생성일: 2021년 9월 12일 오후 2:20
태그: Physical Layer

2.1 데이터와 신호

• 데이터는 아날로그 또는 디지털일 수 있다.
• 디지털 데이터는 이산(binary) 값을 갖는 정보
• 신호도 아날로그나 디지털일 수 있다.
• 아날로그 신호는 연속적인 파형
• 디지털 신호는 이산적

주기신호와 비주기 신호

• 주기신호(Periodic signals)
  • 주기라는 연속적으로 반복된 패턴으로 구성
  • 사이클(cycle) : 하나의 완성된 패턴
  • 신호의 주기(T)는 초 단위로 표현
• 비주기 신호(Aperiodic signals)
  • 시간에 따라 반복된 패턴이나 사이클이 없이 항상 변한다.
  • 신호는 반복된 패턴이 없다.

💡 데이터 통신에서는 흔히 주기 아날로그 신호를 사용하거나 비주기 디지털 신호를 사용한다.

아날로그 신호

• 싸인파(sine wave, 정현파)는 아날로그 주기 신호의 기본적인 형태
• 진폭, 주파수, 위상이라는 3가지 특성으로 표현

  • 최대 진폭(Peak amplitude) : 신호의 에너지에 비례하는 가장 큰 세기의 절대값, 전기 시놓의 경우 전압(v)으로 측정

  • 주기(Period) : 하나의 사이클을 완성하는데 필요한 시간(초 단위)

  • 주파수(Frequency) : 주기의 역수 (1/t) (헤르츠: Hertz, Hz 단위)

    ⇒ 주기와 주파수는 역관계

    

    위상(phase)

  • 시간 0시에 대한 파형의 상대적인 위치

  • 시간 축을 따라 앞뒤로 이동될 수 있는 파형에서 그 이동된 양

    

    파장(wavelength)

  • 파장은 전파속도와 주기가 주어지면 계산 가능

  • 파장을 λ, 전파속도를 c(빛의 속도), 주파수를 f라 하면

    

    시간 영역과 주파수 영역

  • 시간 영역 도면(time-domain plot)

    • 시간에 대한 순간적인 진폭

  • 주파수 영역 도면(frequency-domain plot)

    • 주파수에 대한 최대 진폭

      

💡 시간 영역에서 완전한 정현파는 주파수 영역에서 뾰족점 하나로 나타낸다.

복합신호

단일 주파수 정현파는 데이터 통신에 융용하지 않다. 여러 개의 단일 정현파로 만들어진 정현파로 만들어진 복합 신호가 필요하다.

• 대역폭
  • 복합 신호의 대역폭(bandwidth)은 신호에 포함된 최고 주파수와 최저 주파수의 차이이다.

비트율(bit rate)

• 디지털 신호를 표현하는데 사용
• 1초 동안 전송된 비트의 수
• bps(bit per second)

비트 길이(bit length)

• 한 비트가 전송매체를 통해 차지하는 길이
• Bit length = propagation speed * bit duration = 1/(bit rate)

디지털 신호의 전송

• 기저대역 전송(Baseband Transmission)
• 광대역 전송(wideband Transmission)

기저대역 전송

• 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸지 않고 있는 그대로 채널을 통해 전송

💡 기저대역 전송에서는 요구 대역폭은 비트율에 비례한다.
보다 빠르게 비트를 전송하기 위해서는 더 넓은 대역폭이 필요하다.

광대역 전송(변조이용)

• 디지털 신호를 전송하기 위해 아날로그 신호로 전환 사용
• 변조를 하면 띠대역 통과 채널 사용 전송
• 띠대역 통과(banspass) 채널의 대역폭

💡 가용 채널이 띠대역 통과 채널이라면 채널에 디지털 신호를 직접 보낼 수 없고 전송하기 전에 신호를 아날로그 신호로 바꾸어야 한다.

