주파수 전이 패턴변환을 이용한 데이터 코딩 방법{data coding method using frequency shift pattern conversion}
본 발명은 주파수 전이 패턴 변환을 이용한 데이터 코딩 방법에 관한 것으로서, K개의 구형파 형태의 입력을 2 K 개의 펄스 주파수에 전이 시켜 소스 데이터가 가지고 있는 파라미터를 펄스 주파수의 단순 파라미터 형태로 패턴 변환하여 데이터의 간결화를 꾀하고 원 소스 데이터의 에너지 스펙트럼 밀도와 비트율을 줄여 데이터를 압축하고 압축된 데이터를 패턴 변환시의 독립성에 따라 하나의 블록 개념으로 보아 이를 다시 직렬적 또는 병렬적으로 블록을 연결하여 무한대의 압축을 할 수 있게 하며 복원시는 펄스 주파수에 패턴 대응된 원 소스 데이터를 이미 압축과정에서 규정되어 배당된 주파수를 감지하여 원 소스 신호를 복원하며 압축 과정과 마찬가지로 패턴 변환을 하나의 독립 블록으로 보아 압축 과정에서 직렬적 또는 병렬적으로 연결된 � ��록 개수 만큼의 복원 과정을 거쳐 원 소스 데이터를 복원하는 것을 특징으로 하는 주파수 전이 패턴변환을 이용한 데이터 코딩 방법에 관한 것이다. 요즈음은 정보 통신의 발달로 인해 세계한 하나의 통신으로 연결되어 서로 각종 정보를 온라인으로 주고 받고 있다. 이와 같이 각종 정보를 온라인으로 주고 받기 위해 가장 중요한 문제가 한정된 통신 선로를 통해 많은 데이터를 짧은 시간에 손실없이 어떻게 전송하느냐가 가장 큰 문제로 대두되고 있다. 따라서, 데이터 전송속도를 향상 및 통신 선로를 확충과 아울러 전송되는 많은 양의 데이터를 압축하여 적은 량으로 변환하여 전송하는 기술들이 연구되고 있다. 일반적인 압축 알고리즘이 데이터의 확율을 추출하거나 데이터의 상관을 이용하는 등의 비 대칭성 및 비 선형성에 토대를 압축과 복원을 하게 된다. 도 1은 일반적인 비 대칭성 및 비 선형성 부호화 기법을 나타낸 도면이다. 여기에서 보는 바와 같이 모두 소스심볼의 발생확율을 추출하여 데이터이 상관성을 이용하여 발생확율을 높은 심볼은 간단한 부호로 표시하게 되고, 발생확율을 낮은 심볼의 경우에는 좀더 복잡한 부호로 표시하도록 부호화하고 있다. (가)는 프리픽스 부호화 기법을 나타내었고, (나)는 호프만 부호화 기법을 나타내었고, (다)는 렘펠지프 부호화 기법을 나타내었다. 위와 같이 비 대칭성 및 비 선형성의 압축 알고리즘에는 전체 데이터를 특정의 압축상수에 입각한 압축을 수행하기 때문에 단위시간당 압축 상수의 정수배가 되지 않기 때문에 물리적인 소스에 의해 생성되는 신호의 일반 특성이 본래의 형식에서 상당한 양의 리던던시를 가지고 있게 되는데 이를 사전에 제거하기 위하여 소스 출력에 많은 빈도의 결과에 대한 짧은 표현을 할당하고 적은 빈도의 결과에 대해서는 긴 표현을 할당하여 심볼당 평균 비트수를 줄여 나가는 것이 일반적인 압축 방법이다. 이러한 데이터 압축 방법은 소스의 확률적 모델 지식을 부호책이나 할당 시퀸스를 통하여 단위 시간당 표현되어지는 비트수를 줄여 나가는 방법은 궁극적으로는 소스 심볼에 대해서 이것이 발생한 확률에 근거하여 부호책이나 시퀀스를 할당하여 데이터 압축을 시도하고 있으므로 궁극적으로는 소스 심볼과 할당된 부호가 일치하는 포화점이 반드시 생길 수밖에 없다는 문제점이 있다. 그리고 데이터의 상관성을 이용하는 압축기법은 소스 부호화 이론에 입각하여 평균 부호 길이는 완전 부호화를 위해서 소스 엔트로피만큼이나 커야하므로 소스의 형태와는 상관없이 단지 소스의 엔트로피가 감소되어지는 상관성을 이용한 데이터 압축기법은 정보의 손실을 가져온다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 K개의 구형파 형태의 입력을 2 K 개의 펄스 주파수에 전이 시켜 소스 데이터가 가지고 있는 파라미터를 펄스 주파수의 단순 파라미터 형태로 패턴 변환하여 