6장_신호변환과 신호변환기

[6-1] 디지털-디지털 부호화

디지털-디지털 부호화

 - 0과 1로 표현된 디지털 정보를 디지털 신호로 표현

 - 베이스 밴드 전송 방식을 사용하는 LAN, PC나 프린트나 주변장치들과의 연결에서 이런 부호화 형태를 볼 수 있다.

 

디지털-디지털 부호화의 종류

 - 0과 1을 표현하기 위해 (+)나 (-) 전압 중 하나만 사용하는 단극형 부호화

 - 하나의 논리 상태는 (+)로 다른 하나는 (-) 전압을 사용하는 극형 부호화

 - 하나의 논리상태를 나타내기 위해 (-), 0, (+) 전압 모두를 사용하는 양극형 부호화

 - 블록 코드형

 - 3가지 이산의 신호 레벨을 갖는 Multilevel형

 

단극형(Unipolar)

 - 하나의 전압레밸만 사용하는데 0은 전압이나 아무것도 흐리지 않은 휴지(idle) 상태로 나타내고, 1을 나타내기 위해서   (+)나 (-) 전압 중 하나를 사용

 

단극형 부호화의 문제점 - 하나의 전압레벨만 사용에 따른 문제

 - 직류성분(DC Component) 문제

  · 신호의 평균 진폭이 0이 아니기 때문에 직류 성분 발생

  · 직류 성분을 다룰 수 없는 매체는 통과 불가능 (마이크로파, 변압기 등)

 - 동기화 문제

  · 신호가 연속된 0이나 1인 경우 신호의 변화가 없으므로 수신 측에서 각 비트의 시작과 끝을 결정할 수 없는 문제 발생

   (수신 측에서 수신 신호의 변화가 ㅇ벗을 경우 신호의 시작과 끝을 구분하기 힘들기에 동기가 어긋나게 되면

    수신 신호의 제대로 된 해독이 어려움)

  · 별도의 선로로 클럭 신호를 보냄으로 동기화 문제를 해결할 수 있으나 비용이 많이 들기 때문에 사용 안 함

 

극형 (Polar)

 - 극형 부호화는 (+)와 (-) 전압 두 개의 레벨 사용하기 때문에 평균 전압 크기가 단극형에 비해 줄어들어 직류 성분

 문제를 해결할 수 있다.

 > NRZ(Non-Return to Zero) - NRZ-1, NRZ-1

  - 항상 (+)이거나 (-) 전압, 0은 아무런 전송이 없는 휴지 상태(idle)

  - 각 보오(baud)는 하나의 비트를 나타내기 때문에 대역폭 사용이 효율적, 하지만 연속되는 0이나 1은 채널상의

  신호 변화가 없기 때문에 동기를 의한 클럭 정보를 제공하는 능력이 부족

  - 복잡한 인코딩이나 디코딩을 요구하지 않음

  - 저속 통신에 널리 사용

 

  - NRZ-L (Non-Return to Zero Level)

  · 0을 나타내기 위해 하나의 레벨로 정해지면 다른 하나의 전압 레벨이 1을 나타내기 위해 사용

 

  - NRZ-I (Non-Return to Zero Invert)

  · 0일 때 이전 신호 레벨을 유지, 1일 때 이전 신호 레벨을 반전(invert) = 반전이 있는 경우 1, 반전이 없는 경우 0

  · NRZ-I는 0과 1을 표현하기 위해 (+), (-) 전압이 할당되는 것이 아니라 이전 신호 레벨의 반전을 통해 신호를 나타냄

 

  - RZ (Return to Zero)

  · NRZ 방식도 동기화 문제 발생 가능성이 있기 때문에 신호에 동기화 정보를 포함하는 방식인 RZ를 해결책으로 제시

 

  · (+), 0, (-) 3개의 전압 레벨을 사용

  · 0일 경우 (-) 전압으로 시작해서 중간에 0 레벨로 복귀 

  · 1일 경우 (+) 전압으로 시작해서 중간에 0 레벨로 복귀

  · 동기화 문제를 해결하지만 하나의 비트를 부호화하기 위해서 두 번의 신호 변화가 필요하게 되므로 상대적으로 많은    대역폭을 사용한다는 단점이 있다.

