[정보통신기사] 디지털 전송 - 회선 부호화, NRZ 부호화, 맨체스터 부호화, 블록 부호화, PCM, 표본화, 계수화, 병렬 전송, 동기식 전송, 비동기식 전송
A. 디지털 정보 -> 디지털 변환
Digital-to-Digital Encoding, 디지털 정보를 디지털 신호로 변환하여 전송
- 회선 부호화 (Line Coding) :항상 필요!!
- 블록 부호화 (Block Coding)
- 뒤섞기 (Scrambling)
1. 회선 부호화 (Line Coding)
디지털 정보를 디지털 신호로 바꾸는 작업
- 직류성분 (DC component) 제거 필요
- 자기 동기화 필요
직류성분이란?
- 주파수 주위에 생기는 주파수로, 저주파 성분은 통과할 수 없다. 디지털 신호의 전압이 한동안 일정하게 유지되는 특징이 있는데, 일정한 0 전압은 직류성분을 갖지 않는다.
자기 동기화?
송수신기 간에 비트 간격을 스스로 일치시키는 것. 발신자가 보낸 신호를 제대로 알아들으려면 수신자의 비트 간격은 발신자의 비트 간격과 완전히 일치해야 함.
1. 데이터 요소 vs 신호 요소
- 데이터 요소: 디지털 데이터를 나타내는 기본 단위 (비트)
- 신호 요소: 통신에 사용되는 디지털 신호의 기본 단위
데이터 요소 vs 신호 요소
2. 데이터 전송률 vs 신호의 전송률
- 데이터 전송률 (Data Rate), N : 1초당 전송된 데이터 비트수 (비트율, 데이터율)
- 신호 전송률 (Signal Rate), S : 1초당 전송된 신호 요소의 수
회선 코딩 시, 신호 전송률(S)은 낮추면서 , 데이터 전송률(N)은 높은 것 이 유리!!
1) 단극형 부호화 (Unipolar Encoding)
2진 상태 중 하나만이 극으로 지정되어 시간 축을 기준으로 전부 위 또는 아래 신호 준위의 값만 사용한다.
- 양전압은 비트 1을, 음전압은 비트 0을 나타냄.
단극형 부호화 (Unipolar Encoding) - 직류성분 갖고 있음
- 자기 동기화 안됨 (클럭 동기화 정보 없음)
- 단순하고 구현 비용이 적다.
2) 극형 부호화 (Polar Encoding)
두 가지 전압 준위를 사용하는 것으로 시간 축의 양 축을 모두 사용한다.
- 직류 성분 문제의 완화
a) NRZ (NonReturn to Zero; 비영복귀) 부호화
신호의 준위는 항상 두 가지 (+, -) 사용.
- 직류성분 갖고 있음
- 자기 동기화 안됨
1) NRZ-L (NonReturn to Zero, Level): 전압의 준위가 비트값을 결정
- 표현하는 비트값에 따라서 신호 준위가 달라짐.
2) NRZ-I (NonReturn to Zero, Invert): 전압에 변화가 있거나 없는 것으로 비트값 결정
- 비트값에 따라 신호 준위의 변화 여부가 결정됨.
b) RZ (Return to Zero; 영복귀) 부호화
- 세 준위 (+, 0 -)를 사용
- 신호는 비트와 비트 사이에서 바뀌는 것이 아니라, 매 비트 구간동안에 바뀐다. 비트 간격의 반이 지나고 나면 신호는 0으로 바뀐다. 극성이 갑자기 바뀌면 여전히 문제는 생기지만, 직류 성분 문제는 없다.
- 한 비트를 부호화하기 위해 두 번의 신호 변화를 필요로 하는데, 이는 더 큰 대역폭을 필요로 하기에 오늘날에는 사용되지 않는다.
c) 양위상 (Biphase) 부호화
동기화를 위해 비트 중간에서 신호를 변화시키는 방법.
- 직류 성분 문제없음
- 요구 대역폭 큼
- 자기 동기화됨
a) 맨체스터 부호화: 동기화를 달성하는 동시에 해당 비트를 표현하기 위해 비트 중간에서 신호 전이.
- 두 가지 목적을 위해 한 번의 전이를 사용함으로써 두 가지 준위만을 사용해 RZ와 비슷한 수준의 동기화 달성 가능.
b) 차분 맨체스터 부호화
비트 간격 중간에서의 반전은 동기화를 위해 사용. 비트를 식별하는 데에는 비트 간격 시작점에서의 전이 여부가 사용된다. 비트 시작점에서 전이가 있으면 0을 나타내고, 전이가 없으면 1을 의미한다.
3) 양극형 부호화 (Bipolar Encoding)
개의 준위 사용 (+, 0, -)
- 비트 0: 0 준위로 표현
- 비트 1: +/- 전압 교대로
- 직류 성분 없음.
- Bipolar AMI (Alternate Mask Inversion), 양극형 교대 표시 반전 부호화
교대로 나타나는 반전되는 1을 의미함. 0 전압은 0을 나타내고, 1은 교대되는 양과 음전압에 의해 표현된다.
Bipolar 방식이 왜 직류 성분이 없는가?
