데이터 통신 3) 신호 인코딩 Signal Encoding

zh025700·2022년 12월 22일

데이터통신

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데이터 통신

3. Signal Encoding Techniques

신호를 인코딩하는 방법에 대해 배운다.
디지털데이터 -> 디지털 신호
디지털데이터 -> 아날로그 신호
같이..

디지털 신호에서 데이터 소스(디지털 or 아날로그)는 디지털 신호로 인코딩된다.
인코딩된 신호는 기술에 따라 다르며, 전송매체 사용을 최적화하기 위해 선택이 된다.

아날로그 신호에서
데이터는 modulation 방식으로 carrier 신호를 사용하여 전송될 수 있다.
modulation는 주파수 fc로 소스 데이터를 carrier 신호로 인코딩하는 과정이다.
모든 변조 기술은 세 가지 기본 carrier 신호 파라미터(진폭, 주파수 및 위상) 중 하나 이상에 대한 작동을 포함한다.
입력 신호 m(t)은 아날로그 또는 디지털일 수 있으며, modulation 신호 또는 베이스 밴드 신호라고 한다.

주어진 통신에 대해 특정 조합을 선택하는 이유는 다양하다

디지털 데이터 -> 디지털 신호
- 디지털 데이터를 디지털 신호로 인코딩하는 장비는 디지털-아날로그 변조 장비보다 덜 복잡하고 저렴하다.
아날로그 데이터 -> 디지털 신호
- 아날로그 데이터를 디지털 형식으로 변환하면 현대 디지털 전송 및 스위칭 장비를 사용할 수 있다.
디지털 데이터 -> 아날로그 신호
- 광섬유 및 wireless 매체와 같은 일부 전송 매체는 아날로그 신호만 전파하기때문에 이 방법을 사용한다.
아날로그 데이터 -> 아날로그 신호
- 아날로그 데이터는 신호로 쉽고 저렴하게 전송될 수 있다.
  - 이것은 음성 등급 회선을 통한 음성 전송으로 수행된다.
- 변조의 일반적인 한 가지 용도는 베이스밴드 신호의 대역폭을 스펙트럼의 다른 부분으로 이동하는 것이다.
  - 이러한 방식으로, 각각 스펙트럼 상의 다른 위치에 있는 복수의 신호는 동일한 전송 매체를 공유할 수 있다.

Digital Data, Digital Signals

디지털 신호

불연속적인 전압 펄스의 연속
각 펄스는 신호 요소이다
이진 데이터는 각 데이터 비트를 신호 요소로 인코딩하여 전송된다.

line encoding

digital data -> digital signal
비트들을 디지털 신호로 변환

block encoding

m-bit data -> n-bit data
- 각 m bit 그룹을 n bit 그룹으로 대체한다
block encoding 수행 후 line encoding을 수행한다.

용어

Unipolar

모든 신호 요소들이 같은 극만 가지고 있는 경우
- "+" or - 둘 중 하나만..

Polar

하나는 +로 표현, 다른 것은 -로 표현
0은 없다

Bipolar

"+" "-" 0 다 존재

Multilevel

다양한 레벨을 가진다

Multi transition

여러 상태를 전이한다.

Data rate

데이터가 전송되는 속도
1초당 보내는 비트 수

Duration or length of a bit

송신기가 비트를 방출하는 데 걸리는 시간
- 데이터 속도 R의 경우 비트 지속 시간은 1/R이다.

Modulation rate(baud rate, Signaling rate)

신호 레벨이 변경되는 속도
- 디지털 인코딩의 특성에 따라 달라질 것이다.
변조 속도는 초당 신호 요소를 의미하는 baud로 표현된다.

Mark and space

각각 이진수 1과 0을 가리킨다.

진짜 중요한것

Data Element

bit 단위
1 or 0인 이진수

Data rate

초당 bit들
데이터 요소들이 전송되는 속도(비율)

Signal Element

디지털
- 일정한 진폭의 전압 펄스
아날로그
- 일정한 주파수, 위상 및 진폭의 펄스
신호 코드의 가장 짧은 간격을 차지하는 신호 부분

Signaling rate or modulation rate

초당 signal element(baud)
- baud rate
신호 요소가 전송되는 속도(비율)

Signal element versus data element

data element는 정보의 일부를 나타낼 수 있는 가장 작은 엔티티이다
- 비트
signal element는 data element를 운반한다.
signal element는 디지털 신호의 가장 짧은 단위(시간 단위)입니다.

데이터 요소는 우리가 보내야 하는 것이고, 신호 요소는 우리가 보낼 수 있는 것이다. 데이터 요소는 운반되는 것이고 신호 요소는 운반을한다

밑에 그림은 각 신호 요소에 의해 전달되는 데이터 요소의 수인 비율을 나타냈다.

1개의 데이터 요소가 1개의 신호 요소에 의해 전달됨(r = 1)
data rate = baud rate

1개의 data element가 2개의 signal element에 의해 전달됨(r=1/2)
data rate = 2 * baud rate

2개의 data element가 1개의 siganl element에 의해 전달됨(r=2)
data rate = 1/2 * baud rate

4개의 data element가 3개의 signal element에 의해 전달됨(r=4/3)
data rate = 3/4 * baud rate

데이터 통신의 목표중 하나는 signal rate은 줄이면서 data rate은 높이는 것이다.

data rate을 높이면 전송 속도가 증가한다
signal rate을 줄이면 대역폭 요구가 감소한다.

receiver에서 신호를 해석할려면

수신기는 각 비트의 타이밍을 알아야 한다
- 즉, 수신기는 비트가 언제 시작되고 언제 끝나는지 어느 정도 정확하게 알아야 한다.
수신기는 각 비트 위치에 대한 신호 레벨이 하이(0)인지 로우(1)인지를 결정해야 한다.
- 간격의 중간에 있는 각 비트 위치를 샘플링하고 값을 임계값과 비교함으로써 수행된다.
- 노이즈 및 기타 손상으로 인해 오류가 발생한다.

