[데이터 통신] 디지털 신호, 비트율, 디지털 신호 전송, 전송 장애

Digital Signals ( 디지털 신호 )

2개와 4개의 레벨로 표현한 디지털 신호

아날로그 신호로 정보를 표현할 수 있지만, 디지털 신호로도 표현할 수 있다.

예를 들어 1은 +전압, 0은 - 전압으로 인코딩할 수 있는 것처럼 말이다. 디지털 신호는 2개 이상의 레벨을 가질 수 있는데 이 경우 각 레벨에 대해 1비트 이상을 보낼 수 있다. 

 

 

Bits Rate ( 비트율 )

대부분의 디지털 신호는 비주기적이므로 주기와 주파수를 잘 설명할 순 없다 때문에 디지털 신호에서 주파수를 설명할 땐 "비트율"이라는 단어를 사용한다. 

비트율은 초당 비트수(bps)로 표현되는 1초 동안 전송되는 비트 수를 의미한다. 위 사진에서 신호 a는 1초 동안 8개의 비트를 보내니 8bps를 b는 1초당 16개의 비트를 보내니 16bps 비트율을 가진다.

여담으로

데이터 통신에서는 주기적인 아날로그 신호와 비주기적인 디지털 신호를 사용한다.

 

복합 아날로그로서의 디지털

푸리에 분석을 기반으로 보면 디지털 신호는 복합 아날로그라고 할 수 있다. 신호가 순간적으로 변하면 주파수는 무한 값을 가지는데 이는 대역폭이 무한대임을 의미한다. 

 

 

 

Transmission of Digital Signal ( 디지털 신호 전송 )

디지털 신호는 주파수가 0에서 무한까지 이르는 복합 신호이다. A 지점에서 B지점으로 신호를 전송하기 위해

1. 기저 대역 또는 2. 광대역 전송 중 하나를 선택하여 디지털 신호를 전송할 수 있다. 

 

• 기저 대역 전송 (Baseband Transmission ): 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸지 않고, 있는 그대로 채널을 통해 전송. 기저 대역 전송을 수행하기 위해서는 주파수 0부터 시작하는 대역폭을 갖는 저대역 통과 채널(low-pass channel)이 필요하다. 이는 오직 하나의 채널만을 위해 전용으로 사용된다.
• 광대역 전송 (Broadband transmissio) : 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 전송. 이러한 변조를 통해 대역 통과 채널(bandpass: 주파수가 0에서 시작하지 않는 채널)을 사용해야 한다.

 

광대역 전송 ( Broadband transmissio)의 변조

 

Transmission Impairment ( 전송 장애 )

어떤 전송매체든, 신호를 완벽하게 손상 없이 전달할 순 없다. 매체(공기, 케이블)를 통해 전송할 때마다 여러 가지의 장애가 발생하는데 대표적으로 감쇠(attenuation), 왜곡(distortion), 잡음(noise) 장애가 발생한다.

 

 

 

감쇠(attenuation)

감쇠의 증폭효과

감쇠는 에너지 손실을 의미한다. 신호가 매체를 통과할 때 매질의 저항을 극복하는 과정에서 일부 에너지를 잃기 때문이다. (이 때문에 전선이 뜨거워지는 거임 에너지 -> 열)

이렇게 잃는 에너지를 고려하여 원래 보낼 에너지 보다 더 많은 에너지를 보내야 한다. 그래서 우린 증폭기를 사용하여 신호를 증폭시킨다.

 

 

 

왜곡(distortion)

왜곡은 신호의 모양이나 형태가 변경되는 것을 의미한다. 서로 다른 주파수로 구성된 합성 신호에선 왜곡이 발생할 수 있다. 각 신호 구성요소는 매체를 통과하면서 자신만의 고유 전파속도를 가지는데, 최종 목적지에 도달할 때 지연시간을 가진다. 이 지연이 주기시간과 정확히 일치하지 않는 경우 위상차를 유발하여 송신자와 다른 신호를 전달받게 된다.

 

 

 

잡음(noise)

열 , 유도, 혼선 및 충격과 같은 여러 유형의 잡음이 신호를 손상시킬 수 있다.

 

 

 

SNR 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio)

신호 / 잡음

이론적인 비트 레이스의 한계를 알기 위해서는 잡음에 대한 신호 전력의 비를 알아야 한다. 이를 신호 대 잡음비라고 한다.

높은 SNR 비를 갖는다  -> 신호에 의해 신호가 덜 망가진다.

낮은 SNR 비를 갖는다. -> 잡음에 쉽게 손상된다. 

 

무잡음일 경우 SNR은 다음과 같다.