데이터 통신 5주차 (신호 해석 기술)

Signal Encoding Techniques

"일반적으로, 송신기의 기능은 메시지를 인코딩(부호화)하는 것이며, 수신기의 기능은 메시지를 디코딩(해독)하는 것이라고 말할 수 있다."

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Digital Signal (디지털 신호)

디지털 신호: 불연속적인 전압 펄스의 연속적인 배열

 

각 펄스는 하나의 신호 요소입니다.

• • 이진 데이터는 각 데이터 비트를 신호 요소로 인코딩하여 전송됩니다.  (0과 1로 구성된 이진 데이터는 각 비트를 특정 신호 요소로 인코딩하여 전송됩니다.)

Terminology (용어)

• Unipolar (유니폴라) :모든 신호 요소가 동일한 부호를 가지는 형태
• Polar (폴라) : 한 논리 상태는 양의 전압, 다른 논리 상태는 음의 전압
• Data rate (데이터 전송 속도) : 초당 비트 수(bps)로 데이터가 전송되는 속도
• Duration or length of a bit (비트 길이 또는 지속 시간) :송신기가 비트 1개를 송출하는 데 걸리는 시간 (이 값이 작을수록 더 빠른 전송이 가능)
• Modulation rate (변조 속도) : 신호 수준이 변경되는 속도입니다. 보드(baud)로 표현, 이는 초당 신호 요소의 수를 의미
• Mark and space (마크와 스페이스) : 이진 데이터 1(마크)과 0(스페이스)을 의미

Interpreting Signals (신호 해석)

1. 비트의 시작과 종료 시점을 정확히 파악해야 합니다.
2. 신호의 레벨(전압 또는 전류 값)을 정확하게 감지해야 합니다. (신호의 높고 낮음이 1과 0으로 해석됨)

신호 해석에 영향을 미치는 요인

1. Signal to noise ratio (SNR, 신호 대 잡음비) :신호의 강도와 잡음의 비율 (SNR이 높을수록 신호 해석이 정확합니다.)
2. Data rate (데이터 전송 속도) : 초당 전송되는 비트 수(bps) (속도가 높아질수록 신호 해석의 난이도가 증가합니다.)
3. Bandwidth (대역폭) : 사용 가능한 주파수 범위, 더 넓은 대역폭은 더 많은 데이터를 전송할 수 있습니다.

Encoding Schemes (신호 인코딩)

• Signal spectrum (신호 스펙트럼) : 좋은 신호 설계는 전송된 전력이 대역폭의 중간에 집중되도록 해야 합니다.
• Clocking (클로킹, 동기화) : 송,수신기를 외부 클럭 또는 동기화 메커니즘을 사용해 동기화할 필요가 있습니다.
• Error detection (오류 감지) : 오류 감지는 데이터 링크 제어와 같은 신호 레벨 상위의 논리 계층의 책임입니다.
• Signal interference and noise immunity (신호 간섭 및 잡음 내성) : 특정 코드는 잡음이 많은 환경에서 더 잘 작동합니다.
• Cost and complexity (비용과 복잡성) : 신호 속도가 높아질수록 비용이 증가합니다.

Nonreturn to Zero (NRZ)

• 0과 1 비트에 두 가지 다른 전압을 사용하여 디지털 신호를 전송하는 가장 쉬운 방법

비트 간격 동안 전압 수준이 일정하게 유지됩니다.

• 0일 때는 전압이 없음, 1일 때는 일정한 양의 전압
• 일반적으로 음의 전압은 하나의 값을, 양의 전압은 다른 값을 나타냅니다. ( NRZ-L (Nonreturn to Zero-Level) , 0(음의 전압)은 특정 전압 상태로 유지되고, 1(양의 전압)도 다른 전압 상태로 유지됩니다. 즉, 이 방식의 핵심은 0과 1이 전압 변화 없이 각기 다른 전압 상태로 표현된다는 점입니다. 즉, 비트 간격 동안 신호의 전압이 바뀌지 않고 일정하게 유지되는 것이 특징입니다.

