[데이터통신] 신호 변환기

5 분 소요

<h1 id="신호-변환기의-종류">신호 변환기의 종류</h1>
<ul>
  <li><strong>MODEM</strong><br />
 <strong>디지털 데이터를 아날로그 신호</strong>로 변환시키는 장비로 <code class="language-plaintext highlighter-rouge">PSTN</code>(공중 전화망)에 접속되는 장비</li>
  <li><strong>DSU</strong><br />
<strong>디지털 데이터를 전송망에 적합한 디지털 신호</strong>로 변환시키는 장비로 <code class="language-plaintext highlighter-rouge">PSDN</code>(공중 데이터망)에 접속되는 장비</li>
  <li><strong>CODEC</strong><br />
<strong>아날로그 데이터를 디지털 신호</strong>로 변환시키는 장비로 <code class="language-plaintext highlighter-rouge">PCM</code>이 대표적인 예</li>
  <li><strong>Telephone</strong><br />
<strong>아날로그 데이터를 아날로그 신호</strong>로 변환시키는 장비로 빠르고 멀리 전송하기 위해 음성 대역 의 낮은 주파수를 <strong>높은 주파수로 변환</strong></li>
</ul>

<h2 id="modemmodulator--demodulator">MODEM(Modulator / Demodulator)</h2>
<ul>
  <li>기존의 공중 통신망을 이용하여 데이터 전송을 하기 위해 사용</li>
  <li>음성 통신 회선은 사람의 음성 신호와 같은 아날로그 신호를 전송하기에 적합</li>
  <li>공중 전화망을 음성 정보뿐만 아니라 디지털 전송으로 재사용하기 위해 사용</li>
</ul>

<h3 id="모뎀의-신호-변환-방식">모뎀의 신호 변환 방식</h3>
<h4 id="askamplitutde-shift-keying--진폭-편이-변조">ASK(Amplitutde Shift Keying : 진폭 편이 변조)</h4>
<p>디지털 데이터의 ‘1’과 ‘0’을 진폭의 크기만 다르게 하여 전송하는 방식</p>

<h4 id="fskfrequency-shift-keying--주파수-편이-변조">FSK(Frequency Shift Keying : 주파수 편이 변조)</h4>
<p>디지털 데이터의 ‘1’과 ‘0’을 주파수의 주기 수를 다르게 하여 전송하는 방식</p>

<h4 id="pskphase-shift-keying--위상-편이-변조">PSK(Phase Shift Keying : 위상 편이 변조)</h4>
<p>디지털 데이터의 ‘1’과 ‘0’을 위상(각도, 위치)을 다르게 하여 전송하는 방식</p>

<ul>
  <li>
    <p><strong>DPSK</strong>(Differential PSK)<br />
차등 인코딩을 사용하는 2위상 PSK</p>
  </li>
  <li>
    <p><strong>QDPSK</strong>(Quadrature DPSK)<br />
차등 인코딩을 사용하는 4위상 PSK</p>
  </li>
  <li>
    <p>M위상(M진) PSK</p>
    <blockquote>
      <p>$M=2^{전송\ 비트}, 전송\ 비트 = \log_2M$</p>
    </blockquote>
  </li>
</ul>

<h4 id="qskquadrature-amplitude-modulation--진폭-위상-변조-직교-위상-변조">QSK(Quadrature Amplitude Modulation : 진폭 위상 변조, 직교 위상 변조)</h4>
<p>디지털 데이터의 진폭과 위상을 변조하여 전송하는 방식</p>

<ul>
  <li>Coherent 방식<br />
단일 주파수, 같은 모양의 위상. 동기와 유사</li>
  <li>Non-Coherent 방식<br />
다양한 주파수와 진폭, 다양한 모양의 위상. 비동기와 유사</li>
</ul>

<h2 id="dsudigital-service-unit">DSU(Digital Service Unit)</h2>
<p>네트워크 간에 서로 다른 디지털 신호를 사용하기 때문에 필요한 네트워크 연결 장비(네트워크 간의 상호 보안 문제가 있기 때문)</p>

