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Data Communication & Networking

Physical Layer

데이터 젙송은 송신기와 수신기 사이에서 전송 매체를 통해 이루어진다. 신호(Signal)는 데이터를 표현하는 전자기파(EM waves)를 의미하며, 전송 매체는 신호가 전달되는 경로(예: 케이블, 광섬유, 공기 등)을 의미한다.

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Digital Data Transmission

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  • 비트(Bit) : 정보의 가장 작은 단위(0 또는 1)
  • Signal Element : 하나의 비트를 표현하는 실제 전기적/전자기적 신호 단위
  • 한 비트는 하나의 신호 요소로 표현될 수 있고, 신호 요소는 전송하는 데 일정 시간이 필요하다.
  • 비트 전송률(Bit Rate) : 단위 시간당 전송할 수 있는 비트 수
    • Bit Rate = bps(bits per second) , 1초에 몇 비트를 보낼 수 있는지를 의미한다.

아날로그 vs 디지털 신호

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  • Modem : 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환(모뎀)

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  • Codec : 아날로그 데이터를 디지털로 변환

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전송 방식

  • Baseband Transmission : 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸지 않고(변조 없이) 그대로 전송한다. 장거리 전송에 적합하지 않고, LAN 등 가까운 거리에 사용한다.
  • Broadband Transmission : 디지털 신호를 아날로그로 변조해서 전송(전화선 등)

신호 장애 요소

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  • 감쇠(Attenuation) : 신호 에너지 감소 -> 증폭기 사용

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  • 왜곡(Distortion) : 주파수별 전송 속도 차이로 인해 형태 변환

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  • 잡음(Noise) : 외부 간섭(열, 유도, 크로스토크 등) -> 신호 손상

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데이터 전송 속도 한계

  • Nyquist Rate(무잡음 채널) : 최대 전송률 = 2 × Bandwidth × log₂(L)
  • Shannon Capacity(잡음 채널) : C = B × log₂(1 + S/N)

Digital Transmission

Digital-to-Digital 변환

  • Line Coding : 비트를 디지털 신호로 변환(NRZ, RZ, AMI 등)
  • Block Coding : 동기화 및 오류 검출용 mB/nB 인코딩
  • Scrambling : 무작위 신호 삽입으로 장시간 0 또는 1 방지

Analog-to-Digital 변환

  • PCM : 아날로그 -> 디지털(표본화->양자화->부호화)
  • DM : 차이만 전송하는 간단한 방식

전송 모드

병렬 전송(Parallel Transmission)

  • n개의 비트를 동시에 n개의 선을 통해 전송
  • 모든 비트가 한 번에 전달되므로 빠르다.
  • 하지만 선이 많아지므로 비용이 크다.
  • 주로 컴퓨터 내부에서 짧은 거리에 사용한다.(CPU<->RAM)

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직렬 전송(Serial Transmission)

  • 바트를 한 개씩 순차적으로 전송
  • 선이 1개면 충분하므로 저렴하다.
  • 속도는 느릴 수 있지만 장거리 전송에 적합하다.
  • 실제 인터넷이나 USB 통신 등 개부분의 외부 통신에 사용된다.

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병렬/직렬 전송 비교

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비동기 전송(Asynchronous Transmission)

  • 1바이트 단위로 전송, 시작 비트(0)와 정지 비트(1)를 사용
  • 각 바이트 간 간격이 있어도 됨
  • 단순하고 구현이 쉬움 -> 저속, 근거리 통신에 적합하다.
  • 예: 키보드 입력 데이터 전송

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동기 전송(Synchronous Transmission)

  • 데이터를 프레임 단위로 연속 전송
  • 시작/정지 비트 없이 고속 전송 가능
  • 수신 측이 직접 프레임 경계를 파악해야 함 -> 복잡하지만 효율이 높다.
  • 고속, 원거리 통신에 적합
  • 예: 파일 전송, 네트워크 프레임 통신

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등시 전송(Isochronous) : 실시간 데이터(영상, 오디오 등)에 적합

전송 모드 비교

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Analog Transmission

Digital-to-analog 변환

디지털 데이터를 아날로그 신호(캐리어)에 실어 보내는 방식이다. 통신망이 아날로그일 때(예: 전화선) 디지털 데이터를 전송하기 위해 사용한다.

