[3주차] Electronics & Signals (1)

1. Electronics and Signals

nucleus 핵 : 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어있음
protons 양성자 : positive charge 를 가지고 중성자와 함께 핵을 구성
neutrons 중성자 : charge를 가지고 있지 않으며 양성자와 함께 핵을 구성
-> 양성자와 중성자는 "학력" 이라고 하는 강력한 힘으로 묶여있고
-> 전자는 상대적으로 약하게 묶여 있으므로 핵 주변에 존재하게 되는 것이다
electrons 전자 : negative charge 을 가지고 있으며 핵 주변을 공전
electricity 전기 : 전자의 경우 결합이 약하기 때문에 특정 원자에 속한 경우 풀릴 수 있음, 그리고 흐름을 만들 수 있는데 이것이 바로 전기이고, 전기는 전자의 흐름으로 설명될 수 있다.
ESD(electrostatic discharge) 정전기 : 놓아진 전자가 일정한 지역의 움직임 없이 있는 경우
-> 이러한 정전기가 사람에게 흐를 때는 전류가 적어 심장을 제외하고는 해가 없음
-> 반도체로 구성된 전자 장치에 흐를 때 심각한 문제를 발생시킴
 

 
-> 모든 물질은 부도체, 도체, 반도체로 구분이 가능하다

Electrical insulator 부도체	Electrical conductors 도체	Semiconductors 반도체
전자가 흐를 수 없도록 하게 하는 물질	전자가 잘 흐를 수 있도록 핵으로부터 쉽게 벗어날 수 있는 물질을 이야기	흐르는 전류의 크기를 조절할 수 있는 물질
플라스틱, 고무, 공기, 종이	구리, 금, 은, 사람, 이온	탄소, 게르마늄, 실리콘

 
 
Voltage 전압 (V or E) : 전기적인 힘  혹은 압력으로 볼 수 있음, 이것은 전하가 가해져서 생기는 압력과 같은 것
-> 정전기의 경우 마찰에서 발생 가능, 발전기의 경우 자기력에 의해서 생길 수 있음
 
Current 전류 (I) : 전하의 흐름이라고 할 수 있고, 전자의 움직임에 의해서 생김, 즉, 자유전자에 의한 흐름에서 발생
-> 전류의 크기를 측정하는 단위는 amp이며, 어떤 특정 포인트를 통과하는 전하의 수로 정의

-> 전류는 우리가 회로라고 부르는 도체와 부하, 전원, 제어장치의 닫힌 고리에 흐르게 된다
-> 회로가 닫혀있을 때에만 전류가 흐를 수 있다.
 
Resistance 저항 (R) : 전류가 흐르는 물질이 전류가 흐르는 것을 방해하는 정도
-> 저항을 아주 적게 제공하는 물질을 도체라고 하고, 크거나 심하게 발생하는 물질을 부도체라고 한다
-> 저항 결정 요소는 물질의 화학적 조성에 의해서 결정
-> 저항을 측정하는 단위는 ohm이고 그리스 문자 오메가를 사용해서 표현
 
★ Impedance 임피던스, 온저항 (Z) : 인덕터(유도성 소자)와 캐패시터(커패시터, 정전용량 소자)가 교류(AC) 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 개념, 즉 회로에서 전압이 가해져을 때 전류의 흐름을 방해하는 값
-> 교류 회로에서 전류가 흐를 때, 인덕터와 캐패시터는 서로 다른 방식으로 전류의 흐름을 저항하게 됩니다.

• 인덕터는 전류의 변화를 저항하는 성질을 가지고 있어, 전류가 갑자기 변할 때 이를 방해하려고 합니다.
• 캐패시터는 전압의 변화를 저항하는 성질을 가지고 있어, 전압이 급격히 변할 때 이를 방해하려고 합니다.

-> 이렇게 인덕터와 캐패시터가 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 값이 임피던스입니다. 
 
