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▶ Digital-to-Analog Conversion

- 유형

• 진폭 편이 방식 (Amplitude Sheft Keying, ASK)
• 주파수 편이 방식 (Frequency Sheft Keying, FSK)
• 위상 편이 방식 (Phase Shift Keying, PSK)
• 직교 진폭 변조 방식 (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) : ASK + PSK 혼합 방식

- Data Rate (Bit Rate) : 초당 비트수, bps

- Signal Rate (Baud Rate) : 초당 단위 신호 수

- FSK를 제외하고, 대역폭은 항상 Signal Rate와 비례한다.

- 반송파 또는 반송 주파수 (Carrier Signal or Carrier Frequency) : 통신에서 정보 전달을 위해 입력 신호를 변조한 전자기파로, 일반적으로 입력 신호보다 훨씬 높은 주파수를 갖는다.

- 변조 (Modulation, Sheft Keying) : 변조 방식은 기존의 반송파 및 반송 주파수를 입력 신호에 맞게 진폭이나 주파수 및 위상 등 기존 반송파의 특성을 수정(변조)함으로써 원하는 아날로그 신호를 얻을 수 있다.

▶ 진폭 편이 방식 (Amplitude Sheft Keying, ASK)

- 기존의 반송파를 이진수 0 또는 1로 나타내기 위해 반송파의 진폭을 변화시켜 아날로그 신호를 얻는 방식이다.

- 노이즈에 영향을 많이 받는다.

- Binary ASK (BASK) 또는 On-Off Keying (OOK)

• 두 개의 진폭을 사용하며, 신호당 비트수(r)는 1이다.
• Banswidth = (1+d) * S (0<= d <=1 : 라인 상태와 관련된 요소이다.)

- Multilevel ASK (MASK) : 4, 8, 16처럼 둘보다 더 많은 진폭을 사용하며, 노이즈의 영향을 많이 받는 ASK보다 QAM 방식으로 구현된다.

▶ 주파수 편이 방식 (Frequency Sheft Keying, FSK)

- 기존의 반송파를 이진수 0 또는 1로 나타내기 위해 반송파의 주파수를 변화시켜 아날로그 신호를 얻는 방식이다.

- 노이즈에 영향을 받지 않는다.

- 반송 주파수는 대역폭의 중간값이다.

- Binary FSK (BFSK) 

• 두 개의 반송 주파수 f1, f2를 사용한다.

• : 두 반송주파수간의 차이, 초당 신호전송률 - Signal Rate과 같다.
• 기존의 편이 방식들보다 대역폭이 증가한다.

- Multilevel FSK　(MFSK) : 4, 8, 16처럼 둘보다 많은 다른 주파수를 사용한다.

▶ 위상 편이 방식 (Phase Shift Keying, PSK)

- 기존의 반송파를 이진수 0 또는 1로 나타내기 위해 반송파의 위상을 변화시켜 아날로그 신호를 얻는 방식이다.

- 진폭 편이 방식(ASK)나 주파수 편이 방식(FSK)보다 더 자주 사용되며, 노이즈에 영향을 받지 않는다.

- Binary PSK (BPSK)

• 두 개의 위상을 사용한다.
• Bandwidth = (1+d) *　S

- Quadrature PSK (QPSK) : 네 개의 위상을 사용한다.

[45도와 같이 각도가 위상값에 해당하고, 점까지의 거리가 진폭의 크기에 해당한다.]

[ 1번 : 진폭은 다르지만, 위상이 0도로 같다.                    

2번 : 진폭은 동일하지만, 위상이 0도, 180도로 다르다.

3번 : 진폭은 동일하지만, 위상이 45도, 135도, 225도, 315도로 다르다. ]

▶ 직교 진폭 변조 방식 (Quadrature Amplitude Modulation, QAM)

- 독립된 2개의 반송파인 동상 반송파와 직각 위상 반송파의 진폭과 위상을 변환 및 조정하여 데이터를 전송하는 방식이다.

- 이 2개의 반송파는 90도씩 서로 직각 위상이 된다.

- Banswidth = (1+d) * S

- 신호 레벨 = 진폭 * 위상 : 표현 가능한 정보의 수

< 16-QAM >

[ 좌 : 4 amplitudes, 8 phases -> 32가지의 정보를 표현할 수 있다.

우 : 3 amplitudes, 12phases -> 36가지의 정보를 표현할 수 있다.]

- 위의 16-QAM의 왼쪽 그림을 예로 들면, 위상의 단위를 π/4로 하여 하나의 주기를 8등분한다. 그리고 이들 중 4개(8/2)의 위상에 대해 변조된 신호의 진폭을 4개의 값으로 달리 가질 수 있게하면, 32가지의 정보를 표현한다. 

[ 8-QAM 신호 ]

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.