데이터의 간결화를 꾀하고 원 소스 데이터의 에너지 스펙트럼 밀도와 비트율을 줄여 데이터를 압축하고 압축된 데이터를 패턴 변환시의 독립성에 따라 하나의 블록 개념으로 보아 이를 다시 직렬적 또는 병렬적으로 블록을 연결하여 무한대의 압축을 할 수 있게 하며 복원시는 펄스 주파수에 패턴 대응된 원 소스 데이터를 이미 압축과정에서 규정되어 배당된 주파수를 감지하여 원 소스 신호를 복원하며 압축 과정과 마찬가지로 패턴 변환을 하나의 독립 블록으로 보아 압축 과정에서 직렬적 또는 병렬적으로 연� �된 블록 개수만큼의 복원 과정을 거쳐 원 소스 데이터를 복원하는 것을 특징으로 하는 주파수 전이 패턴변환을 이용한 데이터 코딩방법을 제공함에 있다.
도 1은 일반적인 비 대칭성 및 비 선형성 부호화 기법을 나타낸 도면이다. 도 2는 구형파 형태의 소스신호가 정현파 형태의 주파수 패턴에 전이되는 상태를 나타낸 도면이다. 도 3은 소스 데이터의 정규화 및 의사 패턴 테이블에 의한 데이터 코딩상태를 나타낸 도면이다. 도 4는 패턴 테이블에 의한 압축과 복원을 과정을 나타낸 도면이다. 도 5는 입력신호를 정규화 시켜 패턴 테이블 데이터로 전이되는 상태를 나타낸 도면이다. 도 6은 구체적인 시스템의 압축과정을 나타낸 블록구성도이다. 도 7은 데이터를 다수개의 패턴 변환 블록으로 압축율 및 복원율을 높이는 과정을 나타낸 도면이다. 도 8은 구체적인 시스템의 복원과정을 나타낸 블록구성도이다. - 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 - 61, 81 : 데이터 입출력부 62, 86 : 패턴발생기 64 : A/D변환기 65 : MPX 66 : 디지털 변조기 67, 87 : 인터페이스부 82 : 디지털 복조기 83 : DMPX 84 : D/A변환기 63, 85 : 평형 변조기 or 곱셈기
상기와 같은 목적을 실현하기 위하여 본 발명은 K개의 구형파 형태의 입력을 2 K 개의 펄스 주파수에 전이 시켜 소스 데이터가 가지고 있는 파라미터를 펄스 주파수의 단순 파라미터 형태로 패턴 변환하여 데이터의 간결화를 꾀하고 원 소스 데이터의 에너지 스펙트럼 밀도와 비트율을 줄여 데이터를 압축하고 압축된 데이터를 패턴 변환시의 독립성에 따라 하나의 블록 개념으로 보아 이를 다시 직렬적 또는 병렬적으로 블록을 연결하여 무한대의 압축을 할 수 있게 하며 복원시는 펄스 주파수에 패턴 대응된 원 소스 데이터를 이미 압축과정에서 규정되어 배당된 주파수를 감지하여 원 소스 신호를 복원하며 압축 과정과 마찬가지로 패턴 변환을 하나의 독립 블록으로 보아 압축 과정에서 직렬적 또는 병렬적으로 연결된 블록 개수만큼 의 복원 과정을 � �쳐 원 소스 데이터를 복원하는 것을 특징으로 한다. 위와 같이 이루어진 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다. K개의 구형파 형태의 소스 데이터를 2 K 개의 펄스 주파수에 전이시킴으로써 소스 데이터가 가지고 있는 파라미터를 펄스 주파수의 단순 파라미터 형태로 패턴 변환하여 데이터의 간결화를 꾀하여 원 소스 데이터의 에너지 스펙트럼 밀도와 비트율을 줄여 데이터를 압축하고 압축된 데이터를 패턴 변환시의 독립성에 따라 하나의 블록 개념으로 보아 이를 다시 직렬적 또는 병렬적으로 블록을 연결하여 다시 주파수 패턴에 전이 되도록 함으로써 무한한 압축율과 역순에 의한 복원율을 갖으면서 신호의 열화나 손실을 줄일 수 있다. 이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리 범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이며 종래 구성과 동일한 부분은 부호 및 명칭을 사용한다. 