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아날로그와 디지털

1. 아날로그와 디지털 데이터

전자기적 신호

- 컴퓨터나 통신기기들은 정보를 전송할 때 전자적인 신호형태로 바꾸어 상호전송을 한다.

- 정보를 전송할 때, 정보 전송 주체 및 수신 주체에 따라 그 형태에 맞는 데이터로 가공하여 전송

→ 데이터의 형태 : 아날로그, 디지털

아날로그 데이터

- 사람의 목소리는 말을 했을 때 공기중에 연속적인 파형이 생기는데 이것이 아날로그 데이터이다.

- 연속적 형태의 데이터

ex) 목소리, 온도

디지털 데이터

- 컴퓨터는 0과 1의 형태로 기억장치에 저장되는 데이터를 가지는데 이것은 디지털 데이터이다.

- 이산적 형태의 데이터

ex) 컴퓨터

2. 아날로그와 디지털 신호

아날로그 신호(Analog Signal)의 의미

- 연속적인 값

- 주파수에 따라 다양한 매체를 통해 전송되는 연속적 신호

ex) 사람의 음성, TV 안테나의 수신된 영상

아날로그의 분류

- 단순 아날로그 신호 : 단 하나의 정현파

- 복합 아날로그 신호 : 여러 개의 정현파

아날로그 신호의 요소

- 진폭(Amplitude)

: 신호의 높이로 파형 위의 임의의 점에서 신호가 가지는 값

* 신호의 정류에 따른 진폭의 단위 : Volts(전압), Ampere(전류), Watt(전력)

- 주기(Period)

: 신호가 한 사이클을 완성하는데 걸리는 시간의 양

* 단위 : Second

* 표시 : T

- 주파수(Frequency)

: 1초 동안에 생성되는 주기의 개수 혹은 1초 동안의 사이클 반복 회수

* f(주파수) = 1/T(주기),        T(주기) = 1/f(주파수)

* 단위 : Hertz(Hz)

- 위상(Time)

: 주기적으로 반복되는 현상에 대해 어떤 시각 또는 어떤 지점에서의 변화의 상태

: 시각 0시에 대한 파형의 상대적인 위치

* 측정 : 각도 또는 라디안(360도 = 2라디안)

디지털 신호의 의미

- 0과 1의 두 레벨을 갖는 신호

ex) 이미지 정보, 휴대폰에서 수신되는 정보

비트 간격과 비트율

- 비트 간격 : 하나의 단일비트를 전송하는데 드는 시간

- 비트율 : 1초 동안 전송된 비트의 수

- 단위 : bps (bits per second)

- 비트율 = 1/비트간격,        비트간격 = 1/비트율

부호화와 부호체계

1. 디지털 대 디지털 부호화

디지털 - 디지털 부호화

- 0과 1로만 표현된 디지털 데이터를 디지털 신호로 표현하는 것으로, 단극형, 극형, 양극형으로 분류할 수 있다.

 단극형(Unipolar)

- 0(제로전압, 휴지회선)과 1(양극) 중 하나의 값만 사용

- 다른 복잡한 부호화 시스템 개발의 비교 대상으로 용이

- 구현 비용 저렴

- 직류성분과 동기화 문제 발생

* 직류성분(DC component) : 주파수가 0인 성분

→ 신호에 직류성분이 존재하면, 그 신호는 직류성분을 다룰 수 없는 매체를 통과하지 못하게 된다.

* 동기화(Synchronization) : 적절한 방법을 통해 송신측에서 전송한 데이터의 비트를 수신측에서 정확하게 수신할 수 있도록 하는 기술

→ 연이은 1이나 0을 포함하는 데이터 흐름이 나타나면 단극형 부호화에서 동기화 문제가 발생한다.

극형(Polar)

- 양극과 음극 두 값을 사용

- 평균전압 감소, 직류성분 완화

- 비영복귀(NRZ, Non-return to Zero) : 신호의 준위는 항상 양 아니면 음이다.

