기본 개요
1.
디지털 데이터 → 디지털 신호
2.
아날로그 데이터 → 디지털 신호
3.
디지털 데이터 → 아날로그 신호
디지털 데이터 → 디지털 신호
디지털 신호
•
이산적이고 불규칙적인 전압 펄스의 시퀀스
•
각 펄스는 하나의 signal element
•
각 데이터 비트를 signal element로 encoding함으로써 이진 데이터가 전송됨
•
각 비트와 signal element와 1:1로 대응되는 전송 방법이 가장 간단함
용어 정의
단극형 unipolar | 모든 신호 요소가 동일한 극성(+/-)을 가질 때 |
양극형 polar | 하나의 논리 상태 → 양의 전압
다른 논리 상태 → 음의 전압 |
데이터 신호율 / 데이터율
signalling rate / data rate | 초당 전송되는 비트 수
데이터 전송 속도 |
변조율
modulation rate | 초당 신호 요소의 수
신호 요소의 전송 속도 |
신호 요소
signal element | 디지털: 일정한 진폭을 가진 전압 펄스
아날로그: 일정한 주파수, 위상, 진폭을 가진 펄스
⇒ 하나의 신호 코드 값을 나타내는 최단 구간 |
데이터 요소 | 비트
하나의 이진수(0 또는 1) |
신호 DECODE의 성공 결정 요소
•
데이터율이 증가하면 비트 오류율(BER)이 증가
•
SNR이 증가하면 비트 오류율이 감소
•
대역폭이 증가하면 데이터율이 증가(→ 비트 오류율 증가)
⇒ Signal to Noise Ratio / Data rate / Bandwidth
인코딩 기법 — 정의와 평가 방식
인코딩: 데이터 비트를 신호 요소로 매핑시키는 것
bit —> (mapping) —> signal element
평가 방식
신호 스펙트럼
(signal spectrum) | - 고주파 성분이 거의 없는 경우: 좁은 대역폭으로 전송 가능
- (O) 직류 성분이 없는 경우: 변압기를 통한 교류 접속이 가능 + 우수한 전기적 격리를 제공하여 간섭 현상을 줄임
(X) 직류 성분인 경우 : 물리적인 직접 연결 필요
- 신호의 스펙트럼 특성 → 신호 왜곡과 간섭 효과
: 실제 채널의 전송 특성은 대역의 양끝에서 악화
⇒ 전송 대역폭의 중앙에 전력을 모으는 것이 좋음(수신 신호외 왜곡이 적어짐)
⇒ 전송 신호의 스펙트럼 모양이 가진 목적에 맞게 코드를 설계해야 함 |
시간 정보
(clocking) | - 각 비트의 시작과 끝의 위치를 결정할 필요성이 있음
— 클록: 수신측과 송신측의 동기화
→ 전송 신호에 기반을 둔 동기화 기법(인코딩 기법 사용) |
오류 검출
(error-detection) | - 데이터 링크제어 논리계층의 역할
- 물리적인 신호 인코딩 기법 내에 오류 검출 능력을 포함시키는 게 효율적 |
신호간섭 및 잡음 면역성
(signal interference and noise immunity) | - 잡음이 있더라도 성능이 우수한 인코딩도 존재
- 비트 오류율로 성능 표현 |
가격 및 복잡성
(cost & complexity) | - 디지털 논리 회로의 가격이 지속적으로 하락중
- 하지만 여전히 비쌈
- 주어진 데이터율을 달성하기 위해 신호전송률을 높이면 비용 상승 |
[ENCODE] NRZ(Nonreturn to Zero)
•
2개의 이진수에 대해 2개의 전압 레벨 사용
⇒ 비트 구간 동안 전압 레벨이 일정 ⇒ NO TRANSITION(천이)
•
단말기나 기타 장치에 의해 디지털 데이터를 생성 & 해독에 사용되는 코드
•
[전압 X ⇒ 0 / 일정량 전압 O ⇒ 1] [음의 전압 ⇒ 1 / 양의 전압 ⇒ 0]
NRZI(Nonreturn to Zero, Invert on ones)
•
비트구간 동안 일정한 전압 펄스 유지
•
데이터: 비트 구간의 시작점에서 transition의 유무로서 인코딩
◦
transition O ⇒ 이진수 1
◦
transition X ⇒ 이진수 0
•
Differential Encoding(차등 인코딩)
◦
전송할 정보를 인접 신호요소 간의 변화치로 표기( 신호요소 자체)
신호요소 자체)◦
(IF: NRZ-L) 도선이 잘못되서 반전되면 모든 1과 0이 반전
◦
(ELIF: NRZI) 차등 인코딩에서는 일어나지 않음
•
[장점] 쉬움 + 대역폭의 사용이 효율적임
•
[단점] 직류성분의 존재와 동기능력의 부족
(열이 길 경우 출력 전압이 발생 → 시간 표리(DRIFT) 발생 가능성)
⇒ 단순성 + 주파수응답 ⇒ 디지털 자기 기록에 사용 / (코드의 한계) 신호전송 X
[ENCODE] Multilevel Binary 다중 레벨 이진법
두 개 이상의 signal level을 사용
Bipolar-AMI (양극성-AMI)
BINARY 0 : NO LINE SIGNAL(선로신호가 없음)
BINARY 1 : 양 또는 음의 PULSE, 극성이 교대로 나타남
장점
1.
