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[정보통신공학]02 신호전송과 미디어

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(1)

정보통신공학

정보통신공학

2012. 1

2012. 1학기

학기

Chapter 2

Chapter 2

신호

신호 전송과

전송과 전송미디어

전송미디어

김용화

(yhkim@mmu.ac.kr)

이 장에서

장에서 다룰

다룰 내용

내용

데이터 통신 및 네트워크 시스템을 정보의 표현과 신호 전송의 관점에서 이해하고, 전송방식을 비동기식 전송과 동기식 전송으로 구분하여 차이점과 그 특성을 이해한다.

1

OSI 계층모델의 1계층인 물리계층의 기능과 관련이 있는 전송미디어 종류와 전송특성을 분석하여, 데이터 통신시스템의 성능을 전송특성과 전송 제약의 관점에서 평가할 수 있도록 한다

2

1

학습목표

2

신호 전송에 따른 정보이론을 기초로 데이터 통신시스템의 성능을 분석할 수 있도록 한다.

3

(2)

3

이 장에서

장에서 다룰

다룰 내용

내용

신호의 개념과 표현

1

신호 전송과 정보이론

2

신호 전송과 전송모드

3

1

3

목차

2

전송미디어와 전송특성

3

4

신호와 정보전송 정보는 신호로 변환되어 전송되므로, 정보의 전송은 신호의 표현과 직결됨 푸리에 (Fourier)원리는 임의의 신호를 특성이 잘 알려진 사인 혹은 코사인 함수로 변환하여 해석할 수 있도록 해주는 중요하고 유용한 원리.  신호의 분류와 신호 표현 에너지 신호(energy signal): 유한한 에너지 값을 갖는 펄스와 같은 신호 전력 신호 : 평균전력의 값이 유한한 값으로 존재하는 신호 주기 신호 : 일정 시간 후에 정확히 그 신호가 반복되는 신호 비주기 신호(aperiodic signal) : 주기성을 갖지 않는 신호 랜덤 신호 : 앞으로 발생할 신호에 대한 예측을 할 수 없는 신호 결정 신호 : 신호값에 대한 불확실성을 포함하지 않는 신호

Section 01

Section 01

신호의

신호의 개념과

개념과 표현

표현

(3)

푸리에

푸리에 급수

급수



푸리에 합성 (Fourier synthesis)

원하는 주기함수를 만들기 위해 정현파를

더하는 과정



푸리에 급수 (Fourier series)

기본파 또는 제1 고조파와 기본 주파수의

정수배인 주파수를 갖는 고조파의 합으로

표현

고조파의 무한 급수  푸리에 급수

5

푸리에

푸리에 급수

급수



함수 f(t)가 구간 0<t<T에서 정의되고 주기가 T일 때

푸리에 계수 (Fourier coefficients)

• m,n: 양의 정수

기함수와 우함수의 푸리에 급수

( )

( )

(

)

0 1 0 1 2 2 cos sin 2 cos sin 2 n n n n n n a n t n t f t a b T T a or f t a n t b n t

π

π

ω

ω

∞ = ∞ =   = + +   = + +

( )

( )

( )

0 0 0 0 2 2 2 cos 2 2 sin T T n T n a f t dt T n t a f t dt T T n t b f t dt T T

π

π

= = =

(4)

 (예제 1) 신호함수 f(t)=t2(0<t<2)를 삼각함수를 이용한 푸리에 급수로 나타내고, 그 의미를 설명하라.  (풀이) 먼저, ω0와 주기 T를 구한다.  계수를 구하여 최종 푸리에 급수로 표현하면,  의미 설명  신호함수 f(t)=t2가 식 (2.11)처럼 사인과 코사인 함수들의 합으로 표현.  각 주파수 성분은 n값에 따라 결정된다. nω0=nπ이므로, 기본주기는 T=2π/ω0=2초가 된다. 따라서 주기가 2초인 성분에서부터, 2초의 n배를 주기로 갖는 성분들로 구성됨.  각 성분의 계수를 살펴보면, 1/n 또는 1/n2이므로 높은 주파수의 성분의 크기가 매우 작아진 것을 볼 수 있어서, 곧 주파수 특성을 알 수 있게 됨.

