Chapter 4. Digital Transmission

4.1 디지털 대 디지털 변환

디지털 signal을 이용하여 어떻게 digital data를 표현하는가?

       a.     line coding

       b.     block coding

       c.      scrambling

4.1.1 회선 부호화(line coding)

-      digital data(일련의 비트) → digital signal

-      데이터 요소와 신호 요소

데이터 요소(data element)

       : data를 나타내는 가장 작은 단위체

       : bit(우리가 전달해야 하는 것)

신호 요소(signal element)

       : digital signal의 가장 짧은 단위(전달자)

-      r: 매 신호요소 당 전송되는 데이터 요소의 개수

-      데이터 전송률 대 신호 전송률

       ㄱ.   data rate

              : 1초 당 전송된 데이터 요소의 개수

              : 단위(bps)

              : 비트율이라고도 함

       ㄴ.   signal rate

              : 1초 당 전송된 signal element의 개수

              : 단위(baud)

              : 펄스율, 변조율, 보오율이라고도 함

       ㄷ.   관계

              신호 요소=경우 요인×데이터 전송률×1데이터 요소 baud

              S=C×N×1r [baud]

-      데이터 통신의 목적

       1.      signal rate를 낮추고 data rate를 높이는 것

       2.      data rate를 높인다는 것은 전송속도를 높이는 것

       3.      signal rate를 낮추는 것은 대역폭 요구량을 줄이는 것

-      대역폭(bandwidth)

       : digital signal의 실제 bandwidth는 ∞

        그러나 finite bandwidth is finite

       : 최소 bandwidth

              Bmin=C×N×1r

       : 최대 data rate(bitrate)

              Nmax=1C×B×r

-      기준선(Base line)

       : 수신자가 수신한 signal의 세기에 대한 평균 값

       : Base line이 wandering(표류)하면 복호화 힘듦

              → base line 흔들림

       : good line coding은 base line wandering 방지 필요

-      직류 성분(DC)

-      self synchronization(자기 동기화)

       : sender가 보낸 signal을 인식하기 위해 receiver의 bit 간격이 sender의 bit 간격과 일치해야함

4.1.2 회선 부호화 방식

-      우리가 바라는 것은

       → 전력 소비 낮추기

       → encoding, decoding algorithm이 간단

       → 가격 낮추기

       → 오류검출 가능

-      종류

       a.     unipolar

       b.     polar

       c.      bipolar

       d.     multilevel

       e.     multitransition

4.1.3 Block coding

-      동기화를 확보하기 위해 여분의 비트가 필요

-      오류 탐지를 위해 여분의 비트 포함해야 함

-      4B/5B

-      8B/10B → 5B/6B + 3B/4B

4.1.4 Scrambling

-      연속되는 0으로 생기는 동기화 문제 해결

-      다른 준위 신호들로 조합된 신호로 바꾸는 방식

-      스크램블링을 이용한 AMI

-      B8ZS

-      HDB3

       : 0이 아닌 pulse의 개수 홀수 → 000V로 대체

       : 0이 아닌 pulse의개수 짝수 → B00V로 대체

 

4.2 아날로그-대-디지털 변환

analog signal → digital data ① PCM(pulse code modulation)

                                                     ② DM(delta modulation)

4.2.1 펄스 코드 변조(PCM) 부호화하기

PCM

-      analog signal을 digital data로 바꾸는 기법(널리 쓰임)

-      순서

       1.      analog signal 채집(Sampling)

              : analog signal로 표본 채집, 그 결과에 근거하여 pulse 제작

       2.      채집된 signal 계수화(Quantizing)

       3.      계수화 된 value를 bit stream으로 부호화 하기(Encoding)

-      analog signal을 얼마나 자주 채집할 것인가?

       → 원래 signal이 가진 최고 주파수의 2배 (Nyquist)

-      PAM signal: Sampling spectrum이 가까울수록 망가짐

       → Nyquist 지켜야함

1)     채집(Sampling)

-        analog signal을 매 Ts 초마다 채집

-      Nyquist 정리에 의해, 채집율은 signal에 포함된 최대 주파수의 최소 2배가 되어야 함

-      low-pass signal   vs             bandpass signal

 

     

 → Bandpass signal은 signal을 0부터 시작하게 옮겨서 fmax 측정

2)     계수화(Quantizing, 양자화)

