고정 헤더 영역
상세 컨텐츠
본문
Physical Layer - Transmission Multiplexing
Digital Transmission 디지털 전송
컴퓨터 네트워크는 한 지점에서 다른 지점으로 정보를 전송하도록 설계되었다.
이 정보는 전송을 위해 디지털 신호나 아날로그 신호로 변환되어야 한다.
이 섹션에서는 첫번째 선택인 디지털 신호로의 변환을 논의하고, 다음 섹션에서는 두번째 선택인 아날로그 신호로의 변환을 논의함.
디지털-디지털 변환과 아날로그-디지털 변환이 포함됨
Digital-to-Digital Conversion 디지털-디지털 변환
데이터는 디지털 또는 아날로그일 수 있다.
데이터를 나타내는 신호도 디지털 또는 아날로그일 수 있다.
어떻게 디지털 신호를 사용하여 디지털 데이터를 표현할 수 있을까?
변환에는 세가지 기술이 포함된다.
- line coding 라인 코딩
- block coding 블록 코딩
- scrambling 스크램블링
라인코딩은 항상 필요하다. 블록 코딩과 스크램블링은 필요할 수도, 아닐 수도 있다.
Line Coding 라인 코딩
디지털 데이터를 디지털 신호로 변환하는 과정
텍스트, 숫자, 그래픽 이미지, 오디오 또는 비디오 형태의 데이터가 컴퓨터 메모리에 비트 시퀀스로 저장되어있다고 가정.
라인 코딩은 비트 시퀀스를 디지털 신호로 변환.
송신자에서 디지털 데이터는 디지털 신호로 인코딩된다.
수신자에서 디지털 신호를 디코딩하여 디지털 데이터가 재생성된다.
라인코딩: 신호 요소 vs 데이터 요소 Signal elements versus data elements
데이터 통신의 주요 목표는?
- 데이터 요소 전송
Data element 데이터 요소:
정보의 조각을 나타낼 수 있는 가장 작은 단위 - 비트
Signal element 신호 요소:
데이터 요소를 전달하는 디지털 신호의 가장 짧은 단위(시간 기준)
데이터 요소는 전달되고 있다 / 신호 요소는 데이터 요소를 전달한다.
r: 각 신호 요소가 전달하는 데이터 요소의 수의 비율
r = 데이터 요소의 수 / 신호 요소의 수
모든 라인 코딩 방식에는 r 값이 필요하다.
a. One data element per one signal element (r = 1)
1 데이터 요소 = 1 신호 요소1비트(예: 1, 0, 1)를 보내기 위해 신호도 1번씩 바뀝니다.r = 1: 신호 하나당 비트 하나를 표현.
b. One data element per two signal elements (r = 1/2)
1 데이터 요소 = 2 신호 요소1비트를 보내기 위해 신호가 두 번 변화해야 합니다.데이터 전송 효율이 떨어짐(r = 1/2).즉, 신호 변화가 더 잦고, 같은 데이터량을 보내려면 더 많은 신호가 필요함.
c. Two data elements per one signal element (r = 2)
2 데이터 요소 = 1 신호 요소2비트(예: 11, 01, 11)를 신호 한 번에 표현.r = 2: 신호 하나로 두 비트 전달.신호 변화를 적게 하면서 더 많은 데이터를 보낼 수 있으므로 효율이 좋아집니다.이것이 다치(modulation) 방식(M-ary)의 원리입니다.
d. Four data elements per three signal elements (r = 4/3)
4 데이터 요소 = 3 신호 요소1101 같은 4비트 데이터를 3개의 신호 변화로 표현.r = 4/3: 신호 3개에 비트 4개 전달. (비트/신호)효율(r)이 커질수록 같은 시간에 더 많은 데이터를 전송할 수 있습니다.
정리
r = 데이터 요소 수 / 신호 요소 수
r이 클수록 데이터 전송 효율이 높아집니다.여러 비트를 하나의 신호 변화에 담는 고차 변조(M-ary, 다치 변조)를 사용하면, 동일한 대역폭에 더 많은 정보를 실을 수 있습니다.이것이 통신 시스템에서 신호 설계의 핵심 원리 중 하나입니다.
데이터 속도 vs 신호 속도 Data rate vs Signal rate
데이터 속도 (비트 속도)
- 1초동안 전송된 데이터 요소(비트)의 수
- 단위 : bps
신호 속도(펄스 속도, 변조 속도, 보 속도) (pulse rate, modulation rate, baud rate)
- 1초동안 전송된 신호 요소의 수
- 단위: 보(baud)
데이터 통신의 목표
- 신호 속도를 감소시키면서 데이터 속도를 증가시키는 것
- 신호 속도를 감소시키면 대역폭 요구 사항이 감소한다.
S= N/r , r = N/s
S: 신호 속도(보)
N: 데이터 속도(bps)
r: 각 신호 요소가 전달하는 데이터 요소의 수의 비율
Sₐᵥₑ = c * N * (1/r) = c * (N/r)
Sₐᵥₑ: 보 속도의 평균값
c: 케이스 요소
N: 데이터 속도(bps)
r: 각 신호 요소가 전달하는 데이터 요소의 수의 비율
예시)
하나의 데이터 요소가 하나의 신호 요소로 인코딩 되는 신호가 있다. (r=1) 비트 속도가 100kbps 인 경우, c가 0과 1 사이일 때 보 속도의 평균값은?
Savg = c(1/2) * 100*1000 *(1/1) = 50kbaud
기준선 방황(드리프트) Baseline Wandering(drift)
수신기는 수신된 신호의 실행 평균 전력(기준선 이라고 함 -baseline) 을 평가한다.
수신기는 들어오는 데이터 요소의 값이 0인지 1인지 결정하기 위해 기준선을 사용한다.