NRZI (Non-return to Zero Inverted)

NRZI는 1로 시작하는 것이 아니라, 1이 나올 때마다 전압을 반전시키는 방식, 0일 때는 신호가 유지되고, 1일 때는 신호가 반전됩니다.

• Non-return to zero, invert on ones : 1 비트에서 전압이 전환(반전) 됨
• 비트 시간 동안 일정한 전압 펄스 유지, 신호 전환 유무로 데이터 인코딩 : 비트 시간의 시작 시 전환이 있으면 1로 해석되고 전환이 없으면 0으로 해석됩니다.

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Multilevel Binary Bipolar-AMI 

1. 두 개 이상의 신호 레벨 사용 : 일반적인 이진 신호(0과 1) 외에도, 신호 레벨이 세 가지(양전압, 음전압, 0 신호)로 구성됩니다.
2. Binary 0은 신호 없음으로 표현 / Binary 1은 양의 펄스 또는 음의 펄스로 표현, Binary 1의 펄스는 극성을 교대로 사용
3. 긴 1의 연속에도 동기 손실이 없음
4. DC 성분이 없음
5. 낮은 대역폭 요구
6. 쉬운 오류 감지

Multilevel Binary Pseudoternary ( 0과 1의 표현 방식이 반대)

1. Binary 1은 신호 없음
2. Binary 0은 양/음 펄스가 교대로 나타남 (Bipolar-AMI와 성능 상의 차이 없음)

Multilevel Binary Issues (멀티 레벨 이진코딩의 문제점)

1. 동기화 문제 (Synchronization with long runs of 0’s or 1’s)

• 0 또는 1이 연속될 경우, 동기화가 어려워질 수 있습니다.

해결책:

• 강제 전환을 유도하는 추가 비트를 삽입할 수 있습니다.
• 데이터 스크램블링(scramble)을 통해 연속된 패턴을 분산시킵니다.

2. NRZ에 비해 비효율적 (Not as efficient as NRZ)

• 각 신호 요소가 단일 비트만을 표현 가능 / 수신기는 세 가지 레벨을 구분해야 합니다: +A, -A, 0
• 세 레벨 시스템은 log₂3 ≈ 1.58 비트를 표현할 수 있습니다.
• 동일한 비트 오류 확률을 유지하려면 약 3dB 더 많은 신호 전력이 필요합니다.

맨체스터 인코딩 (Manchester Encoding)

1. 비트 주기의 중간에서 신호 전환이 발생하며, 이 중간 전환이 데이터 신호와 클럭 신호 역할을 동시에 합니다.
2. 예를 들어, 낮은 전압에서 높은 전압으로 전환되면 1, 반대로 높은 전압에서 낮은 전압으로 전환되면 0으로 인코딩 됩니다.
3. 장점은 데이터와 클럭을 동시에 전송하여 동기화 문제를 해결할 수 있다는 점

차등 맨체스터 인코딩 (Differential Manchester Encoding) 

데이터는 비트 주기 시작 시 신호 전환 여부로 결정됩니다.

1. 0의 인코딩: 비트 주기가 시작될 때 신호 전환이 발생하면 0으로 인코딩됩니다.
2. 1의 인코딩: 비트 주기가 시작될 때 신호 전환이 없으면 1로 인코딩됩니다.
3. 장점: 극성 변화에 영향을 받지 않기 때문에, 신호의 극성이 반전되어도 데이터를 정확하게 전송할 수 있습니다.

