데이터 전송 (3.1 -> 개념 및 용어)
3.2 아날로그 및 디지털 데이터 전송
대략적으로 아날로그 -> 연속적인 것 디지털 -> 이산적인 것
이 용어는 데이터 통신에서 데이터, 신호방식, 전송이라는 3개의 관점에서 자주 사용
데이터 : 어떤 의미 또는 정보를 전달하는 개체(entity)로 정의 가능
신호(signal) : 데이터의 전자기적 표현
신호방식(signaling) : 적절한 정송 매체를 통해 신호를 물리적으로 전파하는 것
전송(transmission) : 신호 전파와 처리를 통한 데이터의 통신이다.
아날로그 및 디지털 데이터
아날로그 데이터(analog data) : 어떤 구간에서 연속적인 값을 갖는다. ex) 음성과 영상 -> 세기가 연속적으로 변화하는 모양을 가짐. 센서에 의해 감지되는 대부분의 데이터, 즉 온도, 압력 등은 연속적인 값
디지털 데이터(digital data): 이산적인 값을 가짐. 텍스트나 정수가 그 예
아날로그 데이터
- 음성 데이터 -> 인간에 의해 직접 감지될 수 있는 음파의 형태.
- 비디오 -> TV 카메라에 의해 기록되는 원래의 장면(발신자)이 아닌 TV화면(목적지)으로 비디오 데이터의 특성을 살펴보는 것이 쉽다. 화면상의 영상을 만들기 위해서 전자빔이 화면의 표면을 왼쪽에서 오른쪽으로, 또 위에서 아래로 지난다. 빔이 지나감에 따라 이 아날로그 값은 변화. 그러므로 비디오 영상은 시간에 따라 변화하는 아날로그 신호로 볼 수 있다.
디지털 데이터
- 문자열 -> 텍스트 데이터가 인간에게는 매우 편리한 반면, 데이터 처리 및 전송 시스템에서는 문자 단위로 쉽게 저장되고 전송되지 않는다. 그러한 시스템은 이진 데이터에 적합하게 설계되어 있다. 문자를 비트열로 나타내는 다양한 코드들 고안. 가장 초기 모스코드, 최근 IRA(International Reference Alphabet)
아날로그 신호와 디지털 신호
통신 시스템에서 데이터는 전자기 신호에 의해 한 지점에서 다른 지점으로 전파된다.
아날로그 신호 -> 다양한 스펙트럼의 전송 매체를 통해 전파될 수 있는 연속적인 전자기파
디지털 신호 -> 유선 매체를 통해 전송될 수 있는 전압 펄스의 열로 구성 ex) 일정한 크기의 양의 전압은 0을, 음의 전압은 1로 나타냄
ex) 음성 입력의 아날로그 신호로의 변환
음성 -> 주파수 범위가 20HZ ~ 20kHZ 이러한 형태의 정보 -> 전송을 위한 전자기파로 쉽게 변환.
음성 데이터의 경우, 데이터는 원래의 음성과 동일한 스펙트럼을 갖는 전자기 신호로 직접 표현될 수 있다. 그러나 기적으로 전송되는 소리의 음질과 대역폭이 증가할수록 비싼 전송 비용 사이에는 어떤 절충이 필요.
비디오 신호 -> TV 수상기와 비슷한 역할을 하는 TV 카메라가 사용.
이진 데이터의 경우 -> 단말기, 컴퓨터 및 기타 데이터 처리장치들에 의해 생성되어 전송을 위한 디지털 전압펄스로 변환된다.
데이터와 신호
아날로그 데이터 -> 시간의 함수, 제한된 주파수 스펙트럼 영역을 갖음. 그러한 데이터는 동일한 스펙트럼 영역을 갖는 전자기 신호로 표현 가능. 디지털 데이터는 2개의 이진수 값을 나타내기 위해 2개의 다른 전압을 갖는 디지털 신호로 표현 가능 그러나
디지털 데이터는 모뎀을 이용해 아날로그 신호로 표현될 수도 있다.
모뎀은 디지털 데이터를 반송 주파수(carrier frequency)로 인코딩함으로써 일련의 이진 전압 펄스를 아날로그 신호로 변환하는 기능을 갖는다. 그 결과 생성되는 신호는 반송파를 중심으로 하는 스펙트럼을 갖게 되어, 그 반송파(carrier)에 적합한 전송 매체를 통해 전파될 수 있다. 가장 흔한 모뎀은 디지털 데이터를 음성 스펙트럼 내에서 표현하여, 이 데이터가 보통의 음성급 전화 회선을 통해 전파될 수 있게 해준다. 회선의 다른 끝에도 모뎀이 있어, 이 신호를 원래의 데이터로 복원시킨다.
모뎀의 동작과 매우 유사하게 아날로그 데이터는 디지털 신호로 표현될 수 있다. 음성 데이터에 대해 이러한 기능을 수행하는 장치가 코덱이다.
기본적으로 코덱은 음성 데이터를 나타내는 아날로그 신호를 입력으로 받아 신호를 비트열로 근사시킨다. 수신측에서는 이 비트열이 아날로그 데이터를 재생하는데 사용된다.
