[Data Communications] Chapter 5

1. Digital-to-Analog Conversion

데이터 통신 과정에서, 디지털 정보는 아날로그 신호로 변환되어 전달된다.

디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 방법은 크게 3가지로 볼 수 있다.

• Binary Amplitude Shift Keying (ASK) : 디지털 신호를 전송하기 위해 전파의 진폭을 변조한다. 이 방식은 데이터의 각 비트를 나타내기 위해 Carrier Signal의 진폭을 변조한다.
  

  1). 전파의 진폭을 변화시킴으로써 데이터 비트를 표현한다.

  2). 한 개의 단순한 사인파를 사용하더라도, 변조 과정에서 비주기적인 복합 신호가 생성된다. 이는 데이터를 표현하기 위해 진폭을 변조했기 때문이다.

  3). 대역폭이 Signal rate (baud)에 비례한다. 변조된 신호가 가질 수 있는 정보량과 전송 속도는 Signal rate와 Bandwidth에 따라 결정된다.

  4). 데이터 통신에선 일반적으로 Duplex link를 사용하여 양방향 통신을 진행한다. 이 경우 대역폭을 두 부분으로 나누어 두 개의 전파 주파수를 사용한다. 이를 통해 양방향 통신을 하며, 각 방향에 대해 별도의 채널을 할당하여 상호 간섭을 최소화한다.

• Binary Frequency Shift Keying (FSK) : 디지털 신호 전송을 위해 전파의 주파수를 변조하는 방식이다. 이 방식은 데이터의 각 비트를 나타내기 위해 전파의 주파수를 변화시킨다.
  

  1). 0과 1의 데이터 비트를 서로 다른 두 주파수로 표현한다.

  2). 한 신호 요소의 기간 동안 변조된 신호의 주파수는 일정하다. 하지만 다음 신호 요소로 넘어가 데이터 요소가 변경되면 주파수도 변한다.

  3). 양방향 통신을 위해서 주파수가 다른 두 개의 전파를 사용해야 한다.

• Binary Phase Shift Keying (PSK) : 데이터 신호를 전송하기 위해 전파의 위상을 변조한다.
  

  1). 데이터 비트의 변화를 나타내기 위해 전파의 위상을 변조시킨다.

  2). PSK는 ASK만큼 간단하면서, 노이즈에 대한 내성이 더 뛰어나다. 노이즈는 진폭을 변화시키기 쉬운 반면, 위상을 변화시키는 것은 어렵다. 따라서 PSK는 노이즈에 대한 내성이 강하다.

  3). PSK는 FSK, ASK처럼 양방향 통신을 위해 두 개의 다른 전파를 사용할 필요가 없다. 따라서 대역폭을 더 효율적으로 사용할 수 있다.

  4). PSK는 다른 위상간의 구분을 위해 더 정교한 하드웨어를 필요로 한다. 미묘한 위상의 차이를 정확히 감지하고 해석하는 것은 어려운 일이다.

• Quadrature PSK (QPSK) : 이 방식은 두 개의 별도의 BPSK(동위상과 직교위상) 변조를 사용한다. 위에서 소개한 BASK, BFSK, BPSK는 1bit에 대한 변조만 가능했지만, 이 방식은 2bit에 대한 변조도 가능하다.
  

  1). 두 개의 독립적인 BPSK 신호를 사용하여 데이터를 전송한다. 따라서 두 신호는 각각 독립적인 데이터 스트림을 담고 있기 때문에, 이 신호는 2bit을 전송할 수 있다.

  2). QPSK의 두 복합 신호는 동일한 주파수를 갖고, 위상만이 다른 사인파이다.

  3). BPSK의 두 사인파가 합쳐져 또 다른 사인파를 형성한다. 이 사인파는 합성된 두 신호의 위상 차이에 따른 여러 위상 각을 갖는다. 이런 원리를 통해 네 가지 다른 위상을 가진 사인파를 생성하며, 이를 통해 2bit의 정보를 한번에 전송할 수 있다.
  

• Quadrature Amplitude Modulation (QAM) : ASK, PSK의 원리를 결합한 변조 방식이다.
  

  1). QAM은 신호의 진폭과 위상을 동시에 변조하여 전송한다. 이를 통해 더 많은 정보를 담고있는 신호를 보낼 수 있다.

  2). QAM에서는 두 개의 Carrier Signal을 사용한다. 하나는 동위상 컴포넌트를 위해, 하나는 직교위상 컴포넌트를 위해 사용된다. 이 두 신호는 각각 다른 진폭 수준을 가질 수 있으며, 동시에 위상도 변조될 수 있다.

  3). QAM을 사용하면 진폭과 위상의 다양한 조합을 통해 많은 수의 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 16-QAM은 16가지 다른 신호 상태를 가지며, 이는 4비트의 데이터를 한번에 전송할 수 있다는 의미이다.
  

2. Analog-to-Analog Conversion

아날로그 정보를 아날로그 신호로 표현하여 전송하기 위해선 아날로그-아날로그 변조가 필요하다. 아날로그 정보는 신호로써 전송되기에 부적합한 형태일 수 있기 때문에, 이러한 과정이 필요하다. 아날로그-아날로그 변조를 위한 방법은 세 가지이다.

• Amplitude Modulation (AM) : 반송파의 진폭이 변조 신호의 진폭에 따라 변화한다. 이 과정을 통해 신호의 주파수를 중심으로 변조 신호의 대역폭의 최대 두 배에 해당하는 대역폭이 생성된다.
  

  1). AM 라디오 방송에서 사용되는 표준 대역폭은 일반적으로 10KHz이다. 따라서, AM 라디오는 신호의 주파수를 중심으로 +-5Khz 범위를 차지한다.

