Chapter 4 디지털 전송 (Digital Transmission)

1. Chapter 4 디지털 전송 (Digital Transmission)

2. 제 4 장 디지털 전송 4.1 디지털 –대 –디지털 변환 4.2 아날로그 –대 –디지털 변환 4.3 전송방식 4.4 요약

3. 4-1 디지털-대-디지털 변환 디지털 신호를 이용하여 어떻게 디지털 데이터를 표현하는가를 살펴보고자 한다. 3가지 변환 기술이 있는데, 이는 line coding, block coding, 그리고scrambling이다. 회선 부호화는 항상 필요하지만블록 부호화와 스크램블링은 필요할 수도 않을 수도 있다. Topics discussed in this section: Line Coding Line Coding SchemesBlock Coding Scrambling

4. 4.1.1 회선 부호화 • 디지털 데이터를 디지털 신호로 바꾸는 작업 • 회선 부호화(line coding)와 복호화(Decoding)

5. 4.1.1 회선 부호화 • 신호 요소 대 데이터 요소 • 신호 요소 : 디지털 신호의 가장 짧은 단위 • 데이터 요소 : 데이터를 나타내는 가장 작은 단위체, 비트(bit)

6. 4.1.1 회선 부호화 • 데이터 전송률 대 신호 전송률 • 데이터 전송률(data rate) • 1초당 전송된 데이터 요소의 갯 수, (단위 : 초당 비트 수 - bps), 비트율 이라고도 함 • 신호 전송률(signal rate) • 1초당 전송된 신호 요소의 갯 수, (단위 : 보오 - baud), 펄스율, 변조율, 보오율 이라고도 함 • 데이터 전송률과 신호 전송률의 관계 • S(신호 요소) = C(경우 요인) X N(데이터 전송율) X baud

7. Example 4.1 한 개의 신호 요소에 한 개의 데이터 요소를 전달하고 있다(r = 1). 만약 비트율이 100 kbps이고, c가 0과 1사이의 값이라면 보율은 얼마인가? Solution c 의 평균 값이 1/2 이라면, 보오율은

8. 4.1.1 회선 부호화 • 대역폭 디지털 신호의 실제 대역폭이 무한하지만 유효 대역폭은 유한하다. • 최소 대역폭 • 채널의 대역폭이 주어지면, 최대 데이터 율

9. Example 4.2 채널의 최대 데이터율은 Nmax = 2 × B × log2 L 이다(나이퀴스트 정리). 이 식은 위의 Nmax와 일치하는가? Solution 신호 L은 각 준위마다 log2L 비트만큼의 신호를 전달할 수 있다. 각 준위가 한 개의 신호 요소에 해당한다고 하고 (c = 1/2)로 가정하면, 다음과 같은 식을 얻는다.

10. 4.1.1 회선 부호화 • 기준선(Base line) • 수신자가 수신한 신호의 세기에 대한 평균값 • 기준선과 비교하여 데이터 요소의 값 결정 • 기준선이 표류(Wandering)하면 제대로 복호화 하기 어려움 • 좋은 회선 코딩은 기준선 표류 방지가 필요 • 직류 성분(Dc component) • 주파수가 낮은 성분은 통과하지 못하는 시스템이 존재하므로, 직류 성분이 생기지 않는 방법 필요 • 자기 동기화(Self synchronization) • 발신자가 보낸 신호를 인식하기 위해 수신자의 비트 간격이 발신자의 비트 간격과 완전히 일치해야 함

11. 4.1.1 회선 부호화(Line Coding) • 동기화 결핍 효과

12. Example 4.3 디지털 전송에서, 수신자 시계가 송신자 시계보다 0.1% 빠르다고 한다. 데이터 전송율이 1 kbps라면 매 초 얼마만큼의 추가 비트를 받게 되는가? 만약 데이터 전송율이 1 Mbps라면 Solution 1 kbps에서, 수신자는 1000bps대신에 1001bps를 받는다. 1 Mbps에서, 수신자는 1,000,000 bps 대신에 1,001,000 bps 를 받는다.

