1921년 최초의 이동통신시스템은 전파를 이용해 신호를 전달하는 다른 시스템과 마찬가지로 아날로그 변조 방식인 진폭변조(Amplitude Modulation) 방식이고 단방향 통신이었다. 최초의 아날로그 이동통신 개념은 진정한 통신 개념인 양방향 통신은 아니지만 불특정 다수 모두에게 정보를 제공하는 방송과는 달리 디트로이트 경찰국의 특정 그룹에게만 정보를 전달하는 의미에서 이동통신서비스의 시작이라고 할 수 있다. 최초의 이동통신시스템은 2MHz 주파수 대역을 이용했다.

이후 초기에는 높은 주파수의 이용 기술이 떨어져 HF(3~30MHz) 주파수 대역을 사용했으며, 이후 VHF(30~300MHz) 주파수 대역에서 AM 변조 방식을 이용했다. 1935년 새로운 아날로그 변조 방식인 FM 방식이 개발된 후에는 대부분의 군사용, 상용 장비들이 VHF 대역을 활용하게 되었고, 이동통신시스템에도 FM 방식이 적용되기 시작했다.

FM은 AM과 비교해 시간에 따라 전파의 세기가 크게 변하는 페이딩이 있음에도 불구하고 신호 대 잡음비에서 뛰어난 성능을 보여준다. 반면 AM보다 많은 주파수 대역을 필요로 한다. 오늘날 AM 라디오가 9KHz의 주파수를 이용하고 FM 라디오가 200kHz를 이용하는 것에서 상대적으로 FM 방식이 많은 주파수를 이용하고 있음을 알 수 있다.

1940년대 사용된 이동통신시스템은 150MHz 주파수 대역에서 120kHz의 주파수 대역폭을 이용하였고, 1950년대에는 60kHz 주파수 대역폭을 이용할 수 있게 되었다. 그리고 1960년대에는 30kHz 주파수 대역폭으로 줄어들어 주파수의 효율성을 높였다. 이후에는 12.5kHz 주파수 대역폭을 이용하는 이동통신시스템도 나오게 되었다.

디지털 변조 방식으로의 변화
아날로그 방식에서 디지털 방식으로 발전하는 것은 자연스런 기술 발전 형태인데 이동통신시스템에서도 아날로그 변조 방법의 기술 한계를 극복하기 위해 디지털 변조 방식의 새로운 시스템이 도입되었다. 1980년대에 이미 아날로그 변조 방식은 사용자의 증가와 부족한 주파수 자원 문제가 예견되었고, 디지털 방식으로의 전환과 셀룰러 개념을 이용한 주파수 자원의 재활용을 목표로 새로운 시스템이 개발되기 시작했다.

1992년 유럽의 GSM(Group Special Mobile)방식, 1993년 일본의 PDC(Personal Digital Cellular)와 미국의 TDMA 방식이 도입되었고, 1996년 우리나라에서 CDMA 방식을 채용하면서 디지털 변조 방식을 본격적으로 이용하기 시작했다. 또한 디지털 기술은 아날로그 기술 이전에도 있었지만 반도체 기술이 발전하면서 실제 활용도를 높이게 되었다.

초기 이동통신에서 ‘디지털’은 ‘음성의 디지털화 및 디지털 전송’의 개념이었지만 이후에는 이동통신에서 멀티미디어 서비스의 개념을 포괄하게 되었다. 아날로그 변조 방식의 음성 서비스는 30kHz의 주파수 대역폭을 사용하지만 디지털 전송 방식의 경우 한 명의 음성을 전달하는데 필요한 64kbps의 디지털 신호를 보낼 경우 약 100kHz의 주파수 대역폭이 필요하다. 하지만 음성의 디지털 신호를 압축하여 보냄으로써 8~12kbps로도 충분히 음성을 전달할 수 있는 기술이 개발되었다. 또한 에러를 정정할 할 수 있는 코딩 기술과 함께 디지털 변조 기술을 이용함으로써 간섭에 강하고 주파수 효율성도 높은 이동통신시스템이 등장하게 되었다.

