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01. Communication Theory_Introduction

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By younghoonko
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01. Communication Theory_Introduction

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학습 목표

  • 통신 기술이 어떤 흐름으로 발전해 왔는지 이해
  • 통신 시스템의 기본 구성 요소(정보 소스 → 송신기 → 채널 → 수신기 → 목적지) 이해
  • 무선 통신 송신기와 수신기를 이루는 블록과 각각의 역할 이해

통신의 역사적 배경

a

전신(Telegraph)과 라디오(Radio)

연도인물내용
1844Samuel Morse전신으로 “What hath God wrought” 전송 (Washington D.C. ~ Baltimore)
1864James Clerk Maxwell빛의 전자기 이론 정립, 전파의 존재를 예측
1887Heinrich Hertz전파의 존재를 실험으로 확인
1894Oliver Lodge짧은 거리(150야드) 무선 통신 시연
1901Guglielmo Marconi장거리(1,700마일) 무선 통신 시연
1906Reginald Fessenden최초의 라디오 방송
1918Edwin H. Armstrong슈퍼헤테로다인(superheterodyne) 수신기 발명
1933Edwin H. Armstrong새로운 변조 방식인 주파수 변조(FM) 시연
  • 모스 부호(Morse code): 점(dot), 선(dash), 글자 간격, 단어 간격으로 이루어진 가변 길이 부호(variable-length code)
    • 자주 쓰는 글자(E = ·)는 짧게, 드문 글자는 길게 → 평균 전송 길이를 줄이는 아이디어
  • 슈퍼헤테로다인 수신기: 수신한 신호를 고정된 중간 주파수(IF)로 바꾼 뒤 처리하는 방식으로, 지금도 대부분의 수신기에서 쓰이는 구조

전화(Telephone)

연도인물내용
1875Alexander Graham Bell전화기 발명
1897A. B. Strowger자동 단계식 교환기(automatic step-by-step switch) 고안

전자(Electronics)

연도인물내용
1904John Ambrose Fleming진공관 다이오드 발명
1906Lee de Forest진공관 트라이오드(3극관) 발명
1948John Bardeen, Walter H. Brattain, William Shockley (Bell Lab.)트랜지스터 발명
1958Robert Noyce최초의 실리콘 집적회로(IC) 생산

텔레비전(Television)

연도인물·기관내용
1928Philo T. Farnsworth최초의 완전 전자식 텔레비전 시스템
1929Vladimir K. Zworykin완전 전자식 텔레비전 시스템
1939BBC상업적 기반의 텔레비전 방송 서비스

디지털 통신(Digital Communications)

연도인물·기관내용
1928Harry Nyquist전신에서의 신호 전송 이론
1937Alec Reeves펄스 부호 변조(PCM) 발명
1943D. O. North백색 잡음 속에서 알려진(known) 신호를 최적으로 검출하는 정합 필터(Matched Filter)
1948Claude Shannon디지털 통신의 이론적 기초 확립 (정보 이론)
1958Bell Lab.프로그램 내장(stored-program) 시스템을 통한 첫 통화
1960Morris, Illinois디지털 교환을 사용한 최초의 상용 전화 서비스
1962Bell Lab.최초의 T-1 반송 시스템 전송 설치
  • PCM: 아날로그 신호를 표본화 → 양자화 → 부호화해서 0과 1로 보내는 방식 → 디지털 통신의 출발점
  • 정합 필터: 수신기가 “어떤 모양의 신호가 올지” 알고 있을 때, 잡음 속에서 그 신호를 가장 잘 찾아내도록 설계한 필터
  • Shannon: 채널마다 오류 없이 보낼 수 있는 최대 전송률(채널 용량)이 있다는 것을 보임

컴퓨터 네트워크(Computer Networks)