들어오는 신호 전력은 데이터 요소의 값을 결정하기 위해 이 기준선에 대해 평가된다.
들어오는 신호가 오랜 시간 변하지 않는 경우(들어오는 데이터가 0 또는 1의 긴 문자열), 기준선이 이동하게 되고(기준선 방황이라고 함) 이로 인해 들어오는 데이터 요소의 감지에 오류가 발생할 수 있다.
위쪽:Input bit stream: 원래의 디지털 신호(비트 스트림)입니다. (1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0)신호는 직사각형 네모파 형태로 표현되어 있습니다.중앙:Decision threshold: 0과 1을 구분하는 임계값(판정 경계)입니다.Signal baseline: 신호의 기준선(베이스라인)입니다.아래 박스:High-pass filter (AC coupling):고역 통과 필터(AC 커플링)입니다. DC 성분(평균값)을 제거하고, 고주파 성분만을 남깁니다.이 과정에서 평균 전압이 사라지게 되어 신호의 기준선이 변할 수 있습니다.오른쪽:Output bit stream with baseline wander:기저선 드리프트가 발생한 출력 비트 스트림입니다.신호의 기준선이 원래 자리에서 위/아래로 변동(baseline wander)됩니다.빨간 사각형:0이 연속되는 구간, 혹은 신호의 레벨이 계속 같은 상태로 유지되는 구간을 강조하고 있습니다.여기서 기준선이 흔들리거나(드리프트), 신호 결정이 어려워질 수 있음을 보여줍니다.
2. 무슨 현상인가요?
(1) 기저선 드리프트(baseline wander)
장시간 동안 동일한 신호(0이나 1)가 연속해서 들어오면, 평균값(DC 성분)이 생깁니다.AC 결합(고역 통과 필터) 회로를 통과하면 이 DC 성분이 사라지면서,신호의 기준선이 원래 자리에서 점차 위로 혹은 아래로 밀려나게 됩니다.이때, 신호가 판정 임계값(Decision threshold) 근처를 오가게 되어, 비트 인식에 오류가 생기거나 노이즈에 취약해집니다.
(2) 고역 통과 필터(AC 커플링)의 효과
장거리 전송선로에서 DC성분 누적, 전원 노이즈 등을 없애기 위해 AC 커플링을 씁니다.하지만 연속된 0/1과 같은 신호가 들어오면 신호의 baseline이 밀려나는 'baseline wander'(표류) 현상이 심해집니다.
(3) 문제점:
‘0’이 여러 번 연속되어 입력되면(빨간 박스), 출력 신호에서 기준선이 점점 이동하며,나중에는 정상적으로 0/1을 구분하는 것이 더 어려워집니다.특히 high-pass filter 이후, 신호가 기준선(베이스라인)보다 위인지 아래인지만으로 판정하는 시스템에서bit error가 발생할 수 있습니다.
3. 정리/요약
이 그림은 "연속된 동일 비트 전송 시, 고역 통과 필터를 거치면 신호의 기준선이 이동(baseline wander)하여, 비트 해석에 오류가 생긴다"는 문제점을 보여줍니다.해결:보통 이러한 문제를 해결하기 위해 맨체스터 코드, 4B/5B 등 DC 밸런스가 맞는 라인 코딩을 사용합니다.
Line Coding - DC Components DC 구성요소
전압 수준이 한동안 일정할 때, 스펙트럼은 매우 낮은 주파수를 생성한다. (푸리에 분석의 결과)
x(t) = A + B sin(2πft)
여기서 A 는 DC 구성요소이다. 이는 함수를 y축 위아래로 이동시킨다.
0주변의 이러한 주파수들은 DC(직류) 구성 요소라고 하며, 낮은 주파수를 통과시킬 수 없는 시스템에 문제를 일으킨다.
자체 동기화 Self-Synchronization
송신자로부터 수신된 신호를 올바르게 해석하기 위해, 수신자의 비트 간격은 송신자의 비트 간격과 정확히 일치해야 한다.
수신자의 시계가 빠르거나 느리면, 비트 간격이 일치하지 않고 수신자는 송신자가 의도한 것과 다르게 신호를 해석할 수 있다.
자체 동기화 디지털 신호는 전송되는 데이터에 타이밍 정보를 포함한다.
라인 코딩 체계 Line Coding Scheme
라인 코딩 체계를 대략 다섯 가지 넓은 카테고리로 나눈다.
각 카테고리에는 여러 체계가 있다.
⭐️단극 체계 Unipolar Scheme⭐️
-(적은 리소스를 사용해서 많은 정보를 보냄)-
모든 신호 수준은 시간축의 한 쪽에 있으며, 위나 아래 중 하나이다.
NRZ (Non-Return-to-Zero)
- 양전압 : 1, 영전압 : 0
- 비트의 중간에 신호가 0으로 돌아가지 않기 때문에 NRZ라고 불린다.
- 매우 비싸다. 사용되지 않는다.
1비트를 보내는 데 필요한 전력은 극성 NRZ의 두배이다.
극성 체계 Polar Scheme
전압은 시간축의 양쪽에 있다.
예) 양전압: 0 음전압 : 1
NRZ(Non-Return-to-Zero)
- 2가지 전압 진폭 수준을 사용한다.
- 2가지 유형: NRZ-L(Level), NRZ-I(Inverter)
NRZ-L:
전압의 수준(level)이 비트의 값을 결정한다.
NRZ-I:
1. 전압 수준의 변화 또는 변화 없음이 비트의 값을 결정한다.