우리나라는 1960년에 도입된 수동 교환 방식을 통해 서울 및 수도권 지역 일부에서 정보기관을 대상으로 서비스를 시작했으며 최초의 일반 대중용 이동 전화 서비스는 1961년 8월에 80여 명의 가입자를 대상으로 시작되었다. 이후 1976년 IMTS(Improved Mobile Radio System)을 도입하여 운영한 이래 1984년 한국이동통신(현재 SK텔레콤)이 800MHz 주파수 대역에서 아날로그 변조 방식인 FM 방식의 북미식 AMPS 셀룰러 시스템을 도입하여 이동 통신 서비스를 제공함으로써 이동통신 서비스의 대중화를 위한 기반을 마련하였다.

그 후 1988년 7월부터 88올림픽의 영향으로 이동전화 가입자가 급격히 증가하면서 차량전화에서 실질적인 이동전화인 휴대폰(Mobile Phone)의 개념으로 바뀌기 시작했다. 이와 같은 이동전화 가입자의 폭증을 해결하기 위해 1989년부터 CDMA 디지털 셀룰러 시스템 개발이 시작되었다. 마침내 SK텔레콤은 세계 최초로 1996년 1월 1일 인천지역에서 CDMA 디지털 이동통신 서비스를 시작하였고, 신세기통신(현재 SK텔레콤에 합병)은 1996년 4월 1일 수도권 지역에서 CDMA 디지털 이동통신서비스를 시작하였다. 이후 SK텔레콤이 1999년 12월 31일 15년 이상 이동전화의 근간이 되었던 아날로그 이동통신 서비스를 중단하면서 아날로그 휴대전화의 시대는 막을 내리게 되었다.

1997년 10월에는 KTF, 한솔PCS, LG텔레콤 등 3개 PCS 사업자가 1.7GHz 주파수 대역에서 SK텔레콤, 신세기통신과 동일한 CDMA 디지털 이동통신 방식으로 이동통신서비스를 제공하게 되었다. 또한 우리나라는 세계 최초의 CDMA 디지털 이동통신 서비스에 그치지 않고 영상통신이 가능한 cdma2000 1x 서비스를 2000년 10월에 그리고 1x EV-DO 서비스를 2002년 2월에 세계 최초로 시작함으로써 이동통신서비스를 선도하게 되었다.

1) 개 념

디지털은 어떤 양을 표시할 때 정해진 단위의 비연속적인 값
우리는 일상생활에서 아날로그와 디지털이란 말을 수 없이 들어왔다. 최근에는 통신뿐 아니라 가전제품에서도 아날로그 제품이 점차 사라져 가고 있다. 그렇다면 ‘CDMA 디지털 통신시스템’이라는 용어에서 사용되는 디지털이란 무엇일까? 우선 사전적 의미를 찾으면 아날로그는 어떤 양을 표시할 때 틈이 없이 연속적인 값으로 나타내는 것이고 디지털은 어떤 양을 표시할 때 정해진 단위의 비연속적인 값으로 나타내는 것으로 정의할 수 있다.

가령, 수영장에서 몸무게를 재려고 한다면 두 가지 종류의 저울이 있을 것이다. 하나는 바늘이 있는 저울, 하나는 숫자로 표시되는 저울이다. 바늘로 표시되는 저울의 경우, 바늘이 55Kg과 56Kg 사이에 있다면 55.5Kg, 55.55Kg, 55.555Kg .... 등 알 수 없는 값들이 수없이 존재하고 있음을 알고 있다. 하지만 숫자로 표시되는 저울은 55.1, 55.2, ... 55.9Kg 등 9가지 밖에 표시하지 않는다. 즉 평균적인 대표 값을 찾게 된다. 아날로그와 디지털의 예를 들면 아날로그 시계와 디지털 시계, 음반 레코드와 Compact Disk, 아날로그 텔레비전과 디지털 텔레비전, 아날로그 이동전화와 디지털 이동전화 등을 비교해볼 수 있을 것이다.

