Transcript 디지털 통신

제 8 장 통신의 기초
개요
아날로그 통신
```
디지털 통신
아날로그-디지털(A/D)과
디지털-아날로그(D/A)변환
다중화와 역다중화
1
신호의 분류
개요
아날로그 신호 : 광섬유 내의 빛의 변화가
유연하고 연속적인(continuous)것
s(t)
t
디지털 신호 : 단계가 연속적이지 않은
이산적(discrete)으로 구성된 신호
s(t)
s(t)
t
t
2
통신 시스템
개요
information
source
Á¤º¸¿ø
ºÎÈ£È-
¾ÏÈ£È-
ä³Î
ºÎÈ£È-
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information
sink
¼ö½ÅÃø
전송 매체
- 유선 매체 : 트위스트 페어, 동축 케이블, 광섬유
- 무선 매체 : 무선 라디오, 마이크로파, 통신위성
3
통신 시스템
개요
부호화(encoding) : 디지털 값의 표현, 어떠한 수나 문자를
나타태기 위해 1과 0을 나열하여 사용
모스(Morse)부호 시스템 : 점()과 선(-)의 나열로 알파벳 문자를 나타냄
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
·―
―···
―·―·
―··
·
··―·
― ―·
····
··
·― ― ―
―·― ―
·―··
――
N
O
P
Q
R
S
T
U
V
W
X
Y
Z
―·
―――
·― ―·
― ―·―
·―·
···
―
··―
···―
·― ―
―··―
―·― ―
― ―··
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
·― ― ― ―
··― ― ―
···― ― ―
···―
·····
―····
― ―···
― ― ―··
― ― ― ―·
―――――
4
통신의 배경
개요
통신의 시작 : 아날로그로 시작
라디오, 전신, 전화 시스템 (음성, 음악등)
20세기 중반 : 트랜지스터의 출현 => 디지털 통신 가능
고체(solide-state) & 디지털 전자공학 : 집적회로의 발달로
아날로그 장치에 비교해 속도, 크기, 전력소모에서
우수한 성능을 보임 => 컴퓨터, 소형 라디오의 발전
아날로그 시스템 : 전화, 라디오, TV는 소리와 영상을 다루어
여전히 아날로그 성질을 유지
디지털 시스템 : 컴퓨터 대 컴퓨터 통신, LAN
현재 : 디지털과 아날로그가 혼합된 형태
5
광통신 시스템
개요
광통신 시스템 : 정보화 시대 신속 , 정확한 정보전달의요구로
첨단 전자기술과 광자기술이 혼합
6
아날로그 통신
아날로그 통신 시스템 : 전송되는 정보를 표현하기 위해
반송파의 파형이 변조된다.
변조 방법 : 진폭변조(AM)와 주파수 변조(FM)
 진폭 변조 : 통신 데이터를 나타내기 위해 반송파의 진폭이 변하는
것으로 반송파 진폭은 통신 데이터의 아날로그 신호
주파수에 대응하는 비율로 증가하거나 감소
- 반송파 신호(carrier signal) : 모든 아날로그 시스템에서
정보가 실리게 되는 신호
- 정보신호(intelligence signal) : 데이터 신호, 주파수
 주파수 변조 : 정보 신호 주파수의 변화와 일치하는 비율로
반송파 신호의 주파수가 변화
7
아날로그 통신
진폭(AM) 변조도
주파수(FM) 변조도
8
아날로그 통신
광섬유 아날로그 통신 : 반송파가 변조되어야 함.
Why? 빛의 주파수가 높기 때문에 빛 자체의 진폭 변조
또는 주파수 변조가 불가능
Imposing 변조 방법 : 광섬유에서 반송파 주파수에 빛을 실어
변조하는 것으로 광원에 대한 전력 공급을 통해 이루어짐.
전압을 상하로 조절하는 송신 회로는 광전력을 상하로 조절
가능하고, 이 결과는 광원의 발진기 출력으로 알 수 있음.
이러한 오실레이션은 전압 조절(AM) 또는 전압 변화로
만들어진 주파수(FM)에 의해 조절 가능
9
디지탈 통신
디지털 통신 : 광원의 출력에서 일련의 펄스 생성을 포함(PCM)
펄스 코드 변조(PCM) : 디지털 신호 1과 0으로 나타내며,
이 1과 0은 펄스의 유무에 의해 나타낼 수 있다.
광출력의 펄스는 1을 표시하고 펄스가 없을 때는 0을 표시
아날로그
신호
표본화
양자화
부호화
이진
코드
PCM의 절차
10
디지탈 통신
.
