[데이터 통신] 물리 계층 - 디지털 전송

이번 글은 디지털 신호를 전송하기 위한 과정을 다룹니다.

 

아날로그 신호 (ADC)-> 디지털 신호 (encoding)-> 디지털 신호 과정으로 변환이 되며,

최종적으로 변환된 디지털 신호를 전송하게 됩니다.

 

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1. 디지털 대 디지털 변환

 

디지털 데이터에서 디지털 신호로 변환하는 것을 말하며, 이를 encoding이라고 합니다.

크게 세 가지 방식이 있습니다.

 

1-1. 회선 부호화(line coding)

 

디지털 데이터를 디지털 신호로 바꾸기 위한 가장 기본적인 방법입니다.

송신자는 디지털 데이터를 디지털 신호로 부호화하며,

수신자는 디지털 신호를 복호화하여 디지털 데이터를 재생합니다.

 

신호랑 데이터를 계속 말하고 있는데... 이것들은 무엇인가

데이터 요소는 정보를 표현할 수 있는 가장 작은 개체입니다. (bit)

신호 요소는 디지털 신호의 가장 짧은 단위입니다.

 

결국, 데이터 통신은 데이터 요소를 신호 요소를 통해 송신자가 수신자에게 전송하는 것을 말합니다.

 

전송률에 대해서도 살펴보면...

데이터 전송률은 1초 동안 전송된 데이터 요소의 개수입니다. (단위: bps)

신호 전송률은 1초간 전송된 신호 요소의 개수를 말합니다. (단위: baud rate)

 

적은 신호로 많은 데이터를 표현할 수 있으면 좋겠지요?

데이터 통신은 신호 전송률을 낮추면서 데이터 전송률을 높이는 것을 목표로 하고 있습니다.

항상 좋지는 않겠지만...

 

회선 부호화의 특징입니다.

1. 자기동기화: 발신자가 보낸 신호를 정확하게 수신하기 위해 수신자의 비트 간격은 발신자의 비트 간격과 정확히 일치해야 함
2. 기준선 흔들림: 연속적인 비트 0이나 1이 발생하면 기준선이 서서히 이동하여 데이터 판별 오류 발생
3. 직류 성분: 디지털 신호가 한동안 일정하게 유지되면 주파수 스펙트럼은 매우 낮은 주파수를 생성

 

총 5가지의 방식이 있습니다.

 

1-1-1. 단극형 (unipolar)

시간 축을 기준으로 전부 위 영역이나 전부 아래 영역의 신호 준위 값만 이용하는 방식입니다.

 

단극형 영비복귀(NRZ)를 사용할 때 여러 제약이 따릅니다.

1. 수신 측에서 신호의 동기화가 어려움
2. 비트 1이 연속으로 발생하면 DC 성분이 발생하여 시스템 설계 제약

전력 소모가 다른 방식에 비해 매우 높습니다.

 

1-1-2. 극형 (polar)

시잔 축 기준으로 위, 아래 영역의 신호 준위 값을 모두 이용하는 방식입니다.

 

1-1-3. 양극형 (biopolar)

양 전압, 음 전압과 0 전압을 모두 이용하는 방식입니다.

교대 표시 반전(AMI)를 사용합니다.

양과 음 전환이 되면 비트 1을 만들어냅니다.

하지만 신호에서 0이 계속 발생하는 경우 수신측에서 동기화가 어렵습니다.

 

1-1-4. 다준위 방식 (multi-level schemes)

n개의 신호 요소를 사용하여 m개의 데이터 요소를 표현하는 방식입니다.

 

mBnL 부호화라고 하는데,

m: 데이터 개수

B: 2진수 데이터를 표현

n: 신호 요소 개수

L: 신호 준위 개수 (B: 2진수, T: 3진수, Q: 4진수)

 

2B1Q => \(2^2\)개의 데이터 패턴, \(4^1\)개의 신호 요소

8B6T =>\(2^8\)개의 데이터 패턴, \(3^6\)개의 신호 요소

 

1-1-5. 다중회선 전송

2준위 방식에서 3준위 방식으로 확장된 기법

 

 

1-2. 블록 부호화

 

동기화를 보장하고 오류 검출을 위해 잉여 비트를 추가로 제공하여 회선 부호화의 아쉬운 점을 개선한 방식입니다.

mB / nB 부호화를 통해 m비트를 n비트 블록으로 변환합니다. (단, n > m)

 

1-2-1. 4B / 5B 부호화

4비트 길이의 그룹을 5비트 길이의 코드 비트로 변환합니다.

극형 NRZ-I 회선 부호화 방식과 4B/5B 블록 부호화를 같이 사용하여 극형 NRZ-I의 자기 동기화 문제를 해결합니다.

 

1-2-2. 8B / 10B 부호화

5B/6B 부호화 + 3B/4B 부호화 + 불균형 제어기를 같이 사용하는 방식입니다.

 

 

1-3. 스크램블링 (뒤섞기)

 

장거리 통신을 위한 부호화 방식입니다.

연속되는 비트 0에 대한 동기화를 위해 다른 준위 신호들로 조합된 신호로 바꾸는 것입니다.

 

두 가지 방식이 존재합니다.

 

1-3-1. 양극 8영 대치 (B8ZS)

AMI 방식에서 8개의 연속된 0이 나오면 00VB0VB 신호로 대치

 

1-3-2. 고밀도 양극 3영 (HDB3)

AMI 방식에서 4개의 연속된 0이 나오면 아래 2개의 신호로 대치

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2. 아날로그 대 디지털 변환

 

아날로그 정보를 디지털화하는 ADC 과정입니다.

 

펄스 코드 변조 (PCM, Pulse Code Modulation) 방식을 사용합니다.

 

먼저 아날로그 신호의 특정 시간에 따라 표본 채집을 합니다.

나이퀴스트 샘플링 방법을 사용하기도 하는데, 나이퀴스트 주파수보다 높은 채집률(2배)을 가져야 복원이 가능합니다.

 

이후 샘플링된 펄스의 진폭 크기를 디지털화하는 양자화 작업을 합니다.

양자화가 끝나면 이 값들을 2진 부호로 변환하는 부호화 과정을 거칩니다.

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3. 데이터 전송 방식

 

3-1. 병렬 전송

n개의 비트를 동시에 병렬로 전송합니다.

n개의 통신회선(비용)이 필요하며, 단거리 통신에 주로 사용합니다.

 

3-2. 직렬 전송

한 번에 1개의 1비트를 1개의 통신회선으로 전송합니다.

병렬 전송에 비해 속도가 1/n으로 느리지만 비용을 아낄 수 있습니다.

장치 내부는 병렬 방식으로 데이터를 받으므로 장치와 회선 사이에 직렬<->병렬 변환을 하는 인터페이스가 필요합니다.

 

직렬 전송의 종류는 아래와 같습니다.

1. 비동기식 전송
   • 비트를 8개씩 묶어 바이트 단위로 독립적으로 전송
   • 시작, 정지 비트가 있기 때문에 아무때나 전송 가능
2. 동기식 전송
   • 시작, 정지 비트의 제어 정보 없이 여러 바이트를 연속적으로 묶은 프레임 단위로 전송
   • 타이밍 동기화에 전적으로 의존
3. 등시식 전송
   • 일정한 시간 간격으로 비트 스트림을 전송