연도인물·기관내용
1943~1946펜실베이니아 대학교 무어 스쿨ENIAC: 최초의 전자식 디지털 컴퓨터
1950년대-컴퓨터와 단말기가 서로 통신하기 시작
1950~1970-컴퓨터 네트워크에 대한 다양한 연구
1965Robert Lucky적응 등화(adaptive equalization) 아이디어
1971ARPAARPANET(Advanced Research Projects Agency Network) 서비스 시작
1982G. Ungerboeck효율적인 변조 기법 (부호화 변조, TCM)
1985-ARPANET이 인터넷(Internet)으로 이름이 바뀜
1990Tim Berners-Lee인터넷용 하이퍼미디어 인터페이스 월드 와이드 웹(WWW) 제안
  • 적응 등화: 채널이 신호를 일그러뜨리는 정도를 스스로 추정해서 보정하는 기술 → 뒤에서 나오는 수신기의 채널 보상과 연결됨

강의 자료와 다르게 알려진 부분

강의 자료(교재)의 연도와 표기를 위 표에 그대로 옮겼지만, 일반적으로 알려진 사실과 다른 부분이 있어서 정리함

항목강의 자료일반적으로 알려진 내용
BBC 텔레비전1939년BBC의 정규 TV 방송은 1936년 알렉산드라 궁전에서 시작
집적회로1958년 Robert Noyce1958년 Jack Kilby(TI)가 최초의 IC를 시연, Noyce의 실리콘 IC는 1959년
트랜지스터Brattain, ShockleyJohn Bardeen도 공동 발명자 (1956년 노벨 물리학상 3인 공동 수상)
ARPANET1971년 서비스 시작첫 노드 간 연결은 1969년
WWW1990년 제안Berners-Lee의 첫 제안서는 1989년, 1990년에 구현

강의 자료의 오타 정정

강의 자료정정
broascast, Frequency nodulationbroadcast, Frequency modulation
autiomatic step-by-step switchautomatic step-by-step switch
John Abbrose ElemingJohn Ambrose Fleming
Alex ReevesAlec Reeves
APRANETARPANET
matched filter … of a unknown signalmatched filter … of a known signal (정합 필터는 알려진 신호를 검출하는 필터)

요약:

  • 통신은 전신 → 라디오 → 전화 → TV → 디지털 통신 → 인터넷 순서로 발전
  • 이 과목에서 다루는 개념들이 역사 속에 이미 등장함
    • AM/FM 변조(Armstrong), 슈퍼헤테로다인 수신기, 표본화·PCM(Nyquist, Reeves), 정합 필터(North), 채널 용량(Shannon)

통신 시스템

통신이란?

  • 정보를 한 지점에서 다른 지점으로 전송하는 것

a

구성 요소역할
정보 소스 (Source of information)보내고자 하는 정보가 발생하는 곳 (음성, 영상, 데이터 등)
송신기 (Transmitter)정보를 채널에 적합한 형태로 바꾸어 줌
채널 (Channel)신호가 지나가는 통로 → 유선 채널(전선, 광섬유), 무선 채널(공기 중 전파)
수신기 (Receiver)채널을 거쳐 온 신호를 목적지에서 이해할 수 있는 형태로 변환
목적지 (User of information)정보를 받아서 사용하는 곳

메시지 신호 → 송신 신호 → 수신 신호 → 메시지 추정값

  • 송신기가 내보낸 송신 신호는 채널을 지나면서 잡음, 간섭, 감쇠, 왜곡을 겪음
  • 그래서 수신기가 받는 수신 신호는 송신 신호와 똑같지 않음
  • 수신기가 복원한 결과는 원래 메시지 그 자체가 아니라 메시지의 추정값(estimate)
  • ⭐️ 통신 시스템 설계의 목표 = 추정값을 원래 메시지에 최대한 가깝게 만드는 것 ⭐️

무선 통신

송신기(Transmitter)

a

블록역할
프로토콜 스택(디지털 시스템) 데이터를 전송 규칙에 맞는 형식으로 만듦
변조기 (Modulator)정보를 반송파(carrier)에 실어 줌
상향변환 단 (Upconverter stage)신호를 송신할 최종 주파수로 바꿈 + 필터로 불필요한 성분 제거
증폭기 (Amplifier)원거리 송신에 필요한 전력으로 증폭
RF단전력 증폭 후 안테나로 송신

