[정보통신공학] ch4-1 전송 매체

1. Transmission Media의 정의

: 전송 매체란 송신기와 수신기 사이에서 정보를 전달하는 물리적인 통로를 의미한다

Physical Layer (물리 계층): 컴퓨터가 이해하는 비트(0과1)를 물리적인 신호(전기 전압, 빛의 점멸)로 바꾸어 매체에 실어 보내는 역할

Transmission Medium(전송 매체): 물리 계층 바로 아래에 위치하며, 실제 신호가 이동하는 물리적인 환경, 유리섬유(광케이블), 구리선, 공기(무선) 등이 여기에 해당

 

전송 매체의 종류

• 유도 매체(Guided Media): 신호가 물리적인 경계 내에서 갇혀서 흐르는 방식 (트위스티드 페어, 동축 케이블, 광섬유 케이블)
• 비유도 매체(Unguided Media): 신호가 특정한 물리적 통로 없이 공중으로 퍼져 나가는 방식 (라이도파, 마이크로파, 적외선 등 무선 통신)

학습 목표

1. 신호와 채널의 기초 - 신호, 주파수, 채널, 대역폭(Bandwidth), Data rate(데이터 전송률)

• 신호: 데이터를 전송 매체를 통해 보내기 위해 전기적 또는 광학적 형태로 변환한 에너지의 흐름
• Frequency (주파수): 단위 시간 (보통 1초)동안 신호가 진동하는 횟수, 단위는 Hertz(Hz)를 사용한다. 전송 매체마다 통과시킬 수 있는 주파수 범위가 다르다
• Channel(채널): 송신과 수신기 사이에서 신호가 전달되는 논리적 혹은 물리적 통로이다. 하나의 전송 매체 내의 여러개의 채널이 존재할 수 있다.
• Bandwidth(대역폭): 채널이 수용할 수 있는 최고 주파수와 최저 주파수의 차이이다. fmax - fmin. 정보통신에서 대역폭은 곧 해당 매체가 단위 시간당 전송할 수 있는 정보량과 직결된다
• Data rate(데이터 전송률): 초당 전송되는 비트의 수(bps, bits per second)이다. 신호의 대역폭과 매체의 품질에 따라 결정된다.

2. 신호의 종류 (Signal Types) - 아날로그/디지털 신호

• Analog Signal(아날로그 신호): 시간에 따라 신호의 크기가 연속적으로 변화하는 파형이다. 자연계의 소리나 빛
• Digital Signal(디지털 신호): 0과 1처럼 이산적인(Discrete) 전압 레벨을 사용해 정보를 표현하는 신호

3. 전송 손상(Transmission Impairments)  - 감쇠(Attenuation), 지연 왜곡(Delay distortion), 잡음(Noise)

• Attenuation(감쇠): 매체를 통과할 때 저항이나 거리의 제약으로 인해 신호의 세기(에너지)가 약해지는 현상
• Delay distortion(지연 왜곡): 유선 매체에서 주로 발생하며, 신호를 구성하는 각 주파수 성분마다 전송 속도가 달라 수신 측에서 파형이 겹치거나 일그러지는 현상
• Noise(잡음): 원치 않는 불필요한 신호가 삽입되어 원래 신호를 방해하는 현상 ex. 열 잡음, 상호 변조 잡음, 충격 잡음

4. 전자기 스펙트럼 (Electromagnetic Spectrum) 

• 전자기 스펙트럼이란 전자기파를 주파수(Frequency) 또는 파장(Wavelength)에 따라 배열한 전체 범위를 의미함
• 주파수와 파장의 관계: 빛의 속도 = 주파수 x 파장, 빛의 속도 c는 일정하므로, 주파수가 높을 수록 파장은 짧아진다
• 에너지: 주파수가 높을 수록 전자기파가 가진 에너지가 크다. 전송 거리와 장애물 투과율에 직접적인 영향을 미친다 
• 저주파 대역(VLF, LF, MF): 파장이 길어 지구의 곡면을 따르거나(지표파), 장애물을 잘 피해서 멀리가낟. 하지만 데이터를 실 을 수 있는 공간(대역폭)이 매우 좁다
• 고주파 대역 (HF, VHF, UHF): 우리가 흔히 쓰는 TV, 라디오, Wi-Fi, 이동통신 대역이다. 직진성이 강해지며 대역폭이 넓어 대용량 데이터 전송 가능
• 초고주파 대역(SHF, EHF - 마이크로파): 위성 통신이나 5G 등에 사용된다. 대역폭이 매우 넓지만 비나 안개같은 기상 조건이나 건물 같은 장애물에 의해 신호가 쉽게 차단됨
• 광대역 (Optical Spectrum): 광섬유 통신에 사용되는 적외선 여역이다. 테라헤르츠(THz) 단위의 엄청난 주파수를 사용하므로 현존하는 매체 중 가장 압도적인 전송 속도를 제공한다
• 서로 다른 통신 시스템이 같은 주파수를 이용하면 간섭(Interference)이 발생해 통신이 불가능해진다. 따라서 국가와 국제기구(ITU) 등에서 어떤 용도로 어떤 주파수를 쓸지 엄격하게 규제한다

5. 전송 매체의 분류 (Physical Transmission Media)

• Guided Media 유도 매체 - 선이 있는 방식
  • 신호를 물리적인 도체 내에 가두어 유도하는 매체
  • Twisted pair (꼬임쌍선): 두 줄의 구리선을 꼬아서 만든 선으로 인접한 선 간의 전자파 간섭(Crosstalk)을 줄인다. (ex. LAN 케이블)
  • Coaxial cable (동축 케이블): 중심 도체를 절연체와 금속 망으로 감싼 구조로, 외부 간섭에 강하며 TV 케이블에 사용된다.
  • Optical fiber (광섬유): 유리나 플라스틱 가닥을 통해 빛(광신호)을 전송한다. 대역폭이 매우 넓고 전자기 간섭이 거의 없다.
• Unguided Media 비유도 매체 - 무선 방식
  • 안테나를 통해 공중으로 신호를 발사하는 방식
  • Antenna (Isotropic/Parabolic)
    • Isotropic(등방성)은 모든 방향으로 동일하게 에너지를 방사
    • Parabolic(파라볼릭)은 특정 방향으로 에너지를 집중(지향성)시키는 안테나
  • Microwave (Terrestrial/Satellite): 지상 안테나 간 혹은 위성을 거쳐 전송되는 고주파 신호
  • Broadcast radio: 사방으로 퍼져 나가는 특성을 가진 라디오파
  • 무선 전파 방식 (Wireless propagation)
    • Ground wave(지표파): 낮은 주파수 신호가 지구의 곡면을 따라 이동하는 방식
    • Sky wave (전리층파): 신호를 대기 중의 전리층에 반사시켜 아주 먼 거리까지 보내는 방식
    • LoS(Line of Sight, 가시거리 전송): 송신기와 수신기와 서로 마주 보고 있어야 하는 직선 전송 방식, 고주파(UGF 이상)에서 주로 사용됨