Ground 그라운드 : 두 가지 뜻이 존재
① 전자가 땅으로 흐를 수 있는 통로
② 계측기를 사용하여 측정할 때에는 참조점 또는 0볼트 수준을 의미
 

Alternating current (AC) 교류 전류	Direct current (DC) 직류 전류
시간에 따라서 전류와 전압의 방향이 바뀌게 됨 -> 전류가 흐르는 방향이 바뀌니 전압을 계측기로 측정하면 사인파로 나타난다 -> 여기서 콘센트에 꽂으면 나오는 전원이 교류	한 방향으로만 흐르는 전류, 디지털 회로에서 주로 사용
	형광등 배터리, 차 배터리, 마이크로칩의 전원 혹은 컴퓨터의 motherboard 에 사용됨

 
Oscilloscope 오실로스코프 : 전기적인 신호를 시각화해주는 장치
-> 오실로스코프를 사용해서 전압의 변화, 즉, 신호를 시각화할 수 있게 된다.
 
Transformer 트랜스포머 : 전력을 공급하는 장치, 손실이 적게 멀리 보내기 위한 높은 전압의 전류를, 우리가 사용할 수 있는 낮은 전압의 전류로 바꾸어준다
-> 안전 접지를 컴퓨팅 장비
 
 

2. Signal

Signal 신호 : 신호는 원하느 전기 전압, 빛 패턴 또는 변조된 전자기파를 의미한다.
Analog 아날로그 신호 : 아날로그 신호의 특성은 다음과 같다
① 물결모양이다
② 지속적으로 변화한다
③ 전압 대 시간의 그래프이다
④ 자연속에 존재하는 일반적인 전형이다
⑤ 100년 이상 통신에 널리 사용되어왔다.

 
-위 그림은 순수사인파를 보여준다. 
-진폭의 높이와 깊이 (A), 그리고 하나의 사이클을 완료하는 주기(T) 를 중요하게 보아야 한다
-파동의 주파수(f)는 f = 1/T의 공식으로 계산이 가능하다
 
Digital 디지털 신호 : 디지털 신호의 특성은 다음과 같다
① 이산적이거나 불안정한 전압 대 시간 그래프

② 자연보다는 기술의 전형이다
 
★ Fourier Series 푸리에 급수 : 조화적으로 관련된 주파수의 사인파의 특별한 합을 더하면 어떤 파동 패턴도 만들어낼 수 있다는 것을 증명

-> 즉, 간단한 파동에서 복잡한 파동을 만들 수 있다는 것
-> 올바른 아날로그 사인파 조합을 이용하여 디지털파의 형태인 사각파 또는 사각펄스를 만들 수 있다
 
 

3. Information

정보의 기본 구성 요소 : 비트(bit), 또는 펄스(pulse)라고 하는 1개의 이진 숫자
-> 1비트는 이진 0 또는 1에 해당하는 전기 신호-> 이진 0의 경우 0볼트, 이진 1의 경우 +5 볼트와 같이 간단할 수도 있고, 더 복잡한 인코딩일 수도 있다
 
Signal reference ground 신호 기준 접지 : 전압을 사용하여 메시지를 전달하는 모든 네트워킹 미디어와 관련된 중요 개념-> 올바르게 작동하려면 신호기준접지가 컴퓨터의 디지털 회로에 가까워야 함-> 엔지니어는 접지면을 회로 기판에 설계하여 이를 달성-> 컴퓨터 캐비닛은 신호 기준 접지를 설정하기 위해 회로 기판 접지면의 공통 연결 지점으로 사용된다
 
광신호 : 이진 0은 낮거나 밝지 않은 강도의 어둠으로 인코딩, 이진 1은 더 높은 광 강도로 인코딩
무선신호 : 이진 0은 짧은 파동, 이진 1은 더 긴 파동의 덩어리로 인코딩
 