Biphase Pros and Cons (바이페이즈 인코딩의 장단점)

바이페이즈 인코딩은 대표적으로 맨체스터 인코딩과 차등 맨체스터 인코딩을 포함하는 방식입니다

Pros (장점)

1. Synchronization (동기화)
2. No DC component (직류 성분 없음)
3. Has error detection (오류 감지 기능)

Cons (단점)

1. 각 비트 시간에 최소 한 번의 전환 (At least one transition per bit time):
   • 바이페이즈 인코딩에서는 최소한 한 번의 신호 전환이 발생해야 하므로, 전환이 적은 다른 인코딩 방식에 비해 전력 소모가 더 큽니다.
2. 최대 변조 속도가 NRZ의 두 배 (Maximum modulation rate is twice NRZ):
   • NRZ(Non-Return-to-Zero)와 비교했을 때, 바이페이즈 인코딩은 두 배의 변조 속도가 필요합니다. 이는 비트 당 전환 횟수가 많아 효율이 떨어지는 단점이 있습니다.
3. 더 많은 대역폭 필요 (Requires more bandwidth):
   • 바이페이즈 인코딩은 더 많은 신호 전환을 포함하기 때문에 더 많은 대역폭이 요구됩니다. 이는 네트워크의 효율성 측면에서 제한이 될 수 있습니다.

Scrambling :

• 스크램블링 (Scrambling)은 통신 시스템에서 일정한 전압 상태(즉, 장시간 같은 비트 패턴, 예: 0만 또는 1만 나오는 경우)가 지속되는 것을 방지하기 위한 기술입니다. 지속적으로 같은 신호가 전송되면 수신 측에서 동기화가 깨질 가능성이 있으며, 이를 방지하기 위해 스크램블링을 사용합니다.

B8ZS

1. 8개의 0을 다른 패턴으로 대체하는 방식
2. Bipolar-AMI 기반
   • AMI(Alternate Mark Inversion) 방식에 기반을 두며, 신호가 양과 음으로 번갈아 나타납니다.
   • B8ZS는 8개의 연속된 0을 처리하기 위해 몇 가지 규칙을 추가합니다.

B8ZS 규칙 (Amended rules)

• 8개의 0이 연속으로 나타났을 때:
  1. 이전 전압 펄스가 양수(positive)였다면:
     • 8개의 0을 000+-0-+로 인코딩합니다.
  2. 이전 전압 펄스가 음수(negative)였다면:
     • 8개의 0을 000-+0+-로 인코딩합니다.

BFSK (Binary Frequency Shift Keying)

• 개념: FSK(주파수 편이 변조)의 한 형태로, 두 개의 서로 다른 주파수를 사용해 0과 1을 표현
• 특징: ASK보다 오류에 덜 민감합니다. 신호의 주파수를 변화시켜 데이터를 인코딩하므로, 신호 진폭의 변화에는 영향을 덜 받습니다.
• 사용 용도:
  • 음성 등급 라인에서 최대 1200bps까지 사용
  • 고주파 라디오 통신
  • 동축 케이블을 사용하는 LAN에서 더 높은 주파수를 사용

ASK (Amplitude Shift Keying)

• 개념: 신호의 진폭을 변화시켜 데이터를 인코딩하는 방식으로, 0과 1을 각기 다른 진폭 값으로 표현합니다.
• 특징: 갑작스러운 변화에 민감, 비효율적: 잡음에 매우 민감하고 효율이 낮음.
• 사용 용도: 음성 등급 회선에서 최대 1200bps까지 사용, 광섬유에서 매우 고속 통신

MFSK (Multiple Frequency Shift Keying)

• 개념: FSK의 확장된 형태로, 두 개 이상의 주파수를 사용해 데이터를 표현합니다. 각 신호 요소가 하나 이상의 비트를 표현할 수 있습니다.
• 특징: 대역폭 효율성 증가 그러나 오류에 더 취약함

PSK (Phase Shift Keying)

• 개념: 반송파 신호의 위상 변화로 데이터를 인코딩하는 방식으로, 신호의 위상을 전환하여 이진 데이터를 전송합니다.
• PSK의 유형:
  • BPSK (Binary PSK): 두 가지 위상(예: 0°와 180°)을 사용해 0과 1을 표현, 0°는 0, 180°는 1을 의미
  • DPSK (Differential PSK):
    • 기준 신호가 아닌 이전 신호의 위상 변화에 따라 데이터를 인코딩합니다.
    • 위상 차이를 사용하여 송신자와 수신자 간의 동기화 문제를 줄입니다.