6. 용어 정의

1. Data(데이터): 의미나 정보를 담은 엔티티(Entity)

• ① Analog Data (아날로그 데이터)
  • 특정 구간 내에서 연속적인 값(Continuous values)을 가지는 데이터
  • 시간에 따라 끊기지 않고 부드럽게 변화한다. 자연계에서 발생하는 대부분의 현상이 여기에 속함
  • Sound/Voice: 공기의 진동으로 발생한는 음압은 연속적인 파형을 가진다
  • Temperature: 온도는 20도에서 21도로 급격하게 점프하지 않고 그 사이의 무한한 소수점 값을 거치며 변화
  • 아날로그 video: VHS 테이프, 아날로그 TV방송처럼 빛의 밝기와 색상 정보를 연속적인 전압 변화로 기억한 형태
• ② Digital Data (디지털 데이터)\
  • 명확히 구분되는 이산적인 값 (Discrete values)을 가지는 데이터
  • 예/아니오, 0 또는 1처럼 중간 단계가 없는 불연속적인 상태를 가진다
  • Text/Character: A와 B사이에는 중간 문자가 없다. 명확히 구분되는 기호의 집합
  • Integer: 정수 1 다음은 2, 그 사이의 연속성 고려x
  • 디지털 Video: 현재가 우리가 쓰는 유튜브나 MP4파일 처럼 영상을 픽셀 단위로 나누고 각 값을 0과 1의 숫자로 수치화하여 저장한 형태

2. 데이터의 이동 (Data Communication)

: 데이터가 한 지점(one point)에서 다른 지점(another)으로 이동 또는 전이(transferred)되는 과정 전체를 의미한다

• 포인트 간 이동 (One point to another): 여기서 포인트는 소스(source)와 목적지(Destination)
• moved는 물리적 실체가 이동하는 것이 아니라, 데이터를 가진 정보의 내용이 전송 매체를 통해 복제되거나 전달되는 것을 뜻한다

3. 신호

• 사전적 의미: 메세지, 정보 또는 명령을 전달하는 행위(Action), 소리(Sound), 움직임(Movement)으로, 약속된 규칙에 의해 정보를 전달하는 전달 기제임(Information conveing mechanism); 손짓, 대화, 교통 신호 등
• 한 지점에서 다른 지점으로 데이터를 보낼 때, 시간과 공간(또는 주파수)에 따라 변하는 전기적 양(electric quantity - 전압, 전류, 에너지)을 신호로 사용한다
  • 전압(Voltage): 전위차의 변화
  • 전류(Current): 전하의 흐름
  • 에너지: 전자기파의 세기
  • 이 중 하나 이상의 수치를 변화시켜 정보를 실어 나름
• 시스템(컴퓨터 등) 내부나 네트워크 사이에에서 데이터를 전달하는 전자기적 혹은 전기적인 전류 (Eletromagnetic or electrical current) 
• 아날로그 신호 (telephone): 음성 정보를 연속적인 파형으로 전달하는 전화 시스템이 대표적
• 디지털 신호(computer): 0과 1이라는 이산적인 데이터를 전압의 높고 낮음으로 표현하는 컴퓨터 시스템의 방식
• Baseband signal (기저대역 신호)
  • 변조(modulation)라는 가공 과정을 거치지 않은 원래의 신호 (origianl, unmodulated form)
  • 소스에서 막 생성된 신호는 대게 매우 낮은 주파수(Low frequency signal) 대역에 분포한다 (ex. 사람의 가청 주파수 20Hz ~ 20kHz)
• Carrier signal (or carrier) - 반송파
  • Modulated (modified) original signal: 장거리 전송 목적으로 원래의 베이스밴드 신호를 수정하여 만든 신호
  • 주된 목적은 장거리 전송, 저주파인 베이스밴드는 공중으로 방사하거나 먼 거리를 보내기에 물리적으로 부적합
  • Higher frequency: 캐리어 신호는 일반적으로 원래 신호보다 훨씬 더 높은 주파수를 가짐. 이 높은 주파수 파형에 원래의 데이터(베이스밴드)를 실어 보냄

4. 전송 시스템 (Transmission or Signaling system)

• 데이터 전송은 Transmitter (TX, 송신기)와 Receiver (RX, 수신기) 사이에서 일어난다. 이 둘 사이에는 반드시 (Transmission medium) 전송 매체라는 물리적인 path가 있어야 한다.
  
  • 프레임 속의 비트들이 electrical(전기적-구리선)/Optical(광학적-광섬유)/Wireless(무선-공기) 신호로 변환되어 전송된다.
    • → 전송 지연 (Transmission Delay):
      • 단위 시간에 주어진 데이터 (bits in a frame)를 신호로 변환하는 소요되는 시간
      • 송신기가 데이터(프레임)의 모든 비트를 신호로 변환해서 전송 매체로 내보내는데 걸린 시간이다.
      • 이는 매체의 대역폭(Bandwidth)나 데이터 전송률(Date Rate)에 의해 결정된다.
      • Link Capacity(transmission rate)에 반비례, 길이와는 연관x
    • 데이터가 너무 커서 늦는 경우, 전송률(Data Rate)을 높여야함
  • 각각의 비트들은 매체의 한쪽 끝에서 반대쪽 끝까지 물리적으로 전파된다
    • → 전파 지연 (Propagation Delay)
    • 신호가 매체의 한쪽 끝에서 반대쪽 끝까지 물리적으로 이동하는데 걸리는 시간이다.
    • 매체의 길이와 신호의 속도, 매체의 종류에 따라 결정
    • Link length에 비례
    • 거리가 너무 멀어서 늦은 경우, 속도는 광속 이상으로 높일 수 없으므로 물리적 거리를 줄이거나 알고리즘으로 해결 (전파지연의 한계)
  • 수신기와 송신기 사이에 Amplifier(증폭기) / Repeater (리피터)가 설치될 수 있다
    • 신호는 거리가 멀어지면 약해지거나 왜곡된다. 이를 보완하기 위해 TX와 RX사이에 이 장치들을 두어 신호를 다시 강하게 만들거나(Amplifier), 깨끗하게 재생(Repeater)하여 전송 거리 연장
• 통신은 전자기파의 형태를 띈다 (Electromagnetic waves) - 전기, 빛, 무선 모두 물리학적으로는 전자기 에너지 파동임
• 전송 매체의 분류
  • 유도 매체 - 신호가 고형 (solid) 매체를 따라 안내되는 방식
    • Twisted pair(LAN선), Coaxial cable(TV선), Optical fiber(빛 이용)
  • 비유도 매체 - 신호가 물리적인 선 없이 자유 공간으로 퍼져나가는 방식
    • 대기(Atmosphere), 진공의 우주, 해수(Water)
    • 공기, 진공(Vaccum), 바닷물(Seawater) 속에서도 전자기파는 특정 조건하에 전파(propagation)될 수 있음

5. 아날로그 신호

5.1. 연속적으로 무한한 신호 값 (Continuously varying & Infinite values) 

• 특정 범위(range)안에서 무한한 수의 값을 가질 수 있는 연속적으로 변하는 전자기파임
• 예를 들어 1V와 2V 사이에는 1V, 1.11V, 1.111V... 처럼 무한히 쪼개질 수 있는 값이 존재하며 신호는 이 값들을 건너뛰지 않고 매끄럽게 통과함 
  • 음향 정보(Acoustic info) - 목소리, 악기소리
  • LP player & 아닐로그 비디오 플레이어 - 물리적인 홈의 깊이나 자성의 세기를 연속적으로 기록한 매체
  • 모든 현실 세계의 신호들 - 자연계의 모든 신호, 빛의 세기, 압력 등

