제 5 장 정보의 디지털화

1. 제 5장 정보의 디지털화 목 차 디지털전송 - 기본개념 및 배경 펄스코드변조(PCM: Pulse Code Modulation) 이미지 및 동화상정보의 디지털화

2. 정보의 디지털화 배경  왜 정보를 디지털화 하는가?  정보통신 수요증가  고품질 정보서비스 요구 증가  디지털화란? 아날로그형태의 연속형 정보를 0 또는 1의 이진비트를 단위로 하는 디지털정보로 변환하는 과정  고품질의 정보와 다양한 형태의 서비스 가능 <그림> 아날로그정보의 디지털화 예

3. 정보의 디지털화 장점 동일한 매체를 통해 여러 형태의 정보 전송  아날로그신호에 사용되는 주파수분할다중화에서는 주파수간 상호 간섭  디지털신호에 사용되는 시분할다중화에서는 주파수간 상호 간섭이 없으므로 음성, 팩스, 문서 및 이미지등의 다양한 정보를 동시에 전송 가능 경제적 전송  아날로그정보를 디지털정보로 변환하여 전송하면 보다 넓은 주파수대역 필요  압축기술 발달로 효율적이고 경제적인 전송 디지털화를 위한 비용 저렴  디지털전송 및 교환을 위한 장치 가격 하락 고품질 전송  아날로그전송은 증폭기 사용하여 잡음과 감쇠 누적되어 신호 품질 저하  디지털전송은 리피터 사용하여 잡음과 감쇠 누적없이 신호 품질 유지 안전한 전송  변조전 정보 암호화  추가적인 에러제어코드 삽입으로 오류발견 및 정정 가능

4. 나이퀴스트의 표본추출 정리 배경  표본추출 아날로그신호를 디지털신호로 변환하기위해 아날로그신호를 일정한 간격으로 추출하는 것  표본추출횟수(표본추출 주파수)는 디지털화의 정확도 좌우  표본추출횟수는 나이퀴스트의 표본추출정리에 의해 결정  표본(sample) 일정한 간격으로 추출한 원신호의 진폭들  변화가 심한 신호일수록 표본추출 횟수 증가  표본추출주파수는 아날로그신호의 주파수특성에 의해 결정 <그림> 아날로그신호로부터의 표본추출  나이퀴스트의 표본추출정리 표본추출주파수가 아날로그신호의 최대주파수요소의 두배 이상이면 그 신호를 정확히 재생 가능 필터를 통해 전송 가능한 신호의 최대 및 최소주파수(max,min)이면 주파수대역폭은 BWc =max - min이므로 표본추출주파수는 s  2BWc

5. 펄스변조(PM : Pulse Modulation) 펄스, 펄스의 모수, 펄스변조  펄스 매우 짧은 시간동안 진행되는 네모꼴의 전자기파형  펄스의 모수(Pulse parameter) 펄스를 구성하는 요소로서 진폭, 폭, 시간에 따른 위치 <그림> 펄스의 모수  펄스변조 추출된 표본의 크기(진폭)에 따라 펄스의 특정모수를 변화시키는 방법  대표적인 예로 펄스진폭변조(PAM) : 표본의 진폭변화에 따라 펄스의 진폭크기를 변화  0 또는 1 값이 계속되어도 직류전류 표류문제 발생 않음  동기화와 직류전류 표류문제 두가지 해결  전이가 기대되는 위치에서 전이가 발생하지 않은 경우 에러로 검출 <그림> 펄스변조의 분류 -PAM

6. 펄스코드변조(PCM : Pulse Code Modulation) 펄스코드변조  펄스코드변조란? 표본의 진폭크기를 이진비트의 묶음으로 표현하는 아날로그정보에 대한 디지털화 방법 입력된 아날로그신호로부터 PAM 펄스를 만들고, 이로부터 정량화과정을 통해 이진 코드화된 디지털신호를 만드는 펄스변조  아날로그정보를 디지털화하는 대표적인 방법  나이퀴스트의 표본추출정리에 근거  표본의 진폭에 따라 펄스의 모수(폭, 진폭, 위치)를 변화시키는 펄스변조(PM)의 일종  PCM 펄스를 만들기 위해 PAM 펄스를 일정한 수의 비트 묶음으로 정량화(계량화) <그림> 펄스코드변조(PCM) 펄스코드변조가 펄스변조보다 훨씬 좋은데 펄스변조의 어떤 단점을 없애 주기 때문인가? 4KHz 대역폭을 갖는 음성을 표본주파수가 8KHz이고 하나의 PAM 펄스에 대한 비트표현 수를 8개로 할 때 정보전송율은?

