제 2 장 데이터 전송 개념

원칙적으로 데이터 통신의 성공여부는 전송되는 신호의 질과 전송매체의 특성에 따라 좌우된다. 여기서는 먼저 기본적인 데이터 통신모델을 제시하고, 이를 기본으로 하여 통신에서 사용되는 전자공학적인 측면의 데이터와 신호에 대한 용어와 개념들을 다룬다. 그후 "아날로그(analog)"와 "디지털(digital)"의 개념을 다루고 전송시 발생되는 전송손상 및 왜곡에 대해서 알아본다.

2.1 통신 모델

* 데이터통신의 기본적인 목적은 두 지역 사이의 정보를 교환하는 것이다.

* [그림 2.1]은 통신의 간단한 모델에 대한 불럭 구성도이다.

* 이 모델은 제 I 부의 데이터 통신에 대한 각종 기법 및 기술들의 성명에서 자주 이용될 것이다.

* 또한, 이것은 데이터 통신에 대한 기본적인 개념의 개관을 보여 준다.

* 교환하고자 하는 정보 메시지 m, 이 정보는 데이터 g로 표현되며, 시간에 따라 변하는 신호(time-varying signal) g(t)의 형태로 송신기로 전해진다.

* 그러나, 초기 신호 g(t)는 전송에 적절한 형태가 아니므로 전송매체의 특성 에 부합되는 신호 s(t)로 변환되게 된다.

* 이 s(t) 신호는 전송매체를 통해 전송되며, 수신측에서는 전송매체를 통해 이동되는 동안, 각종 왜곡현상으로 인해 송신측의 신호 s(t)와 다를 수도 있는 r(t)가 수신된다.

* 이 r(t)신호는 수신기에 의해서 변환되어 출력에 적합한 형태의 신호 (t) 가 된다.

즉, 이 변환된 (t)신호는 입력의 근사치 또는 예상치 인 것이다.

* 마지막으로, 출력장치에 예상되는 메시지 을 수신자에게 보낸다.

* 여기서, 데이터(data)란 사람 또는 컴퓨터와 같은 자동화 기기에 의해 통신, 해 석 또는 처리하는데 적합하게 형식화된 방법으로 어떤 사실이나 개념, 명령 등 을 표현한 것이다.

* 또한, 정보(information)란 정해진 규칙에 따라 사람이 데이터(data)에 부여한 의미이다.

* 이 모델은 언 듯 보기에는 간단해 보이지만, 사실은 많은 기술적 복잡성을 내포하고 있다. 다음의 예는 이 모델을 좀더 알기 쉽게 설명하기 위해서 전자우편 (e-mail)을 이용한 통신을 모델에 대응하여 기술한 것이다.

* [그림 2.1]의 예제 설명

[그림 2.1]에서, 입력장치(예, 키보드)와 송신기(예, 데이터 통신용 LAN카드 또는 모뎀 등)는 개인용 컴퓨터(PC)내에 존재하는 것으로 가정하자.

송수신자는 어떤 메시지를 다른 컴퓨터사용자에게 전송하려고 하는 컴퓨터 사용자이다. 예를 들어, "4월 정규회의가 4월 17일 열릴 예정임" 이라는 메시지(m)를 전송한다고 하자. 사용자는 PC상에서 전자우편 시스템을 가동하고 키보드를 통해서 메시지를 입력할 것이다. 이 문자열은 주기억장치에 일단 저장(버퍼링)될 것이다. 이것이 입력 문자열(g)라고 할 수 있다. 통신을 위한 PC는 기본적으로 LAN 송수신장치(소위 LAN카드)또는 모뎀과 같은 전송기를 이용하여 근거리 통신망 또는 전화회선 등의 전송매체에 연결된다. 입력 데이터 g(t)는 컴퓨터에 사용하는 신호체계를 따르는 비트(bit)의 열(Squence)로서 전송버스에 나타나는 전압쉬프트의 연속(g(t))을로 송신기에 전달된다. 이때, 송신기는 이 g(t) 신호를 전송매체를 이용하여 전송하기에 적합한 신호 s(t)로 변환된다. 여기서 사용되는 변환 기법들은 제 5장에서 다룬다.

전송매체를 거쳐 송신된 신호 s(t)는 전송동안의 신호손상(2.5절에서 논의)의 양에 따라 정확하게 송신신호와 같은 데이터가 수신되리라는 보장은 없는 것이다.