5.2.정보의 표현방식 (info)

-전기 신호에서, 신호의 전압, 전류, 주파수를 바꾸어 정보를 표현함

• Voltage (전압): 전위차의 높낮이를 변화시킴
• Current (전류): 흐르는 전하의 양을 변화시킴
• Frequency (주파수): 단위 시간당 진동 횟수를 변화시킴
• 정보를 보낸다 = 수신 측이 전압, 주파수, 전류의 미세한 변화를 감지해 원래의 의미(소리, 영상 등)을 해석할 수 있게 한다는 뜻

5.3. 그래프 상의 특징 (Voltage vs. Time graph)

• 아날로그 신호를 시간(x축) 대비 전압(y축) 그래프로 그리면, 끊어짐이 없는 매끄럽고 연속적인 곡선이 나타남
• 수학적으로 미분가능, 어느 시점에서 보더라도 신호의 값이 정의되어 있음.
• 디지털 신호가 급격하게 변하는 계단 모양인 것과 가장 큰 차이점

 * 전선 내부에서는 전압/전류의 형태로 흐르지만 이것이 안테나를 통해 공중으로 나가면 전계와 자계가 서로 유도하며 나아가는 파동이 된다. 그래서 전가기파라고 부름

 

5.4. 장점

대역폭 = Fmax - Fmin

• 디지털 신호보다 낮은 대역폭 요구 (lower bandwidth)
  • 음성의 대역폭 - 100Hz ~ 7000Hz
  • 전화(Telephone)의 대역폭 - 300Hz ~ 3400Hz, 표준 전화망(PSTN)은 효율성을 위해 인간이 인식을 할 수 있는 핵심 대역폭인 이 주파수 범위의 주파수만 통과시킨다. 즉, 단 3.1kHz의 대역폭만으로도 충분한 의사소통이 가능함
  • 비디오 대역폭: 4MHz, 고용량 데이터인 영상조차 아날로그 방식으로는 이 대역폭만으로 전송 가능  
• 디지털 신호보다 감쇠에 대한 상대적 내성 (less affected by attenuation)
  • 감쇠: 신호가 매체를 통과할 때 거리에 따라 에너지가 약해지는 현상
  • 아날로그 신호는 파형 자체가 완만하게 변하기 때문에, 디지털 신호의 급격한 전압 변화(High-Frequency components)가 거리의 제약으로 뭉개지는 현상에 비해 물리적으로 조금 더 멀리까지 파형의 형태를 유지하며 전달될 가능성이 높다

5.5. 단점

• 디지털 신호보다 더 많은 잡음 (Noise)
  • 아날로그 신호는 무한한 연속 값을 가지기 때문에, 외부에서 유입된 아주 미세한 전기적 잡음도 신호의 일부로 간주해버림
  • 수신기 입장에서는 이것이 원래 목소리인지, 전선 옆에서 발생한 잡음인지 구분할 방법이 없음
• 디지털 신호보다 더 많은 왜곡 (Distortion)
  • 신호가 전송 매체를 통과하면서 주파수 성분별로 속도가 다르거나, 증폭기가 균일하게 증폭하지 못할 때, 원래의 파형자체가 일그러지는 현상
  • 아날로그는 파형의 모양에 정보가 담겨져 있어, 모양이 변하면 데이터 자체가 손상된다
• 디저털 신호보다 더 많은 간섭 (Interference)
  • 인접한 전선이나 무선 대역에서 들어오는 전자기파가 아날로그 신호와 겹치면 (Crosstalk), 두 파형이 합쳐져 버린다.
  • 일단 합쳐진 아날로그 신호는 다시 원래 상태로 완벽하게 분리해 내는 것이 공학적으로 매우 어렵다

아날로그는 효율적(Efficient)이지만, 불안전(Unreliable)하다.

 

 

6. 디지털 신호

6.1 이산적 값의 시퀀스 (Sequence of discrete values)

• 데이터를 이산적의 값의 나열, 구체적으로는 전압 펄스(Voltage pulses)의 연속으로 표현하는 신호를 말한다
  • 전압 펄스: 디지털 신호 그래프에서 전압이 수직으로 급격하게 상승했다가 일정시간 유지된 후 다시 수직으로 하강하는 모습이 심작 박동이나 맥박(pulse)과 같다고 하여 전압 펄스라부름
• 아날로그 신호가 무한한 값을 가질 수 있는 것과는 달리, 디지털 신호는 정해진 특정 시점에 오직 미리 정의된 유한한 값 중 하나만 가질 수 있다. → Finite set of possible values
  • 0V와 5V로 정의된 시스템이라면 신호는 0V아니면 5V여야만 한다 

6.2 디지털 신호의 활용 범위

• 장치: 컴퓨팅 기기, 전자 장치, 하드디스크, CD, DVD, 스마트 워치, 디지털 TV, 
• 표현 데이터: 텍스트, 문자열(모스 부호, IRA, ASCII 등), 디지털화된 비디오, 온도 정보
• 과거 아날로그 였던 (비디오, 온도계)것들이 이제는 모두 디지털 신호로 처리됨

6.3 문자 형태(Character form)와 이진 데이터(Binary data)의 관계

• 문자 형태의 한계: A나 B같은 문자나 기호 그자체로는 데이터 처리 시스템이나 통신 시스템에서 쉽게 저장하거나 전송할 수 없다
• 현대의 모든 데이터 처리 및 통신 시스템은 이진데이터를 처리하도록 설계되어 있다
• 따라서 우리가 인식하는 문자(ASCII)나 펄스 형태의 디지털 신호는 시스템 내부에서 반드시 0과 1의 조합인 이진 비트열로 변환 되어야지만 효율적인 저장과 전송이 가능해진다.

6.4 전송을 위한 이진 전압 펄스 (Voltage pulses)

• 디지털 회로는 복잡한 값을 직접 다루지 않고 가장 단순한 이진 체계를 사용한다
  • 데이터 전송을 위해 이진 데이터는 디지털 전압 펄스로 전환된다
  • 오직 두 가지 상태만 존재한다. 0과 1
  • 두 개의 일정한 전압 레벨(Constant voltage levels)을 사용한다. 예를 들어 +5V는 이진수 1로, 0V는 이진수 0으로 약속하는 것
• 큰 숫자를 표현하기 위해 비트를 묶어서 표현할 수 있다 (Group of bits)
  
  • 1-bit system: 하나의 심볼이 1비트를 나타낸다.
    • 0은 데이터 값 0을 나타내고 1은 데이터 값 1을 나타낸다
    • 표현 가능한 수 2^1 = 2개
  • 2-bit system: 하나의 심볼(한 번의 신호 상태)이 2비트를 나타낸다. 
    • 00은 0, 01은 1, 10은 2, 11은 3을 나타낸다
    • 표현 가능한 수 2^2 = 4개
  • 16-bit system: 하나의 심볼이 16비트를 묶어서 표현한다
    • 표현 가능한 수는 0 부터 65535로 2^16 - 1개의 숫자 표현 가능
• 통신 속도의 핵심 공식 (Bit rate vs. Baud rate)
  • bit rate = baud rate (#_symbols/sec) × #_bits/symbol
    • baud rate (보오 레이트, 심볼 속도) = 초당 전송되는 심볼(신호의 상태 변화)의 개수, 단위는 baud 또는 symobols/sec 사용
    • bit rate (비트 레이트, 데이터 전송률) = 초당 전송되는 실제 비트(0, 1)의 개수. 단위는 bps(bits per second)
    • #_bits/symbol = 하나의 심볼이 몇 개의 비트를 담고 있는지, 만약 16비트 시스템이면 16임
  • baud rate가 낮아도, 한 심볼에 많은 비트를 실으면(#_bits/symbol) bit rate를 획기적으로 높일 수 있다