<p>하나의 통합된 디지털 신호(Bipolar)를 사용하자는 취지에서 등장한 ISDN이 계속 발전하지 못한 이유 또한 보안 문제가 발생했기 때문이다</p>

<h3 id="dsu의-신호-변환-방식">DSU의 신호 변환 방식</h3>
<h4 id="단극-rzreturn-to-zero">단극 RZ(Return to Zero)</h4>
<p><strong>전압을 양극이나 음극 하나만 사용</strong>하므로 단극이라고 하며 입력 데이터가 ‘1’이면 양극이나 음극 중에서 전압을 주고 ‘0’이면 전압을 주지 않는 방식</p>

<ul>
  <li>송수신 회로 구성이 간단하지만 <strong>잡음이 많아 단거리 구간</strong>에 사용되며 ‘1’과 ‘0’이 <strong>연속되면 동기가 용이하지 않다</strong></li>
</ul>

<h4 id="양극-nrznon-return-to-zero">양극 NRZ(Non Return to Zero)</h4>
<p>전압을 양극과 음극 모두 사용하므로 양극이라고 하며 입력 데이터가 ‘1’이면 양극, ‘0’이면 음극의 전압을 주는 방식</p>

<ul>
  <li><strong>NRZ-L(Level)</strong><br />
‘1’인 경우에는 양극, ‘0’인 경우에는 음극을 사용</li>
  <li><strong>NRZ-M(Mark=’1’)</strong><br />
비트 간격의 시점에서는 항상 천이(변화)가 발생하며<br />
‘<code class="language-plaintext highlighter-rouge">1</code>‘의 경우에는 비트 간격의 중간에서 <strong>천이가 발생</strong>하고,<br />
‘0’의 경우에는 비트 간격의 중간에서 천이가 없는 방식</li>
  <li><strong>NRZ-S(Space=’0’)</strong><br />
비트 간격의 시점에서는 항상 천이(변화)가 발생하며<br />
‘<code class="language-plaintext highlighter-rouge">0</code>‘의 경우에는 비트 간격의 중간에서 <strong>천이가 발생</strong>하고,<br />
‘1’의 경우에는 비트 간격의 중간에서 천이가 없는 방식</li>
  <li><strong>NRZ-I(Inversion)</strong><br />
‘0’에서 ‘1’로, ‘1’에서’ 1’로 비트가 <strong>변할 때만 Interval 중간</strong>에서 변화가 있고,<br />
‘1’에서 ‘0’으로 변하거나 ‘0’이 지속될 때는 ‘0’의 상태 <strong>변화 없이</strong> 같은 신호 레벨로 지속</li>
</ul>

<h4 id="bipolar">Bipolar</h4>
<p>AMI(교호 반전 부호), 3원 부호, ISDN 신호 방식이며 양극, 음극, Zero를 모두 사용한다.</p>

<p>‘0’은 Zero로 ‘1’은 양극과 음극을 <strong>교대로 변환</strong>시키는 방식</p>

<h4 id="manchester">Manchester</h4>
<p>하나의 펄스폭을 2개로 나누어 ‘1’과 ‘0’을 <strong>반대로 구성</strong>하여 사용</p>

<ul>
  <li>IEEE 802.3의 CSMA/CD LAN에서의 전송 부호로 사용</li>
  <li>매 비트 구간에서는 반드시 <strong>한 번 이상의 신호 준위 천이가 발생</strong>하므로 이를 이용하여 <strong>클록 신호를 추출</strong>할 수 있어 <code class="language-plaintext highlighter-rouge">동기화</code> 능력을 가지게 된다</li>
</ul>

<h2 id="codec">CODEC</h2>
<p>아날로그 데이터를 전송하기 위해서 디지털 신호로 변환시키고, 다시 디지털 신호를 아날로그로 복귀시키는 장비</p>

