지난 네트워크 포스트에서 1계층인 물리 계층이 하는 일, 매체에 대해서 알아봤는데 이번에는 또 다른 물리적인 주변기기 장치들을 소개하려고 합니다.
오늘 소개할 세 가지 형태는 통신에서 디지털 신호를 아날로그 신호로, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해서 통신할 때 사용되는 주변기기들 입니다.
모뎀 MODEM
모뎅(MOdulator and DEModulator)는 PSTN을 이용해서 데이터 전송을 하기 위해 사용됩니다.
PSTN은공중전화망(Public Switched Telephone Network)이라는 전화 네트워크망입니다.
모뎀은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변조해서 전송하고, 아날로그 신호를 받아서 디지털 신호로 복조해서 읽어내는 역할을 합니다.
디지털 신호 -> 아날로그 신호 -> PSTN (받을 땐 반대로)
모뎀의 기능
- 변조와 복조 기능
- 펄스를 전송신호로 변환
- 자동 호출과 응답 기능
- 자동 속도 조절 기능
- Rooftest(고장 장애 시험) 가능
- 데이터 통신과 속도 제어 가능
모뎀의 분류
모뎀은 동기 방식, 포트 수, 속도에 따라 분류할 수 있습니다.
동기 방식에 따른 분류
비동기식
- 저속도에서 사용
- 1,200 bps 이하의 속도
동기식
- 고속에서 사용
- 2,400 bps 이상의 속도
포트 수에 따른 분류
단포트 모뎀
- 중속도(2,400 bps 이하)에서 사용
- 하나의 포트를 가진다.
멀티 포트 모뎀
- 포트 수가 여러개인 여러 포트들이 내장되어 있다.
널 모뎀
- 중간에 모뎀이나 DCE(데이터 회선 종단 장치)를 사용하지 않고 터미널과 컴퓨터에 직접 접속.
속도에 따른 분류
저속도
- 300 bps 이하
- ASK 모뎀
중속도
- 1,200 ~ 2,400 bps
- FSK, PSK 모뎀
고속도
- 4,800 ~ 9,600 bps, 14,400 bps, 56 Kbs
- QAM 모뎀
모뎀의 신호 변환 방식
ASK
ASK(진폭 편이 변조, Amplitude Shift Keying)는 진폭에 차이를 주어 변조하는 방식입니다. 변조할 때 0과 1의 진폭에만 차이를 줍니다.
FSK
FSK(주파수 편이 변조, Frequency Shift Keying)은 주파수에 차이를 주어 변조하는 방식입니다. 
PSK
PSK(위상 편이 변조, Phase Shift Keying)는 위상에 차이를 주어 변조하는 방식입니다. 0과 1을 서로 반대되는 위상을 갖도록 변조시킵니다.
PSK는 한 신호에 여러 비트를 전송할 수 있는데, N위상 PSK라고 합니다.
N = 2^m 으로 구합니다. 여기서 m은 신호 당 비트 수를 의미합니다.16위상의 경우 m=4이므로, 신호당 4비트를 보낼 수 있습니다.
QAM
QAM(직교 진폭 변조, Quadrature Amplitude Modulation)은 ASK와 PSK를 혼합한 형태입니다. 즉, 진폭과 위상에 차이를 두어서 변조시키는 방식입니다.
DSU
DSU(Digital Service Unit)는 디지털 신호를 디지털 신호로 바꾸는데 필요한 장치입니다. 디지털 신호를 다른 디지털 신호로 바꾸는 이유는 네트워크 사이에서 다양한 장치들이 사용되기 때문인데요. 이렇게 다양한 장치들이 사용되면 네트워크 신호들도 다양해집니다. 그래서 서로 다른 네트워크 신호들을 동일하게 맞추기 위해서 사용되는게 DSU라고 할 수 있습니다.
디지털 신호 -> 디지털 신호 -> PSDN
PSDN: 공중 패킷 교환망, Packet Switched Data Network
주로 언급한 서로 다른 네트워크 신호를 동일하게 맞추기 위해서 사용하거나, 신호를 효율적으로 먼 거리까지 전송하기 위해서 사용합니다. 또한 모뎀 회로 구성보다 간단하다는 장점이 있습니다.
DSU의 신호 변환 방식
단극 RZ
단극 RZ방식은 양/음극 중 하나의 극만 사용합니다. 1이면 전압을 주고, 0이면 전압을 주지 않는 식으로 사용됩니다.
송수신 회로의 구성이 간단하지만, 잡음이 많아져서 단거리에만 사용됩니다.
양극 NRZ
양극 NRZ방식은 양극과 음극을 모두 사용하는 방식입니다. 1이면 양극, 0면 음극을 사용합니다. 단극 RZ방식보다 잡음이 적어서 저속도에서의 표준으로 사용됩니다. 세부적으로 4가지의 방식으로 한 번 더 나뉘게 됩니다.