2. 다음 비트가 0이면 반전 없음, 다음 비트가 1이면 반전
기준에 따른 두 체계의 장단점
1) 기준선 방황 Baseline wandering
- 둘 다 존재
-NRZ-L에서 두배 더 심함
-0 또는 1의 긴 시퀀스가 있으면 평균 신호 전력이 왜곡됨
2) 동기화 Synchronization
- 둘 다 존재
- NRZ-L 에서 더 심한
3) 신호 속도 Signal rate
- 둘다 N/2 Bd (보)
4) DC 구성 요소 DC component
- 둘 다 DC 구성 요소 문제가 있음
RZ (Return-to-Zero)
-NRZ 의 동기화 문제를 해결한다.
-수신기는 한 비트가 끝나고 다음 비트가 시작되는 시점을 알 수 없다.
-3가지 값 사용: +,-,0
+:1,
-:0
- 신호는 비트 사이가 아닌 비트 도중에 변화한다.
- 신호는 각 비트의 중간에 0으로 가고 다음 비트의 시작까지 그 상태를 유지한다.
장단점:
1. 비트를 인코딩하기 위해 2개의 신호 변화가 필요 -> 더 많은 대역폭 필요
2. 더 복잡함
3. DC 구성 요소 없음
- 현재는 사용되지 않음
이중위상: 맨체스터 및 차등 맨체스터 Biphase: Manchester and Differential Manchester
Manchester =
RZ(비트 중간에 전이) + NRZ-L
Differential Manchester =
RZ(비트 중간에 전이) + NRZ-I
맨체스터
- 비트의 지속시간이 두 반으로 나뉘어짐.
- 전압은 첫번째 반에서 한 수준에 머물고 두번째 반에서 다른 수준으로 이동
차등 맨체스터
- 비트 값은 시작 시 결정됨
- 다음이 0이면 전이, 다음이 1이면 전이 없음
장단점:
1. 맨체스터: NRZ-L 극복
차등 맨체스터: NRZ-I 극복
2. 각 비트에 양전압과 음전압 기여가 있으므로 기준선 방황이 없고 DC 구성 요소가 없음
3. 낮은 신호 속도: NRZ의 두배
비트 중간에 항상 한번의 전이가 있고 각 비트 끝에 한번 더 전이할 수있기 때문에
블록 코딩 Block Coding
동기화를 보장하고 일종의 내재적 오류 감지를 제공하기 위해 중복성이 필요하다.
블록 코딩은 이 중복성을 제공하고 라인 코딩의 성능을 향상시킬 수 있다.
일반적으로, 블록 코딩은 m 비트의 블록을 n 비트의 블록으로 변경하며, 여기서 n>m이다.
블록 코딩은 mB/nB 인코딩 기술이라고 불린다.
체계
- 4B/5B (4진/5진)
- 8B/10B (8진/10진)
블록 코딩의 3단계
1. 분할 Division
- 비트 시퀀스가 m 비트 그룹으로 나뉘어짐
예) 4B/5B 원래 비트 시퀀스는 4비트 그룹으로 나뉘어짐.
2. 대체 Substitution
-m 비트의 블록을 n 비트의 블록으로 대체하며, 여기서 n>m이다.
예) 4B/5B (m=4, n= 5)
4비트의 블록을 5비트의 블록으로 대체한다.
3. 결합 Combination
- n비트 그룹들이 결합되어 스트림을 형성한다.
⭐️블록 코딩: 4B/5B⭐️
4비트의 블록을 5비트의 블록으로 대체한다.
NRZ-I와 결합하여 사용된다.
NRZ-I는 동기화 문제가 있다.
- 0의 긴 시퀀스로 인해 수신기 클럭이 동기화를 잃을 수 있다.
- 해결책: NRZ-I로 인코딩하기 전에, 비트 스트림을 변경하여 0의 긴 스트림이 없도록 한다.
문제)
다음 4비트 데이터 스트림을 4B/5B 변환 표를 사용하여 5비트 코드 스트림으로 변환하시오.
(표준 4B/5B 표 일부:
0000→11110, 0001→01001,
0010→10100, 0011→10101,
0100→01010, 0101→01011,
0110→01110, 0111→01111,
1000→10010, 1001→10011,
1010→10110, 1011→10111,
1100→11010, 1101→11011,
1110→11100, 1111→11101)
데이터: 1011 0010 0001 1100
10111 10100 01001 11010
Scrambling 스크램블링
라인 및 블록 코딩을 수정하여 스크램블링 포함
- 긴 영수준 펄스(pulse)를 다른 수준의 조합으로 대체한다.
- 시스템은 정의된 스크램블링 규칙에 따라 필요한 펄스를 삽입해야 한다.
두 가지 일반적인 스크램블링 기술
1. B8ZS(Bipolar with 8-zero substitution)
2. HDB3(High-density bipolar 3-zeros)
아날로그 - 디지털 변환
때로는 마이크로폰에 의해 생성된 것과 같은 아날로그 신호가 있다.
오늘날의 경향은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하는 것이다.
- 디지털 신호가 노이즈에 덜 취약하기 때문에 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변경
- 디지털 신호는 아날로그 신호보다 우수함
- 펄스 코드 변조(PCM) Pulse Code Modulation
- 델타 변조(DM) Delta Modulation
펄스 코드 변조 Pulse Code Modulation
아날로그 신호를 디지털 데이터로 변경하는 가장 일반적인 기술
PCM 인코더는 다음과 같은 세가지 과정을 가진다.
샘플링(Sampling): 아날로그 신호가 샘플링됨
양자화(Quantization): 샘플링된 데이터가 양자화됨
인코딩(Encoding): 양자화된 값들이 비트 스트림으로 인코딩 됨
1. 송신자(Speaker) 측
사람이 말을 하면 **아날로그 신호(목소리)**가 생성됩니다.→ 이 신호는 연속적으로 변하는 곡선(Original Analog Sound Wave)입니다.