일반적으로 전달하고자 하는 신호의 종류는 소리, 빛과 같이 연속적인 세기로 나타나는 아날로그 신호와 컴퓨터의 텍스트와 같이 0과 1로 나타내는 디지털 신호가 있다. 만일 음성신호가 마이크에 그대로 전달되어 전기신호로 바뀌면 디지털로 변환되지 않은 신호가 상대방에게 전달되지만, 음성신호를 컴퓨터에서와 같은 마이크에 이야기하면 신호가 0과 1의 디지털 신호로 바뀌어 보내지게 된다. 이와 같이 소리의 변화를 그대로 전달하는 통신방식이 아날로그 통신방식이라면, 소리를 그대로 보내지 않고 아날로그 형태를 디지털 형태로 변환해 보내는 것이 디지털 통신 방식이다. 이를 위해서는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 시간을 맞추고 다시 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸어 주어야 하는 복잡한 기능이 추가되어야 한다.

 

아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 기술은(PCM) 이미 2차 세계 대전중에 개발되었지만 아날로그를 디지털로 빠르게 처리하는데 드는 비용이 너무 비싸서 실제적으로 1960년대에 이르러서야 디지털 통신 기술이 도입되기 시작했다. 반도체 기술의 급속한 발전과 함께 디지털 통신기술 도입도 빠르게 이루어졌는데 이것은 디지털 소자의 비용이 낮아졌기 때문이다. 아울러 보내는 정보량 대비 비용이 아날로그와 비교하여 급격히 낮아졌기 때문이다. 디지털 통신기술의 도입이 빠르게 도입된 이유는 무엇일까? 디지털 통신이 빠르게 도입되는 장점은 다음과 같다.

통신할 때 자신의 신호는 잡음과 다른 사람의 신호에 의해 방해를 받는다. 아날로그 시스템은 자신의 신호와 다른 방해신호가 동일한 주파수로 섞이면 구분할 수 없다. 하지만 디지털은 0과 1만이 존재하므로 자신의 신호가 다른 신호와 섞이어 0.8 또는 1.2가 된다 하더라도 1로 인식함으로써 외부 방해신호를 제거할 수 있을 뿐만 아니라 다시 신호를 정확히 1로 재생할 수 있다. 설사 정보의 일부를 잃는다 하더라도 일정한 규칙을 가지고 잃어버린 데이터를 찾아낼 수도 있다. 즉 신호의 에러를 정정할 수 있는 능력이 있다.

 

통신채널 특히 전파를 이용하는 공간은 전파 신호를 전달하면서 시간적으로 크기, 주파수, 파장을 변화시킨다. 디지털 통신은 이러한 문제를 해결하기 위해 채널의 특성을 분석하여 왜곡을 일으키는 양을 미리 제거함으로써 채널을 안정적으로 만든다. 이것은 채널의 특성을 대단히 빠른 속도로 분석할 수 있는 컴퓨터의 역할이 크다. 이렇게 채널을 안정화시키는 동작을 등화(Equalization)라고 한다. 비슷한 개념으로 국제 전화 경우 내가 보낸 신호가 다시 반사되어 들리는 경험을 한 적이 있을 것이다. 이러한 메아리를 제거하기 위해 오는 신호를 미리 예측하여 반대 신호를 합침으로써 메아리 신호를 제거한다. 또한 여러 비트중 몇 비트의 에러가 발생했는지 기준을 두고 감시하고 결과에 대해 채널 유지 여부를 결정할 수 있다.

 

아날로그 시스템이 새로운 서비스 변경을 하려면 하드웨어를 모두 바꾸어야 했는데 디지털 통신은 소프트웨어로서 전화번호 변경, 시스템의 버전 업그레이드 등을 프로세서와 메모리를 통해 해결한다.

 

디지털 통신은 0과 1만을 신호로 보낸다. 따라서 음성, 데이터, 영상 등 모든 신호를 함께 보내고 받을 때만 잘 분리하면 되지만 아날로그는 송수신 시스템이 달라 불가능하다. 즉, 디지털통신은 한 개의 통신망으로 다양한 서비스를 제공할 수 있다.

 

CDMA 이동통신은 아날로그 이동통신보다 10배 이상의 채널을 사용하고 있다. 즉, 10배의 주파수 자원 효율성을 갖는다. 또한 디지털 통신 기술은 아날로그 통신보다 수천배 많은 데이터를 보낼 수 있게 되면서 구리 사용량을 대폭 줄이게 되었다.

 

디지털 통신은 신호를 전송할 때 임의의 데이터를 추가 또는 변경하였다가 수신할 때 다시 복원하는 것을 쉽게 구현할 수 있다. 즉, 남에게 들키고 싶지 않은 데이터 전송이 용이하다.

