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2.1 Analog 전송과 Digital 전송
2.1.1 신호
♣ 데이터는 전기적 신호의 형태로 전송매체를 통해서 전송된다.
(1) 시간의 함수로서의 신호
◈ 모든 신호는 시간에 따라 변하는 시간의 함수 형태로서 표현된다.
◈ 임의의 신호가 주기 함수의 특성을 가진다고 할 때, 이는 다음의
세 가지 주요한 특성을 가진다.
ⅰ) 진폭 : 어떤 특정한 순간의 신호의 값.
ⅱ) 주파수 : 주기의 역수.
1초당 주기의 반복 횟수.
ⅲ) 위상 : 한 신호의 단일 주기 내에서 시간에 대한
상대적인 위치.
(2) 주파수 함수로서의 신호
◈ 신호는 여러 개의 주파수의 정현파의 조합.
◈ 스펙트럼 (Spectrum) : 신호가 포함하는 주파수의 범위.
◈ 대역폭 (Bandwidth) : 스펙트럼의 폭.
·신호의 Bandwidth : 신호가 포함하는 주파수의 범위.
·전송매체의 Bandwidth : 전송매체가 지원할 수 있는
주파수의 범위.
2.1.2 Analog와 Digital
(1) 아날로그 신호
: 연속적으로 변화하는 신호.
ex) 사람의 음성.
(2) 디지털 신호
: 0, 1, 2, 3과 같이 유한하고 이산적인(Discrete) 수치로
표현할 수 있는 신호.
2.1.3 전송 방식
(1) 아날로그 전송 방식
― 아날로그 신호를 전송하는 수단.
― 아날로그 신호는 아날로그 데이터이거나 모뎀을 통해 변조된
디지털 데이터.
― 원거리 전송시 증폭기 사용.
― 증폭기는 신호에 포함된 잡음성분도 같이 증폭시키므로 여러 개의
증폭기를 거친 신호일수록 왜곡 현상이 심해진다.
(2) 디지털 전송 방식
― 리피터(Repeater) 사용 → 전송 거리의 제한 극복.
― 리피터는 디지털 신호로부터 원래의 디지털 신호를 재생하여
재전송하므로 증폭에 의한 왜곡 현상을 막을 수 있다.
2.1.4 Bandwidth와 Data Rate
(1) Bandwidth란?
― 전송 매체의 대역폭 (Bandwidth)
: 전송매체를 통해 전송할 수 있는 신호 주파수 범위(Analog).
― 채널 용량 (Channel Capacity)
: 채널을 통해 전송할 수 있는 최대 전송 속도(bps)
ex) 전화망의 Bandwidth : dir 3100Hz.
(2) 전송 선로의 대역폭에 의한 전송 속도(Data Rate)의 제한
― 8비트로 구성된 ASCII 문자가 300bps의 전송속도로 전송할 경우,
주기 T의 값은 26.67msec이며 기본 주파수 f0는 37.5Hz(=1/26.67)이다.
따라서, 3100Hz의 대역폭을 지원하는 전화선을 사용할 경우 80여개의
고조파(Harmonics) 성분을 전송할 수 있다.
☞ 참고
고조파(Harmonics)
: f0 (기본 주파수)의 배수를 포함한 항들.
♣ 다음 [표 2.1]은 각기 다른 전송 속도에서 기본 주파수 f0와 전화선을
통해 전송할 수 있는 고조파의 성분을 보여준다.
| 전송 속도 (bps) | 주 기 T (msec) | 기본 주파수 First harmonic (Hz) | 전송되는 고조파의 수 # of harmonics sent |
|---|---|---|---|
| 300 600 1200 2400 4800 9600 19200 38400 |
26.67 13.33 6.67 3.33 1.67 0.83 0.42 0.21 |
37.5 75 150 300 600 1200 2400 4800 |
80 40 20 10 5 2 1 0 |
2.2 전송 손상 (Transmission Impairments)
2.2.1 감쇠 현상
― 신호가 전송선을 따라 전파되면서 그 진폭이 감소하는 현상.
― 감쇠를 고려하여, 수신기가 신호를 검출하고 해석할 수 있는 범위 이내로
전송 케이블의 길이를 제한한다.
2.2.2 지연 왜곡
― 신호의 전파 속도는 그 신호의 주파수에 따라 변한다.
― 여러 가지 주파수 성분을 갖는 신호의 전송에서는 각 주파수 성분이
다른 지연 시간을 가지고 도달하게 되어 지연 왜곡이 발생한다.
― 디지털 신호 전송의 경우 심벌간 간섭 현상(Intersymbol Interference)을
유발할 수 있다.
