디지털 대 디지털 변환

Line Coding

• 일련의 2진 bit 데이터를 디지털 신호로 바꾸는 작업
• Signal element vs Data element
  

1. signal element: 디지털 신호의 가장 짧은 단위
2. Data element: 데이터를 나타내는 가장 작은 단위체!

• Data rate vs Signal rate

1. Data rate 데이터 전송률
   -> 1초당 전송된 데이터 요소의 개수, 초당 비트 수 -bps
   -> 비트율(bit rate)이라고 한다!

2. Signal rate 신호 전송률
   -> 1초당 전송된 신호 요소의 개수
   -> pulse rate, modulation rate, baud rate

데이터 전송률과 신호 전송률의 관계

N = S x L = S x log2M

N= data rate, bps , 데이터 전송률
S= signal rate, baud , 신호 전송률
L= number of bits per signal element , log2M
M= number of different signal elements = 2^L , 다른 신호 개수!

디지털 신호의 실제 대역폭이 무한하지만 유효 대역폭은 유한하다!

다양한 특징들! characteristics

• Bandwidth: 디지털 신호의 실제 대역폭은 무한하지만, effective 대역폭은 유한하다.
• DC components: 없는게 바람직함 ❌, system or low frequency를 통과할수 없게 된다!
• Self-synchronization: 있으면 좋음 ⭕, 데이터가 전송된 timing information 포함, 발신자가 보낸 신호를 인식하기 위해 수신자의 비트 간격이 발신자의 비트 간격과 완전히 일치해야 함
• Built-in error detection -> 내장 에러 검출
• Immunity to noise and interface
• Complexity -> 구현 상 복잡함!

Unipolar 단극형 NRZ schema

• NRZ: Non Return to Zero
• 양전압비트 -> 1, 음 전압 비트 -> 0
  

polar 극형

• 양과 음의 두 가지 전압 준위를 사용
• 회선의 평균 전압 준위 감소
• 직류 성분 문제의 완화

NRZ

• 둘 다 DC 성분 문제를 갖는다!
• N/2 Bd의 평균 신호율을 갖는다!

NRZ-L

• 양전압 ->1, 음 전압 -> 0

NRZ-I(nvert)

• 전압 준위의 반전이 비트 1을 의미한다!
• 전압이 변화하면 비트 1, 무변화시 비트 0
• 비트 1을 만날때마다 신호가 변화하기 때문에 동기화를 제공한다!
  

RZ

• 연속적인 0이나 1 문자열을 수신할 경우 자신의 위치를 놓칠 수 있음
• 동기화 보장을 위해 각 신호마다 동기화 정보를 포함한다
• 양 음 영 표현 가능!
• 양 -> 1 음 -> 0
• 한 비트를 부호화하기 위해 두번의 신호 변화가 이루어지므로, 너무 많은 대역폭을 차지한다!
  

Manchester and Differential Manchester

• 비트 중간에서 반전은 동기화를 위해 사용된다
• 대역폭은 NRZ의 두배이다
  

Bipolar

• AMI 와 pseudoternary(가삼진수?!) => balance를 맞춘다!
• 세 가지 준위(level)를 사용하는데, positive, zero, negative이다
  

Multilevel

• N개의 신호 요소 패턴을 사용하여 m개의 데이터 요소 패턴을 표현하며, 단위 baud 당 비트 수 증가한다!
• m: 2진수 패턴의 길이 B: 2진수 n: 신호 패턴의 길이 L: 신호 준위의 수, 숫자 대신 문자를 사용한다!, 2진 – B(Binary) 3진 – T(Ternary) 4진 – (Quaternary)
• mBnL 부호화
  mBnL 방식에서는, m개의 데이터 요소의 패턴이 2^m<=L^n 가 되는 n개의 신호 패턴으로 부호화 된다!

2B1Q(2^2<=4^1)

• 4개의 전압 준위를 사용한다
• 각 펄스는 2 비트를 표현한다!
  

8B6T(2^8<=3^6)

• 6개의 신호 요소에 8비트를 표현
• 3개의 전압 준위
• 2^8 = 256개의 데이터 패턴
• 3^6 = 478개의 신호 패턴
• 478 - 256 = 222개의 신호는 동기화나 오류 검색에 사용된다!
  

