정보통신망 - 데이터 통신의 개요, 변조 및 복조, 진폭 변조, 주파수 변조, 전송 코드, 전송 방식, 동기식 전송, 비동기식 전송

 

1. 데이터 통신의 개요 

 

통신의 공통점
- 한 점으로부터 다른 점으로 어떤 정보(data 또는 message)의 전달

통신의 3대 요소
- 정보원 -> 전송매체 -> 수신체

통신 성능의 요인 

- 메시지가 서로 이해되어야 함: coding

- 통신상의 간섭이 있을 수 있음: noise 

 

 

 

 

2. 변조 및 복조 

 

변조 (modulation)

메시지를 전송 매체를 통해 전달하고자 할 때 우선 가장 작은 단위의 정보인 비트를 전송 매체에 맞는 신호(signal)로 바꾸어 주어야 한다. 전달하고자 하는 신호의 주파수 대역이 매체의 특성에 맞지 않을 경우에는 이 신호의 주파수 대역을 매체의 특성에 맞도록 옮겨 전송해야 한다. 전송 신호를 높은 주파수 대역의 반송파 신호(carrier signal)에 싣는 과정을 변조(modulation)라고 한다. 이때 전송 신호를 베이스밴드 신호(baseband signal)라고 하며, 변조의 결과로 얻은 신호를 변조 신호(modulated signal)라고 한다. 변조는 변조 신호에 따라 아날로그 변조와 디지털 변조로 구분된다. 베이스밴드 신호가 아날로그이면 아날로그 변조라고 하며, 디지털이면 디지털 변조라고 한다.

또한 변조 방식은 변조에 의해 바뀌게 되는 신호의 세 가지 요소, 즉 진폭(amplitude), 주파수(frequency), 위상(phase)에 의해 진폭 변조(Amplitude Modulation: AM), 주파수 변조(Frequency Modulation: FM), 위상 변조(Phase Modulation: PM)로 구분된다.

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변조의 종류

- 아날로그 변조
- 디지털 변조

 

 

1. 아날로그 변조 

진폭 변조 

- 베이스밴드 신호의 순간 진폭에 비례하여 반송파 신호의 순간 진폭을 변화시키는 방법

 

 

주파수 변조 

- 반송파 신호의 진폭은 일정하게 한 채로 베이스밴드 신호를 주파수 변화로 변환시키는 방법 

 

 

 

위상 변조

- 반송파 신호의 진폭은 일정하게 한 채로 베이스밴드 신호를 주파수 위상각의 변화로 변환시키는 방법 

 

 

 

2. 디지털 변조 

 

 

디지털 변조는 베이스밴드 신호가 디지털이라는 특성 때문에 약간의 차이를 보인다,. 디지털 변조에서 가장 중요한 변수는 BER(Bit Error Rate)라고 하는 비트 오류율이다. BER는 전체 수신된 비트 수에 대한 오류 비트의 비율이다. 

진폭변이 편조 (Amplitude Shift Keying, ASK)

- 비트 값 1을 나타내는 기간 중에는 반송파 신호를 흐르게 하고, 0을 나타내는 기간 중에는 반송파 신호를 흐르지 않게 하는 방법을 사용 

- ASK는 신호와 잡음의 비가 높은 상태에서는 수신 측에서 반송파 신호의 흐름 여부를 구별하기 어렵다는 단점이 있다.

- ASK는 무선통신 시스템, 광섬유를 이용한 디지털 전송 등에 주로 사용 

 

 

주파수편이 편조 (Frequency Shift Keying, FSK)

- 0과 1을 서로 다른 주파수를 이용하여 서로 다른 상태를 표시 

 

위상편이 변조 (Phase Shift Keying, PSK) 

- PSK는 정현파의 한 주기로 하나의 비트를 표현할 수 있다. 따라서 ASK나 FSK처럼 하나의 비트를 표현하기 위해 2주기 또는 3주기 이상의 정현파를 사용하는 것보다 효율적으로 높은 전송률을 이루어 낼 수 있다. 

- PSK는 0과 1의 두 가지 비트 상태를 표현하기 위해 반송파 신호의 위상을 변화시킨다. 

