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이 때까지 설명해왔듯이 링크로 데이터를 전송하기 위해서는 비트로 구성된 데이터(정보)들을 신호로 바꾸어서 보내야 한다.

▶ 변환 제도

- Digital-to-Digital Conversion : 디지털 정보를 디지털 신호로 변환하기

- Analog-to-Digital Conversion : 아날로그 정보를 디지털 신호로 변환하기

- Digital-to-Analog Conversion : 디지털 정보를 아날로그 신호로 변환하기

- Analog-to-Analog Conversion : 아날로그 정보를 아날로그 신호로 변환하기

▶ 디지털 정보를 디지털 신호로 변환하기 (Digital-to-Digital)

- 변환 기술로는 Line Coding, Block Coding, Scrambling이 있다.

- 라인 코딩은 항상 필요로 한다.

▶ Line Coding의 특성

- 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환하는 기술로, 중간에 Encoder라는 장비가 사용된다.

- Data Element(데이터 요소) : 정보를 표현할 수 있는 가장 작은 단위, 비트(Bit)

- Signal Element(신호 요소) : 디지털 신호의 가장 짧은 단위이며, 하나읫 신호가 데이터 요소들을 옮길 수 있다.

- Ratio r : 하나의 신호가 보낼 수 있는 데이터 양, 신호당 비트

- r(신호당 비트)가 클수록 데이터 처리량이 많다.

- Data Rate(bit rate) : 1초 안에 보내지는 데이터 요소의 개수, 초당 비트수(bps)

- Signal Rate(baud rate) : 1초안에 보내지는 신호 요소의 개수, 초당 신호수(baud)

- Signal Rate을 줄이고 Data Rate을 증가시키는 것이 목표이다. Signal Rate이 많으면 대역폭이 더 많이 요구되므로 제한된 대역폭을 가진 링크에서는 시그널이 활용되기 어려워지기 때문이다.

- (S : signal rate, N : data rate, c : the case factor, r : ratio)

Signal Rate : S = c * N * (1/r)

Data Rate : N = s*r*(1/c)

- Bandwidth(대역폭)

• 주파수의 범위(Frequency Spectrum) = 최고 주파수 - 최저 주파수
• 디지털 신호는 무한한 대역폭을 필요로 하지만 실제 전송매체가 가질 수 있는 대역폭은 제한적이다.(유효 대역폭)
• 대역폭은 Signal Rate과 비례한다.

 (최소 대역폭)

 (최대 bps)

- 신호 레벨이 L인 신호는 레벨당  비트를 옮긴다. 

- Baseline Wandering(기준선 변동)

• Baseline : 수신된 신호 파워의 평균
• 연속된 0이나 1의 비트값을 가진 데이터에 의해 기준선이 움직이는 현상으로, 전압이 오르락내리락한다.

- DC(Direct-Current) Component (직류 성분)

• 전압 레벨(진폭)이 일시적으로 변하지 않을 때 일어날 수 있는 0인 주파수
• 주파수와 전압의 관계 : 신호에서 주파수란 “1초당 나타나는 반복적인 패턴의 개수”이며, 일반적으로 “단위시간(1초)당 전압의 변화횟수“이다. 즉, 패턴이 3개이면 전압이 3번 변했음을 의미한다. 주파수가 0이란 뜻은 반복되는 패턴이 0개(전압의 변화횟수가 0)이며 변화가 없는 전압을 의미한다. 변화가 없는 전압(주파수 0)은 직류가 된다. 전압(진폭)의 평균값이 0에서 커질수록 전압의 변화가 적다.
• 진폭(Amplitude)의 평균값이 0보다 클 경우 DC성분이 있다고 표현한다.
• 낮은 주파수를 통과시킬 수 없도록 만들어진 시스템이 있어서 DC 성분이 없도록 Encoding 해야 한다.

- Self-Synchronization (자기 동기화)

• 송신측이 보낸 데이터와 수신측이 받은 데이터에서 비트 간격이 일치하는 것을 의미한다.
• 자기 동기화 디지털 신호는 전송되는 데이터에 시간정보를 포함한다.
• 수신측에서 정보를 올바르게 못 받는 경우를 대비하여 처음, 중간, 끝에 Transition을 넣어 고의로 숫자를 바꿔줌.

- 내제된 오류를 검출하고 잡음과 간섭에 강인하다.

- 복잡하다.

[Line Coding Summary]

▶ Unipolar Scheme

- Uni 는 하나라는 뜻이고 Polar는 극성(+, -)이라는 뜻이다. 즉 하나의 극성을 가진다는 의미로 받아들이면 될 것이다. 전압 레벨이 양의 값과 0만 가지는 것을 암시한다.