7. 펄스코드변조(PCM : Pulse Code Modulation) 정량화 오류(Quantization error)  정량화(계량화) 각 표본의 크기에 이진코드를 부여하는 것  정량화 결과는 하나의 표본이 가질 수 있는 값을 몇 단계로 나누었는가에 따라 다름  각 표본이 16개의 값중 하나에 대응되면 log216=4비트를 한 단위로 표본이 표현(n=4)  정량화 오류(정량화 잡음) 표본을 2n (n: 정량화 수준) 단계로 정량화한 값은 원래의 아날로그신호의 진폭을 정확히 나타내지 못하는 데서 비롯되는 오류 <그림> 정량화 예 및 정량화 오류  정량화의 정밀도를 높이기 위해 정량화 수준을 높이면, 단위 시간에 처리할 비트 수 증가  정량화를 위해 한 비트 추가할 경우 신호대잡음비(SNR)는 6dB 만큼 증가

8. 펄스코드변조(PCM : Pulse Code Modulation) 선형 코드화(Linear coding)  선형코드화 아날로그신호 형태에 관계없이 표본 추출한 신호의 진폭을 일정한 간격으로 구분된 2n 개의 값으로 표현  정량화수준이 정해진 상태에서는 크기가 작은 신호를 정량화할 때 상대적 오차가 커짐  일반적인 PCM 방법의 코드화 방법

9. 펄스코드변조(PCM : Pulse Code Modulation) 개량된 코드화방법  정량화에러를 줄이기위한 PCM의 변형 방법  크기가 작은 신호에서 발생하기 쉬운 정량화 오류를 감소시켜 신호품질 향상 방법  비선형 코드화 방법(Nonuniform or Nonlinear coding)  컴팬딩(Companding)  신호의 저장 또는 전송을 위해 필요한 비트수를 줄이는 방법  차등적 펄스코드변조(DPCM : Differential PCM)  적응적 차등 펄스코드변조(ADPCM : Adaptive Differential PCM)  델타변조(DM : Delta Modulation)  선형적 예측변조(LPC : Linear Predictive Coding)

10. 펄스코드변조(PCM : Pulse Code Modulation) 개량된 코드화방법  비선형 코드화 선형 코드화의 문제점을 해결하기 위해 표본 대상인 모든 영역을 같은 간격으로 나누지 않고, 크기가 작은 신호 영역은 표본화 간격을 좁게하고, 큰 신호 영역은 표본화 간격을 넓게하여 코드화  신호의 정량화 오류를 상당부분 중임 <그림> 선형코드화방법과 비선형 코드화 방법  컴팬딩(Companding : Compressing & Expanding) 원래의 아날로그신호의 세기가 큰 부분은 줄이고(compressing), 작은 부분은 크게 하여(expanding) 새로운 아날로그 신호를 만든 후 일반적인 선형코드화로 디지털화  입력신호를 다른 형태로 변환하는 규칙인 컴팬딩 함수는 미주지역과 유럽이 서로 다름 <그림> 컴팬딩 함수

11. 펄스코드변조(PCM : Pulse Code Modulation) 개량된 코드화방법  차등적 펄스코드변조(DPCM) 바로 이전 표본값과의 차이만을 코드화  신호의 변동이 그리 심하지 않은 음성신호의 디지털화가 목적  보통 PCM에서 사용하는 표본 값 표현을 위한 8비트의 절반인 4비트 사용  PCM 정보전송율(64kbps)보다 낮은 정보전송율(32kbps)로 음성신호 전송  인접한 두 표본이 극단적인 차이를 보일 경우 비트수가 모자라 원래의 신호와 큰 차이 발생 : 경사과부하 문제 <그림> 차등적 펄스코드변조  적응적 차등 펄스코드변조(ADPCM) DPCM의 경사과부하 문제를 해결하기 위해, 신호의 변화가 심하다고 판단되는 경우 표본간의 차이를 1보다 큰 값으로 나눈 몫과 나눌 때 사용한 값을 전송  코드화된 표본간의 차이 작아짐  비교적 양호한 신호대잡읍비 가짐  PCM 정보전송율(64kbps)보다 낮은 정보전송율(16kbps)로 음성신호 전송