** 1비트에서 발생 가능한 6가지 사항

① 전파 propagation	- 전파는 곧 물리적 매체를 따라 비트가 이동하는 과정을 의미한다 -> "travel" - NIC 네트워크 인터페이스 카드가 광신호 또는 전압 신호를 물리적 매체에 보낼 때, 그 신호는 매체를 따라 이동하고, 그 이동 과정을 우리는 전파 (Propagation)이라고 한다. - 전파 속도의 결정 요소 : 매체의 재료 (구리선, 광섬유...) , 매체의 구조 및 신호의 파형(주파수) - 왕복 전파 시간 (RTT, Roundtrip time) : 비트가 매체의 한쪽 끝에서 다른 끝으로 이동하고 다시 돌아오는데 걸리는 시간 이 때 아무런 추가 지연이 없다고 가정하면, 비트가 한 쪽으로만 가는 데 걸리는 시간은 RTT를 반으로 나눈 RTT/2이다 전파 시간의 2가지 극단적인 경우 (1) 비트가 즉시 도착하는 경우 : 즉각적인 전송, 즉 비트 이동 시간이 0 -> 아인슈타인의 상대성 이론 : 어떤 데이터도 진공에서 빛의 속도보다 빠르게 이동이 불가능하므로 비트 이동에는 최소한의 시간이 필요 (2) 비트가 영원히 도착하지 않는 경우 : 끝없이 비트가 이동하여 절대 도착하지 않는 상황 -> 실제로 적절한 장비를 사용하면 신호가 언제 도착하였는지 정확하게 시간 측정 가능 전파 시간의 중요성  -전파 시간을 모르는 경우 : 데이터가 너무 빠르거나 늦게 도착할 수 있다고 가정하여 네트워크 성능에 영향을 줄 수 있음 -전파 시간은 문제라기보단 인식해야하는 사실 - 전파 지연이 너무 짧다면, 네트워크 장비가 데이터를 따라잡을 수 있도록 버퍼링 (buffering) 등의 방식을 사용하여 데이터를 임시로 저장하거나, 속도를 조절 전파 시간은 네트워크 설계에서 고려해야 할 중요한 요소이며, 데이터 전송 지연이 발생할 때 네트워크가 이를 효과적으로 처리할 수 있도록 설계되어야 함
② 감쇠 attenuation	- 감쇠는 신호가 주변으로 에너지를 잃는 것, 즉 신호의 세기가 줄어드는 현상 - 해당 현상은 전자기 저항이 있는 한 완전히 피할 수 없으며, 어떠한 형태로든 신호의 손실은 발생하게 된다 (1) 전기신호에서의 감쇠 - 신호 이동 매체를 좋은 전도체 사용 (탄소 대신 구리) - 케이블의 모양이나 위치를 신중하게 조정하여 전기적인 감쇠를 줄일 수 있음 - 그러나 저항이 존재하는 한 일부 신호 손실은 불가피 (2) 광신호에서의 감쇠 - 일부 빛 에너지를 흡수하고 산란시켜 빛의 세기가 줄어들게 된다 - 파장 (빛의 색상)을 선택하여 감쇠를 최소화 가능 - 단일모드 혹은 다중모드 섬유를 사용하고, 섬유의 유리재질을 선택하여 감쇠 최소화 -그러나 광섬유에서도 일부 신호 손실은 피할 수 없음 (3) 무선신호에서의 감쇠 - 대기 중특정 분자에 의해 흡수되거나 산란될 때 신호가 약해질 수 있음 - 네트워크 케이블의 길이에 제한을 줄 수 있음 : 케이블이 너무 길거나 감쇠가 심하면 원래 1로 보낸 비트가 도착지에서는 0으로 해석될 수 있고, 이는 데이터 전송의 신뢰성을 하락시킴 - 매체 변경 : 감쇠가 적은 재료 사용, 감쇠 최소화 설계 구조의 네트워크 매체 사용 - 리피터 사용 (리피트를 설치하여 신호 증폭) : 리피터는 신호가 약해지는 지점에서 신호를 다시 강하게 만들어주어 장거리 전송에도 신호가 안정적으로 유지되도록 함 감쇠는 전기적 및 광학적, 무 신호 전송에서 발생하는 신호 손실을 의미 신호가 이동하는 매체와 재료 선택을 통해 감쇠를 줄일 수는 있지만, 완전한 제거 불가능 네트워크 설계에서는 감쇠를 최소화하는 재료와 기술을 선택하여 신호 전송 품질을 유지하는 것이 중요