사실

data rate의 증가는 bit error rate을 증가시킨다
SNR의 증가는 bit error rate를 감소시킨다
대역폭의 증가는 data rate의 증가를 허용한다.

Encoding Schema(방식)

인코딩 schema을 통해 성능을 향상시킬 수 있다.
인코딩 방식은 데이터 비트에서 신호 요소로의 매핑이다.

방식들

Nonreturn to zero level(NRZ-L)

0: high level
1: low level

Nonreturn to Zero Inverted(NRZI)

0: interval 시작 시 전환 없음(1비트 시간)
1: interval 시작 시 전환

Bipolar-AMI

0: 회선 신호 없음
1:양수 또는 음수 수준, 연속된 값에 대해 교대

Psudoternary

0: 양수 또는 음수 수준, 연속 0에 대해 교대
1: 회선 신호 없음

Manchester

0: 높은곳에서 낮은곳의 중간 interval에서 변화가
1: 낮은곳에서 높은곳의 중간 interval에서 변화가

Differential Manchester

항상 중간 interval에서 전환
0: intrerval 시작 시 전환
1: interval 시작 시 전환 없음

B8Zs
HDB3

인코딩 방식들을 평가, 비교하는 방법

signal spectrum

높은 주파수 요소가 부족하다는 것은 전송에 필요한 대역폭이 적다는 것을 의미한다.
- 전송매체 가격 다운이라 좋음
직류(dc) 성분이 없는 것도 바람직하다.
- 이거 해석하려면 좀 그럼
신호 왜곡과 간섭의 영향의 크기는 전송된 신호의 스펙트럼 특성에 따라 달라진다.
- 실제로, 일반적으로 채널의 전송 특성은 밴드 에지 근처에서 더 악화됩니다.
좋은 신호 설계는 송신 전력을 전송 대역폭의 중간에 집중시켜야 한다.
- 받은 신호에 더 적은 왜곡이 존재하게 된다.

clocking

각 비트 위치의 시작과 끝을 결정할 필요성이 있다.
송 수신 기기의 시간이 맞아야한다
- 난 5초 단위로 보냈는데 수신은 3초단위로 해석하면??
  - 오류

error detection

데이터 링크 제어로 알려진 signaling level 이상의 논리 계층의 책임 외에도
- 즉 신호 레벨(인코딩)에서 에러 탐지

signal interference and noise immunity

특정 코드는 노이즈가 있을 때 우수한 성능을 나타낸다.

cost and complexity

주어진 데이터 rate을 달성하기 위한 signal rate가 높을수록 비용은 커진다.

Line coding scheme

line coding 체계를 5개의 넓은 범주로 나눌 수 있다.

Non return to zero

디지털 신호를 전송하는 가장 쉬운 방법이다.
- 1과 0 비트를 사용해 두개의 다른 전압만 사용한다
  - 전압이 있을때 1
  - 없으면 0
비트 간격 동안 전압 레벨이 일정하다
- transition이 없다
- 0 전압이 없다
- 음의 전압과 양의 전압은 서로 다른 값을 나타낸다

unipoloar NRZ 방식

음의 전압이 없다.. 유니폴라라서

장점

간단하다

단점

동기화문제가 있다
direct current 성분이 발생한다

-> 만약 동일한 긴 문자열이 온다면??
서로 clock이 다르면 같은 신호(같은 전압)이 와서 파악이 힘들다
전압의 변화가 없어 DC성분 문제가 있다.

NRZI

non return to zero, invert on ones
비트 시간 동안 일정한 전압 펄스를 유지
데이터는 비트 시간 시작 시 신호 전환의 유무로 인코딩
- 전환은 이진수 1을 나타냄
  - 즉 1이 오면 전압이 변환됨
- 전환 없음은 이진수 0을 나타냄

차이의 인코딩이다

데이터는 level이 아닌 변화로 표현된다
값을 임계값과 비교하는 것보다 노이즈가 있는 상태에서 transition을 감지하는 것이 더 신뢰할 수 있다.

Polar schema

+,-가 있음 0은 없음

NRZ-L에서 전압 레벨에 따라 비트 값이 결정된다
- 동기화 문제가 존재
  - DC도 있지
NRZ-I에서는 반전이 비트의 값을 결정한다.
- 1에 대해서 반전된다
- 1이 계속오면 동기화 문제가 없다
  - Dc도 해결
- 0에 대해서는 도기화 문제가 있다
  - DC 문제도 있다

둘다 평균 signal rate이 N/2이다

RZ

return to zero
전압에 값이 정해지지 않는다.
RZ에서 신호는 비트 간에 변화하지 않고 비트 동안 변화한다.
RZ 인코딩의 주요 단점
- 비트를 인코딩하기 위해 두 가지 신호 변경이 필요하다 즉 신호 변화율이 높다
  - 주파수가 높다
    - 따라서 더 큰 대역폭을 차지한다는 것이다.
DC 요소 문제 없음
RZ는 세 가지 수준의 전압을 사용하므로 생성 및 식별하기가 더 복잡하다.