그러므로, 수신되는 신호 r(t)은 s(t)와 어는 정도 차이가 날 수 있다. 수신기는 신호 r(t)과 전송매체의 특성에 대한 지식을 토대로 s(t)의 본래 형태를 추정하여 비트열 (t)을 생성한다. 이 비트들은 목적지시스템에 보내져 기억장치 내에서 의미있는 블록(Block)즉, 기억된 비트열로 문자들을 생성한다.

대개의 경우, 수신시스템은 오류(error)의 발생 유무를 조사하고 적절한 조치를 위한다(제6장). 그러나, 오류가 적절하게 조치되었다면, 대개는 사용자에게 수신메세지()는 송신메세지(m)와 동일하게 출력된다.

* 이 예에서 일반적인 데이터통신 시스템의 특성에 대한 개념을 알 수 있다.

* 즉, 이 예에서 데이터 통신 시스템이 수행해야 할 [표 2.1]의 중요한 작업들을 추측할 수 있다.

[표 2.1] 데이터 통신에 필요한 작업 영역

- 전송시스템이용

- 인터페이스(장치간 연결)

- 신호발생 및 변환

- 동기 전송

- 교환관리

- 오류 감지 및 수정

- 흐름제어

- 주소 지정

- 경로 배정

- 회복

- 메시지의 형식화

- 보호

- 시스템의 관리

2.2 전송 데이터와 신호

데이터 전송은 전송매체(Medium)를 통해 송신기와 수신기 사이에서 이루어진다. 전송매체에 대해서는 제 3장에 다루며, 여기서는 데이터 전송시 사용되는 개념과 용어들을 소개한다. 또한 전송시 사용되는 신호의 개념과 각 신호와 데이터 전송율간의 관계를 기술한다.

2.2.1 전송 용어 정의

* 신호(signal)란 전송매체의 특성에 맞도록 데이터를 전기적으로 또는 전자기적으로 변환 한 것이다.

* 주파수(frequency)란 주기의 역수(1/t)로, 초당 주기의 반복 횟수이다. 이것은 초당 싸이클 수 "헤르츠(Hz)"로 표현한다.

* 진폭(Amplitude)이란 어떤 특정한 순간의 신호 값으로, 데이터 통신에서 사용되는 전자기적 신호일 경우 진폭은 전압(voltage)으로 측정된다.

* 위상(phase)이란 한 신호가 단일 주기 내에서 시간에 대한 상대적 위치를 의 미 한다.

* 스펙트럼(Spectrum)은 그 신호가 포함하는 주파수의 범위이다. [그림 2.2]의 주파수 성분에서 스펙트럼은 1f∼5f이다.

* 대역폭(Bandwidth)은 스펙트럼의 폭으로, [그림 2.2]에서 대역폭은 4f이다.

* 반송 신호는 데이터 전송의 수단이며, 이것은 주파수로 표현이 가능(주파수 함 수)하다.

2.2.2 주파수와 대역폭

* 통신모델[그림2.1]의 (3)에서 송신기에서 발생된 신호는 전송매체를 통해 전송되며, 이 신호는 시간에 대한 함수이지만, 주파수에 대한 함수로도 표현될 수 있다.

* 즉, 어떠한 신호도 서로 다른 여러 주파수의 함수들의 조합으로 구성된다(퓨리에 분석).

* 신호를 "주파수영역"의 관점에서 보는 것이 "시간영역"의 관점에서 보는 것보다 대이터전송을 이해하는데 중요하다.

(1) 시간 영역의 개념

* 어떤 신호 s(t)는 모든 순간의 a에 대하     여

lim s(t)=s(a)

t→a

이면, 연속적(continuous)이다. 즉, 이 신호는 종단점이 없는 연속적인 형태를 위한다.(예:음성신호)

* 만일, 이 값이 제한된 수의 여러 값을 가진다면 이산적(descrete)이다.(예: 2진수의 신호)

* [그림 2.3]은 이러한 연속 및 이산신호를 보인 것이다.

* 어떤 신호 s(t)가 다음의 특성을 지닌다면, 이것은 T를 주기로 하는 주기함수이 다. 또한 이 식을 만족하지 않은 함수는 비주기함수이다.

s(t+T)=s(t) (단, -oo < t < oo)

* [그림 2.4]은 정현파와 방현파(Squre wave)를 보인 것이다. 주기신호는 진폭, 주파 수 및 위상의 세 가지 특성을 가진다.

* [그림 2.4]에서, 모든 정형파는 s(t)=A sin(2 □f1t + □)으로 표현이 가능하다.