- NRZ(Non-Return-to-Zero)

• 하나의 신호에서 전압 레벨(진폭)이 변하지 않는다.
• 비트 값 1 : +Volt, 0: 0Volt 로 표현한다.
• 진폭이 0 밑으로 떨어지지 않으므로 DC 성분이 있다.
• 매우 고가이다.
• 표준 Power가 Polar의 NRZ 보다 2배나 더 요구된다. 즉, Polar Scheme보다 안좋다.

▶ Polar Scheme

- Polar는 극성(+,-)이라는 뜻이므로, 전압 레벨이 양과 음으로만 표현되는 것을 나타낸다.

[ 상 NRZ-L, 하 NRZ-I ]

- NRZ(Non-Return-to-Zero)

• 두 개의 전압 레벨을 가진다. 비트값이 0일 때 +Volt, 1일 때 -Volt이다.
• 그래프 상에서 전압이 시간축의 양 쪽에 있다.
• NRZ-L(NRZ-Level) : 전압 레벨이 비트값을 결정한다.
• NRZ-I(NRZ-Inverse) : 전압 레벨의 변화(비트 시작의 transition의 유무)가 비트값을 결정한다. 변화가 있으면 1, 없으면 0이다. 즉, 연속된 1이면 변화가 있으므로 self-sync가 있는 것이고, 연속된 0이면 변화가 없으므로 self-sync가 없는 것이다. NRZ-L에 비해 상대적으로 DC가 덜하다. 단, 연속된 0일 때 기준선 변동(Baseline Wandering) 문제가 발생한다.
• 문제점 : 기준선 변동, 동기화, DC성분이 있다.

[RZ]

- RZ(Return-to-Zero)

• 세 개의 전압 레벨 : +Volt, -Volt, 0Volt
• 신호가 중간에 0으로 간다. 비트 사이에서는 변화가 없다. 오로지 비트 중간에만.
• 송신과 수신간의 self-sync가 가능하다.
• 비트당 신호가 2배로 요구되므로 필요로하는 대역폭이 증가하게 된다. 복잡성을 띈다.
• 진폭(전압)의 평균값이 0보다 크므로 연속된 0, 1에서 DC가 발생한다.

[ 3번째 Biphase ]

- Biphase 

• 두 개의 전압 레벨을 가진다.
• 각 비트의 중간에 Transition이 있다. 
• 끊어 읽기 좋으므로 자기 동기화(self-sync)가 된다.

• Mancheter (RZ+NRZ-L) : 비트의 시작점에서 전압레벨이 비트 값을 결정한다. ( 0: + → - , 1: - → + ) 비트 시작점이 high에서 low인  + → - 로 변하면 비트값은 0이고, 반대로 - → + 로 변하면 비트값은 1인 것이다. 또한 연속된 0, 1이 나와도 평균 내면 무조건 0이 나오는 구조이므로 DC성분이 없다.
• Differential Manchester (RZ+NRZ-I) : 비트의 시작점에서 Transition이 비트값을 결정한다. 즉, Transition이 있으면 0, 없으면 1이다.
• +, - Volt만 사용하므로 하드웨어적으로 구현하기 쉽다. 기준선 변동 및 DC성분은 없으나, 신호당 비트가 2개씩 증가하므로 필요한 대역폭이 NRZ보다 2배로 넓다.

▶ Bipolar Scheme

- Bipolar는 양극성이라는 뜻으로 하나의 비트값에서 전압레벨이 교대로 나타나는 것을 의미한다.

- 세 개의 전압을 사용 : +Volt, -Volt, 0Volt

- 장거리 통신에 이용되어진다.

- DC 성분이 없다.

- AMI (Alternate Mark Inversion)

• 처음 나오는 1은 high(+Volt), 그 다음은 low(-Volt)를 표시하며, 0은 0Volt로 표시한다.
• 규칙적으로 1을 바꾸기(self-sync O) 때문에 진폭의 평균값이 0에 가까워진다.
• 그러나 연속된 0에서 싱크가 안 맞으므로 끊어 읽기가 어려워진다. (self-sync X)

- Pseudotemary (AMI와 반대)

• 처음 나오는 0은 high(+Volt), 그 다음은 low(-Volt)를 표시하며, 1은 0Volt로 표시한다.
• 연속된 0에서 싱크가 맞고, 연속된 1에서 싱크가 안 맞으므로 self-sync X

- 싱크가 안 맞는 부분을 해결하기 위해 Scrambling을 사용한다.

