데이터 통신 (3주차) (데이터 통신)

{ 데이터의 성공적인 2가지 요소 }

1. 전송되는 신호의 품질

2. 전송 매체의 특성

{ 전송 용어 }

- 데이터 전송은 송신자와 수신자 간 특정 전송 매체를 통해 이루어지며, 전송매체는 유도성 매체와 비유도성 매체로 분류

- 유도 및 비유도성 매체 모두 전자기파의 형태로 전송되며 

유도성 매체의 경우, 전자기파가 물리적 경로를 따라 전송되며 예시로는 꼬임쌍선, 동축 케이블 ,광섬유 존재 

반면 비유도성 매체의 경우, 무선이라고 하며 전자기파를 전송하는 수단을 제공 but 전파를 안내하지 않음 예시로는 공기, 진공, 바닷물을 통한 전파

"직접 링크"는 두 장치 간의 전송 경로를 가리키며,  신호가 송신기에서 수신기로 중간 장치(신호 강도를 증폭시키는 증폭기 or 중계기) 없이 전달됨

유도성 전송 매체가 두 장치 간 직접 링크를 제공하며 그 매체를 공유하는 장치가 오직 2개면 이를 점대 점 연결이라고 하고 반면에 다중 접점 유도성 구성에는 2개 이상의 장치가 공유

{ 전송 방식 } - 3가지로 구분

- 단방향 (Simplex) : 신호가 오직 한 방향으로 전송 즉, 한 쪽은 송신기 다른 쪽은 수신기 역할

- 반이중 (Duplex) : 양쪽 모두 신호 전달 가능하지만 한 번에 한 쪽만 전송이 가능

- 전이중 (Full duplex) : 양쪽이 동시에 신호를 전송 가능하며 양방향으로 동시에 신호를 전달합니다.

주파수, 스펙트럼, 대역폭

{시간 영역 개념}

- 아날로그 신호 (analog signal) : 신호 강도가 끊김 없이 부드럽게 변화, 시간에 따라 부드럽고 연속적으로 변화하는 신호의 형태

- 디지털 신호 (digital signal) : 신호 강도가 일정한 수준을 유지하다 갑자기 다른 수준으로 변화, 이진수 1과 0 나타냄, 시간이 지남에 따라일정한 전압 수준을 유지하다 갑자기 다른 전압 수준으로 변화하는 형태

- 주기적 신호 (periodic signal) : 신호 패턴이 시간에 따라 반복

- 비주기적 신호 (aperiodic signal) : 신호 패턴이 시간에 따라 반복되지 않음

 

> 가장 간단한 신호 유형은주기적 신호로 시간에 따라 동일한 신호 패턴이 반복됨

예시) 주기적인 연속 신호(사인파) / 주기적인 이산 신호(정현파)

아날로그 및 디지털 신호

사인파 (주기적인 연속 신호)

- 최대 진폭 (A, Peak amplitude) : 신호의 최대 세기

- 주파수 (f, Frequency) : 신호가 반복되는 속도, 주파수 단위는 헤르츠(Hz) 또는 초당 사이클이며 주기(T)는 하나의 반복에 필요한 시간

- 위상 : 신호의 단일 주기 내 시간의 상대적 위치

s(t) = A sin(2πft + Φ) 각 변수는 다음을 의미합니다: A: 최대 진폭, f: 주파수 (Hz), Φ: 위상

두 사인파(시간과 공간에서의 사인파)는 간단한 관계를 가지고 있습니다. 파장(λ)은 한 주기의 길이이며, 속도 v로 이동하는 신호는 λ = vT 또는 λf = v로 표현됩니다.

