신호 변환과 신호 변환기

부호화

전송하고자 하는 정보를 전송로에 의해 전송될 수 있는 신호의 형태로 변환되게 하고 전송매체에서 보낼 수 있는 신호형태와 정보의 표현 형태가 다른 경우에 전송을 가능하게 하기 위해 변환되어야 하는 것을 부호화라고 한다.

베이스밴드 전송 방식

기저대역으로 변조 없이 신호 그 자체를 전송하는 것으로, 디지털 신호를 직접 전송한다. 한 채널에서 동시에 하나의 신호만 양방향으로 전송할 수 있는 방식이다.

DSU

컴퓨터나 단말기에서 생성된 극형 신호를 변형된 양극형 신호로 바꾸어서 전송하고 수신된 양극형 신호를 극형 신호로 변환해 주는 장치로 기존의 모뎀을 이용한 아날로그 전송방식에서 벗어나 고속, 양질의 데이터를 전송하는 디지털 전송방식을 채택한 데이터 통신용 전용장비이다.

디지털 부호화

부호화

• 전송하고자 하는 정보를 전송로에 의해 전송될 수 있는 신호의 형태로 변환되게 함
• 전송매체에서 보낼 수 있는 신호형태와 정보의 표현형태가 다른 경우에 전송을 가능하게 하기 위함
• 효율적 전송
• 수신측에서는 반대의 과정을 거쳐 원래의 정보로 복원하게 되는 복호화 과정이 있음
• 부호화와 복호화를 수행하는 기기를 신호변환기라 함
  • ex) DSU/CSU, 모뎀, 코덱, PCM기기, 전화기, 방송장비 등

디지털 부호화

• 0과 1로 표현된 디지털 정보를 디지털 신호로 표현
  • ex) 베이스밴드 전송방식을 사용하는 LAN, PC에 직접 연결된 프린터나 주변장치와의 연결
• 디지털 형태인 0과 1로 출력되는 직류 신호를 변조하지 않은 채 그대로 전송
• 디지털 정보-디지털 신호 : 베이스밴드
• 전송형태 : 디지털 정보
• 신호변환 방식 :
  • 디지털 정보 -> 디지털 신호( 변조 방식: 베이스밴드)
  • 아날로그 정보 -> 디지털 신호(변조 방식 : 펄스 부호 변조PCM)
• 베이스밴드 전송 방식
  • 전송방식의 차이는 변조유무에서 비롯됨
  • 기저대역으로 변조 없이 신호 그 자체를 전송하는 것
  • 디지털 신호를 직접 전송
  • 한 채널에 동시에 하나의 신호만 양방향으로 전송할 수 있음
  • 변복조용 모뎀이 필요 없으므로 가겨기 저렴하지만 거리는 수 Km정도까지
  • 주로 이더넷, 토큰 링에서 사용 됨