# 단, 여기서 A:진폭, f1: 주파수, □:위상

# 그러므로, [그림 2.4]의 (a)정현파는 s(t)=A sin (2□f1t)으로 표현이 가능하다.

# 즉, 어떤 신호도 진폭을 포함한 시간영역함수로 표현이 가능하다.

(2) 주파수 영역의 개념

* 어떠한 신호도 여러 개의 주파수로 된 함수들의 조합으로 구성이 가능하다.

# 이것은 포리에 분석(Fourier Analysis)으로 증명되 었다.

# 신호의 주파수를 구성하는 함수의 조합 s(f)로 정의된다.

* [그림 2.6]의 (c)의 특성

# 주파수 f1과 3f1의 정현파이다.

# 제 2 주파수는 처음의 기본주파수의 정수 배이다. 즉, 신호의 모든 주파수성 분은 한 주파수의 정수 배이다.

# 정체 신호의 주기는 기본 주파수의 신호주기와 같다.(T=1/f1)

# [그림 2.7]은 [그림 2.6]의 (c)에 대한 주파수 영역함수를 표현한 것이다.

# 여기서는 특징은 s(f)가 이산적이라는 것이다.

* 직류성분

# 어떤 신호가 포함하는 주파수 0의 성분    이다.

# 이 성분은 직류 또는 상수성분이라고     한다.

# 직류성분이 없다면, 신호의 평균진폭은    0이다.

# 직류성분을 가지면, 즉, f=0인 항을 가    지면, 평균 진폭은 0이 아닌 값을 가진    다. (즉, 직류성분이 없는 신호에 대해    서 수직 이동한다.)

* [그림 2.8]은 직류성분을 가진 신호에 대한 시간 영역과 주파수 영역 함수이다.

(3) 데이터 전송율과 대역폭 간의 관계

* 보통, 신호는 특정 대역폭(bandwidth)내에 대부분의 신호에너지를 포함한다.

* 그러나, 비록 특정 신호의 주어진 파형이 매우 넓은 대역폭에 걸친 주파수를 포함한다고 해도 실제    전송매체의 능력 및 특성에 따라 대역폭은 제한될 수 밖 에 없는 것이다.

* 일반적으로 신호의 대역폭과 전송율의 관계에서 "대역폭을 2배로 하면 전송율도 역시 2배"이다. 이    것에 대해서 알아보자.

* [그림 2.9]의 신호를 고려해 보자.

* [그림 2.9]에서, 신호의 대역폭과 전송율       의 관계에 대한 두 가지 예를 생각해        보 자.

a) 신호의 대역폭이 4MHZ인 경우

# 신호대역폭 : 5f1-f1=4f1=4MHZ, 그러므로, f1=1MHZ=106HZ

#기본 주파수의 주기: (T)=1/f1=1/106=1□s

#한 주기당 디지털 비트 표현을 2비트라고 가정 할 때, 한 파형에 대한 하 나의 비트 전송율은 : 0.5□s이다.

#그러므로, 이 신호의 데이터 전송율은 2*106=2Mbps가 된다.

b) 신호의 대역폭이 8MHZ인 경우

#신호대역폭 : (5f1 - f1)=4f1=8MHZ 그러므로, f1=2MHZ=2*106HZ

#기본 주파수의 주기: (T)=1/f1=1/2*106=0.5□s

#한 주기당 디지털 비트 표현을 2비트라고 할 때, 한 파형에 대한 하나의 비트 전송율은 0.25□s이다.

#그러므로, 이 신호의 데이터 전송율은 4*106=3Mbps가 된다.

* 그러므로, 이 두 경우에서 알 수 있듯이, 신호의 대역폭이 2배로 되면, 전송율도 2배이다.

* 즉, 이를 일반화하면, 디지털신호의 데이터 전송율이 Wbps라고 하면, 2WHZ

의 대역폭을 가진 전송매체로 전송하면 매우 양호한 신호 전송이 가능하다.

(4) 신호의 세기

* 전기신호가 전송매체를 통해 전파될 때, 여러 가지 이유에 의해서 신호세기의 손실 즉, 감쇠현상이 발생한다.

* 이를 보완하기 위해서, 여러 지점에 증폭기(Amplfier)를 가설하여 신호세기의 이 득(gain이라고 함)을 높여 준다.

* 일반적으로, 신호의 세게(또는 크기)의 단위는 데시벨(Decibel: dB)을 사용한다.

#신호의 세기는 로그함수적으로 감소하기 때문이다.(데시벨은 로그함수적 단위이다)

#직렬접속된 경로에서의 신호의 이득과 손실은 단순히 가감산으로 계산가능 하다.

* 데시벨(소리의 크기)은 두 전력 레벨의 차이를 측정한 값이다.