☞ 참고
심벌간 간섭 현상 (Intersymbol Interference)
: 일련의 비트열을 전송하는 경우, 전송속도를 증가시킴에 따라
앞선 비트의 신호 구성 성분이 다음 비트의 성분과 중복되는 현상.
2.2.3 잡음 (Noise)
♣ 잡음이란?
: 전송 도중에 추가된 불필요한 신호.
♣ 종류
(1) 열 잡음 (= 백색 잡음)
: 도체 내에서 온도에 따른 전자의 운동량의 변화에 기인하는 잡음.
(2) 누화 (Crasstalk)
: 인접한 Twisted Pairrks의 전기적 신호의 결합으로 발생.
ex) 전화 통화중의 통화의 혼선.
(3) 충격 잡음 (Impulse Noise)
: 비연속적이고 불규칙적인 진폭을 가지며, 짧은 순간 동안
다소 큰 세기로 발생하는 잡음.
2.2.4 채널 용량 (Channel Capacity)
― 데이터의 전송 속도가 높아질수록 잡음에 의한 데이터의 손실률도
커지게 되는데, 신호의 세기를 증가시킴으로써 데이터의 성공적인
수신율을 높일 수 있다.
― 신호 대 잡음비 (Signal-to-Noise Ratio)
: ·전송 시스템을 평가하는 중요 변수로 수신측에서 측정되며
데시벨로 표현.
·디지털 데이터 전송의 경우 데이터 전송률의 상한선을
결정하는 요인.
― Shannon의 법칙.
: bps로 나타낸 통신 채널의 용량을 표시.
C = W·log2(1+S/N)
C : bps로 나타낸 채널의 용량.
W : 채널의 대역폭 (Hz).
2.3 전송 매체
♣ 전송 매체란?
: 전송측과 수신측을 연결하는 물리적인 경로.
♣ 종류
(1) 유선 매체 : 트위스티드 페어, 동축 케이블, 광섬유.
(2) 무선 매체 : 위성 및 지상 마이크로파와 라디오파.
2.3.1 유선 매체
(1) 트위스티드 페어 (Twisted-Pair Line)
― 절연된 구리선을 서로 꼬아 만듦으로써 인접한 다른 쌍과의 전기적
간섭 현상을 줄일 수 있다.
― 용도
ⅰ) 디지털과 아날로그 전송에 사용.
ⅱ) 현재 전화선과 건물내의 통신회선에 널리 사용.
― 전송 특성
ⅰ) 아날로그신호의 전송을 위해 5∼6Km의 간격으로 증폭기 필요
ⅱ) 디지털 전송을 위해 약 2∼3Km마다 Repeater 필요.
― 다른 전송 매체에 비해 설치가 간편하고 가격이 저렴한 반면 전송
거리와 전송 속도에 제한이 따른다.
(2) 동축 케이블 (Coaxial Cable)
― 용도
ⅰ) 근거리 통신망.(LAN)
ⅱ) 원거리 통신망.
ⅲ) 케이블 TV.
― 전송 특성
ⅰ) 구조적 특성상 외부와의 차폐성이 좋아서 간섭현상이 적다.
ⅱ) 트위스티드 페어에 비해 동축 케이블이 갖는 장점.
·용량이 커서 넓은 대역폭의 신호를 전송할 수 있다.
·케이블간의 혼선은 무시도리 수 있을 정도.
·주파수에 따른 신호의 감쇠나 전송지연의 변화가 적다.
(3) 광섬유 (Optical Fiber)
― 가늘고 가벼우며 구부러지기 쉬운 성질을 가진다.
― 유리나 플라스틱으로 만듦.
― 용도
·근거리 및 광역 통신망을 비롯한 다양한 분야에 이용.
― 다른 유선 전송 매체에 비해 갖는 장점.
ⅰ) 넓은 대역폭.
ⅱ) 작은 크기와 적은 무게.
ⅲ) 적은 감쇠도.
ⅳ) 전자기적 격리.
: 광섬유는 빛의 형태로 신호를 전송하므로 외부적
전자기장에 영향을 받지 않는다.
ⅴ) 보다 넓은 리피터 설치 간격.
: 비용 및 에러 유발 요인의 감소.
2.3.2 무선 매체
― 자유 공간에서 전자기파(Electro-Magnetic Wave)를 이용하여 데이터 전송.
― 2∼40GHz의 주파수 범위를 갖는 마이크로파(Microwave) 30MHz에서 1GHz의
주파수 범위를 갖는 라디오파(Radio)가 이용된다.
