6. 신호와 시스템의 기초

6. 신호와 시스템의 기초 

 

신호와 시스템이라는 개념은 전자공학과 정보통신 분야에서 가장 핵심적인 주제 중 하나다. 간단히 말해 신호는 어떤 정보를 담고 있는 물리적 현상이고, 시스템은 그 신호를 처리하거나 변환하는 역할을 수행한다. 실제로 우리는 주변에서 다양한 신호를 마주하며 생활한다. 예를 들어 휴대전화로 음악을 듣거나 통화를 할 때, TV를 시청하고 라디오를 켤 때, 혹은 와이파이를 통해 인터넷에 접속할 때도 끊임없이 신호가 발생하고 전송되며, 이를 적절히 해석하는 시스템이 존재한다. 이번 글에서는 신호가 무엇인지, 아날로그와 디지털 신호가 무엇이 다른지, 그리고 파형이라는 개념이 왜 중요한지 살펴보고, 일상에서 흔히 볼 수 있는 신호의 예시를 간단히 정리해 본다.

 

6.1 신호의 정의
“신호”란 시간에 따라 변하는 물리량으로, 그 변화를 측정하거나 전송하면 특정 정보를 전달할 수 있게 된다. 신호는 전압이나 전류, 음압, 빛의 세기처럼 여러 형태를 띨 수 있으며, 우리가 관심을 두는 대상에 따라 전기적·음향적·광학적 신호 등으로 분류가 가능하다. 예를 들어 소리는 음압의 시간적 변화를 통해 전달되고, 전파는 전자기장의 변화로 정보를 전송한다. 이런 신호가 기록되거나 전송될 때는 일반적으로 “아날로그 신호”와 “디지털 신호”로 구분된다.

6.2 아날로그 신호와 디지털 신호
아날로그 신호는 시간과 진폭이 연속적인 특성을 지니며, 실제 자연계에서 발생하는 물리 현상을 그대로 표현하는 방식이다. 예를 들어 LP 레코드나 카세트테이프에 녹음된 음악은 음압 변화를 직접적으로 기록하고 재생한다. 이때 아날로그 신호는 연속적으로 이어지므로 미세한 차이까지 표현할 수 있는 장점이 있지만, 잡음이 섞이거나 재생 과정에서 손실이 누적될 우려가 있다. 반면 디지털 신호는 시간과 진폭이 이산적인 값으로 표현되며, 0과 1 같은 이진수로 정보를 전달한다. CD나 MP3 파일, 컴퓨터 시스템에서 사용하는 데이터가 모두 디지털 신호의 예다. 디지털 신호는 노이즈에 강하고 복제나 전송 과정에서 손실이 적어 현대 정보통신에서 널리 활용된다.

6.3 파형의 개념
신호를 분석하거나 설계할 때 “파형”이라는 개념이 자주 등장하는데, 이는 시간에 따라 신호가 어떤 형태를 띠는지를 그래프로 나타낸 것이다. 가장 기본적인 파형으로는 사인파가 있다. 사인파는 주파수(1초당 파형이 반복되는 횟수)와 진폭(파의 최대 세기), 위상(파형이 시작되는 지점)이 결정되면 일정한 형태로 계속 반복된다. 음악에서 순수한 음색을 가진 음을 떠올리면 사인파와 유사한 성격을 지닌다. 사각 파는 사인파와 달리 진폭이 갑작스럽게 바뀌는 형태를 보이며, 0과 1 상태를 번갈아 가리키는 디지털 논리 회로에서 자주 볼 수 있는 파형이다. 이 외에도 삼각파나 톱니파 등 다양하고 복잡한 파형이 존재하며, 여러 파형을 합성해 원하는 음향이나 전기적 신호를 만들어 낸다.

6.4 실생활 속 신호 예시
일상에서도 우리는 신호 개념을 여러 곳에서 접한다. 가장 대표적인 예시는 “음악”으로, 공기 중에서 음압이 시간에 따라 진동함으로써 귀에 도달해 감각되는 아날로그 신호다. 이어폰이나 스피커는 이 아날로그 신호를 전기신호로 변환했다가 다시 음압으로 변환해 준다. 디지털 기기에서 음악 파일은 압축된 디지털 데이터 형태로 저장되어 있지만, 재생 시에는 결국 아날로그 신호로 바뀌어 우리 귀에 들리게 된다. 또 다른 예시로 “전파”가 있다. 라디오나 TV 방송, 휴대전화 통신에 쓰이는 전파는 공간을 퍼져 나가는 전자기파이며, 이를 수신하는 안테나는 전파를 전기신호로 바꾸어 내부 회로에서 디지털 신호로 해석한다. 와이파이 역시 2.4GHz나 5GHz 대역의 전파를 사용해 인터넷 데이터를 주고받으므로, 이 역시 전파 신호를 기반으로 한다. 마지막으로 “디지털 통신”의 예로 인터넷 패킷이나 블루투스, NFC가 있다. 이런 통신은 디지털 신호를 사용해 0과 1의 정보를 정확하게 교환하며, 각종 보안 프로토콜과 오류 정정 기법을 통해 안정적인 데이터 전송을 보장한다.

6.5 신호와 시스템의 중요성
신호와 시스템을 이해하는 것은 전자공학이나 통신공학을 공부하려는 사람들만 아니라, 일상에서 사용하는 기기의 작동 원리를 알고 싶어 하는 이들에게도 큰 의미가 있다. 예를 들어 스마트폰의 동작 과정을 알고 싶다면, 아날로그와 디지털 신호가 어떻게 변환되며 무선 전파로 전송되고 다시 복원되는지 살펴보면 된다. 데이터가 전송되는 와중에 노이즈가 들어오면 어떻게 오류를 감지하고 수정하는지도 중요한 문제다. 실제로 신호이론과 시스템 공학을 배우면, 복잡해 보이는 다양한 기술들이 “신호를 어떻게 가공하고 전달하는가?”라는 공통된 틀 안에서 설명될 수 있음을 알게 된다.

6.6 결론 및 향후 학습 방향
결국 아날로그와 디지털 신호의 차이, 사인파와 사각 파 등 파형 개념, 그리고 음악이나 전파, 통신과 같은 실생활 예시는 신호와 시스템 분야를 이해하는 첫걸음이다. 신호는 정보를 담는 다양한 물리적 현상이며, 시스템은 그 신호를 분석하고 변환하여 우리가 원하는 목적을 달성하도록 도와주는 도구다. 미래 사회가 더욱 고도화된 디지털 환경으로 나아갈수록, 신호를 효율적이고 정확하게 처리하는 기술이 산업 전반의 경쟁력을 좌우할 것이다. 따라서 신호와 시스템에 대한 기초 지식을 갖추는 것은 현대 과학기술을 폭넓게 바라보고 응용할 수 있는 중요한 밑바탕이 될 것이다. 얼핏 보면 이러한 이론들이 실제 개발과 동떨어져 보일 수 있으나, 실제로는 초기 이론적 배경을 알고 나면 이후 실무 응용 단계에서 훨씬 수월하게 접근할 수 있다. 본문에서 다룬 내용들은 기초적인 수준에 불과하며, 차후 실무 중심 블로그 포스트에서 좀 더 구체적인 기술과 사례를 살펴볼 계획이다.