[Data Communications] Chapter 4

이한량·2024년 4월 17일

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1. Digital-to-Digital Conversion

Data rate (데이터 전송률) : 1초 동안 전송되는 데이터 요소(비트)의 수를 정의한다. 이는 초당 비트(bps)로 측정된다. 데이터 전송률이 높을수록 더 많은 데이터를 빠르게 전송할 수 있다.
Signal rate (신호 전송률) : 1초 동안 전송되는 신호 요소의 수를 의미한다. 이는 보드(baud) 단위로 측정된다. 신호 전송률은 실제로 전송되는 신호의 변화 수를 나타내며, 각 신호 변화가 여러 비트를 나타낼 수 있기 때문에 신호 전송률과 데이터 전송률은 다를 수 있다.

데이터 통신의 한 가지 목표는 데이터 전송률(N)을 높이면서, 신호 전송률(S)을 감소시키는 것이다. 데이터 전송률을 높이면 전송 속도가 증가하고, 신호 전송률을 낮추면 필요한 대역폭이 감소한다. 예를 들어, 더 적은 차량으로 더 많은 사람을 운반하면 교통 체증을 방지할 수 있는 것과 같은 이치(대역폭은 도로와 같다)이다.

예를 들어, 데이터 전송률 (N)이 증가한다면, 필요한 신호 전송률 (S)또한 커질 것이다. 하지만 우리의 목표는 N은 높이면서, S를 낮추는 것이기 때문에 r (신호 변화에 따른 비트 수의 변화)가 커져야 한다. 즉, 적은 신호의 변화에도 비트 수가 탄력적으로 변화해야 N을 높이면서, S를 낮추는 효과를 가질 수 있다.

S(=B_{min}) = \frac{N}{r} \\ N : Data rate \\ r : 신호\; 변화에\; 따른\; 비트\; 수의\; 변화 \\ S : Signal rate,\; 필요한\;최소\;대역폭

2. Line coding

디지털 데이터를 디지털 신호로 변환하는 과정. 비트의 순서가 디지털 신호로 변환된다.

1). 송신자 : 디지털 데이터를 디지털 신호로 인코딩

2). 수신자 : 디지털 신호가 디지털 데이터로 디코딩

Issues in Line Coding

1). DC Components (직류 성분)

1-1). 디지털 신호에서 일정 시간동안 전압 레벨이 일정하게 유지될 때, 
스펙트럼상에서 매우 낮은 주파수를 생성한다. 이러한 주파수들을 DC(직류) 성분이라고 한다. 
DC 성분은 저주파를 통과시킬 수 없거나 변압기를 통한 전기적 결합을 사용하는 시스템에서 문제가 생길 수 있다.

1-2). 신호의 평균 진폭이 0이 아닌 경우, 신호에 DC 성분이 존재한다고 할 수 있다.
이는 전송 매체나 시스템에 따라 문제가 생길 수 있어, 신호의 전송 및 처리에 영향을 미친다.

2). Self-synchronization (자기 동기화)

2-1). 이는 데이터를 전송하는 동안 타이밍 정보를 신호에 포함시켜,
 수신기가 신호 내에 변화가 발생했을 때(전압의 변화), 이러한 변화들을 통해 
 타이밍 정보를 알 수 있게 한다. 이 기능은 특히 비동기 통신 시스템에서 매우 중요하다.

2-2). 디지털 통신에서는 전송기와 수신기 사이에 시간 기준이 정확하게 동기화되어야 한다.
시간이 동기화되지 않으면, 수신기는 데이터 비트의 경계를 정확하게 인식하지 못하고 오류가 발생할 수 있다.

2-3). 자기 동기화 기능이 있는 신호는 수신기가 데이터의 시작과 끝을 정확하게 파악하도록 돕는다.
이는 데이터의 정확한 복구를 위해 필요한 기능이다.

Unipolar (단극성) : 0과 1을 표현하기 위해 양의 전압 레벨만이 필요함.
- Unipolar Non Return to Zero (단극성 NRZ)
  - 단극성 NRZ의 특징
    
    1). 단극성 NRZ에서는 양의 전압이 1bit, 0 전압이 0bit를 정의한다. 즉, 신호가 시간 축에 대해서 양의 면에만 존재한다.
    
    2). 1이 연속해서 전송될 경우, 신호 레벨은 계속해서 양의 전압을 유지하고, 0이 연속해서 전송될 경우 신호 레벨은 0을 유지한다.
  - 단극성 NRZ의 단점
    
    1). 신호에 1이나 0이 장시간 연속해서 나타날 경우, 이는 DC 성분을 생성한다.
    