2. ADC (아날로그→디지털 변환) 과정
CODEC: COder/DECoderVocoder(voice codec): 음성 신호 전용 코덱이 신호는 PCM(Pulse Code Modulation) 방식을 통해 디지털화됩니다.Sampling(샘플링): 아날로그 곡선을 일정 시간 간격마다 뚝뚝 잘라서 샘플링합니다.Quantization(양자화): 각 샘플의 높이를 정해진 단계(레벨) 중 하나로 근사합니다.Encoding(부호화): 각 단계(레벨)에 숫자(이진 코드, 예: 111, 100, 000 등)를 붙여줍니다.이 과정을 **PAM(Pulse Amplitude Modulation)**이라고도 해요(샘플링 때 신호의 진폭을 펄스로 변조).결과: **디지털 데이터(이진수로 이루어진 신호)**가 만들어집니다.(예시: 101001 111000 100101 ...)
3. 디지털 전화 네트워크(Transmission)
변환된 디지털 신호(0, 1의 연속)는 전화 네트워크(공중 전화망, 인터넷 등)를 통해 빠르고, 깨끗하게, 손실 없이 전송할 수 있습니다.이때 중간에서 압축(mp3 등), 음성 부호화(코덱) 작업이 들어갈 수도 있습니다.
4. 수신자(Receiver) 측: 디지털→아날로그 복원(DAC)
CODEC 및 Vocoder: 수신 측에서도 똑같은 코덱(음성 부호기/복호기) 사용받은 디지털 신호(예: 101001 111000...)를 다시 각 타이밍마다 대응되는 아날로그 레벨로 변환합니다.복원, 재생(restore): 원래의 아날로그 곡선을 최대한 비슷하게 복구합니다.Reproduced Analog Sound Wave:이론상으로는 송신자의 원래 음성과 거의 같지만,샘플링/양자화/부호화 과정에서 약간의 정보 손실이 있을 수 있습니다.
5. 요약 흐름 (아래 블록 다이어그램)
아날로그 신호 → (ADC: 샘플링, 양자화, 이산신호) → 디지털 신호(DSP) → (DAC: 복원) → 아날로그 신호(스피커로 재생)중요한 용어ADC: Analog to Digital Converter (아날로그→디지털)DAC: Digital to Analog Converter (디지털→아날로그)DSP: Digital Signal Processor (디지털 신호 처리)CODEC: COder/DECoder (코딩/디코딩 장치, 변환기)
핵심 정리
**PCM(펄스 코드 변조)**는 사람의 목소리(아날로그)를 디지털 데이터(0,1)로 바꾸어 전화망을 통해 송수신하는 대표적인 표준 방식입니다.CODEC/Vocoder는 이 과정에서 음성 데이터를 부호화/복호화하는 하드웨어(혹은 소프트웨어)입니다.송신자 쪽에서 아날로그 → 디지털로,수신자 쪽에서 디지털 → 아날로그로 바꿔주기 때문에 전화, VoIP, 오디오 파일(mp3 등) 등 모든 현대 음성 통신의 기본 원리입니다.
PCM: Sampling
연속적인 아날로그 신호를 이산 디지털 데이터로 변경
3가지 샘플링 방법: ideal, natural, flat-top 이상적, 자연적, 평탑
PAM(펄스진폭변조) - Pulse Amplitude Modulation
결과는 여전히 비정수 값을 가진 아날로그 신호
Sampling rate 샘플링 속도(샘플링 주파수) : fₛ,
fₛ=1/Tₛ
여기서 Tₛ : 샘플링 간격 또는 주기
나이퀴스트 정리 Nyquist thorem
- 샘플링 속도는 원래 아날로그 신호의 최고 주파수의 최소 2배여야 한다.
샘플링
고려해야할 사항
1. 무한 대역폭이 아닌 대역 제한된 신호만 샘플링 할 수 있다.
2. 샘플링 속도는 대역폭이 아닌 최고 주파수의 최소 2배여야 한다.
3. 아날로그 신호가 저역 통과 필터인 경우, 대역폭과 최고 주파수는 동일하다.
아날로그 신호가 대역 통과 필터인 경우, 대역폭은 최대 주파수의 값보다 낮다.
양자화 Quantization
시간적으로는 이산적이지만 연속적인 샘플링된 신호를 값이 시간적인 신호로 변환하는 것.
양자화는 샘플링된 신호를 진정한 디지털 신호로 만들고 송신 준비를 한다.
디코딩 Decoding
수신자에서 원래 신호를 복구하기 위해 PCM 디코더가 필요하다.
PCM 대역폭
Bmin = nb * Banalog
-Bmin의 의미
-- 디지털화된 아날로그 신호의 최소 대역폭은 아날로그 신호의 대역폭보다 nb( 샘플당 비트수)배 더 크다.
-- 이건 디지털화하기 위해 지불해야하는 대가.
예시)
인간의 음성을 디지털화 하려고 한다. 샘플당 8비트를 가정할 때, 비트 속도는?
인간의 음성은 0에서 4000Hz 의 주파수를 포함함.
따라서 샘플링속도와 비트 속도는 다음과 같이 계산된다.
- 샘플링 속도는 대역폭이 아닌 최고 주파수의 최소 2배여야한다.
- 디지털화된 아날로그 신호의 최소 대역폭은 아날로그 신호의 대역폭보다 nb(샘플 당 비트 수) 배 더 크다
-> 샘플링 속도 : 4000 * 2 = 8000samples/s
비트 속도 = 8000 * 8 = 64,000bps
델타 변조 Delta Modulation(DM)
PCM 은 매우 복잡한 기술이다.
PCM의 복잡성을 줄이기 위해 다른 기술들이 개발됐다.