Biphase

맨체스터와 differential manchester 방식이 있다.

맨체스터

RZ와 NRZ-L의 아이디어를 결합
전압은 전반부 동안 한 레벨을 유지하고 후반부에서는 다른 레벨로 이동한다
- 떨어지면 0 올라가면 1
- 동기화를 해결한다
  - 변화로 판단이 되니
- DC를 해결한다
  - "+" - 다 바뀌니

differential 맨체스터

RZ와 NRZ-I의 아이디어를 결합
비트 중간에는 항상 전환이 존재하지만 비트 값은 비트 시작 부분에서 결정
다음 비트가 0이면 전환되고 다음 비트가 1이면 전환되지 않는다

둘다 signal rate이 bit rate보다 높다 왜? 하나의 비트에 신호가 두개니깐

주파수가 높다
- 대역폭 요구가 높다 - 망의 가격이 비싸다

맨체스터와 차등 맨체스터의 signal rate은 NRZ의 두배다

항상 비트의 중간 or 비트 끝에 전환이 있기 때문

세세한 변화를 감지하기 힘들다 이것 역시

맨체스터 인코딩

각 비트 주기의 중간에 전환이 있다.
중간 비트 전환은 클로킹 메커니즘과 데이터 역할을 한다.
낮은 -> 높은 전환은 1
높은 -> 낮은 전환은 0

different 맨체스터 인코딩

중간 비트 전환은 클로킹에만 사용된다
0은 비트 전환을 한다
1은 전환을 하지 않는다
different 인코딩을 사용하는 추가 이점이 있다
- 오류 탐지가 쉽다
- 동기화 문제가 없다
- dc를 해결한다

Biphase 장 단점

장점

동기화 해결
DC 해결
error detection 용이

단점

비트마다 적어도 하나의 전환이
baud rate(signal rate)이 NRZ의 2배
더 많은 대역폭 요구

Multilevel encoding

두개 이상의 신호 레벨을 사용한다
- 각 레벨에 해당하는 bit 패턴을 맵핑
Multilevel binary(bipolar)
- Bipolar AMI
- Pseudo-ternary
Multilevel
- 2B/1Q,8B/6T,4D-PAM5

Bipolar schemes AMI and psudoternary

Bipolar 인코딩에는 양, 음, 0의 세 가지 전압 레벨이 있다.
한 데이터 요소의 전압 레벨은 0인 반면 다른 요소의 전압 레벨은 양과 음을 번갈아 사용한다.

둘다 DC는 해결하지만 동기화는 해결하지 못한다

Ami and Psudoternary

그림은 Bipolar 인코딩의 두 가지 변형을 보여준다

AMI

I는 1을 의미한다.
그래서 AMI는 대체 I 반전을 의미한다.
0 전압은 O을 나타낸다.
1은 양전압과 음전압의 교대로 표시됩니다.

pseudoternary

1비트가 0전압으로 인코딩
0비트가 양전압과 음전압으로 번갈아 인코딩된다

Bipolar - AMI

0은 신호가 없다(0 전압)
1은 양, 음 전압을 나타낸다
1은 극을 번갈아가며 발생된다
1이 계속될때 동기화 문제 없음
0이 계속될때 동기화 문제가 있음
DC문제가 없음
낮은 대역폭
쉬운 에러 탐지
- 극이 바뀌지 않으면 에러다
  - 0은 전압이 없으니..

Pseudo ternary

1은 신호가 없다(0전압)
0은 양,음 전압을 나타낸다
AMI랑 같음 단지 무엇으로 전환할지가 다른거임

Bipolar Issues

동기화 문제가 여전하다
- 강제 전환을 일으키는 추가적인 비트를 추가할 수 있다
  - 오직 data rate가 낮을때만... 높을땐 추가비용이 엄청나자나..
- data rate이 높은 곳엔 스크램블을 통해
NRZ만큼 효율적이지가 않다
- 3 level 시스템은 1.58개의 비트로 표현가능하다
  - 각 시그널 요소들은 오직 하나의 비트만 표현이 가능하다
- 에러를 피하기 위해 3db가 더 든다
  - 수신자는 3개의 레벨을 구분해야함

Multilevel schema

데이터 속도를 높이거나 필요한 대역폭을 줄이려는 욕구는 많은 체계를 만들어냈다. 목표는 m 데이터 요소의 패턴을 n 신호 요소의 패턴으로 인코딩하여 baud당 비트 수를 증가시키는 것이다.

Multilevel:2B1Q

2bit, 4분의 1(2BIQ)의 데이터 패턴을 사용하고 2비트 패턴을 4단계 신호 하나의 신호 요소로 인코딩한다
- 2bit로 끊어 4개중 1개로 맵핑
2BlQ의 signal rate은 data rate에 비해 1/2이다
- 즉, 2BIQ를 사용하면 NRZ-L을 사용하는 것보다 데이터를 2배 더 빠르게 전송할 수 있다.
- 그러나 2BlQ는 4개의 다른 신호 레벨을 사용하며, 이는 수신기가 4개의 다른 임계값을 식별해야 함을 의미한다.
  - 대역폭이 감소했지만, 구별할게 많아진다..
    - 신호의 변화가 적으니 대역이 감소
- 2^2 = 4^1이기 때문에 이 방식에는 중복 신호 패턴이 없다.
2BIQ는 가입자 전화선을 사용하여 인터넷에 고속 연결을 제공하기 위해 DSL(Digital Subscriber Line) 기술에 사용된다.

