Computer Science/데이터 통신

Chapter4 Digital Transmission

윤재에요 2023. 4. 23. 21:30
  • Digital-To-Digital Conversion
    • 이 섹션에서, 우리는 디지털 신호를 사용하여 디지털 데이터를 어떻게 표현할 수 있는지 봅니다. 변환은 세 가지 기술을 포함한다: 라인 코딩, 블록 코딩, 그리고 스크램블링. 라인 코딩은 항상 필요하다; 블록 코딩과 스크램블링은 필요할 수도 있고 필요하지 않을 수도 있다.
  • Line Coding
    • 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환하는 과정
    • 발신자에서, 디지털 데이터는 디지털 신호로 인코딩된다
    • 수신기에서, 디지털 데이터는 디지털 신호를 디코딩하여 재생성된다.
     

 

  • Line Coding Schemes의 특징
    • 신호 요소 vs 데이터 요소
      • 데이터 요소: 정보를 나타내는 가장 작은 엔티티, 비트
      • 신호 요소: 디지털 신호의 가장 짧은 단위
      • 비율 r: 신호 요소당 데이터 요소 수
       

  • Data rate vs signal rate
    • 데이터 속도: 1초로 전송된 데이터 요소의 수 (bps)
    • 신호 속도: 1초로 전송된 신호 요소의 수 (baud)
    • S = N/r ;  S:signal rate, N: data rate, r: 시그널요소당 데이터요소의 수

 

  • Bandwidth
    • 디지털 신호의 실제 대역폭은 무한하지만, 유효 대역폭은 유한합니다
    • 효과적인 대역폭: 피크 전력의 최소 50% 또는 전력이 -3dB보다 큰 부분을 포함하는 스펙트럼을 포함합니다 
    • 전체 대역폭: 신호의 모든 스펙트럼 라인을 포함합니다
    • 절대 대역폭: 신호의 총 전력의 98%를 포함합니다
    • 바드 속도는 필요한 대역폭을 결정합니다.
    • 변화가 많을수록, 더 많은 주파수, 더 큰 대역폭

  • Baseline wandering
    • Baseline: 수신된 신호 전력의 실행 평균
      • 들어오는 신호 전력은 데이터 요소의 값을 결정하기 위해 이 기준선에 대해 평가됩니다.
    • Baseline wandering: 기준선의 표류
      • •예를 들어, 신호 0s 또는 1s의 긴 문자열은 방황을 일으키고 수신기가 올바르게 디코딩하는 것을 어렵게 만들 수 있습니다.
    • 좋은 라인 코딩은 기준선 방황을 방지해야 한다.
  • Self-synchronization(자가 동기화)
    • – 신호를 올바르게 해석하기 위해 발신자와 수신자의 비트 간격이 일치해야 합니다.
    • 자가 동기화: 디지털 신호를 만드는 것은 그 자체로 타이밍 정보를 포함한다.
    • 만약 간격이 일치 하지않으면 아래와 같은 그림이 된다.

 

 

  • 내장 오류 감지
    • 전송 중에 발생한 오류의 일부 또는 전부를 감지하기 위해 생성된 코드에 내장된 오류 감지 기능이 있는 것이 바람직합니다.
  • 소음과 간섭에 대한 면역
  • 복잡성
    • 복잡한 스키마는 비용이 더든다.
    • 예를 들어, 네 개의 신호 레벨이 있는 계획은 두 개의 레벨만 있는 계획보다 해석하기가 더 어렵다.
  • 라인 코딩 체계의 다섯 가지 광범위한 범주

 

  • Unipolar Scheme(단극 계획)
    • 축의 한쪽에 있는 모든 신호 수준, 위 또는 아래
    • NRZ (Non-Return-to-Zero)
    • 신호는 비트 중간에 0으로 돌아가지 않습니다.
    • 큰 정규화된 전력과 DC 구성으로 인해 오늘 사용되지 않습니다.
     