주파수 영역 개념 (Frequency Domain Concepts)

- 신호는 여러 주파수로 구성,구성 요소는 사인파이며 푸리에 분석을 통해 모든 신호가 다양한 주파수의 구성 요소들로 이루어져 있고 각 구성 요소는 사인파(정현파)임을 보여주며 주파수 영역 함수를 그래프로 나타낼 수 있음

 

파장(Wavelength) : 파장(λ)은 신호의 한 주기가 차지하는 거리  또는 연속적인 두 주기에서 상이 같은 두 지점 사이의 거리

스펙트럼과 대역폭(Spectrum and Bandwidth)

신호는 여러 주파수 성분으로 구성될 수 있고 이러한 주파수들의 분포를 스펙트럼이라고 합니다. 스펙트럼은 신호가 포함된 모든 주파수 성분의 범위와 각각의 주파수에서의 진폭을 보여줌

 

대역폭은 신호가 차지하는 주파수 범위, 신호의 가장 낮은 주파수와 가장 높은 주파수 사이의 차이로 정의

 대역폭이 넓을수록 더 많은 정보나 빠른 데이터 전송이 가능함

 

즉, 스펙트럼은 신호의 주파수 성분 분포, 대역폭은 이 주파수 범위의 크기

데이터 속도와 대역폭 (Data Rate and Bandwidth)

유효 대역폭은 신호 에너지가 집중된 범위, 신호는 매우 넓은 주파수 범위를 가질 수 있지만, 실제로 전송 시스템(송신기, 매체, 수신기)은 제한된 대역의 주파수만 처리가능, 이는 데이터 속도를 제한

아날로그 및 디지털 데이터 전송 (Analog and Digital Data Transmission)

• 데이터 (Data): 정보를 전달하는 엔티티
• 신호 (Signals): 데이터를 나타내는 전기적 또는 전자기적 표현
• 신호 전달 (Signaling): 매체를 따라 물리적으로 신호가 전파되는 것
• 전송 (Transmission): 데이터를 신호의 전파 및 처리로 전달하는 과정

아날로그와 디지털은 각각 연속적 및 이산적을 의미 데이터 통신에서는 데이터, 신호 전달, 전송 이렇게 3 가지 맥락에서 자주 사용

디지털 데이터(Digital Data)

대표적인 예는 텍스트나 문자열 / 문자 데이터를 그대로는 데이터 처리나 통신 시스템에서 다루기 어렵기 때문에, 문자를 비트 시퀀스로 표현하는 여러 가지 코드가 개발되었습니다.

초기의 대표적 코드는 모스 부호였고, 오늘날 가장 널리 사용되는 코드는 국제 참조 알파벳(IRA)입니다. IRA 코드는 각 문자를 고유한 7비트 패턴으로 표현하며, 이를 통해 128개의 문자를 나타낼 수 있습니다.

이러한 IRA 코드는 실제로는 8비트로 저장 및 전송되는데, 8번째 비트는 패리티 비트로 사용됩니다. 패리티 비트는 오류 검출을 위해 추가된 비트로, 각 비트 패턴 내의 1의 개수가 홀수 또는 짝수가 되도록 설정됩니다. 이 방식으로, 전송 과정에서 발생할 수 있는 비트 오류를 감지할 수 있습니다.

디지털 데이터의 이점과 단점 (Advantages & Disadvantages of Digital Signals)

장점:

1. 잡음에 강함: 디지털 신호는 잡음이 발생해도 신호를 정확하게 복구할 수 있는 능력이 있어, 데이터 전송의 신뢰도가 높습니다.
2. 복제 및 전송 용이: 디지털 신호는 손실 없이 복사할 수 있고, 전송 중 품질 저하가 거의 없습니다.
3. 에러 검출 및 수정 가능: 디지털 데이터는 오류 검출 및 수정이 용이해 전송 중 발생하는 오류를 처리할 수 있습니다.
4. 데이터 압축: 디지털 데이터는 압축할 수 있어 저장 공간 절약 및 전송 효율을 높일 수 있습니다.

단점:

1. 대역폭 요구: 디지털 신호는 아날로그 신호에 비해 더 넓은 대역폭을 요구하는 경우가 많습니다.
2. 복잡한 변환 과정: 아날로그 데이터를 디지털로 변환하는 과정이 복잡하고, 변환 장비가 필요합니다.
3. 비용: 초기 장비 설치와 유지보수 비용이 높을 수 있습니다.
4. 데이터 손실: 변환 과정에서 일부 아날로그 신호의 세부 정보가 손실될 수 있습니다.

