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
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