    2). 단극성 NRZ 신호는 동기화 기능이 없다. 즉, 신호내에서 전환 (0과 1사이의 전환)이 충분히 일어나지 않을 경우, 수신기가 데이터 비트의 경계를 정확히 인식하기 어려워진다. 즉, 1이나 0이 장시간 연속해서 전송될 때 문제가 발생할 수 있다.
    
    단극성 NRZ는 시간 축에 대해서 양의 면에만 신호 레벨이 존재. 똑같은 비트 (1 혹은 0)이 연속해서 전송될 경우, 신호 레벨은 계속 같은 값을 유지 $\rarr$ 직류 성분 생성. 신호 동기화 기능이 없기때문에 신호가 장시간 같은 레벨을 유지하며 전송될 때, 수신기는 데이터 비트의 경계를 정확히 인식하기 어렵다.
Polar (극성) : 0과 1을 표현하기 위해 양의 전압 레벨과 음의 전압 레벨을 사용함.
- Polar Non Return to Zero (극성 NRZ) : 단극성 NRZ와 달리 이 기법은 시간 축 양쪽에 대한 전압 레벨을 가진다.
  - 극성 NRZ의 기본 특징
    
    1). 극성 NRZ에서는 0과 1을 나타내기 위해 양수와 음수 전압을 모두 사용한다. 즉, 신호가 시간 축 양쪽에 위치할 수 있다. 극성 NRZ에서도 마찬가지로 0 또는 1비트가 장시간 연속해서 나타날 경우 DC 성분이 발생할 수 있고, 자기 동기화 기능이 없다.
    
    2). NRZ-Level (NRZ-L) : 0과 1비트를 나타내기 위해 고정된 전압 레벨을 사용한다. 예를 들어 1은 음의 전압으로, 0은 양의 전압으로 정의될 수 있다.
    
    3). NRZ-Inverted (NRZ-I) : 1비트를 나타내기 위해 신호의 전압 레벨이 바뀐다. 반면 0비트는 전압 레벨의 변화 없이 그대로 유지된다.
    
    NRZ - L : 0과 1비트를 나타내기 위해 고정된 전압을 사용한다. 예를 들어 1은 음의 전압, 0은 양의 전압으로 정의한다.
    NRZ - I : 1비트를 나타내기 위해 신호의 전합 레벨이 바뀐다. 예를 들면, -V $\rarr$ +V. 0비트는 전압 레벨이 유지된다.
    NRZ - L, NRZ - I 모두 DC 성분이 발생 가능하고, 신호 동기화 기능이 없다.
- Polar Return to Zero (극성 RZ)
  - 극성 RZ의 기본 특징
    
    1). 0과 1을 나타내기 위해 양수와 음수 전압을 모두 사용한다.
    
    2). 극성 RZ에서는 비트 사이의 변화가 아니라 비트 중간에 신호가 변화한다. 각 비트는 신호의 중간에 0 전압으로 복귀한다.
  - 극성 RZ의 장점
    
    1). 각 비트의 중간에 신호가 0으로 복귀하기 때문에, 수신기가 신호의 경계를 더 쉽게 추적할 수 있다. 즉, 자기 동기화(self synchronization)가 가능하다.
    
    2). 신호가 항상 0으로 복귀하기 때문에 장시간 0혹은 1이 전송되어도, DC성분이 발생하지 않는다.
  - 극성 RZ의 단점
    
    1). RZ 인코딩은 하나의 비트를 인코딩하기 위해 두 번의 신호 변화가 필요하기 때문에, NRZ 기법에 비해 더 큰 대역폭을 차지한다.
    
    RZ : 음수와 양수 전압 신호 레벨을 사용해 1비트와 0비트를 표현한다. 비트 중간에 0으로 복귀하기 때문에 DC성분이 발생하지 않고, 자기 동기화가 가능하다. 하지만 한 비트를 인코딩하기 위해 두 번의 신호 변화가 필요하므로, NRZ 기법에 비해 더 큰 대역폭이 필요하다.
- Polar Manchester and Differential Manchester (극성 맨체스터, 차등 맨체스터) : 이중 위상 (biphase) 라인 코딩 기법으로, 데이터 전송에 자주 사용된다. NRZ 기법과 RZ 기법을 합친 것으로 이해할 수 있다.
  - 맨체스터 코딩, 차등 맨체스터 코딩의 장점
    
    1). 맨체스터 코딩은 NRZ-L에서 발생할 수 있는 동기화 문제를 해결한다. 비트 중간에서의 전환을 통해 타이밍 정보를 신호에 내장함으로써, 수신기가 데이터의 시작과 끝을 명확히 구분할 수 있다.
    
