[4주차] 디지털 전송

1. 데이터 전송

- 송신기가 데이터를 전자기 파로 변환하여 매체를 타고 수신기에 도달하게 하는 전반적인 과정

- 매체 : 구리선, 광섬유와 같은 유선매체 & 공기, 진공, 바다와 같은 무선매체

- 전송 방향 : Simplex, Half-duplex, full - duplex

- 유무선망 접속 형태 : point-to-point, multipoint

 

2. 데이터 신호

- 신호 : 물리적 시스템에서 정보를 전달하는 도구 (시간 or 주파수의 함수로 표현)

 

- 신호의 종류

시간에 따라 변화하는 형태에 따라 구분

① 연속 신호 Continuous Signal	- 신호의 세기가 시간이 지남에 따라 끊김 없이 부드럽게 변화하는 신호 - 자연에서 발생하는 많은 신호들이 이 형태를 띔 - 특정 순간에 끊기지 않고 매끄럽게 변함 ex) 아날로그 음성 신호, 전압 신호
② 이산 신호 Discrete Signal	- 특정한 시간 간격마다 값이 변하는 신호 - 시간 값이 일정하게 달라지는 속성 -> 컴퓨터에서 신호 처리가 쉬워짐 ex) 디지털 신호, 센서에서 측정된 샘플링 신호
③ 주기적 신호 Periodic Signal	- 일정한 시간 주기 (T)를 가진 동일한 패턴이 반복되는 신호 - s(t+T) = s(T) - 주기 T를 가질 때 시점 t에서의 신호값이 t+T에서 동일 ex) 정현파 신호, 반복적인 진동 신호

 

3. Sine Wave

 

- 사인파 : 주기적 신호의 형태로, 세 개의 파라미터 -> 진폭, 주파수, 위상 -> 사인파의 모양과 특성 결정

- 사인파의 3개의 파라미터

① 진폭 (A)	사인파의 높이 신호가 시간에 따라 가질 수 있는 최대값 진폭이 클수록 신호의 세기나 강도가 커짐 신호의 에너지 크기와도 밀접한 관련이 있음
② 주파수(f)	사인파가 1초동안 반복되는 횟수 단위는 헤르츠 Hz 주파수가 높을 수록 신호의 반복이 빠름 = 신호의 빠른 변화
③ 위상 ( θ)	사인파 신호 주기 내에서 어느 지점에 위치하는 지 각도로 측정, 라디안 혹은 도 단위 사용 위상의 변화는 동일한 주파수와 진폭을 가지는 신호들 사이의 시간적 차이 ex) 두 개의 Sine파가 동일한 주파수와 진폭을 가지고 있지만 위상이 다르면, 이 신호들은 서로 시간적으로 어긋나게 됩니다.

 

+ ④ 신호의 주기 T : 주기와 주파수는 반비례관계, 주기가 짧을 수록 신호의 주파수는 높아짐

++ Sine파는 수학적으로 s(t)=Asin(2πft+θ)로 표현되며, 이 식에서 A는 진폭, f는 주파수, θ는 위상을 나타냅니다. 2π는 한 주기를 라디안으로 표현한 값으로, 이는 360도에 해당합니다. 이 수식을 통해 Sine파의 형태를 정확하게 나타낼 수 있으며, 시간에 따라 Sine파가 어떻게 변화하는지를 쉽게 분석할 수 있습니다.

 

 

- 합성 신호 Composite Signal : 여러 개의 개별 주파수 성분들이 합쳐져 하나의 신호를 만드는 것 (현실 주파수 패턴임)

- 파형이 복잡한 형태를 띄게 됨

- 위 그림의 경우 두 개의 주파수를 가진 합성 신호

- 첫 번째 성분은 기본 신호이고, 두 번째 성분은 첫 번째 주파수의 3배, 진폭은 1/3

- 합성된 신호의 주파수 성분들이 기본 주파수의 정수배일 경우 : 기본 주파수의 주기를 따르게 됨

- 합성 신호의 수학적인 기초는 푸리에 급수에 기반 : 어떤 주기적 신호도 여러 개의 주파수 성분으로 분해 가능

 

 

4. 대역폭

- 주파수 스펙트럼 : 신호를 구성하는 주파수 성분들의 분포 영역

- 주파수 스펙트럼이 포함하는 것 -> 어떤 주파수 성분을 가지는 지, 얼마나 많은 에너지를 가지는 지

 