디지털에서 아날로그 변조 방식의 성능

대역폭(Bandwidth)

1. ASK/PSK 대역폭은 비트율과 직접 관련됨
2. 다중 레벨 PSK(MPSK)를 사용하면 대역폭 효율성이 크게 향상됨

잡음 환경에서(In presence of noise)

1. PSK와 QPSK의 비트 오류율은 ASK와 FSK보다 약 3dB 우수
2. MFSK와 MPSK는 대역폭 효율성과 오류 성능 사이의 균형을 고려

QAM

QAM은 ASK(진폭 변조)와 PSK(위상 변조)를 결합한 방식, 진폭과 위상을 모두 변조하여 더 많은 데이터를 전송하는 기술

주로 ADSL, 케이블 모뎀, 일부 무선 통신 표준에 사용됩니다.

QPSK의 논리적 확장 : QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 방식에서 발전한 형태

QAM에서는 같은 반송파 주파수에서 90도 이동된 두 개의 반송파를 사용하여 두 가지 독립적인 신호를 동시에 전송합니다. 각 반송파는 ASK 방식으로 변조되며, 수신기에서 이 두 신호를 복조해 결합한 후 원래의 이진 데이터를 복원합니다.

디지털화(Digitization)

• 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 과정, 변환된 디지털 데이터는 다음과 같은 방식으로 활용
  • NRZ-L(Non-Return-to-Zero Level) 방식으로 전송, NRZ-L 외의 다른 코드를 사용해 전송 -> 다시 아날로그 신호로 변환

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아날로그-디지털 변환

• 코덱(Codec)을 사용해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환
  1. 펄스 코드 변조(PCM, Pulse Code Modulation)
  2. 델타 변조(Delta Modulation)

PCM (펄스 코드 변조)

1. 샘플링 정리에 기반함
   • 샘플링 이론에 따르면, 주파수 신호 f(t)는 일정한 시간 간격으로 샘플링되고, 샘플링 속도가 최대 주파수의 두 배보다 클 경우, 이 샘플들이 원래 신호의 모든 정보를 포함함, 이러한 샘플을 저역통과 필터(lowpass filter)를 사용하여 원래 신호로 복원할 수 있습니다.
2. 펄스 진폭 변조(PAM, Pulse Amplitude Modulation)
   • 아날로그 샘플을 이용합니다.
   • 디지털로 변환하기 위해서는 각 아날로그 샘플에 이진 코드가 할당되어야 합니다.

DM (델타 변조)

1. 아날로그 입력을 계단 함수로 근사 : 각 샘플링 간격마다 양자화 수준(δ)으로 위아래로 움직일 수 있습니다.
2. 이진 행동을 가짐
   • 함수는 각 샘플링 간격마다 오르거나 내림만 발생하고, 다음 간격 동안 계단 함수가 위로 올라갈 경우 1, 그렇지 않으면 0이 생성됩니다.
   • 델타 변조의 출력은 각 샘플마다 하나의 이진 숫자로 표현될 수 있습니다.

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{ 요약 }

1. 디지털 데이터, 디지털 신호

• NRZ (Nonreturn to zero): 0과 1을 나타내는 전압을 일정하게 유지하는 방식
• 다중 레벨 바이너리 (Multilevel binary): 두 가지 이상의 신호 레벨을 사용
• 바이페이즈 (Biphase): 동기화를 위한 중간 전이 상태가 존재
• 변조 속도 (Modulation rate): 신호 수준이 변경되는 속도
• 스크램블링 기법 (Scrambling techniques): 일정한 전압을 방지하고 동기화를 유지하기 위한 기법

2. 아날로그 데이터, 디지털 신호

• 펄스 코드 변조 (Pulse Code Modulation): 아날로그 신호를 디지털로 변환
• 델타 변조 (Delta Modulation, DM): 아날로그 입력을 계단 함수로 근사하여 표현
• 성능 (Performance): 변조 방식에 따른 성능 분석