Multitransition

MLT-3

• Multiline transmission three level
• 3개의 준위(+1,0,-1) 사용함
• 100M bps 전송에 적합한 방식
  

Block Coding

• m비트를 n비트 블록으로 바꾼다
• n > m
• =mB/nB 부호화
• 동기화를 확보학 위해서 여분의 비트가 필요하다!
• 오류 탐지를 위해서도 다른 여분의 비트를 포함해야한다

4B/5B(4Binary/5Binary)

• 4비트 데이터를 5비트 데이터로 바꾼다
  
• NRZ-I 방식과 혼합하여 사용한다

Scrambling

• 연속되는 0으로 생기는 동기화 문제를 해결

• 다른 준위 신호들로 조합된 신호로 바꾸는 방식

• 장거리 통신에 주로 쓰인다

• Design goal

• no dc component
• no long sequences of zero level line signal
• no reduction in data rate
• error detection capability

B8ZS

• Bipolar with 8 zero substitution
• 8개의 연속된 0을 000VB0VB 신호로 대치한다
• 북아메리카..
  

HDB3

• High-density bipolar 3-zero
• 4개의 연속된 0을 000V(0이 아닌 펄스의 개수가 홀수일 때)나 B00V(0이 아닌 펄스의 개수가 짝수일 때)로 대치한다!
• 유럽,일본..
  

아날로그 대 디지털 변환

• 디지털 신호가 아날로그 신호보다 우수하다!

Pulse Code Modulation(PCM)

• 아날로그 신호를 디지털 데이터로 바꾸기 위해 널리 사용되는 기법(digitization)
  

• 3가지 과정이 필요

1. the analog signal is sampled
2. the sampled signal is quantized
3. the quantized values are encoded a s streams of bits

sampling rate

나이퀴스트 정리에 의하면, sampling rate는 최대 주파수의 최소한 2배가 되어야한다!

quatization error

quantization error를 줄이기 위해서는

• 큰 n
• nonlinear encoding

Nonlinear encoding

• quantization 준위가 짝수로 할당되지않고
• signal distortion을 줄일수 있다
• companding( compression+ expanding)으로 행해진다

• u-law function
• A-law function

전송방식

• 직렬 or 병렬 방식
• 병렬 방식에서는 다중비트를 각 클럭 마다 보낼 수 있다
• 직렬 방식에서는 1 비트를 각 클럭마다 보낼 수 있다

Parallel Transmission

• N비트를 전송하기 위해 n개의 전선을 사용한다
• 직렬 전송에 비해 전송속도가 n배만큼 증가한다, but 가격이 비싸다
• 가격으로인해 짧은 거리일 때만!
  

Serial Transmission

• 8개의 pulse가 필요!
• 데이터 선은 1개로, 비용 아낀다
• 비동기식 or 동기식
  

Asynchronous transmission

• Sender and receiver는 자신의 클럭 쓴다

• 1 start bit & 1+ stop bit, + data of 5-8 bits

• 패리티 비트 1개 추가

• 시작비트에서 재동기화가 일어난다

• simple, cheap, 그러나 20~30퍼의 대역폭 낭비가 생긴다!
  

• 1또는 이상의 종료 비트로 인해 각 바이트 간에 간격이 있을 수 있다.-> parity

• 여기서 비동기는 바이트 수준에서 비동기이다, 비트 수준에서는 여전히 동기화 된다!즉 비트들의 지속시간은 동일하다
  

Synchronous transmission

• 동기 전송에서, 시작 종료 비트 없이 데이터 전송할 수 있다.
  
• 바이트와 다음 바이트 사이의 간격이 없다
• 수신자는 수신된 바이트를 8 비트 단위의 그룹으로 분리한다!
• 비동기식에 비해 속도가 빠르다
• 고속 응용에 유리
• 데이터 링크 계층에서 이루어진다
• 클럭은 bit level에서 동기화 되어야한다

• clock line을 분리해서 짧은 거리에 좋다
• 데이터에 클럭 신호를 포함한다( Manchester encoding-digital, carrier frequency-analog)