    2). 각 비트가 양수와 음수 전압을 모두 포함하기 때문에 맨체스터 코딩 신호에선 DC 성분이 발생하지 않는다.
    
    3). 차등 맨체스터 코딩은 비트의 시작 부분에서의 전환 유무를 사용하여 비트 값을 결정하므로, 오류 검출에 용이하다.
  - 맨체스터, 차등 맨체스터 코딩의 단점
    
    1). 맨체스터 및 차등 맨체스터 코딩은 각 비트에 대해 최소 한 번 이상의 전환이 필요하다. 이때문에 NRZ 기법에 비해 Signal rate가 두 배 증가한다. 결과적으로 동일한 Data rate를 유지하기 위해선 더 많은 대역폭이 필요하다.
    
    맨체스터 코딩 : -V, +V 두 가지 전압 레벨에서 위상 변화를 통해 0과 1을 표현한다. 즉, 0과 1을 표현할 때 정해진 위상이 있다. 비트 중간에 0으로 복귀한다. 따라서 DC 성분 생성을 억제하고 자기 동기화 기능이 있다.
    차등 맨체스터 코딩 : 맨체스터 코딩과 기본 원리는 같지만, 0일 때 위상이 변화하고, 1일 때 위상이 유지된다. 비트의 시작 부분에 위상 전환 유무를 표현하여 비트 값을 결정하므로, 오류 검출에 용이하다.
Bipolar : 양극성 신호 방식(Bipolar)은 데이터를 전송할 때 세 가지 전압 레벨을 사용한다.
- AMI (Alternate Mark Inversion) : 1을 나타낼 때 양의 전압과 음의 전압을 번갈아 사용하고, 0을 나타낼 때 0전압이다. 이를 통해 DC 성분을 제거한다. 자기 동기화 기능은 없다.
- Pseudoternary (유사 삼진) : 0을 나타낼 때 양의 전압과 음의 전압을 번갈아 사용하고, 1을 나타낼 때는 0전압이다. 이 방식 역시 DC 성분을 제거하고, 자기 동기화 기능은 없다.
- Multilevel Schemes : m개의 데이터 요소 그룹은 $2^m$ 개의 데이터 패턴 조합을 생성할 수 있다. L개의 다른 레벨이 있다면, 신호 패턴의 길이가 n일 때 $L^n$ 조합의 신호 패턴을 생성할 수 있다.
  - 2B1Q (2Binary 1Quaternary, 2개의 2진수 1개의 4진수) : $2^2$ 개의 데이터 패턴과 $4^1$ 개의 신호 패턴이 존재한다.
  - 8B6T (8Binary 6Trinary, 8개의 2진수 6개의 3진수) : $2^8$ 개의 데이터 패턴과 $3^6$ 개의 신호 패턴이 존재한다.
    
    1). 00010001 : -0-0++ $\rarr$ 가중치 0
    
    2). 01010011 : -+-++0 $\rarr$ 가중치 +1
    
    3). 01010000 : +--+0+ $\rarr$ 가중치 +1
```
		** 가중치 : 이진 데이터 패턴을 삼진 신호 패턴으로 변환할 때, 각 신호 패턴이 갖는 값. 
  신호 패턴의 전기적 특성을 나타내며, 이를 통해 전송중인 데이터 신호의 질을 유지하고 전기적 균형을 조절하는 데 필요하다.
```
Multi-transition, MLT-3 : 이 방식은 세 개의 레벨 (+V, 0, -V)과 세 가지 전환 규칙을 사용한다.
- 작동 원리
  
  1). 다음 비트가 0일 경우 : 신호 레벨이 현재 상태를 유지
  
  2). 다음 비트가 1이고, 현재 전압 레벨이 0이 아닐 경우 : +V, -V 레벨에서 1bit을 만나면 다음 레벨은 0이 된다.
  
  3). 다음 비트가 1이고, 현재 전압 레벨이 0일 경우 : 마지막으로 사용된 0이 아닌 전압 레벨의 반대 전압 레벨을 갖는다. 즉, 전압이 0이 되기 직전의 전압이 +V였다면, -V 레벨이 된다.

3. Block Coding

데이터 전송이나 저장 과정에서 신뢰성을 높이기 위해 사용되는 기술이다. 원래의 데이터에 추가적인 정보(중복 비트)를 더해서 오류를 감지 및 수정할 수 있도록 돕는다. 즉, 블록 코딩은 데이터의 안정성과 정확성을 높이기 위해 원본 데이터에 일정한 패턴의 데이터를 추가하는 기술로 이해할 수 있다.