-      sampling 된 값에 특정 범위에 속하는 정수 값을 할당하는 방법

-      총 4단계

       ①    PAM

              : 원래 analog signal은 Vmin 과 Vmax  사이의 진폭 값을 가진다고 가정

       ②    정량화

              : 전체 영역을 높이 ∆ 의 L개의 구간으로 나눔

              : ∆=Vmax-VminL

       ③    2진 부호화

              : 각 구간의 중간점에서 0부터 L-1까지 계수화 된 값 지정

       ④    digital 대 digital 부호화

              : sampling 된 signal의 진폭 값을 계수화 된 1개의 근사치로 지정

-      균등 대 비균등 계수화

       : 축약과 확장의 과정을 거칠 수 있음

       : 축약 + 확장 = Companding

       : sender는 신호 변환 이전에 축약 과정, receiver는 signal 변환 이후에 확장 과정

       : 비균등 계수화를 통해 계수화 오차를 효과적으로 줄일 수 있음

3)     부호화(Encoding)

-        각 표본이 nb 비트의 부호로 바뀌는 것

-      Bit rate=sampling rate×number of bits per sample

                    =fs×nb

-      sampling → Nyquist 지키기

-      Quantizing → error 생길 수밖에 없음

       → bit 수를 늘리면서 error 줄임

PCM decoder와 components

-      data rate=fmax×2

-        N=fs×nb

-      fs=2×Bandwidth

-        Bmin최소 대역폭=nb×Banalog

       → digital signal의 Bmin 는 analog signal의 Bandwidth×nb

채널의 최대 데이터율

-      Nmax=2×B×log2L [bps]  → Nyquist 정리

최소 요구 대역폭

-      Bmin=N2log2L [Hz]

4.2.2 델타 변조(DM)

DM

-      PCM의 복잡도를 낮추기 위해 개발된 기술

-      직접 표본 값과의 차이점을 찾음

-      칸만큼 크기를 고정할 수 X

       → 정밀도가 낮아짐(bad), 데이터량이 낮아짐(good)

-      signal의 변화에 의해 칸의 크기가 변하게 ADM 사용

       → DM은 noise를 감소시킴

-      DM의 구성요소

       1)     modulator(변조기)

              : analog signal → digital data

              : delta라는 작은 양 or 음의 차이를 기록하는 과정

       2)     demodulator(복조기)

              : digital data → analog signal

              : 재생된 signal은 low-pass filter를 가짐

 

4.3 전송방식

-      데이터 전송의 keypoint는 배선(data flow)이다

       → 한 번에 한 bit씩?

       → 큰 group으로 비트를 묶어서?

-      link를 이용한 2진 data의 전송은 직렬 or 병렬 방식 존재

       직렬: 각 클록마다 1bit씩

       병렬: 각 클록마다 다중 bits를

-      Data transmission

       ① Parallel(병렬) - 가까운 곳

       ② Serial(직렬) – 먼 곳

              1.      Asynchronous(비동기)

              2.      Synchronous(동기)

              3.      Isochronous(등시)

4.3.1 Parallel transmission

-      한 번에 n개의 group의 bits를 전송

-      n 비트 전송을 위해 n개의 전선 사용

-      장점: serial에 비해 n배만큼 전송속도 증가

-      단점: high cost → 거리 제한

-      먼 거리를 가면 delay 일어남

4.3.2 Serial transmission

-      한 bit가 다른 bit 뒤에 오므로, 1 channel 필요

-        장점: 1개의 통신 channel로 parallel 전송에 비해 1n 만큼의 cost 절감

-      장치 내 통신은 parallel로 구성

        → sender와 전선(병렬-직렬) / 전선과 receiver(직렬-병렬)이므로 interface엥서 변환장치 필요

1.      Asynchronous(비동기식)

-      signal의 타이밍 중요X

-      정보교환은 합의된 pattern으로 수시 및 변환

-      보통 8bits인 group이 link를 따라 한 단위로 전송

-      언제든 link 중계 가능

-      보통 바이트 시작 부분에 0으로 시작비트 추가

-      보통 바이트 끝 부분에 1호 정지비트 추가

-      8개의 data bit + 2개의 추가 bit

-      수신 장치는 각각의 수신 bite마다 재동기화

-      receiver는 시작bit 수신 후 수신되는 비트 수 세고 bit 수신 후 정지bit 찾으면 그 후 모든 pulse 무시

-      2개의 장치 사이에 클럭이 완벽하지 않으면, data rate 감소

-      비동기식

        → bite 수준에서 비동기

        → 그러나 bit들은 여전히 동기화되고 bit들의 지속시간 동일

2.      Synchronous(동기식)

-      다수의 bite로 구성

-      bite와 bite 사이에 간격X

-      receiver가 복호화를 위한 bite를 bit로 분리

-      receiver는 수신된 bite를 8bits 단위의 그룹으로 분리

-      장점

        : 비동기식에 비해 속도가 빠르다

        : 고속 응용에 유리

        : data link layer에서 이루어짐

-      시작, 종료, 간격없이 bit들을 하나씩 보낼 수 있음. bit들을 그룹화하는 것은 receiver의 책임