가장 단순한 건 델타 변조이다.
PCM은 각 샘플에 대한 신호 진폭의 값을 찾는다. DM은 이전 샘플로부터의 변화를 찾는다.
이 체계는 펄스 간의 차이만 보낸다. 시간 tn+1 에서의 펄스가 시간 tn 에서의 펄스보다 진폭 값이 높으면, 단일비트 (예: 1) 가 양의 값을 나타내기 위해 사용된다.
펄스 값이 낮아져 음의 값이 되면, 0이 사용된다.
이 체계는 샘플 간의 신호 값의 작은 변화에 잘 작동한다.
진폭의 변화가 크면, 큰 오류가 발생한다.
전송 모드 Transmission mode
병렬 전송 Parallel transmission
각 클럭 틱마다 여러 비트가 전송됨.
- 한번에 1비트 대신 n비트를 전송한다.
한번에 n비트를 전송하기 위해 n개의 와이어를 사용한다.
각 비트는 자체 와이어를 가지며, 한 그룹의 모든 n 비트는 각 클럭 틱마다 한 장치에서 다른 장치로 전송될 수 있다.
장단점 : 고속 , 높은 비용 , 짧은 통신 거리
Serial transmission 직렬 전송
직렬 전송에서는 하나의 비트가 다른 비트를 따르므로, 두 통신 장치 간에 데이터를 전송하기 위해 n개가 아닌 하나의 통신 채널만 필요하다.
장단점: 낮은 비용
장치 내의 통신은 병령이기 때문에, 송신자와 라인 사이(병렬에서 직렬로) 및 라인과 수신자 사이(직렬에서 병렬로) 인터페이스에 변환 장치가 필요하다.
직렬 통신의 3가지 방법
- Asynchronous 비동기
- Synchronous 동기
- Isochoronous 등시성, 주기정
Serial transmission : Asynchronous
데이터 전송의 시작에 시작 비트 ("0")을 보낸다.
데이터 전송의 끝(각 바이트의 끝)을 알리기 위해 하나 이상의 정지 비트("1") 가 사용된다. 바이트 사이에 간격이 있을 수 있다.
Serial transmission : Synchronous
동기식 데이터 스트림 비트는 클럭 신호와 동기화되어 전송되어야 한다.
데이터의 제어 신호는 클럭 신호에서 파생된다.
시작 비트나 정지 비트 또는 간격 없이 비트를 하나씩 보낸다.
비트를 그룹화하는 것은 수신자의 책임이다.
비트 스트림은 여러 바이트를 포함할 수 있는 더 긴 "프레임"으로 결합된다.
Serial transmission : Isochronous (등시성)
등시적 데이터 전송 시스템은 비동기식 및 동기식 데이터 전송 시스템의 특집을 결합한다.
- 동기식 데이터 링크에서 동기적 및 비동기적으로 데이터를 교환하여 전송한다.
- 등시적 데이터 전송 시스템은 데이터 블록을 비동기적으로 전송한다.
- 각 전송은 시작 패킷으로 시작한다.
Analog Transmission 아날로그 전송
디지털 전송이 바람직하지만, 저역 통과 채널이 필요하다. 대역 통과 채널이 있는 경우 아날로그 전송이 유일한 선택이다.
디지털 데이터를 대역 통과 아날로그 신호로 변환하는 것을 전통적으로 디지털-아날로그 변환이라고 한다.
저역 통과 아날로그 신호를 대역 통과 아날로그 신호로 변환하는 것을 전통적으로 아날로그-아날로그-변환이라고 한다.
Digital-to-Analog Conversion 디지털-아날로그 변환
디지털 데이터를 대역 통과 아날로그 신호로 변환
디지털 데이터의 정보에 기반하여 아날로그 신호의 특성(진폭, 주파수, 위상 ) 중 하나를 변경하는 과정
아날로그 신호의 한 특성을 변경함으로써, 우리는 이를 이용하여 디지털 신호를 표현할 수 있다.
디지털 데이터를 아날로그 신호로 변조하는 3가지 매커니즘
1. Amplitude shift keying (ASK) 진폭 편이 키잉
2. Frequency shift keying (FSK) 주파수 편이 키잉
3. Phase shift keying (PSK) 위상 변이 키잉
4. Quadrature Amplitude Modulation(QAM) 직교 진폭 변조
-- Amplitude + Phase
디지털 - 아날로그 변조의 특정 방법을 논의하기 전에, 두가지 기본적인 이슈를 검토해야 한다.
- 비트 속도 vs 보(baud) 속도
- 반송파 신호(fc)
데이터 속도 vs 신호 속도
비트 속도 : 초당 비트 수
보 속도 : 초당 신호 요소 수
S = N * 1/r (baud)
S: 신호 속도
N: 비트 속도(bps)
r = log₂L(아날로그 전송에서) → 포인트!!
L : 다른 신호 요소의 수
디지털 데이터의 아날로그 전송(tx)에서 보 속도는 비트 속도보다 작거나 같다
반송파 신호 Carrier signal
반송파 신호(fc)는 정보를 신호강도(진폭)를 변경하거나, 기본 주파수를 변경하거나, 파형 위상을 변경하거나 다른 방법으로 부과할 수 있는 고정된 기본 주파수의 교류에서 전송되는 전자기 펄스 또는 파형이다.
이 변화를 변조( 편이 키잉)이라고 한다.
아날로그 전송에서, 송신 장치는 정보 신호의 기반으로 작용하는 고주파 신호를 생성한다.
이 기본 신호를 fc, 반송파 신호 또는 반송파 주파수 라고 한다.
그런 다음 디지털 정보가 반송파 신호의 특성(진폭, 주파수, 위상) 중 하나 이상을 수정하여 반송파 신호를 변경한다.