아날로그 및 디지털 전송
아날로그 전송 : 내용물과는 무관하게 아날로그 신호를 전송하는 것.
신호는 아날로그 데이터를 나타낼 수도 있고, 디지털 데이터를 나타낼 수도 있다. 어느 경우라도 아날로그 신호는 어떤 거리를 지나면 그 세기가 감쇄하게 된다. 장거리의 전송을 아날로그 전송시스템은 신호의 세기를 키워주는 증폭기를 가져야 한다. 그러나 **증폭기 **-> 잡음 성분까지도 증폭한다.
반대로 디지털 전송 -> 신호의 내용물에 관심을 둔다.
디지털 신호는 감쇄, 잡음, 기타 손상 요인이 데이터의 무결성을 위협하지 않을 정도의 거리에서만 전송이 가능 보다 장거리의 전송을 위해서는 리피터가 사용 리피터는 디지털 신호를 수신하여 이들로부터 0과 1을 복원한 다음, 새로운 신호를 만들어 전송한다. 이로써 감쇄 현상을 극복 가능
어떤 전송법을 선택할 것인가? 자연스러운 의문 제시. 통신 사업자나 그 고객들이 제시하는 해답 -> 디지털. 가능한한 디지털 전송으로 전환되는 추세
(디지털 : 가격 지속적 낮아짐, 데이터 무결성(증폭기 대신 리피터 사용, 잡음과 같은 신호 손상에 영향 누적 x, 전송 용량의 활용- 광대역 전송 링크 구축이 경제적, 보안과 프라이버시- 암호화 기법 쉽게 적용 가능, 통합: 아날로그와 디지털 데이터 모두 취급)
3.3 전송 손상
- 감쇄(attenuation) 및 감쇄 왜곡(attenuation distortion)
- 지연 왜곡(delay distortion)
- 잡음(noise)
감쇄
신호의 세기는 전송 매체를 통과하는 거리에 따라 점점 약해진다.
감쇄 현상에 대한 3가지 고려 사항
- 수신 신호는 수신기의 전자 회로가 신호를 인지하고 해독하기에 충분한 세기를 가져야 한다
- 오류 없이 수신이 가능할 정도로 잡음에 비해 충분히 큰 강도를 유지해야 한다
- 감쇄는 주파수에 따라 변한다
지연왜곡
지연 왜곡은 주로 유도 전송 매체에서 신호 전파 속도가 주파수에 따라 다르기 때문에 발생한다.
잡음
어떤 데이터의 전송의 경우에나 수신 신호는 전송 시스템에 의해 왜곡이 포함되고 수신측과 송신측 사이의 전송 과정에서 불필요한 신호가 추가된다. 후자의 불필요한 신호를 잡음이라고 한다.
잡음의 4가지 유형
- 열잡음
- 상호 변조 잡음
- 누화
- 충격 잡음
열잡음 : 전자의 열 교란으로 인한 것. 열잡음은 모든 전자 장치와 전송 매체에서 발생하며 온도의 함수이다. 통신 시스템이 사용하는 전체 주파수 대역에 걸쳐서 고르게 분포되므로, 흔히 백색 잡음이라고도 한다.
상호 변조 잡음 : 서로 다른 주파수의 신호들이 동일한 전송매체를 공유할 때 상호 변조 잡음이 발생할 수 있다. 상호 변조 잡음은 수신측이나 송신측, 혹은 전송 매체 시스템에 있는 비선형성에 의하여 발생한다. 이상적인 경우 전송 시스템의 구성 요소들은 선형 시스템을 이루어야 한다. 즉, 시스템의 출력은 입력의 상수배가 되어야 한다.
누화(crosstalk) : 전화를 사용할 때 다른 사람의 대화를 자기가 듣는 상태와 유사하다. 이것은 신호의 경로가 비정상적으로 결합된 경우에 발생한다.
지금까지 언급한 잡음들은 합리적으로 예측 가능하며 상대적으로 일정한 크기를 가지므로, 이를 극복할 수 있는 전송 시스템의 설계가 가능하다. 그러나 충격잡음(impulse noise)은 비연속적이고 불규칙적인 진폭을 가지며, 짧은 순간 동안 큰 세기로 발생하는 잡음이다. 원인은 매우 다양한데, 번개와 같은 외부적인 전자기적 충격이나 통신 시스템에서의 결함 등이 그 원인이 될 수 있다.
3.4 채널 용량
여기에 상호 연관되는 4가지 개념
- 데이터 전송률 : 데이터의 통신 속도로서 단위는 초당 비트수이다.
- 대역폭 : 송신기와 전송 매체의 특성에 의해 제한되는 전송 신호의 대역폭으로 단위는 초당 사이클, 즉 HZ이다.
- 잡음 : 통신선로상에서 잡음의 평균 레벨
- 오류율 : 오류 발생 비율이다. 오류란 1을 송신하였ㅇ르 때 0을 받거나, 0을 전송하였을 때 1을 받는 것을 말한다.
Nyquist 대역폭
Shannon의 용량 계산 공식
참고자료
데이터 통신 및 컴퓨터 통신 - william stallings 지음 한기준 , 김종근 옮김