정보전송 기초 이론 (2)

(1)

정보 전송 기초 이론 (2)

^{해양컴퓨터공학과}

(2)

통신 방식

• 단방향(simplex)

• 라디오나 TV 방송과 같이 송수신의 방향이 고정되어 있는

통신 방식

• 반이중(half duplex)

• 휴대용 워키토키와 같이 전송 방향 전환은 가능하나 동시에 송수신은 불가능한 통신 방식

• 전이중(full duplex)

• 동시에 양방향으로 송수신이 가능한 통신 방식

• 2개의 2선식 회선이나 2개의 무선 채널 필요

목포해양대해양컴퓨터공학과

2

(3)

데이터 전송 방식

•

직렬 전송

• 하나의 통신회선을 이용하여 1비트씩 순차적으로 전송

•

병렬 전송

• 데이터를 구성하는 비트별로 통신회선을 따로 두어 한꺼번에 전송하는 방식

해양컴퓨터공학과

s R

S R

(4)

신호 변환 방법

• 디지털 데이터 -> 디지털 신호

• 예 : DSU

• 아날로그 데이터 -> 디지털 신호

• 예 : CODEC

• 디지털 데이터 -> 아날로그 신호

• 예 : Modem을 이용하여 PC 데이터를 전화회선으로 전송

• 아날로그 데이터 -> 아날로그 신호

• 예 : 음성신호를 전화 회선으로 전송

4

(5)

전송방식

• 베이스밴드(Base Band) 전송방식

• 전송신호를 변조 없이 그대로 전송하는 방식

• 대역 전송 방식

• 전송할 신호를 충분히 높은 주파수의 반송파를 이용하여 진폭, 주파수, 위상에 대응하여 전송하는 방식

(6)

디지털

/디지털 변환

6 digital/digital

encoding

unipolar polar bipolar

(7)

단극형

(unipolar encoding)

• 특징

• 다른 용어로 단류(single current)방식

• 1 또는 0을 부전압(-)과 0전압, 혹은 정전압(+)와 0전압에 대응

• 매우 단순하면서 원시적

• 전송방식은 간단하나 전송로의 감쇄와 특성 변화에 따른 영향이 크므로 단거리 구간 전송에 이용

• 개념 소개나 디지털 전송 시스템의 문제 조사에 이용

• 문제점

• 직류 성분

• 신호의 평균 진폭이0이 아닌 상태

• 신호에 직류성분이 있는 경우 직류성분을 다룰 수 없는 매체를 통과하지 못함

(8)

단극형 전송 방식 예

8 단류 NRZ

1 0 1 0 0 1 1 0

0 -E

단류 RZ 0 -E

(9)

극형(Polar encoding)

• 특징

• 양과 음 두가지 전압준위 사용

• 회선의 평균 전압준위 감소화와 직류성분 문제 완화

(10)

NRZ(nonreturn to zero) (1)

• 비영복귀(NRZ: nonreturn to zero)

• 신호의 준위는 항상 양 아니면 음

• NRZ-L

• 양전압은 1, 음전압은 0, 신호의 준위는 비트 상태에 따라 좌우

• NRZ-I

• 전압 준위의 반전이1을 표현

• 동기화를 제공할 수 있다는 점에서 NRZ-I이 NRZ-L에 비해 우수

10

(11)

NRZ(nonreturn to zero) (2)

(12)

RZ(return to zero)

• 연속적인 0이나 1에서 동기를 보장하는 방안으로 각 비트마다 신호의 변화를 준다.

12

(13)

2상(Biphase) 부호화(1)

• 신호가 비트간격 한 가운데에서 변화하되, 0으로 돌아오지는 않는다.