디지털 정보를 디지털 신호로 전송

• 0과 1을 표현하기 위해 +나- 전압 중 하나만 사용하는 단극형 부호화
• 하나의 논리상태는 +로 다른 ㅏ나는 -전압을 사용하는 극형 부호화
• 하나의 논리상태를 나타내기 위해 -,0,+ 전압 모두를 사용하는 양극형 부호화
• 블록 코드형 그리고 3가지 이상의 신호레벨을 갖는 Multilevel형
• 단극형(Unipolar)
  • 하나의 전압 레벨만 사용
    • 0,1을 나타내기 위해서 +나 - 전압 둘 모두를 사용하는 것이 아니라 0은 0전압으로 휴지상태로 나타내고 1은 +나 - 전압 중 하나를 사용함
    • 장점 : 매우 간단하고 구현 비용이 저렴
    • 단점 : 직류성분과 동기화 문제
    • 직류성분(DC Component)문제
      • 신호의 평균 진폭이 0이 아니기 때문에 직류성분 발생
      • 마이크로파나 변압기와 같이 직류성분을 다룰 수 없는 매체는 통과 불가능
    • 동기화 문제(Synchronization)문제
      • 신호가 연속된 0 이나 1 인 경우 신호의 변화가 없으므로 수신측에서 각 비트의 시작과 끝을 결정할 수 없는 문제 발생
      • 별도의 선로로 클럭 신호를 보냄으로 동기화 문제를 해결할 수 있으나 비용이 많이 들기 때문에 잘 사용되지 않음
• 극형(Polar)
  • 극형 부호화는 (＋) 와 (－) 전압 두 개의 레벨 사용
  • 평균 전압 크기가 단극형에 비해 줄어들어 직류성분 문제를 완화시킬 수 있음
    • NRZ (Non-Return to Zero)
      • NRZ-L(Not-Return to Zero Level)
      • NRZ-I (Not-Return to Zero Invert)
    • RZ (Return to Zero)
    • Biphase
      • 맨체스터(Manchester)
      • 차등 맨체스터(Differential Manchester)
    • NRZ (Non-Return to Zero)
      • 신호의 레벨이 항상 +이거나 – 전압 둘 중에 하나의 전압만이 나타나며 0은 아무런 전송이 없는 휴지상태를 나타냄
      • 동기화 문제가 발생할 수 있음
      • 각 보오(Baud)는 하나의 비트를 나타내기 때문에 대역폭을 매우 효율적으로 사용 할 수 있음
      • 연속되는 0이나 1은 채널 상에서 신호의 상태변화가 없기 때문에 동기화를 위한 클럭 정보를 제공하는 능력이 부족함
      • 인코딩이나 디코딩을 요구하지 않고 채널의 대역폭을 효율적으로 사용 함
      • 저속 통신에 널리 사용
      • 방법 : NRZ-L, NRZ-I
      • NRZ-L(Not-Return to Zero Level)
        • 0을 나타내기 위해 하나의 전압 레벨로 정해지면 다른 하나의 전압 레벨이 1을 나타내기 위해 사용 됨
        • 0을 위해 +전압을 사용하면 1은 – 전압을 사용하여 표현 함
        • 0을 위해 –전압을 사용하면 1은 +전압을 사용하여 표현 함
      • NRZ-I (Not-Return to Zero Invert)
        • 0일 때 이전 신호 레벨을 유지하고, 1일 경우 이전 신호 레벨을 반전시키는 방식임
        • 0과 1을 표현하기 위해 +,- 전압이 할당되는 것이 아니라 이전 신호 레벨의 반전을 통해 신호를 나타내며 반전이 있는 경우는 1, 반전이 없는 경우는 0을 나타냄
      • RZ (Non-Return to Zero)
        • (＋), 0, (－) 3개의 전압 레벨을 사용
        • 0 일 경우 (－)전압으로 시작해서 중간에 0 레벨로 복귀
        • 1 일 경우 (＋)전압으로 시작해서 중간에 0 레벨로 복귀
        • 신호에 동기 정보를 포함시켜 동기화 문제를 해결하지만 상대적으로 많은 대역폭 사용
      • Biphase
        • 비트의 중간에서 0 전압 레벨로 돌아가는 것이 아니라 다른 전압 레벨로 전환
        • 매 비트마다 신호의 변화가 발생
        • 동기화 문제를 해결하는 방법 중 하나
        • 방법 : 맨체스터, 차등 맨체스터
          • 맨체스터(Manchester)
            • 동기화를 위해 비트 중간에서 신호의 반전이 발생하게 되는데 1은 – 전압에서 시작해서 비트 중간에 +전압으로 바꿔 표현하고 0은 +전압에서 시작해서 비트 중간에 - 전압으로 바꿔 표현
          • 차등 맨체스터(Differential Manchester)
            • 맨체스터 방식과 비슷하지만 0,1을 표현하기 위해 정해진 패턴이 있는 것이 아니라 0인 경우 이전 패턴을 그대로 유지하고 1인 경우 이전 패턴이 반대로 바뀌게 됨
            • 전 신호가 – 전압에서 + 전압으로 전이된 경우 다음 비트가 0일 때는 이전 신호와 같이 – 전압에서 + 전압으로 전이되어 표현하게 됨
            • 1일 때는 반대로 + 전압에서 – 전압으로 전이되어 표현하게 됨
• 양극형(Bipolar)
  • (＋), 0, (－) 3개의 전압을 사용
  • 0 전압 레벨은 0을 나타내기 위해 사용되고 1을 나타내기 위해서는 +와 – 전압 두 개가 모두 사용되는데 처음에 + 전압으로 1을 나타내면 다음에 나타나는 1은 –전압을 사용함
  • 방법 : AMI, B8ZS, HDB3
  • AMI(Alternate Mark Inversion)
    • 0전압은 0을 나타내고 +,- 전압은 1을 표현
    • 연속적인 0이 오면 동기화 문제 발생
    • 동기화 문제를 해결하기 위해 B8ZS와 HDB3 사용
  • B8ZS(Bipolar 8-Zero Substitution)
    • 미국에서 사용되는 방법으로 연속해서 8개의 0이 나타나면 0 대신 알려진 비트 패턴을 삽입
    • 마지막 2진수 1이 - 전압을 갖는다면 B8ZS는 00000000 대신에 000-+0+- 를 전송
      • 마지막 2진수 1이 + 전압을 갖는다면 B8ZS는 00000000 대신에 000+-0-+ 를 전송
      • 수신측에서는 000-+0+- , 000+-0-+ 와 같은 비트 패턴을 만나게 되면 대체 코드로 인식하고 8개의 0 스트림으로 바꿔 넣음
  • HDB3(High-Density Bipolar 3)
    • 동기화 문제를 해결하기 위해 유럽에서 사용되는 방법으로 연속적인 0이 3개 이상 발생하지 않도록 신호를 만들어 사용
    • 연속해서 0이 4개 나타나면 마지막 변환을 한 이후로 1이 나타난 횟수에 따라 홀수 개일 때는 +0000 대신에 +000+를, 0000대신에 000-를 전송하고 짝수 개일 때는 +0000 대신에 +-00-를 0000 대신에 -+00+를 전송함
• mBnB 형태 블록 코드형
  • m비트 길이의 데이터를 n비트 길이의 코드로 변환하는 방식
  • 주로 비트 동기화 문제 해결하기 위해 사용
  • 4B/5B, 8B/10B, 64B/66B, 1024B/1027B 등
    • 4B/5B
      • 4비트 길이의 그룹단위를 5비트 길이의 코드 비트로 변환하는 방식
      • ‘0’ 또는 ‘1’이 연속되어 전송되지 않도록 코드화
      • 1980년대 FDDI통신에 사용하고자 개발
      • 100Base-FX에서 NRZ-I와 함께 사용
    • 8B/10B
      • 8비트 단위를 10비트의 코드로 변환시키는 블록 코드
      • ‘0’과 ‘1’의 발생비율을 평균적으로 같게 함으로써 DC Balance 문제 해결
      • 비교적 간단하고 신뢰성 있게 저가로 구현이 가능
      • 1000Base-X(Gigabit Ethernet, USB3.0)
• Multilevel형
  • 3개 이상의 전압레벨을 사용하는 방식
  • 2B1Q (2 Binary 1 Quartenary), MLT-3(Multilevel Transmit 3 level) 방식
  • 2B1Q
    • 2진 데이터 4개(00, 01, 11, 10)를 1개의 4진 심볼(-3, -1, +1, +3)로 변환하는 방식
    • xDSL변조 방식

