(Digital Transmission)

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1 (Digital Transmission)
Chapter 4 디지털 전송 (Digital Transmission)

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

3 4-1 DIGITAL-TO-DIGITAL CONVERSION
이 절에서 어떻게 디지털 신호를 이용하여 디지털 데이터를 표현하는가를 살펴보고자 한다. 3가지 변환 기술이 있는데, 이는 line coding, block coding, 그리고 scrambling이다. 회선 부호화는 항상 필요하지만 블록 부호화와 스크램블링은 필요할 수도 않을 수도 있다. Topics discussed in this section: Line Coding Line Coding Schemes Block Coding Scrambling

4 회선 부호화(Line Coding) 일련의 2진 비트 데이터를 디지털 신호로 바꾸는 작업
회선 부호화와 복호화(Decoding)

5 회선 부호화(Line Coding) 신호 요소 대 데이터 요소 신호 요소 : 디지털 신호의 가장 짧은 단위
신호 요소 : 디지털 신호의 가장 짧은 단위 데이터 요소 : 데이터를 나타내는 가장 작은 단위체, 비트(bit)

6 회선 부호화(Line Coding) 데이터 전송률 대 신호 전송률 데이터 전송률(data rate) 비트율 이라고도 함
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 데이터 전송률과 신호 전송률의 관계 S(신호 요소) = C(경우 요인) X N(데이터 전송율) X baud

7 Example 4.1 한 개의 신호 요소에 한 개의 데이터 요소를 전달하고 있다( r = 1). 만약 비트율이 100 kbps이고, c가 0과 1사이의 값이라면 보오율은 얼마인가? Solution c 의 평균 값이 1/2 이라면, 보오율은

8 디지털 신호의 실제 대역폭이 무한하지만 유효 대역폭은 유한하다.
회선 부호화(Line Coding) 대역폭 디지털 신호의 실제 대역폭이 무한하지만 유효 대역폭은 유한하다. 최소 대역폭 채널의 대역폭이 주어지면, 최대 데이터 율

9 Example 4.2 채널의 최대 데이터율은 Nmax = 2 × B × log2 L 이다(나이퀴스트 정리). 이 식은 위의 Nmax와 일치하는가? Solution 신호 L은 각 준위마다 log2L 비트만큼의 신호를 전달할 수 있다. 각 준위가 한 개의 신호 요소에 해당한다고 하고 (c = 1/2)로 가정하면, 다음과 같은 식을 얻는다.

10 회선 부호화(Line Coding) 기준선(Base line) 직류 성분(Dc component)
수신자가 수신한 신호의 세기에 대한 평균값 기준선과 비교하여 데이터 요소의 값 결정 기준선이 표류(Wandering)하면 제대로 복호화 하기 어려움 좋은 회선 코딩은 기준선 표류 방지가 필요 직류 성분(Dc component) 주파수가 낮은 성분은 통과하지 못하는 시스템이 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

11 회선 부호화(Line Coding) 동기화 결핍 효과

12 Example 4.3 디지털 전송에서, 수신자 시계가 송신자 시계보다 0.1% 빠르다고 한다. 데이터 전송율이 1 kbps라면 매 초 얼마만큼의 추가 비트를 받게 되겠는가? 만약 데이터 전송율이 1 Mbps라면 Solution 1 kbps에서, 수신자는 1000bps대신에 1001bps를 받는다. 1 Mbps에서, 수신자는 1,000,000 bps 대신에 1,001,000 bps 를 받는다.

13 회선 부호화 방식 단극형 극형 비영복귀

14 단극형(Unipolar) 양 전압 비트 1, 음 전압 비트 0

15 극형(Polar) 양과 음의 두 가지 전압 준위를 사용 회선의 평균 전압 준위 감소 직류 성분 문제의 완화
비영복귀(NRZ,nonreturn to zero), 영복귀(RZ, return to zero), 맨체스터, 차분 맨체스터

16 비영복귀 (NRZ; non-return-to-zero)

17 비영복귀 NRZ-L(evel) NRZ-I(nvert)
양 전압은 1, 음 전압은 비트 0을 의미 긴 스트림의 데이터를 수신했을 경우, 송신자와 클록 동기화 여부 불투명 NRZ-I(nvert) 전압 준위의 반전이 비트 1을 의미 전압의 변화시 비트 1, 무변화시 비트 0으로 표현 비트 1을 만날 때마다 신호가 변화하기 때문에 동기화를 제공 In NRZ-L the level of the voltage determines the value of the bit. In NRZ-I the inversion or the lack of inversion determines the value of the bit.

