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4 장 디지털 전송

4 장 디지털 전송. 4.1 디지털 대 디지털 변환 4.2 아날로그 대 디지털 변환 4.3 전송방식. 4.1 디지털 대 디지털 변환. 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환 Line coding Block coding Scrambling. 회선 코딩 (line coding). 일련의 비트인 이진 데이터를 디지털 신호로 변환. 회선 코딩의 몇 가지 특징. 신호 요소 대 데이터 요소 데이터 전송률 대 신호 전송률 대역폭 기준선 표류 (baseline wandering)

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4 장 디지털 전송

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Presentation Transcript

  1. 4 장 디지털 전송 4.1 디지털 대 디지털 변환 4.2 아날로그 대 디지털 변환 4.3 전송방식

  2. 4.1 디지털 대 디지털 변환 • 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환 • Line coding • Block coding • Scrambling

  3. 회선 코딩(line coding) • 일련의 비트인 이진 데이터를 디지털 신호로 변환

  4. 회선 코딩의 몇 가지 특징 • 신호 요소 대 데이터 요소 • 데이터 전송률 대 신호 전송률 • 대역폭 • 기준선 표류(baseline wandering) • 직류 성분 • 자기 동기화

  5. 신호 요소 대 데이터 요소 • 데이터 요소(data element) : • 정보를 표현할 수 있는 가장 작은 단위체  bit • 전달해야 할 것 • 신호 요소(signal element) : • 데이터 요소를 실어 나름 • 전달자

  6. 신호 요소 대 데이터 요소 • r : 데이터 요소의 개수

  7. 데이터 전송률 대 신호 전송률 • 데이터 전송률(bit rate) : 1초당 전송된 데이터 요소의 개 수 • 단위 : bps • 비트율 • 신호 전송률(signal rate) : 1초당 전송된 신호 요소의 개 수 • 단위 : 보오(baud) • 펄스율, 변조율, 보오율 • S = c * N * 1/r baud • S : 신호 요소의 개수 • N : 데이터 전송률 • r : 데이터 요소의 개수 • c : 경우의 요인 : 상황에 따라 변화 • 예제 4.1 : p.101

  8. 대역폭 • 실제 디지털 신호의 대역폭은 무한이지만, 유효대역폭은 유한 • 비트율이 아닌 보오율이 디지털 신호의 요구 대역폭을 결정 • 대역폭은 신호율(보오율)과 비례 • 최소 대역폭 • Bmin= c * N * 1/r • 최대 데이터율 • Nmax = 1/c * B * r

  9. 기준선 표류 • 기준선(baseline) • 디지털 신호를 복호화 할때 수신된 신호의 세기의 평균 값 • ‘0’과 ‘1’의 판단 기준 • 기준선 표류(baseline wandering) • ‘0’이나 ‘1’의 값이 오래 지속될 경우 이 기준선이 표류 되는 것을 말함

  10. 직류성분 • 직류성분(DC component) : 주파수가 ‘0’인 요소 • 직류성분은 저주파 성분을 통과 시키지 못하거나, 변압기 등을 통과할 수 없음 • 전화선은 200Hz이하의 주파수를 통과 시킬 수 없음 • 회선에 남아있는 추가 에너지로 쓸모가 없어짐

  11. 자기동기화 • 자기동기화(self-synchronization) : • 발신자가 보낸 신호를 제대로 알아듣기 위해서는 수신자의 비트간격이 발신자의 비트 간격과 완전하게 일치해야 함 • 전송되는 데이터 안에 타이밍 정보를 포함하여 동기화를 이룸 • (예제 4.3: p.103)

  12. 회선 코딩 방식

  13. 회선 코딩 방식(계속) • 단극형(Unipolar) • 오직 한 준위의 값만 이용(1: positive value, 0: idle) • 전력 소모가 많아 현재는 거의 쓰이지 않음 • Unipolar NRZ(Non Return to Zero) encoding

  14. 회선 코딩 방식(계속) • 극형(Polar) • 양과 음의 두 가지 전압준위를 사용 • 극형 부호화 형식

  15. 회선 코딩 방식(계속) • 비영복귀(NRZ : Non-Return to Zero) • NRZ-L(Level) : 신호의 준위는 비트의 상태에 따라 좌우됨 • 0 : Positive voltage, 1: Negative Voltage • NRZ-I(Invert) : 1을 만나면 신호가 반전됨(동기화 문제 해소)

  16. 회선 코딩 방식(계속) • 영복귀(RZ : Return to Zero) • 세가지 값을 사용(양, 음, 영) • 1 : positive-to-zero • 0 : negative-to-zero • 단점 : 한 비트를 부호화하기 위해 두 번 신호 변화 필요 (많은 대역폭 소요)

  17. 회선 코딩 방식(계속) • 맨체스터(Manchester) • RZ + NRZ • 동기화와 비트 표현을 위해 비트 중간 지점에서의 신호 전이를 사용 • 이더넷에 사용