12. 펄스코드변조(PCM : Pulse Code Modulation) 개량된 코드화방법  델타변조(DM) 바로 전 표본의 크기에 비해 크고 작음만을 판단하여 하나의 비트(DM 비트)로 코드화  바로 전의 표본에 비해 증가하면 1, 감소하면 0, 변하지 않으면 0과 1을 교차  만들어진 파형은 DM비트를 누적하여 더한 계단형  간단하며, 진폭이 높은 신호일지라도 잘림없이 따라 감  급격히 변하는 신호는 따라 갈 수 없음 : 경사절단(slope clipping) 문제  경사절단문제 해결을 위해 표본주파수를 늘이거나, 신호 변화 크기에 따라 계단 높이를 달리 함(적응적 델타 변조) <그림> 델타변조 및 경사절단 예  선형적 예측변조 짧은 시간동안의 음성신호스펙트럼의 전력은 신호를 구성하는 주파수 중에서 몇 개의 주파수에 집중된다는 점을 이용하여, 일정시간동안의 음성블럭에서 이를 뽑아내어 이를 전송하고, 수신측은 이 정보를 이용하여 음성블럭을 재 구성하는 방식  소량의 정보만이 전송되므로 4.8kbps의 낮은 정보전송율로도 음성 전송 가능  2 내지 3 블럭정도의 지연이 발생하여 공명(echo)를 줄이는 장치를 함께 사용 해야함

13. PCM과 시분할다중화 시분할다중화(TDM : Time Division Multiplexing)  시분할다중화 하나의 전송회선으로 전송할 수 있는 채널의 수를 늘리기 위해 각 채널마다 표본 시간을 달리하는 기법 <그림> 시분할다중화 예  PCM을 이용한 시분할다중화 하나 이상의 아날로그신호를 번갈아가며 추출하여 n개의 비트로 PCM코드화  PCM을 이용한 시분할다중화장치 하나 이상의 아날로그신호를 번갈아가며 추출하여 n개의 비트로 PCM코드화하여 이를 전송하고, 역다중화기를 통해 다시 원래의 아날로그신호들을 분리 복구하는 장치  PCM을 이용한 시분할다중화전송시스템  T1 캐리어(T1 Carrier)  E1 캐리어(E1 Carrier)

14. PCM과 시분할다중화 PCM을 이용한 시분할다중화전송시스템  T1 캐리어 24개 채널이 각기 8KHz의 표본주파수를 갖고, 각 표본을 표현하는 8비트 중 7비트는 각 표본을 128개 단계로 구분하는데 사용하며, 나머지 1 비트는 제어용으로 이용하면서, 24개 채널이 한번씩 표본추출 후에는 동기를 맞추기위해 1비트를 이용하는 방식의 PCM을 이용한 시분할다중화전송시스템 마치 1초 동안에 24명이 하나의 전송로를 번갈아가면서 8000번(8KHz) 이용하며, 매 이용 때 마다 8비트 정보를 싣고, 24명이 한번씩 이용 후 동기용으로 1비트 정보를 싣는 방식 <그림> T1 캐리어 및 E1 캐리어의 프레임 구조  표본주파수 8KHz이고 각 표본에 음성정보용으로 7비트를 사용하며, 나머지 1 비트는 제어신호용으로 사용하므로 각 채널의 음성정보의 정보전송율은 56kbps이고 제어신호의 정보전송율은 8kbps  24개의 코드화된 음성정보(24개 채널)를 동시에 전송  24개 채널에서 추출한 표본과 프레임동기 비트를 묶어 프레임이라 함 1 프레임 = (24 X 8 + 1) 비트 = 193 비트  전송속도는 초당 8000번 표본추출하므로 193비트 X 8000/초 = 1.544Mbps  북미, 일본, 한국에서 주로 사용하므로 북미방식전송시스템이라 함

15. PCM과 시분할다중화 PCM을 이용한 시분할다중화전송시스템  E1 캐리어 32개 채널이 각기 8KHz의 표본주파수를 갖고, 각 표본을 표현하는 8비트는 각 표본을 256개 단계로 구분하는데 사용하며, 32개 채널중 첫번째 채널은 동기용, 18번째 채널은 제어신호용으로 이용하는 방식의 PCM을 이용한 시분할다중화전송시스템 마치 1초 동안에 32명이 하나의 전송로를 번갈아가면서 8000번(8KHz) 이용하며, 매 이용 때 마다 8비트 정보를 싣고, 이중 2명은 동기 및 제어신호 정보를 싣는 방식 <그림> T1 캐리어 및 E1 캐리어의 프레임 구조  각 음성채널의 정보전송율은 64kbps이고, 동기신호의 정보전송율은 64kbps, 제어신호의 정보전송율은 64kbps  32개 채널중 30개 채널만이 코드화된 음성정보를 동시에 전송  32개 채널에서 추출한 표본을 프레임이라 함 1 프레임 = (32 X 8) 비트 = 256 비트  전송속도는 초당 8000번 표본추출하므로 256비트 X 8000/초 = 2.048Mbps  유럽에서 주로 사용하므로 유럽방식전송시스템이라 함

