[데이터통신 #4_1] 라인코딩 통신 기술

대이터는 0과 1의 이진 부호로 이루어져 있다.

한 글자는 ASCII 코드 7비트이다. 이것은 7개의 1비트로 이루어져 있다. 그렇다면 한 글자를 보내기 위해서는 우선 하나의 비트를 보내는  방법을 이해해야 한다. 

이 때 필요한 기술이 바로 라인코딩이다.

라인코딩은 1비트를 전기적인 신호로 만드는 기술이다. 라인코딩의 대표적인 방법 중 하나는 맨체스터 인코딩이다.

맨체스터 인코딩은 0을 표시하기 위해서 전기적인 높은 신호(High) 에서 낮은 신호(Low) 로  바뀌게 하고, 1은 낮은 신호에서 높은 신호로 바뀌게 한다.

 

 

라인코딩의 이해를 위해 우선, 신호 레벨이라는 개념을 알아보자.

 

 

 

신호의 변화(레벨)

 

 

  위 사진을 보면 신호의 변화(레벨)이 2개 레벨로 5V or 0V -> 1 or 0 의 데이터를 나타내고, 아래 사진을 보면 신호 레벨이 4개 레벨로 5V or 1.5 V or -1.5V or -5V -> 11 or 10 or 01 or 00 의 데이터를 나타낸다. 신호 레벨이란 신호의 변화할 수 있는 개수를 의미하는데 만약 2개 레벨이라면 2개로 변화할 수 있으므로 0과 1의 데이터를 표현할 수 있으며, 만약 4개 레벨이면 두 비트로는 경우의 수가 4개로 표현가능 하므로 00,01,10,11 4개의 데이터를 표현할 수 있다. 

 

 

 사진을 보면 위 사진 보다 아래 사진이 더 많은 비트가 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 다음과 같은 명제가 성립된다. 

 

-신호 레벨이 많으면, 비트전송률이 향상된다.-

 

비트전송률이란, 특정 시간당 보낼 수 있는 비트의 수이다. 위 예시에서도 볼 수 있듯이, 신호레벨이 2였을 때는 0,1 비트 자릿수는 하나로 전송하지만, 신호레벨이 4일 때는 00,01,10,11 비트 자릿수가 두자리로 전송된다. 따라서 신호 레벨이 많으면 한번에 더 많은 비트를 전송하게 된다.  

 

 

예시 문제를 풀어보자.

ex) Q. 9개의 레벨로 표현할 수 있는 데이터 신호가 있다. 1개 신호는 몇 비트를 나타내는가?

          비트 수 = log_2(신호 레벨 수)

answer = log_2(9)
log_2(9)  ~= 3.17 ~= (올림수) 4

answer = 4 비트

ex) 1분당 100페이지 텍스트 문서를 다운로드 받는다. 이 통신에서 비트 전송률은?

(가정)
텍스트 문서 1페이지 = 24줄 * 80 문자 (1개 문자 = 8비트)
-> 100 페이지 * 24 줄 * 80 문자 * 8비트 = 1,636,000bps = 1.636Mpbs

ex) 4 kHz 대역폭의 음성신호를 디지털화하여 전송한다. 최고 주파 수의 2배만큼 샘플링한다. 1개의 샘플은 8비트로 표현한다. 이 때 디지털화된 음성 비트전송률은?

2배 * 4,000 * 8비트 = 64,000 bps = 64kbps

ex) HDTV 스크린은 16:9 비율로 1920*1080 해상도를 가진다. 초당 30개 프레임을 전송하고, 1개의 컬러 픽셀은 24비트로 표현한다. 비트 전송률은?

1920*1080*30*24  = 1,492,992,000 = ~= 1.5Gbps

 

노이즈 없는 채널에서 전송 : Nyquist formula

Bit rate = 2 Bandwidth (대역폭) log_2(L)

L : 신호 레벨

Bit rate == bps

ex) 3000Hz 대역폭 노이즈 없는 채널에서 2개의 신호 레벨로 전송한다 .최대 비트 전송률은?

2 3000 log_2(2) = 6,000 bps

 

노이즈 있는 채널에서의 전송 : Shannon capacity

Capacity = Bandwidth X log2 (1+ SNR)

* SNR : the power of the signal to the power of the noise, 신호대잡음비

 

SNR이 데시벨로 주어질 수 있음(dB)

• SNR dB = 10 log_10 (SNR)

 

ex) SNR비가 3162인 경우, 3000Hz 대역폭에서 전송할 경우 최대 비트 전송률은?

C = 3000log_2(1+3162) = 3000log_2(3163) = 3000*11.62 = 34,860 bps

 

ex) 1MHz 대역폭이 주어질 때, SNR이 63이다. 적절한 비트전송률과 신호 레벨수는?