18 NRZ-L 과 NRZ-I 은 둘 다 N/2 Bd의 평균 신호율을 갖는다.

19 NRZ-L 과 NRZ-I 는 둘 다 DC 성분 문제를 갖는다.

20 Example 4.4 시스템이 10 Mbps 데이터를 전송하기 위해 NRZ-I를 사용한다. 평균 신호율과 최소 대역폭은 얼마인가? Solution 평균 신호율은 S = N/2 = 500 kbaud이다. 이 평균 보오뉼에 대한 최소 대역폭은 Bmin = S = 500 kHz이다.

21 영복귀(RZ; return to zero)

22 영복귀 연속적인 0 이나 1 문자열을 수신할 경우 자신의 위치를 놓칠 수 있음
분리된 또 하나의 채널로 별도의 타이밍 신호를 보내서 동기화 가능 동기화 보장을 위해 각 신호마다 동기화 정보를 포함 NRZ-I의 0과1 두 가지 값으로는 표현이 부족하므로 양, 음, 영을 사용 비트마다 구간 동안 변환 양 전압은 1을, 음 전압은 0을 표현 한 비트를 부호화하기 위해 두 번의 신호 변화가 이루어지므로 너무 많은 대역폭을 차지

23 Biphase : 맨체스터와 차분 맨체스터 1. 맨체스터 2. 차분 맨체스터 부호화
1. 맨체스터 동기화를 달성하는 동시에 해당 비트를 표현하기 위해 각 비트 간격 중간에서 신호를 반전 두 가지 전이를 통해 RZ 와 같은 수준의 동기화를 달성 2. 차분 맨체스터 부호화 비트 간격 중간에서의 반전은 동기화를 위해 사용 비트 간격 시작점에서의 전이 여부로 비트를 식별 (비트의 전이는 0을, 무변화는 1을 의미)

24 Polar biphase: Manchester and differential Manchester schemes

25 Manchester 와 differential Manchester 부호화 에서, 비트 중간에서 반전은 동기화를 위해 사용된다.
Manchester 와 differential Manchester의 대역폭은 NRZ의 두배이다.

26 양극형 부호화에서 세 가지 준위를 사용하는데, 이는 positive, zero, 그리고 negative이다.
양극형(Bipolar) 양극형 부호화에서 세 가지 준위를 사용하는데, 이는 positive, zero, 그리고 negative이다.

27 AMI와 가삼진수(Pseudoternary)
양극형 교대표시반전(AMI: Alternate Mark Inversion)

28 다준위 방식(Multilevel Schemes)
N개의 신호 요소 패턴을 사용하여 m개의 데이터 요소 패턴을 표현하며 단위 보오 당 비트 수 증가 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)

29 mBnL 방식에서는, m 개의 데이터 요소의 패턴이 2m ≤ Ln가 되는 n 개의 신호 패턴으로 부호화된다.

30 다준위 방식(Multilevel Schemes)
2B1Q(2 binary, 1 quaternary) 4개의 전압 준위를 사용 각 펄스는 2 비트를 표현 DSL 기술에서 가입자 전화 회선을 사용하는 고속 인터넷 접속 제공에 사용

31 다준위 방식(Multilevel Schemes)
8B6T(8 binary, 6 Ternary) 6개의 신호 요소에 8비트를 표현 3개의 준위 28 = 256개의 데이터 패턴 36 = 478개의 신호 패턴 478 – 256 = 222개의 신호는 동기화나 오류 검색에 사용

32 다준위 방식(Multilevel Schemes)
4D-PAM5(4차원 5준위 펄스 진폭 변조) Four-dimensional five-level pulse amplitude modulation 4D : 데이터가 4개의 회선으로 동시에 전송 5개의 준위 : -2, -1, 0, 1, 2 1G bps LAN에 사용

33 다준위 방식(Multilevel Schemes)
다중회선 전송 : MLT-3 Multiline transmission three level 3개의 준위( +1, 0, -1) 사용 100M bps 전송에 적합한 방식

34 회선 부호화 요약

35 블록 부호화는 보통 mB/nB 부호화라 불리며; 각 m-bit 그룹을 n-bit 그룹으로 바꾼다.
블록 코딩(Block Coding) m 비트를 n 비트 블록으로 바꾼다 n 은 m 보다 크다 mB/nB 부호화 블록 부호화는 보통 mB/nB 부호화라 불리며; 각 m-bit 그룹을 n-bit 그룹으로 바꾼다.

