Digital-to-Digital Conversion : 디지털 데이터를 디지털 신호로 표현하는 방법

Line Coding : 데이터를 디지털 신호로 직접 변환하는 필수적 기술

• sender : 디지털 데이터를 디지털 신호로 인코딩
• receiver : 받은 디지털 신호를 다시 디지털 데이터로 디코딩, 원래의 비트열을 복원

• data element : 전송하고자 하는 정보의 가장 작은 단위, 비트

Signal Element vs Data Elements

• signal element : 물리적인 신호의 한 단위
• r = data element / signal element : 하나의 신호 요소가 얼마나 많은 정보를 담고 있는지를 나타냄

Data Rate vs Signal Rate

• data rate(N) : 1초 동안 전송되는 데이터 비트 수, bps
• signal rate(S) : 1초 동안 전송되는 신호 요소의 수, baud
• S를 줄이고(대역폭이 줄어듦) N을 높이는게(정보를 빨리 전달하는게) 중요 목표이다
• S = B_min = N / r
  • S = signal rate
  • N = data rate
  • r = 1개의 신호 요소가 담을 수 있는 비트 수
  • B_min : 최소 필요한 대역폭

Issues in Line Coding

• DC Components(직류 성분)이란?

  • 디지털 신호에서 전압이 일정하게 유지되는 부분이 있으면, 그 신호의 주파수 스펙트럼에 매우 낮은 주파수 성분이 포함됨.
  • 그 중에서도 0Hz 부근의 성분(DC Component)가 생기는데, 신호의 평균 전압이 0이 아닐 때 나타남
  • 일부 통신 시스템은 낮은 주파수나 DC Component를 제대로 전달하지 못하기에 문제가 됨.

  

Self-synchronization(자기 동기화)

• 신호 자체에 시간 정보를 포함하고 있어 수신기가 따로 별도의 클럭 없이도 신호의 타이밍을 맞출 수 있는 신호
• 신호의 전이(high → low, low → high)가 시작, 중간, 끝의 힌트를 준다.
• 수신기의 클럭이 어긋났어도, 전이를 감지하면 클럭을 다시 맞출 수 있음(reset)

Line Coding

• Unipolar : Non Return to Zero(NRZ)

  • Unipolar : 전압이 한 방향만 사용됨, 전압이 걸리면 1, 0이면 0비트
  • NRZ : 비트 중간에 신호가 0으로 돌아오지 않음 → 신호가 지속적으로 같은 상태를 유지할 수 있음
  • DC성분 존재, 전력소비 큼

• Polar : Non Return to Zero(NRZ)

  • Polar : 전압 양방향 사용
  • NRZ-L(레벨 기반)
    • 비트 값에 따라 전압이 결정됨
    • 전압의 변화는 비트 값의 변화와 관계 없이 비트 자체에 따라 결정됨.
    • DC 성분을 가질 수 있다.
    • 동기화를 도와주는 전압 변화가 없어 자기 동기화가 어려움
  • NRZ-I(Inversion 기반)
    • 비트 값이 1일 때에만 전압 반전이 일어남
    • 1이 연속될 때 전압 변화가 많아 동기화에 유리
    • 레벨기반보다 DC 문제 적음

  

• Polar : Return to Zero(RZ)

  • RZ : 신호가 각 비트의 중간에 항상 0으로 되돌아오는 것
  • NRZ와 다르게 비트 간이 아니라 비트 안에서 신호가 바뀐다 → 한 비트를 표현할 때 전압을 두 번 바꿔야함
  • 신호 변화가 많아 self-synchronization이 쉬움
  • 평균 전압이 0에 가까우므로 DC Component가 거의 없다
  • 한 비트를 표현할 때 전압을 두 번 바꿔 더 많은 대역폭 요구
  • 세가지 전압 레벨 사용 → 복잡성 증가

  

• Polar : Manchester and Differential Manchester

  • 비트 중간에 전압 전환(0 : high→low, 1 : low→high)

  • Biphase(2상식 부호화), 동기화에 매우 유리

  • Manchester Encoding : RZ + NRZ-L

    • self-synchronization 유리
    • 전압이 계속 변해 평균 전압이 0에 가까움 → DC 없음, 대역폭 요구가 크다

  • Differential Manchester Encoding : RZ + NRZ-I

    • 비트 중간에 전압 전환
    • 0 : 비트 시작 지점에 전압 전환 있음
    • 1 : 전압 전환 없음
    • 값이 절대적 전압이 아닌 변화 유무라 노이즈에 강함
    • self-synchronization 가능
    • 전압이 계속 변해 평균 전압이 0에 가까움 → DC 없음, 대역폭 요구가 크다

    

    • advantage
      • manchester는 NRZ-L의 문제점을, diffential은 NRZ-I의 문제점을 해결함
      • DC 성분 없음, self-synchronization 가능
    • disadvantage
      • signal rate가 높음 → 대역폭 요구가 큼

  • Bipolar : AMI and Pseudoternary

    • Bipolar : 양, 음, 0 전압 3가지 사용
    • AMI(Alternate Mark Inversion)
      • 비트 0은 무전압
      • 비트 1은 양, 음전압을 번갈아가며 전송
      • 평균이 0에 가까워 DC없음
    • Pseudoternary
      • AMI와 반대 구조
      • 비트 1은 무전압
      • 비트 0은 양, 음전압을 번갈아가며 전송

    

  • Bipolar : Multievel Schemes

    • Multievel encoding : 하나의 신호에 2비트 이상의 정보를 답기 위해 여러 레벨을 사용
    • 2B1Q(two binary, one quaternary)
      • 2개의 이진 데이터를 1개의 신호로 인코딩
      • 전압의 전환은 이전 레벨에 따라 달라짐 → transition table을 필요로 함

    

Block Coding : 라인 코딩 전에 데이터를 비트 그룹 단위로 변형해 신호 품질을 높이는 선택적인 기술

• 목적 : 동기화 향상, 에러 검출 기능 제공
• 단순한 비트열에서는 위 목적 달성이 어려움 → redundancy를 넣어 정보를 더 명확하게 만듦
• m비트의 데이터를 m보다 큰 n비트의 데이터로 변환(mB/nB 인코딩)

Analog-to-Digital Conversion

• 음성, 사진을 digital data로 변환하는 기술
• Pulse Code Modulation(PCM)
• Delta Modulation(DM)

Transmission Mode(데이터 전송 방식)

• Parallel(병렬) transmission
• Seriel(직렬) transmission