6.5 장점

• 아날로그 신호보다 잡음, 왜곡, 간섭에 강함 (Robustness)
  • 디지털 신호는 유한한 전압 레벨(0V또는 5V)만 사용함. 전송 중의 약간의 잡음이 섞여 0V가 0.8V가 되더라도 시스템은 여전히 이를 0V로 판정할 수 있는 임계값(Threshold) 여유를 가짐
• 정확성 및 오류 제어 (Accuracy & error control)
  • 디지털 시스템은 수치로 처리하므로 물리적 소자의 미세한 오차에 덜 영향을 받아 훨씬 정확함
  • 비트열에 특수한 수학적 코드(Error detection and correction codes)를 추가할 수 있다.
  • 이를 통해 전송 중 데이터가 깨졌는지 확인하고 심지어는 깨진 비트를 스스로 원상복구할 수 있다. 아날로그에선 불가능
• 경제성 (Low cost & Reproduction)
  • 디지털 회로는 설계가 정형화되어 있어 대량 생산이 쉽다
  • 반도체 기술을 이용해 아주 작은 칩 안에 수조 개의 디지털 트랜지스터를 집어넣을 수 있어 성능 대비 하드웨어 구축 비용이 매우 저렴하다

6.6 단점

• 아날로그 신호보다 높은 대역폭 요구 (Higher Bandwidth)
  • 디지털 신호의 전압 펄스는 수직에 가깝게 급격하게 변한다. 푸리에 변환을 따르면 이렇게 급격한 변환을 구현하기 위해서는 매우 많은 고주파 성분이 필요하다
  • 같은 양의 정보를 보낼 때 디지털은 아날로그보다 훨씬 더 넓은 주파수 대역(Bandwidth)을 점유하게 됨
• 아날로그 신호보다 감쇠에 더 취약함 (more affected by attenuation)
  • 전송 매체를 통과할 때 고주파 성분은 저주파보다 더 빠르게 에너지를 잃음
  • 거리가 멀어질 수록 디지털 신호의 날카로운 모서리(고주파)가 뭉개지면서 펄스의 모양이 무너져내림
  • 아날로그 신호보다 신호를 복원할 수 있는 유효 전송 거리가 짧아지며 이를 위해 더 많은 Repeater가 필요

* 디지털은 더 빨리 망가지지만 (Attenuation) 조금 망가진 정도는 완벽하게 무시하고 복구할 수 있는 장점이 있다

 

7. Data와 Signal의 매핑

7.1 일반적인 경우 (Direct Mapping) 

• Digital Data ↔ Digital Signal: .컴퓨터 내부의 데이터(0, 1)을 LAN선을 통해 전기적 펄스로 보내는 경우. 가장 직관적이고 변환 손실이 적음
• Analog Data ↔ Analog Signal: 마이크로 입력된 음성(아날로그)을 전압 변화로 바꾸어 아날로그 전화망으로 보내는 경우

7.2 디지털 데이터를 아날로그 신호로 전송하는 경우

• 전송 매체가 오직 아날로그 신호만을 통과시킬 수 있을 때 발생함 (ex. 과거의 구리선 전화망)
• 변환 장치 - Modem (Modulator-Demodulator)
  • 디지털 포맷의 데이터를 아날로그 전송에 적합한 포맷(파형)으로 변환한다
  • 디저털의 0과 1을 특정 주파수나 진폭을을 가진 아날로그 파형에 실어 보내는 변조(Modulation) 과정을 거친다.
  • 수신 측에서는 다시 이를 디지털로 바꾸는 복조 (Demodulation)을 수행한다

7.3 아날로그 데이터를 디지털 신호로 전송하는 경우

• 현대 통신의 대세, 음성이나 영상을 디지털망(인터넷)을 통해 보낼 때 사용한다
• 변환 장치 - Codec (Coder-Decoder)
  • 아날로그 데이터 스트림을 디지털 데이터 스트림으로 인코딩(Encoding)하고 다시 원래대로 디코딩(Decoding)함
  • 아날로그 파형을 아주 짧은 시간 간격으로 쪼개어 그 값을 수치화하는 표뵨화(Sampling), 양자화(Quantization), 부호화(Encoding) 과정을 거친다
  • 우리가 사용하는 VoIP(인터넷 전화), 유튜브 영상 전송 등이 모두 코덱 기술 기반
• 데이터 자체가 아날로그라도 디지털 신호로 바꾸어 전송하면 오류 제어와 잡음 제거가 가능하다. 그래서 현대 통신은 가급적 디지털 신호 사용

 

* 모뎀: 디지털 데이터 → 아날로그 신호

* 코덱: 아날로그 데이터 → 디지털 신호

 

8. 데이터와 신호의 조합 & 신호 전송 방식

8.1 데이터와 신호

	Analog Signal	Digital Signal
Analog Data	(1) 신호가 데이터와 동일한 스펙트럼(주파수 대역)을 점유하기 (2) 다른 부분의 스펙트럼을 점유하도록 인코딩 (ex. 일반 아날로그 전화)	코덱을 사용해 아날로그 데이터를 디지털 비트 스트림으로 변환 (ex. PC에 녹음한 음성)
Digital Data	모뎀을 이용해 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환 (ex. 전화선을 이용한 인터넷 통신)	(1) 두 개의 전압 레벨(0과 1)로 직접 표현 (2) 원하는 특성 (오류 강인성 등)을 갖도록 디지털 인코딩 수행 (ex. USB, Ethernet)

 

8.2 신호 전송 방식

아날로그 전송 방식 (Analog Transmission)

• 신호의 모양(Waveform)을 유지하는 것에만 집중하는 방식
• 신호가 아날로그 데이터든 디지털 데이터(모뎀 통과 후)든 상관 없이 동일하게 취급
• Amplifier(증폭기) - 신호가 멀리 가서 약해지면 에너지만 키워줌. 이때 잡음(Noise)도 함게 증폭되는 치명적인 단점

디지털 전송 방식 (Digital Transmission)

• 신호의 내용(0과1)을 복원하는 것에 집중하는 방식
• 아날로그 신호 → 디지털 전송 방식
  • 아날로그 신호가 디지털 데이터를 나타낸다고 가정한다
  • 각 신호는 리피터를 통해 전파된다
  • 들어오는 아날로그 신호에서 0과 1을 판별(Recover)한 뒤 잡음이 제거된 완전히 깨끗한 새로운 아날로그 신호를 생성해 내보낸다
• 디지털 신호 → 디지털 전송 방식
  • 디지털 신호는 0과 1이 흐름을 나타낸다.
  • 디지털 신호는 디지털 데이터나 인코딩된 아날로그 데이터를 나타낸다
  • 신호는 리피터를 통해 전파된다
  • 들어오는 디지털 신호에서 0과 1을 판별(Recover)한 뒤 잡음이 제거된 완전히 깨끗한 새로운 디지털 신호를 생성해 내보낸다

