Physical layer: Signals

Signal

신호는 크게 아날로그와 디지털로 나뉜다.

신호는 amplitude(진폭), frequency(진동수), phase(파형) 으로 이루어져 있다.

모든 신호는 사인파들의 조합으로 만들 수 있다.

오른쪽의 신호는 3개의 사인파의 조합

Bandwidth(대역폭)

fourier analysis(푸리에 분석)을 통해 time domain 그래프 혹은 frequency domain 그래프로 나타낼 수 있다.

신호가 복잡하면 싸인파의 조합으로 나타내도 분석하기 너무 복잡하기 때문에 frequency domain을 보는 것이 용이하다.

여기서 주파수에 대해 분석하면 가능한 주파수 범위(영역)으로 나타내어 지는데 이를 Bandwidth(대역폭)이라고 한다.

 

특히, 전송속도는 대역폭에 직접적인 연관이 있어 매우 중요하다!!!

 

 

디지털 신호는 무한한 대역폭이 존재한다. 이를 time-volt 그래프로 나타내면 다음과 같다.

volt-time graph

5v나 0v가 유지될 때에는 0의 진동수를, v값이 변할 때 무한한 진동수를 갖는다고 본다. (실제로는 유한하다)

이렇게 신호는 통과시킬 수 있는 범위가 제한적인 대역폭을 갖는다.

채널 타입은 크게 두 가지가 있다.

Baseband channels

유선 링크로 위의 zero frequency를 갖는다.

따라서 모든 디지털 신호는 zero frequency 부분이 존재하므로 유선으로만 신호를 전달할 수 있다.

Bandpass channels

무선 링크다. zero frequency를 갖지 않는다. 

 

따라서 위의 밴드패스 채널을 이용하려면 Digital 신호를 Analog 신호로 변환(convert)하는 modulation이 꼭 필요하다.

 

하지만 위의 채널들을 이용할 때 몇 가지 문제에 대해 생각해봐야 한다.

먼저 신호에 노이즈가 끼거나 왜곡 또는 거리가 멀면 attenuation(감쇠)가 발생하여 신호에 변형이 일어난다.

또한 신호는 제한된 대역폭에서만 전송이 가능하다. 특히 통신에 있어서는 이 대역폭이 가장 희소성 높은 자원이다.

 

신호에서 'symbol'은 한번에 전송하는 가장 작은 단위로 N 비트만큼 담아서 보낸다.

Symbol rate는 초당 symbol을 몇 개 보낼 수 있는지의 비율로 1/symbol duration으로 sygnal rate라고도 한다.

symbol duration은 하나의 symbol을 전송하는데 걸리는 시간이다.

여기에 한 symbol 당 담겨있는 N 비트를 곱하면 1초에 얼만큼의 데이터를 보내는지에 대한 data rate를 알 수 있다.

그러면 이걸 통해 우리는 전송 속도를 높이기 위해 어떻게 해야 하는지 알 수 있다. 바로 N을 높이거나, symbol duration을 낮추어야 한다. 하지만 N을 높이는 건 에러율이 높아질 수 있기 때문에 쉽지 않다.

따라서 symbol duration을 낮추는 것이 가장 합리적인데 위에서 본 푸리에 변환을 보면 동일 진폭과 파형에서

시간과 주파수는 반비례 관계인 것을 알 수 있다.

다시 말해 symbol duration이 짧아진다는 것은 더 높은 주파수 성분이 포함되게 된다는 뜻이고 이는 곳

더 넓은 band width(대역폭)이 필요하다는 뜻이다.

만약 동일한 대역폭에서 symbol duration만 짧게 한다면 높은 주파수 성분은 짤리게 되어 distortion(왜곡)이 발생할 수 있다.

이렇게 우리는 대역폭이 전송속도에 직접적인 영향을 미친다는 것을 알았다.

이제 신호를 전송할 때 어떤 방식으로 변조하여 보내는지 살펴보자.

