Ch 02. Physical Layer

신호

아날로그 신호

• 아날로그 신호는 주기적일 수도 있고 비주기적일 수도 있음
• 데이터 통신에서는 주로 주기적인 신호를 사용함
• 간단한 주기적인 신호, 사인파는 더 간단한 신호로 분해될 수 없음

• 최대 진폭
• 신호의 최대 진폭은 그 최고 강도의 절대값임

• 주기와 주파수
• 주기()는 신호가 한 주기를 완료하는 데 필요한 시간, 즉 초를 나타냄
• 주파수()는 1초 동안의 주기 수를 헤르츠()로 측정한 것을 나타냄
• 주기와 주파수는 두 가지 방식으로 정의된 하나의 특성
• 주기와 주파수는 서로의 역수임. 다시 말해 ()임

• 위상
• 위상은 파형의 위치를 시간 0에 대해 나타냄

• 파장
• 단순한 신호가 한 주기 동안 이동할 수 있는 거리
• 파장은 매체에서의 전파 속도와 단순 사인파의 주기 또는 주파수를 결합

• λ로 파장을 나타내고, c로 전파 속도를 나타내며, f로 주파수를 나타내고, T로 주기를 나타낸다면 다음과 같은 관계가 성립

• 시간 및 주파수 도메인
• 사인파는 그 진폭, 주파수 및 위상에 의해 완전히 정의ehla
• 이것은 시간 및 주파수 도메인에서 모두 수행될 수 있음

• 합성 신호
• 합성 신호는 많은 단순한 사인파로 구성됨

• 대역폭
• 합성 신호에 포함된 주파수의 범위는 그것의 대역폭임
• 신호의 대역폭은 신호의 최저 주파수와 최고 주파수 사이의 차이임
💡
합성 신호의 대역폭은 해당 신호에 포함된 가장 높은 주파수와 가장 낮은 주파수 사이의 차이

디지털 신호

• 정보는 디지털 신호로도 표현될 수 있음
• 예를 들어, 값 1은 양의 전압으로 인코딩되고 값 0은 제로 전압으로 인코딩될 수 있음
• 디지털 신호는 두 개 이상의 레벨을 가질 수 있음
• 각 레벨마다 1비트 이상을 전송할 수 있음
• 그림 2.5는 두 개의 레벨을 가진 신호와 네 개의 레벨을 가진 신호를 보여줌

• 비트 속도
• 대부분의 디지털 신호는 비주기적이므로 주기와 주파수는 적절한 특성이 아님
• 또 다른 용어인 비트 속도(주파수 대신)가 사용됨
• 비트 속도는 1초에 전송되는 비트 수

• 비트 길이
• 우리는 아날로그 신호에 대한 파장 개념을 논의했음
• 디지털 신호에 대해 유사한 것을 정의할 수 있음: 비트 길이
• 비트 길이는 전송 매체에서 하나의 비트가 차지하는 거리

• 디지털 신호의 전송
• 디지털 신호는 무한대까지의 주파수를 가진 복합 아날로그 신호임
• 두 가지 유형의 전송을 가질 수 있음: 기저대 및 광대역
• 기저대 전송은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변경하지 않고 전송하는 것을 의미
• 광대역 전송은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변경하고 아날로그 신호를 전송하는 것을 의미

신호 손상

• 신호는 완벽하지 않은 전송 매체를 통해 전달됨

• 이러한 불완전함은 신호 손상을 일으킴
• 이는 매체의 시작 부분의 신호가 매체의 끝 부분의 신호와 동일하지 않다는 것을 의미함
• 전송된 것이 받은 것과 동일하지 않음

• 손상의 3가지 원인: 감쇄, 왜곡, 그리고 잡음

감쇄 및 증폭

• 감쇄는 에너지 손실을 의미
• 신호가, 단순하거나 복합적이든, 매체를 통해 전송될 때, 그것은 매체의 저항을 극복하기 위해 일부 에너지를 잃게 됨

• 이 손실을 보상하기 위해 우리는 증폭이 필요함

왜곡

• 왜곡은 신호가 그 형태나 모양을 바꾼다는 것을 의미

• 왜곡은 다양한 주파수로 구성된 합성 신호에서 발생할 수 있음

• 잡음
• 잡음은 손상의 또 다른 원인임
• 신호 전송 중에 여러 종류의 잡음이 발생할 수 있음
신호 대 잡음 비율(SNR) = (평균 신호 파워) / (평균 잡음 파워)

