[컴퓨터 네트워크] Ch 06 | 신호 변환과 신호변환기

Ogu·2024년 6월 8일

Encoding(부호화) : 정보를 전송로에 의해서 전송될 수 있는 신호의 형태로 변환하는 과정
Decoding(복호화) : 원래의 정보로 환원하는 과정
- 정보
- 신호
- 전송 매체
신호 변환기 (Signal Conversion Device)
- 부호화와 복호화를 수행하는 기기
- DSU/CSU, 모뎀, 코덱, PCM 기기, 방송 장비, 전화기 등

6.1. 디지털 - 디지털 부호화

0과 1로 표현된 디지털 정보를 디지털 신호로 표현
- 오류 문제, 동기화 문제를 고려해 부호화
- PC에 연결된 프린터나 주변 장치에 사용

디지털 - 디지털 부호화 과정

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신호 준위 대 데이터 준위

신호 준위 개수 : 특정 신호로 나타낼 수 있는 값들의 개수(필요한 bit 개수)
데이터 준위 개수 : 데이터를 나타내는데 사용되는 값들의 개수(맑음, 흐림, 구름, 비)

회선 코딩의 특징

펄스 전송률 대 비트 전송률

비트 전송률 : 초당 비트의 수, 데이터 전송률, 비트율, bps = 1초당 전송되는 데이터 요소의 개수
펄스 전송률 : 초당 펄스의 개수, 신호 전송율, baud = 1초당 전송되는 신호 요소의 개수

비트 전송률 = 펄스 전송률 * log_2L

→ L : 신호의 데이터 준위 개수

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자기 동기화

발신자와 수신자의 비트 간격을 맞춤
자기 동기화 디지털 신호는 전송되는 데이터 안에 타이밍 정보를 포함

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디지털 - 디지털 부호화 종류

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단극형 (Unipolar)

하나의 전압 레벨만 사용
- 0는 0전압이나 아무것도 흐르지 않게 함(idle 상태)
- 1은 +나 - 전압 중 하나 사용

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단극형 부호화
단순하고 구현 비용이 저렴

단극형 부호화 문제점

직류 성분(DC Component) 문제
- 신호의 평균 진폭이 0이 아니기 때문에 직류 성분 발생
- 직류 성분을 다룰 수 없는 매체는 통과 불가능
동기화 문제
- 신호가 연속된 0 이나 1 인 경우 신호의 변화가 없으므로 수신측에서 각 비트의 시작과 끝을 결정할 수 없는 문제 발생
- 별도의 선로로 클럭 신호를 보냄으로 동기화 문제를 해결할 수 있으나 비용이 많이 들기 때문에 사용 안함

극형(Polar)

극형 부호화는 (+) 와 (-) 전압 두 개의 전압 레벨 사용
🔍 NRZ (Non-Return to Zero) : 비영복귀
- 복잡한 인코딩이나 디코딩을 요구 않음
- 저속 통신에 널리 사용
- 0는 휴지 상태
NRZ-L (Non-Return to Zero Level)
- 신호가 바뀔 때 전이

NRZ-I (Non-Return to Zero Invert)
- 다른 상태로의 전이
- = 1이 올때마다 전이

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🔍 RZ (Return to Zero), 영복귀
- (+), 0, (-) 3개의 전압 레벨을 사용
- 0 일 경우 (-)전압으로 시작해서 중간에 0 레벨로 복귀
- 1 일 경우 (+)전압으로 시작해서 중간에 0 레벨로 복귀
- 동기화 문제를 해결하지만 상대적으로 많은 대역폭 사용

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🔍 Biphase
- 전압 레벨이 중간에 다른 전압 레벨로 전환
- 동기화 문제 해결
Manchester

Differential Manchester
- 0 인 경우 이전 패턴 유지
- 1 인 경우 패턴이 반대로 바뀜

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양극형(Bipolar)

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(+), 0, (-) 3개의 전압을 사용
Bipolar AMI (Bipolar Alternate Mark Inversion)
- 양극형 교대표시반전
- 중립의 제로 전압은 0을, 2진수 1은 교대되는 양과 음의 전압으로 표현
- 0 전압은 0을 나타내고 (+), (-)전압은 1을 표현
- 연속적인 0이 오면 동기화 문제 발생
- 동기화 문제를 해결하기 위해 B8ZS 와 HDB3 사용