Digital transmission: Line coding

다음과 같은 네 가지 방식을 설명한다.

1. Unipolar-NRZ

데이터가 1일 때 높은 전압을 유지하고 0일 때 0V를 유지한다.

DC(직류) 성분이 필요하다. (대역폭 효율 낮음)

 

2. Polar-RZ

데이터가 1일 때 +V, 0일 때 -V이고 심볼 지속시간의 중간에는 반드시 0V이다.

전압이 두 번 변하므로 두 배의 대역폭이 필요하다는 단점이 있다.

 

3. Manchester

각 비트가 유지될 때 전압이 바뀐다.

1일 때 High > Low, 0일 때 Low > High

 

위 방식은 신호가 송신기와 수신기의 동기화를 지원하는 self-synchronizing이라는 장점 때문에 과거에 사용되었지만

두 배의 대역폭이 필요하다는 단점 때문에 지금은 사용되지 않는다.

 

4. AMI

0은 0V, 1은 +와 -전압을 번갈아가며 사용

계속 0V가 유지될 때 동기화가 어렵다는 단점이 있다.

Analog transmission: Digital to analog conversion

무선 통신은 아날로그로만 통신이 가능하다. 따라서 D to A 전환이 필요한데, 여기에는 크게 네 가지 방식이 있다.

time domain 그래프로 보는 각종 통신 방식들

ASK:Amplitude Shift Keying

진폭을 두 종류 사용하는 방식

노이즈에 취약하나 넓은 대역폭을 필요로 하지 않는다.

FSK:Frequency Shift Keying

진동수를 두 종류 사용하는 방식

노이즈에 강하나 넓은 대역폭을 필요로 한다.

PSK:Phase Shift Keying

노이즈에도 강하고 넓은 대역폭도 필요로 하지 않지만 기술적으로 구현된 지 얼마 되지 않아 근래에 많이 사용된다.

 

QAM(Quadrature Amplitude Modulation)

신호의 단위는 symbol이라고 하였다. 2종류의 데이터를 전송한다고 가정 시 두 종류의 symbol이 필요하다. 위에서는 0과 1만 전송하므로 두 종류의 symbol을 확인할 수 있다. 만약 4 종류의 데이터를 전송한다고 가정하면 2개 씩 총 네 종류의 symbol이, 8종류면 3개 씩 총 6종류의 symbol이 필요할 것이다. 그런데 이렇게 되면 여러 과정에서 신호를 분석하기 매우 복잡해진다. 위에서 두 종류의 데이터만 전송해도 보기가 어렵지 않은가. 이래서 등장한 것이 QAM이다. QAM은 위에서 배운 3가지의 전송방식 중 ASK와 PSK를 함께 사용하는 방식이다. 진폭과 파형 두 가지로 신호를 전송하기에 여러 신호를 효율적으로 보낼 수 있다.

 

QAM & constellation diagram

QAM은 진폭과 파형 두 가지 종류를 사용하여 신호를 구분한다. 이에 time domain 그래프를 쓰기에 여러모로 비효율적인 부분이 많아 위와 같은 constellation diagram을 사용하여 신호를 표시한다. 위의 다이어그램에서 한 점까지의 거리가 진폭(amplitude), 한 점까지의 각도가 파형(phase)이다.

위에서 16개의 점이 있으므로 진폭 2종류와 파형 2종류를 사용한다고 생각했는데 그렇지 않은것 같다. 0011, 0001, 0110, 0100 그리고 아래의 네 개는 잘못된 점의 위치인게 아닌가..? 아니면 16개짜리 다이어그램이 아닌가?

송신자가 신호를 보내면 노이즈가 발생한다. 이 때 각종 요인에 의해 수신자는 위의 다이어그램의 한 점으로부터 일정 범위 내에서 어딘가에 신호가 나타날 것이다. 노이즈가 클수록 본래 점에서 위치는 멀어진다.