2 데이터 전송의 기초 -...

데이터 전송의 기초Data transmission fundamentals

21 시스템 설계에 영향을 주는 요인들

22 데이터 전송 기초

23 멀티-레벨 신호체계(Multi-Ievel signalling)

24 채널 용량 계산

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자료출처 교재 Digital Communications Andy Bateman 번역서 디지털통신

2 데이터 전송의 기초

그림 21

-2장 디지털 통신시스템 설계사 초기 단계의 고려사항

- 대역폭과 잡음이라는 관점의 중요성

- 22절 채널 대역폭과 시스템의 잡음이 디지털시스템의 성능

- 23절 2진 신호및 확장된 다중-레벨 신호체계

- 24절 잡음과 대역폭에 대한 개념 및 샤논 한계(Shannon bound)



21 시스템 설계에 영향을 주는 요인들helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip기술적인 제약조건하드웨어와 소프트웨어의 가용성 - 최적 설계방법을 위한 구현 기술이 비 능률적인 경우도 존재 예 디지털 셀룰러 시스템인 GSM 우수한 QPSK 형태 보다 GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) 의 변조 방식을 채택(선형전력증폭기의 비용과 전력효율의 문제)

디지털 신호처리기가 종래의 하드웨어 부분을 대신함

대부분의 고속 전화 모뎀들 디지털 신호처리로 구현

처리속도는 해마다 2~3배 증가

그림 211



전력소모-전력소모성능 간의 상충관계는 엔지니어들의 고려사항- 예 셀룰러 핸드폰에 설치된 증폭기 선형성과 효율성의 문제(4장 참조) 소모전력의 반 정도가 RF 증폭기에서 소모

부품의 크기-회로부품의 소형화 추세및 점유공간의 소형화-예신용카드 형태의 무선데이터 모뎀 (PCMCIA) 좁은 공간에 무선주파수와 디지털 처리장치의 배치문제 그림212 품격에 맞는 장치를 구성하는 문제

정부의 규제와 표준- 통신시스템에서 표준가 차지하는 비중이 증대-유럽 무선통신규격의 책임기관 ETSI(European Telecommunications Standards Institute)

-전화컴퓨터 모뎀과 같은 유선통신장비의 규격 ITU(International Telecommuni- cations Union)

-영국 전화망의 모든 장비 BABT(British Approvals Board for Telecommunications)의 인증이 필요

- 무선통신기기 장비상호간의 작동보장과 전력레벨 점유대역폭 등과 같은 방출 파라미터의 규정도 필요

그림213- 라디오 무선 주파수 할당은 WARC(World Administrative Radio Conference)에서 5년마다 지구 전체의 차원으로 협정



상업적인 현실성- 소비자입장에서는 가격과 디자인이 중요성 (기술보다)

- 수신감도나 BER 성능보다는 디자인 모양이나 통화시간량이 더 관심

-기술적인 우수성이 판매의 우수성과 꼭일치 하지 않음

- 기술의 과다함없이 사용자의 기대와 요구를 만족시키며 비용 개발시간 신뢰도등을 다루는 문제는 어려운 과제 그림214

22 데이터 전송 기초helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

- 디지털 통신링크를 효과적으로 설계하는데 관련된 기본규칙 설정에 초점 - 주어진 채널에서 정보를 빠르게 전송하는것을 제한 요소는rsquo 라는 질문 - 예 컴퓨터에서 프린터로 정보를 보낼 때 통신링크를 통하여 1000000 비트의 정보를 얼마나 빨리 보낼 수 있을 것인가

bull 1초 이상 걸릴 것인가bull 1msec 이상 걸릴 것인가bull 즉시 보낼 수 있는가

그림221



통신방법2진 신호체계(Binary Signalling)bull 단일 케이블을 사용한 2진 신호체계

그림 222 - 채널에서의 필터링과정으로 감쇄가 존재- 채널의 전압변화가 얼마나 빠를 수 있는가가 전송률을 결정 --gt링크의 대역폭에 의해 전송률이 제한된다

bull 다수의 병렬케이블을 사용한 2진 신호체계

그림 223

- 링크의 전송률은 사용한 케이블의 수에 비례하여 향상

- 단일 케이블 링크 수준의 전송률 유지--gt 낮은 대역폭(더 값싼)의 링크로 대체될 수 있다



멀티-레벨 신호체계 (Multi-level Signalling)

bull 단일 케이블을 사용한 멀티-레벨 신호체계- 데이터 전송을 2진형태로만 생각할필요는 없음- 다수의 전압레벨이나 심벌형태도 가능 - 예 4 가지 전압레벨을 사용한다면 -gt 2비트를 네 가지 레벨 중 하나로 인코딩할 수 있다 (00 레벨A 01 레벨B 10 레벨C 11 레벨D)

