Data Transmission

성공적인 Transmission을 하기 위해선 두 가지 조건이 필요하다.

1. 전송되는 신호의 quality

2. 전송 매체의 특징

 

Transmission Terminology 

데이터 전송은 전송기와 수신기 사이에서 전송 매체를 통해 발생한다.

Guided media : 물리적인 경로를 따라 신호가 전송(꼬인 선, 광섬유 등)

Unguided midia : 물리적인 경로 없이 전파된다. (물, 공기)

communication은 전자기파의 형태로 전송된다. 

 

다양한 사인파

 

wavelength(파장, ∧) : 한 사이클이 공간에서 차지하는 거리

• 신호의 파장은 주파수와 매체의 속도에 의해 결정되며, 이는 안테나 길이 및 배치와 같은 물리적 특성에 영향을 미침
• 유선, 무선 매체 둘다 주파수에 따라 신호의 도달 범위와 성능이 달라질 수 있음
• 파장 = 속도x주기, 이식은 무선 통신에서 중요함. 왜냐하면 주파수와 파장이 변하면 신호의 도달 거리와 간섭 가능성이 달라지기 때문

Frequency Domain Concepts

 

신호들을 다양한 주파수 성분의 조합으로 분석함

푸리에 분석 : 모든 신호는 여러 성분의 사인파로 분해가 가능함

 

Data Rate and Bandwidth

1. 모든 전송 시스템은 제한된 주파수 대역이 있다.

2. 이 제한은 전송매체에서 처리할 수 있는 데이터 전송 속도를 제한함

3. 사각파는 무한한 주파수 성분을 갖고 그러므로 무한한 대역폭을 필요로 한다.

4. 대부분의 에너지는 초기 몇 가지 성분에 에너지가 많음

5. 대역폭 제한은 왜곡을 발생시킴

그래서 데이터 속도와 대역폭 사이에는 직접적인 관계가 있음

 

디지털 신호의 장점과 단점

장점 : 저렴하고 잡음 간섭에 덜 민감함

단점 : 감쇠에 취약함

 

오디오 신호 

음성 신호는 쉽게 전자 신호로 변환이 가능

음량의 변화는 전압의 변화로 변환됨

 

비디오 신호

비디오 신호를 생성하기 위해 TV카메라가 사용

미국 표준은 프레임당 483개의 줄이 있고 초당 30개의 프레임이 완성된다.

실제는 523개의 줄이지만 수직 retrace 하는 동안 42개 손실

수평 스캔 주파수 525x30

 

 

Transmission Impairments

수신된 신호가 송신된 신호와 다를 수 있으며, 아래와 같은 문제가 발생할 수 있음

아날로그 신호 : 신호 품질이 저하

디지털 신호 : 비트 오류

중요한 손상들 : 감쇠, 감쇠 왜곡, 지연 왜곡, 노이즈

 

Attenuation(감쇠)

1. 수신된 신호의 강도는 탐지될 만큼 강하고, 잡음보다 높아야 함(오류를 피하기 위해)

2. 증폭기나 리피터로 신호 강도를 증가시킬 수 있음

3. 코딩코일이나 증폭기로 주파수 대역의 감쇠를 균일하게 조정가능함

 

신호 강도는 전송매체를 통해 이동할수록 거리에 따라 감소함

감쇠는 주파수에 따라 다름

 

Delay Distortion(지연 왜곡)

신호가 유도 매체를 통해 전파될 때 주파수에 따라 전파 속도가 달라지기에 발생함

다양한 주파수 성분들이 서로 다른 시간에 도착하게 되어 주파수 간 위상 차이(phase shift)가 발생함

특히 디지털 데이터에서 치명적인데, 하나의 비트의 일부가 다른 비트로 흘러들어 가서 기호 간 간섭을 일으킬 수 있음

 

Noise

송신기와 수신기 사이에서 삽입된 원치 않는 신호

통신 시스템 성능을 제한하는 주요 원인임

 

Categories of Noise

Thermal noise(열잡음)

전자들의 열적 운동 때문에 발생

대역폭 전체에 걸쳐 균일하게 분호함

화이트 노이즈라고 불림

 

Intermodulation noise(혼변조 잡음)

송신기, 수신기 전송매체의 비선형성에 의해 발생함.

두 원래 주파수의  합 또는 차 주파수에서 새로운 신호가 생성되는 결과를 초래함

 

Impulse noise(임펄스 잡음)

외부 전자기 간섭에 의해 발생

불연속적이고 불규칙한 펄스나 스파이크로 구성

짧은 시간 동안 높은 진폭을 가짐

아날로그 신호에는 불편을 초래하고 디지털 신호에는 주요한 오류의 원인임

 

Crosstalk(혼선)

한 회선의 신호가 다른 회선에 수신되는 현상

twisted pairs사이의 전기적 결함이나 마이크로파 안테나가 원치 않는 신호를 수집할 때 발생할 수 있음

 

Channel Capacity(채널 용량)

주어진 조건에서 특정 통신 채널을 통해 데이터가  최대한으로 전송될 수 있는 속도를 의미

1. data rate(데이터 전송 속도) : 초당 비트 수

2. bandwidth(대역폭) : 초당 주기 또는 Hz 단위

3. 노이즈 : 경로에 따라 발생하는 평균 잡음 수준을 의미

4. 오류율 : 손상된 비트의 비율

5. 통신 채널의 물리적 특성에 따른 제한이 존재함

6. 잡음은 효율적인 데이터 전송을 방해하는 주요 제한 원인임

 

Nyquist Bandwidth

잡음이 없는 채널의 경우

2B의 신호 전송 속도를 가진다면 주파수가 B이하인 신호를 전송할 수 있음(대역폭(B)이 주어지면 최대 신호 속도는 2B)

이진 신호의 경우 2B bps의 데이터 전송 속도에는 B Hz의 대역폭 필요

M개의 신호 레벨을 사용하면 전송 속도를 증가시킬 수 있음

공식(C는 채널용량, B는 대역폭, M은 신호 레벨 수)

데이터 전송 속도 증가 방법

신호레벨을 늘리면 데이터 전송 속도를 높일 수 있음(그런데 수신기에 부담이 가고 잡음과 기타 장애가 M값을 제한함)

 

Shannon Capacity Formula

데이터 전송 속도, 잡음, 오류율 간의 관계 고려하면

1. 빠른 데이터 전송 속도는 각 비트의 길이를 줄여서 잡음이 발생할 때 더 많은 비트 손상됨

2. 잡음 수준이 일정하면, 전송속도가 높을수록 더 오류가 많음

공식(C는 채널용량, B는 대역폭, SNR은 신호 대 잡음비)

이 공식은 이론적으로 최대용량일 뿐, 실제 전송 속도는 이보다 낮은 경우가 많음