 낮은 주파수의 성분쪽으로 주파수 특성이 집중되어 있으므로, 필요에 따라 저역통과 필터(low pass filter)를 이용하여 대부분의 신호성분을 추출해 내는 것이 가능.

정보신호의

정보신호의 표현과

표현과 의미

의미

 정보이론과 채널용량의 법칙  1920년대 말, 하트레이(Hartley)는 부호에 의한 정보 전송에 대하여 정량적 관계를 인식하고, 정보 전송에 필요한 대역폭은 그 정보의 전송속도에 비례하는 것을 알아냄.  C가 채널용량(bit/s)을, B는 채널 대역폭(Hz)을, N은 부호레벨의 수를 나타낸다고 가정  (의미)대역폭이 증가하거나 혹은 다루는 부호계열의 레벨 수가 커지면, 채널용량이 커진다는 것을 보여준다.  1948년 섀넌은 잡음이 있는 보다 일반적인 채널인 경우에도 적용이 가능하도록 신호 대 잡음비를 사용하여 채널의 용량 관련 수식을 보완함. • 잡음이 있는 통신채널에서 채널의 용량 C는

• C는 최대 데이터전송률(Maximum Data Rate)로 단위는 bps(bits per second), B는 주파수 범위의 범위를 나타내는 변수, 즉 대역폭(bandwidth)이고, S/N은 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)

Section 02

(5)

 감쇄  전자파의 에너지 손실을 의미  발생이유: 전송 도중 흡수되거나 열에 의해서 변화가 되기 때문.  감쇄현상이 일어나면 수신측에서 정보를 검출하기가 곤란하여 전파거리(propagation distance)를 감소시킴  왜곡  여러 개의 주파수로 구성된 신호의 경우, 링크상에서의 전파현상은 서로 상이한 주파수에 따라 서로 다르게 감쇄되고 지연되어, 수신 신호가 전송 신호와 다르게 되어 발생되는 현상  잡음(noise)  도전체에서 전자의 열운동(thermal agitation)으로 인하여 광원이 만드는 광자수의 불확실함 때문에 발생하는 현상  만일 잡음이 없다면 고속으로 비트 정보를 전송할 수 있어서 적어도 회로가 만들어 낼 수 있는 비트의 수만큼 전송이 가능하게 됨.

데이터

데이터 전송

전송 시

시 고려사항

고려사항

• 데이터 전송과정

• 데이터 통신 시스템에서 정보의 표현은 0과 1만을 사용하는 비트(bit: binary digit) 정보로 나타내고, 각 비트정보는 전기 신호 또는 광 신호로 변환되어 전송. • 즉 전송할 데이터를 심볼화된 비트정보(이를 코드로 표현한다)로 바꾼 다음, 이를 다시 전기적 신호 로 변환한 다음, 변환된 신호를 전송. • 데이터 전송의 예 • 이진수 정보 ‘0’은 음의 전압값을 갖는 신호(signal)로 바꾸고, 이진수 정보 ‘1’은 양의 전압값을 갖 는 신호로 변환(이를 부호화(encoding) 과정이라고 함). • 비트정보는 이처럼 전기에너지를 갖는 신호형태로 변환되어 전송됨.

Section 03

Section 03

신호

신호 전송과

전송과 전송모드

전송모드

(6)

 동기식 전송방식은 데이터 전송하고자 할 때 전송측과 수신측 사이에 클럭을 일치시켜 동기화를 수행하여 전송하는 방식  비트정보는 정해진 규칙에 따라 그룹화하여 처리  데이터 단위를 데이터 프레임(frame)이라 함.  일반적으로 프레임의 첫 부분은 동기화를 위한 SYN 문자코드를 포함하도록 되어있으며, SYN 문자코드는 고유한 비트 패턴을 갖음

 (예) 광통신 시스템의 대표적인 접속 표준으로 SONET (Synchronous Optical Network)

 (장점) 동기식 전송방식은 전송 데이터의 분량이 상당히 큰 경우에 비동기식 방식보다 효율적

 (단점)유연한 인터페이스의 제공이 어렵고 스위칭 구조가 복잡해짐.