.
.
.
.
.
.
(a) 원래의 아날로그 신호
4.2
5.7
3.4
4.6
2.8
2.3
1.2
(b) 표본화 결과
4
5
6
3
3
2
1
(c) 양자화 결과
100
011
110
011
001
101
010
(d) PCM 출력
11
디지털 통신
펄스 코드 변조(PCM) 블럭도
방송 단국
(송신 단국)
ch1
표본화
양자화
방송 단국
(수신 단국)
Optical
Fiber
부호화
LD
Detector
동기펄스
검출
각부로
부호화
LPF
ch1
LPF
ch2
A/D컨버터
ch2


Chn
표본화

각부로
......
표본화
동기펄스
발생
D/A컨버터

LPF


chn
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디지털 통신
광 PCM의 문제점과 해결책
 문제점
- 0의 묶음을 보낼 때 다른 단에서 혼동 야기 : 펄스가 오래도록
없다면 1개나 여러 개의 0을 나타내지만 보내지는 신호가 전혀
없다는 것을 의미한다.
해결책 : 타이밍(timing) 시스템이 통신에 추가 되어야 한다
- 시스템을 통한 신호 간격에서 신호 왜곡 발생
해결책 : 에러검파(error detection)와 디지털 인코딩
(digital encoding)에 의해 해결
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디지털 통신
타이밍(timing) 시스템
 동기(synchronous) : 수신단과 송신단이 같은 타이밍으로 동작
타이밍은 통신 데이터와 함께 전송, 송신단은 각각 펄스에
대한 시간을 설정하고, 수신단의 검파 시스템은 클럭 신호를
사용하여 같은 크기로 입력 신호를 나눈다
 비동기(asynchronous) : 클럭 신호는 시스템 양단의 타이밍을
연결하는데 사용되지 않는 대신 송신단에서 보내는 신호를
수신단에서 알게 하기 위해 준비된 일련의 펄스를 보낸다.
송신할 때에 펄스는 전과 같이 동기되나 각단은 신호를 나누어
나누어 사용하기 위한 자신의 클럭 신호를 가진다.
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디지털 통신
동기식과 비동기식 전송
 동기(synchronous) 전송 : 프레임(frame) 단위로 전송
문자 위주(character-oriented) :
BSC(Binary Sychronous Communication)
비트 위주(bit-oriented) :
HDLC(High-level Data Link Control),
LAP-B(Link Access Procedure-Balanced)
 비동기(asynchronous) 전송 : 한 문자 단위로 전송
시작 비트(start bit), 정지 비트(stop bit)로 구성.
오버헤드(overhead)가 크고 전송 효율이 낮음
주로 RS-232 포트를 이용한 저속도 통신
시작
비트
1문자
정지
비트
1
0
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디지털 통신
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디지털 통신
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디지털 통신
에러 검파(error detection)
 패리티(parity) 시스템 : 가장 간단한 오류검출 방식으로,
송신측에서 전송될 프레임에 오류검출을 위한 특수한 비트
(패리티 비트)를 추가하여 전송하고, 수신측에서 수신된 문자의
비트와 이 패리티 비트를 합하여 1의 총계를 계산하는 방식
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디지털 통신
* 1의 총계가 짝수인지를 검토하는 방식을 "짝수 패리티 검사"라고 하며,
홀수인 지를 검토하는 방식을 "홀수 패리티 검사"라고 한다.
* 이 방식은 전송 정보비트수가 적고, 오류 발생률이 낮은 경우에
주로 사용되며, 비동기전송에 적합하다.
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디지털 통신
 CRC(cyclic redundancy check) : 에러체크의 가장 효과적인 방법으로
에러를 검파하기 위해 수학적인 식을 이용한다.
* 오류가 한꺼번에 많이 발생하는 비트들(burst error)에 대한 블록합
검사의 단 점을 해결할 수 있도록 하는 방식이다.
즉, 집단 오류를 해결하기 위한 오류제 어 방식이다.
* 이것은 다항식 코드를 사용한 오류 검출방법이다.
* 이외에도 모듈로 2산술, 쉬프트레지스터, 및 배타적 OR 게이트를
이용하는 방법도 있다.