 

 

  • Polar Schemes
    • 시간 축 양쪽의 신호 레벨
    • NRZ-L (NRZ-Level)
      • 전압 수준은 비트의 값을 결정한다.
    • NRZ-I (NRZ-Invert)
      • 반전 또는 반전이 없는 것은 값을 결정한다.
특징 NRZ-L NRZ-I
Baseline wandering 더 나쁘다 (0 또는 1의 긴 시퀀스의 경우) 더 낫다 (0의 긴 시퀀스에만)
동기화 더 나쁘다 (0 또는 1의 긴 시퀀스의 경우) 더 낫다 (0의 긴 시퀀스에만)
Polarity change 데이터의 반전 데이터의 반전이 없다.
DC component
 Yes Yes
Average signal rate
𝑁/2 baud
𝑁/2 baud

 

  • 사용된 대역폭 
    • 0에 가까운 주파수 주변의 매우 높은 전력 밀도는 높은 수준의 에너지를 운반하는 DC 구성 요소가 있음을 의미합니다
    • 대부분의 에너지는 0과 N/2 사이의 주파수에 집중되어 있습니다.

 

  • RZ(Return-to-Zero)
    • 세 가지 신호 수준: 양수, 음수, 0
    • 0: 0 → 음수 → 0
    •  1: 0 → 양수 → 0
    • 신호는 각 비트의 중간에 0으로 간다.
    • 장점
      • 자체 동기화: 비트 중간에서의 전환
      • DC 구성 요소 없음
    • 단점
      • 비트당 두개의 신호 변화 → 더 큰 대역폭 필요
      • 극성의 갑작스러운 변화 → 데이터 반전
      • 세 단계로 인한 복잡성
One data element per two signal elements(r=1/2)

 

  • Manchester and Differential Manchester   
    • 장점
      • 자체 동기화: 비트 중간에서의 전환
      •  DC 구성 요소 없음
    • 단점
      • 비트당 두 개의 신호 변화 → NRZ의 대역폭 2배
    • Manchester = RZ + NRZ-L
    • Differential Manchester = RZ+ NRZ-I
      •  

 

  • Bipolar Schemes
    • 세 가지 신호 수준: 양수, 음수 및 0 
    • 0: 하나의 데이터 요소에 대해 
    • 양수 및 음수 대안으로: 다른 요소에 대해
    • AMI (Alternate Mark Inversion) and Pseudoternary
      • NRZ의 대안으로 개발됨
      • NRZ와 동일한 신호 속도이지만 DC 구성 요소는 없음
      • 일반적으로 장거리 통신에 사용됩니다
      • 그러나 데이터에 0의 긴 시퀀스가 있을 때 동기화 문제
       

 

  • Multilevel Schemes
  • 2B1Q(2 Binary, 1 Quaternary) Quaternary:네요소로 이루어진
    • 4단계 신호에 속하는 1개의 신호 요소로 인코딩된 2비트
    • 복잡성의 비용으로 낮은 신호 속도 및 작은 대역폭
    • DSL(디지털 가입자 회선)에서 사용됨
  • 8B6T(8 Binary, 6 Ternary).  Ternary: 세요소로 이루어진
    • 3단계가 있는신호에서  6개의 신호 요소로 인코딩된 8비트
    • 256(=2^8) 데이터 패턴 각각은 729(=3^6) 신호 패턴 중 하나에 매핑됩니다.
    • 473(729-256) 매핑되지 않은 신호 패턴은 오류 감지 및 DC 밸런스에 사용됩니다.
      • 무게 또는 유효한 신호 패턴: 0 또는 +1
      • +1의 신호 패턴이 다른 +1 신호 뒤에 오면, -1의 가중치를 주기 위해 완전히 반전된다.
  • 4D-PAM5(4-Dimensional 5-level Pulse Amplitude Modulation)
    • 4D: 동시에 네 개의 전선을 통해 전송된 데이터 (와이어당 2비트)
    • 5 전압 레벨: -2, -1, 0 (오류 감지용), 1, 2
    • 기가비트 이더넷에서 사용
     

 

Multitransition

  • MLT-3 (Multi-Line Transmission, 3-level)
    • 세 개의 신호 레벨 (+V, 0, -V)과 전환 규칙
     

 

