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 DIGITAL-TO-DIGITAL CONVERSION In this section, we see how we can represent digital data by using digital signals. The conversion involves three techniques: line coding, block coding, and scrambling. Line coding is always needed; block coding and scrambling may or may not be needed. Topics discussed in this section: Line Coding Line Coding SchemesBlock Coding Scrambling

4. 회선 코딩(Line Coding) • 일련의 2진 비트 데이터를 디지털 신호로 바꾸는 작업 • 회선 코딩과 디코딩(Decoding)

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

6. 회선 코딩(Line Coding) • 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 A signal is carrying data in which one data element is encoded as one signal element ( r = 1). If the bit rate is 100 kbps, what is the average value of the baud rate if c is between 0 and 1? Solution We assume that the average value of c is 1/2 . The baud rate is then

8. 회선 코딩(Line Coding) • 대역폭 Although the actual bandwidth of a digital signal is infinite, the effective bandwidth is finite. • 최소 대역폭 • 채널의 대역폭이 주어지면, 최대 데이터 율

9. Example 4.2 The maximum data rate of a channel (see Chapter 3) is Nmax = 2 × B × log2 L (defined by the Nyquist formula). Does this agree with the previous formula for Nmax? Solution A signal with L levels actually can carry log2L bits per level. If each level corresponds to one signal element and we assume the average case (c = 1/2), then we have

10. 회선 코딩(Line Coding) • 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. 회선 코딩(Line Coding) • 동기화 결핍 효과

12. Example 4.3 In a digital transmission, the receiver clock is 0.1 percent faster than the sender clock. How many extra bits per second does the receiver receive if the data rate is 1 kbps? How many if the data rate is 1 Mbps? Solution At 1 kbps, the receiver receives 1001 bps instead of 1000 bps. At 1 Mbps, the receiver receives 1,001,000 bps instead of 1,000,000 bps.

13. 회선 코딩 방식 • 단극형 • 극형 • 비영복귀

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

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 • 양 전압은 1, 음 전압은 비트 0을 의미 • 긴 스트림의 데이터를 수신했을 경우, 송신자와 클록 동기화 여부 불투명 • NRZ-I • 전압 준위의 반전이 비트 1을 의미 • 전압의 변화시 비트 1, 무변화시 비트 0으로 표현 • 비트 1을 만날 때마다 신호가 변화하기 때문에 동기화를 제공 In NRZ-L the level of the voltage determines the value of the bit. In NRZ-I the inversion or the lack of inversion determines the value of the bit.

18. NRZ-L and NRZ-I both have an average signal rate of N/2 Bd.

19. NRZ-L and NRZ-I both have a DC component problem.

20. Example 4.4 A system is using NRZ-I to transfer 10-Mbps data. What are the average signal rate and minimum bandwidth? Solution The average signal rate is S = N/2 = 500 kbaud. The minimum bandwidth for this average baud rate is Bmin = S = 500 kHz.

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. In Manchester and differential Manchester encoding, the transition at the middle of the bit is used for synchronization. The minimum bandwidth of Manchester and differential Manchester is 2 times that of NRZ.

25. 양극형(Bipolar) In bipolar encoding, we use three levels: positive, zero, and negative.

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

27. 다준위 방식(Multilevel Schemes) • N개의 신호 요소 패턴을 사용하여 m개의 데이터 요소 패턴을 표현하며단위 보오 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)

28. In mBnL schemes, a pattern of m data elements is encoded as a pattern of n signal elements in which 2m ≤ Ln.

29. 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

30. 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

31. 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 • 478 – 256 = 222개의 신호는 동기화나 오류 검색에 사용

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

33. 회선 부호화 요약

34. 블록 코딩(Block Coding) • m 비트를 n 비트 블록으로 바꾼다 • n 은 m 보다 크다 • mB/nB 부호화 Block coding is normally referred to as mB/nB coding; it replaces each m-bit group with an n-bit group.

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

36. 블록 코딩(Block Coding) • 4B/5B(4Binary / 5Binary) • NRG-I 방식과 혼합하여 사용 • 4비트 데이터를 5비트 코드로 바꾼다

37. 블록 코딩(Block Coding) • 4B/5B Mapping Code

38. 블록 코딩(Block Coding) • 4B/5B(4Binary / 5Binary) 블록 코딩 예

39. Example 4.5 We need to send data at a 1-Mbps rate. What is the minimum required bandwidth, using a combination of 4B/5B and NRZ-I or Manchester coding? Solution First 4B/5B block coding increases the bit rate to 1.25 Mbps. The minimum bandwidth using NRZ-I is N/2 or 625 kHz. The Manchester scheme needs a minimum bandwidth of 1 MHz. The first choice needs a lower bandwidth, but has a DC component problem; the second choice needs a higher bandwidth, but does not have a DC component problem.

40. 블록 코딩(Block Coding) • 8B/10B • 5B/6B와 3B/4B를 합한 것

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

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

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

44. 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.

45. 4-2 ANALOG-TO-DIGITAL CONVERSION We have seen in Chapter 3 that a digital signal is superior to an analog signal. The tendency today is to change an analog signal to digital data. In this section we describe two techniques, pulse code modulation and delta modulation. Topics discussed in this section: Pulse Code Modulation (PCM)Delta Modulation (DM)

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

47. 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

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

49. 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.

50. Low-pass 와 bandpass 신호의 나이퀴스트 채집율