연속된 1의 경우에는, 음과 양이 교대로 반복되므로 직류 성분이 생기지 않는다. 연속된 0의 경우에는, 전압은 일정하지만 0 근처이다. 일정하게 0 전압인 일련의 신호는 직류성분을 갖지 않는다. 따라서 Bipolar 방식은 직류 성분을 갖지 않는다!
2. 블록 부호화 (Block Coding)
동기화를 확보하기 위해서는 여분의 비트가 필요하다. 오류 탐지를 위해서도 다른 여분의 비트들을 포함시켜야 한다.
블록 부호화는 보통 mB/nB 부호화로 불리며, 각 m비트 그룹을 n 비트 그룹으로 바꾼다.
3. 뒤섞기 (Scrambling)
AMI (bipolar)에서 긴 연속된 0을 동기화하기 위한 방법.
긴 연속된 0들에 동기화를 제공하기 위해 다른 준위의 신호들로 조합된 신호로 바꾸는 방식을 찾는 것.
1) B8ZS (Biploar with 8 Zero Substitution)
- 8개의 연속된 0을 000VB0VB로 대치
- 이전 극성이 +/- 인지에 따라 결정
B8ZS (Biploar with 8 Zero Substitution)
2) HDB3 (High-density Bipolar 3-Zero)
- 4개의 연속된 0이 000V나 B00V로 대체.
- 직전 대체 이후 0이 아닌 준위의 개수가 짝수: B00V
- 직전 대체 이후 0이 아닌 준위의 개수가 홀수: 000V
대체 이후 0이 아닌 준위의 개수를 짝수로 유지하기 위해 두 가지 대치 방법 사용
B. 아날로그-디지털 변환
아날로그 정보를 디지털 신호로 변환하여 전송한다.
PCM (Pulse Code Modulation), 펄스 코드 변조
- 아날로그 신호 채집 (Sampling)
- 채집된 신호 계수화 (Quantizing)
- 계수화된 값을 비트 스트림으로 부호화 (Binary coding, Encoding)
1. 채집화 (표본화)
: 일정 간격마다 신호의 진폭을 측정하여 그 결과에 근거하여 펄스 생성.
표본 채집률 (Sampling Rate) - 어떤 주기로 채집을 해야 할까?
: 아날로그 신호의 디지털 재현의 정확도는 채집된 표본의 수에 따라 좌우됨.
나이퀴스트 정리 (Nyquist Theorem)
아날로그 신호를 재현하기 위한 표본 채집률은 원래 신호에 포함된 최고 주파수의 최소 두 배가 되어야 한다.
[예제] 나이퀴스트 정리를 직관적으로 이해하기 위해, 단순 정현파를 3가지 채집률로 채집.
2. 계수화 (Quantization)
채집화를 통해서 신호의 최대 진폭과 최소 진폭 사이의 값을 갖는 일련의 진폭값들을 얻을 수 있다. 이 값들은 정수가 아닌 어떤 값을 갖는 무한 집합의 수로 부호화 과정에 사용될 수 없다.
3. 부호화 (Encoding)
각 표본이 계수화되고, 표본당 비트 수가 정해진 이후에는 각 표본이 부호로 바뀌는 것이다.
C. 전송방식
1. 병렬 전송 (Parallel Transmission)
한 비트가 아닌 그룹으로 n비트 데이터를 전송하는 방법.
- 정보를 구성하는 각 비트들이 여러 개의 전송매체를 통해 동시에 전송되는 형태로, n개의 채널이 필요하다.
- 여러 개의 전송매체를 사용하므로 전송 속도는 빠르지만, 구성비용이 크다.
2. 직렬 전송 (Serial Transmission)
하나의 채널에 한 비트씩 전송
- 정보를 구성하는 각 비트들이 하나의 전송매체를 통해 한 비트씩 순서적으로 전송되는 형태
- 하나의 전송매체만 사용하기 때문에 전송 속도는 느리지만 구성 비용이 적다.
- 원거리 전송에 적합하며 대부분의 데이터 통신에 사용되는 방식이다.
1) 동기식 전송 (Synchronous transmission)
시작/ 종료 비트 또는 gap 없이 전송하는 방식.
- 미리 정해진 수만큼의 문자열을 한 블록(프레임)으로 만들어 일시에 전송하는 방식.
- 송/수신 양쪽의 동기를 유지하기 위해 타이밍 신호(클럭)를 계속적으로 공급하거나 동기 문자를 전송해야 한다.
- 프레임 단위로 전송하기 때문에 전송속도가 빠르다
- 주로 원거리 전송에 사용함.
2) 비동기식 전송 (Asynchronous transmission)
신호의 타이밍을 고려하지 않고 합의된 패턴으로 정보 송수신
- 각 바이트의 시작에는 start bit(0)와 끝 부분에 stop bit(1)를 붙여서 바이트와 바이트를 구별해 전송하는 방식
- 오류 검출을 위한 패리티 비트를 추가하기도 함
- 문자와 문자사이의 휴지시간 (idle time)이 불규칙
- 한꺼번에 많은 데이터를 보내면 프레이밍 에러의 가능성이 높아짐
- 값싸고 효율적이므로 저속, 단거리 통신에 유용
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