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4 장 디지털 전송4.1 디지털 대 디지털 변환 4.2 아날로그 대 디지털 변환 4.3 전송방식

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4.1 디지털 대 디지털 변환

▣ 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환◈ Line coding◈ Block coding◈ Scrambling

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회선 코딩 (line coding)

▣ 일련의 비트인 이진 데이터를 디지털 신호로 변환

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회선 코딩의 몇 가지 특징▣ 신호 요소 대 데이터 요소▣ 데이터 전송률 대 신호 전송률▣ 대역폭▣ 기준선 표류 (baseline wandering)▣ 직류 성분▣ 자기 동기화

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신호 요소 대 데이터 요소

▣ 데이터 요소 (data element) : ◈ 정보를 표현할 수 있는 가장 작은 단위체 bit◈ 전달해야 할 것

▣ 신호 요소 (signal element) : ◈ 데이터 요소를 실어 나름◈ 전달자

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신호 요소 대 데이터 요소

▣ r : 데이터 요소의 개수

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데이터 전송률 대 신호 전송률

▣ 데이터 전송률 (bit rate) : 1 초당 전송된 데이터 요소의 개 수◈ 단위 : bps◈ 비트율

▣ 신호 전송률 (signal rate) : 1 초당 전송된 신호 요소의 개 수◈ 단위 : 보오 (baud)◈ 펄스율 , 변조율 , 보오율

▣ S = c * N * 1/r baud◈ S : 신호 요소의 개수◈ N : 데이터 전송률◈ r : 데이터 요소의 개수◈ c : 경우의 요인 : 상황에 따라 변화◈ 예제 4.1 : p.101

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대역폭

▣ 실제 디지털 신호의 대역폭은 무한이지만 , 유효대역폭은 유한◈ 비트율이 아닌 보오율이 디지털 신호의 요구 대역폭을 결정◈ 대역폭은 신호율 ( 보오율 ) 과 비례◈ 최소 대역폭

Bmin = c * N * 1/r

◈ 최대 데이터율 Nmax = 1/c * B * r

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기준선 표류

▣ 기준선 (baseline)◈ 디지털 신호를 복호화 할때 수신된 신호의 세기의 평균 값

‘0’ 과 ‘ 1’ 의 판단 기준

▣ 기준선 표류 (baseline wandering)◈ ‘0’ 이나 ‘ 1’ 의 값이 오래 지속될 경우 이 기준선이 표류 되는 것을

말함

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직류성분▣ 직류성분 (DC component) : 주파수가 ‘ 0’ 인 요소

◈ 직류성분은 저주파 성분을 통과 시키지 못하거나 , 변압기 등을 통과할 수 없음

전화선은 200Hz 이하의 주파수를 통과 시킬 수 없음◈ 회선에 남아있는 추가 에너지로 쓸모가 없어짐

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자기동기화▣ 자기동기화 (self-synchronization) :

◈ 발신자가 보낸 신호를 제대로 알아듣기 위해서는 수신자의 비트간격이 발신자의 비트 간격과 완전하게 일치해야 함

◈ 전송되는 데이터 안에 타이밍 정보를 포함하여 동기화를 이룸 ( 예제 4.3: p.103)

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회선 코딩 방식

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 단극형 (Unipolar)◈ 오직 한 준위의 값만 이용 (1: positive value, 0: idle)◈ 전력 소모가 많아 현재는 거의 쓰이지 않음◈ Unipolar NRZ(Non Return to Zero) encoding

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 극형 (Polar)◈ 양과 음의 두 가지 전압준위를 사용

▣ 극형 부호화 형식

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 비영복귀 (NRZ : Non-Return to Zero)◈ NRZ-L(Level) : 신호의 준위는 비트의 상태에 따라 좌우됨

0 : Positive voltage, 1: Negative Voltage◈ NRZ-I(Invert) : 1 을 만나면 신호가 반전됨 ( 동기화 문제 해소 )

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 영복귀 (RZ : Return to Zero)◈ 세가지 값을 사용 ( 양 , 음 , 영 )

1 : positive-to-zero 0 : negative-to-zero

◈ 단점 : 한 비트를 부호화하기 위해 두 번 신호 변화 필요 ( 많은 대역폭 소요 )

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 맨체스터 (Manchester)◈ RZ + NRZ◈ 동기화와 비트 표현을 위해 비트 중간 지점에서의 신호 전이를 사용◈ 이더넷에 사용