Multilevel:8B6T

8bit를 6bit로 표현한다.
3개의 level에 맵핑한다
- 각 bit당 3가지의(+-0)레벨에 맵핑가능하다.
100BASE-4T 케이블과 함께 사용된다.
8비트의 패턴을 6개의 신호 요소의 패턴으로 인코딩하는 것이다.
- 2^8 = 256개의 서로 다른 데이터 패턴과 3^6 = 478개의 서로 다른 신호 패턴을 가질 수 있다.
동기화 및 오류 감지를 제공하는 478 - 256 = 222개의 중복 신호 요소가 있다.
중복성의 일부는 DC 밸런스를 제공하는 데에도 사용된다.
- 각 신호 패턴에는 0 또는 +1 DC 값의 가중치가 있다.
  - 이것은 -1인 패턴이 없다는 것을 의미
    - 이를 위해 weight을 추적한다.
    - 전체 스트림을 Dc-balance(DC 균형)로 만들기 위해 가중치 1의 두 그룹이 연속으로 발생하면 첫 번째 그룹은 그대로 보내지고 다음 그룹은 완전히 반전되어 가중치가 -1이 된다.
      - +를 -로... 그림을 슉 바꿔
평균 signal rate은 이론적으로 1/2N6/8이다
- 최소 대역폭은 6N18에 가깝다

Multilevel 4D-PAM5

4차원 5단계 펄스 진폭 변조(4D-PAM5)라고 한다.
4D는 데이터가 동시에 4개의 와이어를 통해 전송된다는 것을 의미한다.
-2, -1, 0, 1, 2와 같은 5가지 전압 레벨을 사용한다.
- 레벨 0은 오류 검출에만 사용

이 기술은 4개의 채널(4개의 와이어)을 통해 데이터를 전송하도록 설계되었다.
이는 signal rate을 N/8까지 줄일 수 있다는 것을 의미한다
8비트 모두 하나의 신호 요소를 사용하여 동시에 와이어에 공급되고 전송될 수 있다.

여기서 포인트는 하나의 신호 그룹을 구성하는 4개의 신호 요소가 동시에 4차원 설정으로 전송된다는 것이다.

그림 4.12는 가상의 1차원 및 실제 4차원 구현을 보여준다. 기가비트 LAN(13장 참조)은 이 기술을 사용하여 125 Mbaud를 처리할 수 있는 4개의 구리 케이블을 통해 1Gbps 데이터를 전송한다.
이 방식은 28개의 데이터 패턴이 4^4 = 256개의 신호 패턴과 일치하기 때문에 신호 패턴에 많은 중복성이 있다.
추가 신호 패턴들은 오류 검출과 같은 다른 목적으로 사용될 수 있다.

Multilevel MLT-3 scheme

NRZ-I와 differential 맨체스터는 differential 인코딩으로 분류되지만 이진 데이터를 인코딩하기 위해 두 개의 transition 규칙을 사용한다.

만약 세 개 이상의 레벨을 가진 신호가 있다면, 세 개 이상의 transition 규칙을 가진 differential 인코딩 체계를 설계할 수 있다.
MLT-3도 그 중 하나다.
(MLT-3) 체계는 3개의 레벨(+v, 0, -V)과 3개의 transition 규칙을 사용하여 레벨 사이를 이동한다.

transition state에 따라 움직인다.

다음 비트가 0이면 transition은 없다.
다음 비트가 1이고 현재 레벨이 0이 아닌 경우 다음 레벨은 0
다음 비트가 1이고 현재 레벨이 0이면 다음 레벨은 이전 전압 0이 아닌 전압의 반대 전압

Block Coding

동기화문제를 막고 일종의 고유한 오류 감지를 제공하기 위해 정리가 필요하다.
블록 코딩은 이러한 정리를 제공하고 라인 코딩의 성능을 향상시킬 수 있다.
일반적으로 블록 코딩은 m비트의 블록을 n비트의 블록으로 변경한다
- 여기서 n은 m보다 크다.
- 블록 코딩은 mB/nB 인코딩 기술로 지칭된다.
주파수가 높아지는 것을 막기위해 쓴다

블록 코딩은 일반적으로 mB/nB 코딩으로 불리며, 각 m비트 그룹을 n비트 그룹으로 대체한다.

Block coding 컨셉

블록 코딩은 division, substitution, combine의 세 단계를 포함한다.
division 단계에서, 비트의 시퀀스는 m비트의 그룹으로 분할된다.
- 예를 들어, 4B/5B 인코딩에서 원래 비트 시퀀스는 4비트 그룹으로 나뉜다
블록 코딩의 핵심은 substitution 단계다.
- 이 단계에서, n-bit 그룹을 m-bit 그룹으로 대체한다.
  - 예를 들어, 4B/5B 인코딩에서는 4비트 코드를 5비트 그룹에 바꾼다.
마지막으로, n-bit 그룹은 함께 결합하여 스트림을 형성한다.
- 새 스트림에는 원래 비트보다 더 많은 비트가 있다.