36 블록 부호화 개념 동기화를 확보하기 위해서 여분의 비트가 필요 오류 탐지를 위해서도 다른 여분의 비트를 포함해야 함

37 블록 코딩(Block Coding) 4B/5B(4Binary / 5Binary) NRG-I 방식과 혼합하여 사용
4비트 데이터를 5비트 코드로 바꾼다

38 블록 코딩(Block Coding) 4B/5B Mapping Code

39 블록 코딩(Block Coding) 4B/5B(4Binary / 5Binary) 블록 코딩 예

40 Example 4.5 1-Mbps 속도로 데이터를 보내야 한다. 4B/5B 와 NRZ-I를 조합해서 사용하거나 Manchester 부호화를 사용하는 경우에 각각 최소 대역폭은 얼마인가? Solution 먼저 4B/5B 블록 부호화는 비트율을 1.25 Mbps로 증가시킨다. NRZ-I를 사용하면 최소 요구대역폭은 N/2 또는 625 kHz이다. Manchester 부호화는 최소 1 MHz의 대역폭이 필요하다. 전자의 경우는 낮은 대역폭을 필요로 하나 직류 성분 문제가 있으며, 후자는 높은 대역폭이 필요하나 직류 성분 문제가 없다.

41 블록 코딩(Block Coding) 8B/10B 5B/6B와 3B/4B를 합한 것

42 스크램블링(Scrambling, 뒤섞기)
연속되는 0 으로 생기는 동기화 문제 해결 다른 준위 신호들로 조합된 신호로 바꾸는 방식 스크램블링을 이용한 AMI

43 스크램블링(Scrambling, 뒤섞기)
B8ZS 양극 8열 대치(Bipolar with 8 zero substitution) 8개의 연속된 0을 000VB0VB 신호로 대치

44 스크램블링(Scrambling, 뒤섞기)
HDB3 고밀도 양극 3 영(High-density bipolar 3-zero) 4개의 연속된 0을 000V 나 B00V로 대치

45 스크램블링(Scrambling, 뒤섞기)
HDB3 HDB3은 연속된 4개의 0을 마지막 대체 이후의 0이 아닌 펄스의 개수에 따라 000V 나 B00V 로 대체한다 HDB3 substitutes four consecutive zeros with 000V or B00V depending on the number of nonzero pulses after the last substitution.

46 4-2 ANALOG-TO-DIGITAL 변환
우리는 3장에서 디지털 신호가 아날로그 신호보다 우수하다는 것을 살펴보았다. 오늘날의 추세는 아날로그 신호를 디지털 데이터로 바꾸는 것이다. 이 절에서 두 가지 기법을 살펴보는데, 이는 pulse code modulation 와 delta modulation이다. Topics discussed in this section: Pulse Code Modulation (PCM) Delta Modulation (DM)

47 펄스 코드 변조(Pulse Code Modulation, PCM) 부호화기
아날로그 신호를 디지털 데이터로 바꾸기 위해 널리 사용되는 기법

48 채집(Sampling) 펄스 진폭 변조(PAM, Pulse Amplitude Modulation)
아날로그 신호로 표본을 채집하고 그 결과에 근거하여 펄스를 제작 채집 : 일정 간격마다 신호의 진폭을 측정 디지털로 변환하기 위해서 펄스 코드 변조(PCM)을 사용

49 채집(Sampling) PCM의 첫 단계 아날로그 신호를 매 TS 초마다 채집 3가지 서로 다른 채집 방법

50 According to the Nyquist theorem, the sampling rate must be
나이퀴스트 정리에 의하면, 채집율은 신호에 포함된 최대 주파수의 최소한 두 배가 되어야 한다. According to the Nyquist theorem, the sampling rate must be at least 2 times the highest frequency contained in the signal.

51 Low-pass 와 bandpass 신호의 나이퀴스트 채집율

52 Example 4.6 나이퀴스트 정리를 직관적으로 이해하기 위해, 단순 정현파를 3가지 채집율 fs = 4f (나이퀴스율의 2배), fs = 2f (나이퀴스트 율), 그리고 fs = f (나이퀴스트율의 절반)로 채집해 보자. 그림 4.24 는 각 채집 결과와 그에 따른 재생된 신호를 보여준다. 나이퀴스트 율로 채집을 하면 원래의 정현파에 근사한 결과를 얻는다(part a). part b에서 보는것 처럼 더 많이 채집을 해도 근사한 결과를 얻지만 불필요하다. 나이퀴스트 율보다 적은 채집율(part c)로는 원래의 신호를 바로 재생하지 못한다.