데이터 전송률 제한

• 데이터 통신에서 매우 중요한 고려 사항은 얼마나 빠르게 데이터를 채널을 통해 초당 비트로 전송할 수 있는지임

• 데이터 전송률은 세 가지 요소에 따라 다름
1. 사용 가능한 대역폭
2. 우리가 사용하는 신호의 레벨
3. 채널의 품질(잡음의 레벨)

• 두 가지 이론적 공식이 데이터 전송률을 계산하기 위해 개발되었습니다: 하나는 노이즈가 없는 채널을 위한 Nyquist, 다른 하나는 노이즈가 있는 채널을 위한 Shannon임

• 노이즈가 없는 채널: Nyquist 비트 전송률
• 노이즈가 없는 채널의 경우, Nyquist 비트 전송률 공식은 이론적인 최대 비트 전송률을 정의함

• 잡음이 있는 채널: Shannon 용량
• 잡음이 있는 채널의 경우 다음 식으로 표현할 수 있음

• 두 제한 모두 사용
• 실제로는 한계와 신호 레벨을 찾기 위해 두 가지 방법을 모두 사용해야 함

성능

대역폭

• 네트워크 성능을 측정하는 특성 중 하나는 대역폭임

처리량

• 처리량은 데이터를 실제로 얼마나 빠르게 전송할 수 있는지를 측정하는 지표임

지연(딜레이)

• 지연 또는 딜레이는 소스에서 첫 번째 비트가 전송되는 시점부터 전체 메시지가 목적지에 완전히 도착하는 데 걸리는 시간을 정의함

• 보통 전파 지연, 전송 지연, 대기 지연, 처리 지연 등 네 가지 유형의 지연이 있다고 말함

• 지연 또는 총 지연 시간은 다음과 같음

대역폭-지연 곱

• 대역폭과 지연은 링크의 두 성능 지표

• 그러나 데이터 통신에서 매우 중요한 것은 두 가지의 곱, 즉 대역폭-지연 곱임

💡

예제 2.12

두 지점 사이의 링크를 관으로 생각할 수 있음

관의 부피가 대역폭-지연 곱을 정의한다고 말할 수 있음

지터

• 지연과 관련된 또 다른 성능 문제는 지터

• 데이터 패킷이 다른 지연을 겪고 수신지에서 데이터를 사용하는 응용 프로그램이 시간에 민감하다면(예: 오디오 및 비디오 데이터) 지터가 문제가 될 수 있음

• 첫 번째 패킷의 지연이 20 ms, 두 번째 패킷이 45 ms, 세 번째 패킷이 40 ms 인 경우, 패킷을 사용하는 실시간 응용 프로그램은 지터를 겪게 됨

디지털 전송

2.3.1 디지털-디지털 변환

• 이 섹션에서는 디지털 신호를 사용하여 디지털 데이터를 어떻게 나타낼 수 있는지 살펴볼 것임

• 변환은 선 부호화, 블록 부호화, 스크램블링 세 가지 기술을 포함함
• 선 부호화는 항상 필요하며, 블록 부호화와 스크램블링은 필요할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있음

• 선 부호화
• 선 부호화는 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환하는 과정임
• 텍스트, 숫자, 그래픽 이미지, 오디오 또는 비디오의 형태로 데이터가 컴퓨터 메모리에 비트의 연속으로 저장되었다고 가정함

• 블록 부호화
• 동기화를 보장하고 내재적인 오류 검출을 제공하기 위해 중복성이 필요함
• 블록 부호화는 이 중복성을 제공하고 선 부호화의 성능을 향상시킬 수 있음
• 일반적으로 블록 부호화는 비트의 블록을 비트의 블록으로 변경함. 여기서 은 보다 크고, 블록 부호화는 인코딩 기술로 참조됨
• 블록 부호화는 일반적으로 세 단계를 포함함: 나누기, 대체, 결합하기
• 나누기 단계에서 비트 순서는 m비트 그룹으로 나뉨
• 대체 단계에서 m비트 그룹을 n비트 그룹으로 대체함
• 결합 단계에서 n비트 그룹은 스트림을 형성하도록 결합됨
• 예) 4B/5B 인코딩에서 원래 비트 순서는 4비트 그룹으로 나뉨. 그런 다음 우리는 4비트 그룹을 5비트 그룹으로 대체함. 마지막으로 5비트 그룹은 스트림을 형성하도록 결합됨

2.3.2 아날로그-디지털 변환

펄스-코드 변조

• 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하는 데 사용되는 가장 일반적인 기술을 펄스 코드 변조(PCM)라고 함