일상생활에서 우리는 흔히 모뎀이라는 말을 많이 들었을 것이다. 이전에는 천리안 등 데이터 통신을 이용할 때 56kbps 모뎀, 최근에는 인터넷이 발전하면서 ADSL 모뎀, VDSL 모뎀 등의 용어를 많이 사용하고 있다. 그렇다면 모뎀이란 구체적으로 무엇일까? 일반적으로 우리가 주고받는 신호인 음성 및 데이터의 주파수는 낮은 주파수 대역에 존재한다. 전파를 통해 신호를 전달하기 위해서는 안테나를 이용해야 하는데 적당한 크기의 안테나를 이용하기 위해서는 낮은 주파수의 신호를 높은 주파수로 올려야 하며 이를 통해 더 많은 정보를 활용할 수 있게 된다. 따라서 우리가 들을 수 있는 목소리(약 0~4000 kHz)를 높은 주파수(800 MHz, 2000 MHz)로 올려서 보낸다. 즉 통신을 하기 위해서는 낮은 주파수 신호를 높은 주파수로 높은 주파수의 신호를 낮은 주파수로 낮출 수 있어야 하는데 이것을 변조와 복조라고 하며 두 가지 개념을 합쳐 모뎀이라고 한다.

 

아날로그와 디지털 변조방식은 통신시스템에서 안테나를 통해 신호를 보내기 전에 아날로그 신호든 디지털 신호든 안테나를 통해 전파되는 반송파의 진폭, 주파수, 위상 부분에 변화를 주어 신호를 전달하는 방법은 동일하다. 또한 반송파 신호의 전력이 잡음과 비교하여 클수록 신호를 복원하기 쉽다. 그렇다면 차이점은 무엇일까?

아날로그의 변조방식의 표현은 신호의 크고 작음을 아날로그 레벨의 변화로 표현하기 때문에 약간의 잡음이 있어도 본래의 신호를 왜곡하게 된다. 따라서 신호를 정확히 알기 위해서는 잡음에 대비한 신호의 크기가 중요하므로 신호 대 잡음 전력비가 높을수록 깨끗한 아날로그 신호가 전송되며 신호전력이 커질수록 유리하다. 따라서 아날로그 변조방식의 전송에서는 높은 통신품질을 위해서 송신전력을 크게 높여야 한다.

반면 디지털 변조 방식에서는 잡음이 섞여도 에러 없이 비트를 판정할 수 있는 정도의 전력이면 충분하다. 또한 신호를 수신할 때 일정 부분의 잡음을 제거할 수 있다. 만일 잡음이 커지면 아날로그 변조 방식의 경우 음성의 음질이 떨어지거나 영상의 화질이 나빠지는데 디지털 변조 방식의 경우 디지털 신호에 에러가 발생하여 본래의 신호를 잃어버릴 수는 있지만, 디지털 통신은 아날로그 통신과 달리 비트 에러가 발생하였을 때 이를 복구할 수 있다.

 

일반적으로 아날로그 변조 방식은 전달하고자 하는 신호가 아날로그 형태일 때 신호를 아날로그 형태 그대로 높은 주파수로 변경한 후 안테나를 통해 전파로 전달하게 된다. 이동통신시스템에서 일반적인 아날로그 변조 방식의 개념은 <그림 1-1>과 같다.

 

낮은 주파수 대역에 있는 아날로그 신호는 원하는 주파수 대역의 발진기와 믹서를 통해 높은 주파수로 변조한 후 대역통과필터를 통해 정해진 주파수로 자신의 신호를 실어 전송한다. 또한 단말기는 주파수 분할 다중접속 방식에 의해 채널을 얻고 기지국은 주파수 다중화에 의해 단말기에 특정 주파수를 이용하여 신호를 전송하게 된다.

낮은 주파수의 아날로그 신호를 높은 주파수에 실어 보내는 방법은 세 가지가 있다. 일반적으로 정보를 실어 나르는 반송파는 다음과 같이 Sine 또는 Cosine 함수로 나타내는데, Cosine 함수로 나타내면 x(t) = A cos wct가 된다.