  18. 회선 코딩 방식(계속) • 차분 맨체스터(Differential Manchester) • 비트 간격 중간 지점에서의 반전은 동기화를 위해 사용됨 • 비트 표현은 비트의 시작점에서의 반전 유무로 나타냄 (비트 시작점에 전이가 있으면 0, 전이가 없으면 1을 의미) • 토근링에 사용

  19. 회선 코딩 방식(계속) • 양극형(Bipolar) • 세가지 전압준위를 사용(양, 음, 0) • zero level : 0 • positive and negative voltage : 1(alternate) • 예 : • AMI : Alternate Mark Inversion • 가삼진수(Pseudoternary)

  20. 회선 코딩 방식(계속) • 양극형 교대표시 반전(Bipolar AMI : Alternate Mark Inversion) • 양극형 부호화 중 가장 단순한 형태 • 1 : 교대로 나타나는 반전(양과 음 전압으로 표현) • 0 : 0 volt • 직류성분은 없으나, 연속되는 0의 문자열에 대한 동기화가 어려움

  21. 회선 코딩 방식(계속) • 다준위 방식 • 2B1Q(2 binary, 1 quaternary) • 8B6T(8 binary, 6 ternary) • 4D-PAM5(four-dimensinal five-level pulse amplitude modulation)

  22. 회선 코딩 방식(계속) • 2B1Q(2binary, 1quaternary) • 네 개의 전압 준위를 사용 • 각 펄스는 두 비트를 나타냄 • DSL 기술에서 사용

  23. 회선 코딩 방식(계속) • 8B6T(8 binary, 6 ternary) • 8비트의 비트 패턴을 6개의 신호 요소로 나타냄 • 3개의 신호 준위를 가짐 : +. 0, - • 8B/6T Code : 부록 D (p.1057)

  24. 회선 코딩 방식(계속) • 4D-PAM5(four-dimensinal five-level pulse amplitude modulation) • 4D : 데이터가 4개의 회선으로 동시에 전송되는 것을 의미 • 5개의 전압준위를 사용 : -2, -1, 0, 1, 2 • 0 준위는 FEC용으로 만 사용 • 8비트의 데이터가 4개의 다른 준위로 구성된 하나의 신호패턴으로 전환

  25. 회선 코딩 방식(계속) • 다중회선 방식 : MLT-3(multiline transmission three level) • NRZ-I와 유사 • 세 준위의 신호(+1, 0, -1)를 사용 • 규칙 • 다음 비트가 0이면 준위 변화가 없음 • 다음 비트가 1이고 현재 준위가 0이 아니면 다음 준위는 0 • 다음 비트가 1이고 현재 준위가 0이면 다음 준위는 마지막으로 0이 아니었던 준위의 역이 됨

  26. 회선 코딩 방식(계속) • 다중회선 방식 : MLT-3(multiline transmission three level)

  27. 회선 코딩 방식(계속) • 회선부호화 방식의 특성 요약

  28. 블록 코딩 • 회선 코딩의 효율을 증가시키기 위해 사용됨 • 동기화와 오류검출 기능을 어느 정도 수행 가능 • mB/nB부호화 방식으로도 말함 • m비트 그룹을 n비트 그룹으로 변환 • 블록 코딩의 개념

  29. 블록 코딩 • 변환단계 • 1단계 : 분리 : 일련의 비트들을 각각 m개의 비트 그룹으로 나눔 • 2단계 : 대체 : m개 비트의 그룹을 n개의 비트그룹으로 바꿈 • 동기화를 위해 연속적으로 0이나 1이 3개 이상인 코드는 사용 않 함 • 오류탐지 기능 : 사용되지 않는 코드가 전송되면 쉽게 감지 가능 • 3단계 : 회선 코딩 : 간단한 회선 코딩 사용

  30. 블록 코딩 • 4B/5B • NRZ-I와 혼합하여 사용 • NRZ-I 방식의 동기화 문제 해소

  31. 블록 코딩 • 4B/5B • 매핑 부호화 표

  32. 블록 코딩 • 8B/10B • 8비트 그룹이 10 비트 그룹으로 변환(4B/5B와 유사) • 동기화 및 오류 탐지 기능 우수

  33. 뒤섞기(Scrambling) • 긴 연속된 0들을 동기화를 제공하기 위해 다른 준위 신호들을 추가하는 방식 • B8ZS(Bipolar with 8 zero substitution) • HDB3(High-density bipolar 3-zero) • 블록코딩과는 달리 부호화와 동시에 이루어짐

