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Part 2 : 물리층. 물리층의 역할. 물리층. 물리층 서비스 비트 대 신호 변환 : 매체를 통해 전파될수 있도록 비트를 신호로 변환 비트 전송률 제어 : 물리층의 하드웨어와 소프트웨어 설계에 의해 전송률 결정 비트 동기화 : 전송자와 수신자를 같이 제어하는 시간 맞추기 방식을 제공 다중화 : 효율을 높이기 dnlgo 물리층을 논리적인 채널로 나누는 작업 교환 : 두 노드 사이에 전용선을 사용하는 회선의 교환. 물리층. 전송매체 유도 매체 비유도 매체 네트워크와 기술
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Part 2 : 물리층 • 물리층의 역할
물리층 • 물리층 서비스 • 비트 대 신호 변환 : 매체를 통해 전파될수 있도록 비트를 신호로 변환 • 비트 전송률 제어 : 물리층의 하드웨어와 소프트웨어 설계에 의해 전송률 결정 • 비트 동기화 : 전송자와 수신자를 같이 제어하는 시간 맞추기 방식을 제공 • 다중화 : 효율을 높이기 dnlgo 물리층을 논리적인 채널로 나누는 작업 • 교환 : 두 노드 사이에 전용선을 사용하는 회선의 교환
물리층 • 전송매체 • 유도 매체 • 비유도 매체 • 네트워크와 기술 • 전화 네트워크 • 고속 접근
3 장 신호 3.1 아날로그와 디지털 3.2 아날로그 신호 3.3 디지털 신호 3.4 아날로그 대 디지털 3.5 데이터 전송률의 한계 3.6 전송장애 3.7 신호에 대한 추가 사항 3.8 요약
3.1 아날로그 신호와 디지털 정보가 전송되기 위해서는 전자기 신호로 변환되어야 한다. 신호는 아날로그나 디지털이 될 수 있다. 아날로그 정보는 연속적인 반면, 디지털 정보는 이산적이다.
아날로그 신호와 디지털 • 아날로그 신호는 연속적인 파형 • 인간의 목소리 • 디지털 신호는 이산적인 파형 • 0과 1의 형태로 컴퓨터의 기억장치에 저장되는 데이터 • 아날로그와 디지털 신호의 비교
아날로그 신호와 디지털 • 주기 신호(Periodic signals) • 연속적으로 반복된 패턴으로 구성 • 사이클 –하나의 완성된 패턴 • 신호의 주기(T)는 초 단위로 표현 • 비주기 신호(Aperiodic signals) • 시간에 따라 반복된 패턴이나 사이클이 없이 항상 변한다 • 신호는 반복된 패턴이 없다
아날로그 신호와 디지털 데이터 통신에서는 흔히 주기 아날로그 신호를 사용하거나 비주기 디지털 신호를 사용한다.
3.2 아날로그 신호 • 싸인파(sine wave, 정현파)는 아날로그 주기 신호의 가장 기본적인 형태 • 단순 아날로그 신호(정현파) • s는 순간 진폭, A는 최대 진폭, f는 주파수, 는 위상이라 할때
최대 진폭 • 전송하는 신호의 에너지에 비례하는 가장 큰 세기의 절대값 • 전기 신호의 경우, 최대 진폭은 전압으로 측정
주기와 주파수 • 주기(Period)와 주파수(Frequency) • 주기(T) • 하나의 사이클을 완성하는데 필요한 시간(초 단위) • 주파수 • 주기의 역수(1 / t), 1초 동안 생성되는 신호 주기의 수 • 주파수 = 1 / 주기, 주기 = 1 / 주파수 • f = 1 / T , T = 1 / f
주기와 주파수 • 주기와 주파수 단위
주기와 주파수 • 예제 1 100ms 를 마이크로 초로 나타내고 상응하는 주파수를 KHz로 나타내라. 풀이> 100ms 를 마이크로 초로 나타내자. 표 3.1로부터 1ms 와 1 초에 상응하는 값을 찾아서 값을 대입하면 다음과 같다. 100 ms = 100 10-3 s = 100 10-3 106 ℳ s = 105 ℳ s 이제 주파수를 찾기 위해 역을 취하고 다시 kHz로 변환하면 아래와 같다. 100 ms = 100 10-3 s = 10-1 s f = 1/10-1 Hz = 10 10-3 KHz = 10-2 KHz
주기와 주파수 주파수는 시간에 대한 신호의 변화율이다. 짧은 기간 내의 변화는 높은 주파수를 의미한다. 긴 기간에 걸친 변화는 낮은 주파수를 의미한다. 만약 신호가 전혀 변화하기 않으면 주파수는 0이다. 신호가 순간적으로 변화하면 주파수는 무한대이다.