수신기는 반송파 신호에 맞춘다.
이러한 종류의 수정을 변조(편이 키잉)이라고 한다.
ASK / FSK / PSK 개념
진폭 편이 키잉 Amplitude Shift Keying
진폭 편이 키잉에서는, 신호 요소를 생성하기 위해 반송파 신호의 진폭이 변한다.
진폭이 변화하는 동안 주파수와 위상은 일정하게 유지된다.
이진 진폭 편이 키잉
그림 2.11 이진 진폭 편이 키잉
텍스트 대체 액세스 슬라이드 이미지.
- BASK: 2개의 레벨만 사용하여 구현된 ASK
- 또는 온-오프 키잉(OOK)이라고 불립니다.
- 낮은 레벨은 이진 0을 나타내고, 더 높은 진폭은 이진 1을 나타냅니다.
진폭 편이 키잉(ASK): 전이중 예시
텍스트 대체 액세스 슬라이드 이미지.
- 데이터 통신에서는 일반적으로 양방향 통신이 가능한 전이중 링크를 사용합니다.
- 다음 그림과 같이 두 개의 반송파 주파수로 대역폭을 분할해야 합니다.
- 그림은 두 반송파 주파수의 위치와 대역폭을 보여줍니다. 각 방향에서 사용 가능한 대역폭은 이제 50kHz입니다.
그림: 전이중 ASK의 대역폭
주파수 편이 키잉
- 데이터를 나타내기 위해 반송파 신호의 주파수가 변합니다.
- 변조된 신호의 주파수는 하나의 신호 요소 동안 일정하지만, 데이터 요소가 변경되면 다음 신호 요소에 대해 변경됩니다.
- 최대 진폭과 위상은 모든 신호 요소에 대해 일정하게 유지됩니다.
그림 2.12 이진 주파수 편이 키잉
텍스트 대체 액세스 슬라이드 이미지.
- 2개의 반송파 주파수 고려: f1과 f2
- f1: 1
f2: 0
f2 - f1: 1
주파수 편이 키잉
그림: 이진 주파수 편이 키잉의 구현
위상 편이 키잉
- 반송파의 위상은 두 개 이상의 다른 신호 요소를 나타내기 위해 변합니다.
- 위상이 변화하는 동안 최대 진폭과 주파수는 일정하게 유지됩니다.
- 오늘날, PSK는 ASK나 FSK보다 더 일반적입니다.
- 그러나, 곧 ASK와 PSK를 결합한 QAM(직교 진폭 변조)이 디지털-아날로그 변조의 지배적인 방법임을 볼 것입니다.
그림 2.13 이진 위상 편이 키잉
텍스트 대체 액세스 슬라이드 이미지.
- 가장 단순한 PSK
비트 1: 0˚ 위상
비트 0: 180˚ 위상
위상 편이 키잉: 이진 위상 편이 키잉
위상 편이 키잉: 이진 위상 편이 키잉
그림: BPSK의 구현
위상 편이 키잉: 이진 위상 편이 키잉
- 장단점
- PSK는 ASK보다 노이즈에 덜 취약합니다.
-- 노이즈는 위상보다 진폭을 더 쉽게 변경할 수 있습니다. - PSK는 FSK보다 우수합니다.
-- PSK는 두 개의 반송파가 필요하지 않습니다. - PSK는 위상을 구별할 수 있는 더 정교한 하드웨어가 필요합니다.
- PSK는 ASK보다 노이즈에 덜 취약합니다.
위상 편이 키잉: 직교 PSK(QPSK)
- 각 신호 요소에 한 번에 2개의 비트를 사용합니다.
- 2개의 분리된 BPSK 변조 사용
- 하나는 동상(in-phase)에 대해 /
다른 하나는 직교(out-of-phase)에 대해
- 하나는 동상(in-phase)에 대해 /
위상 편이 키잉: 직교 PSK(QPSK)
- 들어오는 비트는 먼저 직렬-병렬 변환을 통과합니다.
- 하나의 비트는 하나의 변조기로, 다음 비트는 다른 변조기로 보내집니다.
- 각 곱셈기에 의해 생성된 2개의 합성 신호는 동일한 주파수를 가지지만, 다른 위상을 가진 사인파입니다.
위상 편이 키잉: 직교 PSK(QPSK)
- 두 신호가 결합되면, 결과는 4가지 가능한 위상 중 하나를 가진 다른 사인파입니다:
45˚, -45˚, 135˚, -135˚
-- 4개의 출력 신호(L=4)이므로 신호 요소당 2비트를 보낼 수 있습니다(r=2).
위상 편이 키잉: 성좌 다이어그램
- 디지털 변조 체계에 의해 변조된 신호 구성 요소의 그래픽 표현
- 복소 평면에서 심볼 샘플링 순간에 신호를 2차원 산점도로 표시합니다.
- 신호 요소 유형은 점으로 표시됩니다.
- 신호를 2차원 산점도에서 점(X,Y)으로 표시합니다.
위상 편이 키잉: 성좌 다이어그램
그림: 성좌 다이어그램의 개념
BASK
BPSK
QPSK
X
직교 진폭 변조(QAM)
- ASK + PSK
- PSK는 위상의 작은 차이를 구별하는 장비의 능력에 의해 제한됩니다. 이 요소는 잠재적 비트 속도를 제한합니다.
→ 두 가지를 모두 변경하면 어떨까요?
ASK와 PSK를 결합 - 두 개의 반송파 사용
-- 하나는 동상에 대해 /
-- 다른 하나는 직교(out-of-phase)에 대해 각 반송파에 대해 다른 진폭 레벨 사용
- PSK는 위상의 작은 차이를 구별하는 장비의 능력에 의해 제한됩니다. 이 요소는 잠재적 비트 속도를 제한합니다.
