Physical Layer 관련 chapter

1. Physical Layer 관련 chapter Ch 3. 데이터와 신호 Ch 4. 디지털 전송 Ch 5. 아날로그 전송 Ch 6. 대역폭 활용: 다중화와 확장 Ch 7. 전송매체 Ch 8. 회선 교환 Ch 9. 데이터통신을 위한 전화 및 케이블 네트워크

2. 3장데이터와 신호 3.1 아날로그와 디지털 3.2 주기 아날로그 신호 3.3 디지털 신호 3.4 전송 장애 3.5 데이터 전송률의 한계 3.6 성 능

3. 3.1 아날로그와 디지털 데이터 To be transmitted, data must be transformed to electromagnetic signals. Data can be analog or digital. Analog data are continuous and take continuous values. Digital data have discrete states and take discrete values. • 정보가 전송되기 위해서는 전자기 신호로 변환되어야 함 • 데이터는 아날로그 또는 디지털이 될 수 있음 • 아날로그 데이터는 시간에 따라 연속적이며, 연속적인 값을 가짐 • 디지털 데이터는 시간에 따라 이산적이고, 이산 값을 가짐

4. 데이터와 신호 • 신호 • 아날로그 신호 • 디지털 신호 • 디지털 데이터 => 디지털 신호 전송 • 일반적인 유선 데이터 통신 (LAN, WAN 전송) • 디지털 데이터 => 아날로그 신호 전송 • 모뎀 전송, 각종 무선 채널 전송 • 아날로그 데이터 => 아날로그 신호 전송 • AM/FM 라디오, 아날로그 TV 등의 방송시스템 • 아날로그 데이터 => 디지털 신호 전송 • 디지털 데이터 변환 후에 디지털 전송 • PCM(음성), 디지털 TV • 데이터 • 아날로그 데이터 • 디지털 데이터

5. 아날로그와 디지털 신호 아날로그 신호(analog signal)는 연속적인 파형 디지털 신호(digital signal)는 이산적이며 1, 0 과 같이 제한된 수의 정의된 값만을 가질 수 있음 아날로그와 디지털 신호의 비교

6. 주기 신호와 비주기 신호 In data communications, we commonly use periodic analog signals and nonperiodic digital signals. • 주기 신호(Periodic signals) • 연속적으로 반복된 패턴으로 구성 • 사이클(cycle): 하나의 완성된 패턴 • 신호의 주기(T)는 초 단위로 표현 • 비주기 신호(Aperiodic signals) • 시간에 따라 반복된 패턴이나 사이클이 없이 항상 변한다 • 반복된 패턴이 없다

7. 3.2 주기 아날로그 신호 싸인파(sine wave, 정현파)는 아날로그 주기 신호의 가장 기본적인 형태 단순 아날로그 신호(정현파) s는 순간 진폭, A는 최대 진폭, f는 주파수, 는 위상이라 할때

8. 최대 진폭 전송하는 신호의 에너지에 비례하는 가장 큰 세기의 절대값 전기 신호의 경우, 최대 진폭은 전압(v)으로 측정 위상과 주파수는 같지만 진폭이 서로 다른 두 신호.

9. 주기(Period)와 주파수(Frequency) Frequency and period are the inverse of each other. • 주기(T) • 하나의 사이클을 완성하는데 필요한 시간(초 단위) • 주파수 • 주기의 역수(1 / t), 1초 동안 생성되는 신호 주기의 수 • 주파수 = 1 / 주기, 주기 = 1 / 주파수 • f = 1 / T , T = 1 / f

10. 진폭과 위상은 같지만 주파수가 서로 다른 신호

11. 주기와 주파수 단위 예제 3.3) 가정의 전기 주파수는 60 Hz이다. 주기(period)는? 예제 3.5) 한 신호의 주기는 100ms이다. 주파수는?

12. 주기와 주파수 성질 Frequency is the rate of change with respect to time. Change in a short span of time means high frequency. Change over a long span of time means low frequency. If a signal does not change at all, its frequency is zero. If a signal changes instantaneously, its frequency is infinite.

13. 위상(phase) 시간 0 시에 대한 파형의 상대적인 위치 (Phase describes the position of the waveform relative to time 0.) 시간 축을 따라 앞뒤로 이동될 수 있는 파형에서 그 이동된 양

14. 진폭과 주파수는 같지만 위상이 서로 다른 정현파

15. 예제 3.6) 정현파는 시간 0 의 점에서 1/6 사이클 만큼 벗어나 있다. 위상은 얼마인가?

