Electronics & Signals (전기와 신호)

 

📘 정리: Electronics & Signals (전기와 신호)

1. 전기의 기본

• 원자 구조: 원자는 양성자(+)·중성자(0)가 있는 원자핵과 전자(-)로 구성됨.
• 전기: 느슨하게 묶인 전자가 이동하면서 발생.
  • 정전기(ESD): 움직이지 않는 전자. 장비에 손상 가능.
• 재료 특성
  • 도체: 전자 흐름이 쉽다. (예: 구리)
  • 절연체: 전자 흐름 거의 없음. (예: 고무)
  • 반도체: 조건에 따라 전도 조절 가능. (예: 실리콘)

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2. 전기적 특성

• 전압 (V): 전자를 밀어주는 힘, 전기적 압력. (단위: Volt)
• 전류 (I): 전자의 흐름. (단위: Ampere)
• 저항 (R): 전자의 흐름을 방해. (단위: Ohm, Ω)
• 임피던스 (Z): 교류(AC)에서의 전류 흐름 저항. (단위: Ohm)

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3. 전류의 종류

• 직류 (DC): 한 방향으로만 흐름. (예: 배터리)
• 교류 (AC): 방향이 주기적으로 바뀜. (예: 가정용 전력, 220V)
• 회로: 전류는 반드시 닫힌 회로에서만 흐름.

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4. 신호의 종류

• 아날로그 신호: 연속적, 파형(사인파). 자연 현상 표현에 적합.
• 디지털 신호: 불연속적, 0과 1. 기술 시스템에 적합.
• 푸리에 변환: 복잡한 파형도 여러 사인파의 합으로 표현 가능.

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5. 신호 전송 과정

유선 통신

1. 정보 생성 (텍스트, 이미지 등)
2. 부호화 (에러 제어: 패리티 비트, 해밍 코드 등)
3. 프레이밍 (데이터 시작·끝 구분)
4. 변조(Modulation) (아날로그 ↔ 디지털 변환)
5. 전송 (케이블, 포트)

무선 통신

• 위 과정에 증폭과 안테나 전송 추가.

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6. 변조 방식

• AM (Amplitude Modulation): 파형의 진폭 변조.
• FM (Frequency Modulation): 파형의 주파수 변조.
• PM (Phase Modulation): 파형의 위상 변조.

디지털 변조 기법

• BPSK: 위상을 0° 또는 180°로 바꿔 1과 0 전송. 단순·잡음에 강함.
• QAM: 진폭 + 위상을 동시에 변조. 고속 데이터 전송 가능.

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7. 신호 전송에서 발생하는 문제

• 전파 (Propagation): 신호가 매체를 따라 이동. 속도는 매체·구조에 따라 달라짐.
• 감쇠 (Attenuation): 전송 중 신호 세기 약화. → 중계기(Repeater) 필요.
• 반사 (Reflection): 매질 불연속에서 반사 발생. 임피던스 매칭 필수.
• 잡음 (Noise): 원치 않는 신호 (열잡음, EMI, RFI 등). → 차폐·트위스트 페어 케이블 사용.
• 분산 (Dispersion): 신호 펄스가 퍼져 타이밍 오류 발생.
• 지터 (Jitter): 신호 도착 시간이 불규칙.
• 지연 (Latency): 거리·장치 처리로 인한 전송 지연.
• 충돌 (Collision): 공유 매체에서 두 신호 동시 전송 시 파괴. (Ethernet은 충돌 처리 메커니즘 존재)

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8. 수신 과정

1. 복조 (Demodulation): 변조된 신호 복원.
2. 필터링 (Filtering): 잡음 제거. (저역/고역/대역 통과 필터 등)
3. 동기화 (Synchronization): 타이밍 맞추기. (PLL 회로 사용)
4. 디지털 신호 처리 (DSP): 샘플링 → 양자화 → 코딩 → 변환(FFT) → 압축/복원.
5. 디코딩 (Decoding): 원래의 데이터로 변환, 오류 검출·수정 포함.

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✅ 핵심 요약

• 전기는 전자 이동, 신호는 정보 전달 도구.
• 아날로그 ↔ 디지털 신호 변환은 통신 핵심.
• 전송 과정에서 잡음·감쇠·반사·지연 등 문제가 발생하며, 다양한 기술로 이를 최소화.
• 변조·부호화·복조·디코딩 과정이 네트워크의 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장함.