* 이 방식에서는 프레임의 실제 내용에 의해서 계산되는
FCS(FRAME Check Sequence 또는 BCC(Block Check Character)
라고도 한다.)를 전송 프레임의 끝 에 추가하여 전송한다
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디지털 통신
전형적인 생성다항식들
CRC  16:x16  x15  x 2  1
CRC  CCITT:x16  x12  x 5  1
CRC  32:x 32  x26  x 23  x 22  x16  x12  x11
 x10  x 8  x7  x 5  x 4  x 2  1
Input bits
Cn-1
+
X
Cn-2
an-1
+
...
+
X
an-2
X
C1
a2
+
C0
X
a1
+
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디지털 통신
디지털 인코딩(digital encoding) 시스템 : 펄스가 있는 것은 1로
펄스가 없는 것은 0으로 인코딩하는 방법으로 에러 확률이 감소
*
일반적인 디코딩 방식들
(1) RZ방식 : 부호는 빛이 없음을 0으로, 1인 경우 빛은 펄스 길이의
반을 켜고 나머지는 0으로 돌아간다. 각각 1을 보내기
위해 신호는 항상 다음 비트 전에 0으로 돌아옴
(2) NRZ 방식 : 부호는 1은 빛이 있음을 0은 빛이 없음을 나타냄.
1의 묶음인 경우 빛의 출력은 변하지 않는다.
(3) NRZI 방식 : 빛 출력 변화는 0을 나타내고, 빛 출력의 변화가 없는
것은 1을 나타냄.
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디지털 통신
(4) Manchester 코드 : 각 펄스 주기동안 빛 출력이 변화되며, 1일 때는
주기의 첫 번째 반은 높고 나머지 반은 잔으며,
0은 주기의 첫 번째 반이 낮고 다음 반이 높음
(5) Miller 코드 : 또 다른 0이 뒤에 온다면 주기 시작에 변화를 주고,
1이 뒤따라 오는 경우에는 0이 변화가 없음을 나타내는
것을 제외하면 Manchester 코드와 비슷
(6) Biphase 코드 : 각 주기는 변화로 시작, 1일 때 이 신호 주기 중간
쯤에 다시 변하고, 0일 때는 변화가 발생하지 않는다.
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디지털 통신
여러 가지 디코딩 방식들의 그림들
24
A/D 변환과 D/A 변환
통신 방식의 혼합으로, 어떤 데이터를 아날로그를
디지털로 (A/D) 변환하고 디지털을 아날로그(D/A)로 변환 필요
아날로그데이터
디지털데이터
모뎀
아날로그음성
디지털데이터
코덱
25
A/D 변환 D/A 변환
데이터 변환방식
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A/D 변환과 D/A 변환
디지털 데이터의 아날로그 신호변조
27
A/D 변환과 D/A 변환
A/D 변환 : 아날로그를
디지털로 (A/D) 변환하기 위해 우선
신호를 샘플(sample)로 나누어야 한다. 각 샘플은 디지털 부호로
표현되며 코드에서 샘플 주기가 작고 여러 개의 비트를 이용할수록
변환의 정확성이 증가. 샘플율은 최소한 아날로그 신호가 작고
주파수의 2배가 되어야 한다.
*
샘플링/변환
- Simultaneous 또는 flash 방법 : 입력 아날로그 신호는 동시에
샘플되고 변환됨. 이 방법은 큰 신호를 처리하지 못함
- Stairstep-ramp 방법 : 신호의 연속적인 부분을 사용하고, 아날로그
신호레벨과 일치하는 디지털 코드를 찾을 때까지의 단계를 사용
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A/D 변환과 D/A 변환
- Tracking 방법 : 변환 속도를 증가시키기 위해 stairstep-ramp 방식과
같은 방법으로 시작하지만 그 대신 0으로 바꾸고 필요한 값을 다시
계산하고 시작값의 마지막 값을 이용
- Slope 방법 : 시간 주기 상의 전압 증가를 따르며, 변환기는 일치 할
때마다 전압증가에 따른 디지털 코드를 통해 계산하고, 마지막
계산은 인코드된 디지털 신호로 사용
 일반적으로 이진 가중치 입력(binary weighted input)과 R/2R ladder
시스템들은 디지털 신호를 아날로그로 역 변환하여 사용될 수 있다.
29
다중화와 역다중화
광섬유의 막대한 용랑은 여분의 공간을 만들기 위해 다중화
(Multiplexing)와 역다중화(Demultiplexing)를 이용.
- 다중화 : 동시에 여러 개의 신호를 광섬유로 보내는 것
- 역다중화 : 통신 시스템 수신단에서 신호의 일부분을 분리
입
력
M
U
X
D
E
M
U
X
출
력
30
다중화와 역다중화
파장 분할 다중화(wavelength division multiplexing)
각 신호를 광섬유에 보내기 위해 빛의 파장을 분리한다.