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2.2 신호장애

• 신호가 매체를 통해 전송할 때 생기는 장애
• 감쇠(Attenuation), 왜곡(Distortion), 잡음(Noise)

감쇠(Attenuation) 및 증폭(Amplification)

• 감쇠는 에너지 손실을 의미
• 매체를 통해 이동할 때 매체의 저항을 이겨내기 위해 약간의 에너지가 손실
• 증폭기를 이용하여 신호를 다시 증폭

• 데시벨(dB, decibel)

  • 신호의 손실된 길이나 획득한 길이를 보이기 위해 사용

  • 2개의 다른점에서 두 신호 또는 하나의 신호의 상대적 길이 측정

  • 신호가 감쇠하면 음수, 증폭되면 양수

    

왜곡(distortion): 신호의 뒤틀림

• 신호의 모양이나 형태가 변하는 것
• 반대되는 신호나 다른 주파수 신호로 만듬

잡음(noise)

• 열잡음, 유도된 잡음, 혼선, 충격 잡음 등의 여러 형태의 잡음

• 신호 대 잡음 비(SNR)

  • signal-to-noise ration

  • 잡음과 신호의 전력의 비율

    

  • 데시벨로 표시

  • SNRdB = 10 log10SNR

    

데이터 전송률의 한계

데이터 전송률의 세 요소

• 가용 대역폭
• 사용 가능한 신호 준위
• 채널의 품질(잡음의 정도)

데이터 전성률을 계산하는 두 가지 이론적 수식

• 나이퀴스트 수식(Nyquist bit rate) : 잡음이 없는 채널에서 사용

  • 대역폭은 채널의 대역폭, L은 데이터를 나타내는 데 사용한 신호 준위의 개수, 전송률은 초당 비트수라고 할때

    

• 새논 수식(Shannon capacity) : 잡음이 있는 채널에서 사용 (섀논 용량 계산할때)

  • 대역폭은 채널의 대역폭, SNR은 신호에 대한 잡음 비율, 용량은 bps단위의 채널 용량이라고 하면

    

성능(performance)

네트워킹에서 중요한 이슈 중 하나는 네트워크의 성능

• Bandwidth, Throughput, Latency(Delay), Bandwidth-Delay Product

대역폭(Bandwidth)

• 헤르츠 단위 대역폭
• 비트율 단위 대역폭

💡 네트워킹에서 대역폭은 두가지 의미로 사용된다.
1. 헤르츠 단위의 대역폭은 복합채널을 통과하는 주파수의 범위를 말한다.
2. 비트율 단위 대역폭은 채널 또는 링크의 비트 전송 속도를 말한다.

처리율(Throughput)

• 어떤 지점을 데이터가 얼마나 빨리 지나가는가를 측정
• 데이터링크(link)가 Bbps을 전송할수 있는 대역폭을 갖는다고 할때 이보다 적은 Tbps만큼만 전송할 수도 있다.
• 대역폭은 링크의 잠재적(potential)용량을 의미한다.

지연(Delay, latency)

• 발신지에서 첫 번째 비트를 보낸 시간부터 전체 메시지가 목적지에 도착할 때까지 걸린 시간

💡 Latency = propagation delay + transmission delay + queuing delay + processing delay

• 전파시간(propagation delay)
  • 비트가 발신지에서 목적지까지 이동하는데 걸리는 시간
  • 전파시간 = 거리/전파속도
• 전송시간(transmission time)
  • 메시지를 전송하는데 걸리는 시간은 메시지 크기와 채널의 대역폭에 좌우
  • 전송시간 = 메시지크기/대역폭
• 큐 시간(queuing time)
  • 중간 또는 종단 장치들이 메시지를 전송하기까지 buffer에서 붙들고 있는 시간

대역폭-지연 곱(Bandwidth-Delay Product)

• 링크를 두 지점을 연결하는 파이프로 생각
• 파이프 단면 : 대역폭, 피이프 길이: 지연
• 대역폭-지연 곱은 링크를 채울수 있는 비트의 개수를 의미

지터(jitter)

• 파형 난조
• 서로 다른 데이터 패킷이 서로 다른 지연 시간을 갖게 되어 생기는 현상

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2.3 디지털 전송

디지털-대-디지털 변환

3가지 변환 기술

• line coding(회선 부호화), block coding(블록 부호화), scrambling(스크램블링)
• 이때 회선 부호화는 항상 필요, 블록 부호화와 스크램블링은 필수는 아니다.