53 Figure 4.24 Recovery of a sampled sine wave for different sampling rates

54 Example 4.7 시계 바늘을 생각해 보자. 시계의 분침은 60 초의 주기를 갖는다. 나이퀴스트 정리에 따르면, 우리는 매 30초 마다 (Ts = T 또는 fs = 2f ) 채집해야 한다. 그림 4.25a에서, 순서대로 채집된 값은 12, 6, 12, 6, 12, 그리고 6이다. 이 값들을 수신한 쪽은 시계가 앞으로 가는지 뒤로 가는지 알 수 없다. 그림 b에서, 나이퀴스트 율보다 2배(매 15초)로 채집하였다. 채집된 값은 12, 3, 6, 9, 그리고 12이다. 시계는 앞으로 가는 것이다. 그림 c에서, 나이퀴스트 율보다 낮게(Ts = T 또는 fs = f ) 채집하였다. 채집된 값은 12, 9, 6, 3, 그리고 12이다. 시계가 앞으로 가고 있지만 수신자는 시계가 뒤로 가는 것으로 생각한다.

55 Figure 침이 하나만 있는 시계의 채집율

56 Example 4.8 예 4.7과 관련된 예로는 영화속에서 앞으로 가는 자동차 바퀴가 뒤로 돌고 있는 것 같이 보이는 것이다. 이것은 낮은 채집율로 설명할 수 있다. 영화는 초당 24 프레임을 돌아간다. 만약 바퀴가 매 초 12번 이상의 속도로 돌고 있는데, 낮은 속도로 채집을 하면 뒤로 돌고 있는 느낌을 받게 되는 것이다.

57 Example 4.9 전화 회사는 음성을 최대 4000 Hz 주파수를 갖는 것으로 가정하고 디지털화한다. 그러므로 채집율은 초당 8000번이다.

58 Example 4.10 복잡한 저-대역 통과 신호가 200 kHz의 대역폭을 갖는다. 이 신호의 최소 채집율은 얼마인가? Solution 저-대역 통과 신호의 대역폭은 0 과 f 사이인데, 여기서 f 는 신호에 있는 최대 주파수이다. 그러므로 이 신호를 가장 높은 주파수(200 kHz)의 두배로 채집할 수 있다. 그래서 채집율은 초당 400,000 번이 된다.

59 Example 4.11 복잡한 띠대역 통과 신호의 대역폭이 200 kHz이다. 이 신호에서 최소 채집율은 얼마인가? Solution 이 경우에는 대역폭이 어디서 시작하고 어디서 끝나는지 알 수 없어서 최소 채집율을 알 수 없다. 신호의 최대 주파수를 알 수 없다.

60 채집(Sampling) 펄스 코드 변조(PCM, Pulse Code Modulation)
정량화 : 채집된 값에 특정 범위에 속하는 정수 값을 할당하는 방법 PAM, 정량화, 2진 부호화, 디지털 대 디지털 부호화의 4단계로 구성

61 채집(Sampling) 펄스 코드 변조(PCM, Pulse Code Modulation)
계수화(Quantization, 양자화) 원래의 아날로그 신호는 Vmin 과 Vmax 사이의 진폭 값을 가진다고 가정 전체 영역을 높이 △(델타)의 L개의 구간으로 나눔 각 구간의 중간점에 0 부터 L-1 까지의 계수화된 값 지정 채집된 신호의 진폭 값을 계수화된 하나의 근사치로 지정

62 채집(Sampling) 펄스 코드 변조(PCM, Pulse Code Modulation) 부호화(Encoding)
각 표본이 nb 비트의 부호로 바뀌는 것 Bit rate = sampling rate X number of bits per sample = fs X nb

63 Quantization and encoding of a sampled signal

64 Example 4.12 그림 4.26의 예에서 SNRdB 는 무엇인가? Solution 양자화를 찾기 위해서 공식을 사용한다. 8개의 준위가 있으며 표본당 3 비트를 사용한다, 그래서 SNRdB = 6.02(3) = dB 준위의 수가 증가하면 SNR이 증가한다.

65 Example 4.13 전화 가입자 회선은 SNRdB 값이 40이 남어야 한다. 채집당 최소 비트의 수는 얼마인가? Solution 비트의 수는 다음과 같이 계산할 수 있다 전화 회사는 항상 채집당 7 또는 8 비트를 할당한다.

