Physical Layer - (2)

6. Digital Signals

• 수많은 sine wave(Analog signal) -> Digital signal

  • Bandwidth is infinite. (Frequency is also infinite)
  • Comprised of vertical and horizontal line segments.
    • Vertical line : frequency is infinite
      -> F = 1/T일 때, T = 0 means that frequency goes to infinity
    • Horizontal line : frequency is 0

• For example, digital signal can be represented that 1 could be a positive voltage and 0 could be a zero voltage.

• Digital signal can have more than two levels.

• can send more than 1 bit for each level.

• 대부분의 digital signal은 non-periodic 하므로 frequency는 적절한 특성이 아니다.

  • Bit rate : 1초에 몇 개의 bit가 전송되는지를 의미한다.
  • Bit length : 1비트가 trasmission medium 을 통해 얼마나 멀리 가는지 정도 <-> Wavelength와 대조되는 개념!

• Example

  

  • 4 level -> 2 bits for each level
  • If 8 level -> 3 bits for each level
  • 1초동안 8개의 level 변화, 2 bits 씩 전송 -> Bit rate is 16bps

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7. Transmission of Digital Signals

• Baseband Transmission : Digital signal 을 그대로 사용하며 해당 medium에 주어진 주파수 대역을 모두 사용하여 하나의 신호만 전송한다.
  -> Medium 에 대한 권한 설정이 필요하다.

• Broadband Transmission : Digital signal 을 여러 개의 다른 주파수를 가진 Analog signal Modulation 한다. 즉, medium의 주파수 대역을 나누어 여러 신호를 전송

• Modulation : 전송할 신호를 효율적으로 보내기 위해 전송매채의 특성 (변위, 주파수, 위상)에 맞도록 변환하는 과정

• Bandwidth
  -> Narrow : close to analog signal, Wide : close to digital signal
  -> data rate, bandwidth는 비례 관계이기때문에 data rate를 증가시킴으로써 wide하게 전송 또는 data rate을 낮춤으로써 narrow 하게 전송이 가능하다.
  

  • Bandwidth 는 각 medium에 의해서 주어진다.
    
    -> 무한대의 주파수를 갖고 있던 Digital signal이 특정 Bandwidth를 가지고 있는 medium을 통과하면서 찌그러지는 모습이다.
    -> Digital signal로눈 정확하게 측정이 불가능 할까?
  • Rough approximation
    
    -> 변화가 가장 적은 순서부터 많은 순서로 나열 -> 주파수 낮은경우부터 주파수 높은경우 순서로 나열!
    
    -> N/2의 Bandwidth 를 가지게된다.
    -> 하지만, 신호에 노이즈가 생기게된다. -> 더 Digital singal 에 가까운 모양으로 만들어야한다!
  • 잡음 환경에서 강한 신호를 만들기 위해서 더 많은 bandwidth를 사용한다.
    -> 주파수를 홀수배함으로써 대역폭이 늘어난다.
    -> f = n/2
    주파수와 데이터 rate은 비례관계이다.
    따라서, 높은 데이터 rate -> 대역폭 요구량 증가!

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8. Transmission Impairment

• Signal impairment happens when traveling through trasmission media.
  -> Signal at the beginning is not equal to signal at the end.

1. Attenuation(dB)

   • Loss of energy to overcome the registance of the medium
   • Amplifiers can compensate for this loss
     
   • Amplifier 는 noise도 증폭 <-> Repeater는 noise cancel
   • 단위 : dB
     ->dB = 10log10(p2/p1) where p1 is a first spot and p2 is a second spot
     -> to show a signal has lost or gained strength
     -> measure signals at two different points

2. Distortion

   • Signal changes its shape because composite signals are made of different frequencies.
     -> Each signal has its own speed through a medium
     -> arriving time to destination is all different -> Delay distortion
     -> Differences in delay may create different shape or form resulting in phase shifts
     

3. Noise

   • Thermal noise : Heat generating because of the registance of the medium
   • Induced noise : generated by a varying magnetic or electrostatic such as motors
   • Crosstalk : 두 기기의 회로나 거리가 충분히 가까울 때, 이 사이에서 일어나는 전기적 간섭 현상
   • Impulse noise : Caused by external electromagnetic interferences such as thunder
     
   • SNR(Signal to Noise Ratio) : 신호대 잡음비
     -> High SNR : 신호 > 잡음
     
     -> Low SNR : 신호 < 잡음
     

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9. Data Rate Limits

• Nyquist Channel Capacity : 잡음이 없을 때 사용한다.
  -> C = 2B : data rate은 bandwidth의 2배이다.
  -> log2 L : if level 8, 3bits 필요!
• Shannon-Hartely Channel Capacity : 잡음이 있는 경우 사용한다.
  -> log2 (1+SNR) : 신호대 잡음비

-> Given Bandwidth and SNR, 최대 data rate을 얻으려면 한 신호에 몇 비트를 보내야하는지?

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10. Performance

1. Performance

   • Bandwidth : Bandwidth 대역폭이 넓으면 data rate 또한 증가 -> 비례관계!
   • 에너지를 집중함으로써 주파수가 높아지면 Wavelength 가 감소하는 문제를 해결해 나아가야한다.

2. Throughput

   • 네트워크를 통해 주어진 시간동안 얼마나 많은 데이터를 보낼 수 있는지 정도, 처리량

3. Delay

   • 전체 메세지가 목적지까지 완전하게 도달하는데 까지 걸리는 시간
     -> Latency = propagation delay + trasmission delay + queuing delay + processing delay
   • Propagation delay : 시스템 A -> 시스템 B로 데이터를 보낼 때 걸리는 시간
     -> Dm / 전파속도(2*10^8 m/s)
   • Trasmission rate : 데이터를 시스템 A로부터 내보내는 시간
     -> ex) 1Mbps : 1초에 1M개를 내보낼 수 있다.
   • Transmission delay : 일정한 크기의 데이터를 Trasmission rate를 통해 시스템 A로부터 내보내는 시간
     -> ex) Trasmission rate : 1Mbps, data : L bits
     -> L / 1Mbps
   • Queuing delay : 서비스를 받기 위해 기다리는 시간
   • Processing delay : 데이터를 처리하는데까지 걸리는 시간

• Jitter : Delay Variation

  • 시스템 A에서 시스템 B로 신호가 갈 떄, 최대 Delay - 최소 Delay
    • J = Abs(Max delay - Min delay)
    • ex) Max delay : 60sec, Min delay : 5sec -> Jitter : 55sec
  • Jitter가 크면 Delay 편차가 크다.
    • ex) Internet
  • Jitter가 0에 가까울 수록 Delay 속도가 일정하다.
  • 0에 가까울수록 좋다.