위상 • 시간 0 시에 대한 파형의 상대적인 위치 • 시간축을 따라 앞뒤로 이동될 수 있는 파형에서 그 이동된 양 • 첫 사이클의 상태를 표시
위상 • 예제 2 정현파는 시간 0 의 점에서 원의 1/6 이다. 위상은 얼마인가? 풀이> 하나의 완전한 원은 360 도이다. 그러므로 원의 1/6은 다음과 같다. (1/6) 360 = 60 degrees = 60 x 2p /360 rad = 1.046 rad
위상 • 정현파의 예 최대 진폭 : 5, 주파수 : 4, 위상 : 0 최대 진폭 : 10, 주파수 : 8, 위상 : 0 최대 진폭 : 5, 주파수 : 2, 위상 : ∏/2
아날로그 신호는 주파수 영역으로 가장 잘 표현된다.
단일 주파수의 정현파는 데이터 통신에는 유용하지 않다. 유용하게 하기 위해서는 한 개 이상의 특성을 바꾸어주어야 한다. 단일 주파수 신호의 한 개 이상의 특성을 바꾸면 많은 주파수를 갖는 복합신호를 만들게 된다. 푸리에 해석에 따르면, 임의의 복합신호는 서로 다른 주파수, 위상, 진폭을 갖는 단순 정현파들의 조합으로 나타낼 수 있다.
직교파 • 최대 진폭 A, 주파수 f(주기 T)의 직각파
조파 • 3개의 조파 • 합쳐진 3개의 조파
주파수 스펙트럼 • 주파수 스펙트럼 비교 • 신호를 주파수 영역의 모든 성분들을 이용하여 표현하는 것
대역폭 대역폭은 전송매체의 특성이다. 전송매체가 성공적으로 통과시키는 최고 주파수와 최저 주파수의 차이이다. 대역폭은 매체의 특성을 나타내거나 신호 스펙트럼의 폭을 의미한다.
대역폭 • 주파수 스펙트럼과 대역폭 • 신호의 스펙트럼은 신호를 구성하는 모든 정현파 신호의 조합 • 주파수 영역 그래프로 표현 가능 • 신호의 대역폭은 주파수 스펙트럼의 넓이이다 • 대역폭 = 최고 주파수 –최소 주파수
대역폭 • 예제 3 만약 주기적 신호가 주파수 100, 300, 500, 700, 900Hz 를 갖는 5 개의 정현파로 분해된다면, 그 대역폭은 얼마인가? 모든 구성요소가 10 볼트의 최대 진폭을 갖는다고 가정하고 스펙트럼을 그리시오. 풀이> fh를 최고 주파수, fl을 최저 주파수라 하고, B는 대역폭이라 하자. B = fh - fl = 900 - 100 = 800 Hz 스펙트럼은 주파수 100, 300, 500, 700, 900 의 5 개 막대만을 가진다.
대역폭 • 예제 4 어떤 신호가 20Hz의 대역폭을 가지며, 최고 주파수는 60Hz이다. 가장 낮은 주파수는 얼마인가? 신호가 같은 진폭의 모든 정수 주파수를 포함할 때, 스펙트럼을 그리시오. 풀이> fh를 최고 주파수, fl을 최저 주파수라 하고, B는 대역폭이라 하자. B = fh - fl 20 = 60 – fl fl = 60 - 20 = 40 Hz
대역폭 • 예제 5 • 1,000 에서 2,000Hz 의 주파수 스펙트럼(대역폭 1,000Hz)을 갖는 신호가 있다. 전송 매체가 3,000 에서 4,000hz(대역폭 1,000Hz)의 주파수를 통과시킨다고 한다. Dl 신호는 이 매체를 제대로 통과할 수 있는가? • 풀이> 답은 절대 통과하지 못한다이다. 신호가 비록 같은 대역폭을 갖지만, 영역이 겹치지 않는다. Dl 전송매체는 3,000 에서 4,000Hz 의 신호만 통과시키므로 신호는 완전히 소실된다.