(1) 지상 마이크로파
― 매우 높은 정도의 방향성을 갖는다.
→ 지점간(Point-to-Point) 전송에 적합.
― 장애물에 취약.
― '파라볼라' 안테나 이용.
― 용도
ⅰ) 장거리 통신 서비스용.
ⅱ) TV나 음성 전송용 동축 케이블의 대용으로 사용.
ⅲ) 두 빌딩의 폐쇄회로 TV나 LAN을 서로 연결하기 위한
용도로 사용.
(2) 위성 마이크로파
― 마이크로파 중개국으로서 통신 위성 사용.
― 2개 혹은 그 이상의 지상 송·수신국을 서로 연결하기 위해 사용.
― 용도
: 장거리 전화, TV 방송 등에 이용.
→ 광범위한 지역에 이용될 수 있다.
(3) 라디오파
― 다방향성(Omni-Directional)
― 용도
ⅰ) AM, FM 라디오와 VHF, UHF TV 방송에 사용.
ⅱ) 이동 통신 등의 여러 분야에 새롭게 응용되고 있다.
| Type | 장 점 | 단 점 |
|---|---|---|
| Twisted Pair | Low Cost, 설치가 용이 | 비교적 낮은 Bandwidth, 외부 충격에 취약 |
| 동축 Cable | Shielded, High bandwidth | 취급이 약간 어렵다 |
| 광 Cable | 잡음에 강하다, Very high bandwidth | 설치비가 비싸다 |
| Micro - wave | High bandwidth, no cabling | 초기 설치비가 비싸다 |
| 인공위성 | High bandwidth, no cable, 광역성 | 초기 투자가 많다, 지연시간 |
2.4 변조 (Modulation)
♣ 변조란?
: 디지털과 아날로그 데이터를 아날로그 신호의 형태로 변환하는 것.
♣ 복조(Demodulation)란?
: 변조된 신호를 원래의 데이터로 바꾸는 과정.
♣ 변조는 반송 주파수(Carrier Frequency)라고 하는 일정한 주파수를 갖는
반송 신호(Carrier Signal)에 전송할 데이터를 결합시켜 전송 신호를 만드는
형태로 이루어진다.
♣ 변조 기법
(1) 진폭 (Amplitude)
(2) 주파수 (Frequency)
(3) 위상 (Phase)
2.4.1 디지털 데이터 → 아날로그 신호
(1) 진폭 편이 변조 (ASK : Amplitude-Shift Keying)
― 두 개의 2진값 0, 1은 각각 서로 다른 진폭을 가진 반송 주파수로
표현된다.
ex)
fc : 반송 주파수.
(2) 주파수 편이 변조 (FSK : Frequency-Shift Keying)
― 두 개의 2진값은 두 개의 서로 다른 주파수로써 구분.
ex)
>
(3) 위상 편이 변조 (PSK : Phase-Shift Keying)
― 데이터를 표현하기 위해 반송 신호의 위상을 이동시킴.
ex) Two-Phase 시스템의 경우.
· 2진수 0은 이전의 위상과 같은 위상을, 2진수 1은 이전의 위상과
반대의 위상을 가진 신호를 보냄으로써 구별.
>
>
[그림 2-1]
2.4.2 아날로그 데이터 → 아날로그 신호
(1) 진폭 변조 (AM : Amplitude Modulation)
Y1 = A1 ·cos ( ω1 * t ) : Carrier
Y2 = A2 ·cos ( ω2 * t ) : Signal
Y = ( A1 + Y2 ) ·cos ( ω2 * t )
(2) 주파수 변조 (FM : Frequency Modulation)
Y = A1 ·cos ( ω1 + Y2 ) ·t
= A1 ·cos ( ω1 + A2 ·cos ( ω2 * t ) ) ·t
(3) 위상 변조 (PM : Phase Modulation)
Y = A1 ·cos ( ω1 + Y2)
= A1 ·cos ( ω1 + A2 ·cos ( ω2 * t ) )
>
[그림 2-2]
2.5 아날로그 신호의 디지털화
― 보통 증폭기는 신호는 물론 잡음까지 증폭한다. 따라서 아날로그 신호가
증폭기를 여러개 통과하면서 잡음이 점차 커져 신호전송에 심각한 영향을
줄 수 있다. 그러나 디지털 전송의 경우 각 리피터에서 펄스, 즉 디지털
신호의 재생이 가능하기 때문에 원래의 신호와 동일한 신호의 전달이 가능하다.
2.5.1 PCM (Pulse Code Modulation)
― 기능
ⅰ) 아날로그 신호의 PAM 표본화.