  2). AM 방송국은 특정 반송파의 주파수에 할당되며, 이 주파수는 고유하게 관리된다. 이런 할당은 방송국 간의 간섭을 최소화하기 위함이다.

• Frequency Modulation (FM) : 이 방식은 변조 신호의 진폭 변화를 따라 반송파 신호의 주파수가 변조된다.
  

  1). FM 라디오 방송에서 사용하는 표준 대역폭은 주로 200kHz이다. 이 중 음성이나 음악 신호를 전달하는 데 사용되는 대역폭은 최대 15kHz까지이다. 나머지 대역폭은 부가 정보 전송, 스테레오 신호 및 채널 간 간섭을 방지하기 위해 할당된다.

• Phase Modulation (PM) : 변조 신호의 진폭 변화에 따라 반송파 신호의 위상이 변조되는 방식.
  

  1). PM에서는 변조 신호의 시간에 따른 주파수의 변화율(미분)이 Carrier Signal의 즉각적인 위상 변화와 비례한다. 즉, 변조 신호 주파수의 변화율이 반송파의 위상 변화를 결정한다.

  2). PM과 FM은 서로 변환될 수 있는 관계에 있다. 즉, 적절한 처리를 통한다면 두 신호는 상호 변조가 가능하다.
  

3. Multiplexing

Multiplexing이란, 단일 데이터 링크를 통해 여러 신호를 동시에 전송할 수 있게 하는 기술이다. 데이터 통신량의 증가에 따라 트래픽은 꾸준히 증가하고 있다. 이에 따라 링크를 계속해서 추가적으로 설치하는 것 보단, 하나의 큰 링크를 설치하고, 이 링크를 활용해 여러 신호를 전송할 수 있는 방법이 더 효율적이다.

• Frequency Division Multiplexing (FDM, 주파수 분할 멀티플렉싱) : 하나의 큰 대역폭의 링크에서, 주파수를 기준으로 여러 채널로 나눠서 신호를 전송하는 방식이다.
  

  1). 각 송신 장치의 신호는 고유한 변조 주파수를 통해 변조된다. 이 과정에서 각 신호는 특정 주파수 범위에 할당된다.

  2). 변조된 신호들은 모두 서로 다른 주파수 대역을 사용하기 때문에, 이 신호들을 하나의 복합 신호로 결합할 수 있다. 즉, 하나의 복합 신호로 모든 개별 신호를 전송하고, 각 개별 신호들은 자신의 주파수 대역을 유지한다.

  3). 이 복합 신호는 단일 링크를 통해 전송된다.

  4). 수신측에 도착한 복합 신호는 각각의 개별 신호로 분리되고, 원래 갖고 있던 정보를 복구한다. 즉, 각각의 필터에 따라 개별 신호들이 분리되고, 분리된 신호에서 얻고자 하는 정보를 추출해낸다.
  

• Wavelength Division Multiplexing (WDM, 파장 분할 멀티플렉싱) : 광섬유 케이블에서 사용되는 방식이다. 이 방식은 각기 다른 파장의 빛을 이용해 여러 데이터를 담은 신호를 전송한다. 이 복합 신호 내의 각각의 파장들은 서로 간섭하지 않고 독립적으로 전송된다. 이를 통해 하나의 광섬유 케이블을 사용해 여러 개의 독립적인 통신 채널을 운용할 수 있다.
  

• Time Division Multiplexing (TDM, 시간 분할 멀티플렉싱) : 이 방식은 동일한 하나의 링크가 시간에 의해 나뉘고, 각 신호가 할당된 시간동안 링크를 전부 사용하게 된다.
  

  1). 각 연결에 대해 고유한 시간 슬롯이 할당된다. 이 시간동안 해당 연결의 데이터만이 링크를 통해 전송된다.

  2). 할당된 시간 슬롯에 따라, 각 연결의 데이터는 순차적으로 링크를 통해 전송된다. 이를 통해 여러 연결이 동일한 물리적 링크를 공유하면서도 데이터 간섭이 발생하지 않는다.

  3). TDM은 디지털 신호를 사용한다. 이는 데이터를 정확한 타이밍에 맞춰서 전송하기 위함이며, 전송 중 발생할 수 있는 신호의 왜곡이나 감쇠를 최소화한다.

  4). 수신 측에서는 받은 데이터를 각 연결에 해당하는 시간 슬롯(Synchronization)에 따라 재조립하여 데이터 스트림을 복구한다.

• Spread Spectrum : 통신 과정에서 보안을 유지하기 위해, 남는 대역폭을 사용하여 전송 신호의 보안을 지키는 것. 즉, 원래 데이터의 대역폭보다 넓은 대역폭에 걸쳐 신호를 전송함으로써 통신의 보안성을 지킨다.
  

  1). Frequency hopping spread spectrum (FHSS) : k-bit의 패턴이 존재하는 데이터가 전송되는 과정에서, 그 비트의 패턴에 따라 각기 다른 대역폭을 할당(수신기와 송신기만이 알고 있다)하며 전송하는 방식이다. 즉, 신호가 전송중에도 대역폭이 계속해서 바뀌므로 보안성을 높일 수 있다. 위 사진을 예시로 들면, 각 대역폭에 해당하는 Cycle 1과 Cycle 2의 코드값을 오가며 값이 계속해서 바뀐다.
  

  2). Directed Sequence Spread Spectrum (DSSS) : 이 방식은 각 데이터 비트를 확산 코드(Spreading code)를 사용해 n개의 비트로 대체한다. 즉, 각 데이터 비트에 대한 대역폭이 확산된다. 따라서 Spread Signal은 Original Signal과는 다른 형태를 띈 채 전송되고, 수신측에서는 이를 알고 있는 확산 코드를 활용해 Original Signal로 복호화한다.