[네트워크] Physical Layer: Data Transmission - Encoding, Modulation, PCM

오늘은 physical layer에서 일어나는 Data Transmission에 대한 이야기를 해볼까 합니다.. 

Transmission Terminology

1 Simplex: Signals are transmitted only one direction (TV)

2 Half duplex: Both stations transmit, but only one at a time (무전기)

3 Full duplex: Both stations may transmit simultaneously (전화)

 

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컴퓨터는 digital 신호만을 읽을 수 있기 때문에 analog 신호를 digital 신호로 convert해줘야 하는데요.

이때의 중요한 2단계에 주목해봅시다.

1 Time: Sampling- 주기(얼마나 자주 convert)

2 Value: Quantization- level 쪼개기(값의 근사치 사용)

 

Cf.

*세상 모든 신호는 여러개의 Sine wave의 합으로 나타낼 수 있다!

Sine Wave : fundamental periodic signal [파라미터: A(peak amplitude) , F(frequency), P(phase)]

*Fourier Transform : 시간의 시그널(time domain)을 주파수(frequency domain)으로 바꿔주는 역할을 함.

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Transmission Impairments(손실)

-Analog: degradationof signal quality

-Digital: bit errors

*손실의 가장 큰 요인은 1) Attenuation(감쇠) 2) Delay distortion 3) Noise

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그 중에서도 3) Noise 에 대해 이야기해봅시다.

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Noise의 종류

1Thermal(열) noise (white noise) - thermal agitation of electrons에 의한

2 Intermodulation noise - modulation을 통해 나오는.. 

3 Crosstalk - A signal from one line is picked up by another (다른 전선에서 넘어온..)

4 Impuse Noise - cause by external electromagnetic interference(외부의 전자기 간섭에 의한)

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그렇다면 나의 signal이 noise 대비 얼마만큼 강한지를 알아봐야겠죠. 이를 파악할 수 있는 가장 중요한

 

Shannon Capacity Formula 에 대해 알아보겠습니다.

 

샤넌은 신호의 상대적 세기(signal to Noise Ratio)에 대한 공식을 찾아냈는데요.  주의할 것은 SNRdb(데시벨 기준)와 SNR이 다르다는 것..

*Faster data rate -> shorten each bit -> bursts of noise corrupt more bit

: 3 bits만 문제가 발생하던 게 data rate이 빨라지면 그 만큼 data량이 많아지고, 따라서 6 bits나 문제가 발생할 수 있음.

*bandwidth(대역폭)이  2배 증가하면, 신호를 2배 빠르게 보낼 수 있음 -> Capacity *2!!

 

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이제 진짜 Encoding에 대한 본격적인 이야기를 해보겠습니다. . 글 2개를 1개로 합쳐서 양이 많아진 점 이해 뷰탁

Data Encoding이란?

사용자가 입력한 문자나 기호들을 컴퓨터가 이용할 수 있는 2진 신호로 변환하는 것.

그러니까 쉽게 말하면, Analog signal(digital일 수도 있긴 함) 를 Digital signal로 전환하는 과정입니다. 그럼 Decoding은?

이 반대의 과정을 일컫는 말이겠죠.

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방식에 대해 배우기 전에 우리는 Modulation과 Encoding의 차이를 명확히 알아야 합니다.

 

Encoding은 데이터를 통신 채널을 통해 전송할 수 있는 형식으로 변환하는 프로세스 라면, Modulation은 인코딩된 데이터를 전달하기 위해 반송파 신호를 변경하는 프로세스 입니다. Modulation은 쉽게 말하면, 인코딩된 데이터의 주파수 대역을 이동시켜 데이터가 잘 전달될 수 있도록 하는 과정입니다.

 **보니까 encoder랑 decoder 사이에 .. Modulator랑 Demodulator가 들어가는 거 아시겠조! 둘이 엄연히 다른 거라구용

 

 

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그리고 여기부터 굉장히 다양한 단위들이 등장하는데 뒤로 갈수록 헷갈리니까! 단위에 대해 미리 익히고 갑시다..

 

Data Transmission Terms

*Signal element: pulse로 바꿨을 때의 단위

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Digital Signal Encoding Formats(회선부호화)

이거 진짜 시험에 무족권 나와욥. 정확하게 익힙시다.