그림 224 - 심벌상태가 변할때마다 두 비트의 정보가 전송됨

- 주어진 링크의 대역폭에서 두 배 빠르게 정보를 전송 혹은 대역폭의 절반으로 동등한 전송률을 유지할 수 있다

bull 다수의 케이블을 사용한 멀티-레벨 신호체계멀티-레벨(M-진 신호체계)과 병렬채널을 사용 -gt전송률의 증가 혹은 채널의 요구 대역폭을 줄일 수 있다

그림 225



멀티-레벨 심벌 동작

- 예 디지털 정보를 전송하는데 임의의 수의 심벌이나 심벌상태 1 비트사용 --gt 2개의 전압상태(high low) 2 비트사용 --gt 4개의 전압상태(A B C D) 10비트사용 --gt 1024개의 전압상태 20비트사용 --gt 1048576개의 심벌상태의 표현이 가능

그림 226- 실질적인 제약 전압레벨 주파수 빛의 세기등의 각 상태를 정확하게 구분해 내는 수신장비의 능력에 따라 제한

- 채널과 송신기 수신기에서 추가된 잡음과 왜곡의 수준에 의하여 결정

- 예 -56 kbps에서 작동하는 전화 모뎀 -gt 반송파의 진폭과 위상을 조합하여 1024 상태 이상을 사용 -디지털 셀룰러 폰 시스템 -gt 잡음이 많은 환경이므로 두개 또는 네개 상태를 사용



대역폭과 잡음간의 상충얼마나 빨리 데이터를 전송할 수 있는가

--gt 정보 전송률과 관련된 두가지의 기본요인

bull 최대로 감지할 수 있는 파형이나 심벌상태의 변화율983804 채널의 대역폭 --gt 채널상의 신호를 얼마나 빨리 변화시킬 수 있는가 결정

bull 심벌상태를 몇 개나 구분할 수 있는능력983804 채널에서의 잡음레벨 --gt 수신기에서 구분(디코딩)할 수 있는 심벌상태의 상한값이 정해짐

983804 채널에서의 발생된 왜곡 정도 --gt 수용 가능한 성능을 제공하는 심벌의 수와 변화율을 제한시킨다

정보 전송률데이터 채널에서의 정보 전송률은 정보원에서 목적지까지 전송될 수 있는 2진 정보(비트)의 속도로 정의된다 정보 전송률의 단위 rarr bps(bitssecond)

예 6비트의 정보가 6 ms마다 전송

--gt 정보 전송률6 bits6 ms 1000 bps



심벌률(Baud rate)심벌의 전송률과 정보 전송률의 구분이 필요심벌률(때로는 baud rate라 부르는)은 통신채널에서 관측된 신호상태의 변화율로 정의되며 정보 전송률과 다를 수도 있다 심벌률의 단위 rarr sps(symbolssecond) 또는 baud

예 한 쌍의 비트를 채널로 전송하는 데 네 가지 주파수를 사용하며 주파수(심벌)가 05 ms마다 변화된다면

--gt 심벌률105 ms 2000 sps(2000 baud) --gt 정보 전송률 = 심벌률 x 2 = 4000 bps ( 각 심벌마다 2비트씩 전달되고 있으므로 4000 bps가 된다)

예 3 비트를 채널로 전송하는데 8가지 전압레벨을 사용하며 전압값(심벌)이 05 ms마다 변화된다면


대역폭 효율통신링크의 대역폭 효율은 어떤 변조형태가(그리고 코딩방법이) 주어진 대역폭을 어떻게 잘 활용하는가 하는 척도가 된다 통신링크의 대역폭 효율의 단위rarr bitssecondHz

예 8000 bps의 정보를 연속적으로 보내는 데 4 kHz의 대역폭이 필요하다면 --gt 대역폭 효율8000 bps4000 Hz 2 bpsHz


23 멀티-레벨 신호체계(Multi-level signalling)

23 멀티-레벨 신호체계(Multi-Ievel signalling)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip비트와 심벌과의 관계

- 동일한 채널대역폭으로 높은 데이터율이 필요한경우 -gt2진(두 가지 심벌)만을 사용하는 모뎀은 비효율적 -gt 최근 전화모뎀은 1024 이상의 신호상태를 사용

그림 231

비트의 패턴으로 표시하는 데 필요한 심벌의 상태수는 다음과 같은 간단한 식으로 주어진다 심벌상태

예 3비트로 이루어진 그룹은 다음의 어느 심벌상태중의 하나로 표현될 수 있다M 23 8 심벌상태

그리고4비트의 경우 M 24 16 심벌상태5비트의 경우 M 25 32 심벌상태



예 8-진 신호체계

그림 232 파형 A bull 2진 데이터를 나타낸다

파형 B bull 파형 A의 3비트 구간을 8가지 전압레벨중 하나로 표시 bull 파형 A와 파형B는 동일한 정보율을 유지 bull 파형 B의 경우 전압상태가 변하는 비율은 13로 감소되며 -gt 필요한 대역폭이 13로 줄어든다 파형 C bull 2진 부호원과 동일한 심벌률을 유지하면서 동일한 대역폭 -gt정보율은 3배 증가한 8-진 신호