Block Coding

  • mB/nB 코딩: m비트 블록을 n비트 블록으로 변경, 여기서 n은 m보다 큽니다.
  • N > m은 동기화를 보장하고 일종의 고유한 오류 감지를 제공하기 위해 중복성을 제공합니다.
  • 세 단계: 분할, 대체 및 조합
  • 4B/5B(4 Binary/ 5 Binary)
    • 4비트 데이터 블록은 5비트 코드 블록으로 대체됩니다
    • NRZ-I와 함께 사용하도록 설계되었습니다.
    • NRZ-I의 주요 단점(0의 긴 시퀀스의 경우 동기화 부족)은 블록 코딩된 스트림이 세 개 이상의 연속 0을 가질 수 없도록 함으로써 제거된다.
  • 위에 없는 것이 들어오면 ERROR다
  • 4B/5B 블록 코딩의 대체

 

  • 4B/5B의 한계
    • NRZ-I 의 1.25배로 증가하는 신호 속도
    • •DC 구성 요소

 

 

  • 8B/10B (8 Binary/ 10 Binary)
    • –8비트 데이터 블록은 10비트 코드 블록으로 대체됩니다
    • 4B/5B보다 더 큰 오류 감지 기능
    • 매핑 테이블을 단순화하기 위해 5B/6B와 3B/4B의 조합으로 수행된 실제 인코딩
  • 스크램블링(Scrambling)
    • 바이폴라 AMI는 좁은 대역폭과 DC 구성 요소가 없으므로 0의 긴 시퀀스를 피하면 장거리에 사용할 수 있습니다. 
    • 스크램블링: 동기화를 제공하기 위해 긴 제로 레벨 펄스를 다른 레벨의 조합으로 대체하기
    • 두 가지 일반적인 스크램블링 기술: B8ZS와 HDB3

 

  • B8ZS( Bipolar with 8-zro Subtitution)
    • 북미에서 일반적으로 사용된다
    • 8개의 연속 0은 시퀀스 000VB0VB로 대체되었다.
      • V (위반): 인코딩의 AMI 규칙을 깨는 0이 아닌 전압
      • B (바이폴라): AMI 규칙에 따른 0이 아닌 전압
       

 

  • HDB3 (High-Density Bipolar 3-zero)
    • 북미 이외의 지역에서 일반적으로 사용된다.
    • 네 개의 연속 0은 각 치환 후 짝수가 아닌 펄스를 유지하기 위해 000V 또는 B00V로 대체되었습니다
    • 000V: 마지막 치환 후 0이 아닌 펄스의 #가 홀수일 때
    • B00V: 마지막 치환 후 0이 아닌 펄스의 #가 짝수일 때
     

 

  • ANALOG-TO-DIGITAL CONVERSION
    • 때때로 우리는 마이크나 카메라에 의해 생성된 것과 같은 아날로그 신호를 가지고 있다. 우리는 디지털 신호가 아날로그 신호보다 우월하다는 것을 알고 있다. 오늘날의 추세는 아날로그 신호를 디지털 데이터로 바꾸는 것이다. 이 섹션에서는 펄스 코드 변조와 델타 변조의 두 가지 기술을 설명한다.
  • 디지털의 장점
    1. 전송
      • 낮은 전송 오류
      • 수신기는 몇 가지 개별 값과 값을 구별하기만 하면 된다.
    2. 압축
      • 높은 압축성
      • 압축 방법은 디지털 데이터(예: JPEG, MPEG)에 적용할 수 있습니다.
    3. 보안
      • 높은 보안성
      • DES와 AES와 같은 보안 알고리즘은 디지털 데이터와 함께 사용할 수 있다.
  • PCM(Pulse Code Modulation)
    • 디지털화: 아날로그 신호를 디지털 데이터로 바꾸는 것
    • PCM 인코더 의 세 가지 과정
      1. 신호 샘플링 
      2. 양자화
      3. 인코딩
  • 샘플링
    • PAM(Pulse Amplitude Modulation)
    • Sampling rate(샘플링 속도): 나이퀴스트 정리에 따르면, 원래 신호를 재현하기 위해 신호에 포함된 가장 높은 주파수의 최소 2배여야 합니다. 
      • 신호는 대역폭이 아닌 가장 높은 주파수의 2배여야 합니다.
    • 예시
     

최소 두배를 가져야 원래 형태를 유추할 수 있다.