66 Example 4.14 사람의 목소리를 디지털화하고자 한다. 채집당 8 비트를 가정하면 비트율은 얼마인가? Solution 사람의 목소리는 보통 0에서 4000 Hz사이의 주파수를 갖는다 . 그래서 채집율과 비트율은 다음과 같이 계산할 수 있다:

67 PCM 복호기 구성 요소

68 Example 4.15 4 kHz의 저-대역 통과 아날로그 신호가 있다. 아날로그 신호를 전송한다면 4 kHz의 최소 대역폭을 갖는 채널이 필요하다. 신호를 디지털화하고 채집당 8 비트를 보낸다면 8 × 4 kHz = 32 kHz의 최소 대역폭을 갖는 채널이 필요하다.

69 델타 변조(DM, Delta Modulation)

70 델타 변조 구성 요소

71 델타 복조 구성 요소

72 4-3 전송 모드(TRANSMISSION MODE)
링크를 이용한 2진 데이터의 전송은 직렬 또는 병렬 방식으로 할 수 있다. 병렬 방식에서는, 다중 비트를 각 클록마다 보낼 수 있다. 직렬방식에서는, 각 클록마다 1 비트를 보낼 수 있다. 이에 대해 병렬 데이터를 보내는 방식은 한 가지가 있고 직렬 전송에는 3가지 방식이 있는데, 이는 asynchronous, synchronous, 그리고 isochronous이다. Topics discussed in this section: Parallel Transmission Serial Transmission

73 데이터 전송과 모드

74 병렬 전송

75 병렬 전송 한번에 1 개의 비트가 아닌 n 개의 그룹의 비트를 전송하는 것 N 비트를 전송하기 위해 n 개의 전선을 사용 장점
단점 가격이 비싸다 가격으로 인해 짧은 거리로 제한

76 직렬 전송

77 직렬 전송 한 비트가 다른 비트 뒤에 오므로, 통신하는 두 장치간 하나의 채널만 필요 장점 장치 내 통신은 병렬로 구성
한 비트가 다른 비트 뒤에 오므로, 통신하는 두 장치간 하나의 채널만 필요 장점 하나의 통신채널만 가지므로 병렬전송에 비해 1/n만큼의 비용 절감 장치 내 통신은 병렬로 구성 송신자와 전선 사이(병렬-직렬)및 전선과 수신자(직렬-병렬) 사이의 인터페이스에서 변환장치가 필요 비동기식 또는 동기식으로 구성

78 비동기식 전송

79 비동기식 전송 신호의 타이밍을 중요시 하지 않음 정보 교환은 합의된 패턴으로 수신 및 변환
보통 8 비트인 각 그룹은 링크를 따라 한 단위로 전송 송신 시스템과는 무관하게 언제든지 링크에 중계 가능 보통 0인 시작 비트를 바이트 시작부분에 추가 바이트 끝에 끝을 알리는 보통 1로 구성되는 정지 비트를 추가 총 8개의 데이터 비트와 2개의 추가 비트로 구성 수신 장치는 각각의 수신 바이트마다 재동기화 수신자는 시작 비트를 수신 후 수신되는 비트 수를 세면서 n 비트를 수신 후 정지 비트를 찾고 그 후 모든 펄스를 무시

80 끝에서 1 또는 그 이상의 종료 비트 (1s)를 보낸다. 각 바이트간에 간격이 있을 수 있다.
비동기 전송에서, 각 바이트의 시작에서 시작 비트(0)를 보내고 끝에서 1 또는 그 이상의 종료 비트 (1s)를 보낸다. 각 바이트간에 간격이 있을 수 있다.

81 여기서 비동기식이란 “바이트 수준에서 비동기,”를 의미한다. 그러나, 비트들은 여전히 동기화되고 비트들의 지속시간은 동일하다.
여기서 비동기식이란 “바이트 수준에서 비동기,”를 의미한다. 그러나, 비트들은 여전히 동기화되고 비트들의 지속시간은 동일하다.

82 동기식 전송

83 동기 전송에서, 시작, 종료, 간격없이 비트들을 하나씩 보낼 수 있다. 비트들을 그룹화하는 것은 수신자의 책임이다.

84 동기식 전송 다수의 바이트로 구성 바이트와 다음 바이트 사이의 간격이 없음 수신자가 복호화를 위한 바이트를 비트로 분리
(0과 1로 끊임없이 수신된 문자열을 수신자는 재구성) 수신자는 수신된 바이트를 8 비트 단위의 그룹으로 분리 장점 비동기식에 비해 속도가 빠르다 고속 응용에 유리 데이터 링크 계층에서 이루어짐

85 요약