도 2는 구형파 형태의 소스 신호가 펄스의 주파수 패턴에 전이된 상태와 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 우선 여기에서 보는 바와 같이 모든 디지털 신호원은 단순한 디지트 신호 즉, 0과 1의 단순논리의 형태로 된 신호는 각 심볼을 매 T초 마다 1비트의 정보를 포함한다. 이때 심볼율은 1/T로 정의 되므로 2원 신호일 경우에는 비트율과 동일하다. 이러한 2원 신호를 K개로 묶어서 2 K 개의 주파수에 파라미터를 전이 시켜 원 소스와는 전혀 새로운 스펙트럼 밀도와 대역폭을 갖는 신호로 패턴 파라미터를 변환시키고 있다. 이것은 K개의 원 소스 신호를 2 K 개의 주파수 파라미터를 정보 표현에 이용 하고있다는 말로 원 소스 신호의 메인 클럭 즉, 심볼 주기를 중심 주파수로 2 K 개의 Step을 가지는 스펙트럼이 형성된다. 여기에서 Step의 크기는 이론적으로는 무한대의 크기를 설정할 수 있으나 현실적으로 복원시의 경제성을 감안하여 결정하여야 하기 때문에 제한되어진다. 그러므로 Step의 크기 ST는 상수로서 취급할 수 있다. 그러나, 원 소스와 스펙트럼 밀도를 비교하여 보면 주파수 전이 패턴 변환된 신호의 스펙트럼이 (Step의 크기 × 2)의 스펙트럼 밀도를 가지는 신호로 변환되어 있기 때문에 대역이 압축되어 짐을 알 수 있다. 또한, 주파수 전이 패턴 변환된 신호의 대역 P 는 반드시 원 소스 데이터 대역의 나이퀴스트율인 B/2 보다 작거나 같아야만 한다. 이때 B는 원 소스 신호의 대역이다. 이것은 주파수 전이 패턴 변환 과정을 하나의 블록 개념으로 보기 위함인데 만일 주파수 전이 패턴 변환된 신호의 대역이 원 소스 데이터 대역의 나이퀴스트율인 B/2보다 훨씬 작다면 복수의 주파수 전이 패턴 변환된 신호를 B/2의 신호 대역 가까이 까지 끼워 넣어 다중화시킬 수가 있으므로 한 블록이 가지는 압축율을 대폭적으로 올릴 수가 있으며 아울러 협대역의 다중 접속에 의한 다중 통신을 가능케 한다. 도 3은 소스 데이터의 정규화 및 의사 패턴 발생기에 의한 데이터 코딩 상태를 나타낸 도면이다. 여기에서 보는 바와 같이 원 소스 신호와 1:1 대응된 주파수 전이 패턴 신호는 K개의 원천 입력 비트를 받아 들여서 M=2 K 개의 주파수 전이 패턴 파형(f)중의 하나를 출력으로 내보내게 되어 있다. 이것은 다수의 K개의 비트를 묶어서 한 순간에 M=2 K 개의 패턴 파형 중 하나를 배당하게 되는 것이다. 특히, 주파수 전이 패턴 변환에서는 원 소스 신호와 1:1 대응된 패턴 신호간의 관계는 주파수의 변환 패턴으로 대응된다. 이 말은 K개의 원 소스가 M=2 K 개의 의사 패턴 파형으로 전환되는데 이 의사 패턴 파형은 주파수 전이된 파형이라는 것이다. 이것은 T시간의 지속 시간에 K개의 소스 신호를 2 K 개의 의사 패턴 신호 중에 하나를 대응 시켜 간결화하고 있다는 것으로서 의사 패턴 신호의 상이한 2 K 개의 주파수 신호로서 K개를 표현하여야 할 원 소스 신호를 2 K 개의 주파수 중의 하나가 대응되어 K개의 원 소스 신호를 표현하고 있다는 것이므로 주파수 전이 패턴 변환은 2 K 개의 주파수 파라미터가 K개의 원 소스 신호의 데이터를 완벽하게 간결화하여 표현하고 있는 것이 된다. 여기서 주파수 전이 의사 패턴 파형의 집합 는 으로 (0〈t〈T , i=1,2, . ,M, M=2 K , 단 K는 상수) 정의되어 패턴 변환 후의 요구되어지는 대역폭은 이 되는데 이는 곧 원 소스 신호를 패턴 변환된 신호 대역만큼 대역폭을 줄일 수 있다는 의미를 갖는다. 또한 2원 신호로 되어 있는 원 소스 신호를 주파수 전이 패턴 변환하게 되면 비트율 와 심볼율 와의 관계식인 가 되는데 예를 들어 원 소스 입력의 개수 K가 8인 경우에서는 상기의 관계식에서 보는 바와 같이 심볼율 가 8배로 늘어나게 되어 같은 시간에 8배의 정보를 더 보낼 수가 있게 된다. 