▶ Block Coding

- 싱크를 맞추고 내제된 오류를 검출하고자 불필요한 중복을 추가하는 방식이다.

[ mB/nB Encoding ]

- mB/nB Encoding (n>m) : m 비트의 데이터를 n 비트의 데이터로 변환하는 것.

- 데이터 정보를 m 비트의 단위로 나눈 뒤, 각 비트의 순서에 맞게 n 비트로 변환시킨다. 마지막으로 n 비트 단위로 결합되어진다.

- Signal rate이 증가하고, DC 성분이 생긴다. 비트수가 증가하기 때문에 오버헤드가 발생한다.

- 4B/5B가 일반적으로 사용된다.

[ 전송순서는 11101 ... 01001 ... 11110 으로 그대로 간다.]

- 동기화 문제(싱크)가 해결된다.

- 비트수를 늘리면서 최대 0의 개수를 3개(5B기준)로 줄인다. 그러면 연속된 0의 개수가 줄어들게 되고 오류가 최소화 된다. 실제로 0의 개수가 많을수록 기기가 버티기 어렵다.

- 비트수가 늘어나면 기존의 데이터를 표현하는 개수가 늘어나개 되므로 “나머지 패턴”이 발생한다. 나머지 패턴은 일종의 내제된 오류(Built-in-Error)로 본다.

[ Line Coding 기법에 추가로 4B/5B 기법이 사용됨 ]

▶ Scrambling

- 싱크를 맞추기 위해 긴 연속된 0을 다른 전압레벨로 변환시키는 방식이다.

- +Volt 다음에 -Volt가 나타나는 것이 정상이나, +Volt 다음 +Volt가 나오게 만드는데 이와 같이 없을법한 패턴을 생성하여 연속된 0을 최대 3개까지만 허용한다.

- B8ZS (Bipolar with 8-Zero Substitution)

• AMI + Scrambling : 없을법한 패턴을 생성하여 AMI의 연속된 0을 깨주는 방식
• 8개의 연속된 0들이 000VB0VB의 패턴으로 대체되어진다.

▶ Data

- Analog Data(아날로그 정보) : 연속적인(continuous) 정보 ex) 사람의 음성

- Digital Data(디지털 정보) : 불연속적인(discrete) 정보 ex) 비트(0, 1)

- 데이터는 링크로 전송되기 위해 전자기 신호로 변형된다.

▶ Signal

- Analog Signal(아날로그 신호) : 정해진 범위(time) 내의 무한히(infinitely) 많은 값이 신호값을 가진다.

- Digital Signal(디지털 신호) : 특정 범위에서만 신호값이 나타난다. 즉, 정의되는 신호값들이 제한적이다.

- Periodic Signal(주기적 신호)

• 측정 가능한 시간 프레임(주기) 내에 하나의 패턴이 나타나며, 동일한 주기 내에 특정 패턴이 반복적으로 나타난다.
• Cycle : 하나의 패턴이 완성되기까지 걸린 시간(주기)

- Nonperiodic Signal(비주기적 신호)

• 주기 동안 패턴이나 Cycle이 반복적이지 않고 항상 변한다.

- 데이터 통신에서 우리는 공통적으로 주기적 아날로그 신호(periodic analog signal)와 비주기적 디지털 신호(Nnonperiodic digital signal)를 이용한다.

▶ Periodic Analog Signal (주기적 아날로그 신호)

- 대부분 근본적인 형태는 사인 모양의 파형(Sine Wave)이다.

- 최대 진폭(Peak amplitude) : 가장 높은 강도(전압)의 절댓값

- 주파수(Frequency)

• 1초 안에 반복되는 패턴(Cycle) 수
• 단위 : Hz
• 주기와 반비례

[빨간색이 최대 진폭, 파란색이 주기]

- 위상(Phase) : 0초에 대해 상대적인 파형(위치)의 변화이며, 각도로 나타난다.

-  (A : 진폭, f : 주파수, t : 시간, : 위상)

- 파장(Wavelength)

• 하나의 신호가 한 주기동안 이동할 수 있는 거리
• 파장 = 전파 속도(Propagation speed) * 주기
• 주파수와 매체에 따라 다르다.
• 종종 광섬유 내부에 빛의 전송을 표현하기위해 이용되어 진다.

▶ Domain

- Time Domain : 시간(x축)을 기준으로 진폭(y축)을 나타낸 것이다.

- Frequency Domain : 주파수(x축)을 기준으로 진폭(y축)을 나타낸 것으로, 최대 진폭과 주파수에 대한 정보만 있다.