- 4-QAM: 단극성 NRZ 또는 극성 NRZ를 사용하는 4가지 다른 신호 요소 유형
16-QAM: 16가지 다른 신호 요소 유형
단극성 NRZ가 있는 신호
극성 NRZ가 있는 신호
e. 64-QAM
2.4.2 아날로그-아날로그 변환
- 저역 통과 아날로그 신호를 대역 통과 아날로그 신호로 변환합니다.
- 아날로그-아날로그 변환, 또는 아날로그 변조는 아날로그 신호에 의한 아날로그 정보의 표현입니다.
- 왜 아날로그 신호를 변조해야 하는지 물어볼 수 있습니다; 이미 아날로그입니다. 매체가 대역 통과 특성을 가지거나 대역 통과 채널만 사용 가능한 경우 변조가 필요합니다.
- 아날로그-아날로그 변환은 AM, FM, PM의 세 가지 방법으로 수행될 수 있습니다.
2.4.2 아날로그-아날로그 변환: 아날로그-아날로그 변조의 유형
PM
진폭 변조(AM)
- AM 전송에서, 반송파 신호는 변조 신호의 변화하는 진폭에 따라 진폭이 변하도록 변조됩니다.
- 반송파의 주파수와 위상은 동일하게 유지됩니다; 오직 진폭만 정보의 변화를 따라 변합니다.
- 다음 그림은 이 개념이 어떻게 작동하는지 보여줍니다. 변조 신호는 반송파의 포락선입니다.
그림 2.14 진폭 변조
텍스트 대체 액세스 슬라이드 이미지.
- 그림 2.14에서 볼 수 있듯이, AM은 일반적으로 단순 곱셈기를 사용하여 구현됩니다. 왜냐하면 반송파 신호의 진폭이 변조 신호의 진폭에 따라 변경되어야 하기 때문입니다.
진폭 변조(AM)
- AM 라디오를 위한 표준 대역폭 할당
- 오디오 신호(음성 및 음악)의 대역폭: 5kHz → AM 라디오 방송국은 10kHz 대역폭이 필요합니다.
- 연방 통신 위원회(FCC)는 각 AM 방송국에 10kHz를 허용합니다.
- 전체 AM 대역: 530 ~ 1,700kHz
- 신호 간섭을 피하기 위해 각 방송국 사이에 보호 대역이 필요합니다.
예) 한 방송국이 550kHz의 반송파 주파수를 사용하면, 다음 방송국의 대역은 570kHz입니다.
그림: AM 대역 할당
주파수 변조(FM)
- FM 전송에서, 반송파 신호의 주파수는 변조 신호의 변화하는 주파수를 따르도록 변조됩니다.
- 반송파 신호의 최대 진폭과 위상은 일정하게 유지됩니다.
- 그림 5.18은 변조 신호, 반송파 신호, 그리고 결과적인 FM 신호의 관계를 보여줍니다.
그림 2.15 주파수 변조
텍스트 대체 액세스 슬라이드 이미지.
- 변조(정보) 신호의 주파수가 변화함에 따라, 반송파의 주파수도 그에 따라 변화합니다 → VCO는 변조 신호의 진폭에 기반하여 변조된 신호를 생성합니다.
주파수 변조(FM)
- FM 라디오를 위한 표준 대역폭 할당
- FM 라디오 방송국은 스테레오 서비스를 위해 15kHz 대역폭이 필요합니다.
- FCC는 각 FM 방송국에 200kHz를 허용합니다.
- 신호 간섭을 피하기 위해 각 방송국 사이에 최소 200kHz의 보호 대역이 필요합니다.
(β 값(일반적으로 4)이 있으므로, 더 많은 보호 대역이 필요합니다)
그림: FM 대역 할당
주파수 변조(FM)
- FM 라디오를 위한 표준 대역폭 할당
- 전체 FM 대역: 88 ~ 108MHz
-- 한 지역에 100개의 잠재적 FM 대역폭이 있을 수 있습니다.
-- 대체 대역폭 할당만 사용될 수 있습니다.
-- 나머지는 2개의 방송국 간의 간섭을 피하기 위해 사용되지 않습니다(보호 대역).
-- 한 번에 50개가 작동할 수 있습니다.
그림: FM 대역 할당
- 전체 FM 대역: 88 ~ 108MHz
위상 변조(PM)
- PM 전송에서, 반송파 신호의 위상은 변조 신호의 변화하는 전압 수준(진폭)을 따르도록 변조됩니다.
- 반송파 신호의 최대 진폭과 주파수는 일정하게 유지되지만, 정보 신호의 진폭이 변화함에 따라 반송파의 위상이 이에 따라 변화합니다.
그림 위상 변조
2-5 다중화
- 실제 생활에서, 우리는 제한된 대역폭을 가진 링크를 가지고 있습니다.
- 때로는 더 큰 대역폭을 가진 하나의 채널을 활용하기 위해 여러 개의 낮은 대역폭 채널을 결합해야 할 필요가 있습니다.
- 때로는 프라이버시와 재밍 방지와 같은 목표를 달성하기 위해 채널의 대역폭을 확장해야 할 필요가 있습니다.
- 다중화(또는 먹싱)는 단일의 복잡한 신호 형태로 통신 링크를 통해 여러 신호나 정보 스트림을 동시에 보내는 방법입니다; 수신기는 별도의 신호를 복구하며, 이 과정을 역다중화(또는 디먹싱)라고 합니다.
- 다중화는 단일 데이터 링크를 통해 여러 신호의 동시 전송을 가능하게 하는 기술 세트입니다.