<h2 id="pcmpulse-code-modulation">PCM(Pulse Code Modulation)</h2>
<ul>
  <li>점유 주파수 대역이 넓은 단점이 존재</li>
  <li>잡음과 누화에 강하다</li>
  <li>저질의 전송으로도 사용이 가능</li>
  <li>광통신의 실현으로 대용량 전송 가능</li>
  <li>IC의 저가격화에 의해 경제적</li>
</ul>

<h3 id="표본화sampling">표본화(Sampling)</h3>
<p>연속적으로 변하는 아날로그 신호를 주기적인 간격으로 표본 값을 구하는 과정(<strong>PAM신호를 얻는 과정</strong>)</p>

<ul>
  <li>표본화 정리(Nyquist-Shannon Sampling Theorem)<br />
어떤 신호 f(t)가 의미를 지니는 최고의 주파수보다 <strong>2배 이상의 속도의 균일한 시간 간격으로 채집</strong>된다면 이 채집된 데이터는 원래의 신호가 가진 모든 정보를 포함한다는 이론</li>
</ul>

<h3 id="양자화quantization">양자화(Quantization)</h3>
<p>표본화한 표본 값을 정수화하는 단계로 실수형의 표본 값을 <strong>정수가 되도록</strong> 반올림을 수행한다. 이 때 발생하는 오차를 <strong>양자화 잡음</strong>이라고 하는데, <strong>PCM극 장치</strong>에서 발생한다.</p>

<ul>
  <li><strong>양자화 스텝</strong> : 표본화 된 하나의 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 신호를 부호화 할 때, 다음과 같은 공식이 성립한다
    <blockquote>
      <p>$M = 2^n$<br />
<sub>M : 양자화 스탭 / n : 표본당 전송 비트 수</sub></p>
    </blockquote>
  </li>
  <li>Companding : 압축과 신장의 합성어로 전송될 일부분의 신호가 일정한 범위 내에 있지 않고 급격한 차이가 있을 경우 급격한 일부분의 신호에 의하여 많은 스탭 수가 필요하게 된다. 이 때 사용하는 방법으로 급격한 신호를 압축하여 압축 정보와 함께 전송하면 수신측에서는 압축된 정보를 참조하여 원래로 신호로 신장하는 방법</li>
</ul>

<h3 id="부호화encoding">부호화(Encoding)</h3>
<p>양자화된 표본 펄스의 진폭 값을 디지털 신호 ‘1’과 ‘0’의 조합으로 변환하는 단계</p>

<p>인접 부호 간 1bit만 변화시키는 <code class="language-plaintext highlighter-rouge">Gray Code</code>를 가장 많이 사용</p>

<ul>
  <li><strong>원천 부호화</strong>(Source Coding)<br />
정보 신호를 전송하기에 적합하도록 효율적으로 부호화하는 방식으로 정보 신호를 디지털 신호로 바꾸고 데이터를 압축하여 제한된 대역폭에서 고속으로 전송되도록 한다
    <ul>
      <li>DM(Delta Modulation), PCM(Pulse Code Modulation), 허프만 코딩(Huffiman Coding), LPC(Linear Predictive Coding), PNM(펄스 수 변조)</li>
    </ul>
  </li>
  <li><strong>채널 부호화</strong>(Channel Coding)<br />
원천 부호화된 원래의 정보에 에러 검출 및 정정을 위한 비트들을 추가하여 전송하는 방법으로 수신측에서 에러를 검사하여 데이터의 재전송을 요청하거나 자체적으로 에러를 검출하여 정정하도록 하는 목적
    <ul>
      <li>ARQ(Automatic Repeat Request), FEC(Forward Error Correction)</li>
    </ul>
  </li>
</ul>

<h3 id="복호화decoding">복호화(Decoding)</h3>
<p>수신된 디지털 신호를 <strong>원래의 신호로 복원</strong>하는 단계. 부호를 PAM 신호로 변환</p>

<h3 id="여파화filtering">여파화(Filtering)</h3>
<p>인접한 PAM 신호의 정점을 연결하여 <strong>계단 모양의 파형으로 만들고</strong> 저역 필터기를 통과시킨다. 약간의 일그러짐이 있지만 표본화되기 전 원래의 신호와 비슷하게 복원된다.</p>