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B8ZS(Bipolar with 8-Zeros Substitution) 방식
- 주로 북미 지역에서의 장거리 통신에 사용
- 연속적으로 8개의 0이 발생하면 0바로 이전의 1의 극성에 따라 변경된 패턴을 인위적
  으로 삽입
- 이전의 비트의 1이 음(-)이였다면 8개의 0대신에 000-+0+-를 삽입
- 이전의 비트의 1이 양(+)이였다면 8개의 0대신에 000+-0-+를 삽입
- 연속적으로 0이 8개 나왔을때
  - 처음 3개의 0은 그대로 사용
  - 나머지 5개의 0에 대하여 V B 0 V B로 치환
  - (V : bipolar violation, B : valid bipolar)

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HDB3(high –Density Bipolar 3)
- 유럽에서 사용
- 연속적인 0이 4개 이상 발생하지 않도록

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신호 변환기 (Signal Conversion Device)

DSU (Digital Service Unit) : 디지털 → 신호

전송 : 직렬 Unipolar 신호 → 변형된 Bipolar 로 바꿔서 전송
수신 : 변형된 Bipolar 신호 → 직렬 Unipolar 로 바꿔서 수신
고속, 양질의 데이터를 전송하는 디지털 전송방식

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CSU (Channel Service Unit) : 통신 채널

고속 디지털 전용 회선용의 회선 종단 장치
T1 또는 E1 트렁크를 수용할 수 있는 장비
T1은 64Kbps 24채널, E1은 64Kbps 30채널
멀티플렉서가 채널들을 모아서 전송하는 트렁크 방식으로 전송

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6.2. 디지털 - 아날로그 부호화

디지털 정보를 아날로그 신호로 전송
디지털-아날로그 부호화 과정

반송파 신호 (Carrier Signal)

반송파 신호

아날로그 전송에서 정보 신호의 기반이 되는 고주파 신호
정현파

반송파 신호의 특성

진폭
주파수
위상

변조 (Modulation)

정보를 아날로그 반송 신호 주파수로 변환하는 것
반송파 신호의 특성 중 한가지 이상을 변화시키는 방식
복조(Demodulation) : 원래 정보로 변환 하는 것
MODEM

디지털-아날로그 부호화 종류

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진폭편이변조 (ASK : Amplitude Shift Keying)

진폭이 변함, 주파수, 위상은 변경 X
진폭의 변화로만 0 과 1 을 표현
1보오 당 1비트의 신호 전송
장점 : 회로 구성이 간단하고 가격이 저렴
단점 : 잡음이나 신호의 변화에 약함

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주파수편이변조 (FSK : Frequency Shift Keying)

주파수의 변화로만 0 과 1을 표현
1보오당 1비트의 신호 전송
진폭편이변조 방식보다 잡음에 강하고 회로도 간단하여 데이터 전송에 많이 사용

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위상편이변조 (PSK : Phase Shift Keying)

위상의 변화로만 0 과 1을 표현
위상의 변화를 다양하게 해서 한 위상에 여러 비트 표현 가능
위상을 계속 늘리면 위상차가 작아져 잡음에 의한 신호 지연이 자주 발생

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위상의 종류
위 상 설 명
2 위상 0은 0˚, 1은 180˚로 위상을 표현
4 위상 90˚간격으로 위상을 표시 (2비트)
8 위상 45˚간격으로 위상을 표시 (3비트)
4-PSK (= 4-QAM)

위 상	설 명
2 위상	0은 0˚, 1은 180˚로 위상을 표현
4 위상	90˚간격으로 위상을 표시 (2비트)
8 위상	45˚간격으로 위상을 표시 (3비트)

8-PSK

구상 진폭변조 (QAM : Quadrature Amplitude Modulation)

ASK와 PSK의 조합
각각의 비트, 이중비트, 삼중비트 등의 사이에 최대한의 대비를 갖도록 ASK와 PSK를 조합
4-QAM과 8-QAM 성운
8-QAM 신호의 시간 영역
16-QAM 성운

비트와 보오

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비트율과 보오율 비교

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신호 변환기

변조(MOdulation) 기능 : 디지털 신호를 아날로그화
복조(DEModulation) 기능 : 아날로그 신호를 디지털화
모뎀(MODEM) : 변조 기능 과 복조 기능을 가지고 있는 기기