 

  - Biphase

  · 동기화 문제 해결하는 방법 중 하나 (매 비트마다 신호 변화 발생)

  · 전압 레벨이 중간에 다른 전압 레벨로의 변화하는 것은 RZ와 비슷하지만, 0으로 돌아가는 것이 아닌 다른 전압으로 변환

  > Manchester

  · 동기화를 위해 비트 중간에 신호의 반전이 발생

  · 1은 (-)에서 시작해서 중간에 (+)로 변환

  · 0은 (+)에서 시작해서 중간에 (-)로 변환

  · 주로 이더넷에서 사용

  > Differntial Machester

 

  · 비트 중간에 전압 변환이 있는 것은 맨체스터와 동일하나, 0,1을 표현하기 위한 패턴이 정해져 있지 않음

  · 0인 경우 이전 패턴 유지

  · 1인 경우 패턴이 반대로 바뀜

  · 주로 토큰링에서 사용

 

 

양극형(Bipolar)

 - (+), 0, (-) 3개의 전압을 사용

 - RZ과 같이 0 전압 레벨은 0을 사용, 1을 나타내기 위해 (+), (-) 전압 두 개 모두 사용. 

 - 처음에 (+) 전압으로 1을 나타내면 다음에 나타나는 1은 (-)접압을 사용하여 표현

 - AMI, B8ZS, HDB3 등의 3개의 부호화 기법이 존재

 

 - Bipolar AMI (Bipolar Alterante Mark Inversion)

  · 0 전압은 0을 나타내고 (+), (-) 전압은 1을 표현

  · 연속적인 0이 오면 동기화 문제 발생

  · 동기화 문제를 해결하기 위한 B8ZS와 HDB3 사용

 

 - B8ZS (Bipolar 8-Zero Substitutuin)

  · 연속해서 8개의 0이 나타나면 0 대신 알려진 비트 패턴을 삽입

  · 대체 방법

   - (+)이면 , 000+-0-+로 대체 

   - (-)이면, 000-+0+-로 대체

 

블록 코드형

 - mBnB 형태 블록 코드형

  · M비트 길이의 데이터를 n비트 길리의 코드로 변환하는 방식

  · 주로 비트 동기화 문제 해결을 위해 사용

  · 4B/5B. 8B/10B, 64B/66B, 1024B/1027B 등

  > 4B/5B

  · 4비트 길이의 그룹 단위를 5비트 길이의 코드 비트로 변환하는 방삭

  · 0 또는 1이 연속되어 전송되지 않도록 코드화

  · 100 Base-FX에서 NRZ-I와 함께 사용

 

신호변환기 (Signal Conversion Device) : DSU

 - DSU (Digital Service Unit)

  · DSU는 네트워크 간에 서로 다른 디지털 신호를 사용하기 때문에 필요한 네트워크 연결 장비

  · 각 네트워크마다 사용하는 디지털 신호는 하나로 통일되어 있지 않고 다양하며 종류도 많다. 하나의 신호로 통합     하지 않는 이유는 네트워크 간의 상호 보안 문제가 있기 때문

  · 하나의 통합된 디지털 신호(Bipolar)를 사용하자는 취지에서 등장한 ISDN이 계속 발전하지 못하는 이유는 보안 문제

  · 서로 다른 디지털 신호 형태를 사용하는 네트워크들이 데이터 통신을 하고자 할 때에는 서로 다른 신호를 하나의

  동일 신호로 인식될 수 있도록 해야 하는데, 이 역할을 DSU가 담당

 - DSU 사용 목적

  · 디지털 데이터를 디지철 통신망을 이용하여 전송되도록 디지털 신호로 변환하는 방식

  · 디지털 신호를 변조하지 않고 DTE(단말장치)를 데이터 교환망에 접속하기 위한 장비

  · 디지털 통신회선을 이용하여 효율적(동기화, 필터링)으로 전송하기 위한 장비

  · 먼 거리까지 디지털 데이터를 전송하기 위해 사용

  · 동일하지 않는 네트워크 신호를 동일한 신호로 변환하기 위해 사용

  · 모뎀의 회로 구성보다 간단하고 속도가 빠름

 

 

 

[5-2] 디지털-아날로그 부호화

디지털-아날로그 부호화 과정

디지털-아날로그 부호화 종류

진폭편이변조 (ASK : Amplitude Shift Keying)

 - 디지털 데이터 1과 0을 진폭의 크기만 다르게 하여 전송하는 방식 (300 bps 이하의 저속 모뎀에 사용)