* NRZ-L(Non-return to Zero, Level) : 두 개의 전압으로 0과 1을 부호화하여 양의 전압 0, 음의 전압 1을 의미

* NRZ-I(Non-return to Zero, Invert) : 전압 준위는 비트 1표시이면 반전되고 비트 0이면 변화 없음

- 영복귀 (RZ, Return to Zero)

: 3개의 값을 사용(양극, 음극, 제로)

: 0일 경우, 음(-) 전압으로 시작해서 중간에 0으로 북귀

: 1일 경우, 양(+) 전압으로 시작해서 중간에 0으로 복귀

: 0 전압은 동기화에 사용

- 2상(Biphase) : 신호가 비트 간격의 한 가운데서 변화하되, 0으로 되돌아 오지 않는다.

* 맨체스터 동기화(Manchester Synchronization)

음 → 양 전이 : 비트 1

양 → 음 전이 : 비트 0

* 차분 맨체스터 동기화(Differential Manchester Synchronization)

비트 0 : 전압의 변화가 있음(비트 시작점에 전이가 있음)

비트 1 : 전압의 변화가 없음(비트 시작점에 전이가 없음)

양극형(Bipolar)

- 3개의 전압 레벨 사용(양극, 음극, 제로)

- 0전압 준위 : 2진수 0으로 표현

- 양극과 음극 전압을 교대로 비트 1로 표현

- 양극형 교대표시 반전(AMI, Alternate Mark Inversion)

: 양극화 부호화 중 가장 단순한 형태

: 0 전압은 0을 나타내고 1 전압은 양, 음을 교대로 반전

- 양극형 8영대입(B8ZS, Bipolar 8-Zero Substitution)

: 양극형 AMI에서 연속해서 8개의 0이 나타나면 특정한 패턴을 대신 보낸다.
: 북미에서 사용

ex) +00000000    →    +000+-0-+

- 고밀도 양극형 3(HDB3, High Density Bipolar 3)

: 연속적인 0이 3개를 초과해서 나타나지 않아야 한다.

: 유럽이나 일본에서 사용

ex) 1의 개수가 홀수일 때 : +0000    →    +000+,    -0000    →    -000-

     1의 개수가 짝수일 때 : +0000   →    +-00-,    -0000    →    -+00+

2. 디지털 대 아날로그 변조

디지털 - 아날로그 변조

- 디지털 신호를 갖는 데이터를 아날로그 신호의 특성을 갖는 데이터로 바꾸는 과정

진폭편이변조(ASK, Amplitude Shift Keying)

- 데이터의 신호와 전압 변화에 따라 반송파의 진폭을 변화

- 반송파 송출(OOK, On-Off Keying) : 1, 반송파 송출 중단 : 0

- 잡음에 민감하여 비효율적

- 광섬유로 데이터 전송

주파수편이변조(FSK, Frequency Shift Keying)

- 두 개의 이진 값에 서로 다른 반송파의 주파수를 적용하는 방법

→ 주파수는 다르나 진폭은 동일

- 높은 주파수 : 비트 0, 낮은 주파수 : 비트 1

- ASK의 잡음문제 대부분 해결 가능

- 비교적 회로 구성이 단순

- 동축 케이블을 이용한 근거리 통신망에 사용

위상편이변조(PSK)

- 위상의 변화로만 0과 1을 표현

- 위상의 변화를 다양하게 해서 한 위상에 3비트까지 한꺼번에 할당 가능

* 2위상 : 0은 0도, 1은 180도로 위상 표현(위의 그림)

* 4위상 : 90도 간격으로 위상 표현(2비트)

* 8위상 : 45도 간격으로 위상 표현(3비트)

- 고속 데이터 통신용으로 사용

3. 부호체계

부호(Code)