③ 반사 reflection	-반사는 전기신호가 케이블을 따라 이동할 때 일부 에너지가 되돌아오는 현상 ex) 친구와 함께 스프링이나 줄넘기를 한 쪽에서 당겨 신호를 보내면 신호를 보낸 쪽으로 작은 부분의 힘이 반사되어 돌아옴 (1) 전기 신호에서의 반사 - 전압 비트가 매질의 끝이나 연결지점에서 변화를 만날 때 일부 에너지가 반사된다 - 이러한 반사를 관리하지 않으면 반사된 신호가 원래 신호 혹은 뒤따라오는 신호와 섞여 다른 비트 해석에 혼란을 가지고 올 수 있다 (2) 광신호에서의 반사 - 유리와 같은 매질의 불연속성에서 반사가 발생 (** 유리재질은 감쇠가 적은 대신 반사가 큼) (3) 무선신호에서의 감쇠 - 대기 중 다양한 층을 지날 때, 무선신호 (라디오파 및 마이크로파)도 반사되어 신호의 왜곡 및 손실이 발생할 수 있음 -네트워크 성능을 최적화하기 위해서는 네트워크의 매체에 ★임피던스 (저항성분)가 네트워크 장비의 전기적 구성 요소와 잘 호환되어야 함 - 임피던스가 맞지 않으면 신호가 반사되어 간섭을 일으킬 수 있으며, 이로 인해 다중 반사가 발생할 수 있음 -임피던스 호환성을 맞추는 것이 중요 [임피던스 매칭과 전력 전달의 극대화] - P(전력) = V (전압) × I (전류) - 전류는 임피던스에 반비례함 -> I = Z/V​  ⇒   P = Z/V^2 - 즉, 임피던스가 작아질 수록 전력 P는 커지게 된다​ -임피던스가 0에 가까울수록 전력 전달이 극대화 -임피던스가 잘 맞아야 에너지가 신호로 전달될 때의 손실이 적어짐 ★ Impedance 임피던스, 온저항 (Z) : 인덕터(유도성 소자)와 캐패시터(커패시터, 정전용량 소자)가 교류(AC) 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 개념, 즉 회로에서 전압이 가해져을 때 전류의 흐름을 방해하는 값 -> 교류 회로에서 전류가 흐를 때, 인덕터와 캐패시터는 서로 다른 방식으로 전류의 흐름을 저항하게 됩니다. 인덕터는 전류의 변화를 저항하는 성질을 가지고 있어, 전류가 갑자기 변할 때 이를 방해하려고 합니다. 캐패시터는 전압의 변화를 저항하는 성질을 가지고 있어, 전압이 급격히 변할 때 이를 방해하려고 합니다. -> 이렇게 인덕터와 캐패시터가 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 값이 임피던스입니다.  -리액턴스는 회로에서 전류의 흐름을 방해하는 요소 중 하나고, 인덕터와 커패시터라는 두 가지 부품이 리액턴스를 만들어냄 -인덕터와 커패시터는 서로 반대되는 역할, 특정 주파수에서 이 두 리액턴스가 서로 상쇄되도록 설정 가능 -> 서로의 저항을 상쇄하는 것 - 이 상태가 되면 회로의 전체 저항이 0에 가까워짐 - 에너지가 전류로 변환되어 손실 없이 최대한 효율적으로 흐르게 됨 - 인덕터의 리액턴스(XL​)와 커패시터의 리액턴스(XC)가 서로 상쇄되도록 만들면, 전체 임피던스가 최소화되어 전력 전달이 극대화된다
