Chapter 4 디지털 전송

Chapter 4 디지털 전송

정보 전송 • 정보는 통신 매체를 통해 전송되기 전에 해당 매체의 특성에 맞는 신호로 변환(부호화)되어야 한다 • 여러 가지 부호화 방법

4장 디지털 전송 4.1 디지털 –대 –디지털 변환 4.2 아날로그 –대 –디지털 변환 4.3 전송방식 4.4 요약

4.1 디지털-대-디지털 변환 • 디지털 정보를 디지털 신호로 표현 • 디지털-대-디지털 부호화

4.1 디지털-대-디지털 변환 • 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환하는 기술 1. 회선 부호화 (Line coding) : 필수 2. 블록 부호화 (block coding) : 옵션 3. 뒤섞기 (scrambling) : 옵션

회선 부호화 (Line coding) • 회선 부호화, 회선 코딩 • 일련의 2진 비트 데이터를 디지털 신호로 바꾸는 작업 그림 4.1 회선 부호화 (coding) 와 복호화 (decoding)

신호 요소와 데이터 요소 • 데이터 요소: 전송해야 하는 것. 정보의 가장 작은 단위 : 비트 • 신호 요소 : 실제로 전송되는 것. 디지털 신호의 가장 짧은 단위 그림 4.2 신호 요소 대 데이터 요소

데이터 전송률 대 신호 전송률 • 데이터 전송률 (data rate) = Bit rate • 1 초당 전송 데이터 요소 (비트) 수. bps • 데이터 전송률을 높이는 것 -> 데이터 전송 속도를 높이는 것 • 신호 전송률(signal rate) = pulse rate, modulation rate, baud rate • 1 초당 전송에 필요한 신호 요소 수 • 신호 전송률을 높이는 것 -> 대역폭 요구량을 줄이는 것 S = c N 1 / r baud 단, S:신호요소 수, N: 데이터 전송률,c :case factor,r :각 신호 요소가 전송하는 데이터 수 • 예제 4.1 • 어떤 신호가 1 데이터 요소당 1 신호 요소로 부호화해서 전송한다(r =1). 비트 전송률이 100 kbps이고, c가 0 과 1 사이에 있다면 baud rate는 얼마인가 ? • 풀이: c의 평균 값이 1/2 이라고 가정한다면, baud rate 는 S = c  1/r = 1/2  100,000  1/1 = 50,000 = 50 kbaud

데이터 전송률 대 신호 전송률 • 디지털 신호의 실제 대역폭은 무한하지만 유효 대역폭은 유한하다 • 대역폭은 신호 전송률 (baud rate) 에 비례한다 • 신호 전송률이 디지털 신호의 요구 대역폭을 결정한다 • 최소 대역폭은: Bmin = cN1/r • 채널 대역폭이 주어졌다면, 최대 데이터율은 Nmax = 1/cBr 단,r :신호요소당 전송 데이터 수 • 예제 4.2 • 채널의 최대 데이터 전송률은 Nmax = 2 B log2L이다 (나이퀴스트 식, 3장 참조), 이 식이 위의 Nmax식과 일치하는가 ? • 풀이 • L개 레벨을 가진 신호는 실제로 레벨당 log2L비트를 운반한다.각 레벨이 한 개의 신호 요소에 해당하고 c = 1/2이라면, Nmax = 1/cB r = 2 B log2L

기준선(Base line) 수신자가 측정하는 수신 신호 세기의 평균값 수신 신호의 세기를 기준선과 비교하여 데이터 요소의 값 결정 기준선이 표류하면 제대로 복호화하기 어려움 좋은 회선 코딩은 기준선 표류 방지가 필요 직류 성분(Dc component) 디지털 신호의 전압이 한 동안 일정하게 유지되면 스펙트럼은 매우 낮은 주파수의 직류성분을 만들어 낸다. 주파수가 낮은 성분은 통과하지 못하는 시스템(전화선)이 존재하므로, 직류 성분이 생기지 않는 방법 필요 자기 동기화(Self synchronization) 발신자가 보낸 신호를 인식하기 위해 수신자의 비트 간격이 발신자의 비트 간격과 완전히 일치해야 함 회선 코딩(Line Coding)