#즉, NdB=10log10(P1/P2)여기서, NdB는 데시벨 값이고, P는 전력이다.

* 예를 들어, 10 mW 전력의 신호가 전송회선을 통해 전송되고, 적당히 떨어져 있는 거리에서 측정된

전력이 5mW라고 한다면,

# 손실(NdB)=10log(5/10)=10(-0.3)=-3dB

# 즉, 이 데시벨 값은 절대적 값이 아니라, 처음과 특정 시간 후의 특정 지점에서의 상대적 차이를       표현한다.

2.3 아날로그와 디지털 데이터 전송

어떤 데이터를 전송하고자 할 때 그 데이터의 특성, 데이터전송을 수행하는 실제적인 도구, 수신되는 데이터가 인식 가능하도록 보장해 주는 처리나 조정사항 등이 반드시 고려되어야 한다. 이 고려사항들을 위해서 가장 중요한 점이 여기서 다루는 아날로그 성질과 디지털 성질이다.

* 아날로그(analog)는 연속적인 것을, 디지털(digital)은 이산적인 것을 의미한다.

* 이들은 최소한 다음의 세 가지 영역으로 데이터 통신으로 자주 사용된다.

# 데이터(data)

# 신호(signaling)

# 전송(transmission)

2.3.1. 데이터

* 아날로그데이터는 특정 구간 내에서 연속적으로 값을 갖는 데이터이다.(예:음성, 오디오, 비디오, 및 온도나 압력 등을 감지기 센서에 의해 얻는 데이터 등)디지털 데이터는 불연속적인 값을 갖는 데이터이다.(텍스트의 문자열, 숫자 등 2진 값으로 표현되는 데이터)

#모르스 부호, 보도부호, ASCII 및 EBCDIC 등의 코드 조합을 이용할 수 있는 데이터이다.

2.3.2 신호

* 데이터를 한 지점에서 다른 지점으로 전송하기 위한 전기적 형태로 바꾼 것이 다.

* 즉, 데이터는 전기적 신호의 형태로 전송 매체를 통하여 전송된다.

* 아날로그신호는 연속적으로 변화하는 전자기파(유, 무선 사용)의 교류신호이다.

* 디지털 신호는 일련의 전압펄스 형태(유선에서 사용)의 직류신호이다.

2.3.3 데이터와 신호

원칙적으로, 아날로그 데이터는 이를 표현하는 아날로그 신호로, 또한 디지털데이터는 이를 표현하는 디지털 신호로 전송한다. 그러나, 항상 이렇게 진송할 수 있는 환경이 조성되는 것은 아니다. 그러므로, 특정 물리장치를 이용하여 디지털데이터를 아날로그 신호를 변환하고 아날로그데이터를 디지털신호로 변환하는 등의 경우가 존재한다[그림2.10]. 이들 각각에 대한 변환 기법은 제 5장의 데이터 변환에서 다룬다.

* [그림 2.10]은 각각의 전송데이터를 표현하는 해당 신호들로 변환되는 물리장치 의 예를 보여 준다.

* 모뎀은 디지털데이터를 반송 주파수(Carrier frequency)로 인코딩하여 아날로그 신호로 변환하는 기능을 가진다.

* 코덱(CODEC)은 아날로그 데이터를 디지털신호로 표현할 수 있도록 하는 장치이다.

2.3.4. 전송(Transmission)

* 아날로그 전송은 전송내용에는 관계하지 않고 아날로그신호를 전송하는 것 이 다. 이때, 신호는 아날로그 데이터(예: 음성)이거나, 디지털 데이터(예: 모뎀을 이 용한 문자열 전송)일 수 있다.

어떤 경우라도 아날로그신호는 일정한 거리를 지나고 나면 그 세기가 감소한다. 그러므로, 장거리의 전송에서는 신호의 세기를 증폭해 주는 증폭기(Amplifier)를 시스템에서 사용해야 한다.

* 디지털전송은 전송신호의 내용에 관심을 가지고 전송하는 것이다. 이때도 장거리 전송시, 데이터의 감쇠현상을 방지하기 위해서 리피터(Reprater)를 사용한다.

* 리피터는 디지털전송에서 디지털 신호로부터 디지털데이터를 복원하여 새로운 깨끗한 신호를 생성하도록 하여 잡음을 없애는 데도 사용될 수 있다.

* 다음은 아날로그전송과 디지털전송을 비교한 것이다.