 - 1보오 단 1비트의 신호 전송

 - 장점 : 회로 구성이 간단하고 가격이 저렴

 - 단점 : 잡음이나 신호의 변화에 약함

 

주파수편이변조 (FSK : Frequency Shift Keying)

 - 디지털 데이터의 1과 0을 주파수의 주기 수를 다르게 하여 전송하는 방식 (1200 bps이하의 중속 모뎀 에서 사용)

 - 주파수 변화로만 0과 1을 표현

 - 1보오 당 1비트의 신호 전송

 - 진폭변이변조 방식보다 잡음에 강하고 회로도 간단하여 데이터 전송에 많이 사용

 

위상편이변조 (PSK : Phase Shift Keying)

 - 디지털 데이터의 1과 0의 위상(각도, 위치)을 다르게 하여 전송하는 방식(2400-4800bps 중속 모뎀에서 사용)

 - 위상의 변화를 다양하게 해서 한 위상에 여러 비트 표현 가능

 - 위상 종류

위상	설명
2 위상	0은 0˚. 1은 180˚로 위상을표현
4 위상	90˚ 간격으로 위상을 표시 (2비트)
8 위상	45˚ 간격으로 위상을 표시 (3비트)

 

직교진폭변조 (QAM : Quadrature Amplitude Modulation)

 - 디지털 데이터의 진폭과 위상을 변조하여 전송하는 방식으로 4800bps이상의 고속 모뎀에 사용

 - 하나가 아닌 두가지 특성을 변경하는 방법으로 위상편이변조와 진폭편이변조의 복합형태를 취하고 있어, 하나의

 신호로 여러 비트를 표현할 수 있다.

 

신호 변환기 (모뎀 : D-A)

 - 변조 기능 : 디지털 신호를 아날로그화

 - 복조 기능 : 아날로그 신호를 디지털화

 - 모뎀 : 변조 기능과 복조 기능을 가지고 있는 기기

 

전송률 

 - 일초 동안에 송신 또는 수신할 수 있는 비트 수

 - 단위 : bps

 

모뎀 기능

 - 변/복조 기능

 - 펄스를 전송 신호로 변환

 - 자동 호출 기능 / 자동 응답 기능 / 자동 속도 조절 기능

 - 고장 장애 시럼 (Loop Test) 가능

 - 데이터 통신 및 속도 제어

 

모뎀 분류

 - 전송률, 대역폭, 속도 이외의 방법으로 모뎀 분류

  (동기방식, 이용 대역폭, 사용 가능 거리, 포트 수, 속도, 등화 방식, 사용 회선, 위치 등)

 

모뎀 표준

 - 벨 모뎀 : 독점적인 기술의 개발로 사실상의 표준 제공

 - ITU-T 모뎀 : ITU-T에서 지정한 규약으로 V 시리즈 제공

 

대역폭

 - 전달할 수 있는 신호의 주파수에 상한선과 하한선 범위

 - 더욱 안전한 통신을 위해 양쪽의 가장자리 부분은 사용 안 함

 

케이블 모뎀

 - 기존 케이블 TV가 사용하는 케이블망을 이용하여 통신 서비스 제공

 

 

[5-3] 아날로그-디지털 부호화

아날로그-디지털 부호화 (CODEC)

 - 사람의 음성을 네트워크에서 전송 가능한 디지털 신호로 변환 (인터넷 전화)

 

아날로그-디지털 부호화 과정

 - 아날로그의 디지철 부호화는 펄스코드변조(PCM)을 사용하여, 표본화-> 부호화-> 양자화 3단계를 거침

 

CODEC의 사용 목적

 - 아날로그 데이터를 전송하기 위하여 디지털 신호로 변환시키고, 다시 디지털 신호를 아날로그로 복귀시키는 장비

 - 코덱의 기술로는 펄스 코드 변조 (PCM)와 델타 변조(DM)이 있다.