3.3 디지털 신호 • 0과 1로 표현
디지털 신호 • 예제 6 디지털 신호가 2,000bps 의 비트율을 가질 때 비트 간격은 얼마인가? 풀이> 비트 간격은 비트율의 역이므로 다음과 같다. 비트 간격 = 1/비트율 = 1/ 2000 s = 0.000500 s = 0.000500 x 106 ℳs = 500 ℳs
비트 간격(Bit Interval)와 비트율(Bit Rate) • 비트 간격(Bit Interval) • 하나의 단일 비트를 전송하는데 요구되는 시간 • 비트 율(Bit Rate) • 1초 동안 전송되는 비트 수 (bps : bit per second)
비트 간격(Bit Interval)와 비트율(Bit Rate) • 비트간격과 비트율 • 주기 대신 비트 간격, 주파수 대신 비트율을 사용 • 비트 간격(bit interval) : 하나의 단일비트를 전송하는 데 드는 시간 • 비트율(bit rate) : 시간당 비트 간격의 개수
디지털 신호 디지털 신호는 무한 대역폭을 갖는 복합신호이다.
디지털 신호 • 1,000bps 의 신호를 보내는 데 필요한 대역폭
디지털 신호 전송 비트율과 대역폭은 서로 비례한다.
3.4 아날로그 대 디지털 • 낮은 대역 통과 채널과 띠 대역 통과 채널
아날로그 대 디지털 매체의 아날로그 대역폭은 Hz로 나타내고 디지털 대역폭은 초당 비트 수로 나타낸다. 디지털 전송에는 낮은 대역 통과 채널이 필요하다. 아날로그 전송은 띠 대역 통과 채널을 사용한다.
3.5 데이터 전송률의 한계 • 데이터 전송률의 세 요소 • 가역 대역폭 • 사용 가능한 신호 준위 • 채널의 품질(잡음의 정도) • 데이터 전송률을 계산하는 두가지 이론적 수식 • 나이퀴스트 수식(Nyquist bit rate) : 잡음이 없는 채널에서 사용 • 새논 수식(Shannon capacity) : 잡음이 있는 채널에서 사용
나이퀴스트 전송률(Nyquist bit rate) • 나이퀴스트 전송률 • 잡음이 없는 채널의 경우 사용 • 대역폭은 채널의 대역폭, L은 데이터를 나타내는 데 사용한 신호준위의 개수, 전송률은 초당 비트수라고 할때 • 예제 7 두 개의 신호 준위를 갖는 신호를 전송하는 3,000Hz 의 대역폭을 갖는 무잡음 채널이 있다. 최대 전송률은 다음과 같이 계산된다. 전송률 = 2 × 3,000 = log22=6,000bps • 예제 8 네 개의 신호 준위(각 준위는 2비트를 나타낸다)를 사용하는 신호를 위의 예제와 동일한 채널을 사용하여 보낸다고 하자. 최대 전송률은 다음과 같다. 전송률 = 2 × 3,000 = log24 = 12,000bps 전송률 = 2 × 대역폭 × log2L
섀논 용량(Shannon capacity) • 섀논 용량 • 잡음이 있는 채널에서의 최대 전송률을 결정하는 수식 • 대역폭은 채널의 대역폭, SNR은 신호에 대한 잡음 비율, 용량은 bps 단위의 채널 용량이라고 하면 • 예제 9 신호 대 잡음의 비율값이 거의 0인, 거의 잡음에 가까운 채널을 생각해보자. 다시 말해, 잡음이 너무 강해서 신호가 약해진다. 이 채널에 대한 용량을 계산하면 다음과 같다. C = B log2(1+SNR)=B log2(1+0) = B log2(1) = B × 0 = 0 이것은 채널의 용량이 0이다. 대역폭은 고려되지 않았다. 다른 말로 하자면 이 채널로는 어떤 데이터도 보낼 수 없다. • 예제 10 일반 전화선의 이론적인 최고 데이터 전송률을 계산할 수 있다. 