이것은 심볼 지속 시간 (단, 는 비트 지속 시간) 과 비트율 의 관계에서 엿볼 수 있는데 통상적으로 전체 데이터량을 이야기 할 때 비트율에다 소요 시간을 곱한 것으로 가 된다. 그러므로 비트 지속 시간을 상수로 봤을 때 전체 비트율이 심볼율의 역 수 만큼 줄어들게 되어 전체 데이터량은 원 소스 신호 데이터량의 1/8이 되어 진다. 또한, 본 주파수 전이 패턴 변환을 이용해 데이터를 전송할 경우엔 초당 채널 용량이 적어져 많은 데이터를 단 시간에 전송할 수 있게 된다. 초당 채널 용량은 한 심볼이 전송되었을 때에 가능한 최대 정보 전송율에 초당 전송되는 심볼의 수를 곱한 것으로 C=KC(비트/초:bps)가 된다. 여기서 K는 초당 전송되는 심볼의 수가 되며 C는 한 심볼이 전송되었을 때에 가능한 최대 정보 전송율 즉, 단위 시간당 전송시킬 수 있는 최대량이 된다. 그러므로 심볼의 수가 상기와 같이 늘어나게 됨으로써 단위 시간당 전송되는 심볼의 수가 늘어나게 됨에 따라 단시간에 많은 양의 정보를 전송 할 수 있게 되는 것이다. 이때 데이터를 압축한다는 것은 위에서 언급된 것처럼 심볼율을 올리든지 비트율을 올리든지 아니면 점유하고 있는 에너지 스펙트럼 밀도를 줄여야 만이 가능하다. 그러므로 위에서 언급된 주파수 전이 패턴 변환을 이용한 데이터 압축은 K개의 비트를 묶어서 2 K 개의 주파수 파형중 하나에 대응시켜 간결화시킴으로서 비트를 압축하고 이와 동시에 원 소스 신호의 메인 클럭 즉, 심볼 주기를 중심 주파수로 하는 2 개의 Step을 가지는 스펙트럼이 형성된다. 원 소스와 스펙트럼 밀도를 비교하여 보면 주파수 전이 패턴 변환된 신호의 스펙트럼이 (Step의 크기 × 2 K )의 스펙트럼 밀도를 가지는 신호로 변환되어 있기 때문에 대역이 압축되어 짐을 알 수 있다. 또한, 주파수 전이 패턴 변환된 신호의 대역 P 는 반드시 원 소스 데이터 대역의 나이퀴스트율인 B/2 보다 작거나 같아야만 한다. 이때 B는 원 소스 신호의 대역이다. 이것은 주파수 전이 패턴 변환 과정을 하나의 블록 개념으로 보기 위함인데 만일 주파수 전이 패턴 변환된 신호의 대역이 원 소스 데이터 대역의 나이퀴스트율인 B/2보다 훨씬 작다면 복수의 주파수 전이 패턴 변환된 신호를 B/2의 신호 대역 가까이 까지 끼워 넣어 다중화 시킬 수가 있으므로 한 블록이 가지는 압축율을 대폭적으로 올릴 수가 있으며 아울러 협대역의 다중 접속에 의한 다중 통신을 가능케 하여 준다. 그러므로 주파수 전이 패턴 변환은 비트와 주파수 대역을 동시에 줄이고 있는 압축 기법이라 할 수 있다. 이것은 주파수 전이 패턴 변환이 주파수 배당을 통하여 원 소스 신호의 스펙트럼과 독립된 스펙트럼 배열을 재배열 시켜 원 소스 신호와 비교하여 전혀 다른 신호 특성과 스펙트럼 구조를 가진 신호원으로 파라미터를 변환한 것이다. 그러므로 주파수 전이 패턴 파형은 배당된 주파수의 유무에 따라서 K개의 비트가 압축 될 수도 있으며 복원 될 수도 있기 때문에 배당된 주파수가 곧 정보의 표현이 된다. 이때의 주파수 전이 패턴 변환 기법을 무 손실 데이터 압축 및 복원 기법이라고 할 수 있는데 이는 T시간의 지속 시간에 K개의 소스 신호를 2 K 개의 의사 패턴 신호 중에 하나를 대응시켜 간결화하고 있다는 것으로서 의사 패턴 신호의 상이한 2 K 개의 주파수 신호로서 K개를 표현하여야 할 원 소스 신호를 2 K 개의 주파수 중의 하나가 대응되어 K개의 원 소스 신호를 표현하고 있다는 것이므로 주파수 전이 패턴 변환은 2 K 개의 주파수 파라미터가 K개의 원 소스 신호의 데이터를 완벽하게 간결화 하여 표현하고 있기 때문에 무 손실 압축 복원 기법이라 할 수 있다. 도 4는 의사 패턴 발생기에 의한 압축과 복원 과정을 나타낸 도면이다. 여기에서 의사 패턴 발생기에서 발생된 주파수 파형의 변수 집합 은 압축시 으로서 A와 T가 상수이며 즉, 심볼율은 1/T의 정수배이며 는 중심 주파수로서 심볼율의 1/2이라고 가정하면 파형 는 이며, 이는 구간 [0,T]에서 정규 직교 함수가 된다. 