• 맨체스터(Manchester) 부호화

• 동기화와 비트 표현을 위해 비트 중간지점의 신호전위를 이용

• 차분 맨체스터(differential Manchester) 부호화

• 비트 중간의 반전은 동기화를 위해, 비트 표현은 비트 시작점에서의 반전 유무로 표현

(14)

2상(Biphase) 부호화(2)

14

(15)

양극형

(Bipolar) 부호화

• 양, 음 및 0의 세가지 전압 준위 사용

(16)

AMI

(alternate mark inversion)

• 제목의 의미 : 교대로 나타나는 반전되는 1

• 다른 이름 : 의사3진법(pseudoternary)

• 1이 나타날 때마다 전압이 반전됨으로써 직류성분 0, 연속되는 1이 나타나는 경우 동기화 가능

• 문제는 계속되는 0에서의 동기화

16

(17)

B8ZS

(bipolar 8-zero substitution)

• 연이은 0의 문자열에 동기화를 제공하기 위해 북미에서 채택한 방식

• 연속되는 0에 위반(violation)이라는 인공적인 신호변화를

강제적으로 주어 동기화 제공

(18)

HDB3

(High-density bipolar 3)

•

유럽

/

일본 방식

•

연속된

4

개의

0

을 만나면 양극형

AMI

에 변화 삽입

18

(19)

베이스밴드 전송 방식 예

(1)

• 바이폴라(bipolar) 방식

• 단류 방식의 변형으로 단류 방식의 펄스를 교대로 (+), (-)의 펄스로 변환시키는 방식

• 교대로 펄스를 이용하므로 평균 값이 0 -> 직류 성분 차단

• 차분(differential) 방식

• 전압이 변환되는 점을 0에, 변환되지 않는 점을 1에 대응

• 수신 파형의 극성이 모두 반전되어도 복조 가능

• 다이코드(dicode) 방식

• 0에서 1로 변화할 때 (+) 전위, 1에서 0으로 변화할 때 (-) 전위, 변화하지 않을 때는 0 전위로 하는 방식

(20)

베이스밴드 전송 방식 예

(2)

20 바이폴라 RZ

1 0 1 0 0 1 1 0

차분

다이코드

0 -E +E

CMI 0

-E +E

0 -E +E

(21)

아날로그

/

디지털 변환

• 사람의 목소리 -> 디지털 신호

• 잠재적으로 무한한 수의 정보를 정보의 손실을 최소화하면서 표현

• 예 : codec

(22)

PAM

(pulse amplitude modulation)

• 아날로그 신호로 표본을 채집(sampling)하고 그 결과에 근거하여 일련의 펄스를 생성

• 임의의 진폭을 갖는 관계로 데이터통신에는 유용하지 않다

22

(23)

PCM

(pulse code modulation)

• PAM 펄스 값을 정량화(quantization)하여 특정 범위에 속하는 정수값을 할당

(24)

PCM

변환 과정

24

(25)

표본채집률과 표본당 비트 수

• 나이퀴스트(Nyquist) 정리

• PAM을 사용하여 원래의 아날로그 신호를 정확히 재현하기

위해서 최소한 표본채집률이 원래 신호의 2배는 되어야 한다.

• 표본당 비트 수는 필요로 하는 정밀도의 레벨에 의해 결정

• 비트율 = 표본채집률 X 표본당 비트수

(26)

디지털

/아날로그 변조

• 디지털 신호를 기반으로 하는 정보를 아날로그 신호로 바꾸는 과정

26

(27)

디지털

/아날로그 부호화 형식

(28)

비트율과 보오율

• 데이터 전송 속도(비트율)

• 매초당 몇 개의 비트가 전송되는가

• 단위 : bps(bits per second)

• 변조 속도(보오율)

• 1초당 몇 회의 변조가 수행되었는지 표시

• 보오(baud)

• 비트율과 보오율의 관계

• 하나의 비트가 하나의 신호 단위로 사용될 경우 보오와 bps는 동일

• 하나의 신호에 3비트 정보가 담겨 있다면 보오의 값은 1/3 bps

28

(29)

진폭편이변조

(ASK: amplitude shift keying)

• 2진수 1과 0을 표현하기 위해 신호의 강도를 이용

• 잡음(noise)간섭에 민감

• ASK의 요구 대역폭 = (1 + d) X Nbaud

• 여기서 d는 회선의 상태와 관련된 계수(최소 0)

(30)

주파수편이변조

(FSK: frequency shift keying)

• 2진수 1과 0을 표현하기 위하여 신호의 주파수 이용

• ASK의 잡음 문제를 대부분 해소

• 반송파의 물리적인 용량에 제한

• FSK의 요구 대역폭 = 신호의 보오율과 주파수 변화의 합 =

(fc1 – fc2) + Nbaud

30

(31)