 

 

 

 

3. 정보의 디지털화 

펄스 (Pulse)

- 매우 짧은 시간 동안 진행되는 네모꼴의 전자기 파형
- 펄스의 세 가지 요소
  - 진폭 (amplitude)
  - 폭 (width)
  - 위치 (position)

펄스 코드 변조 (Pulse Code Modulation)

- 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 과정
  - 표본화 (sampling) 과정
  - 양자화 (quantization) 과정
  - 부호화 (encoding) 과정

 

Nyquist's sampling theorem
- 신호는 그 신호에 포함된 가장 높은 주파수의 2배에 해당하는 빈도로 샘플링하면 원래의 신호로 복원할 수 있음.
  - 가청 주파수: 20~20kHz => Audio CD sampling rate: 44.1kHz

 

PCM 부호화 과정 

 

 

 

 

 

 

3. 전송 코드 

데이터 통신 시스템에서는 한 장소에서 다른 장소로 문자, 숫자, 특수 부호 등의 데이터를 연속적으로 보낸다. 정보는 사람이 이해할 수 있는 형태에서 전송선로에 보내지기 전에 코드화되며, 수신 측에서 다시 사람이 이해할 수 있는 형태로 재생된다.

데이터 코드는 보통 2진 시스템(0과 1)에 기반을 둡니다. 0과 1의 연속적인 패턴은 정보원과 수신 측이 이해할 수 있는 코드로 변환된다.

Baudot 코드

- 1874년 프랑스 기술자 Baudot의 이름을 딴 코드
- 5비트로 구성되어 32문자 표현
- CCITT Alphabet No.2로도 알려짐
- 오류 검출 비트가 없어 불편함

 

ASCII 코드

- 7비트 정보와 패리티 비트를 포함한 8비트 코드
- 128개의 문자(대문자, 소문자, 숫자, 특수 문자) 표현 가능
- 홀수 및 짝수 패리티 비트를 통해 오류 검출
- 패리티 비트는 전송 오류를 검출하는 데 사용됨

 

 

BCD 코드

- 컴퓨터 내부 코드

- 10진 숫자의 표현 

EBCDIC 코드

- 8비트 코드로, 256개의 문자 표현 가능
- 주로 IBM 컴퓨터에서 데이터 전송 코드로 사용됨
- ASCII 코드보다 두 배의 문자를 표현할 수 있음

유니코드

- 기존 8비트 문자 체계의 한계를 극복하기 위해 개발
- 영어 외에 다양한 언어의 문자를 표현할 수 있도록 16비트 체계 사용 -> 현재 4바이트 체계
- 통합된 문자 세트를 제공하여 데이터, 프로그램, 시스템의 호환성 문제를 해결

 

 

4. 전송 방식 

1) 전송방향

전송 방향에는 단방향, 반이중, 전이중 전송이 있다.

- 단방향 전송 (Simplex Transmission): 데이터가 한 방향으로만 전송된다. 예로는 라디오나 텔레비전 방송.
- 반이중 전송 (Half-Duplex Transmission: 데이터가 양방향으로 전송되지만, 동시에 송수신이 불가능하다. 예로는 무전기 통신이 있다.
- 전이중 전송 (Full-Duplex Transmission): 데이터가 양방향으로 동시에 송수신 가능합니다. 예로는 전화 통신이 있다.

 

2) 전송 모드 

전송 모드에는 병렬 전송과 직렬 전송이 있다.

- 병렬 전송 (Parallel Transmission): 여러 비트를 동시에 전송하는 방식으로, 각 비트마다 별도의 채널을 사용한다. 주로 짧은 거리에서 빠른 속도가 필요할 때 사용한다. 예로는 컴퓨터와 프린터 간의 데이터 전송이 있다.

- 직렬 전송 (Serial Transmission): 비트를 순차적으로 하나씩 전송하는 방식으로, 긴 거리에서도 안정적으로 전송할 수 있다. 일반적으로 많이 사용되는 방식이다. 예로는 USB 통신이 있다.

 

 

3) 전송 동기 

비트 동기 (Bit Synchronization)

비트 동기는 수신 측이 송신 측에서 보낸 비트 패턴을 정확하게 해석할 수 있도록 해주는 것이다. 이는 송신선로에서 비트 정보가 언제 검출해야 할 것인가를 의미한다. 이를 위해 클럭 신호를 사용하여 송신과 수신 측의 타이밍을 맞추는 방법을 사용한다. 

 

비트 동기를 맞추기 위해 송신선로 양쪽에 클럭을 놓고 송신 속도에 따라 비트를 검출한다. 예를 들어, 송신 속도가 초당 200비트(200bps)라면 수신 측 클럭도 같은 속도로 동작하여 모든 비트 데이터를 빠짐없이 모을 수 있게 된다.

비트 동기화를 이루기 위한 방법은 여러 가지가 있으며, 대표적으로 1의 전송 흐름이 '1'일 때 신호를 보내는 방법, 0의 전송 흐름이 '0'일 때 신호를 보내는 방법 등이 있다.

 

문자 동기 (Character Synchronization)

문자 동기는 수신 측이 비트를 모아서 하나의 문자 단위로 인식할 수 있도록 하는 것이다. 이는 비트들을 어떻게 그룹화하여 문자를 형성하는지 결정하는 문제이다. 