그러므로 이며 E는 비트당 에너지 이며 T는 한 비트의 펄스 폭이 된다. 상기에서 보는 바와 같이 즉, 심볼율 1/T을 변화 시켜도 주파수의 변화가 이루어 지게 되므로 이때 ST는 Step크기로서 상수이며, (B는 원 소스 신호의 대역이며, N은 나이퀴스트 율이다.)의 제약을 받는다. 그리고, 상기의 주파수 전이 패턴 파형의 집합을 다시 서술하여 보면 다음과 같다. 이렇게 f를 변화시키는 이유는 심볼 주기 T 동안에 M개의 가능한 주파수중 하나를 선택하기 위해서는 직교성을 만족하여야만 하는데 이러한 직교성을 만족하기 위해서는 이웃하는 주파수간의 최소 간격 가 가 되므로 대역폭이 원 소스 신호의 대역을 훨씬 초월한 주파수 스펙트럼 분포가 되므로 이것을 최소화하기 위해서는 펄스 폭을 변화 시켜 주파수를 배당하는 것이 대역폭의 절감 차원에서는 유리하게 된다. 그러므로 압축 시 패턴 변환 대역 P 는 인데 원 소스의 심볼율 1/T는 이미 규정되어 있게 되는데 이는 심볼율을 중심으로 ST(i-1)/2 만큼의 에너지가 존재하고 있으므로 이를 곱셈기나 평형 변조기 등을 이용하여 차분 만을 취하게 되면 실질적인 대역으로 변환하게 되는데 그러면 순수한 패턴 변환된 파형만이 존재하게 된다. 이때의 점유 대역 는 다음과 같다. 또한, 비트율 는 이 된다. 그리고 복원시의 의사 패턴 파형은 압축시와 복원시의 원 소스 데이터의 입력 집합 X 과의 관계식인 (n은 전체 데이터량 TD , i=1,2, .,M , A는 상수) 에 의해서 이 되며 원 소스 데이터의 입력 개수 K는 심볼율 가 되어 지므로 원 소스 데이터의 입력 집합 과 소스 입력의 개수 K와의 관계식인 (단, K는 상수이며 n은 전체 데이터량 TD 이다.)이 되므로 전체 원 소스 신호의 데이터량 TD는 가 되므로 원 소스 신호의 전체 데이터량은 로 줄어지게 된다. 복원시의 대역 와 압축시의 대역 와의 관계식인 단, ST는 상수이며 i=1,2, .,M 이며 이때, 압축시와 복원시의 ST는 상수이며 1/T는 원 소스 데이터의 펄스 폭 즉, 원 소스 신호의 클럭 주파수가 된다. 그러므로 압축시는 대역이 주어진 원 소스 입력의 개수에 따른 준비되어야 할 변수의 개수에 상수 ST 를 곱한 스펙트럼 밀도를 가지는 신호가 만들어지는데 이는 상수 ST의 크기에 따라서 대역폭이 결정되어 진다. 또한 상기에서와 같이 원 소스 신호의 심볼율 1/T은 원 소스 신호의 펄스 폭이 되므로 2원 신호에서는 고정이며 원 소스 신호의 클럭 주파수로 볼 수 있다. 그러므로 원 소스 신호의 심볼율을 중심으로 하여 ST(i-1) 만큼의 스펙트럼 분포가 압축 시에 발생된다. 그러나 이것은 실제적인 주파수 전이 패턴 변환된 스펙트럼 대역이 아니며 원 소스 신호의 심볼율 즉,클럭 주파수에 편성되어 변조된 파형의 집합으로 볼 수 있기 때문에 주파수 전이된 패턴 변환된 원래의 대역폭을 가지기 위해서는 상기에서 언급한 것처럼 원 소스 신호의 심볼율 즉, 클럭 주파수 성분을 제거하여야만 한다. 이는 주파수 전이 패턴 변환된 신호가 원 소스 신호의 최고 주파수인 (단, sm은 원 소스 신호의 최고 주파수이며 이것이 2원 신호일 경우에는 클럭 주파수가 되어진다.)를 중심으로 상수 ST에 원 소스 신호의 입력 개수 K에 따라 준비되어야 하는 변수 (i-1 , i=1,2, ..,M)이 곱해진 주파수 스펙트럼이 분포되어 지게 된다. 여기에서 주파수 전이 패턴 변환된 신호는 원 소스 신호의 클럭 주파수에 실질적인 주파수 전이된 패턴 신호 대역 P가 더해진 스펙트럼이 되며 대역 는 원 소스 신호의 심볼율 즉, 원 소스 신호의 주파수를 중심으로 다음과 같은 스펙트럼 분포를 가진다. 