4 장 디지털 전송

1. 4장디지털 전송 4.1 디지털 대 디지털 변환 4.2 아날로그 대 디지털 변환 4.3 전송 방식

2. 4.1 디지털 대 디지털 변환 • 디지털 데이터 => 디지털 신호로 변환 후, 전송 • 3 가지 전환 방식 • Line coding • Block coding • Scrambling

3. 디지털 인코딩/디코딩 예

4. 신호 요소 대 데이터 요소 • Signal elements(신호 요소) • 디지털 신호의 가장 짧은 단위 (전이를 기준) • Data elements(데이터 요소) • 데이터를 나타내는 가장 작은 단위체, 비트(bit) • r : 각 신호 요소 당 전송되는 데이터 요소

5. 데이터 전송률 대 신호 전송률 • 데이터 전송률(data rate) • 1초당 전송된 데이터 요소의 갯 수, (단위 : 초당 비트 수 - bps), 비트율 이라고도 함 • 신호 전송률(signal rate) • 1초당 전송된 신호 요소의 갯 수, (단위 : 보오- baud), 펄스율, 변조율, 보오율 이라고도 함 • 교재의 S (신호요소의 개수)에 대한 수식은 생략

6. 디지털 코딩 방식의 평가 요소 • 요구 대역폭 • 같은 디지털 데이터를 전송할 경우, 대역폭을 적게 사용하는 인코딩 방식이 좋은 인코딩 • 즉 전이가 적을수록 좋은 신호 (r이 클수록 좋은 신호) • 직류 성분 • 주파수가 낮은 성분은 통과하지 못하는 시스템이 존재하므로, 직류 성분이 생기지 않는 방법 필요 • 모든 디지털 신호 전압을 더 할 경우, 이 값이 0 V가 되면 직류 성분이 없음 • 동기화 (비트 동기화) • 하나의 디지털 신호 안에서 비트의 시작과 끝을 알 수 있도록 하면 좋은 신호(자기 동기화가 된 신호)

7. 동기화 관련 예

8. 회선 코딩(Line Coding) 방식

9. 단극형(Unipolar)

10. 극형(Polar) 양과 음의 두 가지 전압 준위를 사용 회선의 평균 전압 준위 감소 => 직류 성분 문제의 완화

11. NRZ: Non-Return-to-Zero • NRZ-L(Level), NRZ-I(Invert) 분석 • 요구 대역폭: 좋음, r=1 • 동기화: 나쁨, NRZ-I > NRZ-L • 직류성분: 둘 다 있음 NRZ-L(Level), NRZ-I(Invert)

12. RZ: Return to Zero • 분석 • 대역폭: NRZ 보다 나쁨 (많은 전이 발생) • 직류 성분: 있으나 NRZ보다는 좋음 • 동기화: 좋음 +: 높은 전압, -: 낮은 전압 비트 중앙: 항상 0으로 복귀

13. Biphase: Manchester & Differential Manchester • Manchester • 0: 비트 중앙 높->낮 전이, 1: 비트 중앙 낮->높 전이 • Differential Manchester (차분 멘체스터) • 0: 비트 시작 전이 발생, 1: 비트 시작 전이 발생하지 않음 • 비트 중앙: 항상 전이

14. Manchester & Differential Manchester 분석 • 대역폭 • NRZ에비해 나쁨 • 직류 성분 • 두 방식 모두 없음 • 하나의 비트 안에서 반은 +V, 나머지 반은 –V • 동기화 • 두 방식 모두 좋음, 항상 비트 중앙에서는 전이 • Ethernet 등의 LAN에서 많이 사용됨

15. 양극형(Bipolar): AMI & 가삼진수 • AMI (Alternate Mark Inversion) • 0: 0 V, 1: -V/+V 교대 • 가삼진수(Pseudoternary) • AMI와 반대

16. AMI & 가삼진수 분석 • 대역폭 • 좋음 • 직류 성분 • 거의 없음 • 동기화 • 나쁨 • AMI: 0이 연속, 가삼진수: 1이 연속 • AMI • 장거리 통신에 사용됨 • AMI의 동기화 문제는 scrambling 으로 해결

17. 다준위 방식(Multilevel Schemes) • N개의 신호 요소 패턴을 사용하여 m개의 데이터 요소 패턴을 표현하며 단위 보오 당 비트 수 증가 • mBnL • m개의 Binary를 n개의 Level로 표현 • 인코딩 방식 • 2B1Q • 8B6T • 4D-PAM5

18. 2B1Q(2 binary, 1 quaternary) 2 4개의 전압 준위를 사용, 각 신호는 2 비트를 표현 DSL 기술에서 가입자 전화 회선을 사용하는 고속 인터넷 접속 제공에 사용

19. 8B6T(8 binary, 6 Ternary) • 8개의 이진수를 6개의 3-Level 신호로 전송 • 변환표는 교재 부록 D에 수록 • 28 = 256개의 데이터 패턴 • 36 = 478개의 신호 패턴 • 478 – 256 = 222개의 신호는 동기화, 오류 검색, 직류 성분 보정을 위해 사용

20. 4D-PAM5(Four-dimensional five-level pulse amplitude modulation) • 4D: 4개의 회선을 동시에 사용 • 5 Level • -2, -1, 0, +1, -2 • 0 V는 데이터 전송에 사용되지 않음(오류 검색) • 즉 8B4Q와 흡사