13. 4.1.2 회선 부호화 방식 • 단극형(Unipolar) • 극형(Polar) • 양극형(Bipolar)

14. 단극형(Unipolar) • 양 전압 비트 1, 음 전압 비트 0 • 단극형 NRZ

15. 극형(Polar) • 양과 음의 두 가지 전압 준위를 사용 • 회선의 평균 전압 준위 감소 • 직류 성분 문제의 완화 • 비영복귀(NRZ,nonreturn to zero), 영복귀(RZ, return to zero), 맨체스터, 차분 맨체스터

16. 비영복귀 (NRZ; non-return-to-zero)

17. 비영복귀 • NRZ-L(evel) • 양 전압은 1, 음 전압은 비트 0을 의미 • 긴 스트림의 데이터를 수신했을 경우, 송신자와 클록 동기화 여부 불투명 • NRZ-I(nvert) • 전압 준위의 반전이 비트 1을 의미 • 전압의 변화시 비트 1, 무변화시 비트 0으로 표현 • 비트 1을 만날 때마다 신호가 변화하기 때문에 동기화를 제공 NRZ-L에서 전압 준위가 비트 값을 결정한다 . NRZ-I에서 전압에 변화가 있는지 여부에 따라 비트 값을 결정한다 .

18. NRZ-L 과 NRZ-I 은 둘 다 N/2 Baud의 평균 신호율을 갖는다.

19. NRZ-L 과 NRZ-I 는 둘 다 직류성분 문제를 갖는다.

20. Example 4.4 시스템이 10 Mbps 데이터를 전송하기 위해 NRZ-I를 사용한다. 평균 신호율과 최소 대역폭은 얼마인가? Solution 평균 신호율은 S = N/2 = 500 kbaud이다. 이 평균 보율에 대한 최소 대역폭은 Bmin = S = 500 kHz이다.

21. 영복귀(RZ; return to zero)

22. 영복귀 • 연속적인 0 이나 1 문자열을 수신할 경우 자신의 위치를 놓칠 수 있음 • 분리된 또 하나의 채널로 별도의 타이밍 신호를 보내서 동기화 가능 • 동기화 보장을 위해 각 신호마다 동기화 정보를 포함 • NRZ-I의 0과1 두 가지 값으로는 표현이 부족하므로 양, 음, 영을 사용 • 비트마다 구간 동안 변환 • 양 전압은 1을, 음 전압은 0을 표현 • 한 비트를 부호화하기 위해 두 번의 신호 변화가 이루어지므로 너무 많은 대역폭을 차지

23. Biphase : 맨체스터와 차분 맨체스터 1. 맨체스터 • 동기화를 달성하는 동시에 해당 비트를 표현하기 위해 각 비트 간격중간에서 신호를 반전 • 두 가지 전이를 통해 RZ 와 같은 수준의 동기화를 달성 2. 차분 맨체스터 부호화 • 비트 간격 중간에서의 반전은 동기화를 위해 사용 • 비트 간격 시작점에서의 전이 여부로 비트를 식별(비트의 전이는 0을, 무변화는 1을 의미)

24. 극형 양위상: 맨체스터와 차분 맨체스터 방식

25. Manchester 와 differential Manchester 부호화에서, 비트 중간에서 반전은 동기화를 위해 사용된다. Manchester 와 differential Manchester의 대역폭은 NRZ의 두배이다.

26. 양극형(Bipolar) 양극형 부호화에서세 가지 준위를 사용하는데, 이는 positive, zero, 그리고 negative이다.

27. AMI와 가삼진수(Pseudoternary) • 양극형 교대표시반전(AMI: Alternate Mark Inversion)

28. 다준위 방식(Multilevel Schemes) • N개의 신호 요소 패턴을 사용하여 m개의 데이터 요소 패턴을 표현하며 단위 보 당 비트 수 증가 • mBnL 부호화 • m : 2진수 패턴의 길이 • B : 2진수 • n : 신호 패턴의 길이 • L : 신호 준위의 수, 숫자대신 문자 사용 2진 – B(Binary) 3진 – T(Ternary) 4진 - (Quaternary)

29. mBnL 방식에서는, m 개의 데이터 요소의 패턴이 2m ≤ Ln가 되는 n 개의 신호 패턴으로 부호화된다.

30. 다준위 방식(Multilevel Schemes) • 2B1Q(2 binary, 1 quaternary) • 4개의 전압 준위를 사용 • 각 펄스는 2 비트를 표현 • DSL 기술에서 가입자 전화 회선을 사용하는 고속 인터넷 접속 제공에 사용

31. 다준위 방식(Multilevel Schemes) • 8B6T(8 binary, 6 Ternary) • 6개의 신호 요소에 8비트를 표현 • 3개의 준위 • 28 = 256개의 데이터 패턴 • 36 = 478개의 신호 패턴 • 478 – 256 = 222개의 신호는 동기화나 오류 검색에 사용

32. 다준위 방식(Multilevel Schemes) • 4D-PAM5(4차원 5준위 펄스 진폭 변조) • Four-dimensional five-level pulse amplitude modulation • 4D : 데이터가 4개의 회선으로 동시에 전송 • 5개의 준위 : -2, -1, 0, 1, 2 • 1G bps LAN에 사용

33. 다준위 방식(Multilevel Schemes) • 다중회선 전송 : MLT-3 • Multiline transmission three level • 3개의 준위( +1, 0, -1) 사용 • 100M bps 전송에 적합한 방식

34. 회선 부호화 요약

35. 4.1.3 블록 부호화(Block Coding) • m 비트를 n 비트 블록으로 바꾼다 • n 은 m 보다 크다 • mB/nB 부호화 블록 부호화는 보통 mB/nB 부호화라 불리며; 각 m-bit 그룹을 n-bit 그룹으로 바꾼다.