NRZ-I 라인 코딩 체계와 함께 블록 코딩 4B/5B 사용

(4B/5B) 코딩 체계는 NRZ-I와 함께 사용하도록 설계되었다.
NRZ-I의 signal rate이 좋지만(biphase의 1/2) 동기화 문제가 있다
- 해결책은 비트 스트림을 NRZ-I로 인코딩하기 전에 긴 스트림을 갖지 않도록 변경하는 것이다.
  - 4B/5B를 사용

수신기에서, NRZ-I 인코딩된 디지털 신호는 먼저 비트 스트림으로 디코딩된 후 redundancy를 제거하기 위해 디코딩된다.

4B/5B 맵핑을 진행하면

3개 이상의 연속 0이 존재하지 않는다.

그래서

장점

NRZ-I에서 연속적인 0이 발생하지 않게 한다.
- 동기화 문제를 해결한다
변환 테이블에 존재하지 않는 5비트로 수신되는 경우 오류로 인식한다.

단점

데이터량이 20퍼 증가한다
signal rate이 증가한다
- 그래도 biphase보다는 낮다
대역폭이 증가한다.

8B/10B block encoding

8b/10b 인코딩은 8비트의 데이터 그룹이 이제 lO-bit 코드로 대체된다는 점을 제외하면 4B/5B 인코딩과 유사하다.

4B/5B보다 더 큰 오류 감지 기능을 제공한다
8B/10b 블록 코딩은 5B/6B와 3B/4B 인코딩의 조합이다
10비트 블록의 최상위 5비트는 5B/6B 인코더로 공급되고, 최하위 3비트는 3B/4B 인코더로 공급된다.
분할은 매핑 테이블을 단순화하기 위해 수행된다
일반적으로, 이 기술은 오류 검사 기능과 동기화 기능이 내장되어 있기 때문에 4B/5B보다 우수하다

Ethernet

초창기 이더넷

10mbps급
맨체스터 이용

고속 이더넷

100mbps, 1Gbps
block encoding과 NRZ-I 적용

Scrambling

biphase 기술은 비교적 높은 data rate(최대 10Mbps)로 근거리 네트워크 애플리케이션에서 널리 사용되었지만 장거리 애플리케이션에서는 널리 사용되지 않았다. 이에 대한 주된 이유는 data rate에 비해 높은 신호 전송 속도를 요구하기 때문이다.

Block encoding + NRZ

동기화 문제 해결
DC문제는 여전히 미해결
대역폭의 요구 증가

그래서 스크램블링을 이용한다.

스크램블링

동기문제 해결, DC문제 해결
AMI 신호 활용
- Data rate이 낮으면 추가적 비트를 쓸 수 잇찌만 높으면??
  - 스크램블링
B8ZS,HDB3
스크램블링을 사용하여 일정한 전압을 생성하는 시퀀스를 바꾼다
- DC 해결

스크램블링?

수신기 클럭이 동기화를 유지할 수 있도록 충분한 전환을 제공한다.
수신자에게 인식되어 원본 데이터 시퀀스로 대체된다.
원래 시퀀스와 길이가 같으므로 데이터 속도 패널티가 없다.
오류 감지 기능이 있다.

LAN에서 스테이션 간의 전용 링크에 적합한 Biphase 방식은 넓은 대역폭 요구 사항 때문에 장거리 통신에 적합하지 않는다.

블록 코딩과 NRZ line 코딩의 조합은 DC 성분 때문에 장거리 인코딩에 적합하지 않다

반면, bipolar AMI 인코딩은 대역폭이 좁고 DC 성분을 생성하지 않는다.
그러나 0의 긴 시퀀스가 동기화를 방해한다.

만약 원래의 스트림에서 긴 0s 시퀀스를 피할 수 있는 방법을 찾을 수 있다면, 원거리에 bipolar AMI를 사용할 수 있다.

비트 수를 늘리지 않고 동기화를 제공하는 기술, 동기화를 제공하기 위해 긴 0 레벨 펄스를 다른 레벨의 조합으로 대체하는 솔루션을 찾고 있다.

한 가지 해결책은 스크램블링이다.

블록 코딩과는 달리 스크램블링은 인코딩과 동시에 수행된다
시스템은 정의된 스크램블링 규칙에 따라 필요한 펄스를 삽입해야 한다
두 가지 일반적인 스크램블링 기술은 B8ZS와 HDB3이다.

B8Zs

bipolar with 8-0 substitution
- AMI를 사용하고 8개의 0이 나오면 교체를 한다.
미국에서 사용된다
Bipolar AMI를 기반으로 한다.

방법

00000000 -> 000VB0VB 로 교체한다

V: violation
- AMI 규칙을 어기는 0이 아닌 전압
- 이전과 반대의 극
B: Bipolar
- AMI 규칙에 따라 0아 아닌 레벨 전압을

스크램블링은 bit rate을 변경하지 않는다

양전압 레벨과 음전압 레벨(양전압 레벨 2개와 음전압 레벨 2개)의 균형을 유지하며, 이는 DC 밸런스가 유지됨을 의미한다
치환 후에 AMI는 규칙을 따라야 하기 때문에 치환은 1의 극성을 바꿀 수 있다.

문자 V(위반) 또는 B(양극)는 상대적이다.