  34. 뒤섞기(Scrambling) • B8ZS(Bipola with 8zero substitution) • 연속되는 0의 문자열에 대한 동기화를 해결하기 위해 북미에서 채택 • AMI 규칙을 따르되 연속해서 8개의 0이 오면 이전 1의 극에 근거해 두 가지 중 하나의 패턴으로 변경 • 000VB0VB의 신호로 대체 : V Violation, B bipolar • V : AMI 규칙을 위배하는 0이 아닌 준위 • B : AMI 규칙을 따르는 0이 아닌 준위

  35. 뒤섞기(Scrambling) • HDB3(High-density bipolar 3-zero) • 유럽과 일본에서 채택 • 연속해서 4개의 0이 오는 경우 000V나 B00V로 대체 • 대체이후 0이 아닌 펄스의 개수가 홀수인 경우  000V • 대체이후 0이 아닌 펄스의 개수가 짝수인 경우  B00V

  36. 4.2 아날로그 대 디지털 변환 • 음성, 오디오, 비디오 등의 아날로그 데이터를 전송하기 위하여 디지털 신호로 변환 • 펄스 코드 변조 • 텔타 변조

  37. PCM(Pulse Code Modulation) • 가장 널리 사용되는 방식 • 3단계로 이루어짐 : • Sampling(PAM), Quantization(계수화,정량화), Encoding(부호화)

  38. 채집(Sampling) • PAM(Pulse Amplitude Modulation) 이라고도 함 • 아날로그 정보를 가지로 표본을 채집(sampling)하고 그 결과에 근거하여 일련의 펄스를 생성

  39. 표본 채집률(Sampling rate) • Nyquist Theorem : PAM을 사용하여 원래의 아날로그 신호를 정확히 재현하기 위해서는 표본 채집률이 최소한 원래 신호의 최고 주파수의 두 배가 되어야 함

  40. 표본 채집률(계속) • 신호가 대역 제한적이어야만 신호를 채집할 수 있음 • 무한 대역폭을 갖는 신호는 채집할 수 없음 • 대역폭이 아니라 가장 높은 주파수의 최소한 두배가 되여야 한다는 것

  41. 표본 채집률(계속) • 예제 4.6 : 서로다른 채집율을 갖는 정현파 신호의 복구

  42. 표본 채집률(계속) • 예제 4.7 : 바늘 하나 만을 갖는 시계의 표본 채집

  43. 표본 채집률(계속) • 예제 4.9 • 최고주파수가 4000Hz 인 전화 목소리 정보를 채집하려면, 매초 8000번 이라는 표본 채집률이 필요 • xHz의 두 배의 주파수에 달하는 표본 채집률이 필요하다는 것은 신호가 1/(2x) 초 마다 채집되어야 한다는 것을 의미 • 위의 예에서 전화상의 목소리가 1/8000 초마다 한번씩 채집되어야 함 • 예제 • 10,000Hz(1,000Hz에서 11,000Hz까지)의 대역폭을 갖는 신호에 필요한 표본 채집률은 ? • 풀이 • 표본 채집률은 신호의 최고주파수의 두 배가 되어야 함 • 표본 채집률 = 2 * 11,000 = 22,000samples/second • 예제 4.10 • 저대역 통과 신호의 대역폭이 200kHz이다. 이 신호의 최소 채집률은? • 2 * 200k = 400,000 samples/s

  44. PCM(계속) • 정량화(Quantization) • sampling 한 값에 특정 범위에 속하는 정수 값을 할당

  45. PCM(계속) • 이진 부호화(Binary Coding) • 정량화된 표본에 부호와 크기 값을 할당

  46. PCM(계속) • Digital/digital encoding • Binary encoding 된 이진수는 Digital/digital encoding 기법 중의 하나를 사용하여 이진 신호로 변환(예 : unipolar) • PCM signal

  47. 표본당 몇 비트인가 ? • 각 표본당 전송되어지는 비트의 수 : • 필요로 하는 정밀도 레벨에 의해 결정 • 예제 • Sampling 된 각 표본은 적어도 12레벨의 정밀도(+0 에서 +5, -0 에서 -5)를 요구한다. 각 표본당 전송되어지는 비트의 수는 ? • 풀이 • 4bit(1bit : 부호, 3bit : 데이터 값) : 23 = 8

  48. 비트율 • 비트율 = 표본 채집률 * 표본당 비트수 • 예제 4.14 : p.124 • 사람의 목소리를 디지털화하고자 한다. 표본당 8비트라고 가정했을 때, 비트율은 ? • 풀이 • 사람의 목소리는 보통 0에서 4000Hz 사이의 주파수를 갖으므로, 표본 채집률은 8000 samples/second(4000 * 2) • 따라서, 비트율은 8000 * 8 = 64,000bits/s = 64kbps

  49. 원래 신호의 복구 • PCM decoder가 필요

  50. 델타 변조 • PCM의 복잡도를 낮추기 위해 개발 • Sampling 단계에서 직전 표본 값과의 차이 값을 찾음 • 코드를 사용하지 않고 채집할 때마다 비트들을 전송

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