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 차분 맨체스터 (Differential Manchester)◈ 비트 간격 중간 지점에서의 반전은 동기화를 위해 사용됨◈ 비트 표현은 비트의 시작점에서의 반전 유무로 나타냄

( 비트 시작점에 전이가 있으면 0, 전이가 없으면 1 을 의미 )◈ 토근링에 사용

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 양극형 (Bipolar)◈ 세가지 전압준위를 사용 ( 양 , 음 , 0)

zero level : 0 positive and negative voltage : 1(alternate)

◈ 예 : AMI : Alternate Mark Inversion 가삼진수 (Pseudoternary)

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 양극형 교대표시 반전 (Bipolar AMI : Alternate Mark Inversion)◈ 양극형 부호화 중 가장 단순한 형태

1 : 교대로 나타나는 반전 ( 양과 음 전압으로 표현 ) 0 : 0 volt

◈ 직류성분은 없으나 , 연속되는 0 의 문자열에 대한 동기화가 어려움

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 다준위 방식◈ 2B1Q(2 binary, 1 quaternary)◈ 8B6T(8 binary, 6 ternary)◈ 4D-PAM5(four-dimensinal five-level pulse amplitude modulation)

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 2B1Q(2binary, 1quaternary)◈ 네 개의 전압 준위를 사용◈ 각 펄스는 두 비트를 나타냄◈ DSL 기술에서 사용

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 8B6T(8 binary, 6 ternary)◈ 8 비트의 비트 패턴을 6 개의 신호 요소로 나타냄◈ 3 개의 신호 준위를 가짐 : +. 0, -◈ 8B/6T Code : 부록 D (p.1057)

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 4D-PAM5(four-dimensinal five-level pulse amplitude modulation)◈ 4D : 데이터가 4 개의 회선으로 동시에 전송되는 것을 의미◈ 5 개의 전압준위를 사용 : -2, -1, 0, 1, 2

0 준위는 FEC 용으로 만 사용◈ 8 비트의 데이터가 4 개의 다른 준위로 구성된 하나의 신호패턴으로

전환

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 다중회선 방식 : MLT-3(multiline transmission three level)◈ NRZ-I 와 유사◈ 세 준위의 신호 (+1, 0, -1) 를 사용◈ 규칙

다음 비트가 0 이면 준위 변화가 없음 다음 비트가 1 이고 현재 준위가 0 이 아니면 다음 준위는 0 다음 비트가 1 이고 현재 준위가 0 이면 다음 준위는 마지막으로 0 이

아니었던 준위의 역이 됨

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 다중회선 방식 : MLT-3(multiline transmission three level)

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회선 코딩 방식 ( 계속 )

▣ 회선부호화 방식의 특성 요약

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블록 코딩

▣ 회선 코딩의 효율을 증가시키기 위해 사용됨▣ 동기화와 오류검출 기능을 어느 정도 수행 가능▣ mB/nB 부호화 방식으로도 말함

◈ m 비트 그룹을 n 비트 그룹으로 변환▣ 블록 코딩의 개념

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블록 코딩

▣ 변환단계◈ 1 단계 : 분리 : 일련의 비트들을 각각 m 개의 비트 그룹으로 나눔◈ 2 단계 : 대체 : m 개 비트의 그룹을 n 개의 비트그룹으로 바꿈

동기화를 위해 연속적으로 0 이나 1 이 3 개 이상인 코드는 사용 않 함 오류탐지 기능 : 사용되지 않는 코드가 전송되면 쉽게 감지 가능

◈ 3 단계 : 회선 코딩 : 간단한 회선 코딩 사용

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블록 코딩

▣ 4B/5B ◈ NRZ-I 와 혼합하여 사용◈ NRZ-I 방식의 동기화 문제 해소

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블록 코딩

▣ 4B/5B ◈ 매핑 부호화 표

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블록 코딩

▣ 8B/10B◈ 8 비트 그룹이 10 비트 그룹으로 변환 (4B/5B 와 유사 )◈ 동기화 및 오류 탐지 기능 우수

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뒤섞기 (Scrambling)

▣ 긴 연속된 0들을 동기화를 제공하기 위해 다른 준위 신호들을 추가하는 방식◈ B8ZS(Bipolar with 8 zero substitution)◈ HDB3(High-density bipolar 3-zero)

▣ 블록코딩과는 달리 부호화와 동시에 이루어짐

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뒤섞기 (Scrambling)