M-진 신호체계의 장점bull 주어진 심벌률과 해당 채널 대역폭 --gt 높은 정보 전송률bull 주어진 정보 전송률 --gt 낮은 심벌률 --gt대역폭이 감소된다 --gt 대역폭 효율(bpsHz) 증가M-진 신호체계의 단점bull M-진 기저대역 신호체계 --gt 심벌상태간의 구분이 어려워짐 --gt2진 신호체계와 비교하면 잡음간섭허용도가 감소(36절 참조)

bull 수신기의 심벌 복원이 복잡해진다(35절 참조)

bull TXRX 하드웨어와 채널의 선형성(43절 참조) 왜곡의 감쇠가 더욱 요구됨(직교 M-FSK는 제외)



24 채널 용량 계산helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip유한한 대역폭으로 인한 한계

그림 241-채널의 데이터의 최대 전송률 -gt 채널상의 대역폭과 관련된 최대의 심벌률을 알 필요가 있다- 0 Hz에서 B Hz 사이의 기저대역 채널 고려(채널통과대역) - 그림 241의 신호는 8-진 심벌열이다 - 이 8진신호의 주파수성분은(푸리에 급수전개(11절 참조)) 여러개의 고조파가 포함 - 구형파의 기본주파수는 05times1Ts 이다(Ts 는 심벌주기)- 채널이 구형파의 기본파만을 통과할 만큼의 대역폭(0 Hz ~B Hz)만 가지고 있다면



그림 242

-gt 정확한 레벨 유지및 각 심벌구간의 정확한 시간에서 수신된 신호를 판정한다면 데이터를 복원할 수가 있다

-gt 05times1Ts보다 작은 대역폭은 구형파의 기본파를 억제하기 때문에

-gt 어떤 신호도 채널을 통하여 제대로 전송 및 복원될수없다 (형태를 알아볼수없다)-gt 이 대역폭이 최소 대역폭이 된다

최소 전송 대역폭

기저대역에서 에러 없이 전송하기 위한 최소 대역폭은 Bmin 05times1Ts

이고 여기서 Ts 는 심벌주기이다



- 채널의 최대 심벌률이 2B sps 각 심벌은 log2 M비트를 전달

체널 대역폭이 B Hz인 기저대역에서의 채널 용량 C 는 C2B log2 Mbps

잡음으로 인한 채널 용량의 제한―Shannon-Hartley 정리

- 채널 용량 대역폭 B 와 신호대 잡음비 SN 의 관계 --gt Shannon-Hartley 용량 한계 --gt 통신시스템 설계의 실행 가능성을 평가하는 중요한 첫단계 --gt 이론적인 한계치를 제시

그림 243

에러 없는 통신을 위한 Shannon-Hartley 채널 용량 한계는 다음 식으로 표현된다 채널 용량 C B log2 (SN + 1) bps



전력과 대역폭 효율최대 용량 C 로 전송하는 시스템의 수신단 입력에서 측정된 평균신호전력 S는 S EbC 로 나타낼 수 있다 여기서 Eb 는 비트당 평균수신에너지이다 평균잡음전력 N 은 N N0B로 정의되고 여기서 N0 는 잡음전력밀도(WattsHz)이다이 정의를 이용하여 Shannon-Hartley 정리는 다음과 같이 쓸 수 있다

CB log2(1 + EbCN0B )

- CB 는 시스템의 대역폭 효율을 나타낸다(단위는 bpsHz) - 비율이 크면 클수록 대역폭 효율이 커진다

- EbN0 은 시스템의 전력효율을 나타낸다- 비율이 작을수록 주어진 잡음량에 대해 검출할 수 있는 각 비트의 사용되는 에너지가 적다

- 전력효율 제한된 건전지의 수명을 최대화한는 문제(휴대폰 등) (전력효율 5장에서 다룬다)

그림 244



그래프 표현

그림 245

- Shannon-Hartley 정리에서 대역폭 효율과 전력효율의 상충관계 표시 - 실제에 대부분의 경우 이론치보다 3 dB 이상 부족(6장 참조)



그림 21

-2장 디지털 통신시스템 설계사 초기 단계의 고려사항

- 대역폭과 잡음이라는 관점의 중요성

- 22절 채널 대역폭과 시스템의 잡음이 디지털시스템의 성능

- 23절 2진 신호및 확장된 다중-레벨 신호체계

- 24절 잡음과 대역폭에 대한 개념 및 샤논 한계(Shannon bound)







그림 211



















그림221






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그림 225































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그래프 표현

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그래프 표현

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그래프 표현

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그래프 표현

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그래프 표현

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그래프 표현

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그래프 표현

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그래프 표현

그림 245




그래프 표현

그림 245



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