아날로그 전송	디지털 전송
- 장거리 전송에 이용된다(전화). - 감쇠현상은 거리가 멀수록 자주 발생한다. - 감쇠 신호 증폭을 위한 증폭기 (Amplifier)를 이용한다.	- 제한된 거리에서만 사용한다. - 현재 장거리 전송에도 도입가능 - 감쇠현상은 심각한 오류도 된다. - 감쇠 신호 재생을 위한 리피터(Repeator:재생기)사용

* 증폭기는 아날로그 신호에 포함된 잡음 성분도 함께 증폭하므로 여러 증폭기를 거치면 왜곡현상이 발생할 우려가 있다. 이때 음성과 같은 아날로그 데이터이면 약간의 왜곡은 허용 가능하다(tolarable). 그러나, 디지털데이터에서는 증대한 오류(error)가 발생한다.

* 리피터(Repeator)는 수신된 디지털 신호로부터 0또는 1의 비트 패턴을 재생하여 새로운 신호로 재전송한다. 즉 왜곡현상을 방지할 수 있다.

* 그러므로, 특히 데이터 통신 분야에서 디지털신호 전송 방식이 크게 선호되는 추세이다.

* 디지털 전송을 선호하는 중요한 이유를 요약하면, 다음과 같다.

# 디지털기술의 급속한 발전하는 추세이다.

# 리피터를 사용하여 왜곡현상을 방지하므로 장거리 전송시 데이터의 무결성을 보장할 수 있다.

# 광역의 대역폭을 위한 고도의 다중화기법을 이용한 값싼 전송용량을 활용할 수 있다.

# 보안을 위한 암호화(encryption)기법을 사용할 수 있다.

# 모든 종류의 신호(아날로그 및 디지털)를 동일한 형태(디지털)로 통합할 수 있으므로 경제적이다.

2.4 전송 손상(Impairment)

* 신호에 대한 중요한 손상요인으로 다음과 같은 종류가 있다.

# 감쇠 현상(attenuation)과 감쇠에 의한 왜곡

# 지연 왜곡(delay distortion)

# 잡음(noise)

2.4.1 감쇠 현상

* 신호가 전송선을 따라 전파되면서 그 진폭(신호의 세기)이 감소되는 현상이다.

* 신호의 세기는 전송매체를 통과하는 거리에 따라 점점 약화된다.

* 감쇠의 정도는 단위 거리에 따라 로그함수의 비율을 가진다.

* 감쇠현상에 대한 고려사항

#수신된 신호는 수신측에서 인지하여 해석할 정도의 충분한 세기로 전달되어 되어야 한다.

#신호는 잡음에 대해 충분히 큰 강도를 유지해야 한다.

#감쇠는 주파수에 대해 증가함수이다. 즉, 큰 주파수는 감쇠도 심하다. 특히 아날로그 신호의 전송에서 중요하다.

2.4.2 지연 왜곡

* 전송매체를 통한 신호의 전달속도가 주파수에 따라 변하는 현상이다.

* 즉, 수신되는 신호가 그 신호를 구성하는 주파수의 가변적 속도에 따라 왜곡되는 현상이다.

* 주로 유선 전송매체에서 발생되는 문제이다.

* 디지털 전송의 경우에는 중요한 문제점을 발생할 수 있다. 즉, 비트열을 전송하는 경우에 지연 왜곡은 하나의 비트를 다른 비트의 위치로 중복시킬 수 있는 심벌간 간섭현상(Intersymbol interference)을 발생시킬 수 있다.

2.4.3 잡음(noise)

전송시스템에 의해 생긴 다소의 왜곡을 포함한 전송신호, 그리고 송수신측의 전송과정에서 추가된 불필요한 신호를 "잡음"이라고 하며, 일반적으로 어떤 데이터 전송의 경우라도 수신되는 신호에는 어느 정도의 잡음은 포함하고 있다.

* 일반적으로, 잡음에는 열잡음, 상호변조잡음, 누화잡음, 및 충격잡음 등이 있다.

* 열 잡음(White noise)은 도체내의 온도에 따른 전자 운동량의 변화에 의해 발생하는 잡음이다.

* 상호변조 잡음(Intermodulation noise)은 서로 다른 주파수들이 똑같은 전송매 체를 공유할 때 이 주파수들이 서로의 합과 차에 대한 신호를 생성함으로서 발생하는 잡음이다.

* 누화 잡음(Crosstalk)은 혼선에 의한 전화 예에서처럼, 인접한 꼬임선(Twist pair)간의 전기적 신호 결함으로 인해 발생되는 잡음으로 신호의 경로가 비정상적으로 결합된 경우에 발생한다.

* 충격 잡음(Impulse noise)은 외부적 전자기적 충격이나, 통신시스템의 결함으로 인해 발생하는 잡음이다.