동기식

동기식 전송방식

전송방식

SYN 에러체크 데이터 제어비트 SYN SYN

• 비동기식 전송방식에서는 일반적으로 정보의 표현을 8비트로 구성된 문자(character) 코드(code)를 기반으로 함. • 하나의 문자정보에 시작비트와 종료비트를 포함하여, 전송장치에서 한 번에 하나씩 문자정보와 동 기화 비트를 함께 전송하고, 수신측에서는 각 문자마다 동기화가 이루어지도록 함. • 따라서 동기식 전송방식에서처럼 전송측과 수신측 사이에 클럭을 일치시키는 과정이 중요하지 않 음 • (예) x의 값을 가진 시작비트로부터 시작되어 문자정보가 이어지고 마지막으로 종료비트인 y가 전송

비동기식

비동기식 전송방식

전송방식

(7)

• RS-232C의 구조와 이를 이용하여 데이터를 전송하는 과정 • 접지선(7번핀)은 직접적으로 다른 장치의 접지선에 연결되어 있고, 또 다른 두 라인은 서로 전송(2번 핀)/수신(3번핀)이 역으로 연결 • (장점) 비동기 전송방식은 간단하고 저렴함. • (단점) 문자당 2~3 비트의 오버헤드(제어를 위한 정보)를 요구하므로 전송효율 저하.

비동기식

비동기식 전송방식의

전송방식의 사용예

사용예

((RS

RS--232C)

232C)

• 동선 • 동선(Copper wire)은 가장 흔히 사용되는 전송미디어로 두 가닥의 절연된 동선이 균일하게 서로 감겨있는 형태 • 서로 꼬임선(twisted pair)이 되도록 구성함으로써 신호간의 간섭효과를 최소화 • 동선의 굵기는 0.016~0.036인치 정도. • 일반적으로 전화 시스템에서 주로 사용되고 있으며, 건물 내 통신수단으로도 유용하 게 사용. • 거리, 대역폭, 전송률에 있어서 많은 제약이 있고 또한 간섭이나 잡음에 매우 민감.

Section 04

Section 04

전송미디어와

전송미디어와 전송특성

전송특성

(8)

두 개의 단일 전선과 그를 감싸고 있는 원통형의 외

부도체로 구성.

장거리 전화 및 TV 전송 TV 분배(distributor),

LAN, 단거리 시스템 링크 등에 다양하게 사용.

동선(트위스트 페어) 보다 높은 주파수 효율과 데이

터 전송률을 갖음.

감쇄, 열잡음, 상호잡음변조 등에 따른 제약이 있어

서 장거리 전송시 수 km마다 리피터가 필요하며,높

은 데이터 전송률을 가질수록 그 간격은 더욱 좁아짐.

동축케이블

동축케이블 (coaxial cable)

(coaxial cable)

• 광 전송 기술의 발전으로 데이터 전송기술은 획기적으로 진보된 기술

• 유리(glass) 또는 플라스틱을 이용하여 제작 (2~125 µm 정도로 매우 가늠)

• 원통형 구조물로 코어(core), 클래딩(cladding), 재킷(jacket) 등 3개의 동심부분으로 구

성 • (제약)광이 진행되면서 발생하는 감쇄에 의한 제약과 광의 분산에 따른 제약 • 감쇄에 의한 제약은 광을 증폭함으로써 개선하며, 분산에 따른 제약은 산란에 영향이 적은 파 장대역으로 천이하는 방법으로 개선.

광섬유

광섬유

(9)

• 단일모드 광섬유 • 코어 안에서 단일모드 광섬유는 1개의 전파 모드만으로 정보를 전송하는 것 • 넓은 대역으로 정보를 전송할 수 있어 중장거리 트렁크 회선과 국제간의 통신선로로 이용되고 수 Gbps의 전송속도가 가능 • 코어의 직경은 약 8~10μm 정도로 작아서 접속이 어려움. • 다중모드 광섬유 • 여러 개의 전파모드로 정보를 전송할 수 있는 선로로서 가장 널리 사용 • 전송속도는 약 100 Mbps 정도, 코어의 직경은 약 50μm 정도로 단일모드에 비해 큼

• 굴절률 분포에 따라 계단형(Step index)과 접속형(Gladed index)으로 구분

• 광케이블은 고속 대용량의 전송이 가능하고 장거리 전송, 고품질의 전송이 가능하고 가볍고 내구성이 강한 반면, 비싸고 접속이 쉽지 않다는 특징이 있음.