증폭기(Amplifier)와 리피터(Repeater)의 차이

Amplifier: 신호 증폭, 잡음도 같이 증폭

Repeater: 신호가 뭉개졌을 때 다시 원래의 0과 1로 판별하고 새로운 깨끗한 신호 그려서 보냄 (잡음 제거)

 

 

9. Amplifer vs. Repeater (둘다 L1 Device)

 

9.1 Amplifer (증폭기)

• 약해진 신호의 진폭(Amplitude)를 단순히 키워줌
• 주로 아날로그 신호를 사용하는 통신 시스템에서 활용
• 설치거리: 아날로그 신호는 디지털 신회에 비해 감쇠(Decay/Fade) 속도가 상대적으로 느리기에 증폭기 사이의 거리를 충분히 (sufficient) 멀리 두어도 작동이 가능하다
• 증폭기는 들어오는 신호의 내용을 판단하지 않기에 원래의 정보(infomation)와 전송 중에 섞인 잡음(noise)까지도 동시에 증폭시킨다. 결과(출력) 신호는 더 시끄러운 상태가 된다
• 신호 대 잡음비 (SNR, Signal-to-Noise Ratio)를 높이지 못한다. 오히려 잡음이 누적되면서 전체적인 신호의 질이 떨어진다

9.2 Repeater (리피터)

• 송신기(TX)와 수신기(RX) 사이에서 신호를 수십 번 재생하여 전달한다
• 디지털 신호를 전송할 때 필수적으로 사용된다
• 설치거리: 디지털 신호(고주파 성분 포함)는 아날로그보다 훨씬 빠르게 감쇠되므로 시스템 내에 필요한 리피터의 개수는 증폭기의 개수보다 더 많아야 한다. 즉 더 짧은 간격으로 설치해야 한다
• 리피터는 단순히 신호를 키우는게 아니라 신호를 변경(Alter)한다. 따라서 들어온 파형이 찌그러졌더라도 이를 0 또는 1로 다시 해석하여 완전히 깨끗한 새 신호로 만들어낸다. 이를 통해 효과적으로 잡음을 제거한다
• 신호 대 잡음비 SNR을 최대치로 끌어올린다. 결과적으로 신호와 관련된 오류 발생 확률을 획기적으로 낮춘다.

* 아날로그 신호는 리피터를 통한 신호 재생이 어렵다. 어디까지고 잡음이고 어디까지가 신호인지 구별하는게 불가능하기 때문이다. 그래서 신호가 죽지만 않게 증폭기를 사용한다. 

 

10. 시간 영역에서의 신호

신호는 시간에 따라 그 값(진폭)이 변하는 함수이다

주기  = T = 1/F (주파수의 역수) = 신호가 1회 진동하는 데 걸린 시간

주파수 = 1초 동안 신호가 진동한 횟수

디지털 신호는 이론적으로 수직으로 변하는 것처럼 보이지만, 실제 물리 회로에서는 아주 미세한 경사가 존재한다

 

 

11. 주파수 영역에서의 신호

 

11.1 신호는 주파수에 따라 그 값이 변하는 함수이다.

• 모든 복잡한 신호는 사실 서로 다른 주파수, 진폭, 위상을 가진 여러 개의 사인파(Sine waves)의 합으로 이루어져 있다
• 아무리 불규칙해 보이는 디지털 펄스 신호라도 이를 수학적으로 분해(푸리에 분석)하면 수많은 깨끗한 사인파들의 조합으로 나타낼 수 있다

11.2 Frequency Spectrum - 주파수 스펙트럼

• 하나의 신호를 구성하고 있는 모든 주파수 성분의 범위
• 주파수 영역 그래프(x축이 주파수, y축이 진폭)로 그렸을 때 나타나는 주파수들의 분포 지도를 말한다

11.3 Absolute Bandwidth (절대 대역폭)

• 신호를 구성하는 성분 중 가장 낮은 주파수와 가장 높은 주파수의 차이 fhigh - flow
• 신호가 가진 물리적인 전체 너비, 수학적으로는 무한대까지 이어지기도 함

11.4 Effective Bandwidth or just Bandwidth(유효 대역폭)

• 신호가 가진 에너지의 대부분(90% ~ 99%)이 집중되어 있는 좁은 주파수 대역을 의미한다
• 보통 대역폭(Bandwidth)을 말하면 이 유효대역폭을 의미함
• 데이터 전송률과의 관계
  • 유효 대역폭은 해당 매체가 초당 보낼 수 있는 데이터 전송률(Data Rate)를 결정짓는 한계치이다.
  • 대역폭이 넓을 수록 더 많은 정보를 실어날 수 있기 때문이다.
  • 그냥 데이터를 빨리 보내려고 하면 주파수 성분이 대역폭을 넘어서게 되어 다 짤려서 신호가 깨진다. 그래서 대역폭이 데이터 전송률이 물리적으로 제한함

Time Domain 그래프에서 신호를 분해하자 f, 3f, 5f, 7f라는 서로 다른 주파수를 가진 사인파들의 합이었음

Fundatmental Frequency (f): 기본 주파수로 가장 큰 에너지를 가짐

Harmonics(3f, 5f, 7f): 고조파로 신호의 세부적인 모양(날카로운 모서리등)을 만드는게 기여함

기본 사인파에 여러 고조파를 합성하면 점점 사각형의 디지털 펄스 형태를 띄게됨

 

 

12. Sine Wave (사인파)

• 모든 복합 신호를 구성하는 가장 기초적인 주기 신호
• 세 가지 파라미터로 나타낼 수 있다
  • Peak Amplitude (최대 진폭) A
    • 시간이 지남에 따라 신호가 가질 수 있는 최대 값 또는 강도
    • 일반적으로 전압(Volts) 단위로 측정한다
    • 신호의 에너지를 의미한다. 소리로 치면 볼륨, 빛으로 치면 밝기이다.
    • 전송 과정에서 감쇠가 일어나면 바로 이 A값이 줄어들게 된다
  • Frequency (주파수) f
    • 신호가 1초동안 몇 번 반복되는가, 신호가 1초동안 진동한 횟수
    • 단위로 Hertz(Hz) 또는 cycles per second 사용
    • 신호의 빠르기를 의미한다. 고주파(High frequency)일수록 같은 시간동안 더 많은 데이터를 실을 수 있는 잠재력을 가지지만, 그만큼 감쇠에 취약하다
    • 주기는 신호가 한 번 반복하는데 걸린 시간이다.
    • 주기와 역수 관계 T = 1/f or f = 1/T
  • Phase 위상 Φ
    • 단일 주기 내에서 신호의 상대적인 위치
    • 하나의 사이클 내에서 파동이 정확히 어디에 위치해 있는지를 도(0 ~ 360°)나 라디안(0 ~ 2π)으로 측정한다
    • 두 신호를 비교할 때 중요하다. 똑같은 주파수와 진폭을 가졌더라도, 시작지점이 다르면 위상이 다르다고 한다
    • 예를 들어 0°에서 시작하는 사인파와 최고점(90° 혹은 π/2)에서 시작하는 코사인파는 위상이 다르다
• 통신 시스템은 정보를 보내기 위해 이 세가지 파라미터 중 하나 이상을 변화시킨다
  • ASK (Amplitude Shift Keying): A를 변화시켜 0과 1을 구분
  • FSK (Frequency Shift Keying): f를 변화시켜 0과 1을 구분
  • PSK (Phase Shift Keying): Φ를 변화시켜 0과 1을 구분