이때 신호 s(t)가 반송파의 진폭 x(t)를 변화시키면 진폭변조(Amplitude Modulation), 주파수 w를 변화시키면 주파수 변조(Frequency Modulation), 위상을 변화시키면 위상 변조(Phase Modulation)라고 한다. 이를 각각 식으로 나타내면 다음과 같다.

진폭변조 (AM) : x(t) = [A + s(t)] cos wct
주파수 변조 (FM) : x(t) = A cos (wct + Kf∫s(t))
위상 변조 (PM) : x(t) = A cos (wct + Kp s(t))

아날로그 변조는 <그림 1-2>와 같이 아날로그 신호에 의해 진폭이 변하는 경우, 주파수가 변하는 경우, 위상이 변하는 경우 세 가지로 나타난다.

 

 

디지털 변조 방식에서 기본적으로 낮은 주파수 대역의 신호를 높은 주파수 대역으로 변경하는
것은 동일하다. 컴퓨터에서 이용되는 0과 1의 사각파 신호의 주파수는 낮은 주파수 대역에
존재한다. 하지만 우리가 사용하는 대부분의 신호인 음성 및 영상은 아날로그 신호이므로
아날로그 신호를 0과1의 디지털 신호로 바꿔줘야 한다.

아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 기술(PCM)은 이미 2차 세계 대전 중에 개발되었지만 아날로그를 디지털로 빠르게 처리하는데 드는 비용이 너무 비싸서 실제적으로 1960년대에 이르러서야 디지털 통신 기술이 도입되기 시작했다. 반도체 기술의 급속한 발전과 함께 디지털 통신기술 도입도 빠르게 이루어졌는데 이것은 디지털 소자의 비용이 낮아졌으며, 아울러 보내는 정보량 대비 비용이 아날로그와 비교하여 급격히 낮아졌기 때문이다. 이러한 반도체 기술의 발전은 디지털 변조를 포함한 다양한 디지털 통신 기술의 도입을 재촉하였고, 본격적인 디지털 이동통신서비스를 가능하게 하였다.

 

<그림 1-3>은 일반적인 디지털 이동통신 시스템을 나타내고 있다. 디지털 이동통신 시스템에서 필수적인 기술은 보내고자 하는 신호가 아날로그인 경우 디지털화 하는 기술, 많은 주파수를 이용할 수 있는 높은 주파수로 디지털 신호들을 변조하는 기술, 변조된 신호를 멀리 보낼 수 있도록 증폭하여 송신하는 기술 등이다. 반대로 미약한 신호를 수신하여 증폭하고 수신된 높은 주파수를 낮은 주파수로 변경한 후 원래의 아날로그로 변환하면 상대방이 보낸 신호를 알 수 있게 되는 것이다. 물론 이것만으로도 통신이 가능하지만 방해신호에 대한 저항력을 높이기 위해 채널부호화, 인터리빙, 암호화 등의 디지털 통신 기술을 추가하고 또한 여러 사람이 주파수를 효율적으로 사용하기 위해 음성 부호화, 다중접속 방식 등의 디지털 통신 기술을 이용한다.

아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 방법은 아날로그 신호를 디지털의 크기를 가질 수 있도록 일정 시간 마다 신호의 샘플 데이터를 구하고(표본화) 샘플 데이타의 크기를 디지털 레벨로 바꾼 후(양자화) 디지털 레벨의 크기를 0과 1의 부호로 나타내는(부호화) 3단계 과정을 거쳐 디지털 신호를 만든다.

 

디지털 변조는 통신망의 전송특성에 맞게 전송할 수 있도록 디지털 신호를 특정 주파수 대역의 아날로그 신호로 변화(변조)시키고 또 반대로 특정 주파수의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변화(복조)시키는 것이다. 디지털 변조 방식의 종류는 <그림 1-5>와 같이 디지털 신호에 의해 발진기에서 나오는 반송파의 진폭, 주파수, 위상이 변하게 된다. 즉 0과1의 디지털 정보를 파형으로 구분하는 방법은 다음 세 가지가 있다.

o 진폭 변조 : 디지털 정보의 변화를 반송파의 세기로 구분하여 변조
o 주파수 변조 : 디지털 정보의 변화를 반송파의 주파수로 구분하여 변조
o 위상 변조 : 디지털 정보의 변화를 반송파의 위상으로 구분하여 변조