기준선(Base line) 수신자가 측정하는 수신 신호 세기의 평균값 수신 신호의 세기를 기준선과 비교하여 데이터 요소 값 결정 기준선이 표류하면 제대로 복호화하기 어려움  0또는 1의 긴 행렬을 전송 좋은 회선 코딩은 기준선 표류 방지가 필요 직류 성분(Dc component) 디지털 신호의 전압이 한 동안 일정하게 유지되면 스펙트럼은 매우 낮은 주파수의 직류성분을 만들어 낸다. 주파수가 낮은 성분은 통과하지 못하는 시스템(전화선 등)이 존재하므로, 직류 성분이 생기지 않는 방법 필요 회선 부호화 설계 고려사항

회선 부호화 설계 고려사항 • 자기 동기화 (Self-synchronization) • 전송되는 데이터 안에 포함되는 타이밍 정보 • 발신자가 보낸 신호를 인식하기 위해 수신자의 비트 간격이 발신자의 비트 간격과 완전히 일치해야 함 • 내장 오류 검출 (Built-in error detection) • 코드 생성시 신호 내부에 포함시킨 전송 오류 검출 기능 • 잡음과 간섭에 대한 내성 (Immunity to noise and interference) • 복잡도 (Complexity) : 복잡하면 비용 증가

자기동기화 (Self-synchronization) • 동기화가 불충분한 예 그림 4.3 동기화 결핍의 영향

자기동기화 (Self-synchronization) • 자기동기화 코드 그림 4.6 맨체스터 부호

동기화: 예 • 예제 4.3 • 디지털 전송에서 수신측 클록이 송신측 클록보다 0.1%빠른 경우, 데이터 전송률이 1 kbps라고 한다면 수신측은 초당 몇 비트를 더 수신하겠는가 ? 데이터 전송률이 1 Mbps 인 경우는 ? • 풀이 • 1 kbps일 때, 수신측은 1000 bps대신 1001 bps수신 1000 비트 전송 1001비트 수신` 1비트 과잉 • 1 Mbps일 때, 수신측은 1,000,000 bps대신 1,001,000 bps수신 1,000000비트 전송 1,001,000비트 수신` 1000비트 과잉

회선 부호화 방식 (Line Coding Schemes) 그림 4.4 회선 부호화 방식

단극형 (Unipolar Scheme) • 극성 (polarity) 이 한 개 -> 신호 전압 레벨 한 개 • 단극형 NRZ (None-Return-to-Zero) : 단순, but • DC 성분: 마이크로파나 변압기를 통과할 수 없다 • 동기화: 0이나 1이 연속될 때 동기화가 힘들다->별도의 클록 펄스용 회선 • 극형 NRZ 보다 정규화된 전력이 두 배 • Normalized power: 단위 회선당 1 비트 보내는데 필요한 전력 • -> 오늘날은 데이터 통신에서 별로 사용되지 않는다 그림 4.5 단극형 NRZ 방식

극형 (Polar Scheme) • 양과 음의 두 가지 전압 레벨을 사용 • 회선의 평균 전압 레벨 감소 • 직류 성분 문제가 완화(NRZ, RZ) 또는 제거된다 (Biphase)

극형 NRZ: NRZ-L과 NRZ-I • NRZ-L 에서는 전압 레벨이 비트 값을 결정한다. • NRZ-I 에서는 전압의 변화 유무가 비트 값을 결정한다 •  “0”이면 신호 변화가 없고, “1”이면 신호가 반전된다. 그림 4.6 극형 NRZ-L 와 NRZ-I 방식

극형 NRZ: NRZ-L 과 NRZ-I 비교 • NRZ-L 과 NRZ-I 모두 N/2 Baud 의 신호 전송률을 갖는다 • 예제 4.4: 어떤 시스템이 NRZ-I 를 사용해 1 Mbps데이터를 전송 한다면, 평균 신호 전송률 및 최소 대역폭은 얼마인가 ? • 풀이: 평균 신호 전송률 S = N/2 = 500 kbaud,이에 대한 최소 대역폭 Bmin = S = 500 kHz

RZ (Return to Zero) • 연속적인 0 이나 1 에 대한 동기화 제공 • 신호가 매 비트 구간마다 바뀐다 • 매 비트 중간지점에서 0 으로 돌아온다 (return to zero) • RZ 에서 0 전압은 의미가 없다 • 3 가지 값 (+, -, 0) 사용 → 복잡 • Bit 1 : 양에서 0 으로 전이, Bit 0 : 음에서 0 으로 전이 • 세 가지 전압을 만들어 구분하는 것이 복잡하여 사용되지 않는다 그림 4.7 극형 RZ 방식