V는 이전 0이 아닌 펄스의 극성과 동일한 극성을 의미
- 이전 전압이 +면 V는 +
- 이전 전압이 -면 V는 -
B는 이전 0이 아닌 펄스의 극성과 반대되는 극성을 의미

HDB3

HDB3는 일본에서 만들었다.
연속되는 4개의 0 레벨 전압이 OOOV 또는 B0OV 시퀀스로 교체된다.
- 두 개의 다른 치환을 하는 이유는 치환 후에 0이 아닌 펄스의 짝수를 유지하기 위해서이다

마지막 치환 후 0이 아닌 펄스의 수가 홀수일 경우 치환 패턴은 OOOV가 되어 0이 아닌 펄스의 총 수가 짝수다.
마지막 치환 후 0이 아닌 펄스의 수가 짝수일 경우 치환 패턴은 BOOV가 되어 0이 아닌 펄스의 총 수가 짝수가 된다.

-> DC를 위해 이렇게 한다.

in 그림

여기서 우리가 언급해야 할 몇 가지 요점이 있다.
첫째, 첫 번째 치환 전에는 0이 아닌 펄스의 수가 짝수이므로 첫 번째 치환은 BOOV이며, 이 치환 후에는 각각의 치환 후에 AMI 방식이 자체 규칙을 따라야 하기 때문에 1비트의 극성이 변경된다.
이 비트 이후에 또 다른 치환이 필요한데, 마지막 치환 후에 0이 아닌 펄스(홀수)가 하나만 있기 때문에 OOOV이다.
두 번째 치환(짝수) 후에는 0이 아닌 펄스가 없기 때문에 세 번째 치환은 BOOV이다.

HDB3는 마지막 교체 후 0이 아닌 펄스 수에 따라 4개의 연속 0을 OOOV 또는 BOOV로 교체한다.

Analog Data, Digital Signals

오늘날의 경향은 아날로그 신호를 디지털 데이터로 바꾸는 것이다.

이전에 설명된 기술들은 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환한다.
그러나 때때로 우리는 마이크나 카메라에 의해 만들어진 것과 같은 아날로그 신호를 가지고 있다.

일단 아날로그 데이터가 디지털 데이터로 변환되면, 아래의일이 일어날 수 있다.

디지털 데이터는 NRZ-L을 사용하여 전송될 수 있다.
디지털 데이터는 NRZ-L 이외의 코드를 사용하여 디지털 신호로 인코딩될 수 있다.
디지털 데이터는 아날로그 신호로 변환될 수 있다.
- 디지털 화가 된 후 다시 아날로그 신호로..

디지털 데이터가 생성(디지털화)된 후에는 이전 챕터에서 설명된 기술 중 하나를 사용하여 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환할 수 있다.

아날로그 데이터를 전송하기 위해 디지털 형태로 변환하고 디지털로부터 원래의 아날로그 데이터를 복구하는 데 사용되는 장치를 코덱(코덱-디코더)이라고 한다.

이 섹션에서는 코덱에 사용되는 두 가지 주요 기술인 펄스 코드 변조와 델타 변조를 살펴본다.

PCM

펄스 코드 변조(PCM)는 샘플링 정리를 기반으로 한다.

샘플링 정리

신호 f(t)가 일정한 시간 간격과 가장 높은 신호 주파수의 두 배 이상의 rate로 샘플링되는 경우 샘플에는 원래 신호의 모든 정보가 포함된다.
함수 f(t)는 이러한 샘플로부터 로우패스 필터를 사용하여 재구성될 수 있다.

 음성 데이터가 4000Hz 미만의 주파수로 제한될 경우 음성 신호를 완전히 특성화하기에 초당 8000개의 샘플로 충분할 것이다. 그러나 이러한 샘플은 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 샘플이라고 하는 아날로그 샘플입니다. 디지털로 변환하려면 이러한 아날로그 샘플 각각에 이진 코드가 할당되어야 합니다.

PCM 인코더에는 세가지 프로세스가 있다

아날로그 신호가 샘플링된다.
샘플링된 신호는 양자화된다.
양자화된 값은 비트 스트림으로 인코딩된다.

샘플링

PCM의 첫 번째 단계는 샘플링이다.
아날로그 신호는 Ts마다 샘플링된다
- 여기서 Ts는 샘플링 간격 또는 주기이다.
샘플링 간격의 역수를 샘플링 속도 또는 샘플링 주파수라고 한다.

샘플링 프로세스를 펄스 진폭 변조(PAM)라고도 한다.
그러나 결과는 여전히 비적분 값을 갖는 아날로그 신호라는 것을 기억해야 한다.

Sampling rate

한 가지 중요한 고려사항은 샘플링 raet 또는 주파수이다.

나이키스트 정리에 따르면, 원래의 아날로그 신호를 재현하기 위해 샘플링 rate가 원래의 신호에서 가장 높은 주파수의 2배 이상이 되어야 한다

신호가 대역 제한적인 경우에만 신호를 샘플링할 수 있다.
- 즉, 대역폭이 무한한 신호는 샘플링될 수 없다.
샘플링 rate은 대역폭이 아닌 최고 주파수의 2배 이상이어야 한다.
- 아날로그 신호가 lowpass일 경우 대역폭과 가장 높은 주파수가 동일한 값이다.
- 아날로그 신호가 bandpass이면 대역폭 값이 최대 주파수 값보다 낮다.

나이키스트 rate에서 샘플링하면 원래 사인파(part a)의 근사치를 잘 만들 수 있음을 알 수 있다.
파트 b의 오버샘플링도 동일한 근사치를 만들 수 있지만 중복되고 불필요하다
나이키스트 속도보다 낮은 샘플링(파트 c)은 원래 사인파와 같은 모양의 신호가 생성되지 않습니다.