여러 파장들은 보통 수신단에서 쉽게 구별될 수 있도록
충분히 떨어져 있어야 하기 때문에 신호 전송에서 가능한 파장
수는 둘 또는 셋으로 제한되어 있다.
시간 분할 다중화(time division multiplexing)
선택 후 전송(select and send) 시스템을 사용하여 여러 개의
신호가 한 번에 하나씩 연속적으로 광섬유에 보내진다.
송신기와 수신기가 전송에서 어떤 간격이나 지연 주기를
감지하지 않기 때문에 매우 빠르다.
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다중화와 역다중화
파장 분할 다중화(WDM)와 시간 분할 다중화(TDM) 의 블럭도
송신측
수신측
1
s()
2
.
.
.
.
.
.
∑
전송 매체
버퍼
.
.
.
mN
BPF
.
.
.
2
.
.
.
BPF
N
m1
버퍼
r(t)
s(t)
m2
1
r( )
N
m1
BPF
버퍼
스캔
전송 매체
스캔
m2
.
.
.
mN
32
다중화와 역다중화
33
다중화와 역다중화
34
다중화와 역다중화
▲ Optical multiplexing
mode-locked optical fiber soliton laser에 의해 생성된 광펄스는
10Gbit/s에서 광변조기의 최대속도와 매치되게 만들어 진다.
PLC 를 이용한 광다중화기는 이 속도를 80Gbit/s 까지 증가시
킨다. PLC는 평평한 회로기판에서 고도로 정밀한 광로를
만들 기 위해 NTT가 개발한 특허기술이다.
정밀한 광분할 회로를 지나면서 10 Gbit/s 의 광펄스는 2, 4
그리고 8 로 갈라지고 작은 시간 차이로 겹쳐져서 결국
안정적인 80Gbit/s 의 광신호를 만든다.
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다중화와 역다중화
▲ Optical demultiplexing
80Gbit/s 의 속도로 파이버를 통해 전송되는
광펄스는 너무 빠르기 때문에 전기신호로 바로 검파되지 않는다.
그들은 nonl inear optical loop mirror로 알려진 광회로를 이용해
역다중된다.
80Gbit/s의 광펄스 중 매 8번째의 펄스가 10Gbit/s 의 신호 로
만들어져 뽑아내진다.
▲ Multiplexer & Demultiplexer
각 분산 장치(angular dispersive device) :
프리즘(prism), 회절 격자(diffraction gratings)
방향성 결합기와 마크-젠더 간섭계
(directional coupler & Mach-Zehnder interferomter)
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다중화와 역다중화
▲ Grating-based demultiplexer using a conventional lens
▲ Grating-based demultiplexer using a graded-index lens
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다중화와 역다중화
▲ Demultiplexer using a prism
▲ Demulitplexer using a thin film
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다중화와 역다중화
▲ Layout of an integrated four-channel waveguide
multiplexer based on Mach-Zehnder interferometers
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다중화와 역다중화
▲
NTT 초고속 (80Gbit/s) 광 솔리톤 전송 시스템
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다중화와 역다중화
▲
솔리톤 광전송시스템
(Opticla soliton transmission system)
솔리톤 전송시스템의 잠재가능성으로 인해 현재 여러 가지
실험시스템이 발표되고 있다. 그 중에서도 NTT (Nippon Telegraph and
Telephone Corporation)는 80 Gbps의 전송속도로 광 솔리톤을 500km
거리까지 전송하는 장치를 성공적으로 만들었다.
이러한 초 고속 장거리 전송은 새로운 regenerative-mode locked 광섬유
솔리톤 레이저와 PLC(planar lightwave circuit)를 사용한 안정적인
광 다중기, 그리고 nonlinear optical loop mirror로 구성된 광 역다중기로
가능했다.
80Gbit/s 의 전송속도로 500km 전송거리의 성취는 세계 최초이고,
또한 보통의 리니어한 전송 계획에서 얻을 수 있는 결과보다도
뛰어난 것이다.
이 실험에서의 80Gbit/s 전송속도의 성취는 100Gbit/s 의 속도로 가는
한 과정이고, terabit 통신을 실현시키는 첫번째 타켓이 다. 더 나아가,
에러없는 500km 거리의 전송은 장거리 전송을 위한 새 기술의 응용
가능성을 보여준다.
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