• PCM 인코더에는 세 가지 프로세스가 있음
1. 아날로그 신호는 매 초마다 샘플링됨
2. 샘플링된 신호는 양자화되며, 이는 모든 샘플이 펄스로 간주된다는 것을 의미함
3. 양자화된 값(펄스)은 비트 스트림으로 인코딩됨

[Nyquist-Shannon 샘플링 이론] 모든 신호는 그 신호에 포함된 가장 높은 진동수의 2배에 해당하는 빈도로 일정한 간격으로 샘플링하면 원래 신호를 완벽하게 기록할 수 있다

델타 변조

• DM은 PCM의 복잡성을 줄이기 위해 개발되었음
• PCM은 매우 복잡한 기술임
• PCM의 복잡성을 줄이기 위해 다른 기술이 개발되었음
• 가장 간단한 것은 델타 변조임

• PCM은 각 샘플의 신호 진폭 값을 찾음; DM은 이전 샘플에서의 변화를 찾음

아날로그 전송

• 디지털 전송이 바람직한 반면, 저역 통과 채널(0에서 시작하는 채널)이 필요함; 대역통과 채널(0에서 시작하지 않는 채널)이 있다면 아날로그 전송이 유일한 선택이 됨

• 디지털 데이터를 대역통과 아날로그 신호로 변환하는 것을 전통적으로 디지털-아날로그 변환이라고 함

• 저역 아날로그 신호를 대역통과 아날로그 신호로 변환하는 것을 전통적으로 아날로그-아날로그 변환이라고 함

2.4.1 디지털-아날로그 변환

• 디지털-아날로그 변환은 디지털 데이터의 정보를 기반으로 아날로그 신호의 특성 중 하나를 변경하는 과정임

진폭 시프트 키잉

• ASK에서는 신호 요소를 생성하기 위해 캐리어 신호의 진폭이 변화됨
• : 신호 비율 (바드) = 초당 심볼 수
• : 대역폭
• : 한 번 변조하는 데 사용되는 비트 수
• : 변조 및 필터링 과정에 따라 달라지는 요소 (0과 1 사이)

• 대역통과 채널을 사용할 수 있다면, 변조된 신호가 해당 대역폭을 차지하도록 를 선택할 수 있음
• : 캐리어 주파수

주파수 시프트 키잉

• FSK에서는 데이터를 나타내기 위해 캐리어 신호의 주파수가 변화됨

• 바이너리 FSK (BFSK)는 두 개의 캐리어 주파수를 고려함

• 아래는 두 개의 캐리어 주파수, 과 를 선택했음
• 데이터 요소가 0이면 을 사용하고, 데이터 요소가 1이면 를 사용함

위상 시프트 키잉

• PSK에서는 데이터를 나타내기 위해 캐리어 신호의 위상이 변화됨

• 이진 PSK (BPSK)에서는 0°의 위상을 갖는 하나의 신호 요소와 180°의 위상을 갖는 다른 신호 요소만 있음

2.4.2 아날로그-아날로그 변환

• 아날로그-아날로그 변환 또는 아날로그 변조는 아날로그 신호로 아날로그 정보를 표현하는 것

• 아날로그 신호를 왜 변조해야 하는지 물어볼 수 있음; 이미 아날로그 상태이기 때문

• 대역통과의 특성을 갖는 매체에서나 우리에게만 대역통과 채널이 사용 가능한 경우 변조가 필요
• 예) 라디오
• 정부는 각 라디오 방송국에 좁은 대역폭을 할당함
• 각 방송국에서 생성되는 아날로그 신호는 동일한 범위 내의 저역 신호임
• 다양한 방송국을 듣기 위해서는 저역 신호를 각기 다른 범위로 이동시켜야 함

진폭 변조

• AM에서는 변조 신호의 변화를 따라 캐리어 신호의 진폭이 변경됨

• 은 필요한 대역폭이며 는 변조 신호의 대역폭임 (은 의 두 배)

주파수 변조

• FM에서는 변조 신호의 변화를 따라 캐리어 신호의 주파수가 변경됨

• 일반적으로 전압 제어 발진기를 사용하여 구현됨

• FM에 필요한 대역폭 ()은 결정하기 어렵지만, 로서 경험적으로 나타낼 수 있으며, 여기서는 변조 기술에 따라 달라지는 요소이며 일반적인 값은 4임

위상 변조

• PM에서는 변조 신호의 변화를 따라 캐리어 신호의 위상이 변경됨

• PM과 FM 사이의 차이점 중 하나
• FM에서는 변조 신호의 진폭에 비례하여 캐리어 주파수의 순간 변화가 발생하는 반면, PM에서는 변조 신호의 진폭의 미분에 비례함