▣ B8ZS(Bipola with 8zero substitution)◈ 연속되는 0 의 문자열에 대한 동기화를 해결하기 위해 북미에서 채택◈ AMI 규칙을 따르되 연속해서 8 개의 0 이 오면 이전 1 의 극에 근거해

두 가지 중 하나의 패턴으로 변경 000VB0VB 의 신호로 대체 : V Violation, B bipolar

– V : AMI 규칙을 위배하는 0 이 아닌 준위– B : AMI 규칙을 따르는 0 이 아닌 준위

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뒤섞기 (Scrambling)

▣ HDB3(High-density bipolar 3-zero)◈ 유럽과 일본에서 채택◈ 연속해서 4 개의 0 이 오는 경우 000V 나 B00V 로 대체

대체이후 0 이 아닌 펄스의 개수가 홀수인 경우 000V 대체이후 0 이 아닌 펄스의 개수가 짝수인 경우 B00V

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4.2 아날로그 대 디지털 변환

▣ 음성 , 오디오 , 비디오 등의 아날로그 데이터를 전송하기 위하여 디지털 신호로 변환◈ 펄스 코드 변조◈ 텔타 변조

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PCM(Pulse Code Modulation)

▣ 가장 널리 사용되는 방식▣ 3 단계로 이루어짐 :

◈ Sampling(PAM), Quantization(계수화 , 정량화 ), Encoding( 부호화 )

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채집 (Sampling)

▣ PAM(Pulse Amplitude Modulation) 이라고도 함▣ 아날로그 정보를 가지로 표본을 채집 (sampling) 하고 그 결과에

근거하여 일련의 펄스를 생성

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표본 채집률 (Sampling rate)

▣ Nyquist Theorem : PAM 을 사용하여 원래의 아날로그 신호를 정확히 재현하기 위해서는 표본 채집률이 최소한 원래 신호의 최고 주파수의 두 배가 되어야 함

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표본 채집률 (계속 )

▣ 신호가 대역 제한적이어야만 신호를 채집할 수 있음◈ 무한 대역폭을 갖는 신호는 채집할 수 없음

▣ 대역폭이 아니라 가장 높은 주파수의 최소한 두배가 되여야 한다는 것

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표본 채집률 (계속 )

▣ 예제 4.6 : 서로다른 채집율을 갖는 정현파 신호의 복구

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표본 채집률 (계속 )

▣ 예제 4.7 : 바늘 하나 만을 갖는 시계의 표본 채집

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표본 채집률 (계속 )

▣ 예제 4.9◈ 최고주파수가 4000Hz 인 전화 목소리 정보를 채집하려면 , 매초 8000

번 이라는 표본 채집률이 필요 xHz 의 두 배의 주파수에 달하는 표본 채집률이 필요하다는 것은 신호가 1/(2

x) 초 마다 채집되어야 한다는 것을 의미– 위의 예에서 전화상의 목소리가 1/8000 초마다 한번씩 채집되어야 함

▣ 예제◈ 10,000Hz(1,000Hz 에서 11,000Hz까지 ) 의 대역폭을 갖는 신호에

필요한 표본 채집률은 ?◈ 풀이

표본 채집률은 신호의 최고주파수의 두 배가 되어야 함 표본 채집률 = 2 * 11,000 = 22,000samples/second

▣ 예제 4.10◈ 저대역 통과 신호의 대역폭이 200kHz 이다 . 이 신호의 최소 채집률은 ?◈ 2 * 200k = 400,000 samples/s

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PCM( 계속 )

▣ 정량화 (Quantization)◈ sampling 한 값에 특정 범위에 속하는 정수 값을 할당

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PCM( 계속 )

▣ 이진 부호화 (Binary Coding)◈ 정량화된 표본에 부호와 크기 값을 할당

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PCM( 계속 )

▣ Digital/digital encoding ◈ Binary encoding 된 이진수는 Digital/digital encoding 기법 중의 하나를

사용하여 이진 신호로 변환 ( 예 : unipolar)

▣ PCM signal

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표본당 몇 비트인가 ?▣ 각 표본당 전송되어지는 비트의 수 :

