과 1을 전파에 싣는 방법

0과 1도 결국 전파에 실어 보내야 합니다. 가장 간단한 방법은 반송파의 진폭을 1일 때는 켜고, 0일 때는 끄는 것입니다. 이를 ASK(진폭 편이 변조)라고 부릅니다. (주파수나 위상을 바꾸는 FSK, PSK 같은 방식도 있습니다.) 아래에서 비트를 직접 클릭해 바꿔 보면서, 디지털 신호와 그것을 실은 반송파의 모습을 살펴보세요.

디지털 신호(0과 1)

ASK로 변조된 반송파

비트가 1일 때는 반송파가 나타나고, 0일 때는 거의 사라지는 것을 볼 수 있습니다.

디지털 통신이 널리 쓰이는 이유

디지털 신호는 잡음이 조금 섞여도 "0에 가까운가, 1에 가까운가"만 판단하면 원래 값을 완벽하게 복원할 수 있습니다. 아날로그처럼 잡음이 신호에 그대로 누적되지 않는 것입니다. 또한 압축, 암호화, 오류 정정 같은 다양한 처리도 숫자이기 때문에 쉽게 적용할 수 있습니다. 그래서 오늘날 휴대전화, Wi-Fi, 디지털 방송, 인공위성 통신까지 대부분의 통신이 디지털 방식을 사용합니다.

핵심 정리

  • 디지털 통신은 정보를 0과 1로 바꾸어 전파에 싣는 방식입니다.
  • 가장 간단한 방식은 1일 때 반송파를 켜고 0일 때 끄는 ASK입니다.
  • 디지털 신호는 잡음이 섞여도 원래 값을 정확히 복원하기 쉬워 널리 쓰입니다.

좀 더 알아보기 — 한 번에 여러 비트 보내기, 오류 바로잡기, 그리고 디지털 칩의 발전

ASK·FSK·PSK — 0과 1을 싣는 세 가지 기본 방법
방식0과 1을 무엇으로 구별하나특징쓰이는 곳
ASK진폭(켜기/끄기)회로가 가장 간단하지만 잡음에 약함교통카드(NFC), 리모컨, 광통신
FSK주파수(높은 음/낮은 음)진폭 잡음에 강함옛 전화선 모뎀, 블루투스(GFSK)
PSK위상(파동의 시작 박자)같은 전력에서 잡음에 가장 강함GPS, 위성 통신
한 번에 여러 비트를 — 심볼과 QAM

한 번에 하나의 파동 조각(심볼)을 보낼 때, 그 모양을 2가지가 아니라 M가지로 만들면 한 심볼에 여러 비트를 담을 수 있습니다.

\[\text{한 심볼의 비트 수} = \log_2 M, \qquad \text{전송 속도} = \text{초당 심볼 수} \times \log_2 M\]

진폭과 위상을 함께 바꾸는 QAM은 아래처럼 점을 바둑판처럼 늘어놓은 성상도(별자리 그림)로 나타냅니다. 점 하나가 심볼 하나이고, 원점에서의 거리가 진폭, 각도가 위상입니다.

01 00 11 10 QPSK: 점 4개 = 2비트 16-QAM: 점 16개 = 4비트

점이 많을수록 한 번에 더 많은 비트를 보내지만, 점 사이 간격이 좁아져 잡음이 조금만 있어도 옆 점으로 잘못 읽힙니다. 그래서 기기는 신호가 셀 때는 점을 많이, 약할 때는 적게 쓰도록 실시간으로 방식을 바꿉니다. 진폭 편의 신호 대 잡음비(S/N)가 실제로 쓰이는 장면입니다.

방식점의 개수한 심볼의 비트예
BPSK21신호가 아주 약할 때, 우주 탐사선
QPSK42위성 방송, GPS 일부
16-QAM / 64-QAM16 / 644 / 6LTE, 디지털 케이블 TV
256-QAM25685G, Wi-Fi 5
1024 / 4096-QAM1024 / 409610 / 12Wi-Fi 6 / Wi-Fi 7 (공유기 가까이에서)
수천 개의 반송파를 동시에 — OFDM

Wi-Fi, LTE, 5G, 지상파 UHD 방송은 넓은 주파수 폭을 하나의 빠른 반송파로 쓰지 않고, 수백~수천 개의 좁은 부반송파로 잘게 나눠 각각에 QAM 신호를 천천히 싣습니다. 이를 OFDM이라고 합니다. 건물에 반사되어 조금씩 늦게 도착하는 전파들이 서로 섞여도 심볼 하나하나가 길기 때문에 덜 헷갈립니다. 수천 개의 반송파를 한꺼번에 만들고 분리하는 데에는 푸리에 변환을 고속으로 계산하는 칩(FFT)이 쓰입니다.