PCM은 디지털 신호가 생성되는 연속 시간 연속 진폭(아날로그) 신호로 시작한다
디지털 신호는 n비트 블록으로 구성되며, 여기서 각 n비트 번호는 PCM 펄스의 진폭이다
수신 시 프로세스가 reverse되어 아날로그 신호가 재생된다.
PAM 펄스를 양자화하면 원래 신호가 근사값만 되고 정확하게 복구할 수 없다.
이 효과는 양자화 오류 또는 양자화 노이즈로 알려져 있다.

일반적으로 PCM 방식은 비선형 인코딩이라고 알려진 기술을 사용하여 정제되는데, 이는 사실상 양자화 수준이 동일한 간격으로 있지 않다는 것을 의미한다.
동일한 간격의 문제는 신호 수준에 관계없이 각 표본의 평균 절대 오차가 동일하다는 것이다.
결과적으로, 낮은 진폭 값은 상대적으로 더 왜곡된다.
낮은 진폭의 신호에 대해 더 많은 수의 양자화 단계를 사용하고 큰 진폭의 신호에 대해 더 적은 수의 양자화 단계를 사용함으로써 전체 신호 왜곡의 현저한 감소를 달성할 수 있다

Delta Modulation(DM)

아날로그 입력은 계단함수에 의해 근사된다.
- 각 샘플링 간격마다 하나의 양자화 수준(델타)를 위 아래로 이동할 수 있다.
이진 동작이 있다.
- 기능은 각 샘플링 간격마다 위 또는 아래로만 이동한다.
- 델타 변조 프로세스의 출력은 각 샘플에 대해 단일 이진 숫자로 나타낼 수 있다.
- 다음 간격 동안 계단 함수가 올라가면 1이 생성되고, 그렇지 않으면 0이 생성된다.

PCM의 성능을 향상시키거나 복잡성을 줄이기 위해 나온 기술이다.

델타 변조를 사용하는 경우 아날로그 입력은 각 샘플링 간격(Ts)에서 하나의 양자화 수준(d)만큼 위 또는 아래로 이동하는 계단 함수에 의해 근사된다

이 계단 함수의 중요한 특징은 동작이 이진적이라는 것이다.
각 샘플링 시간마다 함수는 일정한 양 (델타)를 위 또는 아래로 이동한다
따라서 델타 변조 프로세스의 출력은 각 샘플에 대해 단일 이진 숫자로 나타낼 수 있다

본질적으로 비트 스트림은 아날로그 신호의 진폭보다는 도함수를 근사화하여 생성된다.
다음 간격 동안 계단 함수가 올라가면 1이 생성되고 그렇지 않으면 0이 생성된다.

각 샘플링 간격에서 발생하는 전환(위 또는 아래)은 계단 기능이 원래 아날로그 파형을 최대한 가깝게 추적하도록 선택된다
그림은 본질적으로 피드백 메커니즘인 프로세스의 논리를 보여준다.

델타 변조를 사용하는 경우 아날로그 입력은 각 샘플링 간격(Ts)에서 하나의 양자화 수준(d)만큼 위 또는 아래로 이동하는 계단 함수에 의해 근사된다.
이 계단 함수의 중요한 특징은 동작이 이진적이라는 것이다.
각 샘플링 시간마다 함수는 일정한 양 델타를 위 또는 아래로 이동한다.
따라서 델타 변조 프로세스의 출력은 각 샘플에 대해 단일 이진 숫자로 나타낼 수 있다.
본질적으로 비트 스트림은 아날로그 신호의 진폭보다는 도함수를 근사화하여 생성된다.
다음 간격 동안 계단 함수가 올라가면 1이 생성되고 그렇지 않으면 0이 생성된다.

각 샘플링 간격에서 발생하는 전환(위 또는 아래)은 계단 기능이 원래 아날로그 파형을 최대한 가깝게 추적하도록 선택된다.
transmisson의 경우 아래과 같은 현상이 발생한다.
각 샘플링 시간마다 아날로그 입력을 근사 계단 함수의 가장 최근 값과 비교한다
샘플링된 파형의 값이 계단 함수의 값을 초과하면 1이 생성되고, 그렇지 않으면 0이 생성된다.
따라서, 계단은 항상 입력 신호의 방향으로 변경된다.
따라서 DM 프로세스의 출력은 수신기에서 계단 기능을 재구성하는 데 사용할 수 있는 이진 시퀀스이다.
그런 다음, 계단 기능은 어떤 종류의 통합 프로세스에 의해 또는 아날로그 입력 신호의 아날로그 근사치를 생성하기 위해 low pass 필터를 통과함으로써 평활화될 수 있다.

DM 방식에는 두 가지 중요한 매개 변수가 있다.
즉, 각 이진수 자릿수에 할당된 단계의 크기와 샘플링 속도이다.
두 가지 유형의 오류 또는 소음 사이의 균형을 이루려면 d를 선택해야 한다.
아날로그 파형이 매우 느리게 변화하면 양자화 노이즈가 발생한다.
이 소음은 d가 증가할수록 증가한다.
반면에, 아날로그 파형이 계단이 따라올 수 있는 것보다 더 빠르게 변화할 때, 경사 과부하 소음이 발생한다.
이 소음은 d가 감소할수록 증가한다.

샘플링 rate을 높임으로써 계획의 정확도를 향상시킬 수 있다.
그러나 이는 출력 신호의 데이터 rate을 증가시킨다.
PCM에 비해 DM의 주된 장점은 구현의 단순성이다.
일반적으로 PCM은 동일한 데이터 속도에서 더 나은 SNR 특성을 나타낸다.