 

 

  • 양자화(Quantizaion)
    • 양자화 순서
      1. 최소 및 최대 진폭, Vmin 및 Vmax를 결정한다..
      2. Vmin과 Vmax 사이의 범위를 L 구역으로 나눈다.
      3. 각 영역의 중간점에 0에서 L-1의 양자화된 값을 할당한다.

 

  • SNRdB
    • 신호의 SNRdB에 대한 양자화 오류의 기여는 양자화 레벨 L의 수 또는 샘플 nb당 비트에 따라 달라집니다.
    • SNRdB = (6.02nb+1.76)dB

 

 

  • Encoding
    • 각 샘플은 nnbb-bit 코드 단어로 변경되었습니다.
    • 양자화 레벨 L의 수에서 결정된 각 샘플의 비트 수 nb=log2L
    • Bit rate = 𝒇s X nb

 

 

  • DM(Delta Modulation(DM)
    • PCM보다 간단하다
    • PCM이 각 샘플의 신호 진폭 값을 찾는 동안, DM은 이전 샘플의 변화를 찾는다.
    • 아날로그 신호 레벨 > 계단 신호 레벨인 경우, 작은 변화 δ가 계단 신호에 추가되고 1이 생성되며, 그렇지 않으면 δ가 계단 신호에서 차감되고 0이 생성됩니다.

  • 적응형 DM 
    • δ의 값은 고정되어 있지 않지만 아날로그 신호의 진폭에 따라 변한다.
 
 

 

  • Transmission Modes
    • 한 장치에서 다른 장치로의 데이터 전송을 고려할 때 주요 관심사는 배선이며, 배선을 고려할 때 주요 관심사는 데이터 스트림입니다. 우리는 한 번에 1비트를 보내나요? 아니면 비트를 더 큰 그룹으로 그룹화하고, 그렇다면, 어떻게 보내나요? 링크를 통한 이진 데이터의 전송은 병렬 또는 직렬 모드에서 수행될 수 있습니다. 그리고 등시성.
     

 

  • Parallel Transmission
    • n개의 비트는 n개의 wire를 통해 한번에 전송된다.
    • 전송 속도는 n배 증가하지만, 보통 비용 때문에 짧은 거리로 제한됩니다.
     

 

  • Serial Transmission
    • 오직 하나의 통신 채널 → 저렴한 비용
    • 장치 내의 통신이 병렬이기 때문에 인터페이스에서 병렬/직렬 컨버터가 필요합니다.
     

  • Asynchronous Transmission(비동기 전송)
    • 수신기는 타이밍이 아니라 추가 비트(시작 비트, 정지 비트)로 새로운 바이트의 시작과 끝을 알고 있다.
    • 바이트 사이의 가변 간격
    • 비동기는 "바이트 수준에서 비동기"를 의미하지만, 비트는 여전히 동기화됩니다; 지속 시간은 동일합니다.
    • 추가 비트와 바이트 간의 간격으로 인해 느리지만, 저렴하고 효과적이다.
    • 사용의 예 – 키보드와 컴퓨터의 연결
     

 

  • Synchronous Transmission(동기 전송)
    • 비트 스트림은 시작 또는 중지 비트와 바이트 사이의 간격 없이 여러 바이트를 포함할 수 있는 더 긴 "프레임"으로 결합됩니다.
    • 수신기가 들어오는 비트를 정확하게 계산하여 비트 문자열을 바이트로 분리해야 하기 때문에 타이밍은 매우 중요합니다.
    • 비동기 전송보다 빠르다
    • 사용의 예 – 한 컴퓨터에서 다른 컴퓨터로의 데이터 전송과 같은 고속 응용 프로그램
     
  • Isochronous Transmission(등시성 전송)
    • 동기 전송에서 프레임 사이에 고르지 않은 간격이 있을 수 있습니다.
    • 이것은 실시간 오디오와 비디오에서는 허용되지 않습니다.
    • -예를 들어, 비디오가 초당 30프레임의 속도로 방송되는 경우, 프레임 사이에 지연이 없어야 합니다. 
    • 따라서, 등시성 전송은 전체 비트 스트림이 동기화되고 데이터가 고정된 속도로 도착하도록 보장합니다.