 

13. Wavelength 파장 λ

• 파장은 신호가 시간이 아니라 '공간(거리)' 상에서 차지하는 물리적인 길이를 의미한다
• 신호의 한 주기가 공간상에서 차지하는 거리를 의미한다, Single Cycle의 거리
• 연속된 두 주기에서 동일한 위상(Corresponding phase)을 가진 두 지점 사이의 거리로도 정의할 수 있다 ex. 마루와 마루 사이, 골과 골 사이의 거리
• 신호의 전파 속도를 v라 했을 때 파장은 주기 및 주파수와 다음과 같은 관계를 갖는다
  • λ = vT : 신호가 한 주기동안 이동한 거리
  • λf = v  : 주파수가 높을수록 (1초에 더 많이 진동할 수록) 파장은 짧아진다. 즉 주파수와 파장은 반비례 관계이다.
• 전파 속도 v: 자유공간(free space)에서 빛의 속도를 의미한다. 3x10^8m/s(초당 3억 미터)
• 실제 유선 매체(구리선, 광섬유)내에서는 빛의 속도보다 약간 느려지지만 이론적 계산에서는 보통 광속을 기준으로 한다
• 안테나의 크기 = λ/4 일때 가장 무선 통신 효율이 좋다. 즉 주파수가 결정되어야지 안테나의 물리적 크기를 정할 수 있다
• 신호가 지나가는 전선의 굵기나 광섬유의 특성이 파장에 따라 다르게 반응한다. 특정 파장의 빛은 잘 통과하지만 다른 파장은 흡수되어 사라지기도 하기 때문이다

 

14. Line configuration 선로 구성 

14.1 Direct Link (직접 연결)

• 두 지점 사이에 스위치나 라우터 같은 중간 노드 (Intermediate devices)없이 연결된 상태를 말한다
• 단, 신호 세기를 유지하기 위해 증폭기(Amplifer)나 리피터(Repeater)는 중간 노드로 간주하지 않고 직접 연결의 범주에 포함시킨다. 이들은 데이터를 처리하거나 경로를 바꾸는게 아니라 단순히 물리적 신호만 살려주는 장치이기 때문이다.

14.2 Topology 토폴로지

• 매체 상에서 스테이션(장치)들이 어떻게 물리적으로 배치되어있는지를 의미한다
• ① Point to point (p2p) 점대점
  • 두 장치 사이의 전용 직접 링크(Direct Link)
  • 오직 단 2개의 장치만이 해당 매체(선로)를 공유함
  • 매체를 독점하므로 대역폭 전체를 사용할 수 있고 보안과 전송 품질이 보장
  • ex. PC와 모니터를 연결하는 HDMI 케이블 선
• ② Multi-point 다중점
  • 3개 이상의 장치가 동일한 매체를 공유하는 방식
  • 하나의 선로에 여러 장치가 매달려 있는 형태 (과거의 버스 토폴로지)
  • 여러 장치가 동시에 데이터를 보내면 충돌(Collision)이 발생할 수 있으므로, 누가 언제 보낼 것인가를 정하는 복잡한 매체 엑세스 제어(MAC) 기술이 필요하다
  • ex. 우리집 Wi-Fi에 5명 접속, 공기라는 매체 공유 

 

15. 전송 모드

15.1 Simple Mode - 단방향 전송

• 통신 채널을 통해 신호가 오직 한방향으로만 전송되는 방식
• 한 스테이션은 영원히 송신기 TX이고, 다른 한쪽은 영원히 수신기 RX이다. 중간의 서로 역할이 바뀌지 않는다
• 채널의 전체 대역폭(Bandwidth)을 한 방향으로만 사용하므로 효율적일 수 있으나, 수신 측에서 송신측으로 응답(Response)를 보낼 수 없다
• ex. 라디오 방송, 텔리비전 방송. 키보드와 본체 간의 연결

15.2 Duplex Mode - 이중 전송

• Half duplex - 반이중 전송
  • 양방향 통신이 가능하지만, 동시에는 불가능
  • 각 스테이션이 송신과 수신을 모두 할 수 있지만, 특정 시점에는 오직 한 쪽 방향으로만 데이터를 보낼 수 있는 방식
  • 한 장치가 송신 중일 때, 다른 장치는 수신만 가능하다. 데이터 전송 방향을 바꾸기 위해서는 Turn-around-Time이라고 불리는 전환 시간이 필요하다
  • One-lane, two-way bridge (1차선 양방향 교량)처럼 차는 양쪽에서 올 수 있지만, 다리 위에는 한 번에 한 방향의 차만 지나갈 수 있다
  • 하나의 물리적 전송 경로(data path)만 있어도 양방향 통신을 구현할 수 있다
  • ex. 무전기(walkie-talkie), 한 사람이 말을 끝내고 버튼을 떼어야 상대방이 말할 수 있음
• Full-duplex Mode - 전이중 전송
  • 두 스테이션이 동시에(Simultaneously) 신호를 송신하고 수신할 수 있는 방식
  • Two-lane, Two-way bridge처럼 상행선과 하생선이 분리된 2차로 도로와 같다.
  • 물리적으로 두 개의 전송 경로(Two data paths)가 필요하거나
  • 하나의 물리적 선로를 주파수 분할 (FDM)등의 기술로 나누어 논리적 두 개의 Channel로 구성
  • ex. 전화 통화, 상대방의 말을 들으면서 동시에 내 말을 내뱉을 수 있는 구조

 

16. Channel Capacity 채널 용량 - Bandwidth(대역폭)와 Data Rate(데이터 전송 속도)

16.1. 채널 대역폭 (Channel Bandwidth)

• 대역폭은 통신 채널이 수용할 수 있는 신호의 범위와 데이터 전송의 최대 잠재력을 의미
  • 1. 아날로그 장치 Analog bandwidth
    • 신호가 차지하는 주파수의 상한선과 하한선의 차이
    • 단위 Hz (Hertz) 또는 cycles per second
    • 예를 들어 음성 통신 채널의 대역폭이 300Hz ~ 3400Hz라면, 아날로그 대역폭은 3100Hz가 된다
  • 2. 디지털 장치 Digital Bandwidth
    • 특정 시간 동안 전송할 수 있는 정보의 최대량
    • 채널이 이론적으로 수용 가능한 최대 데이터 속도
    • 단위 bps (bits per second)
    • 대역폭이 넓을수록 (Large bandwidth), 동일한 양의 데이터를 더 빨리 이동시킬 수 있다
    • 즉 대역폭은 해당 통신로가 낼 수 있는 이론적인 최대 데이터 전송률
    • Bandwidth = Maximum Data Rate