4B/5B : 4비트의 데이터를 5비트의 코드워드로 변환하여 전송한다. 이 변환 과정에서 특정한 패턴을 사용하여 0이 연속으로 발생하는 시퀀스를 방지한다. 결과적으로, 4B/5B 인코딩은 데이터 스트림에서 더 많은 변화를 만들어내어 수신기가 동기화를 유지하기 쉽게 만든다.

4. Analog-to-Digital Conversion

아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 과정은 매우 중요한 과정이다. 음악과 같은 아날로그 신호를 디지털 형태로 변환함으로써, 이러한 데이터를 보다 효율적으로 저장, 전송, 처리할 수 있게 된다.

Pulse Code Modulation (PCM, 전압 코드 변조) : 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 가장 일반적인 기술이다. 해당 방식은 크게 세 가지 과정을 거친다.

1). Sampling (샘플링) : 아날로그 신호는 연속적인 신호로, 시간에 따라 변화하는 값을 가진다. 샘플링 과정에서 이 아날로그 신호를 일정한 시간 간격으로 측정하여 이산적인 샘플들로 변환한다. 샘플링 빈도 (Sampling rate)는 초당 샘플의 수로 표현되며, 변환될 신호의 품질을 결정하는 중요한 요소이다.

2). Quantization (양자화) : 샘플링을 통해 얻어진 샘플 값들을 특정한 수준의 값으로 근사화하여 표현한다. 즉, 각 샘플이 아날로그 값에 가장 가까운 양자화된 값으로 변환된다.

3). Encoding (인코딩) : 양자화된 샘플들은 이진수로 변환된다. 이 과정에서 각 양자화된 값은 고유한 이진 코드로 표현되며, 디지털 신호는 이 코드들의 연속이다.
Delta Modulation (DM, 델타 변조) : PCM은 매우 복잡한 기술이기 때문에, 이를 구현하고 처리하는 데는 상당한 계산 능력과 저장 공간이 요구된다. 이런 복잡성을 줄이기 위해 고안된 기술 중 하나가 DM이다. DM은 연속적인 샘플들 사이의 차이를 기반으로 작동한다. 즉, 신호가 이전 샘플에 비해 얼마나 증가 혹은 감소했는지만 표현한다. 이 방식은 신호의 미세한 변화만을 추적하기 때문에, PCM에 비해 구현이 훨씬 단순하고 비트율도 낮다.

5. Transmission

데이터를 전송할 때 주요 고려 사항 중 하나는 케이블이다. 이 케이블을 결정할 때 중요한 것은 데이터 스트림이 어떻게 전송되는지이다. 데이터는 1비트씩 전송될 수도 있고, 더 큰 단위로 그룹화하여 전송될 수도 있다. 데이터 전송 방식은 크게 병렬 전송, 직렬 전송으로 나눈다.

Parallel Transmission (병렬 전송) : 이진 데이터를 n비트씩 그룹화하여 전송하는 방식. 이 방식에서는 데이터 비트들을 나누어 여러 개의 병렬 채널을 통해 동시에 n비트를 전송함으로써, 빠르게 데이터를 전송할 수 있다. 예를 들어, 병렬 전송을 통해 8비트 데이터를 전송하는 경우, 8개의 병렬 채널에 각각 1비트씩 나누어서 8비트 전체를 동시에 전송할 수 있다. 이는 각 비트가 자신만의 독립된 경로를 갖고 있기 때문에 가능하다.
- 병렬 전송의 장점
  
  1). 여러 비트를 동시에 전송함으로써 전체적인 데이터 전송 속도를 크게 향상시킬 수 있다.
  
  2). 짧은 거리에서 매우 빠른 데이터 전송이 가능하기 때문에, 컴퓨터 내부나 짧은 거리의 통신망에서 주로 사용된다.
- 병렬 전송의 단점
  
  1). 각 비트마다 별도의 전송 경로가 필요하기 때문에, 케이블과 연결 장치의 비용이 증가한다.
  
  2). 병렬 채널들 사이에서 발생할 수 있는 신호 간섭 (Crosstalk)으로 인해 긴 거리에서의 데이터 전송이 어렵다.
Serial Transmission : 데이터 비트들이 순차적으로 한 비트씩 전송되는 방식이다. 이 방식에서는 데이터를 전송하기 위해 하나의 통신 채널만 필요하기 때문에 비용 효율적이다.

Asynchronous transmission (비동기 전송) : 직렬 통신의 일종으로, 이 방식에서 데이터는 사전에 합의된 패턴을 통해 수신 및 해석된다. 데이터의 시작과 끝을 나타내는 시작 비트와 정지 비트가 존재한다.

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