모뎀 역할과 신호 변조 방식

컴퓨터와 네트워크에서 데이터를 전송할 때, 신호 변환이 필수적입니다. 특히, 모뎀(MODEM, Modulator-Demodulator)은 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하고, 다시 디지털로 변환하는 역할을 합니다. 이번 글에서는 신호 변환의 필요성과 모뎀의 작동 원리를 이해하고, 변조(Modulation) 방식에 대해 살펴보겠습니다.

데이터 전송에서 신호 변환이 필요한 이유

컴퓨터에서 데이터를 주고받을 때, 디지털과 아날로그 신호 간 변환이 필요한 경우가 있습니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

디지털과 아날로그의 차이

• 디지털 신호: 0과 1로 이루어진 이진(Binary) 데이터. 컴퓨터 내부에서 사용됨.

• 아날로그 신호: 연속적인 파형으로 표현되는 신호. 전화선, 라디오, TV 등에서 사용됨.

전송 방식에 따른 변환 필요성

• 디지털 데이터는 전화선(PSTN) 같은 아날로그 기반 네트워크에서 전송될 수 없음 → 모뎀이 디지털을 아날로그로 변환하여 전송

• 반대로, 수신된 아날로그 신호는 컴퓨터가 이해할 수 없는 형태 → 모뎀이 다시 디지털로 변환

이처럼, 신호 변환을 통해 데이터가 효율적으로 전달되고, 신호 품질이 유지될 수 있습니다.

모뎀의 역할: 디지털 ↔ 아날로그 변환 과정

모뎀은 데이터를 다음과 같은 과정으로 변환합니다.

디지털 → 아날로그 변환 (변조, Modulation)

컴퓨터의 디지털 데이터(0과 1)를 아날로그 신호(연속적인 파형)로 변환하여 전화선으로 전송

• 예: test 입력 → ASCII 코드 → 2진수 변환 → 모뎀에서 아날로그 변조 수행

• 변조 방식: 진폭 변조(AM), 주파수 변조(FM), 위상 변조(PSK) 등

아날로그 → 디지털 변환 (복조, Demodulation)

전화선을 통해 수신된 아날로그 신호를 다시 디지털 데이터(0과 1)로 변환하여 컴퓨터가 해석 가능하게 만듦

• 수신된 신호 해석 → 원래 디지털 데이터로 변환 → 컴퓨터에서 사용 가능

변조(Modulation) 방식: 신호 변환의 핵심

디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환할 때, 다양한 변조 방식을 사용할 수 있습니다.

진폭 편이 변조 (ASK, Amplitude Shift Keying)

진폭 편이 변조(ASK)는 신호의 진폭(Amplitude, 파형의 높이)을 변경하여 데이터를 표현하는 방식입니다.

동작 원리

• 0과 1을 표현하기 위해 서로 다른 진폭 크기의 신호를 사용합니다.

• OOK(On-Off Keying) 방식은 0일 때 신호를 끄고, 1일 때 특정 진폭의 신호를 전송하는 방식입니다.

예시

특징

✅ 장점

• 구현이 간단하고, 하드웨어 비용이 저렴함.

❌ 단점

• 진폭 변화가 작아 **노이즈(잡음)**에 취약함.

• 신호 감쇠로 인해 장거리 전송이 어려움.

주파수 편이 변조 (FSK, Frequency Shift Keying)

주파수 편이 변조(FSK)는 신호의 주파수(Frequency, 초당 진동수)를 변경하여 데이터를 표현하는 방식입니다.

동작 원리

• 0과 1을 표현하기 위해 서로 다른 주파수의 신호를 사용합니다.

예시

특징

✅ 장점

• 노이즈에 강하며, 신호 감쇠가 적어 장거리 전송이 가능함.

• 무선 및 위성 통신에서 널리 사용됨.

❌ 단점

• 대역폭을 많이 차지하여 데이터 전송 효율이 낮을 수 있음.

위상 편이 변조 (PSK, Phase Shift Keying)

위상 편이 변조(PSK)는 신호의 위상(Phase, 파형의 시작점)을 변경하여 데이터를 표현하는 방식입니다.

동작 원리

• 기준 신호에 대해 0과 1을 특정 각도의 위상 변화로 표현합니다.

• BPSK(Binary PSK)는 2개의 위상을 사용하여 0과 1을 표현합니다.

• QPSK(Quadrature PSK)는 4개의 위상을 사용하여 한 번에 2비트를 전송할 수 있습니다.

예시 (BPSK)

특징

✅ 장점

• 잡음에 강하고, 효율적인 데이터 전송 가능.

❌ 단점

• 위상 변화 감지가 어려울 수 있어 복잡한 복조 장치가 필요함.

직교 진폭 변조 (QAM, Quadrature Amplitude Modulation)

직교 진폭 변조(QAM)는 진폭과 위상을 동시에 변경하여 더 많은 데이터를 전송할 수 있는 방식입니다.

동작 원리

• 위상과 진폭을 조합하여 여러 개의 상태를 만들고, 하나의 심볼(Symbol)에서 다중 비트를 표현합니다.

• 예를 들어, QAM-16은 16가지의 위상과 진폭 조합을 사용하여 한 번에 4비트 전송이 가능합니다.

예시 (QAM-16)

특징

✅ 장점

• 높은 전송 속도를 제공하여 Wi-Fi, LTE, 5G 등에서 널리 사용됨.

• 대역폭 효율성이 뛰어남.

❌ 단점

• 신호 감쇠와 노이즈에 취약할 수 있음.

• 복잡한 신호 처리가 필요하여 하드웨어 비용이 증가할 수 있음.

실제 데이터 변환 과정 예시: “test” 입력 시 모뎀 신호 변환

사용자가 키보드로 “test”를 입력했을 때, 모뎀에서 변환되는 과정을 살펴보겠습니다.

디지털 데이터 생성

• 사용자가 입력한 “test” → ASCII 코드 → 2진수 변환

  t = 01110100
  e = 01100101
  s = 01110011
  t = 01110100

모뎀을 통한 변조 (예: FM 방식)

• 0 → 1000Hz (낮은 주파수)

• 1 → 2000Hz (높은 주파수)

• 변조 후 신호가 전화선으로 전송됨.

수신 측 모뎀에서 복조

• 주파수 변조된 신호를 디지털 데이터로 변환

• 원래의 01110100 01100101 01110011 01110100 복원

• ASCII 코드 해석 후 “test”로 변환

결론: 모뎀과 신호 변환의 중요성

✅ 모뎀은 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하여 전송하고, 다시 디지털로 변환하는 장치입니다.

✅ 변조 방식(AM, FM, PSK, QAM 등)을 활용하여 데이터를 효과적으로 전송할 수 있습니다.

✅ 광섬유(FTTH) 인터넷에서는 모뎀 대신 광신호 변환 장치(ONT)를 사용하여 순수 디지털 전송을 수행합니다.