- 각 데이터 정보마다 할당되는 2진 표현

부호체계

- 모든 문자 집합에 대한 부호집합

ASCII(American Standard Code for Information Interchange) 코드

- 미국 표준협회가 제안하여 채택된 코드

- 7비트로 한 문자를 표현할 수 있어서 128문자까지 표현 가능

- 컴퓨터 통신 터미널 사이의 정보교환에 사용되고 소형 컴퓨터에서 사용

디지털 데이터 전송 방식

1. 직렬 전송방식과 병렬 전송방식

직렬(Serial) 전송 방식

- 한번에 한 비트씩 순서대로 데이터 전송

- 거리가 수십 미터 이상일 경우 사용

- 병렬 전송 방식보다 전송비용 감소 가능

- 장거리 전송 가능

- 병렬 전송 방식보다 속도가 느림

병렬(Parallel) 전송 방식

- 여러 개의 비트를 그룹으로 한번에 전송

- 컴퓨터와 주변기기 사이의 데이터 전송

- 전송속도가 빠르고 인터페이스 구성이 단순

- 거리가 멀수록 전송비용 증가

- 다수의 전선 필요

2. 비동기식 전송방식과 동기식 전송방식

비동기식 전송(Asynchronous Transmission) 방식

- 문자 단위의 비트 블록을 전송 기본 단위로 사용

- 한 번에 한 문자씩 전송

- 시작비트와 정지비트 사이의 간격이 가변적이므로 불규칙적인 전송에 적합

- 시작 비트(Start bit)와 정지 비트(Stop bit)가 존재 하므로 동기화가 유지됨

- 전송 방법 : 전송할 데이터가 있을 경우, 휴지상태(비트 1)에서 시작비트(비트 0)를 전송하여 선로를 0 상태로 전환

- 장점 : 단순하고 저가로 구현 가능

- 단점 : 전송효율이 떨어짐

동기식 전송(Synchronous Transmission) 방식

- 문자 또는 비트들의 데이터 블록 단위로 송수신

- 전송의 시작과 끝을 알리는 제어정보 부분을 데이터 블록 앞에 붙여 동기화를 유지

- 문자 중심의 동기 전송 방식 : ASCII 문자로 구성된 파일 등을 전송하는데 주로 사용되는 방식

- 프레임 중심의 동기 전송 방식 : 전송단위를 일련의 비트들의 묶음 즉, 프레임으로 보고, 비트 프레임의 처음과 끝을 나타내는 특별한 비트패턴을 덧붙여 전송하는 방식

- 전송 방법 : 시작 비트나 종료 비트를 간격 없이 전송

- 장점 : 전송 효율 및 전송 속도가 높다.

- 단점 : 장비가격 고가

전송매체

1. 전송매체의 구분

전송매체

- 통신기기와 통신기기 사이에서 실질적인 정보를 전송하는 물리적인 통로

유도매체

- 유선으로 지상 연결할 수 있는 매체 → 유선매체

ex) 트위스트 페어 케이블, 동축 케이블, 광섬유 케이블

비유도매체

- 무선으로 연결할 수 있는 매체 → 무선매체

ex) 마이크로파, 위성 마이크로파, 무선 라디오파

2. 유선매체와 무선매체

유선매체

-트위스트 페어 케이블(Twisted Pair Cable)

: 절연체를 입힌 2개의 구리선이 균일하게 서로 꼬여있는 형태

* UTP(Unshielded Twisted-pair Cable)

: 가장 일반적인 형태의 통신매체

: 전화 시스템과 컴퓨터 시스템에서 사용

: 음성 및 데이터 전송에 적합

: 가격이 저렴하고 설치와 사용이 용이

*STP(shielded Twisted-pair Cable)

: 데이터 신호 간섭을 줄이기 위해서 각 쌍들마다 외부 차폐 보호막을 한 형태

: 가격은 UTP에 비해 비싸지만 간섭에는 덜 민감

: 최근 다양화 되어가는 네트워크 환경에서 장비 보호, 성능 향상, 노이즈 방지, 원격격전송 및 정밀을 요하는 분야에서는 반드시 사용하여야 하는 케이블 

- 동축 케이블(Coaxial Cable)