쌍위상 (Biphase) 맨체스터, 차분 맨체스터 • 맨체스터 부호화는 RZ 과 NRZ-I 의 개념을 조합한 것 • 비트 중간에서의 전이가 동기화에 사용된다 → 자기동기화 코드 • 맨체스터 및 차분 맨체스터의 대역폭은 NRZ 의 2 배 • 맨체스터 (Manchester) : 이더넷 LAN 에서 사용 • “1”: 음에서 양으로 전이, “0”: 양에서 음으로 전이 • 차분 (Differential) 맨체스터 : 토큰 링 LAN 에서 사용 • “1”: 비트 시작 시 전이가 없다, “0”: 비트 시작 시에 전이 • 기준선 표류 문제가 없으며, 각 비트가 양과 음의 전압이 절반식 고르게 들어가서 직류 성분이 없다.

쌍위상 (Biphase) 맨체스터, 차분 맨체스터 1: 음에서 양으로 전이 0: 양에서 음으로 전이 1: 비트 시작시 전이 없음 0: 비트 시작시 전이 그림 4.8 극형 쌍위상 맨체스터와 차분 맨체스터

양극형 (Bipolar Scheme) • 양극형은 3 가지 전압 레벨 (+, 0, -) 을 사용한다 • 다단계 이진수 (multilevel binary) 라고도 한다 • Bit 0 : 전압 0, Bit 1: 양 전압과 음 전압 교대 • AMI (Alternate Mark Inversion) • AMI 는 교대로 반전되는 1 이라는 뜻으로 전신에서 유래 • 같은 신호 비율과 직류 성분 문제를 가진 NRZ 의 대안으로 개발 • Bit 0 : 전압 0, Bit 1 : 양 전압과 음 전압을 번갈아 사용 • 장거리 통신에 흔히 사용되지만, 연속된 0이 길게 계속되면 동기화 문제가 발생한다 -> 뒤섞기 (scrambling) 기술로 해결 • 가삼진수 (Pseudoternary) • AMI 부호화를 변형하여 Bit 0과 1을 반대로 사용하는 방식 • Bit 1 : 전압 0, Bit 0 : 양 전압과 음 전압을 번갈아 사용

양극형 (Bipolar Scheme) 그림 4.9 양극형 방식 : AMI 및 가삼진수

다준위 방식(Multilevel Schemes) • m개의 데이터 요소 패턴을N개의 신호 요소 패턴을 사용하여 표현하며 단위 보오 당 비트 수 증가시키는 방식 • mBnL 부호화 • m : 2진수 패턴의 길이 • B : 2진수 • n : 신호 패턴의 길이 • L : 신호 준위의 수, 숫자대신 문자 사용 2진 – B(Binary) 3진 – T(Ternary) 4진 – (Quaternary)

다준위 방식 (Multilevel Scheme) • mBnL부호화 방식에서는 m개의 데이터 요소 패턴을 n개의 신호 요소 패턴으로 부호화한다 (2m ≤ Ln) • L 개 레벨로 Ln개의 신호 패턴을 조합할 수 있다 • 2m = Ln : 1 개의 신호 패턴으로 1 개의 데이터 패턴을 부호화 • 2m < Ln : 각 데이터 패턴당 한 신호 패턴의 부분집합 사용 • 2m > Ln : 불가능. 일부 데이터 패턴은 부호화할 수 없기 때문 • 2B1Q (2 binary, 1 quaternary) … m = 2, n = 1, L = 4 • 8B6T (8 Binary, 6 Ternary) … m = 3, n = 6, L = 3 • 4D-PAM5 (4-Dimensional 5-level PAM)

2B1Q (2 Binary 1 Quaternary): DSL 용 • 2 비트 데이터 패턴을 4 레벨 중 한 신호 요소로 부호화한다 • 수신측은 4 가지 임계값을 구별해내야 함 → 대역폭 감소에 대한 대가 • 평균 신호 전송률: Save = N / 4→NRZ 의 2 배 더 빠르다 • 가입자 전화회선을 사용해 인터넷에 고속 접속을 제공하는 DSL 기술에 사용된다