ⅱ) 표본화된 진폭의 양자화(Quantization).
ⅲ) 양자화된 PCM 펄스를 디지털 신호로 나타내기 위한 부호화(Encoding).
(1) PAM (Pulse Amplitude Modulation) 표본화.
: 음성과 같은 아날로그 신호를 디지털화하기 위해서는
일정한 간격으로 표본화(Sampling)해야한다.
(2) 양자화 (Quantization)
: PAM 펄스의 진폭의 크기를 디지털 양으로 변환하는 것.
(3) 부호화 (Encoding)
: 양자화된 PCM 신호(2진 비트열)를 실제 전송을 위한
디지털 신호로 변환.
>
[그림 2-3]
2.6 다중화(Multiplexing) 기술
♣ 다중화(Multiplexing)란?
: 보통 1개의 전송로로 복수의 데이터 신호를 중복시켜서 전송하는 것.
♣ 다중화 방식
(1) 시간 분할 다중화 (TDM : Time Division Multiplexing)
(2) 주파수 분할 다중화 (FDM : Frequency Division Multiplexing)
(3) 코드 분할 다중화 (CDM : Code Division Multiplexing)
♣ 이용자의 입장 (다수의 이용자가 전송로를 공용)
(1) 시간 분할 다원 접근 (TDMA : Time Division Multiple Access)
(2) 주파수 분할 다원 접근 (FDMA : Frequency Division Multiple Access)
(3) 코드 분할 다원 접근 (CDMA : Code Division Multiple Access)
>
(a) FDM
>
(b) TDM
>
(c) CDM
[그림 2-4]
2.6.1 주파수 분할 다중화 방식 (FDMA)
― 한 전송로의 대역폭을 몇 개의 작은 주파수 영역으로 나누어 여러 개의
단말들이 동시에 전송할 수 있도록 하는 방식.
― 채널간의 상호 간섭을 막기 위해 완충지역으로 보호 밴드(Guard Band)가 필요.
― 장점
ⅰ) 비교적 간단한 구조 →실제 가격이 저렴.
ⅱ) 주파수 분할 다중화 자체가 주파수 편이 변 ·복조기의 역할을
수행하므로 별도의 변 ·복조기가 필요 없다.
― 사용 예
ⅰ) TV 방송.
ⅱ) Cable TV.
2.6.2 시분할 다중화 방식 (TDMA)
(1) 동기식 시분할 다중화 방식
― 한 전송로의 시간축을 일정한 주기의 타임 슬롯으로 나누어
각 채널에 할당함으로써 몇 개의 채널들이 한 전송로를 나누어
사용할 수 있도록 한다.
― 미리 각 채널에 타임 슬롯을 할당하므로 전송할 데이터가
없는 경우 그 채널에 할당된 타임 슬롯은 낭비된다.
☞ 참고
채널(Channel)
: 한 쌍의 송/수신기에 논리적으로 형성되는 전송로.
실제의 전송로(통신로)를 회선(Circuit) 또는 링크(Link)라고 한다.
(2) 비동기식 시분할 다중화 방식
― 대역 확산 (Spread Spectrum) 방식
: ― 기본적으로 보내고자하는 신호를 신호의 대역폭보다
아주 넓은 주파수 대역으로 확산하여 보내는 방식.
·장점 : 통신의 기밀 유지와 전파 방해에 강함.
― 장점
ⅰ) 정보를 확산부호라고 하는 암호 형태의 부호를 이용하여
스펙트럼 확산하여 전송하므로, 제 3자가 수신한다하여도
해독하기가 어렵다.
ⅱ) 신호 대역을 수백∼수천 배로 확대하여 전송하므로,
잡음과 구별할 수 없을 만큼 전력밀도가 낮아져서
신호의 존재를 알기 어렵다.
ⅲ) 잡음에 강하다.
2.7 교환 방식
♣ 두 지점의 DTE를 연결하는 방법
(1) 전용선 (Leased Line) 방식
: 중간에 있는 교환기들을 통과(Bypass) 하여 두 지점의 DTE만이
사용하는 전용 회선으로 직접 연결되어 있으므로 두 DTE가 통신할
준비가 되어있다면 언제든지 통신이 가능.
(2) 교환 (Switching) 방식
: 통신할 때마다 교환기(Switching Exchanger)가 경로를
설정해주어야만 통신이 가능.
2.7.1 회선 교환 (Circuit Switching)
& 패킷 교환 (Packet Switching)
♣ 회선 교환 (Circuit Switching)이란?
: ·전화를 사용할 때 전화망의 교환기가 송신기와 수신기 사이의
물리적 통신로를 설정해주는 방식.