④ 노이즈 noise	-노이즈는 원치 않는 신호로, 전압 신호나 광신호, 전자기파 신호 등에서 발생 가능 -네트워크는 신호가 깨끗하게 전달되는 것이 중요하지만 노이즈는 불필요한 잡음 추가 -노이즈가 많으면 1이 0으로, 0이 1로 잘못 해석될 수 있음 - 신호 대 잡음 비율 S/N ratio : 유용한 신호와 노이즈의 비율, 비율이 높을 수록 노이즈가 적고, 낮을수록 노이즈가 많음 -> 신호 대 잡음비가 높아야 데이터가 정확하게 전달 -크로스톡 Cross-talk : 한 케이블에서 발생한 노이즈가 근처의 다른 케이블로 전달되는 현상 -특히 두 개의 케이블이 가까이 있고, 꼬여있지 않을 때 발생하기 쉬움 -NEXT(Near End Cross Talk)은 같은 케이블 내에서 다른 신호 간의 간섭을 말하며, 한 쪽에서 발생한 에너지가 근처의 다른 신호에 영향을 주는 현상 [주요 노이즈 종류] (1) 열 잡음 Thermal Noise -열 잡음은 전자의 무작위 운동 때문에 발생하며, 네트워크에서 완전히 제거 불가능 - 신호에 비해 상대적으로 작아 큰 영향은 주지 않으나, 모든 전기 신호에 기본적으로 존재 (2) AC 전원 및 기준 접지 노이즈 - 전원라인 (AC Power)와 접지 (Groung) 문제로 인해 발생 가능한 노이즈 - 네트워크 장비가 정확한 접지를 하지 않으면 전압 변동이 생겨 신호 품질에 악영향을 줄 수 있다 => 해결방법 => 전용 전원 변압기를 LAN 설치 구역에 배치하는 등 전력회사 및 기술자의 협력 => 분리된 배전판 (브레이커 박스)를 설치 (3) 전자기 간섭 및 무선 주파수 간섭 EMI/RFI - 외부 전자기 소스가 신호 품질에 영향을 미치는 것 - 예를 들어 조명, 전동기, 라디오 시스템 등이 전자기 간섭의 원인이 될 수 있음 -이러한 간섭은 전자파가 신호에 간섭하여 데이터 전송을 방해하고, 신호 왜곡을 일으킴 => 해결방안 => 도체 크기를 늘려 신호 방해요소를 줄임 => 절연 재료의 품질 개선 (비용 증가 부작용) => Shielding 쉴딩 & Cancellation 캔슬레이션 ① Shielding 쉴딩  - 금속 브레이드나 포일을 케이블에 감싸 외부 간섭 신호로부터 케이블을 보호하는 역할 - 케이블 주변에 방어막을 만들어 외부 전자기파가 내부 신호에 주는 영향 최소화 - 쉴딩 사용 시 케이블의 두께와 비용 증가하는 단점 존재 ② Cancellation 캔슬레이션 - 케이블에 흐르는 전류로 발생하는 두 개의 자기장이 서로를 상쇄하도록 하는 방법 - 그림과 같이, 두 전선의 자기장이 반대 방향으로 형성되어 서로를 상쇄, 따라서 외부 간섭 신호까지 함께 상쇄시킬 수 있다 - 특히, 케이블을 꼬아 배치하면 캔슬레이션 효과가 더 강해져 간섭을 더욱 효과적으로 차단 (꼬임선 케이블 twisted pair 에 적용)
⑤ 타이밍 문제 timing problem	분산, 지터, 지연은 1비트의 타이밍에 영향을 미치게 됨 ① 분산 Dispersion - 비트가 시간에 따라 넓어지는 경우를 의미 (형태적 변형, 신호가 퍼짐) - 심각하다면 1비트가 다음 비트를 방해하기 시작하여 이전 및 이후 비트와 혼동될 수 있음 ② 지터 Jitter - 신호나 데이터 비트가 예정보다 조금 일찍 혹은 늦게 도착하는 현상 (시간적 변동, 신호 도착 시간이 불규칙해짐) - 데이터 전송의 일관성이 떨어지고 실시간 데이터에서는 품질 