광섬유의

광섬유의 분류

분류

• 광대역폭: 광섬유의 특성은 넓은 대역폭의 사용이 가능하여 수 Gbps이상의 전 송률까지 가능 • 동축케이블은 수백 Mbps까지 가능하며, 트위스트페어인 경우 수 Mbps 정도. • 경량구조: 광섬유는 크기가 아주 작으며, 무게가 가벼워서 설치와 지지에 필요 한 구조물을 최소화할 수 있음. • 적은 감쇄현상: 동축케이블이나 동선에 비하여 감쇄현상이 현저히 적음. • 전자기적 격리: 외부적 전자기장에 영향을 받지 않으므로 간섭, 충격잡음, 누화 현상 등에 매우 유리. • 넓은 리피터 설치간격: 리피터 설치의 수가 적으므로 비용면에서 유리

광섬유의

광섬유의 특성

특성

(10)

• 마이크로파

• 대기의 전리층을 이용한 마이크로파(microwave) 통신은 장거리 전송에 널리 이용 • (장점) 산, 바다, 강 등과 같은 자연적인 장애물을 극복하여 통신 가능 • (단점) 수신기로 도착하는 전파의 다중경로 현상인 페이딩(fading) 현상에 의해서 양질의 서비스를 보장할 수 없는 경우가 발생할 수 있음.

• 위성통신 링크

• SHF 이상의 대역을 사용하는 통신방식으로 가장 넓은 통신영역을 포함할 수 있는 통 신기술 • 현재 국내의 무궁화 위성을 비롯한 대부분의 통신위성은 Ku 밴드(12-14GHz)의 주 파수 대역을 사용

마이크로파와

마이크로파와 위성통신

위성통신 링크

링크

주요

주요 전송미디어의

전송미디어의 비교

비교

(11)

신호란 정보의 전송과 관련된 개념으로, 전자기 신호는 전압이나 전류에 대한 파형(waveform)으로 나타내고, 이는 수학적으로 시간 t의 함수 로 표현된다. 신호는 에너지 신호와 전력 신호로 구분된다. 에너지 신호(energy signal)는 한정된 시간구간에만 존재하는 펄스와 같은 신호로, 다음 수식과 같이 계산된 적분값이 유한한 값을 갖는 신호로 정의된다. 전력 신호는 다음과 같은 평균전력이 유한한 값을 갖는 신호로 정의된다. 전력 신호를 사용함으로써 정보 신호의 적용범위가 보다 확대된다.

요약

요약(1)

(1)

• 섀넌은 채널 용량의 개념을 잡음이 있는 채널인 경우로 확대하여, 신호 대 잡음비를 사용한 채널의 용량은 다음과 같다. • 데이터 통신 시스템에서 정보의 표현은 일반적으로 0과 1만 사용하여 비트 정보로 나타내고, 각 비트정보는 전기 신호 또는 광 신호로 변환되어 전송된다. • 데이터 전송은 디지털 정보(비트 정보)를 하나의 장치에서 다른 장치로 보내는 전송

방법에 따라 직렬전송(serial transmission)과 병렬전송(parallel transmission)으로 구분된다.

요약

요약(2)

(2)

(12)

• 동기식 전송방식은 데이터 전송하고자 할 때 전송측과 수신측 사이에 클럭을 일치시 켜 동기화를 수행하여 전송하는 방식으로, 비트정보는 정해진 규칙에 따라 그룹화하 여 처리한다. 이렇게 하여 만들어진 데이터 단위를 데이터 프레임(frame)이라 한다. • 비동기식 전송방식은 정보의 표현을 8비트로 구성된 문자(character) 코드(code)를 기 반으로 문자정보에 동기화를 위한 시작비트와 종료비트를 포함시킨다. • 물리적인 전송링크를 구성하는 전송미디어에는 다양한 종류가 있으며, 그 중 대표적인 동선, 동축케이블, 광섬유 등의 특성에 대하여 살펴보았다.

요약

요약(3)

(3)

강의실 변경



변경전: 목5,6 (6301), => 변경 후: 목5,6 (6201)

수업

수업 공지사항

공지사항

참조

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