전송률

일초 동안에 송신 또는 수신할 수 있는 비트 수
단위 : bps
모뎀의 전송율과 전송 매체의 전송율에 대한 검토

대역폭

전달할 수 있는 신호의 주파수에 상한선과 하한선 범위
더욱 안전한 통신을 위해 양쪽의 가장자리 부분은 사용 안함

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모뎀

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모뎀 속도

컴퓨터에서 나오는 디지털 속도를 아날로그 신호로 변조하는 능력
아날로그 부호화 방식에 따라 그리고 전송 방식에 따라 모뎀 속도 결정

모뎀 분류

전송률, 대역폭, 속도 이외의 방법으로도 모뎀을 분류
ex) 동기방식, 이용 대역폭, 사용 가능 거리, 포트 수, 속도, 등화방식, 사용회선, 위치 등

모뎀 표준

벨 모뎀 : 독점적인 기술의 개발로 사실상의 표준 제공
ITU-T 모뎀 : ITU-T에서 지정한 규약으로 V시리즈 제공
- ex) V.22bis, V.32, V,32bis, V.34 등

56K 모뎀

별다른 장비나 기술이 필요없는 편리한 설치
다운로드 : 56Kbps / 업로드 : 33.6Kbps

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전화가 56Kbps 모뎀을 사용하는 이유
- 전화회사가 음성을 디지털화하는 방법
- 교환국에서 PCM과 역PCM 사용
- 128개의 레벨(표본당 7비트)로 초당 8000 표본 채집
- 56Kbps = 8000 X 7 = 56,000

DSL(Digital Subscriber Line) 모뎀

VOD : Video On Demand
DSL은 라인이 아닌 모뎀을 의미
기존의 전화망과 같은 1쌍의 동선을 이용해 대역폭을 최대한 확장하며 회선 내의 누화를 제어
xDSL은 기존 가입자 선로를 이용하여 광케이블화 이전의 초고속가입자망을 건설하는 디지털 고속화 기술
FTTH(Fiber-To-The-Home)의 과도기적 환경
MPEG전송을 지원하는 서비스와 POTS서비스를 동시에 제공
xDSL은 전송거리, 상향과 하향 전송속도, 비율, 응용서비스 등의 기준으로 구분
ADSL(Asynchronous DSL), HDSL(High Speed DSL) 등등
MPEG : Moving Picture Experts Group
POTS : plain old telephone service

DSL에서 사용하는 변조 방식

DMT(Discrete Multi Tone)
- 톤(Tone) : 사용 주파수 대역을 4Khz로 균등 분할한 영역
- 각 톤마다 QAM(진폭변조와 위상 변조를 결합)을 사용하여 데이터 변조
- ANSI, ETSI, ITU에서 국제 표준으로 채택
  - American National Standards Institute
  - European Telecommunications Standards Institute
  - International Telecommunication Union

이산 다중음조 기술(DMT, Discrete Multitone Technique) 기법
- QAM과 FDM 결합
- 상향데이터 : 25개(6~30번)
  - 24 4,000Hz 15 = 1,44 Mbps (1개는 제어 채널)
- 하향 데이터 : 225개(31~255)
  - 224 4,000Hz 15 = 13.4Mbps (1개는 제어 채널)

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→ DownStream의 대역폭이 Upstream보다 훨씬 큼

케이블 모뎀

기존 케이블TV 망을 이용하여 데이터 통신 서비스 제공

장점
- 빠른 접속 속도(27~40Mbps)
- 월정액으로 요금 부담이 해소
- 전화와 무관하게 사용
단점
- 같은 라인에 연결된 사람이 많으면 속도 저하

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6.3. 아날로그-디지털 부호화

아날로그 정보를 디지털 신호로 변환
아날로그-디지털 부호화 과정

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아날로그의 디지털 신호 변환

회선 코딩과 블록 코딩은 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환시 사용
음성, 음악등의 아날로그 신호를 녹화하고, 이를 디지털로 변환하여 이진 데이터로 저장하는 과정
장거리 전화를 제공하기 위한 방법으로 사용
- 아날로그 신호는 장거리 전송시 강도가 약해짐
- 증폭기를 사용할 수 있으나 주파수 스펙트럼,위상 변이에 의해 신호가 일그러지고, 잡음 추가
아날로그 신호를 디지털로 변환하여 전송하고, 수신측에서 다시 아날로그 신호로 변환