16. 여러 정현파의 예 최대 진폭 : 5, 주파수 : 4, 위상 : 0 최대 진폭 : 10, 주파수 : 8, 위상 : 0 최대 진폭 : 5, 주파수 : 2, 위상 : ∏/2

17. 파장 (wavelength) • 단순 신호가 한 주기 동한 진행 할 수 있는 거리 • 단순 정현파의 주기(또는 주파수)가 전송 매체를 통과하는 전파속도(propagation speed)와 연관 • 파장은 주파수와 전송매체에 영향을 받음 • 광섬유 전송에 관련된 성질 • 파장과 주기의 관계

18. Wavelength 계산 전파속도(propagation speed)와 주기(period)에 의해 계산됨 파장을 , 전파속도를 c(빛의 속도), 주파수를 f 라 하면 진공에서의 빛의 전파속도 3*108 m/s, 빨간색 빛(주파수 = 4 * 1014 Hz)의 파장은?

19. 시간 영역(Time domain)과 주파수 영역(Frequency domain)

20. 정현파의 time domain & frequency domain A complete sine wave in the time domain can be represented by one single spike in the frequency domain.

21. 3개의 정현파의 시간 영역과 주파수 영역

22. 복합 신호(composite signal) A single-frequency sine wave is not useful in data communications; we need to send a composite signal, a signal made of many simple sine waves. If the composite signal is periodic, the decomposition gives a series of signals with discrete frequencies; if the composite signal is nonperiodic, the decomposition gives a combination of sine waves with continuous frequencies.

23. 복합 주기 신호

24. 복합 비주기 신호 예제 3.9) 전화기를 통한 사람 음성 신호

25. 대역폭(bandwidth) 복합신호의 대역폭은 신호에 포함된 최고 주파수와 최저 주파수의 차이이다. 앞 페이지 사람 음성 신호의 대역폭은? 예제 3.10) 만약 주기적 신호가 주파수 100, 300, 500, 700, 900Hz 를 갖는 5 개의 정현파로 분해된다면, 그 대역폭은 얼마인가? 모든 구성요소가 10 볼트의 최대 진폭을 갖는다고 가정하고 스펙트럼을 그리시오.

26. 주기 및 비주기 복합신호의 대역폭

27. 3.3 디지털 신호(DIGITAL SIGNALS) 여러 개의 level(준위)을 이용해서 디지털 데이터를 디지털 신호로 인코딩하여 전송할 수 있다. 2개의 level와 4개의 level를 갖는 신호 예

28. Level과 비트의 관계 • 신호가 L개의 level을 가지면 하나의 신호로 log2L 비트를 전송할 수 있다. • 예제 3.16) 어느 디지털 신호가 8개의 level을 가진다. 하나의 신호로 몇 개의 비트를 전송할 수 있는가? • 예제 3.17) 9개의 level을 가진 디지털 신호에서 하나의 신호는 몇 개의 비트를 전송할 수 있는가? • 교재 내용(p 72)과 조금 다름

29. Bit Rate (비트율/전송률) • 성능 척도 • 아날로그 통신 시스템: bandwidth(대역폭) • 디지털 통신 시스템: bit rate(전송률), 대역폭 == bit rate와 동일한 의미로 사용하기도 함 • 비트율(bit rate) • 1초 동안 전송된 비트의 수 • 단위: bps (bit per second) • 비트 길이(bit length): 생략

30. Bit rate 관련 예제 • 예제 3.18> 분당 100 텍스트 페이지(각 페이지는 24 lineX 80 character로 구성)를다운받기 위해 채널 당 필요 bit rate는? • 교재 내용이 틀렸음(P 72) • 예제 3.19> 디지털화된 음성 채널은 4 kHz 대역의 음성 신호를 디지털로 인코딩한다. 음성 신호의 특성을 표현하기 위해서는, 초당 최대 주파수의 2배 이상으로 샘플링해야 하고, 한 번 샘플링할 시 8 bit의디지털 데이터를 생성한다. 필요한 디지털 bit rate는? • 예제 3.20> HDTV(full HD) bit rate는?

31. 복합 아날로그 신호로서의 디지털 신호 • 디지털 신호는 무한대의 주파수를 갖는 복합 신호, 즉대역폭은 무한대 • 완벽한 디지털 전송은 불가능, 실제로는 디지털과 흡사한 아날로그(엄밀한 의미의) 신호를 전송 • 주기 및 비주기 디지털 신호의 시간 및 주파수 영역

32. 디지털 신호의 전송 • 두 가지 방식 • Baseband(기저대역) 전송: 디지털 전송 • Broadband(광대역) 전송: 아날로그 전송 • Baseband 전송 • 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸지 않고 있는 그대로 채널을 통해 전송

33. Baseband 전송 • 주파수 0 부터 시작하는 대역폭을 갖는 채널 low-pass(저대역 통과) 채널이 필요함

34. Case 1: 광대역폭(wide bandwidth) Low-pass 채널 • 전용 매체를 사용하는 baseband 전송 • 약간의 오차는 추론으로 가능 • 동축이나 광섬유에서 사용 • LAN에 많이 사용

35. Case 2: 제한된 대역폭(limited bandwidth), Low-pass 채널 • 대략적 근사값(Rough approximation) • 비트율 N의 디지털 신호 • 주파수 의 아날로그 신호 필요. • 요구 대역폭:

