[데이터 통신과 네트워킹] Introduction To Physical Layer

데이터와 신호

• 5단계의 통신이 존재한다.
  • Application, Transport, Network, Data link Layer - Logical communication
  • Physical Layer - Physical communication
• 신호는 physical layer에서 교환된다.
• Media는 데이터를 신호로 변경해야 한다.
  • 데이터 : analog or digial
  • 신호 : analog or digital

아날로그와 디지털 데이터

• 데이터는 아날로그이거나 디지털일 수 있다.
• 아날로그는 연속적인 정보이다.
  • 음성, 온도, 지진파
• 디지털 신호는 이산적이다.
  • 0이나 1, 디지털 시계

아날로그와 디지털 신호

• 신호는 아날로그이거나 디지털일 수 있다.
  • 아날로그 신호는 수많은 값을 갖는다
  • 디지털 신호는 제한된 수의 값만을 가질 수 있다.

주기, 비주기 신호

• 주기(periodic) 신호는 주기라고 불리는 한 시간 프레임 내에 패턴을 완성하고 동일한 기간 동안 패턴을 반복한다.
  • cycle : 하나의 패턴이 완성되는 것
• 비주기(nonperiodic) 신호는 패턴이나 cycle이 보이지 않고 변화한다.

데이터 통신에서, 우리는 주기 아날로그 신호와 비주기 디지털 신호를 사용한다.

주기 아날로그 신호

• 주기 아날로그 신호는 단순 신호이거나 복합신호일 수 있다.
  • 단순 주기 아날로그 신호(sign wave)는 간단한 신호들로 나눠질(decompossed) 수 없다.
  • 복합 주기 아날로그 신호 신호는 multiple sine wave로 구성된다.

Sine Wave

• sine wave는 주기 아날로그 신호의 가장 근본적인 형태이다.
• sine wave는 세 개의 파라미터로 표현된다.
  • 최대 진폭(peak Amplitude), 주파수(Frequency), 위상(Phase)

진폭이 다른 두 신호

주파수가 다른 두 신호(위상, 진폭 동일)

• 신호가 변화하지 전혀 변화하지 않으면, 주파수는 0

• 신호가 순간적으로 변화하면, 주파수는 무한대

• 주기(period)는 신호가 한 사이클을 완성하는데 필요한 시간(초 단위)

• 주파수는 1초동안 생성되는 주기 수

• 주파수와 주기는 역의 관계

주파수와 주기 단위

위상

• 위상은 시각 0시에 대한 파형의 상대적인 위치
• 만약 시간 축을 따라 앞 뒤로 이동할 수 있다면, 위상은 이동한 양을 나타낸다.
• 첫 사이클의 상태를 나타냄

위상이 다른 세 신호

Time and Frequency Domains

1) Time Domain plot

• 시간을 고려한 신호 진폭의 변화를 보여준다
• 위상은 표시되지 않는다.

2) Frequency Domain plot

• 진폭과 주파수의 관계를 보여준다.
• 최대 진폭과 주파수에 관심이 있다.
• 진폭 변화는 보여지지 않는다.

3개의 sine wave

• 한 주파수의 sine wave는 데이터 통신에서 유용하지 않다.
• 많은 단순 sine wave를 합쳐서 복합 신호를 보내야한다.

복합 신호

• 주기적인 복합 신호
• 이러한 복합 신호를 일련의 단순 sine wave로 분해하기는 어렵다.
  • Fourier series

• 푸리에 분석에 따르면 모든 복합 신호는 주파수, 진폭 및 위상이 다른 단순 sine wave에 조합이다.

복합 주기 신호에 분해 : discrete(이산적인) 주파수를 갖는 신호들

복합 비주기 신호에 분해 : continuous(연속적인) 주파수를 갖는 신호들

대역폭

• 복합신호에 포함된 주파수 범위
  • 예를들어, 복합 신호가 주파수 1000부터 5000까지를 포함한다면 대역폭은 5000 - 1000 = 4000
• 복합 신호의 대역폭은 : 신호에 포함된 최고 주파수와 최저 주파수의 차이

디지털 신호

• 정보는 아날로그 신호로 나타낼 수 있지만 디지털 신호로도 표현될 수 있다.
  • 예를들어, 1은 positve voltage, 0은 zero voltage로 인코딩 할 수 있다.
• 디지털 신호는 두개 이상의 레벨(level)을 가진다.
  • 각 레벨에 1개 이상의 비트를 보낼 수 있다.
• 일반적으로 신호가 L개의 level을 가지면 각 level은 log2L개의 비트를 보낸다.

baud : 신호의 단위

bps : 1초 동안 전송된 bit 수

• Level이 높을 수록 비트 수를 더 많이 보낼 수 있음

복합 아날로그로서의 디지털

• 디지털 신호는 주파수가 0부터 무한대까지 이르는 복합 아날로그 신호이다.
• 디지털 신호는 시간 도메인에서 수직이나 수평선을 연결한다.
  • 수직 선 : 주파수가 무한대
  • 수평 선 : 주파수가 0

디지털 신호 전송

• 디지털 신호는 복합 무한한 대역폭을 가지는 아날로그 신호이다.
• 디지털 신호 전송 두가지 방법
  • Baseband Transmission
  • Brodband Trasnmission

Baseband Transmission

• 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸지않고 보내는 것

Modulation : 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸는 것

• bandwidth를 0부터 무한대까지 전부 사용해서 보내는 방법
• 모든 범위의 주파수를 독점 사용
• 낮은 주파수부터 무한대까지 혹은 아주 높은 주파수까지 사용

low-pass Channel : 주파수가 0에서 시작하는 대역폭을 가진 채널

• 범위가 한정되어 있는 경우는 유지가 될 수 없음
• 전체 대역폭이 하나의 단일 채널로 사용되는 전용 채널의 예시가 LAN임

Broadband Trasnmision

• modulation을 사용해서 보냄
• 어떤 범위만 통과하는 채널(bandpass)만을 사용한다면, 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꿔서 보내야 한다.
• 넓은 채널을 사용자마다 사용하는 범위를 달리하여 공용사용하는 방법(사용하는 범위가 정해짐)
• 정해진 주파수 범위를 사용

• 사용할 수 있는 주파수 범위 한정

Broadband Transmission의 예시

• 제한된 대역폭을 갖는 전화선을 이용한 통신
• 디지털 휴대폰
  • 디지털 셀룰러 통신은 아날로그 음성 신호를 디지털 신호로 바꿈
  • 사용자 간에 사용할 수 있는 범위를 할당(bandpass channel)
  • 디지털화된 음성을 복합 아날로그 신호로 변환해서 기지국으로 보냄