저하를 일으킬 수 있음 -이는 클럭 신호 동기화 문제와 연관이 있음 ** 클럭 신호 동기화 문제 디지털 시스템은 클럭 신호에 따라 동작, 즉 디지털 시스템의 리듬 데이터를 보내는 컴퓨터 (출발지) 와 받는 컴퓨터 (도착지)의 클럭 신호가 동기화 되지 않으면 문제가 발생하는데, 이게 지터 Jitter ③ 지연 Latency -신호가 출발지에서 목적지로 도달하는 데 걸리는 시간 - 두 가지 원인이 존재 (1) 속도 제한 : 상대성 이론에 따르면 진공에서 빛의 속도보다 빠른 것은 없음, 신호가 매체 속도를 따라 가기 때문에 지연이 발생 (2) 장비 처리 시간 : 신호가 라우터나 스위치같은 장비를 통과할 때마다, 장비의 트랜지스터와 전자부품이 추가적인 지연을 발생시킴 [요약] 분산은 신호가 퍼져 원래 신호가 왜곡되는 현상으로, 특히 광섬유 통신에서 문제가 될 수 있습니다. 적절한 케이블 설계, 케이블 길이 제한, 적절한 임피던스 찾기를 통해 해결 지터는 신호 도착 시간의 변동으로, 데이터 전송의 일관성에 문제를 일으킬 수 있습니다. 하드웨어 및 소프트웨어 또는 프로토콜 동기화를 포함한 일련의 복잡한 클록 동기화를 통해 해결 지연은 신호 전송 자체에 걸리는 시간과 관련되며, 매체의 속도와 장비의 처리 시간에 의해 영향을 받습니다. 인터네트워킹 장치, 다양한 인코딩 전략 및 다양한 계층 프로토콜을 신중하게 사용하여 개선
⑥ 충돌 collision	- 두 개의 서로 다른 통신 컴퓨터의 두 비트가 동시에 공유 매체에 있을 때 발생 - 여러 장치가 동시에 데이터를 전송하려고 할 때 신호가 겹쳐서 충돌하는 현상 - Ethernet 이더넷과 같은 네트워크 기술에서는 충돌이 자연스러운 현상, 이를 관리하기 위해 여러가지 방법을 사용, 그러나 충돌이 너무 많아지면 네트워크 속도가 느려지거나 중단됨 [충돌 관리 방법] ① 충돌 감지 및 관리  - 이더넷에서는 CSMA/CD 충돌감지 방식으로 충돌을 관리 - 데이터 전송 전에 네트워크 상태를 확인하고, 충돌이 발생하면 잠시 멈췄다가 다시 전송 ② 토큰 패싱 Token Passing - 일부 네트워크에서는 토큰 링 Token Ring 방식이나 광섬유 분산 데이터 인터페이스 FDDI 방식을 사용하여 특정 장티에만 전송 권한 부여 - 전송을 위해 토큰이라는 특별한 신호가 필요하며, 토큰을 가진 장치만 데이터 송신을 할 수 있게 하며 충돌 및 전송 순서 관리 네트워크에서는 충돌이 불가피하지만, 이를 효과적으로 관리하기 위한 다양한 기술이 있습니다. 충돌이 많으면 네트워크 성능이 저하될 수 있으므로, 이더넷의 충돌 감지 방식이나 토큰 링과 같은 전송 제어 방식을 사용하여 충돌을 최소화하고 네트워크의 효율성을 유지하는 것이 중요합니다.

 
- 여섯 가지의 1비트 신호 문제들은 데이터 단위인 프레임과 패킷에도 영향을 미치게 됨
 
 
** 데이터 단위 (PDU, Protocol Data Unit):

• 비트(Bit): 데이터의 가장 작은 단위로, 0 또는 1의 값.
• 바이트(Byte): 8개의 비트로 구성된 데이터 단위.
• 프레임(Frame): 여러 바이트가 모여서 하나의 프레임을 형성. 프레임은 네트워크에서 패킷을 포함하여 전송하는 기본 단위입니다.
• 패킷(Packet): 데이터를 담고 있는 작은 단위로, 패킷은 메시지의 한 부분을 담아 전송됩니다.