틀린 비트를 스스로 고치기 — 오류 정정 부호

디지털 통신이 잡음에 강한 또 하나의 비결은 보낼 때 일부러 검사용 비트를 덧붙이는 것입니다. 받는 쪽은 이 비트로 어디가 틀렸는지 찾아 스스로 고칩니다. 1950년 해밍 부호, 1960년 리드-솔로몬 부호(CD, QR 코드), 1990년대 터보 부호, 그리고 지금의 LDPC·폴라 부호(Wi-Fi, 5G)로 발전하며, 섀넌이 계산한 이론적 한계에 거의 다다랐습니다. QR 코드는 일부가 찢어지거나 가려져도 읽히는데, 바로 이 부호 덕분입니다.

디지털 통신을 가능하게 한 칩의 발전
시기사건의미
1947년트랜지스터 발명(벨 연구소)진공관보다 작고, 전기를 적게 쓰고, 오래가는 '전기 스위치'가 생겼습니다. 0과 1을 다루는 모든 디지털 회로의 기본 부품입니다.
1958~1959년집적회로(IC)킬비와 노이스가 여러 트랜지스터를 한 조각의 반도체 위에 함께 만드는 방법을 개발했습니다.
1971년마이크로프로세서컴퓨터의 두뇌를 칩 하나에 담았습니다.
1980년대디지털 신호처리(DSP) 칩변조·복조, 오류 정정, FFT 같은 계산을 실시간으로 하는 전용 칩이 나와, 무선 신호를 '계산'으로 처리하기 시작했습니다.
1996년우리나라 CDMA 세계 첫 상용화디지털 이동통신(2세대)을 세계에서 처음으로 대규모 상용 서비스했습니다.
2019년우리나라 5G 상용화수십억 개의 트랜지스터가 든 칩이 수천 개의 OFDM 부반송파와 고차 QAM을 실시간으로 처리합니다.

칩 하나에 들어가는 트랜지스터 수는 약 2년마다 2배씩 늘어 왔습니다(무어의 법칙). 아날로그 신호를 이 칩이 계산할 수 있는 숫자로 바꾸는 과정은 다음 장 디지털 변환 ADC에서 다룹니다.

🧑‍🏫 선생님·학부모님을 위한 설명 도움말

비유로 설명하기

  • QAM은 "과녁 맞히기"입니다. 과녁 칸이 4개면 대충 던져도 맞지만, 칸이 256개면 손이 조금만 떨려도(잡음) 옆 칸에 맞습니다. 그래서 신호가 약할수록 칸을 줄입니다.
  • 오류 정정 부호는 "중요한 말을 받아 적을 때 한 번 더 확인하는 것", OFDM은 "한 사람이 빨리 말하는 대신 여러 사람이 천천히 나눠 말하는 것"에 비유할 수 있습니다.

자주 하는 오해

  • "디지털 전파는 0과 1이라 네모난 모양으로 날아간다" — 공간을 날아가는 것은 언제나 부드러운 사인파 모양의 전자기파입니다. 그 파동의 진폭·주파수·위상이 0과 1에 따라 바뀔 뿐입니다.
  • "디지털은 잡음이 전혀 없다" — 잡음은 똑같이 섞이지만 일정 수준까지는 완벽히 걸러 냅니다. 그 한계를 넘으면 화면이 깨지거나 통화가 뚝 끊기는 '절벽 효과'가 나타납니다.

함께 해 볼 질문·활동

  • 짝과 손전등(또는 손뼉)으로 ASK 신호를 주고받아 보고, "밝게/어둡게/꺼짐" 3단계를 쓰면 같은 시간에 더 많은 정보를 보낼 수 있는지 실험해 보기
  • QR 코드의 일부를 종이로 가린 채 휴대전화로 읽어 보며, 얼마나 가려도 읽히는지 확인하기

본 교육자료는 Anthropic(Claude) 및 OpenAI(ChatGPT)를 활용하여 제작하였으며, 제작자가 내용을 검토·편집하였습니다. 주요 참고자료와 출처는 각 페이지의 「참고 자료 및 출처」에 명시하였습니다. 출처가 별도로 표기되지 않은 페이지와 참고자료에 포함되지 않은 내용은 제작자가 직접 작성하거나 정리한 것입니다. 내용에 오류가 있거나 수정이 필요한 사항을 발견하시면 kvnsite@kasi.re.kr로 알려 주시기 바랍니다.