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음향:wireless:analog_vs_digital

Analog VS Digital(무선)

음향 신호의 주파수는 가청 주파수로만 보면 20Hz ~ 20KHz 사이의 신호이고, 이 신호를 바로 전파로 전송하기에는 너무 낮은 주파수 성분을 가지고 있어서 먼 거리를 보낼 수가 없다.1)

하지만 이 신호를 아주 높은 주파수와 합성(Modulation)하여 합성된 신호를 전파(전자기파)의 형태로 전송하면 아주 먼거리를 보낼 수 있다.

따라서 캐리어 주파수라고 부르는 높은 주파수와 합성하여 먼거리로 무선으로 전송하고, 수신하는 측에서 다시 캐리어 주파수를 제거하여 원래의 신호 성분만 남기면, 신호를 무선으로 전송하는 것이 가능하다.

무선 신호의 전송에도 아날로그 신호를 그대로 전송하는 방식과 아날로그 신호를 0과 1의 디지털로 컨버팅 하여 전송하는 디지털 방식이 있다.

Analog

아날로그 신호 전송은 아날로그 신호 자체를 캐리어 주파수에 합성(Modulation)하여 전송하는 방식으로 크게 AM 방식과 FM 방식으로 나뒨다.

무선 마이크나 무선 인이어등의 무선 음향 장비에서는 주로 FM 방식을 사용하여 오디오 신호를 전송한다.

AM

Amplitude Modulation : 진폭 변조

AM 의 경우는 캐리어 중심 주파수를 기준으로 대역폭이 필요하지 않거나 매우 좁아도 된다. 캐리어 주파수가 변동하지 않기 때문이다.

FM

Frequency Modulation : 주파수 변조

FM 은 원래의 오디오 신호에 따라서 캐리어 주파수가 높아지고 낮아지는 변동을 하기 때문에, 캐리어 주파수를 중심으로 대역폭이 필요하게 된다. 가청 주파수의 오디오 신호를 모두 전송하기에는 대역폭이 너무 넓게 필요해지기 때문에, 가청 주파수를 전부 전송하지 못하고 밴드 패스 필터를 사용하여 고음역과 저음역을 제거하고 전송하는 경우가 많다. 그렇기 때문에 아날로그 무선 인이어나 아날로그 무선 마이크의 스팩을 잘 살펴보면 20kHz 까지 전송하지 못하고 15kHz 정도 까지만 전송하게 만들어진 경우가 대부분이다.

또한 FM 합성 자체가 가진 다이내믹레인지 표현의 한계 탓으로 높은 다이내믹 레인지 표현이 힘들다.2) 그래서, 추가로 Compander3)를 내장하여 높은 다이내믹 레인지를 표현하기도 하나 비용이 상승하게 된다.

Digital

디지털의 경우는 FM 방식을 사용하면서도 아날로그 파형이 아닌 0과 1을 pulse 파형으로 표현된 신호를 캐리어 주파수에 합성하여 전송한다. 캐리어 주파수의 중심 주파수 기준으로 많은 대역폭이 필요하진 않다. 모듈레이션 되는 정도가 0과 1 만 구분할 수 있을 정도이면 되기 때문이다. 하지만 아날로그 신호를 디지털로 컨버팅하고 ,반대로 디지털 신호를 아날로그 신호로 컨버팅 하는 대에 시간이 걸리기 때문에, 레이턴시가 발생한다. '

대역폭이 FM 아날로그 보다 좁아도 되기 때문에 상대적으로 더 많은 채널을 운영할 수 있다.
하지만 ISM 대역을 사용하는 디지털 무선의 경우에는 블루투스나 WIFI 등의 다양한 무선 통신이 ISM 대역에 이미 수 많이 존재하고 있기 때문에 오히려 더 많이 사용하기 힘들 수도 있다.

추가로 Bluetooth 방식과 같이 데이터의 용량을 줄이기 위해 인코딩과 디코딩의 과정이 포함되는 경우의 무선 방식이라면, 인코딩과 디코딩 하는 시간도 추가되기 때문에 더 긴 레이턴시가 발생한다.4)

1)
가까운 거리는 가능하다. 일렉트릭 기타나 일렉트릭 베이스의 픽업의 원리가 바로 이것이다. 무선의 원리도 이와 유사하다. 송신기에서 자성을 진동시켜 수신기의 안테나로 받는다.
2)
보통 60~70dB 정도의 다이내믹 레인지 스팩을 가진다.
3)
송신 부에서 신호를 Compressor 를 거쳐서 압축 후 수신 부에서 신호를 다시 Expander 를 거쳐서 원상 복구 하는 장치
4)
Bluetooth 의 경우 레이턴시가 크게 발생하는 대에도 불구하고, 굳이 인코딩과 디코딩을 넣어서 압축하여 전송하는 이유는, 그렇게 하는 것이 전송해야 할 데이터의 총량을 줄이는 것이고, 전송해야 할 데이터의 량은 전력 소비량과 관계가 있다. 즉 블루투스는 작은 무선 기기에 사용될 목적으로 개발 되어진 것이기 때문에 배터리의 사이즈를 생각하여 전력 소모를 줄이는 방향으로 집중하게 된다.




음향/wireless/analog_vs_digital.txt · 마지막으로 수정됨: 2022/12/09 저자 정승환