 

 

 

1 Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)

0= high level (5v)

1= low level (0v)

 

2 Nonreturn to Zero Inverted (NRZI) - 고정된 level 값 없음

0= no transition at beginning of interval (one bit time)/0이면 과거의 값을 그대로 유지

1= transition at beginning of interval/1이면 과거의 값 반전

3 Bipolar- AMI

0= no line signal (0v)

1= positive or negative level, alternating for sucessive ones (most recent preceding bit과 반대로)

 

4 pseudoternary (3이랑 반대)

0= positive or negative level, alternating for sucessive ones (most recent preceding bit과 반대로)

1= no line signal (0v)

5 Manchester

0= transition from high to low in middle of interval (0v로)

1= transition from low to high in middle of interval (1v로)

6 Differential Manchester- always a transition in middle of interval

0= transition at beginning of interval

1= no transition at beginning of interval (시작할 때 값 자체의 transition이 없음, 이전 값 유지)

 

** 5번과 6번은 Biphase(고주파)라서 다른 원신호들과 겹칠 가능성이 높다.

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*Biphase의 장단점

 

장점

-Synchronization

-No dc component (아래 그림 참고)

-Has error detection(transition을 이용하기 때문에) 

 

단점

-At least one transition per bit time and may have two

-Maximum modulation rate is twice NRZ (voltage 기준, 1bit를 보내고 싶은데 2bit를 보내게되는.. 중간 transition땜에 그래)

-Requires more bandwidth(대역폭)  (고주파니까)

dc component가 있으면 E 손실 ↑

 

해석 방법은 두가지.. 어쨌든 둘 다 biphase가 좋음요

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그렇다면 이번에는 (D2A) Modulation의 방식들에 대해 배워보겠습니다.

 

Modulation of Analog Signals for Digital Data

 

1 ASK(Amplitude Shift Keying): Encode 0/1 by different carrier amplitude/ 0이 들어오면 0, 1이 들어오면 A를 특정값으로)

-error에 가장 취약함(신호에 잡음이 섞이면 아주그냥 난장판..)

2 BFSK (Binary Frequency Shift Keying): Two binary values are represented by two different frequencies(near carrier)

-예를 들어서 0이면 fc-d, 1이면 fc+d 이런 식으로 frequency를 shift함

-phase는 동일

-4개의 symbol을 보내고 싶다면?  ->MFSK(M=4) [00: fc-3d 01:fc-d 10:fc+d 11:fc+3d] 이런 식으로!

3 BPSK(Binary Phase Shirt Keying) : The phase of the carrier signal is shifted to represent data

-frequency는 동일

-1은 원래대로 위로 시작한다면, 0은 phase를  변경해서 아래부터 시작

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= M(symbol 수)이 커질 때, FSK는 BER 특성이 좋아지는 반면, PSK는 BER 특성이 안 좋아짐. (BER: error날 확률)

+ M이 커질 때, ASK와 MFSK의 bandwidth는 증가되지만, MPSK의 bandwith는 감소함.

(데이터의 전송량은 대역폭과 신호의 세기에 비례한다)

 

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그렇다면 이번에는 (A2D) 변조에서 가장 흔하게 사용되는 PCM 방식에 대해서 알아보겠습니다.

PCM(Pulse Code Modulation)- 펄스부호변조

: PCM은 위에서 analog signal을 digital signal로 변환할 때 배웠던 Sampling theorem에 기반을 두고 있습니다. 얼마나 빠르게 sampling 해야 하는가? 에 초점을 두고 있는데, [fs > 2fm] : 가장 높은 주파수보다 2배 빨리 sampling을 해야 한다는 것이 포인트입니다.

*근데 이제 신호는 보통 몰려있기 마련인데 Quantizing할 때, 신호의 세기와 상관 없이 이를 linear(균등)하게 나눠서 mapping하는 것이 Linear coding이라면 , 신호가 촘촘하게 몰려있는 곳에서는 Quantizing할 때, 근사치 기준을 작게 잡아서 좀 더 촘촘하게 mapping 하자는 것이 Non-linear Coding 입니다.

 

 

 

 

길고 길었던 3,5장과 이별하겠습니다..어 반가웠고 그래 다신 보지 말아요...