◈ 필요로 하는 정밀도 레벨에 의해 결정

▣ 예제◈ Sampling 된 각 표본은 적어도 12레벨의 정밀도 (+0 에서 +5, -0 에서

-5) 를 요구한다 . 각 표본당 전송되어지는 비트의 수는 ?◈ 풀이

4bit(1bit : 부호 , 3bit : 데이터 값 ) : 23 = 8

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비트율

▣ 비트율 = 표본 채집률 * 표본당 비트수

▣ 예제 4.14 : p.124◈ 사람의 목소리를 디지털화하고자 한다 . 표본당 8 비트라고 가정했을

때 , 비트율은 ?◈ 풀이

사람의 목소리는 보통 0 에서 4000Hz 사이의 주파수를 갖으므로 , 표본 채집률은 8000 samples/second(4000 * 2)

따라서 , 비트율은 8000 * 8 = 64,000bits/s = 64kbps

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원래 신호의 복구

▣ PCM decoder 가 필요

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델타 변조

▣ PCM 의 복잡도를 낮추기 위해 개발▣ Sampling 단계에서 직전 표본 값과의 차이 값을 찾음▣ 코드를 사용하지 않고 채집할 때마다 비트들을 전송

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델타 변조

▣ 변조 절차◈ 델타 (δ) 라고 불리는 작은 양 또는 음의 차이들을 기록

델타가 양이면 1, 음이면 0 으로 기록 원래의 아날로그 신호와 기준 신호로 삼아야 하는 계단 모양과 유사한 제 2 의

신호를 생성하여 이 차이를 비교– 원래 신호의 값과 직전의 계단 신호의 값을 비교하여

» 원래 신호 값이 더 크면 : 디지털 데이터의 다음 비트는 1 이고 , 그렇지 않으면 0» 다음비트가 1 이면 계단 신호 발생기가 δ 만큼 올려주고 , 다음비트가 0 이면 δ만큼 낮춤

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델타 변조

▣ 변조기 구성요소

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델타 변조

▣ 복조기 구성요소◈ 디지털 신호를 받아서 계단 신호 발생기와 지연요소를 사용하여 원래의

신호를 재생◈ 재생된 아날로그 신호를 부드럽게 만들기 위해 low-pass filter 를 거침

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4.3 전송방식▣ 한 장치로부터 다른 장치로의 데이터 전송을 고려할 때 주요 관심사는 배선이며 , 이 배선을 고려할 때 주요 관심사는 데이터 흐름

▣ 데이터 전송 방식

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병렬전송

▣ 병렬전송 (parallel transmission)◈ 한번에 한 개의 비트를 보내는 대신에 그룹으로 만들어 n 개의 비트

데이터를 전송 장점 : 속도 (speed) 단점 : 고가 (expansive)

주로 짧은 거리 (short distance) 에 사용

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직렬전송▣ 직렬전송 (Serial Transmission)

◈ 한 비트씩 차례대로 전송하기 때문에 하나의 채널만 필요 장점 : 단일 channel, 저가 단점 : 인터페이스변환 장치 필요 ( 직렬 – 병렬 )

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직렬전송 ( 계속 )

▣ 비동기 전송 (Asynchronous Transmission)◈ 한 개의 시작비트 (0) 와 각 바이트의 끝에 하나 이상의 정지 비트 (1) 를

송신하며 , 각 바이트 간에는 간격이 있을 수 있음◈ 신호의 타이밍이 중요하지 않음 , 합의된 패턴으로 송수신◈ 비동기식이란 바이트 수준에서의 비동기를 의미하며 비트들은 여전히 동기화 됨◈ 전송속도는 늦지만 , 구현 비용이 저렴 ( 예 : 컴퓨터에 터미널 연결 )

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직렬전송 ( 계속 )

▣ 동기전송 (synchronous transmission)◈ 시작비트 / 정지비트 및 간격 없이 차례로 비트를 보내는 방식으로

수신된 비트를 그룹화 하는 것은 수신장치가 수행 함◈ 장점 : 전송속도가 빠름◈ 컴퓨터간 데이터 전송에 사용되며 바이트 동기화는 데이터 링크층에서

이루어짐 프레임간의 일정치 않은 간격은 있을 수 있음

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직렬전송 ( 계속 )

▣ 등시식 전송 (isochronous transmission)◈ 실시간 음성이나 화상과 같이 일정하지 않은 프레임 사이의 간격이

용납되기 어려운 경우 동기식 전송이 적절하지 않음◈ 정해진 시간에 데이터가 도착하는 것을 보장하는 전송

TV 신호 : 매초 같은 속도로 30 프레임이 전송» 프레임 사이의 간격이 일정하지 않으면 않됨