전화선은 일반적으로 3,000Hz(300Hz에서 3,300Hz)의 대역폭을 갖는다. 신호 대 잡음의 비율이 보통 3,162(35dB)이다. 이 채널에 대한 용량을 계산하면 다음과 같다. C = B log2(1+SNR) = 3,000 log2(1+3,162) = 3,000 log2(3,163) C = 3,000 × 11.62 = 34,860bps 이는 전화선의 최대 비트율이 34,860Kbps임을 의미한다. 용량 = 대역폭 × log2(1+SNR)
두가지 한계를 사용하기 • 실제로는 어떤 신호 준위의 어떤 대역폭이 필요하진 알기 위해 두가지 방법을 모두 사용 • 예제 11 1 MHz의 대역폭을 갖는 채널이 있다. 이 채널의 SNR은 63이다. 적절한 전송률과 신호 준위는 무엇인가? 풀이> 우선 상한을 구하기 위해 새논 수식을 사용한다. C = B log2(1+SNR) = 106log2(1+63)=106log2(64)=6Mbps 비록 섀논 수식으로부터 6Mbps의 전송률을 구했으나 이는 상한일 뿐이다. 더 나은 성능을 위해 조금 낮은 값, 예를 들어 4Mbps를 택한다. 그 후에 신호의 준위를 구하기 위해 나이퀴스트 식을 사용한다. 4Mbps = 2 × 1MHz × log2L L=4
감쇄(attenuation) • 에너지 손실을 의미 • 매체를 통해 이동할 때 매체의 저항을 이겨내기 위해 약간의 에너지가 손실 • 증폭기를 이용하여 신호를 다시 증폭
감쇄 • 데시벨 • 신호의 손실된 길이나 획득한 길이를 보이기 위해 사용 • 2개의 다른 점에서 두 신호 또는 하나의 신호의 상대적 길이를 측정 • 신호가 감쇠하면 음수, 증폭되면 양수 dB=10 log10(p2/p1) *p1과 p2는 신호의 전력 예제 12 신호가 전송매체를 통해 이동하고 있고 전력이 반으로 줄었다고 상상해보자. 이것은 P2 = 1/2 P1을 의미한다. 이 경우 감쇠(전력 손실)는 다음과 같이 계산할 수 있다. 10 log10 (P2/P1) = 10 log10 (0.5P1/P1) = 10 log10 (0.5) = 10(–0.3) = –3 dB
감쇄 • 예제 13 신호가 증폭기를 통해 이동하고 전력이 10배 늘었다고 상상해보자. 이것은 P2=10× P1을 의미한다. 이 경우 증폭(전력 증가)은 다음과 같이 계산할 수 있다. 10 log10 (P2/P1) = 10 log10 (10P1/P1) = 10 log10 (10) = 10 (1) = 10 dB
감쇄 • 예제 14 공학자가 신호의 길이 변화를 측정하는 데 데시벨을 사용하는 이유 중 하나는 단지 2개(직렬)의 점 대신 여러 점에 관하여 이야기할 때 데시벨 숫자가 더해지거나 빼질 수 있기 때문이다. 다음 그림에서 신호는 점 1 에서 점 4까지의 긴 거리를 이동한다. 신호는 점 2에 도착한 시간에 의해 감쇠도고 점 2와 점 3 사이에서 증폭되었다가 다시 점 3과 점 4 사이에서 감쇠된다. 신호의 데시벨 결과를 구하기 위해 각 지점 사이에서 측정된 dB 값은 더하기만 하면 된다. 이 경우 데시벨은 다음처럼 계산될 수 있다. dB = -3 + 7 -3 = +1 dB = –3 + 7 – 3 = +1
일그러짐(distortion) • 신호의 모양이나 형태가 변하는 것
잡음(noise) • 열잡음, 유도된 잡음, 혼선, 충격잡음등의 여러 형태의 잡음