36. 블록 부호화 개념 • 동기화를 확보하기 위해서 여분의 비트가 필요 • 오류 탐지를 위해서도 다른 여분의 비트를 포함해야 함

37. 4.1.3 블록 부호화 • 4B/5B(4Binary / 5Binary) • NRZ-I 방식과 혼합하여 사용 • 4비트 데이터를 5비트 코드로 바꾼다

38. 4.1.3 블록 부호화(Block Coding) • 4B/5B Mapping Code

39. 4.1.3 블록 부호화(Block Coding) • 4B/5B(4Binary / 5Binary) 블록 코딩 예

40. Example 4.5 1-Mbps 속도로 데이터를 보내야 한다. 4B/5B 와 NRZ-I를 조합해서 사용하거나 Manchester 부호화를 사용하는 경우에 각각 최소 대역폭은 얼마인가? Solution 먼저 4B/5B 블록 부호화는 비트율을 1.25 Mbps로 증가시킨다. NRZ-I를 사용하면 최소 요구대역폭은 N/2 또는 625 kHz이다. Manchester 부호화는 최소 1 MHz의 대역폭이 필요하다. 전자의 경우는 낮은 대역폭을 필요로 하나 직류 성분 문제가 있으며, 후자는 높은 대역폭이 필요하나 직류 성분 문제가 없다.

41. 4.1.3 블록 부호화(Block Coding) • 8B/10B • 5B/6B와 3B/4B를 합한 것

42. 4.1.4 스크램블링(Scrambling, 뒤섞기) • 연속되는 0 으로 생기는 동기화 문제 해결 • 다른 준위 신호들로 조합된 신호로 바꾸는 방식 • 스크램블링을 이용한 AMI

43. 4.1.4 스크램블링(Scrambling, 뒤섞기) • B8ZS • 양극 8열 대치(Bipolar with 8 zero substitution) • 8개의 연속된 0을 000VB0VB 신호로 대치

44. 4.1.4 스크램블링(Scrambling, 뒤섞기) • HDB3 • 고밀도 양극 3 영(High-density bipolar 3-zero) • 4개의 연속된 0을 000V 나 B00V로 대치

45. 4.1.4 스크램블링(Scrambling, 뒤섞기) • HDB3 • HDB3은 연속된 4개의 0을 마지막 대체 이후의 0이 아닌 펄스의 개수에 따라 000V 나 B00V 로 대체한다 HDB3 substitutes four consecutive zeros with 000V or B00V depending on the number of nonzero pulses after the last substitution.

46. 4-2 아날로그-대 디지털변환 3장에서 디지털 신호가 아날로그 신호보다 우수하다는 것을 살펴보았다. 오늘날의 추세는 아날로그 신호를 디지털 데이터로 바꾸는 것이다. 이 절에서 두 가지 기법을 살펴보는데, 이는pulse code modulation와delta modulation이다. Topics discussed in this section: Pulse Code Modulation (PCM)Delta Modulation (DM)

47. 4.2.1 펄스 코드 변조(Pulse Code Modulation) 부호화기 • 아날로그 신호를 디지털 데이터로 바꾸기 위해 널리 사용되는 기법

48. 채집(Sampling) • 펄스 진폭 변조(PAM, Pulse Amplitude Modulation) • 아날로그 신호로 표본을 채집하고 그 결과에 근거하여 펄스를 제작 • 채집 : 일정 간격마다 신호의 진폭을 측정 • 디지털로 변환하기 위해서 펄스 코드 변조(PCM)을 사용

49. 채집(Sampling) • PCM의 첫 단계 • 아날로그 신호를 매 TS 초마다 채집 • 3가지 서로 다른 채집 방법

50. 나이퀴스트 정리에 의하면, 채집율은 신호에 포함된 최대 주파수의 최소한 두 배가 되어야 한다. According to the Nyquist theorem, the sampling rate must be at least 2 times the highest frequency contained in the signal.