36. Case 2: 제한된 대역폭,Low-pass 채널 (2) 최악의 경우에 대해 일차 조파를 이용한 디지털 신호의 대략적 근사값

37. Case 2: 제한된 대역폭,Low-pass 채널 (3) • 보다 나은 근사(better Approximation) • 보다 많은 수의 조파(harmonics) 이용 • 처음 3개의 조파를 이용한 디지털 신호의 시뮬레이션

38. In baseband transmission, the required bandwidth is proportional to the bit rate; if we need to send bits faster, we need more bandwidth. Table 3.2 Bandwidth requirements

39. 예제 3.22, 23 3.22) What is the required bandwidth of a low-pass channel if we need to send 1 Mbps by using baseband transmission? Solution:The answer depends on the accuracy desired. a.The minimum bandwidth, is B = bit rate /2, or 500 kHz. b.A better solution is to use the first and the third harmonics with B = 3 × 500 kHz = 1.5 MHz. c.Still a better solution is to use the first, third, and fifth harmonics with B = 5 × 500 kHz = 2.5 MHz. 3.33) We have a low-pass channel with bandwidth 100 kHz. What is the maximum bit rate of this channel?

40. Broadband(광대역) 전송: 변조(modulation) If the available channel is a bandpass channel, we cannot send the digital signal directly to the channel; we need to convert the digital signal to an analog signal before transmission. 디지털 신호로 전송하기 위해 아날로그 신호로 전환 사용 변조를 하면 Bandpass(띠대역 통과) 채널 사용 전송 Bandpass 채널의 대역폭

41. Bandpass 채널 전송을 위한 디지털 신호의 변조

42. 광대역 디지털 전송의 예 예제 3.24> 모뎀(modem)을 이용한 디지털 데이터 전송 예제 3.25> 디지털 이동 통신망

43. 3.4 전송 장애 신호가 매체를 통해 전송할 때 생기는 장애

44. 감쇠(attenuation) 에너지 손실을 의미 매체를 통해 이동할 때 매체의 저항을 이겨내기 위해 약간의 에너지가 손실 증폭기를 이용하여 신호를 다시 증폭

45. 감쇠 측정단위 • 데시벨 (dB, decibel) • 신호의 손실된 길이나 획득한 길이를 보이기 위해 사용 • 2개의 다른 점에서 두 신호 또는 하나의 신호의 상대적 길이를 측정 • 신호가 감쇠하면 음수, 증폭되면 양수 dB=10 log10(p2/p1) 이때 p1과 p2는 신호의 전력(W) dB=20 log10(v2/v1) 이때 v1과 v2는 신호의 전압(V) • 예제 3.26> 신호가 전송매체를 통해 이동하고 있고 전력이 반으로 줄었다고 상상해보자 이것은 P2 = 1/2 P1을 의미한다. 이 경우 감쇠(전력 손실)는 다음과 같이 계산할 수 있다. 10 log10 (P2/P1) = 10 log10 (0.5P1/P1) = 10 log10 (0.5) = 10*(–0.3) = –3 dB

46. 예제 3.27, 28 • 예제 3.28> 신호 크기 변화를 측정하는 단위로 dB를 많이 쓰는 이유는 증폭/감쇠 구간의 dB 값을 산술 덧셈으로 계산할 수 있기 때문이다. dB = –3 + 7 – 3 = +1 예제 3.27> 신호가 증폭기를 통해 전력이 10배 늘었음 이때 증폭의 단위는 다음과 같이 계산됨

47. dBm 와트(w) 대신, 밀리와트(mw) 단위의 전력으로 증폭/감쇠를 측정 만약 dBm = -30일경우, 전력 값은?

48. Distortion • 신호의 모양이나 형태가 변하는 것 • 신호의 주파수 값에 따라 조금 씩 다른 전파 지연(delay)를 가짐 • 반대되는 신호나 다른 주파수 신호로 만들 수 있음

49. 잡음(noise) • 열잡음, 유도된 잡음, 혼선, 충격잡음 등의 여러 형태의 잡음이 존재 • 열잡음, 백색잡음(white noise) • 신호가 통과하는 전선에서 발생하는 전자의 움직임으로 발생하는 열이 요인, 제거가 불가능 • 유도 잡음 • 전선 주위의 모터나 전자기구에서 발생한 신호가 전송매체로 유도된 잡음, 전송매체가 안테나 역할을 함 • 충격 잡음 (impulse noise) • 전자 회로의 스파크나낙뢰 등의 발생, 짧은 시간 동안 발생하는 큰 진폭의 잡음 • 혼선(crosstalk)

50. 잡음의 영향