물리 계층

전송 매체

• 송신기와 수신기 간 물리적 통로
• 유도 전송매체 (유선): 꼬임선, 동축 케이블, 광섬유
• 비유도 전송매체 (무선): 대기, 진공, 물속

전송매체 특성

• 대역폭: 전송매체가 전달할 수 있는 신호의 주파수 범위
  - 대역폭이 넓을수록 데이터 전송률이 높다.
• 전송 손상: 전송매체로 전달되는 신호의 세기가 줄어들거나 변형되는 것
• 지연: 송신기가 보낸 신호가 수신기에 도달하는데 걸리는 시간
• 간섭: 중첩된 주파수 대역에 있는 신호에 의해 영향을 받는 현상
  • 유선: 외부 전자파에 의해 간섭을 받을 수 있다.
  • 무선: 여러가지 신호원에 의해 간섭을 받을 수 있다.

전송 손상의 종류

• 감쇄: 전송매체를 통과하는 거리에 따라 신호가 약해진다.
• 지연 왜곡: 전송매체를 통과하는 신호의 주파수에 따라 신호 전파 속도가 다르다.
• 잡읍: 송신측과 수신측의 전송과정에서 불필요한 신호가 추가된다.

유도 전송매체(유선)

• 꼬임선
• 동축 케이블
• 광섬유

무선 전송

• 안테나: 전자기 에너지를 방사하거나 모으는데 사용되는 전기 도체

• 안테나로 전파를 송신하고 수신

• 통신 시스템에 사용되는 전자기 스펙트럼

• 무선 전송 주파수 대역

  • 라디오 방송 (30MHz ~ 1GHz)
    - 라디오 방송 대역
    - 전방향 응용
  • 마이크로파 (1GHz ~ 40GHz)
    - 빔의 방향성이 좋다.
    - 점대점 전송에 적합하다.
    - 위성 통신에 쓰인다.
  • 적외선 (300GHz 이상)
    - 짧은 거리의 점대점 통신 (리모콘)

데이터와 신호

• 관점

  • 데이터: 의미 또는 정보를 전달하는 개체
  • 신호: 데이터를 전기 또는 자기 신호로 표현한 것
  • 신호 방식: 적절한 전송매체로 신호를 물리적으로 전파하는 것
  • 전송: 신호 전파와 처리를 통한 데이터 통신

• 아날로드/디지털 데이터

  • 아날로그 데이터: 연속적으로 변하는 값, 음성, 비디오
  • 디지털 데이터: 불연속 값, 텍스트(문자열)

• 아날로그/디지털 신호

  • 아날로그 신호
    • 다양한 스펙트럼의 전송매체를 통해 전파될 수 있는 연속적인 전자기파
    • 유선, 무선 통신 가능
  • 디지털 신호
    • 유선매체를 통해 전송될 수 있는 전압 펄스열
    • ex) 0과 1을 두가지 전압 레벨에 대응

• 디지털 신호의 특성

  • 아날로그 신호 방식에 비해 잡음에 강하다.
  • 아날로그 신호보다 감쇄가 크다.
  • 그림: 디지털 신호의 감쇄

• 데이터와 신호

  • 아날로그 -> 아날로그 (전화기)
  • 디지털 -> 아날로그 (모뎀)
  • 아날로그 -> 디지털 (코덱)
  • 디지털 -> 디지털 (digital transciver)

• 신호 전송
  • 아날로그 신호 전송
    • 시스템 간 통신 (loosely coupled)
    • 신호는 아날로그 데이터일 수도 있고, 디지털 데이터일 수도 있다.
  • 디지털 신호 전송
    • 시스템 내 전송 (tightly coupled)
    • 디지털 신호의 내용에 관심을 둔다.

• 데이터와 신호

  아날로그 - 아날로그

  • 신호: 일정한 스펙트럼을 점유한다.
  • 전송: 증폭기를 사용해서 전파된다.