16.2  Data Transfer Rate - 데이터 전송률

• 데이터 전송률은 실제로 단위 시간당 전송되는 데이터의 양을 의미한다
• Data Rate <= Bandwidth
  • 실제 전송률은 절대 대역폭을 초과할 수 없다.
  • 송신기 및 매체의 제약 (Transmitter and Medium constraints): 데이터를 보내는 하드웨어의 손상이나 신호를 실어 나르는 구리선, 광섬유 같은 물리적 매체가 가진 물리적 한계 때문에
  • 전송 손상(Transmission impairments): 신호가 전달되는 과정에서 감쇠, 왜곡, 잡음등이 발생해서 실제로는 이론적 ㅗ치대치(대역폭)에 도달하기 어렵다 
  • Greater bandwidth (bps) → Higher data rate (bps)
    • 대역폭(최대 수용량)을 늘리면 실제 데이터들을 더 많이 전송할 수 있는 여유가 생긴다
    • 더 넓은 주파수 대역을 사용할 수 있게 되면 한번에 더 많은 비트를 실어보낼 수 있는 기술(변조 방식 등)을 적용할 수 있기 때문이다

16.3 Shannon's theorem 샤논의 정리 

- 잡음(Noise)이 존재하는 채널에서 데이터를 전송할 수 있는 이론적 최대 속도는 얼마인가? 를 계산함

 

샤논의 정리 공식

C (Channel Capacity) = 채널 용량, 단위는 bps

B (Bandwidth) = 채널의 대역폭, 단위는 Hz

S (Signal power) = 수신된 신호의 전력

N (Noise power) = 채널에 존재하는 잡의 전력

S/N (Signal-to-Noise Ratio, SNR) 신호 대 잡음비, 신호가 잡음에 비해 얼마나 강한지를 나타냄

 

① 대역폭 B와의 관계

• 채널의 용량 C는 대역폭 B에 비례, 즉 대역폭을 넓히면 통과할 수 있는 데이터의 용량이 선형적으로 늘어남. 그래서 더 넓은 주파수 대역을 확보하려고 함

② 신호 대 잡음비 SNR과의 관계

• 신호가 강하거나(S), 잡음(N)이 적어서 SNR이 커지면 로그 값도 커지므로 채널 용량 C도 증가한다
• 반대로 잡음이 너무 강하거나 신호가 묻혀버리면, 대역폭이 아무리 넓어도 데이터를 제대로 보낼 수 없다

③ 이론적 한계 제시

• 아무리 최첨단 변조 기술이나 압축 기술을 쓰더라도 이 공식으로 계산된 C값보다 빠른 속도로 데이터를 보낼 수 없음

16.4 예시

• AM 라디오 (526.5 ~ 1606.5kHz): 채널당 대역폭이(BW)이 10kHz로 매우 좁음, 전체 대역폭은 1080kHz, 주파수가 낮아 멀리 퍼지지만, 전송 가능한 정보량은 적음
• FM 라디오 (88 ~ 108Mhz): 채널당 대역폭(BW)이 200kHz로 AM보다 20배 넓다. 더 고음질의 오디오 전송 가능
• Celluar, Wi-Fi (300MHz ~ 30GHz): 우리가 사용하는 4G, 5G, Wi-Fi 대역. 기가헤르츠 단위의 높은 주파수를 사용하여 대용량 데이터를 처리한다

16.5 주파수의 고저에 따른 물리적 특성 비교

v = fλ 이용

고주파 Higher Frequency

• 고에너지 High energy: 광자 에너지는 주파수에 비례(E=hf)하므로 에너지가 높다. 이는 장애물을 투과하기 보다는 흡수되거나 반사되는 성질이 강해짐을 의미한다.
• 짧은 도달 거리 Less coverage: 직진성이 강하고 감쇄가 심해 전파가 멀리 가지 못한다. (그래서 기지국을 촘촘히 세워야함)
• 넓은 대역폭 및 높은 전송률 More bandwidth, Higer data rate: 높은 주파수 대역으로 갈수록 가용할 수 있는 주파수 자원이 많아져 데이터 전송 속도가 비약적으로 상승한다
• 짧은 파장 및 소형 안테나 Shorter wavelength, Shorter antenna: 안테나의 길이는 파장의 길이에 비례한다. 주파수가 높으면 파장이 짧아지므로 스마트폰안에 들어갈만큼 안테와 장치가 소형화될 수 있다

저주파 Lower Frequency

• 저에너지 Low energy
• 넓은 도달 거리 Larger coverage: 전파의  회절(Diffraction) 현상이 잘 일어나 장애물을 잘 넘어가며 멀리까지 신호가 도달한다
• 좁은 대역폭 및 낮은 전송률 Less bandwidth, lower data rate: 낮은 주파수 대역은 이미 포화 상태거나 물리적으로 확보 가능한 대역폭 자체가 좁다. 따라서 전송 속도가 상대적으로 느리다
• 긴 파장 및 대형 안테나 Longer Wavelength, Longer Antenna: 파장이 수 미터에서 수 킬로미터에 이르기에, 이를 수신하기 위한 안테나의 크기가 커져야 한다. 

 

 

17. Transmission Impairments 전송 손상

17.1 송신 측에서 보낸 신호 s(t)와 수신 측에서 받은 신호 r(t)은 필연적으로 차이가 발생할 수 밖에 없다

• 아날로그 - 신호의 파형 자체가 일그러져서 신호의 품질이 저하된다 Degradation of signal quality (ex. 라디오 지지직소리)
• 디지털 - 0을 보냈거나 1로 인식하거나 1을 보냈는데 0으로 인식하는 비트 오류 bit error가 발생 

17.2 원인

• 감쇠 Attenuation
  • 신호가 매체(케이블, 공기)를 타고 이동하면서 에너지가 손실되어 신호의 세기(Amplitude, 진폭)이 줄어드는 현상
  • 원인: 매체의 저항 성분으로 인해 에너지가 열로 변환됨
  • 거리가 멀수록 감쇠는 더 심해짐
  • 일반적으로 주파수가 높을수록 감쇠가 더 급격하게 일어남
  • 아날로그 같은 경우 증폭기(Amplifier)를, 디지털 신호의 경우 리피터(Repeater)를 중간에 설치해 신호를 다시 키워준다
• 지연 왜곡 Delay Distortion
  
  • 위상 변화
  • 유선 매체에서 주로 발생하는 현상으로, 신호를 구성하는 각 주파수 성분마다 매체를 통과하는 속도가 달라서 발생하는 왜곡이다.
  • 매체의 물리적 특성상 주파수에 따라 전파 속도 (Velocity of propagation)가 다르기 때문에 발생
  • 송신단에서 동시에 출발한 여러 주파수 성분들이 수신단에는 서로 다른 시간에 도착하게 된다. 이로 인해 신호의 위상 Phase이 뒤틀리고 파형이 뭉개짐
  • 디지털 데이터 전송 시, 앞선 비트의 에너지가 다음 비트의 시간 영역까지 침범하는 인접 부호 간 간섭(ISI, Inter-Symbol Interference)의 원인이 됨
• 잡음 Noise
  • 전송하고자 하는 유효한 신호 외에 추가된 원치 않는 신호
  • 1. 열잡음 Thermal Noise: 전도체 내 전자들의 불규칙한 열 운동으로 인해 발생하며, 모든 통신 시스템에 기본적으로 존재 (White noise)
  • 2. 상호 변조 잡음 (intermodulatio noise) 서로 다른 주파수들이 하나의 매체를 공유할 때, 시스템의 비선형성으로 인해 새로운 주파수 성분이 만들어져 간섭을 일으키는 현상
  • 3. 누화 (Crosstalk): 인접한 전선들 사이의 전자기적 결합으로 인해 옆 선의 신호가 스며드는 현상
  • 4. 충격 잡음 (Impulse Noise): 번개나 전기적 스위칭으로 인하여 짧은 순간 강하게 발생하는 비연속적인 잡음. 디지털 신호에서 비트 오류의 주 원인이다