회선 부호화(line coding)

• 디지털 데이터를 디지털 신호로 바꾸는 작업
• 회선 부호화와 복호화(Decoding)

블록 부호화(block coding)

• m 비트를 n 비트 블록으로 바꾼다.
• n은 m보다 크다.

💡 블록 부호화는 보통 mB/nB 부호화 라고 불리며, 각 m-bit 그룹을 n-bit 그룹으로 바꾼다.

• 동기화를 확보하기 위해 여분의 비트가 필요
• 오류 탐지를 위해서도 다른 여분의 비트를 포함한다.

아날로그-대-디지털 변환

• pulse code modulation(PCM)
• delta modulation(DM)

펄스 코드 변조 부호화(Pulse Code Modulation)

• 아날로그 신호를 디지털 데이터로 바꾸기 위해 널리 사용되는 기법

1. 샘플링(sampling)
2. 양자화(encoding)
3. 부호화(quantizing)

• PCM 대역폭
  • 디지털 신호의 최소 대역폭은 다음과 같다.

• 디지털 신호 최소 대역폭은 아날로그 신호의 대역폭 보다 항상 크다.
• 우리가 디지털화 하는 이유, 투자해야하는 당위성

델타 변조(DM, Delta Modulation)

• PCM의 복잡도를 낮추기 위해 개발된 기술
• 직전 표본 값과의 차이점을 찾는다.

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2.4 아날로그 전송

디지털 -대-아날로그 변환

• 디지털 데이터 정보를 기반으로 아날로그 신호의 특성 중 하나를 변경하는 처리
• 반송파 신호(carrier signal) : 아날로그 전송에서 정보 신호의 기반이 되는 고주파 신호
• ASK, FSK, PSK, QAM

진폭 편이 변조(ASK: Amplitude Shift Keying)

• 진폭이 변하지만 주파수와 위상은 변하지 않는다

주파수 편이 변조(FSK: Frequency Shift Keying)

• 신호의 주파수가 2진 1또는 0에 따라 변경

위상 편이 변조(PSK: Phase Shift Keying)

• 위상이 2진 1또는 0에 따라 변조

아날로그-대-아날로그 변환

매체가 띠대역 통과 특성을 갖고 있거나 띠대역만이 사용 가능한 경우에 변조가 필요하다.

진폭 변조(AM)

• 신호의 진폭에 따라 반송파의 진폭이 변화한다.

• AM에 필요한 총 대역폭은 음성신호의 대역폭에 따라 결정된다.

주파수 변조(FM)

• 변조신호의 전압 준위 변화에 따라 반송 주파수의 주파수가 변화한다.

• FM의 전체 요구 대역폭은 음성신호의 대역폭에 따라 결정된다.

위상 변조(PM)

• 정보 신호의 진폭에 따라 반송파의 위상이 비례하여 변화한다.

• PM의 전체 요구 대역폭은 변조되는 신호의 대역폭과 최대 진폭에 따라 결정된다.

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2.5 다중화(Multiplexing)

단일 링크를 통하여 여러 개의 신호를 동시에 전송할 수 있도록 해주는 기술

• 주파수분할, 파장분할, 동기 시분할, 통계 시분할

다중화기(MUX): 전송 스트림을 단일 스트림으로 결합
다중복구기(DEMUX): 스트림을 각각의 요소로 분리
링크(Link): 물리적인 경로
채널(Channel): 한 쌍의 장치간에 전송을 위한 하나의 경로

주파수 분할 다중화(FDM)

• 링크의 대역폭이 전송되는 조합 신호의 대역폭 보다 클 때 적용할 수 있는 아날로그 기술
• 신호가 겹치지 않도록 보호대역만큼 떨어져 있어야한다.
• FDM은 신호를 합성하는 아날로그 다중화 기술이다.