  아날로그 - 디지털

  • 신호: 코덱으로 디지털 비트열로 인코딩
  • 전송: 디지털 신호는 리피터로 전파

  디지털 - 아날로그

  • 신호: 모뎀으로 신호로 변환
  • 전송: 아날로그 전송 시스템 사용

  디지털 - 디지털

  • 신호: 전압 레벨
  • 전송: 시스템 내부 (통신 대상이 아님)

• 디지털 전송의 장점
  • 데이터 무결성: 잡음이나 신호 손상에 의한 잡음에 강하다.
  • 전송 용량 활용: 다중화 기술로 채널에 여러 신호를 복합 전송한다.
  • 보안: 암호화 기술 적용이 쉽다.
  • 통합: 음성, 비디오, 디지털 데이터를 통합하기 쉽다.
  • 반도체 기술 발전

신호 특성

• 아날로그와 디지털 신호

  • 아날로그 신호: 신호의 세기가 시간에 따라 연속적으로 변한다. (불연속점이 없다)
  • 디지털 신호: 신호의 세기가 일정 시간 동안 유지하다가 갑자기 변한다.

• 주기 신호

  • 일정한 시간 간격으로 같은 모양이 반복되는 신호

    s(t + T) = s(t) -∞< t < ∞
    where the constant T is the period of the signal

  • 사인파(정현파): 가장 기본적인 주기 신호

    s(t) = A sin(2π ft + Φ)
    A: 진폭, f: 주파수, Φ: 위상

• 복합 신호
  • 여러 주파수의 값을 갖는 사인파의 합
  • 푸리에 급수로 각 주파수 성분을 분해할 수 있다.
    ex) s(t)=(4/π)*[sin(2πft)+(1/3)sin(2π(3f)t)]

• 데이터 전송률: 단위 시간 당 전송할 수 있는 데이터 양

• 대역폭: 신호의 주파수 범위, 신호 에너지의 대부분이 집중되어 있는 대역

• 데이터 전송률과 대역폭

  • 전송 시스템(송신기+전송매체+수신기)는 제한된 대역폭을 갖는다.
  • 이 특성은 전송매체를 통해 전달될 수 있는 데이터 전송률을 제한한다.

• ex) 방형파

  • 구형파는 주파수 대역이 무한대
  • 대부분의 에너지는 앞 부분 몇 개의 주파수 성분에 집중되어 있다.
  • 전송 시스템을 거치는 동안에 왜곡이 발생한다.

• 채널 대역폭에 따른 방형파 신호 왜곡

  • 전송 시스템의 대역폭이 클수록 왜곡이 적다.

신호 전송

• 아날로그/디지털 신호를 전자기 신호로 표현하는 방법
  (a)
  (인코더) 아날로그/디지털 신호를 디지털 신호로 만들어 전송
  (디코더) 디지털 신호를 수신하여 원 신호를 재생

  (b)
  (변조) 아날로그/디지털 신호를 아날로그 전자기파로 만들어 전송 (carrier+signal)
  (복조) 전자기파를 수신하여 원 신호를 재생

• 디지털화

  • 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정
  • 디펄스 코드 변조(PCM): 펄스 크기를 숫자로 바꾸는 방법(인코드)
  • 델타 모듈레이션: 비교기 출력을 숫자로 바꾸는 방법

• PCM: 샘플링 후 펄스 크기를 숫자로 변환
• DM: 비교기 출력을 인코드

디지털 신호 표현

• 디지털 신호

  • 이산의 연속, 불연속적 전압 펄스
  • 각각의 펄스는 신호 요소
  • 이진 데이터는 각각의 데이터 비트를 신호 요소로 인코딩하는 것에 의해 전송됨

• 데이터 요소: 디지털 데이터를 표현하는 요소 0 or 1

• 데이터 율: 시간당 데이터 전송률, bps

• 비트 시간: 한 비트를 전송하는데 소요되는 시간

• 신호 요소: 하나의 신호 코드 값을 나타내는 최단 구간

• 변조율: 신호 요소를 전송하는 속도, 시간당 신호 요소 수 (baud)

• 디지털 신호 인코딩 형식

  • 천이: 0에서 1로 또는 1에서 0으로 변하는 것

아날로그 신호 전송

• 아날로그 변조

  • 아날로그 통신, 디지털 통신에 사용
  • 고주파는 전송에 유리

• 아날로그 신호

  • 세가지 요소: 진폭, 주파수, 위상
  • 신호 요소: binary(2비트), quadrature(4비트)

• 아날로그 인코딩 (신호 변조) 방법

  • ASK (amplitude shift keying)
  • FSK (frequency shift keying)
  • PSK (phase shift keying)