- 절대대역폭 Absolute Bandwidth : 신호가 포함하고 있는 전체 주파수 성분의 범위

- 즉, 스펙트럼 상에서 가장 낮은 주파수에서 가장 높은 주파수까지의 차이로 정의

- 주파수 성분이 얼마나 넓게 분포되어있는지, 즉 1초 동안 주파수 거듭하며 최소진폭과 최대진폭 변화 -> 차이 측정

 

- 유효 대역폭 Effective Bandwidth : 신호의 에너지가 대부분 집중된 주파수 영역

- 실질적으로 신호의 에너지는 비교적 좁은 주파수 대역에 집중되어있음

- 유효 대역폭은 이 좁은 주파수 대역을 지칭

 

- 실제 시스템에서는 신호가 매우 넓은 주파수 대역을 가지는 반면 전송 매체는 이를 모두 수용할 수 없음

- 이러한 제한 때문에 신호는 유효 대역폭 내에서 전송되어야 하며, 넓은 대역을 차지하는 신호는 제한된 주파수 대역에 맞게 처리된다

 

- ex) 정사각파는 매우 급작한 신호 변화, 그러나 푸리에 급수에 따르면 기본주파수와 그 고조파(정수배)의 합으로 표현

-각 고조파의 진폭은 고조파의 순서에 반비례, k번째 주파수 성분의 진폭은 1/k

-즉, 고차 주파수 성분일수록 진폭이 작아짐...............? 이게 무슨 말이지?

 

-파형 대부분의 에너지는 처음 몇 개의 주파수 요소에 집중되어있음

-따라서 처음 몇 개의 주파수 성분만 사용해도 Square wave를 근사적으로 재구성 가능

 

 

5. 데이터 율과 대역폭..................................?

- 전송률 Transmission Rate을 높이기 위해서 더 높은 주파수 성분을 포한하는 신호를 전송해

-  보율(Baud rate)은 1초 동안 전송되는 신호 변화 횟수를 나타냅니다, 신호 모양 자체가 얼마나 자주 변하는 지

-  데이터 율 Data rate  =  Baud rate  *  N ( 한 신호 모양이 나타내는 비트 수 )

- 즉 데이터 율은, 1초 동안 전송되는 신호 모양이 변화 수를 의미

ex) 만약 Baud rate이 1,000이고, 각 신호가 3비트를 나타낸다면, 데이터 전송 속도는 3,000bps(3kbps)가 됩니다.

 

-

 

6. Transmission Media

(1) 유선 전송 매체 Wired transmission media

- 두 가닥 개방선, 꼬임선, 동축케이블, 광섬유

 

(2) 무선 전송 매체 Wireless transmission

- 라디오파 : 긴거리 전송, 장애물 통과, 저주파는장거리, 고주파는고속데이터

- 지상 마이크로파 : 지상통신, 직진성, 장거리통신, 중계소설치

- 위성 마이크로파 : 인공위성, 고주파대역 활용 데이터 송수신

①  GEO : 지구 자전 속도와 일치하는 속도로 움직임, 넓은 지역 커버, 실시간 통신 제한

②  LEO : 지구 상공 저궤도, GEO 보다 지구에 훨 가까움, 실시간 통신에 유리, 지속적인 넓은 지역 커버를 위해 여러개 위성 사용해야함

- 적외선 : 매우 짧은 거리 통신, 실내무선통신, 직진성 강함, 장애물 통과 못 함, 가전기기, 리모컨, 외부간섭이 적고 통신 범위가 제한적인 직선경로

 

 

7. Digital Data Communication

(1) 디지털 신호로의 인코딩

- 디지털 데이터 : 입력 데이터가 디지털의 형태로 제공

- 인코더 : 디지털 데이터를 인코딩하여 전송 신호 x(t) 로 변환

- 채널 : 변환된 신호가 전송 채널을 통해 전달

- 디코더 : 수신된 신호를 감지하여 원해의 데이터 g(t) 로 복원

- 그래프 : x(t)는 시간 영역에서의 사각파 신호로 나타남

 

 

(2) 아날로그 신호로의 변조

- 디지털 데이터 : 입력 데이터가 디지털의 형태로 제공

- 변조기 : 디지털 데이터를 변조하여 전송 신호 s(t)로 변환

- 채널 : 변환된 신호가 전송 채널을 통해 전달

- 복조기 : 수신된 신호를 복조하여 원해의 데이터 m(t)로 복원

- 그래프 : s(f)는 주파수 영역에서의 삼각 펄스 신호로 나타