21. 다중회선 전송 : MLT-3 • MLT-3 (Multiline transmission three level) • 0: 전이 없음 • 1: • 현재 0V가 아니면: 0V • 현재 0V이면: 직전의 0가 아닌 비트 준위의 반대 • 100 Mbps 전송에 활용

22. Line encoding 정리

23. 블록 코딩(Block Coding) • mB/nB • m개의 비트 블록을 n개의 비트 블록으로 변환 전송 • 주로 비트 동기화를 위해 변환 • m < n • 남는 비트 패턴은 오류 검색 등으로 활용 • 인코딩 방식 • 4B/5B • 8B/10B

24. 4B/5B(4Binary / 5Binary) • NZR-I를 수정: 블록 변환 후에는 NRZ-I로 전송 • 4B/5B • 4비트를 5비트로 변환 • NRZ-I의 0이 연속되는 것을 없앰

25. 4B/5B 변환 표

26. 8B/10B • 5B/6B와 3B/4B를 합한 것

27. Scrambling (뒤섞기) • 주로 AMI 방식의 연속 0등의 동기화 문제 해결 • 연속 0 비트 패턴을 다른 형태(위반) 신호로 변환 • 종류 • B8ZS • HDB3

28. B8ZS (Bipolar with 8 zero substitution) • 8개 0비트 -> 000VB0VB 로 변환 • V: violation • B: Bipolar (앞 비트 level의 반대)

29. HDB3 (High-density bipolar 3-zero) • 4개의 연속된 0을 B00V나 000V로 대치 • 직전의 0이 아닌 비트 수 Even: B00V • 직전에 0이 아닌 비트 수 Odd: 000V

30. 4.2 아날로그 대 디지털 변환 • 아날로드 데이터를 디지털 데이터로 변환 후 전송 • 두 가지 변환 방식 • Pulse Code Modulation (PCM) • Delta Modulation (DM)

31. 펄스 코드 변조(Pulse Code Modulation: PCM) • 가장 널리 사용되는 변조 방식 • Sampling -> Quantizing -> Encoding 단계를 거침

32. Sampling 단계 According to the Nyquist theorem, the sampling rate must be at least 2 times the highest frequency contained in the signal. • 펄스 진폭 변조(PAM, Pulse Amplitude Modulation) • 아날로그 신호의 표본을 샘플링(채집)하고 그 결과에 근거하여 펄스 값을 기록 • 샘플링: 일정 간격마다 신호의 진폭을 측정하는 행위 • 나이퀴스트 정리 • 샘플링율(sampling rate)은 아날로그 신호에 포함된 최대 주파수의 2 배 이상이 되어야 한다.

33. Sampling rate 비교

34. Quantizing (계수화/양자화) & • Quantizing • 샘플링 시 측정된 진폭 값을 근사치(정수 값)로 변환 • 원래의 아날로그 신호는 Vmin 과 Vmax 사이의 진폭 값을 가진다고 가정 • 전체 영역을 높이 △(델타)의 L개의 구간으로 나눔 • 각 구간의 중간 값에 0 부터 L-1 까지의 계수화된 값 지정 • 샘플링된 진폭 값을 계수화된 하나의 근사치로 지정 • Quantization level • 계수화 레벨이 많을수록 좀더 정밀한 신호 재생이 가능 • 일반적으로 음성은 256 단계, 화상은 수천 단계

35. Quantization and Encoding 예

36. Encoding 단계 • 이진 비트로 변환하는 과정 • Bit rate = Sampling rate X 각 샘플 당의 비트수 • “샘플 당 비트수”는 quantization level에 따라 결정됨 • 128 level: 7비트 • 256 level: 8비트 • 64K level: 16비트

37. 예제 4.14 • 사람의 목소리를 디지털화 한다. 표본 당 8비트(즉 256 level)로 측정할 경우, 비트율은 얼마인가? • sol) 인간의 목소리는 0 ~ 4000 Hz, 따라서

38. Delta Modulation (DM) • 각 시간 구간 T 동안의 전압 값의 변화에 초점 • PCM의 복잡도를 낮추기 위해 고안됨

39. 4.3 전송 모드(TRANSMISSION MODE) • 디지털 데이터 전송 • Parallel (병렬) 전송 • Serial (직렬) 전송 • Asynchronous (비동기) 전송 • Synchronous (동기) 전송

40. 병렬 전송 • 여러 개의 회선을 이용하여 동시에 전송 • 장단점 • 직렬 전송에 비해 전송 속도 증가 • 비용 증가 • 비용 문제 등으로 LAN 등의 근거리에 주로 사용

41. 직렬 전송 • 하나의 회선으로 한 비트 씩 전송 • 병렬 전송에 비해 비용 절감 • 송신자와 전선 사이(병렬-직렬)및 전선과 수신자(직렬-병렬)사이의 인터페이스에서 변환장치가 필요

42. 비동기 전송 • 데이터 발생 시에 발생한 데이터를 즉시 전송 • 주로 문자 단위의 전송 • 문자 동기화를 위해 Start bit, Stop bit를 사용 • 원격 터미널 프로그램 등에서 활용

43. 동기식 전송 • 수 백 ~ 수 천 비트들 프레임 단위로 모아서 전송 • 대부분의 데이터 통신에서 사용하는 전송 방식 • 장점 • 비동기식에 비해 속도가 빠르다 • 고속 응용에 유리 • 데이터 링크 계층에서 이루어짐