아날로그 정보를 디지털 신호로 전송

• 펄스 부호 변조(PCM)
• 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 전송
• 아날로그 정보를 표본화, 양자화, 부호화하는 과정을 거쳐 디지털 신호(펄스부호)로 변환하여 전송한 후 이를 다시 받아 원래의 아날로그 정보로 복원
• 무선통신에 주로 사용
• 표본화 Sampling
  • 연속적인 아날로그 정보에서 일정 시간마다 신호값을 추출하는 과정
  • 표본화 주기가 길면 원래의 아날로그 신호를 재생하는 능력이 떨어지고, 주기를 짧게 하면 원래의 아날로그 신호를 재생하는 능력이 높아짐
• 양자화Quantization
  • 표본화된 신호값을 미리 정해 둔 불연속한 유한 개의 값으로 표시하는 과정
  • 양자화 잡음(Quantization Noise)
    • 원래의 신호 파형과 양자화된 파형 사이에 차이가 있는 현상(양자화 오차라고도 함)
  • 판독된 값은 보통 128단계나 256단계로 구분하여 표시
  • 양자화 잡음을 최소한으로 줄이려면 양자화 레벨을 진폭에 따라 다르게 조절
  • 양자화 비트수와 양자화 계단수의 관계
• 부호화 Encoding
  • 양자화 과정에서 얻은 결과 정수값을 2진수로 변환하는 것
• 재생
  • 펄스 유무만을 판단하여 유효 펄스만 재생되어 복호기로 전달
• 복호
  • 부호화 과정이 역순
• 재구성
  • 복호된 표본화 신호는 저역통과필터를 통과해서 원래의 아날로그 신호로 재구성 됨
  • 저역통과필터는 4KHz 이상의 모든 주파수 성분은 제거하고 원하는 아날로그 신호만 남게 됨

디지털 신호 변환기

디지털 정보 - 디지털 신호 변환기

• 디지털 부호를 디지털 신호로 변환하는 신호변환기는 전송하는 거리에 따라 단거리용 변환기와 장거리용 변환기로 나뉘어 짐
• 단거리용 : 주로 PC와 그 주변기기 사이에서 데이터를 전송하기 위해 신호를 변환 함
• 장거리용 : 데이터를 원거리까지 전송하기 위한 종단장치들인 DSU/CSU가 있음
• DSU(Digital Service Unit)
  • 전송 : 직렬 Unipolar 신호를 변형된 Bipolar로 바꿔서 전송
  • 수신 : 변형된 Bipolar 신호를 직렬 Unipolar로 바꿔서 수신
  • 고속, 양질의 데이터를 전송하는 디지털 전송방식을 채택한 데이터 통신용 전용장비
  • 가입자 회선 전송용 디지털 신호의 송수신 회로뿐만 아니라 단말장치와 댁내 배선 케이블을 연결하기 위한 회로를 포함 함
  • 단말장치와 통신망과의 접속점이 되는 중요한 장치
• CSU(Channel Service Unit)
  • T1 또는 E1 트렁크를 수용할 수 있는 장비
  • T1은 64Kbps 24채널, E1은 64Kbps 30채널
    • 채널수가 지정되고 정해진 채널수에 따라서 전송속도가 결정 됨
  • 멀티플렉서가 채널들을 모아서 전송하는 트렁크 방식으로 전송
  • DSU와 달리 타이밍 복원회로가 없음

아날로그 정보 - 디지털 신호 변환기

• 코덱(Codec) : 코더와 디코더의 합성어
• 코더 : 음성 또는 영상의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환
• 디코더 : 디지털 신호를 음성 또는 영상으로 변환
• 코덱은 압축화 기법에 따라 자료를 압축하고 압축된 정보를 원상태로 복원하는 기능을 수행하는 장치 및 소프트웨어를 지칭하기도 함
• PCM은 코덱이라는 장비의 직접회로나 칩에서 수행하게 됨