<h2 id="pcmtdmtime-division-multiplexing">PCM/TDM(Time Division Multiplexing)</h2>
<p>PCM화된 다수의 음성 채널을 하나의 전송로를 이용하여 전송하는 방식</p>

<h2 id="아이-패턴">아이 패턴</h2>
<p>디지털 신호는 시간이 흐름에 따라 단계적인 레벨을 이동하면서 파형을 그리게 되는데 이러한 단계적인 레벨 이동의 흐름을 <strong>특정 시간단위 내에서 중첩하여 보여준 파형</strong>이 바로 눈 패턴(Eye Pattern)이다.</p>

<p>채널을 통과하면 아이 패턴의 모양이 변하게 되는데, 변화는 위치와 특성에 따라 여러 가지 통신 특성의 변화를 가늠해볼 수 있다.</p>
<ul>
  <li>
    <p><strong>Optimum Sampling Time</strong><br />
아이 패턴이 열린 최대 높이가 최적의 샘플링 순간</p>
  </li>
  <li>
    <p><strong>Sensitivity to Timing Error</strong><br />
아이 패턴의 기울기를 통해 시간 오차에 대한 민감도를 평가</p>
  </li>
  <li>
    <p><strong>Noise Margin</strong><br />
아이 패턴이 눈이 열린 높이 만큼을 잡음에 대한 여분으로 잡을 수 있다</p>
  </li>
  <li>
    <p><strong>Maximum Distortion</strong><br />
아이 패턴의 맨 위와 맨 아래의 파형들의 진동폭은 신호가 샘플링되는 순간 왜곡되는 최대값을 나타낸다</p>
  </li>
</ul>

신호 변환기의 종류

MODEM
디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환시키는 장비로 PSTN(공중 전화망)에 접속되는 장비
DSU
디지털 데이터를 전송망에 적합한 디지털 신호로 변환시키는 장비로 PSDN(공중 데이터망)에 접속되는 장비
CODEC
아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환시키는 장비로 PCM이 대표적인 예
Telephone
아날로그 데이터를 아날로그 신호로 변환시키는 장비로 빠르고 멀리 전송하기 위해 음성 대역 의 낮은 주파수를 높은 주파수로 변환

MODEM(Modulator / Demodulator)

기존의 공중 통신망을 이용하여 데이터 전송을 하기 위해 사용
음성 통신 회선은 사람의 음성 신호와 같은 아날로그 신호를 전송하기에 적합
공중 전화망을 음성 정보뿐만 아니라 디지털 전송으로 재사용하기 위해 사용

기능

변/복조 기능이 존재
펄스를 전송 신호로 변환
자동 호출 / 자동 응답 기능 존재
고장 장애 시험이 가능
데이터 통신 및 속도를 제어할 수 있음

모뎀의 신호 변환 방식

ASK(Amplitutde Shift Keying : 진폭 편이 변조)

디지털 데이터의 ‘1’과 ‘0’을 진폭의 크기만 다르게 하여 전송하는 방식

FSK(Frequency Shift Keying : 주파수 편이 변조)

디지털 데이터의 ‘1’과 ‘0’을 주파수의 주기 수를 다르게 하여 전송하는 방식

PSK(Phase Shift Keying : 위상 편이 변조)

디지털 데이터의 ‘1’과 ‘0’을 위상(각도, 위치)을 다르게 하여 전송하는 방식

DPSK(Differential PSK)
차등 인코딩을 사용하는 2위상 PSK
QDPSK(Quadrature DPSK)
차등 인코딩을 사용하는 4위상 PSK
M위상(M진) PSK

$M=2^{전송\ 비트}, 전송\ 비트 = \log_2M$

QSK(Quadrature Amplitude Modulation : 진폭 위상 변조, 직교 위상 변조)