·정보를 전송하기 앞서 두 지점간의 통신로를 설정하는 단계가 필요.
♣ 패킷 교환 (Packet Switching)
― 메시지 교환 (Message Switching) 이란?
·데이터의 블럭(메시지)단위로 축적과 재전송을 수행하는 것.
·장점 : 데이터 블럭의 크기에 제한이 없다.
·단점 :
ⅰ) 큰 버퍼 영역 필요.
ⅱ) 하나의 메시지가 교환기와 교환기 사이의 전송로를
오랫동안 점유함으로써 전송 시스템들간의 통신망
사용의 공평성에 제약을 받음.
ⅲ) 대화형 통신에 적합하지 않다.
― 패킷 교환 (Packet Switching) 이란?
·전체 데이터 블럭을 패킷(Packet)이라고 부르는 일정한
크기 이하의 데이터 단위로 나누어서 처리하는 방식.
·전송 시스템들이 패킷단위로 전송선로를 공유하므로
전송선 점유의 공평성이 제공됨.
·스위치는 하나의 패킷만 축적되면 바로 다음 스위치로
재전송할 수 있으므로 전체 메시지의 전송 시간을 줄이게되어
대화형 방식의 통신 지원 가능.
>
[그림 2-5] 회선 교환과 패킷 교환
>
[그림 2-6] 회선 교환, 메시지 교환, 패킷 교환의 비교
♣ CSDN (Circuit Switching Data Network)와
PSDN (Packet Switching Data Network)
| CSDN | PSDN | |
|---|---|---|
| Connection | Physical channel | Logial channel, (store-and-forward) |
| 송수신자간의 Data Rate | Fixed data rate | Different data rate |
| Error and Flow control | performed by user | performed by network |
| Data Unit | Data block | Packet |
2.8 디지털 신호의 부호화 ― 디지털 데이터 →디지털 신호. ― 디지털 신호는 일련의 불연속적인 전압 펄스들로 구성. ― 2진수 형태의 디지털 데이터는 적절한 규칙에 따라 각 데이터 비트를 전압 펄스로 변환시켜 전송. 2.8.1 부호화 방식 ♣ 부호화를 위한 형식에 대한 정의
| Nonreturn to zero Level (NRZ-L) | 0 = high level 1 = low level |
| Nonreturn to zero Invert (NRZI) | 0 = no transition at beginning of interval (one bit time) 1 = transition at beginning of interval |
| Bipolar - AMI | 0 = no line signal 1 = positive or negative level, alternating for successive ones |
| Pseudoternary | 0 = positive or negative level, alternating for successive zeros 1 = no line signal |
| Manchester | 0 = transition from high to low in middle of interval 1 = transition from low to high in middle of interval |
| Differental Manchester | Always a transition in middle of interval 0 = transition at beginning of interval 1 = no transition at beginning of interval |
2.9 물리 계층 인터페이스 표준 ♣ 데이터 단말 장치 (DTE : Data Terminal Equipment)란? : 데이터 통신 시스템에 접속되는 컴퓨터나 터미널과 같은 이용자 단말장치의 총칭. ♣ 데이터 회선 종단 장치 (DCE : Data Circuit-Terminating Equipment)란? : 데이터 통신망의 통신업자(Communication Carrier)측의 종단에 위치하여, DTE로부터의 2진 신호를 규정된 통신망용의 신호로 변환하고, 반대로 통신망으로부터의 신호를 DTE를 동작시킬 수 있는 형태로 변환하는 장치의 총칭. ― 아날로그 전송일 때 : 모뎀(Modem). ― 디지털 전송일 때 : DSU(Digital Service Unit). ♣ 물리 계층 인터페이스의 4가지 특성 (1) 기계적 특성 : DTE와 DCE의 실제의 물리적 연결에 관한 규정. (2) 전기적 특성 : 신호의 전압 레벨과 전압 변동의 타이밍과 관련된 규정. (3) 기능적 특성 : DTE―DCE를 연결하는 각 단자의 기능을 규정. (4) 절차적 특성 : 기능적 특성을 기준으로 하여, 데이터 전송을 위해 각 단자간에 주고받는 신호의 순서를 규정. ♣ 가장 일반적인 RS-232-C에 대해서 알아보자. ― EIA (Electric Industries Association) 표준. ― 아날로그 공중전화망을 이용하기 위해 음성급 모뎀(DCE)에 DTE를 연결하는데 사용. ― 컴퓨터와 단말을 연결하는 인터페이스 표준으로 사용. ― 15m 이내의 거리.
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