2B1Q (2 Binary 1 Quaternary): DSL 용 그림 4.10 다단계: 2B1Q 방식

8B6T (8 Binary 6 Ternary) • 100 Base-4T 케이블 (13장) 로 사용된다 • 8 비트 패턴을 6 개의 신호 요소 패턴으로 부호화. 신호 레벨은 3개 (-, 0, +) • 신호 패턴: 0또는 1 의 직류 값 (직류 값이 -1 인 신호는 없다) • 직류 값 1 인 신호그룹은 다음 것의 전위를 뒤집어 -1 로 만든다 → 직류 균형 • 잉여 비트 222 개는 동기화 및 오류 검색에, 일부는 직류 성분 균형을 위해 사용 • 신호 패턴 수 - 데이터 패턴 수 = 36 - 28 = 478 - 256 = 222 • 신호 전송률은 Save = 1/2 N 6/8 이지만 실제 최소 대역폭은 6N/8에 근접

전위를 뒤집은 것. 직류성분 -1 -++-0- 직류성분 0 직류성분 1 직류성분 1 8B6T (8 Binary 6 Ternary) 그림 4.11 다단계: 8B6T 방식

4D-PAM5: 기가 비트 LAN 용 • 4-Dimensional 5-level Pulse Amplitude Modulation (PAM) • 8 비트를 각 2 비트당 신호 요소 1 개를 사용해 4 개 채널 (4 회선) 로 동시에 전송한다 -> 신호전송률이 N/8로 낮아진다 • 전압 레벨 5개 (-2, -1, 0, +1, +2)사용. 0레벨: 전진오류 검출용 • 예: 기가 비트 LAN. 가상의 1 차원과 실체의 4차원 구성 • 125 MBd를 전송할 수 있는 구리선 4 개를 사용, 1 Gbps로 데이터 전송 • 28데이터 패턴을 44 = 256신호 패턴을 갖는 4 개 회선에 대응 시켜 전송

4D-PAM5: 기가 비트 LAN 용 그림 4.12 다단계: 4D-PAM5 방식`

MLT-3 (MultiLine Transmission 3 level) • 3 레벨의 신호 (+, 0, -)과 3 가지 규칙을 사용하여 부호화 • 다음 비트가 0이면 레벨 변화가 없다 • 다음 비트가 1 이고 현재 레벨이 0 이 아니면 다음 레벨은 0 • 다음 비트가 1 이고 현재 레벨이 0 이면 다음 레벨은 최근 0이 아니었던 레벨의 역 • MLT-3 의 신호 전송률은 비트 전송률의 1/4 • 32 MHz이상의 주파수는 (전자기 방사 때문에) 지원하지 못하는 구리선 상으로 100 Mbps의 데이터를 보내야 할 때 적합하다 (13장 이더넷 참조)

MLT-3 (MultiLine Transmission 3 level) 그림 4.13 Multitransition: MLT-3 scheme

회선 부호화 요약 표 4.1 회선 부호화 요약

블록 부호화 (Block Coding) • 보통 mB/nB 부호화라 하며 m비트 그룹을 n비트 그룹으로 대치한다 • m 비트를 n 비트 블록으로 바꾼다 • n 은 m 보다 크다 • mB/nB 부호화 • 블록 부호화 과정 : 3 단계 • 분할 (division) • 치환 (substitution) • 조합 (combination) • 방법: 4B/5B, 8B/10B

블록 부호화 (Block Coding) • 동기화를 확보하기 위해서 여분의 비트가 필요 • 오류 탐지를 위해서도 다른 여분의 비트를 포함해야 함 그림 4.14 블록 부호화 개념

4B/5B • NRZ-I 와 조합하여 NRZ-I 의 동기화 문제 해결 • 4비트 데이터를 5비트 코드로 변환 • NRZ 로 바꾸기 전에 연속된 0 이 안 생기도록 비트열 변환 • DC 성분 문제는 여전 • 신호 전송률: NRZ-I 의 20%/ 쌍위상 방식의 신호전송률은 NRZ-I의 2 배 그림 4.15 NRZ-I 회선 부호화와 함께 4B/5B 블록 부호화 사용