: 두 개의 도체로 구성

: 중앙의 동선에 플라스틱 절연체를 씌우고 그 위에 그물 모양의 구리망을 두른 형태

: 외부와의 차폐성이 좋으며 간섭 현상이 적은 특성이 있음

: 이더넷 형태의 LAN의 연결, 장거리 전화망, 케이블 TV 등에 사용

* 특성

: 수백미터 이상의 거리에서 10Mbps 이상의 데이터 전송 속도 가능

: 아날로그 신호와 디지털 신호 전송 모두에 사용 가능

: 트위스트 페어 케이블보다 높은 주파수와 빠른 데이터 전송에 효과적

: 트위스트 페어 케이블보다 혼선과 간섭에 강함 

- 광섬유 케이블(Optical Fiber Cable)

: 여러 겹의 유리와 플라스틱으로 구성된 통로에 빛의 펄스 형태로 데이터를 전송

: 빛을 사용하는 만큼 내우 빠르게 전송

: 주로 초고속 통신, VDSL 등에서 사용

* 구성

▷ 내부 물질인 코어(Core) : 광섬유 중앙에 위치하여 빛이 펄스 형태로 데이터를 전송하는 통로

▷ 외부 물질인 클래딩(Cladding) : 빛이 코어 내부로만 흐르도록 코어를 감싸고 있는 부분

* 용도

: 광대역 전송로로 이용

: 데이터 전송 분야에서 사용

: 장거리 통신용으로 사용(장거리 국제 전화용)

: 근거리 통신망이나 단거리 화상 중계에 이용

* 장점

: 잡음에 대한 저항력

: 장거리 통신 가능

: 높은 대역폭

: 초소형

* 단점

: 고가의 가격

: 설치, 유지 및 보수가 어려움

: 부서지기 쉬움

무선매체

- 통신기기와 통신기기의 데이터 흐름이 특별한 물리적인 경로 없이 전송

- 지상 마이크로파

: 장거리 통신 서비스용

* 용도

: TV나 음성전송용 동축케이블의 대용으로 사용

: 빌딩 사이에서 짧은 지점간의 연결을 위해 사용

: 빌딩 사이의 짧은 지점간의 연결과 폐쇄회로 TV나 LAN을 서로 연결하기 위한 용도로 사용

* 장점

: 동축 케이블과 마찬가지로 마이크로파는 장거리 전송에서 높은 전송률을 제공
(같은 거리에서 동축 케이블보다 적은 증폭기나 리피터를 요구하지만 중간에 장애물이 없어야 함)

* 단점

: 건물이나 나쁜 기후 조건과 같은 요소들에 의해 방해를 받을 수 있음

* 잠재적 가능성

: 지역에서 디지털 데이터의 전송에 사용

- 위성 마이크로파

: 광섬유만큼이나 획기적인 기술

: 위성이 마이크로파의 중계국으로 지상에 설치된 두 개 이상의 송수신국을 서로 연결하기 위하여 사용

: 지상에서 마이크로파를 이용해서 위성으로 쏘아 올린 신호(Uplink)를 위성에서 증폭하고, 이를 다시 다른 주파수로 송신(Downlink)하는 형태

* 용도

: 장거리 전화, TV 방송 등에 이용

: 빌딩 사이에서 짧은 지점간의 연결을 위해 사용

: 빌딩 사이의 짧은 지점간의 연결과 폐쇄회로 TV나 LAN을 서로 연결하기 위한 용도로 사용

* 장점

: 사용빈도가 높은 국제간의 통신용으로 최상의 매체

: 큰 통신량

: 통신비용 감소

* 단점

: 장거리 통신이므로 송신국 사이의 전파 지연 발생

: 통신의 비밀 보장이 어려움

: 점 대 점(Point-to-Point) 네트워크 구성만 가능

- 무선 라디오파

: 다방향성이고, 정해진 지점에 정확히 설치될 필요 없음

: 불특정 다수를 대상으로 하는 방송(Broadcast)형태의 통신에 적합

: 건물, 강, 숲 등의 물체로부터 반사되어 발생하는 다중 경로로 인한 간섭이 발생할 수 있음