 

18. 감쇠 Attenuation

 

18.1 거리와 상관관계 (Distance Dependence)

• 신호의 세기(Signal Strength)는 전송 매체를 통과하는 거리에 따라 지수적으로 감소
• 유선 매체(구리선 등)에서는 전기적 저항에 의해 에너지가 열로 소모
• 무선 매체(공기 등)에서는 신호가 사방으로 퍼지면서 단위 면적당 에너지가 줄어드는 경로 손실(Path Loss) 발생
• 데시벨(dB) 단위로 표현, 전송 거리가 멀어질수록 db 손실값은 커진다

18.2 신호 대 잡음비 (SNR, Signal-to-Noise Ratio)

• 수신단에 도착한 신호의 세기가 주변에 항상 존재하는 잡음(Noise)보다 충분히 크지 않으면 수신기는 이것이 실제 정보인지 단순 잡음인지 구분할 수 없다
• 감쇠가 너무 심해져서 SNR이 일정 임계치 Threshold아래로 떨어지면 디지털 통신에서는 비트 오류률 BER이 급격히 상승해 정상적인 통신이 불가능해진다

18.3 감쇠는 주파수의 증가 함수 Attenuation is an increasing function of frequencey

• 주파수가 높아질 수록 신호가 더 빨리 사라진다
• 같은 거리를 가더라도 1GHz 신호보다 28GHz 신호 (고주파)가 매체에서 흡수되거나 산란되는 정도가 훨씬 심하다
• 1. 대역폭 제한
  • 고주파를 쓰면 대역폭B를 넓게 확보할 수 있어 전송 속도를 높일 수 있지만, 감쇠가 심해져서 전송 거리는 짧아진다 (5G 기지국은 4G보다 촘촘히 세워야하는 이유)
• 2. 왜곡 발생
  • 신호가 여러 주파수의 합으로 이루어져 있다면 고주파 성분만 더 많이 감쇠되어 수신단에서는 신호의 전체적인 모양이 변하게 된다 
• 멀리 갈수록 (Distance), 고주파를 쓸 수록(Frequency) 신호는 약해지며 수신기를 이를 잡음(Noise)보다 충분히 큰 상태로 받아내야 한다 → 증폭기(Amplifier)나 리피터(Repeater) 사용

 

19. 지연 왜곡 Delay Distortion

• 구리선(Twisted Pair, Coaxial Cable)이나 광섬유(Fiber Optics)와 같은 유선 매체(유도 매체)에서만 일어나는 현상
  
  • 무선 통신의 경우 자유 공간을 통해 신호가 퍼져나가므로 이 현상보다는 다중 경로 페이딩 (Multipath Fading)이 더 지배적임. 
  • 유선 선로에서는 매체의 물리적 특성때문에 지연 왜곡인 결정적인 장애 요소가 됨
• 주파수에 따른 전파 속도 차이가 원인
  • 신호는 단일 주파수가 아니라 여러 주파수 성분의 합
  • 따라서 매체(유선 선로)를 통과할 때, 주파수에 따라 전파되는 속도가 달라진다. 보통 중심 주파수 근처에서 속도가 가장 빠르고 대역폭의 양 끝단 주파수 성분들은 상대적으로 느리게 전달된다
• 위상 변화 Phase Shifts
  • 송신단에서는 특정 위상 관계로 결합하여 고유한 모양을 만들었던 성분들이 도착 시작이 어긋나면서 서로의 위상이 뒤틀리게 된다
  • 도착이 서로 다르면 결과적으로 수신단에서 합쳐진 전체 파형은 원래의 모양을 유지하지 못하고 시간축 상에서 옆으로 퍼지거나 일그러진다
• 지연 왜곡 발생시 인전 부호 간 간섭 ISI-Inter-symbol interference가 발생함
  • 데이터의 중첩: 1번 비트 신호를 보냈는데 그 신호의 일부 주파수 성분이 늦게 도착해서 2번 비트 신호가 들어오는 시간에 겹쳐버리는 경우
  • 수신기는 2번 비트가 들어오는 시간에 1번 비트의 찌꺼기 성분과 2번 비트의 성분을 동시에 받게 되어 이게 0인지 1인지 구분을 못함
  • Equalizer 등화기를 사용해 빨리 도착한 성분은 늦추고 늦게 온 성분은 보정하여 모든 주파수 성분이 같은 시간에 정렬되도록 만듦

 

20. Noise 잡음 

- 송신기와 수신기 사이에 삽입된 추가적인 신호

 

잡음의 종류 4가지

• 1. Thermal Noise 열 잡음
  • 도체 내부의 전자의 열적 불규칙 운동 (Thermal agitation)때문에 발생
  • 온도가 0K(절대 영도)가 아닌 이상 모든 전자 기기와 전송 매체에 항상 존재
  • 모든 주파수 대역에 걸쳐 균일하게 나타나기 때문에 White noise라고도 부름
  • 이 잡음은 제거할 수 없는 물리적 최적 한계치 Noise Floor를 결정한다
• 2. Intermodulation Noise 상호 변조 잡음
  • 매체를 공유하는 원본 주파수들의 합, 차, 곱으로 된 신호를 만들어 내는 것
  • 서로 다른 주파수가 하나의 매체를 공유할 때 시스템의 비선형성 (non-linearity)으로 인해 발생한다
  • 원래 신호에 없던 새로운 주파수 성분 (f1 + f2, f1 - f2, 2f1)이 만들어져서 유효한 신호 대역을 침법한다
  • 두 명의 목소리가 합쳐져서 전혀 다른 제3의 소음이 만들어지는 것과 같다
• 3. Crosstalk 누화한
  
  • 한 회선에서의 신호가 다른 회선에서 수신되는 것
  • 인접한 전송 선로 사이의 전자기적 결합 (Electromagnetic coupling)에 의해 발생한다
  • 옆 선로에서 흐르는 신호가 안테나 처럼 전자기파를 뿜어서 내 선로로 스며드는 현상
  • 아파트 벽이 얇아 옆집의 TV소리가 우리 집까지 들리는 상황
• 4. Impulse Noise 충격 잡음
  • 아주 짧은 시간동안 상대적으로 높은 진폭을 가진 비정형적 펄스나 스파이크로 구성된 비연속적 잡음
  • 번개, 전기 스위칭, 인접한 고전압 장비의 스파크 등 외부의 전자기적 간섭 EMI가 주된 원인
  • 아주 짧은 시간 Short duration 동안 매우 강한 에너지 High amplitude를 가진다
  • 아날로그 데이터는 미약한 영향
  • 디지털 데이터는 에러의 주된 원인이될 만큼 많은 영향을 준다
    • 디지털은 아주 짧은 순간의 전압 변화로 0과 1을 판단한다. 충격 잡음은 짧지만 그 강도가 매우 쎄기에  해당 시점의 비트를 통째로 뒤집어버린다 Bit Flip

1. 열 잡음처럼 항상 존재하는 N은 전체적인 전송 속도의 한계를 설정한다

2. 충격 잡음처럼 예기치 못한 N은 데이터의 무결성은 파괴하여 재전송을 유발한다