디지털 데이터의 진폭과 위상을 변조하여 전송하는 방식

Coherent 방식
단일 주파수, 같은 모양의 위상. 동기와 유사
Non-Coherent 방식
다양한 주파수와 진폭, 다양한 모양의 위상. 비동기와 유사

DSU(Digital Service Unit)

네트워크 간에 서로 다른 디지털 신호를 사용하기 때문에 필요한 네트워크 연결 장비(네트워크 간의 상호 보안 문제가 있기 때문)

하나의 통합된 디지털 신호(Bipolar)를 사용하자는 취지에서 등장한 ISDN이 계속 발전하지 못한 이유 또한 보안 문제가 발생했기 때문이다

특징

디지털 신호를 변조하지 않고 DTE를 데이터 교환망에 접속하기 위한 장비
먼 거리까지 디지털 데이터를 전송하기 위해 사용
모뎀의 회로 구성보다 간단하고 속도가 빠르다

DSU의 신호 변환 방식

단극 RZ(Return to Zero)

전압을 양극이나 음극 하나만 사용하므로 단극이라고 하며 입력 데이터가 ‘1’이면 양극이나 음극 중에서 전압을 주고 ‘0’이면 전압을 주지 않는 방식

송수신 회로 구성이 간단하지만 잡음이 많아 단거리 구간에 사용되며 ‘1’과 ‘0’이 연속되면 동기가 용이하지 않다

양극 NRZ(Non Return to Zero)

전압을 양극과 음극 모두 사용하므로 양극이라고 하며 입력 데이터가 ‘1’이면 양극, ‘0’이면 음극의 전압을 주는 방식

NRZ-L(Level)
‘1’인 경우에는 양극, ‘0’인 경우에는 음극을 사용
NRZ-M(Mark=’1’)
비트 간격의 시점에서는 항상 천이(변화)가 발생하며
‘1‘의 경우에는 비트 간격의 중간에서 천이가 발생하고,
‘0’의 경우에는 비트 간격의 중간에서 천이가 없는 방식
NRZ-S(Space=’0’)
비트 간격의 시점에서는 항상 천이(변화)가 발생하며
‘0‘의 경우에는 비트 간격의 중간에서 천이가 발생하고,
‘1’의 경우에는 비트 간격의 중간에서 천이가 없는 방식
NRZ-I(Inversion)
‘0’에서 ‘1’로, ‘1’에서’ 1’로 비트가 변할 때만 Interval 중간에서 변화가 있고,
‘1’에서 ‘0’으로 변하거나 ‘0’이 지속될 때는 ‘0’의 상태 변화 없이 같은 신호 레벨로 지속

Bipolar

AMI(교호 반전 부호), 3원 부호, ISDN 신호 방식이며 양극, 음극, Zero를 모두 사용한다.

‘0’은 Zero로 ‘1’은 양극과 음극을 교대로 변환시키는 방식

직류 성분이 포함되지 않는 장점이 있지만 동기화의 어려움 존재

Manchester

하나의 펄스폭을 2개로 나누어 ‘1’과 ‘0’을 반대로 구성하여 사용

IEEE 802.3의 CSMA/CD LAN에서의 전송 부호로 사용
매 비트 구간에서는 반드시 한 번 이상의 신호 준위 천이가 발생하므로 이를 이용하여 클록 신호를 추출할 수 있어 동기화 능력을 가지게 된다

CODEC

아날로그 데이터를 전송하기 위해서 디지털 신호로 변환시키고, 다시 디지털 신호를 아날로그로 복귀시키는 장비

펄스 코드 변조(PCM)
델타 변조(DM)

PCM(Pulse Code Modulation)

점유 주파수 대역이 넓은 단점이 존재
잡음과 누화에 강하다
저질의 전송으로도 사용이 가능
광통신의 실현으로 대용량 전송 가능
IC의 저가격화에 의해 경제적

표본화(Sampling)

연속적으로 변하는 아날로그 신호를 주기적인 간격으로 표본 값을 구하는 과정(PAM신호를 얻는 과정)

표본화 정리(Nyquist-Shannon Sampling Theorem)
어떤 신호 f(t)가 의미를 지니는 최고의 주파수보다 2배 이상의 속도의 균일한 시간 간격으로 채집된다면 이 채집된 데이터는 원래의 신호가 가진 모든 정보를 포함한다는 이론

양자화(Quantization)

표본화한 표본 값을 정수화하는 단계로 실수형의 표본 값을 정수가 되도록 반올림을 수행한다. 이 때 발생하는 오차를 양자화 잡음이라고 하는데, PCM극 장치에서 발생한다.

