[데이터통신] 2. Physical Layer(디지털 전송, 아날로그 전송)

흐름을 간단하게 요약하면 아래와 같이 요약할 수 있다.

종류		방법
디지털 전송	Digital-to-Digital	line coding, block coding
	Analog-to-Digital	PCM, DM
아날로그 전송	Digital-to-Analog	ASK, FSK, PSK
	Analog-to-Analog	AM, FM. PM

 

 

1. 디지털 전송

Digital-to-Digital

Line coding

들어온 정보를 encoder를 사용해 0과 1로 구분해서 pulse를 만들어낸다. 이를 다시 비트로 표현하는 것을 decoder라고 한다.

 

Block coding

한 번에 여러 비트를 묶어서 Block으로 처리하는 방식이다. 데이터 앞에 잉여 정보(SYN)을 붙여서 오류 탐지와 같은 일을 하도록 한다. 수신자는 데이터만 읽어서 redundancy를 만들어서 받은 데이터의 redundancy와 비교해서 오류가 있는지 확인한다. n bit로 m bit의 블록으로 만든다고 할 때, mB/nB로 나타낼 수 있다.

블록 코딩은 division, substitution, combination 과정을 거친다. 기존 데이터를 m bit로 나눈다. 그 다음 여러 개의 m bit를 n bit 그룹으로 만든다. 마지막으로 n bit 그룹은 stream으로 만들어져서 보내진다.

 

Analog-to-Digital

Pulse code modulation(PCM)

PCM은 세 가지의 과정을 거친다.

• Sampling : 데이터를 추출해서 시간 단위로 기록하는 과정이다.
• Quantizing : 정량화해서 레벨을 만들어서 구분한다. (Modulation)
• Encoding : 레벨을 2^n으로 정의한 다음 레벨마다 n bit씩 정의한다. 레벨을 세분화할 수록 용량이 커지고 질 좋은 데이터를 낼 수 있다.

 

예제를 풀어보면, 사람 목소리를 디지털 신호로 바꾸려고 한다. 이때 8bit로 샘플링한다고 가정했을 때 bit Rate을 구해보자.

보통 사람 목소리는 0~4000 Hz의 대역폭을 가진다. Sampling rate = 4000 * 2 = 8000 samples/s이다. Bit rate = 8 bit * 8000 samples/s = 64,000 bps = 64 kbps임을 알 수 있다. Nyquist-Shannon Sampling 이론에 따르면, 모든 신호는 그 신호에 포함된 가장 높은 진동수의 2배에 해당하는 빈도로 일정한 간격으로 샘플링하면 원래 신호를 완벽하게 복원할 수 있다.

 

Delta Modulation(DM)

 

PCM은 레벨을 나누고 3단계를 거쳐야 하므로 복잡한 과정이다. 이에 반해 DM은 복잡한 PCM을 단순화한 것이라 할 수 있다. 이전의 값(previous sample)을 보고 이에 대비해서 현재 값을 결정한다. 결국 파형을 복구하기 위해서 사용하는 것이다. 잘 사용하지는 않는 방법이다.

 

2. 아날로그 전송

Digital-to-Analog

보통 Modulation을 말할 때 Digital-to-Analog Conversion을 뜻한다. 0과 1로 된 신호를 파형으로 어떻게 내보낼지에 대한 방법이다.

 

Amplitude Shift Keying(ASK)

 

진폭에 변화를 줘서 신호를 보내는 방법이다. 들어온 비트가 1일 때 미리 정해놓은 sine wave를 보내고, 0이면 신호를 보내지 않는다. 약간의 왜곡은 있지만 수신 측에서 구분만 할 수 있다면 10110이라는 데이터를 받을 수 있다.

 

• Signal Rate(baud) : 초당 몇 개의 신호를 보낼 수 있는지를 나타냄.
• Bandwidth
• The number of bits used to modulate once
• The factor depending on modulation and filtering process

 

참고로, Capacity는 물리 계층에서 초당 몇 비트를 보낼 수 있느냐에 대한 지표이다.  실제로 물리 계층에서 내보내는 것은 신호인데, 이 신호를 초당 몇 개를 보낼 수 있는지를 나타내는 것이 Signal Rate이다. 1 신호를 symbol이라고도 한다. SNR이 좋으면 signal rate가 올라가고 전송 속도가 높아진다. 위 그림에서 보면 Bit rate = 5 이기 때문에 초당 5개를 보낼 수 있고 Baud rate(초당 보낼 수 있는 신호 요소 수) = 5이다. symbol 1개당 1 bit를 매칭했는데, symbol을 4가지로 정해서 2 bit로 매칭시키면 총 10개의 비트를 보내는 셈이 된다. 이 방법은 거리가 멀어지면 신호가 약해져서 이 방법도 부족한 면이 존재한다.

 

Frequency Shift Keying(FSK)

주파수를 달리해서 0과 1을 구분하는 방법이다. 위 그림은 신호가 약한 것을 주파수가 낮게 정의하고, 신호가 센 것을 주파수가 높게 정의한 것이다. Binary FSK(BFSK)도 존재한다. 이 방법은 여러 symbol을 정의해서 사용하려면 자원 사용량이 늘어나는 단점이 있다.

 

Phase Shift Keying(PSK)

Phase는 시작점(T = 0)으로부터 얼마나 떨어졌느냐를 나타내는데, 이에 변화를 주는 방법이다. symbol을 2가지로 정의했기 때문에 Binary PSK(BPSK)라고도 한다.

 

Analog-to-Analog

Amplitude Modulation(AM)

두 신호를 곱해주면 묘하게 섞이는 모습을 볼 수 있다. 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸지 않고 아날로그 그대로 사용한다.

 

Frequency Modulation(FM)

주파수를 바꾸는 방법인데 Amplitude 값을 보고 주파수를 조정한다.

 

Phase Modulation(PM)

Phase가 바뀌는 것인데 주파수가 바뀐 것처럼 보인다. FM은 Amplitude가 어떻게 변화하느냐에 따라서 즉각적으로 반응하는 반면 PM은 Amplitudea의 증가폭(기울기)에 따라 위상이 변화한다.