수신기(Receiver)

a

블록역할
RF단안테나로 받은 고주파(Radio Frequency) 신호를 처리하는 단
하향변환 단 (Downconverter stage)RF 신호를 기저대역(baseband)으로 변환
복조기 (Demodulator)송신된 메시지 신호를 복구
동기 (Synchronization)송신기와 수신기 사이의 동기를 맞춤 (시간, 주파수, 위상)
채널 보상채널에서 생긴 장애를 복구 (예: 전방 오류 정정, FEC)
프로토콜 스택(디지털 시스템) 수신된 메시지가 의도된 것인지 판단
  • 수신기는 송신기의 과정을 거꾸로 수행함
    • 송신기: 변조 → 상향변환 → 증폭
    • 수신기: 증폭 → 하향변환 → 복조
  • 강의 자료의 수신기 그림은 마지막 블록이 ‘정보소스’로 되어 있지만, 수신 쪽 끝은 정보를 받는 목적지(사용자)이므로 그림에서는 목적지로 표기함

보충: 왜 변조와 주파수 변환이 필요할까?

기저대역(Baseband)과 대역통과(Passband)

구분의미예
기저대역 신호원래 메시지가 가진 0 Hz 근처의 낮은 주파수 신호사람 목소리 (약 수백 Hz ~ 수 kHz)
대역통과 신호반송파 주파수 $f_c$ 근처로 옮겨진 신호FM 라디오 (약 88 ~ 108 MHz)

① 안테나 크기 때문에

  • 안테나가 전파를 효율적으로 내보내려면, 크기가 파장 $\lambda$의 몇 분의 1 (예: $\lambda/4$) 정도는 되어야 함
\[\lambda = \frac{c}{f}, \qquad c = 3 \times 10^8 \ \text{m/s}\]
주파수 $f$파장 $\lambda$$\lambda / 4$
1 kHz (음성)300 km75 km
100 MHz (FM 라디오)3 m75 cm
1 GHz30 cm7.5 cm
  • 음성을 그대로 보내려면 수십 km짜리 안테나가 필요 → 불가능
  • 높은 주파수의 반송파에 실으면 현실적인 크기의 안테나로 송신 가능

② 여러 신호가 채널을 나눠 쓰기 위해

  • 모든 방송국이 기저대역 그대로 보내면 같은 주파수에서 서로 섞여 버림
  • 방송국마다 다른 반송파 주파수를 쓰면 한 공간에서 여러 신호를 동시에 보낼 수 있음 → 주파수 분할 다중화(FDM)
  • 라디오에서 채널을 돌리는 것 = 수신할 반송파 주파수를 고르는 것

요약:

  • 변조: 메시지를 반송파에 싣는 과정 / 복조: 반송파에서 메시지를 다시 꺼내는 과정
  • 상향변환은 기저대역 → 송신 주파수, 하향변환은 송신 주파수 → 기저대역
  • 이후 장에서 배우는 푸리에 변환은 이렇게 신호를 주파수 축에서 보고 옮기는 과정을 수학적으로 다루는 도구

최종 핵심 정리

  1. 통신은 전신 → 라디오 → 전화 → TV → 디지털 통신 → 인터넷 순으로 발전했고, 변조·표본화·정합 필터·정보 이론 같은 핵심 개념이 그 과정에서 등장함
  2. 통신 시스템은 정보 소스 → 송신기 → 채널 → 수신기 → 목적지로 구성됨
  3. 채널에서 잡음·간섭·감쇠가 더해지므로, 수신기는 메시지의 추정값을 복원함
  4. 송신기: 프로토콜 스택 → 변조기 → 상향변환 및 필터 → 증폭기 → RF단(안테나)
  5. 수신기: RF단 → 증폭기 → 하향변환 및 필터 → 복조기(+동기) → 채널 보상 → 프로토콜 스택
  6. 높은 주파수의 반송파로 변조하는 이유는 안테나 크기와 여러 신호의 주파수 분할 때문

End.

University(2026-Second-Semester), Communication Theory
communication signal