[좌 Time Domain, 우 Frequency Domain]

▶ Composite Signal(복합 신호)

- 하나의 사인 파형이 많이 합쳐져서 만들어진 모양이다. 즉, 아날로그 신호이다.

- 푸리에 해석(Fourier Analysis)에 의하면, 복합 신호는 다른 주파수, 위상, 진폭을 가진 사인 파형들이 합쳐진 것이다.

S(t) = S(t1) + S(t2) + S(t3) + .... ( f는 기본주파수이다.)

- Periodic Composite Signal(주기적 복합 신호) : 불연속적이고 값(개수)이 제한적인 주파수를 가진 일련의 사인파형들이 모인 신호이다.

• Time Domain에서는 각 사인 파형들이 연속적으로 나타남
• Frequency Domain에서는 불연속적인 주파수 모형

- Nonperiodic Composite Signal(비주기적 복합 신호) : 연속적이고 무한한 값의 주파수를 가진 사인 파형들이 모인 신호이다.

• Time Domain에서는 무한한 시간값에 대해 신호값을 모두 가진 사인 파형들이 결합된 형태로 나타난다.
• Frequency Domain에서는 연속적인 주파수값을 보여준다.

- Frequency Spectrum(주파수 스펙트럼) : 모든 신호의 구성요소들을 포함하고 주파수 도메인으로 표현되는 하나의 신호를 나타낸다. 넓을수록 다양한 신호를 포함한다.

▶ Bandwidth(대역폭)

- 복합 신호 내에 가장 높은 주파수와 가장 낮은 주파수간의 차이

- 주파수 스펙트럼의 너비

[해당 이미지에서 Bandwidth = 4000Hz 이다.]

▶ Digital Signal

[파란선이 디지털 신호, 검은 색이 신호레벨]

- 왼쪽이 4(2의 2승)개의 Signal Level을 가지고 있고, 오른쪽은 8(2의 3승)개의 Signal Level을 가지고 있다.

- 신호 레벨에 log2를 취하면 표현할 수 있는 값의 종류가 나타난다. 즉 몇 비트로 나타내는가를 알 수 있다.

- Bit rate(or Data rate) : 1초당 비트의 수(bits per second)로 단위는 bps이다.

- Bit Length = 전파 속도(Propagation speed) * 1비트당 걸린 시간(bit duration)

전송 매체에서 1비트당 이동한 거리

- 디지털 신호는 무한한 대역폭을 가진 복합적 아날로그 신호이다.

- 대역폭(bandwidth)와 자료 전송율(data rate)이 비례한다. 이유는 주파수 범위가 넓을수록 초당 더 많은 데이터를 담을 수 있기 때문이다.

▶ 디지털 신호의 전송

- 기저대역 전송 (Baseband Transmission)

• Baseband : 변조되기 이전에 또는 변조되지 않는 원래 정보 신호들이 있는 저주파 영역
• Low-pass Channel(저대역 통과채널) : 주파수가 0에서부터 시작하는 대역폭을 가진 채널
• 자료 전송율(Bit rate)과 대역폭이 서로 비례한다. 고속링크를 원한다면 더 넓은 대역폭이 요구된다.
• 디지털 신호를 아날로그 신호로 변조하지 않고, 저대역 통과채널만 전용으로 사용하는 매체(dedicated medium)를 이용하여 전송하는 방법
• 즉, 하나의 링크(매체)에 통신가능한 한 개의 채널을 공급한다. 따라서 복수의 단말기로부터 동시에 데이터 전송이 불가능하다.
• 넓은 대역폭을 가진 저대역 통과채널을 사용하기 때문에 디지털 신호의 모양을 유지할 수 있다. 즉, 디지털 신호가 저대역 통과채널을 이용할 때만 제대로 간다.

- 광대역 전송 (Broadband Transmission)

• Bandpass Channel(특정대역 통과채널) : 주파수가 0에서 시작하지 않는 대역폭을 가진 채널
• 이 채널을 이용하려면, 다른 주파수 대역으로 이동시키기 위해 전송 전에 디지털 신호를 무조건 아날로그 신호로 변조해야한다.
• 디지털 신호를 아날로그 신호로 변조하여 전송하는 방식으로, 하나의 단일 링크에 주파수를 여러 개의 대역으로 분할하여 채널을 할당하므로 사용하고자 하는 대역으로 각각 독립된 신호를 전송하는 것이 가능하다.
• 각각의 채널은 서로 다른 주파수에서 이뤄지기 때문에 다른 네트워크 통신을 방해하지 않는다.