문자 동기화를 위해 각 문자의 시작과 끝을 표시하는 특별한 패턴을 사용한다. ASCII 코드의 경우 SYN 문자를 사용하여 동기를 맞추며, 이를 통해 송신된 메시지의 시작과 끝을 파악할 수 있다.

📌 동기식 전송 (Synchronous Transmission)

동기식 전송은 데이터의 전체 블록을 한 번에 전송하는 방식이다. 이 방식에서는 모든 비트의 시간적 길이가 같으며, 한 문자의 마지막 비트와 다음 문자의 시작 비트 사이의 시간 간격이 매우 적다. 이를 통해 송신과 수신이 정확하게 일치하여 전송이 이루어진다.

동기식 전송의 예로는 메시지 동기를 맞추기 위해 SYN 문자를 사용하는 방법이 있다. SYN 문자는 최근의 8비트와 비교하여 일치하면 동기화가 성공한 것으로 간주한다.

 

📌 비동기식 전송 (Asynchronous Transmission)

비동기식 전송은 각 문자의 시작과 끝을 표시하여 전송하는 방식이다. 이 방식에서는 각 문자 사이의 시간적 관계가 중요하지 않으며, 시작 비트와 정지 비트를 사용하여 문자의 경계를 나타낸다.

비동기식 전송은 시작 비트와 정지 비트를 통해 각 문자를 독립적으로 전송할 수 있다. 이 방식은 문자마다 동기화가 필요하며, 각 문자가 독립적으로 전송되기 때문에 유연성이 높다.

 

 

5. 전송 효율 

 

\[
\text{전송 효율} = \left( \frac{\text{정보 비트 수}}{\text{총 전송 비트 수}} \right) \times 100\%
\]

다음 그림을 보면 (a)는 동기식 전송을 나타낸 것이며, 여기서 통신선로가 정보의 전송에 모두 사용되고 있다는 것을 알 수 있다. (b)는 비동기식 전송을 나타낸 것인데, 시작 펄스와 정지 펄스의 오버헤드(overhead)와 글자 간에 간격(gap)이 있음을 보여준다. 8비트 ASCII 코드의 전송의 경우에 하나의 시작 비트와 하나의 정지 비트를 고려한다면, 한 글자당 추가 2비트를 포함하여 10비트가 필요하다. 글자 간에 간격이 없는 경우, 얻을 수 있는 최대 효율은 80%이다. 이것은 동기식 전송의 효율에 비하면 많이 낮아진 효율이다.

 

 

예를 들어, 240개의 ASCII 글자 블록 전송에 대하여 동기식과 비동기식 전송 효율을 비교해 보겠다. 동기식 전송의 경우에 데이터의 각 블록 앞에 3개의 SYN 글자를 이용한다고 가정하면, 전송되는 총 비트 수는 다음과 같다:

\[
240 \text{글자} \times 8 \text{비트/글자} = 1,920 \text{비트}
\]
\[
3 \text{SYN 글자} \times 8 \text{비트/글자} = 24 \text{비트}
\]
\[
\text{총 전송 비트 수} = 1,944 \text{비트}
\]

이때 총 전송 비트 수에 대한 정보 비트 수의 비율은 다음과 같다:

\[
\frac{1,920}{1,944} \times 100 = 98.76\%
\]

즉, 98.76%의 효율을 갖는다.

비동기식 전송의 경우에 각 글자마다 2개의 오버헤드 비트(시작 펄스 1개와 정지 펄스 1개)가 추가적으로 필요하므로:

\[
240 \text{글자} \times 8 \text{비트/글자} = 1,920 \text{비트}
\]
\[
240 \text{글자} \times 2 \text{비트/글자} = 480 \text{비트}
\]
\[
\text{총 전송 비트 수} = 2,400 \text{비트}
\]

이때, 전송 효율은 다음과 같다:

\[
\frac{1,920}{2,400} \times 100 = 80\%
\]

만일, 정지 비트가 2비트의 길이라면 전송 효율은 더 나빠지고, 또한 글자 사이의 간격까지 고려한다면 전송 효율은 더욱 낮아진다.

일반적으로 동기식 전송은 비동기식 전송보다 통신 채널을 효율적으로 이용한다. 반면, 비동기식 전송의 이점은 비교적 단순한 장비로 낮은 속도에서도 사용할 수 있다는 점이다. 그러므로 복잡하고 비싼 동기식 단말기보다는 간단한 비동기식 단말기를 이용하는 것이 훨씬 비용이 덜 든다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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참고자료: 정보통신망 | 손진곤 (지은이) 한국방송통신대학교출판문화원