16. 이미지 및 동화상정보의 디지털화 이미지(정지화상)정보의 디지털화  이미지정보의 디지털화 방법 비트지정방식(Bit map method) 프로그램방식(Program method)  비트지정방식 이미지를 화소(pixel)로 나누고, 각 화소의 명암 및 색상에 대한 정보를 코드화 <그림> 이미지정보의 디지털화 예  프로그램방식 표현하고자하는 대상의 위치와 크기등을 좌표로 지정하여 이를 프로그램화 <그림> 포스트스크립트 프로그램 예  대표적 예는 포스트스크립트(Postscript) 언어  전송되는 정보량 줄임  이미지가 정형화되지 않고 복잡한 색과 형태 변화를 보일 경우 비트지정방식보다 비효율적

17. 이미지 및 동화상정보의 디지털화 동화상정보의 디지털화  동화상정보의 디지털전송시스템 아날로그-디지털변환기(A/D Converter), 디지털-아날로그변환기(D/A Converter), 대역폭의 압축 및 팽창을 위한 디지털-디지털 변환기(D/D Converter), 전송장비로 구성 <그림> 동영상정보의 디지털화 시스템 구성도  동화상정보의 표현방법 1) 흑백 TV 경우 매 1/3초마다 라인당 약 280개의 화소를 가지는 360라인의 프레임을 전송하며, 검은색에 서 힌색까지의 명암차이를 8비트(256등급)으로 표현하고, 이를 압축하여 전송 2) 컬러 TV 경우 흑백 TV의 표현정보에 색상정보를 포함하여 전송  동화상정보의 디지털화 방법 PCM 부호화 예측 부호화 보간 부호화 움직임보상 부호화

18. 이미지 및 동화상정보의 디지털화 동화상정보의 디지털화 방법  PCM 부호화 신호를 표본화하고 각 표본을 N레벨을 이용하여 양자화한 후 이를 부호화  간단하며 경제적  화질 훼손이 가장 작음  높은 전송비트율과 비싼 전송가격  예측 부호화 부호화될 표본의 예측값을 먼저 부호화된 정보로부터 얻고, 이들의 차를 양자화한 후 부호화  양자화기 레벨의 수(N)에 따라 델타변조(N=2)와 차등PCM(N>2)으로 구분  동화상의 변화가 심하지 않은 경우 효율적 (예: 골프시합 장면 전송)  보간 부호화 화소의 일부는 전송되고 나머지 화소들은 주위 화소들의 평균값으로 보간

19. 이미지 및 동화상정보의 디지털화 동화상정보의 디지털화 방법  움직임보상 부호화 한 프레임에서 다음 프레임까지 물체 이동을 추적하는 움직임벡터를 전송  예측부호화에 비해 1/2 ~1/3까지 줄일 수 있음 최근에 나오는 화상코덱은 어떤 부호화방법을 사용하나?

20. 정보압축기술 정보압축기술  연속길이코드화(Run length coding) 화소의 명암을 이진비트로 표현하고(흑:1, 백:0), 0의 수와 1의 수를 부호화  팩스에서 사용 ( ITU에서 권고한 팩스 압축부호화 방식인 MH와 MR방법을 조사하시오)  간단  압축하지 않은 A4크기 한 페이지 당 4M비트를 100~200k비트로 압축 효과  차등코드화(Differential coding) 각 표본과 바로 이전 표본간의 차이를 전송  음성전송에서 사용  압축하지 않은 64kbps를 32kbps로 전송 가능  예측코드화(Predictive coding) 다음 표본의 값을 예측하는 예측장치를 두고, 예측치와 바로 전 표본의 실제값과의 차이를 전송  예측장치는 전송해야 할 신호의 종류에 따라 결정 문제 1 : JPEC 기술 중 가변문자길이코드화방법과 Wavelet코드화방법의 원리는? 문제 2 : MPEC과 MPEC-2에서는 어떤 코드화방법을 사용하며 그 원리는?