그러므로 원 소스 신호의 클럭 주파수 성분인 를 평형 변조기나 곱셈기 등을 사용하여 차분만을 추출하게 되면 원 소스 신호의 클럭 주파수 성분은 상쇄가 되어 지므로 실질적인 주파수 전이 패턴 변환된 주파수 스펙트럼이 구해지므로 상수 ST의 설정에 따라서 대역을 대폭적으로 줄일 수가 있게 된다. 또한 복원시는 평형 변조기나 곱셈기의 합의 성분만을 추출해 냄으로써 원래의 신호 대역 P 를 다음과 같이 복원 할 수 있다. 그리고 복원시의 비트율 는 이므로 압축시와 비교하여 보면 비트율이 늘어나 있으므로 데이터가 어떠한 손실이나 신호의 열화 없이 원 소스 신호로 복원됨을 알 수가 있다. 그럼 지금부터 주파수 전이 패턴 변환을 이용한 데이터의 압축/복원 과정을 상세하게 설명한다. 도 5는 입력신호 즉, 원 소스 신호를 정규화 시켜 패턴 발생기에서 주파수 전이된 데이터로 전이되는 상태를 나타낸 도면이다. 우선 전이되는 과정을 살펴보면 도 3에서와 같이 K개의 원 소스 데이터가 인가되면 원 소스 신호와 1:1로 대응되어 지는 주파수 전이 패턴 데이터의 개수 M=2 K 로 결정되는데 주파수 전이 패턴 데이터 개수 M은 반드시 2 K 개의 변수를 가져야만 한다. 그렇지 않으면 정확한 K개의 원 소스 데이터의 표현이 불가능해 지므로 반드시 위의 조건을 충족하여야만 한다. 이를 정규화(formating)라 하는데 이 정규화 과정은 이미 원 소스 데이터가 인가되는 입력의 개수에 따라서 결정된다. 이러한 정규화 과정을 거친 후 원 소스 데이터는 이미 규정된 시퀀스에 따라 주파수 전이 패턴 데이터와 1:1로 대응되어 진다. 여기서 주파수 전이 패턴 데이터는 앞에서도 언급되었다시피 2 K 개의 개별적인 주파수 파라미터에 전이된 파형 데이터로 구성된다. 이 때 압축/복원시의 2 K 개의 파형 집합 Y 은 이 되며 압축시 주파수 전이 패턴 변환된 대역 은 가 되며 복원시의 주파수 전이 패턴 변환된 대역 은 가 되며 압축시의 비트율 는 이 되어 비트율이 감소하여 단위 시간당 전송되는 비트가 늘어나게 되어 전체 데이터량을 줄일 수가 있게 되며 복원시의 비트율 는 이 되어 원래의 원 소스 신호로 복원됨을 보여 주고 있다. 도 6은 구체적인 시스템의 압축과정을 나타낸 블록구성도이다. 우선 압축 과정을 살펴보면 K개의 입력을 가지는 원 소스 신호는 정규화 블록에서 신호의 타이밍 과 원 소스의 개수 K에 따라 준비되어야 할 패턴 파형의 개수 M을 결정하는(M=2 K ) 인터페이스 블록인 데이터 입출력부(61)를 거쳐 다음 단의 패턴 발생기(62)로 인가되는데 주파수 전이 패턴 변환에서는 주파수 합성기가 되어 진다. 주파수 합성기는 M개의 주파수 파라미터를 가지는 정현파 또는 구형파 펄스에서 주파수 파라미터를 나타낼 수 있는 펄스폭을 원 소스 K개의 변수에 따라서 주파수 파라미터에 도 5에서 보는 바와 같은 시퀀스에 따라 1:1 대응 시켜 데이터를 간결화하여 데이터를 압축 한다. 이렇게 주파수 파라미터에 전이된 정현파 또는 구형파는 출력의 신호 성분 즉, 정현파 또는 구형파에 따라서 다음 단의 평형 변조기나 곱셈기(63)를 거쳐 실질적인 대역으로 저역 변환하게 되어진다. 평형 변조기나 곱셈기(63)는 압축시엔 원 소스 신호의 클럭 주파수와 패턴 변환된 신호와의 차분을 추출하여 저역으로 변환하여 원 소스 신호의 클럭 주파수의 고주파 성분을 제거하여 실질적인 대역으로 변환하는 역할을 하게 된다. 이렇게 실질적인 대역으로 변환된 패턴 변환된 신호는 다시 이원 신호로 변환하기 위한 A/D변환기(64)를 거치게 되어 있다. 그러므로 주파수 합성기의 출력 주파수는 반드시 원 소스 신호의 클럭 주파수의 1/2이하가 되어야만 하며 A/D변환기(64)의 분해능은 주파수 성분만을 샘플링 하므로 1비트만으로도 충분하게 되어진다. 또한, 여기에 가해지는 샘플링 주파수는 원 소스 신호의 클럭 주파수를 넘지 않아야 한다. 이는 샘플링 주파수가 가변적이라는 말인데 블록의 기능에 따라서 샘플링 주파수를 다르게 설정할 수 있다는 것이다. 