PC 입력을 디지털 신호로 변환 (Conversion of PC Input to Digital Signal)

• PC에서의 사용자 입력은 0과 1로 이루어진 이진 숫자 스트림으로 변환됩니다.
• 일반적인 디지털 신호는 이진 1은 -5볼트, 이진 0은 +5볼트로 표현됩니다.
• 각 비트는 0.02 밀리초(msec) 동안 유지되며, 이로 인해 초당 50,000 비트(50kbps)의 데이터 전송 속도를 가집니다.

아날로그 신호 (Analog Signals)

• 아날로그 신호는 연속적으로 변화하는 전자기파로 데이터를 표현
• 전화기(telephone): 아날로그 데이터(음성 소리 파동) ↔ 아날로그 신호로 변환 및 전송.
• 모뎀(modem): 디지털 데이터(이진 전압 펄스) ↔ 아날로그 신호(반송 주파수에 변조된 신호)로 변환 및 전송

디지털 신호 (Digital Signals)

• 디지털 신호는 전압 펄스의 연속으로 데이터를 표현
• 코덱(Codec): 아날로그 신호 ↔ 디지털 신호로 변환.
• 디지털 트랜시버(Digital Transceiver): 디지털 데이터 ↔ 디지털 신호로 변환 및 전송

아날로그 및 디지털 전송

아날로그 전송은 연속적인 신호를 사용하여 데이터를 전송하는 방식, 전자기파나 전압의 연속적인 변화로 데이터를 표현음성, 음악, 비디오 등의 아날로그 데이터를 전송할 때 사용

 

디지털 전송은 이진수(0과 1)로 이루어진 신호를 사용하여 데이터를 전송하는 방식

이 방식은 전압의 두 가지 상태(보통 +5V와 0V 또는 +5V와 -5V)로 데이터를 표현하며, 디지털 데이터나 처리된 아날로그 데이터를 전송할 때 사용됩니다.

전송 장애 (Transmission Impairments)

• 수신된 신호가 송신된 신호와 달라질 수 있으며, 그로 인해 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다:
  • 아날로그: 신호 품질 저하
  • 디지털: 비트 오류
• 가장 중요한 전송 장애는 다음과 같습니다:
  • 감쇠 (attenuation)
  • 지연 왜곡 (delay distortion)
  • 잡음 (noise)

감쇠 (Attenuation): 신호 강도는 어떤 전송 매체에서도 거리가 멀어질수록 감소하고 감쇠는 주파수에 따라 달라집니다.

지연 왜곡(Delay Distortion)은 유도 매체를 통해 신호가 전달될 때, 주파수에 따라 전파 속도가 달라지기 때문에 발생합니다.

• 각 주파수 성분이 서로 다른 시간에 도착하여 주파수 간 위상 변화가 생깁니다. 이 현상은 디지털 데이터에 특히 치명적, 왜냐하면 하나의 비트의 일부가 다른 비트로 겹쳐져서 기호 간 간섭(이심볼 간섭, intersymbol interference)을 유발하기 때문입니다.

잡음(Noise) : 어떤 데이터 전송이든, 수신된 신호는 전송 시스템이 가한 다양한 왜곡으로 수정된 송신된 신호와 송신과 수신 사이에 삽입된 추가적인 원하지 않는 신호(잡음)로 구성됩니다. 후자의 원하지 않는 신호들을 잡음이라고 하며, 잡음은 통신 시스템 성능을 제한하는 주요 요인

잡음은 다음 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다:

1. 열 잡음(Thermal noise)
2. 상호변조 잡음(Intermodulation noise)
3. 혼선(Crosstalk)
4. 충격 잡음(Impulse noise)

열 잡음(Thermal Noise): 전자의 열적 동요로 인해 발생하며 모든 전자 장치와 전송 매체에 존재하는 잡음입니다. 주파수와 무관하게 일정하게 분포되어 있으며, 제거할 수 없기 때문에 통신 시스템 성능에 한계를 설정합니다.