4B/5B 표 4.2 4B/5B 매핑 부호

4B/5B 그림 4.16 4B/5B 블록 부호화의 치환

블록 부호화와 맨체스터: 예 • 예제 4.5 • 4B/5B와 NRZ-I 조합이나 맨체스터 부호를 이용해 1Mbps의 속도로 데이터를 전송해야 한다면, 필요한 최소 대역폭은 얼마인가 ? • 풀이 • 4B/5B 블록 부호화는 비트 전송률을 1.25Mbps로 증가 시킨다. NRZ-I 를 이용한 최소 대역폭은 N/2, 즉 625kHz 이다. 그러나 직류성분 문제를 안고 있다 • 맨체스터 방법은 최소 1 MHz의 대역폭이 필요하지만그러나 직류 성분 문제가 없다

8B/10B • 8비트 그룹을 10비트 그룹으로 바꾸는 것 외에는 4B/5B 부호화와 유사하다 • 4B/5B 와 3B/4B 를 합한 것 • 4B/5B 보다 오류 탐지 기능이 우수 • 768 (210 – 28) 잉여 그룹은 패리티 검사와 오류 검출에 사용 그림 4.17 8B/10B 블록 부호화

뒤섞기 (Scrambling) • 지금까지의 방식들은 LAN 내 스테이션간 전용 링크에는 알맞지만, 광대역을 요하는 장거리 통신에는 적합하지 않다 • 쌍위상 (Biphase) : 광대역이 필요하므로 장거리 통신에 부적합하다 • 블록 부호화와 NRZ 의 조합 : 직류성분 때문에 장거리에 부적합하다 • Bipolar AMI : 동기화 문제 • 대안 • 비트 수를 늘리지 않으면서 동기화를 제공하는 것 • AMI 에 뒤섞기를 포함시켜 연속되는 0 의 문제를 피하면, 장거리 전송에 사용할 수 있다 • 뒤섞기 방법 • B8ZS • HDB3

뒤섞기 (Scrambling) 그림 4.18 뒤섞기를 이용한 AMI

B8ZS • 북미에서 흔히 사용 • AMI 의 동기화 갱신 버전 • B8ZS 은 연속되는 8 개의 0을 ‘000VB0VB’로 치환한다 • V (violation) : 바로 전의 0 이 아닌 펄스의 극성과 같다. • B (bipolar) : 바로 전의 0 이 아닌 펄스의 극성과 반대이다. 그림 4.19 B8ZS 뒤섞기 기법의 두 가지 경우

HDB3 (High-Density Bipolar 3-zero) • 보통 북미 이외의 지역에서 사용된다 • HDB3 은 연속된 4개의 0을 ‘000V’나 ‘B00V’ 로 치환한다 1) 대치할 때0이 아닌 펄스 수가 홀수면, ‘000V’로 치환하고 2) 대치할 때0이 아닌 펄스 수가 짝수면, ‘B00V’ 로 치환한다 • ‘B00V’ 로 대치 이후에는 ‘1’ 비트의 극성이 바뀐다 • 대치 이후에는 AMI 의 규칙 (‘1’ : 양전압과 음전압 교대)을 따른다 • 그 결과, 대치 이후는 0아닌 펄스의 합계를 짝수로 유지된다

HDB3 (High-Density Bipolar 3-zero) 그림 4.20 HDB3 뒤섞기 기법의 다른 경우

4.2 아날로그 대 디지털 변환 • 펄스 코드 변조 (PCM, Pulse Code Modulation) • 델타 변조 (DM, Delta Modulation) • 아날로그 신호보다 디지털 신호가 우수하다 • 오늘날의 경향은 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 것 • 아날로그 정보 (즉, 음성)  디지털 신호 (즉, 10001011…) • CODEC (Coder/Decoder) : A/D 변환기 (converter)

펄스 코드 변조 (PCM, Pulse Code Modulation) • 아날로그 신호를 디지털 데이터로 바꾸기 위해가장 널리 사용되는 기법 • 3 단계 프로세스 • 표본화 (sampling) : 아날로그 신호를 표본채집한다 • 양자화 (quantization) : 표본 신호를 수치화한다 • 부호화 (encoding) : 양자화된 값을 비트 열로 변환한다 • PAM: 펄스 진폭 변조 (Pulse amplitude Modulation)

Chapter 4 디지털 전송