이것은 이러한 패턴 변환 과정이 최종단일 경우에는 시스템의 용도에 따라서 주파수 전이 패턴 변환된 대역의 2배 이상에서 원 소스 신호의 클럭 주파수까지 샘플링 주파수를 설정할 수 있다는 것이 된다. 이렇게 2원 신호로 변환된 패턴 변환된 데이터는 블록 개념을 도입하기 위한 인터페이스부(67)로 이송되는데 이 인터페이스부(67)는 일종의 레지스터로서 한 블록의 입력이 이미 정규화 과정에서 규정된 K개의 입력 소스를 받아들이게 됨으로 1비트의 분해능으로 샘플링된 패턴 데이터를 K개의 입력 소스로 출력하기 위하여 K개의 입력 소스가 레지스터에 저장되기를 기다려 한꺼번에 K개의 비트를 출력하게 하는 역할을 한다. 또한, 시스템의 용도에 따라서 레지스터를 거친 패턴 데이터는 다음 단에 디지털 멀티플렉스(65) 와 디지털 변조기(66)를 연결하여 다중화 통신 또는 복수의 패턴 변환된 데이터를 멀티플렉스(65)에 의해 시분할 다중화한 블록이 가지는 압축율을 대폭적으로 올릴 수도 있게 된다. 주파수 전이 패턴 변환후의 대역을 P라 하면 다중화시의 대역 은 으로 는 나이퀴스트율 N으로서 원 소스 신호 대역 B의 1/2이다. 이렇게, 샘플 홀드 블록에 의해 2원 신호로 변환된 패턴 데이터는 인터페이스부(67)를 통해 최종적으로 출력되어져 다음 블록으로 인가된다. 이렇게 출력된 패턴 변환된 데이터는 데이터 간결화에 의해서 비트율이 으로 줄어들게 되며 대역폭도 ST(i-1)×N으로 줄어들어 데이터가 비트와 대역이 상기와 같은 압축율을 가진다.(단, N은 나이퀴스트율) 한 블록을 거친 패턴 변환된 데이터는 다음 블럭으로 인가되는데 이러한 블록 단위의 압축은 다수의 2원 신호를 입력으로 하여 주파수 파라미터에 전이 시켜 데이터의 간결화를 꾀하고 또한, 원 소스 데이터가 점유하고 있는 점유 공간 즉, 대역을 대폭적으로 줄여서 데이터를 압축하고 있는데 이는 이러한 주파수 전이 과정을 하나의 블록 단위로 볼 수 있으므로 복수개의 블록을 순차적 또는 병렬적 그리고 이들의 조합에 의해 얼마든지 붙일 수 있다는 것이다. 도 7은 다수개의 패턴 변환 블록을 연결하여 압축율 및 복원율을 높이는 과정을 나타낸 도면이다. 여기에서와 같이 주파수 전이 패턴 변환된 데이터는 원 소스 신호와 비교하여 보면 전혀 다른 신호 특성과 파라미터 특성을 가지고 있는데 이는 원 소스 신호를 주파수 파라미터에 전이 시켜 정보를 표현하고 있기 때문이다. 그러므로 원 소스 신호와 비교하여 보면 패턴 변환된 신호는 완전한 독립성을 가지게 되므로 이러한 주파수 전이 패턴 변환 자체를 하나의 블록으로 볼 수가 있다. 따라서 이러한 블록화 과정을 통하여 각 블록이 지니는 부호화율을 C 1 이라고 한다면 한 블록이 가지는 부호화율은 C 1 이된다. 그러므로 C 1 은 C 1 = C 0 / C P (단, C 0 는 원 소스 신호의 초당 채널 용량이며, C P 는 패턴 부호화 후의 초당 채널 용량이다.) 가 된다. 그러므로 원 소스 신호의 초당 채널 용량이 패턴 변환후의 초당 채널 용량으로 줄어져 있게 되는데 이는 패턴 변환후의 비트율이 데이터 간결화에 의하여 증가하고 신호의 대역도 위에서 살펴 본 바대로 상수 ST의 설정 값에 따라 줄어들게 되는데 상기와 같이 A/D변환 블록을 거치게 되어 있으므로 2원 신호로 데이터 파라미터를 다시 변환하고 있으므로 대역폭의 감소는 곧 메인 클럭 주파수가 낮아지는 결과가 돌출된다. 그러므로 주파수 전이 패턴 변환에서의 한 블록의 부호화율은 상기와 같은 수식에 의해 부호화 율이 결정될 수 있다. 이것은 압축시엔 초당 채널 용량의 감소 즉, 데이터의 감소로 나타나며 복원시엔 초당 채널 용량의 증가 즉, 데이터 증가로 나타나게 되어 있으므로 신호의 열화나 손실 없이 데이터의 압축 및 복원이 가능해 지게 된다. 