양자화 스텝 : 표본화 된 하나의 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 신호를 부호화 할 때, 다음과 같은 공식이 성립한다

$M = 2^n$
_{M : 양자화 스탭 / n : 표본당 전송 비트 수}
Companding : 압축과 신장의 합성어로 전송될 일부분의 신호가 일정한 범위 내에 있지 않고 급격한 차이가 있을 경우 급격한 일부분의 신호에 의하여 많은 스탭 수가 필요하게 된다. 이 때 사용하는 방법으로 급격한 신호를 압축하여 압축 정보와 함께 전송하면 수신측에서는 압축된 정보를 참조하여 원래로 신호로 신장하는 방법

부호화(Encoding)

양자화된 표본 펄스의 진폭 값을 디지털 신호 ‘1’과 ‘0’의 조합으로 변환하는 단계

인접 부호 간 1bit만 변화시키는 Gray Code를 가장 많이 사용

원천 부호화(Source Coding)
정보 신호를 전송하기에 적합하도록 효율적으로 부호화하는 방식으로 정보 신호를 디지털 신호로 바꾸고 데이터를 압축하여 제한된 대역폭에서 고속으로 전송되도록 한다
- DM(Delta Modulation), PCM(Pulse Code Modulation), 허프만 코딩(Huffiman Coding), LPC(Linear Predictive Coding), PNM(펄스 수 변조)
채널 부호화(Channel Coding)
원천 부호화된 원래의 정보에 에러 검출 및 정정을 위한 비트들을 추가하여 전송하는 방법으로 수신측에서 에러를 검사하여 데이터의 재전송을 요청하거나 자체적으로 에러를 검출하여 정정하도록 하는 목적
- ARQ(Automatic Repeat Request), FEC(Forward Error Correction)

복호화(Decoding)

수신된 디지털 신호를 원래의 신호로 복원하는 단계. 부호를 PAM 신호로 변환

여파화(Filtering)

인접한 PAM 신호의 정점을 연결하여 계단 모양의 파형으로 만들고 저역 필터기를 통과시킨다. 약간의 일그러짐이 있지만 표본화되기 전 원래의 신호와 비슷하게 복원된다.

PCM/TDM(Time Division Multiplexing)

PCM화된 다수의 음성 채널을 하나의 전송로를 이용하여 전송하는 방식

T1(DS-1) 방식 : 북미 표준
E1(DE-1) 방식 : 유럽 표준

아이 패턴

디지털 신호는 시간이 흐름에 따라 단계적인 레벨을 이동하면서 파형을 그리게 되는데 이러한 단계적인 레벨 이동의 흐름을 특정 시간단위 내에서 중첩하여 보여준 파형이 바로 눈 패턴(Eye Pattern)이다.

채널을 통과하면 아이 패턴의 모양이 변하게 되는데, 변화는 위치와 특성에 따라 여러 가지 통신 특성의 변화를 가늠해볼 수 있다.

Optimum Sampling Time
아이 패턴이 열린 최대 높이가 최적의 샘플링 순간
Sensitivity to Timing Error
아이 패턴의 기울기를 통해 시간 오차에 대한 민감도를 평가
Noise Margin
아이 패턴이 눈이 열린 높이 만큼을 잡음에 대한 여분으로 잡을 수 있다
Maximum Distortion
아이 패턴의 맨 위와 맨 아래의 파형들의 진동폭은 신호가 샘플링되는 순간 왜곡되는 최대값을 나타낸다


출처 : http://www.rfdh.com/bas_com/1-8.htm

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SG Yoo.