Transmission Modes

링크를 통한 이진 데이터의 전송은 병렬 모드 또는 직렬 모드에서 수행될 수 있다.

병렬 모드

각 클럭 틱과 함께 여러 비트가 전송된다.

직렬 모드

각 클럭 틱과 함께 1비트가 전송된다

병렬 데이터를 전송하는 방법은 단 하나이지만, 직렬 전송에는 비동기, 동기 및 Isochronous 세 가지가 있다

Parallel transmission

그룹화를 통해 데이터 n비트를 한번에 전송할 수 있다.
- 이를 병렬전송이라고 한다.
n개의 와이어를 사용하여 n개의 비트를 한 번에 전송한다.
이러한 방식으로 각 비트는 자체 와이어를 가지고 있으며 한 그룹의 모든 n비트는 한 장치에서 다른 장치로 각 클럭 틱으로 전송될 수 있다.

장점

빠르다
- serial의 n배만큼 증가시킬 수 있다.

단점

비싸다
- 데이터 스트림을 전송하기 위해 n개의 라인이 필요하다
  - 그래서 짧은 거리에서만 병렬 전송을 한다.

Serial Transmission

하나의 비트가 다른 비트를 따라가므로 두 통신 장치 간에 데이터를 전송하려면하나의 통신 채널만 필요하다.
하나의 채널만을 사용해 비용을 아낄 수 있다.
asynchronous, synchronous, isochronous 방법이 있다.

asynchronous 비동기 transmission

길고 중단되지 않은 비트 스트림을 전송하지 않음으로써 타이밍 문제를 피하는 것
- 합의된 패턴에 의해 정보가 수신되고 번역
데이터는 한 번에 한 문자씩 전송되며, 각 문자의 길이는 5~8비트이다.
타이밍 또는 동기화는 각 문자 내에서만 유지되어야 한다

동기화되지 않으니, 수신기는 언제 그룹이 도착하는지 모른다.

수신자에게 새 그룹의 도착을 알리기 위해 각 바이트의 시작 부분에 추가 비트가 추가된다.
수신자에게 바이트가 완료되었음을 알리기 위해 바이트의 끝에 하나 이상의 추가 비트가 추가된다.

비동기 전송에서, 시작 비트(0)와 각 바이트의 끝에 1개 이상의 정지 비트(1s)를 보낸다. 각 바이트 사이에는 간격이 있을 수 있다.

시작 및 중지 비트 및 간격은 수신기에 각 바이트의 시작과 끝을 알리고 데이터 스트림과 동기화할 수 있도록 한다

이 메커니즘은 동기화가 될 필요가 없기 때문에 비동기라고 불린다.

그러나 각 바이트 내에서 수신기는 여전히 들어오는 비트 스트림과 동기화되어야 한다.
즉, 일부 동기화가 필요하지만 단일 바이트의 지속 시간에만 필요하다.

수신 장치는 각 새 바이트의 시작 시 재동기화된다.
- 수신기가 시작 비트를 감지하면 타이머를 설정하고 들어오는 비트를 세기 시작한다. n비트 후 수신기는 정지 비트를 찾는다.
  - 정지 비트를 감지하는 즉시 다음 시작 비트를 감지할 때까지 기다린다.

비동기란 "바이트 수준에서 비동기"를 의미하지만 비트는 여전히 동기화되며 duration은 동일하다

수신기는 새 문자가 시작될 때마다 다시 동기화할 수 있다.

정지 및 시작 비트의 추가와 비트 스트림에 대한 갭의 삽입은 비동기 전송을 느리게 만든다.

그래서 low rate 통신에 적합

Synchronous Transmission

비트 스트림은 여러 바이트를 포함할 수 있는 더 긴 "프레임"으로 결합된다.
- 각 바이트는 다음 바이트와 간격 없이 전송 링크로 전달된다.
즉, 데이터는 1s와 Os의 끊기지 않은 문자열로 전송되고 수신기는 해당 문자열을 바이트, 즉 문자로 분리하여 정보를 재구성해야 합니다.

동기 전송에서는 시작 또는 정지 비트 또는 간격 없이 비트를 차례로 전송한다.
비트를 그룹화하는 것은 수신자의 책임이다.

비트 블록이 시작 및 중지 코드 없이 안정적인 스트림으로 전송된다.
블록의 길이는 여러 비트일 수 있다.

갭과 시작 및 정지 비트가 없으면 수신 장치가 비트 동기화 중간을 조정하는 데 도움이 되는 내장 메커니즘이 없다.
따라서, 타이밍은 매우 중요해진다.

송신기와 수신기 사이의 타이밍 드리프트를 방지하려면 클럭이 어떻게든 동기화되어야 한다.
- 송신기와 수신기 사이에 별도의 클럭 라인 제공
- 데이터 신호에 클로킹 정보 포함
`데이터 및 preamble, postamble 및 제어 정보

동기 전송의 장점은 속도이다
송신측에서 추가 비트나 갭이 없고 수신측에서 제거되며, 링크 상에서 이동하는 비트 수가 적기 때문에 동기 전송이 비동기 전송보다 빠르다.
이러한 이유로, 이것은 한 컴퓨터에서 다른 컴퓨터로 데이터를 전송하는 것과 같은 고속 응용 프로그램에 더 유용하다.

고속 통신에 적합

zh025700

정리

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