NRZ-L
1이면 양극, 0면 음극을 사용합니다.
NRZ-M
비트의 간격(그림의 얇은 실선)에서 항상 변화합니다. 또한 비트 중간에서는 1일때는 비트 중간에서 변화하고, 0일땐 변화하지 않습니다.
NRZ-S
NRZ-M과 반대의 모습을 보여줍니다. 비트의 간격에서 항상 변화하며, 1일때는 변화가 없고, 0일 때 비트 중간에서 변화합니다.
NRZ-I
0 -> 1, 1 -> 1의 변화가 있을 때만 변화합니다. 1 -> 0, 0 -> 0에서는 변화가 일어나지 않습니다.
바이풀라
양극, 음극, 0V인 세 가지 상태를 모두 사용합니다. 0은 0V, 1은 양극 음극을 교대로 반환합니다. 직류 성분이 없다는 장점이 있지만, 동기화가 어렵습니다.
맨체스터
하나의 펄스 폭을 2개로 나눠서 1과 0의 상태를 반대로 사용한다. 1일때는 양극에서 음극으로 가는 형태이고, 0일때는 음극에서 양극으로 가는 형태이다. 매 비트 구간에서 반드시 변화가 발생한다고 할 수 있다.
코덱 CODEC
코덱(COder and DECoder)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키고, 그 디지털 신호를 다시 아날로그 신호로 변환하는 역할을 수행하는 기기입니다. 이때 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 과정을 코딩(인코딩), 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸는 과정을 디코딩이라고 합니다.
아날로그 신호 -> 디지털 신호 -> PSDN
추가) 코덱과 모뎀의 차이점
코덱은 디지털 신호가 입력되어 아날로그 신호가 출력이 되고 아날로그 망을 통해 전송됩니다.
모뎀은 아날로그 신호가 입력되어 디지털 신호가 출력이 되고 디지털 망을 통해 통해 전송됩니다.
코덱이 수행하는 대표적인 변조 방식으로는 PCM(펄스 부호 변조, Pulse Code Modulation)가 있습니다.
PCM
PCM은 음성 등의 아날로그 신호를 표본화/양자화/부호화하여 전송하고, 수신측에서 복호화해서 다시 음성 등의 아날로그 신호로 변환하는 방식입니다.
특징
- 점유 주파수의 대역이 넒다.
- 잡음과 누락에 강하다.
- 광통신의 등장에 따라 대용량 전송도 가능해졌다.
- 가격이 경제적이다.
수행 순서
표본화 -> 양자화 -> 부호화 -> 복호화 -> 여파화(필터링)
표본화
표본화는 연속적으로 변하는 아날로그 신호를 주기적 간격을 통해 표본 값을 구하는 과정입니다. 표본화 정리를 통해 표본 개수를 구합니다. 이에 따라 PAM 신호를 얻게 됩니다. PAM 신호는 펄스의 진폭을 변화시킨(아날로그 변조)한 신호입니다.
양자화
양자화는 표본화된 값을 정수화 하는 단계입니다. 이 과정에서 실수가 나오면 그 값을 반올림하게 되는데, 이때 생기는 오차를 양자화 잡음이라고 합니다.
우리가 전화 통화를 할 때 상대방의 목소리가 실제와 다르게 들리는데, 이 이유가 바로
양자화 잡음때문입니다.
부호화
부호화는 양자화된 표본 펄스값을 디지털 신호 0과 1의 조합으로 변환하는 단계입니다. 이 과정에서는 Gray Code를 많이 사용합니다.
Gray Code는 연속된 코드간에 하나의 비트만 변화하여 새로운 코드가 되는 코드입니다. 이 코드를 입력 코드로 사용하면 오차가 줄어드는 특징이 있습니다.
Gray Code는 최상위 비트는 그대로 내려쓰고, 그 다음 비트는 이전 비트와 그 다음 비트를 비교해서 두 비트가같으면 0,다르면 1을 적습니다. (XOR 연산)
반대로 그레이 코드를 2진 코드로 바꾸기 위해서는 최상위 코드는 그대로 내리고, 생성된 비트와 그 다음 그레이 코드의 비트를 비교해서 역시 XOR연산을 수행합니다.
복호화
복호화는 부호화된 디지털 신호를 원래의 신호로 복원하는 과정입니다. 부호를 PAM 신호로 변환합니다.
여파화 (필터링)
여파화(필터링)는 인접한 PAM 신호의 정점들을 연결해서 계단 형태로 만듭니다. 결과물이 약한 계단의 형태를 띄지만 표본화 이전의 신호(원본 신호)와 비슷하게 됩니다.