상호변조 잡음(Intermodulation Noise): 서로 다른 주파수 신호가 동일한 전송 매체를 사용할 때 발생하는 잡음으로, 두 신호의 주파수 합 또는 차에서 발생합니다. 비선형 시스템에서 주로 발생하며 신호 간섭을 일으킬 수 있습니다.

 

충격 잡음(Impulse Noise):
외부 전자기 간섭으로 인해 발생하며, 불규칙한 펄스나 스파이크로 구성된 비연속적인 신호입니다. 짧은 시간 동안 높은 진폭을 가지며, 아날로그 신호에서는 경미한 불편을 일으키지만, 디지털 데이터에서는 주요한 오류의 원인이 됩니다.

혼선(Crosstalk):
한 라인의 신호가 다른 라인에서 수신되는 현상으로, 근처 꼬인 쌍선 간의 전기적 결합이나 마이크로파 안테나가 원치 않는 신호를 수신할 때 발생합니다.

 

채널 용량 (Channel Capacity)
: 주어진 조건 하에서 특정 통신 경로 또는 채널을 통해 데이터를 전송할 수 있는 최대 속도

여기서 연결하려는 네 가지 개념이 있습니다:

1. 데이터 속도: 초당 비트 수(bps)로 측정되는 데이터 전송 속도
2. 대역폭: 송신기와 전송 매체의 특성에 따라 제한된 신호의 대역폭(Hz)
3. 잡음: 통신 경로에서 발생하는 평균 잡음 수준
4. 오류율: 전송된 1을 0으로 수신하거나, 0을 1로 수신하는 오류 발생 비율

나이퀴스트 대역폭(Nyquist Bandwidth)

잡음이 없는 채널에서 신호 전송 속도와 대역폭의 관계를 설명합니다.

• 신호 전송 속도와 대역폭: 대역폭이 B일 때, 최대 신호 전송 속도는2B
• 이진 신호: 이진 신호의 경우, 2B bps의 전송 속도를 위해 B Hz 대역폭이 필요합니다.
• 신호 수준 증가: M개의 신호 수준을 사용하면 전송 속도를 늘릴 수 있으며, 나이퀴스트 공식은C = 2B log₂M입니다.
• 신호 수준 증가의 영향: 신호 수준이 증가하면 수신기에 부담이 커집니다.
• 제약 요소: 잡음등으로 인해 신호 수준의 증가에는 한계가 있습니다.

Shannon Capacity Formula (섀넌 용량 공식)

• 데이터 속도, 잡음, 오류율의 관계를 고려했을 때:
  • 더 빠른 데이터 속도는 각 비트의 길이를 단축시키므로 잡음의 폭발이 더 많은 비트를 손상시킬 수 있습니다.
  • 주어진 잡음 수준에서, 데이터 속도가 높을수록 오류도 더 많이 발생합니다.
• Shannon은 신호 대 잡음 비율(SNR)과 관련된 공식을 개발했습니다. SNR_db = 10 log₁₀(신호/잡음)
• 용량 공식: C = B log₂(1 + SNR) [이 공식은 이론적인 최대 용량을 나타냅니다. 그러나 실제로는 훨씬 낮은 속도가 발생합니다.]

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{ 요약(Summary) }

• 전송 개념 및 용어 (Transmission concepts and terminology)
  • 유도/비유도 매체 (guided/unguided media)
• 주파수, 스펙트럼 및 대역폭 (Frequency, spectrum, and bandwidth)
• 아날로그 신호 vs. 디지털 신호 (Analog vs. digital signals)
• 데이터 속도와 대역폭의 관계 (Data rate and bandwidth relationship)
• 전송 장애 요소 (Transmission impairments)
  • 감쇠 (attenuation), 지연 왜곡 (delay distortion), 잡음 (noise)
• 채널 용량 (Channel capacity)
  • 나이퀴스트/섀넌 (Nyquist/Shannon)