멀티플렉싱

• 매체의 대역폭이 장치의 대역폭 필요보다 클 때마다 링크를 공유할 수 있음

• 멀티플렉싱은 여러 신호의 동시 전송을 허용하는 기술의 집합임

• 멀티플렉싱된 시스템에서는 n개의 라인이 하나의 링크 대역폭을 공유함
• 왼쪽의 링크는 왼쪽의 전송 스트림을 멀티플렉서로 보내며, MUX는 단일 스트림으로 결합함 (다대일)
• 수신측에서는 디멀티플렉서에 공급되며, DEMUX는 스트림을 구성 전송으로 다시 분리(일대다)하고 그것들을 해당 라인으로 지시함

2.5.1 주파수 분할 멀티플렉싱

• 주파수 분할 멀티플렉싱
• 함께 전송될 신호의 총 대역폭보다 링크의 대역폭(헤르츠)이 클 때 적용될 수 있는 아날로그 기술
• 채널은 신호가 겹치지 않게하기 위해 사용되지 않는 대역폭–가드 밴드–대역폭으로 분리될 수 있음

2.5.2 시간 분할 멀티플렉싱

• 시간 분할 멀티플렉싱
• 링크의 높은 대역폭을 공유하도록 여러 연결을 허용하는 디지털 프로세스
• 각 연결은 링크에서 시간의 일부를 차지함

다중화 전송 매체

2.6.1 유도 매체

• 유도 매체는 한 장치에서 다른 장치로의 전도체를 제공하는 매체로, 꼬임 쌍 케이블, 동축 케이블, 광섬유 케이블을 포함함

꼬임 쌍 케이블

• 꼬임 쌍 케이블은 보통 구리인 두 개의 도체로 구성됨

• 비차폐 꼬임 쌍 케이블은 플라스틱 커버로 된 케이블 쌍을 나타냄

• 차폐 꼬임 쌍 케이블은 플라스틱 커버 아래에 금속 방패가 있는 케이블 쌍을 나타냄

동축 케이블

• 동축 케이블은 꼬임 쌍 케이블보다 더 높은 주파수 범위의 신호를 전송함

• 동축 케이블에는 절연 피복으로 둘러싸인 중앙 핵이 있음

광섬유 케이블

• 광섬유 케이블은 유리나 플라스틱으로 만들어져 있으며 광 신호의 형태로 신호를 전송함

• 빛이 물질에서 다른 물질로 들어가면 광선의 방향이 변함

2.6.2 비유도 매체: 무선

• 비유도 매체는 물리적 전도체를 사용하지 않고 전자기파를 전송함

• 이런 종류의 통신은 보통 무선 통신으로 불림

• 신호는 일반적으로 자유 공간을 통해 방송되므로 그것들을 수신할 수 있는 장치를 가진 사람이라면 누구나 사용할 수 있음

• 무선 통신에 사용되는 전자기 스펙트럼의 일부를 3kHz에서 900THz까지 보여줌

라디오파

• 라디오파와 마이크로파 사이에는 명확한 구분이 없음. 3kHz에서 1GHz 사이의 전자기파는 일반적으로 라디오파로 부름. 1에서 300GHz 사이의 주파수 범위를 가진 파장은 마이크로파로 불림

• 그러나 파장의 행동은 주파수보다 분류의 더 나은 기준임

• 대부분의 라디오파는 전방향임
• 장점: 송신 및 수신 안테나를 정렬할 필요가 없음
• 단점: 하나의 안테나에서 전송된 라디오파는 동일한 주파수나 대역을 사용하여 신호를 보낼 수 있는 다른 안테나에 의해 간섭을 받을 수 있음

마이크로파

• 1에서 300GHz 사이의 주파수를 가진 전자기파는 마이크로파로 불림

• 마이크로파는 단방향임

• 안테나가 마이크로파를 전송할 때, 그것들은 좁게 집중될 수 있음
• 이는 송신 및 수신 안테나를 정렬해야 한다는 것을 의미함

• 단방향 특성은 명백한 이점을 가지고 있음
• 짝을 이룬 안테나는 다른 짝을 이룬 안테나와 간섭없이 정렬될 수 있음

적외선

• 300GHz에서 400THz(파장 1mm에서 770nm) 사이의 주파수를 가진 적외선은 단거리 통신에 사용될 수 있음

• 장점이자 단점: 적외선은 높은 주파수를 가지고 있으므로 벽을 관통할 수 없음
• 한 시스템과 다른 시스템 간의 간섭을 방지함
• 한 방의 단거리 통신 시스템은 다음 방의 다른 시스템에 영향을 받지 않습니다.