시분할 다중화

• 송수신장치에 의해 요구되는 데이터 전송률보다 전송매체의 데이터 전송률이 클때 적용되는 디지털 기술
• TDM은 여러 개의 저속 채널을 하나의 고속 채널로 조합하는 디지털 다중화 기술이다.
• 동기 TDM에서는 링크의 전송률은 n배 빠르고, 다위 기간은 n배 짧다.

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2.6 전송매체(Transmission Media)

• 물리층 간의 연결
• 유도매체와 비유도매체로 분류

유도매체(Guided / wired)

꼬임쌍선(Twisted-pair cable)

• 비차폐(unshielded)와 차폐(shielded)
• 비차폐선(UTP: Unshielded Twisted-Pair)케이블은 오늘날 통신매체에서 사용하는 가장 일반적인 형태

꼬임상선의 주파수 범위

• 꼬임상선 케이블(Twisted-Pair Cable)
  • 2개의 도선(구리)로 구성
  • 각 도선은 색깔을 가짐

Insulator: 절연 처리용 자재

• 비차폐와 차폐 꼬임상선(UTP와 STP)

• 비차폐 꼬임상선(UTP) 연결구
  • 전화 책과 같은 snap-in 플러그 형태

동출 케이블(Coaxial Cable)

• 높은 주파수 범위의 반송 신호

• 동축 케이블 연결구
  • BNC 연결구

광 케이블

• 광섬유 케이블(Fiber-Optic Cable)
  • 유리나 플라스틱으로 구성
  • 빛의 형태로 신호 전송
• 빛의 특성
  • 전자기적인 에너지 형태
  • 진공상태에서 고속: 300,000km/s
  • 밀도가 높은 매체를 통과할 때는 속도 감소
• 굴절(Refration)
  • 입사각(angle of incidence) : 두 물질의 경계면에 수직인 선과 빛이 이루는 각
  • 임계각(critical angle) : 입사한 빛이 경계면을 따라 꺾이는 입사각
  • 굴절(refract) : 입사각이 임계각 보다 작을 때
  • 반사(reflect) : 입사각이 임계각 보다 클 때

• 광섬유
  • 유리나 플라스틱 중심부(core)는 더 낮은 밀도의 유리나 플라스틱 피복(cladding)으로 둘러싸여 있다.(⇒ core가 cladding보다 밀도가 더 높다)

• 광 케이블 섬유 구성

• 광섬유 케이블 연결구

비유도 매체(Unguided / wireless)

• 물리적 도체를 사용하지 않고 전자기 신호를 전송한다. 흔히 무선통신이라고 함
• 전자기(electromagnetic) 스펙트럼

전파 유형

• 지표면 전파
  • 대기권의 낮은 부붙을 통해 전달
• 공중전파
  • 안테나에서 안테나로
  • 대기권의 높은 층으로 각도를 주어 방송하여 반사시킴
• 가시선(Line of Sight) 전파
  • 안테나에서 안테나로 높은 주파수 신호를 전파

라디오파(Raido wave)

• 마이크로파에 비해 낮은 대역
• 3KHz ~ 1GHz
• 전방향 전파
• 벽을 통과
• 같은 주파수를 사용하여 전송하는 안테나에 방해 받음
• 라디오파는 라디오 및 텔레비전, 호출기 등과 같은 멀티캐스트(일대다)에 사용된다.

마이크로파(Microwave)

• 1~300 GHz의 주파수를 갖는 전자기파
• 단방향 전파
• 가시선 전파
• 벽 통과 못함
• 마이크로파는 휴대전화, 위성통신, 무선 LAN과 같은 유니캐스트(일대일) 통신에 사용된다.

적외선(Infrared)

• 300GHz ~ 500GHz
• 단거리 통신에 사용
• 벽 통과 못함
• 다른 시스템이 방해 안 줌
• 외부에서 사용 불가
• 넓은 대역폭
• 적외선 신호는 가시선 전파를 통하여 닫힌 공간에서 단거리 통신에서 사용 될 수 있다.