C = B log_2 (1 + SNR) = 1M log_2(1+63) = 1M log_2(64) = 6Mbps

 

 

6Mbps를 상한값으로 가정하고, 실제(노이즈 때문에)는 4Mbps정도로 가정하면, Nyquist theorem에 의해서

• 4 Mbps = 21MHz log_2(L)
• L = 4

 

라인 코딩(line coding)

1비트 모양 만들기

NRZ, Manchester, 2B/1Q 등

 

Unipolar : 양의 값만, Polar : 음의 값만, Bipolar : 양음 둘다 , Multilevel : 여러 단계, Mltitransition : 올라가고 내려가고 신호 특징 이용

 

Unipolar NRZ

장점: 간단함단점: 동기화 문제 (Synchronization), Direct Current 성분 발생동기화 문제: 동일한 signal element가 길게 반복되면, receiver단에서 clock이나 다른 원인으로 signal의 정확한 구간을 나누지 못하는 문제DC: '1111...' or '0000...'와 같이 긴 구간 동일한 signal로 주파수의 변화가 없고, voltage level이 한 방향으로만 흐르는 경우 → 아주 낮은 주파수 성분은 지원하지 않는 통신 media에서 문제가 된다.극이 있는 신호에 대해 상쇄시키는 signal을 사용하여 성분을 제거해야 한다.

V면 1 아니면 0 

 

Polar NRZ-L and NRZ-I

NRZ-L은 V면 0 아니면 1 Unipolar NRZ의 반대다.

NRZ-L 은 단순하게 보내서 노이즈에 취약하고 속도 높이기 어렵다. NRZ-I 는 0이 계속 나온다면 문제가 발생할 수도 있다. 변화가 있으면 next bit 가 1이된다.(다음 신호가 1이면 신호가 뒤바뀐다)

NRZ-L은 여전히 동기화 문제가 발생하지만, NRZ-I는 동기화 문제가 발생하지 않는다.

 

NRZI (NRZ Inverted)

NRZ Inverted 라는 뜻으로 1이 나오면 transition 했다는 의미이다.

 

Polar RZ Scheme

동기화 문제는 해결+, - 전압의 균형 → DC 성분 문제 해결높은 signal 변화율로 인한 높은 bandwidth를 요구한다

 

 

NRZ (Non-Return-to-Zero) and RZ

Manchester and Differential Manchester

수신측 동기화의 용이성을 강조하도록, 비트 중간에 극성 변화가 있게한, 선로부호 방식

 비트 중간에서, 하향 천이 => `0`
     - 비트 중간에서, 상향 천이 => `1`

 

멀티레벨: 2B1Q Schem

 

블록 코딩

0또는 1이 길게 연속(동기화문제)되지 않도록 변환

전송방식 

- 송신자 -> m 비트 그룹 -> n비트 그룹 변환 > 라인코딩 (NRZ-I) -> n비트 그룹 디코딩 ->m비트 그룹 > 수신자

 

예) 4B5B • FDDI, 100Mbps Ethernet, USB PD • 5비트 블록코드 내부에 반드시 1 이상의 전이가 있도록 함 • 3개 이상의 0이 연속되지 않도록 함 • 4 bit 데이터 -> 5 bit 코드 변환 • 5비트 코드 중 데이터 이외 명령 문자: Halt, Idle, Start, Quiet, Reset, Set, End 2

• 4bit가 5bit로 변해서 쓸모없는 데이터가 들어가기 때문에 전송 효율은 떨어진다
• 필요한 Bandwidth가 증가하고, 전체 신호를 보면 평균 0이 보장되지 않아서 DC가 발생할 수 있다.

데이터 전송 모드

데이터 전송은 병령과 직렬이있다.

-직렬

  1. 비동기 : 데이터 + 클럭(RS-232)

    • 휴지상태 + 데이터 (start + stop bit) • 문자 위주 전송 • 속도가 낮음

 (휴지 상태 : 중앙 처리 장치나 주변 장치 따위의 하드웨어 장치에서 다음에 수행할 명령어와 작업을 기다리는 동안 별다른 작업을 수행하지 않고 대기하는 상태)

  2. 동기 : 데이터 + 별도 클럭 신호 (맨체스터 인코딩)

    • 프리앰블(preamble) + 데이터 + 포스트앰블 • 전송효율과 전송속도가 높음 • 블럭단위 전송 • 전화, 인터넷

( 프리앰블 :"누군가가 지금 막 데이터를 전송하려한다"는 의미로서 통신 시스템들이 이해할 수 있는 일련의 특정 송신 펄스를 정의한다./ 포스트앰블:자기 매체에서 각 블록의 마지막에 기록하는, 반대 방향 판독 시의 동기를 목적으로 하는 이진 숫자의 열)

  3. 등시(isochronous

• Iso: 동, 등의 접두사 • 일정한 시간 간격을 유지하는 성질 • 멀티미디어 데이터 전송 분야