 

펄스코드변조(PCM)

 - PCM은 펄스 부호화 변조 방식으로 음성과 아날로그 신호를 표본화, 양자화, 부호화하여 전송하고 수신측에서

 복호화하여 다시 원래 음성으로 변환하는 방식

  · 점유 주파수 대역이 넓다는 단점

  · 잡음과 누화에 강함 

  · 저질의 전송로도 사용 가능

  · 광통신의 실현으로 대용량 전송 가능

  · IC의 저가격화에 비해 경제적

 

PCM 순서

 - 표본화 -> 양자화 -> 부호화 -> 복호화 -> 필터링

 

표본화 (Sampling)

 - 연속적으로 변하는 아날로그 신호를 주기적인 간격으로 표본 값을 구하는 과정으로 표본화 정리(Nyquist -Shannon   Sampling Theorem : 나이퀴스트의 샘플링 정리)을 근거로 표본 개수를 정함

 - 나이퀴스트의 샘플링 정리 : 어떤 연속하는 신호에 포함되어 있는 최고의 주파수를 fc라고 하면 적어도 1/2fc의 주기로 정보를 추출하면, 그 펄스 원신호 정보의 모든 것이 포함되어 있고 이 펄스로부터 원래의 신호를 재현하는 것이 가능하다.

 * 표본화 개수 : 샘플링 횟수는 원래 신호를 복원화하기 위해서 최소한 원 신호 최고 주파수의 2배

 

양자화 (Quantization)

 - 표본화한 표본 값을 정수화 하는 단계로 실수형의 표본 값을 정수화 하는 단계로 실수형의 표본 값을 정수가 되도록   반올림한다. 이때 발생하는 오차를 양자화 잡음이라고 한다.

 - 양자화 잡음은 PCM 장치에서 발생한다. 전화나 핸드폰 통화 시 상대방의 음성이 실제 음성과 차이가 나는 것이

 양자화 잡음인 경우

 - 양자화 스탭(Step)

  · 표본화된 하나의 PAM 신호를 부호화할 때 표본당 전송 비트가 4비트이면 양자화 스텝은 14개가 필요하고,

  8비트이면 256개가 필요하다.

 - companding

  · 압축(compression)과 신장(Expanding)의 합성어로 전송될 일부분의 신호가 일정한 범위 내에 있지 않고 급격한

  차이가 있을 경우 급격한 일부분의 신호에 의하여 많은 스탭 수가 필요하다. 이때 사용하는 방법으로 급격한 신호를

  압축하여 압축 정보와 합께 전송하면 수신 측에서 압축된 정보를 참초하여 원래 신호로 신장하는 방법

 

부호화 (Encoding)

 - 양자화된 표본 펄스의 진폭 값을 디지털 신호 1과 0의 조합으로 변환하는 단계. 

 - 부호화 과정에서는 인접 부호 간 1 bit만 변화하는 Gray Code를 가장 많이 사용

 

재생(Regeneration)

 - 펄스 유무만을 판단하여 유효 펄스만 재생되어 복호기로 전달

 

복호화 (Decoding)

 - 수신된 디지털 신호를 원래의 신호로 복원하는 단계

 - PAM(샘플링한 신호), 재생, 복호

 

여파화 (Filtering) : 재구성

 - 인접한 PAM 신호의 장점을 연결하여 계단 모양의 파형으로 나들고, 저역 필터기(Low Pass Filter)를 통과시킨다.

 약간의 일그러짐이 있지만 표본화되기 전 원래의 신호와 비슷하게 복원된다.

 

신호변환기

 - 코덱 : 코더와 디코더의 합성어

  · 코더 : 음성 또는 영상의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환

  · 디코더 : 디지털 신호를 음성 또는 영상으로 변환

 - PCM은 코덱 장비의 직접회로나 칩에서 사용

 

 

 

[5-4] 아날로그-아날로그 부호화

아날로그-아날로그 부호화

 - 효율적인 전송을 위해 보다 높은 반송 주파수 필요

 - 주파수 분할 다중화가 가능하기 위해 필요

 

아날로그-아날로그 부호화 과정

진폭 변조 방식 (AM)

 - 반송파의 진폭만 변조시켜 전송

 - 진폭 변조 신호의 대역폭은 변조되는 신호의 대역폭의 2배이고, 외부 잡음에 민감

 

주파수 변조 방식 (FM)

 - 반송파의 주파수만 변조시켜 전송

 - 주파수 변조 신호의 대역폭은 변조되는 신호의 대역폭의 10배가 요구됨

 

위상 변조 방식 (PM)

 - 반송파의 위상만 변조시켜 전송

 - 진폭 변조, 주파수 변조에 비해 다소 회로가 복잡

 

*반송파(carrier signal) : 아날로그 통신채널에서 정보를 전달하기 위해 변조된 특별한 신호

 

아날로그 변조

 

신호변환기

 - 전화기와 방송장비

 - 점점 디지털 장비로 교체