위상편이변조

(PSK : phase shift keying)

• 2진수 1과 0을 표현하기 위하여 신호의 위상 이용

• 잡음이나 대역폭 제한 등에 영향을 받지 않는다

• PSK의 요구 대역폭은 ASK의 요구대역폭과 같으나 PSK의 최대비트율은 ASK보다 훨씬 크다

(32)

위상편이변조 예

: 4-PSK

32

(33)

위상편이변조 예

: 8-PSK

(34)

구상진폭변조

(QAM : quadrature amplitude modulation)

• ASK와 PSK를 조합한 형태

• 수많은 변형 가능

34

(35)

QAM의 예

(36)

비트율과 보오율 비교(1)

36

(37)

비트율과 보오율 비교(2)

Modulation Units Bits/Baud Baud rate Bit rate

ASK, FSK, 2-PSK Bit 1 N N

4-PSK, 4-QAM Dibit 2 N 2N

8-PSK, 8-QAM Tribit 3 N 3N

16-QAM Quabit 4 N 4N

32-QAM Pentabit 5 N 5N

(38)

아날로그

/

아날로그 변환

• e(t) = E cos(wt + f)

• E : 진폭 w : 주파수 f : 위상

38

목포해양대 해양컴퓨터공학과

(39)

진폭변조

(AM: amplitude modulation)

• 변조신호의 진폭변화에 따라 반송파의 진폭이 같이 바뀌는 방식

• AM 신호의 대역폭

• 변조되는 신호의 대역폭의 2배

• 오디오 신호: 5kHz -> AM 방송 : 10kHz

(40)

SSB(single side band)

• 한쪽 측대파만을 이용하여 전송하는 방식

• 장점

• 주파수 이용 효율 증가

• 저전력 통신 가능

• 소형화 가능

• 단점

• 회로 구성이 복잡

• 가격이 높다

• 동기를 맞추기 위한 발진기 필요

40

(41)

주파수변조

(FM : frequency modulation)

• 반송파 신호의 주파수가

변조신호의 전압준위변화를 따른다.

• FM 대역폭은

변조신호대역폭의 10배

• 예 : 스테레오의 경우 오디오

신호 대역 15kHz -> 방송 150kHz이상 (200kHz)

(42)

위상변조

(PM: pulse modulation)

• 반송파의 위상이 변조신호의 전압준위(진폭)의 변화에 따라 변조

• FM에서 중간단계로 많이 이용

42

(43)

동기식과 비동기식(1)

• 비동기식

• start-stop 방식

• 한번에 한 문자씩, stop bit은 1, 1.5, 2비트 길이

• 무통신 상태는 1유지

• data 8비트에 2 ~ 3비트 추가 : 이용률 70 ~ 80%

전송데이터

start stop

(44)

동기식과 비동기식(2)

• 동기식

• 동기를 맞춘 후 송수신측 사이에 미리 정해진 수만큼의 문자열을 한번에 보내는 전송 방식

• 비트동기방식

• 동기 신호를 별도로 전송하는 방식

• 수신신호에서 동기 신호를 검출하는 방식

44

(45)

동기식과 비동기식(3)

• 문자 동기 방식

• SYN, STX, ESC 등 특수 문자를 이용

• SYN(00010110)을 데이터 블록 선두에 붙여 동기를 취하고, 마지막에 ETX 송신

• 중간에 SYN가 나오는 경우 SYN,SYN

전송 프레임

(46)

동기식과 비동기식(4)

• 프레임(frame) 동기 방식

• 데이터 처음과 끝에 flag(01111110)을 추가하여 데이터의 처음과 끝을 표시

• bit stuffing

• 01111110 -> 011111010

46 01111110

플래그 주소 제어 정보

01111110 프레임 플래그

체크섬

(47)

연습문제

• 신호변환방법의 종류를 들고 각각의 예를 제시하시오.

• 극형 부호화 방식이 단극형 부호화 방식에 비해 개선된 점을 설명하시오.

• PCM 방식의 과정을 설명하시오.

• ASK, FSK, PSK, QAM을 비교 설명하시오.

• SSB 방식에 대해 설명하시오.

• 비동기식 전송에 대해 설명하시오.

• 문자 동기 방식과 프레임 동기 방식을 비교 설명하시오.