그림 2.17 링크를 채널로 나누기
- 다중화된 시스템에서, n개의 라인이 하나의 링크의 대역폭을 공유합니다.
- 링크의 대역폭은 연결된 장치의 대역폭 요구보다 클 수 있습니다.
2-5 다중화
- MUX(다중화기)
송신자에서, MUX는 단일 스트림으로 공급되는 n개의 입력 스트림을 결합합니다(다대일). - DEMUX(역다중화기)
수신자에서, DEMUX는 공급되는 단일 스트림을 다시 구성 요소 전송으로 분리합니다(일대다).
2-5 다중화
그림: 다중화의 카테고리
2.5.1 주파수-분할 다중화(FDM)
- 주파수-분할 다중화(FDM)는 링크의 대역폭(헤르츠 단위)이 전송될 신호의 결합된 대역폭보다 클 때 적용될 수 있는 아날로그 기술입니다.
- FDM에서, 각 송신 장치에 의해 생성된 신호는 다른 반송파 주파수를 변조합니다. 이러한 변조된 신호는 링크에 의해 전송될 수 있는 단일 복합 신호로 결합됩니다.
그림 2.18 주파수-분할 다중화(FDM)
- 채널이란 무엇인가?
- 변조된 신호를 수용하기에 충분한 대역폭에 의해 분리된 반송파 주파수
- 이러한 대역폭 범위는 다양한 신호가 이동하는 채널입니다.
- 채널은 신호 간섭을 방지하기 위해 보호 대역 띠에 의해 분리됩니다.
2.5.1 주파수-분할 다중화(FDM)
그림: FDM 다중화 과정
그림: FDM 역다중화 과정
- FDM 다중화 과정
- 각 소스는 유사한 주파수 범위의 신호를 생성합니다.
- MUX 내에서, 이러한 입력 신호는 다른 주파수(f1, f2, f3)를 변조합니다.
- 결과적인 변조된 신호는 단일 복합 신호로 결합되어 그것을 수용할 수 있는 충분한 대역폭을 가진 미디어 링크를 통해 전송됩니다.
- FDM 역다중화 과정
- 역다중화기는 일련의 필터를 사용하여 다중화된 신호를 구성 요소 신호로 분해합니다.
- 개별 신호는 그 후 복조기로 전달됩니다.
- 각 복조기는 원래 아날로그 신호를 반송파에서 분리하고 이를 출력으로 전달합니다.
2.5.2 시분할 다중화(TDM)
- 서로 다른 소스의 디지털 데이터가 하나의 시간 공유 링크로 결합됩니다.
- 시분할 다중화(TDM)는 여러 연결이 링크의 높은 대역폭을 공유할 수 있도록 하는 디지털 과정입니다.
- FDM에서와 같이 대역폭의 일부를 공유하는 대신, 시간이 공유됩니다.
- 각 연결은 링크에서 시간의 일부를 차지합니다.
그림 시분할 다중화(TDM)
- 다음 그림은 TDM의 개념적 뷰를 제공합니다.
- FDM에서와 같은 동일한 링크가 사용된다는 것에 주목하세요; 그러나, 여기서 링크는 주파수가 아닌 시간에 의해 분할되어 있습니다.
- 그림에서, 신호 1, 2, 3, 4의 부분이 순차적으로 링크를 차지합니다.
파장-분할 다중화(WDM)
- 파장-분할 다중화(WDM)는 광섬유 케이블의 고데이터율 기능을 사용하도록 설계되었습니다.
- 광섬유 데이터 속도는 금속 전송 케이블의 데이터 속도보다 훨씬 높지만, 단일 라인에 광섬유 케이블을 사용하는 것은 사용 가능한 대역폭을 낭비합니다. 다중화를 통해 여러 라인을 하나로 결합할 수 있습니다.
파장-분할 다중화(WDM)
- WDM은 개념적으로 FDM과 동일하지만, 다중화 및 역다중화는 광섬유 채널을 통해 전송되는 광신호를 포함합니다.
- 주요 아이디어는 FDM과 같이 다른 주파수의 다른 신호를 결합하는 것입니다.
- 서로 다른 소스의 매우 좁은 빛 밴드가 더 넓은 빛 밴드를 만들기 위해 결합됩니다.
→ WDM은 광신호를 결합하기 위한 아날로그 다중화 기술입니다.
그림: 파장-분할 다중화
파장-분할 다중화(WDM)
- 빛 소스의 결합 및 분할은 프리즘에 의해 처리됩니다.
- 프리즘은 입사각과 주파수에 기반하여 빛 빔을 구부립니다.
- WDM은 SONET에서 사용됩니다.
그림: 파장-분할 다중화에서의 프리즘
Because learning changes everything.®
www.mheducation.com
결론
이 번역은 Behrouz A. Forouzan의 "데이터 통신과 네트워킹, TCP/IP 프로토콜 스위트" 제6판의 2장 내용 중 디지털 전송, 아날로그 전송, 다중화에 관한 부분을 상세히 다루었습니다. 디지털 데이터와 아날로그 데이터의 변환 방법, 라인 코딩 기술부터 변조 방식, 다중화 기법까지 물리 계층에서 신호를 처리하는 모든 핵심 개념을 포괄적으로 설명했습니다. 이 지식은 데이터 통신 및 네트워킹 시스템을 이해하는 데 필수적인 기반을 제공합니다.
'네트워크(Network)' 카테고리의 다른 글
| 컴퓨터 네트워크 중간 대비 (4) (0) | 2025.04.15 |
|---|---|
| 컴퓨터 네트워크 중간 대비 (3) (0) | 2025.04.14 |
| 컴퓨터 네트워크 중간 대비 (2) (0) | 2025.04.13 |
| 컴퓨터 네트워크 중간 대비 (1) (0) | 2025.04.12 |