이러한 블록화 개념은 원 소스 신호와 패턴 변환된 신호와의 독립성에 기인하는 것으로서 복수의 블록을 순차적 또는 병렬적 그리고 이의 조합으로의 연결이 가능함을 보이고 있는 것으로서 도 6에서와 같이 복수의 패턴 변환 블럭을 연결했을 경우의 전체 부호화율 C T 은 C T = C b (단, b는 블록수 b=1,2, ..,∞) 이 되어 지므로 본 주파수 전이 패턴 변환에 의한 압축 및 복원은 무한대의 부호율을 가짐을 알 수 있다. 또한 압축율은 부호화율의 역수가 되며 복원율은 전체 부호화율이 되어 진다. 다음은 복원 시스템의 구체적인 실례를 들어 서술하여 보면 다음과 같다. 도 8은 구체적인 시스템의 복원과정을 나타낸 블록구성도이다. 우선 압축 과정에서 최종적으로 출력된 패턴 데이터의 복원 과정을 거치기 위해서는 우선 압축 과정과 마찬가지로 정규화 과정을 거치게 되어 있는데 이것은 압축 과정과는 조금 다르다. 압축시에 블록화 과정을 거치기 위해서 데이터 입출력부(81)의 레지스터를 이용해 K개의 비트로 출력된 것을 원래의 1비트의 분해능을 가진 신호로 복원하여 다음 단의 D/A변환기(84)로 이송된다. 이것을 복원시의 정규화 과정이라고 하는데 이러한 정규화 과정을 거친 패턴 데이터는 다음 단의 D/A변환기(84)를 거쳐 원래의 주파수 파라미터로 환원된다. 하지만 이것은 원 소스 신호의 대역이 아니므로 원래의 소스 신호의 대역으로 변환하기 위해 다음 단의 평형 변조기나 곱셈기(85)를 거치게 된다. 원 소스 신호의 대역으로 환원키 위해서 평형 변조기나 곱셈기(85)의 출력을 압축시와는 반대로 합을 취해 원래의 패턴 변환된 신호 대역으로 고역 변환하게 되어 있다. 이때 압축시와 복원시의 반송파 성분 즉, 메인 클럭은 원 소스 신호의 메인 클럭이 된다. 이렇게 원래의 대역으로 변환된 패턴 데이터는 다음 단의 패턴 발생기(86) 즉, 패턴 시퀀스기 또는 프로그래머블 주파수 판별기로 이송되어 원래의 원 소스 신호로 복원되는데 이것은 압축의 과정에서 이미 약속된 시퀀스 또는 프로그램에 의해서 할당된 주파수 또는 펄스폭을 감지하여 원래의 원 소스 신호를 복원하고 있다. 이것은 원 소스 신호 K에 의해서 패턴 변수 M에 대한 주파수 할당 또는 펄스폭 할당 및 이의 역의 과정은 도 5에서 보이고 있으므로 압축시 및 복원시는 이것의 시퀀스를 따르고 있다. 이렇게 원 소스 신호로 복원된 신호는 인터페이스부(87)로 이송되어 K개의 신호가 원래의 원 소스 신호 타이밍과 정확히 일치하도록 인터페이스부(87)에서 래치되어 출력된다. 여기에서 압축 시와 마찬가지로 패턴 변환을 이용하여 다중통신 또는 부호화율을 올리기 위해서 데이터를 다중화 하였다면 우선 정규화 과정을 거치기 전에 디지털 복조기(82)와 디멀티플렉스(83)를 거쳐 주파수 또는 시분할 다중화된 신호를 원래의 신호로 복원하는 과정을 필요로 한다. 이렇게 인터페이스부(87)를 거쳐 출력된 신호는 원 소스 신호로 완벽히 복원 되어 출력되는데 상기에서와 같이 본 주파수 전이 패턴 변환에 의한 데이터의 압축 및 복원은 하나의 패턴 변환 블록 자체가 원 소스 신호와는 전혀 다른 신호의 특성 및 파라미터를 가지므로 독립적이라 볼 수 있다. 그러므로 이러한 독립성에 따라 무한대의 압축 및 복원이 가능한 압축 알고리즘이라고 할 수 있으며 무엇보다도 원 소스 신호의 열화나 손실 없이 압축 및 복원이 가능할 뿐만 아니라 압축 및 복원의 알고리즘이 무척 간단하기 때문에 기존의 압축 기법들에 비해서도 경쟁이 되지 않는 경제성을 가지고 있는 압축 알고리즘이라고 할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은 주파수 전이 패턴 변환에 의한 데이터 압축 및 복원은 신호의 열화 없이 무한대의 디지털 데이터를 압축 복원할 수 있는 알고리즘으로 데이터 저장 장치 및 데이터 처리 장치 유선 및 무선 통신 등 전 산업 분야에 걸쳐 사용이 가능하며 경제성 및 효율을 올릴 수 있다는 이점이 있다. |