연속적으로 1이 길게 나오더라도 동기를 잃어버리지 않음
a.
각각의 1이 TRANSITION을 발생시킴
b.
수신기가 TRANSITION에 대해 재동기화 가능
c.
BUT 긴 0의 열은 여전히 문제
2.
1의 신호는 전압이 양에서 음으로 변하므로 순직류성분 X
3.
신호의 대역폭이 NRZ의 대역폭보다 작음
4.
펄스의 극성이 교대로 나타남 ⇒ 오류 검출 방법을 단순하게 만듬
(펄스가 제거/추가되는 경우 특성에 위반되기 때문에 바로 오류 검출이 됨)
Pseudoternary
BINARY 0 : 양 또는 음의 PULSE, 극성이 교대로 나타남
BINARY 1 : NO LINE SIGNAL(선로신호가 없음)
[PROBLEM] AMI의 긴 0의 열 / Pseudoternary의 긴 1의 열
SOLUTION
1.
추가적인 비트를 삽입하여 강제로 천이를 일으킴
•
비교적 낮은 data rate의 전송을 위한 ISDN에서 사용
•
높은 data rate에서 신호전송률을 증가시킴 ⇒ 비경제적
2.
데이터 스크램블
[ENCODE] Biphase
Manchester Encoding
각 비트 주기의 중간에 TRANSITION 존재
→ 시간 정보를 나타냄 + 데이터로서의 역할
BINARY 0 : DOWN TRANSITION
BINARY 1 : UP TRANSITION
Differential Manchester Encoding
중간 비트 TRANSITION : 클록을 제공하기 위해서만 사용
BINARY 0 : 비트 주기의 시작점에서 TRANSITION 존재함을 표기
BINARY 1 : 비트 주기의 시작점에 TRANSITION 미존재 표기
특징(단점일수도)
•
비트시간당 하나 이상의 TRANSITION
•
2개의 TRANSITION도 가능
•
최대 변조율이 NRZ의 2배
•
대역폭이 상당히 좁고 직류 성분도 미포함(Multilevel보다는 대역폭이 넓음)
•
데이터 전송에서 자주 쓰임
•
bandwidth를 더 많이 요구
장점
•
동기화: 각 비트 시간 동안 전압 TRANSITION 예측 가능 ⇒ 수신측이 synchronization 가능 ⇒ Biphase는 self-clocking code
•
직류 성부 비존재
•
오류 검출: TRANSITION이 있어야 하는 위치에서 없는 경우에 오류가 발생한 것
◦
다만 TRANSITION 위치의 앞뒤 모두에 신호가 역으로 된 경우에는 오류 검출이 안됨
신호 TRANSITION 비교
Digital Data → Analog Signal
Main Use: public telephone system
•
Analog signal을 receive, switch, transit하기 위해 설계됨
•
300Hz ~ 3400Hz 사이의 frequency 대역폭
•
subscriber location에서 digital signal을 핸들링하기에는 부적절
•
모뎀을 사용하여 digital data analog sinal
analog sinal ASK(Amplitude Shift Keying)
2개의 이진값 ⇒ 서로 다른 진폭을 가진 반송주파수로서 표현
•
하나는 고정된 진폭을 갖는 반송파의 존재로서 표현(1)
•
하나는 반송파의 비존재로 나타냄(0)
(반송 신호 = carrier signal)
•
gain의 변화에 민감하게 반응, 다소 비효율적
•
음성급 회선에서는 일반적으로 1200bps 전송속도 이하에서 사용
•
광섬유를 통해 디지털 데이터를 전송할 때 사용
BFSK(Binary Frequency Shift Keying)
2개의 이진값 ⇒ 2개의 서로 다른 주파수로서 구분
ASK보다 오류에 덜 취약하다
사용) 1200bps on voice grade lines / High Frequency Radio / coaxial cable을 사용하는 높은 frequency의 LANs
PSK(Phase Shift Keying)
•
carrier siganal이 나타나는 데이터에 따라 바뀜
•
Binary PSK(BPSK): Two phases represent the two binary digits
•
Differential PSK: Phase shifted relative to previous transmission rather than some reference signal
PERFORMANCE
BANDWIDTH
ASK/PSK의 경우, bit rate와 직접적으로 연관되어있음
MPSKD의 경우, 유의미한 improvement
NOISE
PSK와 QPSK의 bit error는 ASK와 FSK보다 3dB정도 GOOD
MFSK와 MPSK는 bandwidth efficiency와 error performance 사이의 tradeoff
QAM(Quadrature Amplitude Modulation)
비대칭 digital subscriber line(ADSL), 케이블 모뎀, 무선 기준에서 사용됨
ASK와 PSK의 combination
QPSK의 논리적인 연장선
Analog Data → Digital Signal
개관
코덱(codec): 아날로그 데이터의 전송을 위해 아날로그 데이터를 디지털 형태로 변환 && 디지털 형태에서 원래의 아날로그 데이터를 복원하는 장비
PCM(펄스 코드 변조)
샘플링 이론: 어떤 신호가 최고 주파수보다 2배 이상의 속도로 일정 시간 간격마다 채집된다면, 데이터는 원래의 신호가 가진 모든 정보를 포함
샘플 ⇒ 모두 아날로그 값 == 펄스 진폭 변조 샘플
비선형 인코딩을 통해 성능 개선
입력신호를 압축팽창하여 동일한 효과