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Digital-to-analog 변환 방식 종류

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  • ASK(Amplitude Shift Keying) : 진폭을 바꿔서 데이터를 표현한다. 구현이 간단하지만, 잡음에 취약하다.

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  • FSK(Frequency Shift Keying) : 주파수를 바꿔서 표현한다. 잡음에 강하며, 대역폭이 크다.

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  • PSK(Phase Shift Keying) : 위상을 바꿔서 표현한다. 성능이 우수하지만, 장비가 복잡하다.

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  • QAM(Quadrature Amplitude Modulation) : 진폭 + 위상 조합으로, 고속데이터 전송에 적합하지만, 복잡하다.

Analog-to-analog 변환

아날로그 데이터를 전송할 때, 대역통과 채널(bandpass channel)에 맞게 아날로그 신호로 변조하는 방식이다. 전송 매체가 특정 주파수 대역만 통과시키는 경우(예: 라디오 주파수), 효율적인 신호 전달, 간섭 방지, 다중 사용자 지원 등의 이유로 사용한다.

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AM(Amplitude Modulation, 진폭 변조)

  • AM은 캐리어(반송파)의 진폭(Amplitude)을 정보 신호에 따라 변화시키는 방식이다. 정보(음성 등)의 크기에 따라 반송파의 높낮이가 바뀐다.
  • 주파수와 위상은 변하지 않고, 오직 진폭만 바뀐다.
  • 구조가 단순하고 구현이 쉬워 AM 라디오 방송 등에 사용된다.
  • 하지만 잡음에 민감하다는 단점이 있어, 고음질이 필요한 상황에는 적합하지 않다.
  • 예: AM 라디오(540~1600 kHz)

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FM(Frequency Modulation, 주파수 변조)

  • FM은 캐리어의 주파수(Frequency)를 정보 신호에 따라 변화시키는 방식이다. 정보의 세기에 따라 반송파의 진동속도(간격)가 바뀌는 방식이다.
  • 진폭과 위상은 유지되고, 주파수만 변한다.
  • AM보다 구조는 복잡하지만, 잡음에 강하고 안정적인 품질을 제공하는 게 큰 장점이다.
  • FM 라디오, 무선 마이크, 텔레비전 음성 신호 등에서 많이 쓰인다.
  • 예: FM 라디오(88-108 kHz)

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PM(Phase Modulation, 위상 변조)

  • PM은 캐리어의 위상(Phase)을 정보에 따라 조절하는 방식이다. 신호의 세기에 따라 파형이 어느 순간에 꺾이거나 이동하는 것처럼 보인다.
  • 진폭과 주파수는 유지되고, 위상만 바뀐다.
  • FM과 구조적으로 유사하며, 구현은 더 어려울 수 있지만 특정 디지털 통신에 적합하다.
  • PM은 디지털 변조 방식(PSK)과 관련도 깊고, 일부 위성통신이나 디지털 라디오 시스템에서도 사용된다.

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대역폭 활용(Bandwidth Utilization)

Multiplexing

  • Multiplexing(다중화)란 여러 신호(데이터)를 하나의 통신 채널을 통해 동시에 전송하는 기술이다. 즉, 여러 사용자가 하나의 고속 링크를 공유할 수 있게 해주는 방식이다. 이때 필요한 장치가 바로 **Multiplexer(MUX)이다.

  • Multiplexer(다중화기)

    • 시간이나 주파수 등을 나눠서 하나의 회선을 여러 단말기와 공유할 수 있게 한다.
    • 회선 수를 줄이고, 비용과 자원을 절약

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Categories of multiplexing

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FDM(Frequency Division Multiplexing)

  • 주파수를 분할하여 여러 아날로그 신호를 동시에 전송
  • 각 채널 간 간섭 방지를 위한 Guard Band(보호대역) 필요
  • 저속 전송이나 아날로그 방송에서 유용

WDM(Wavelength Division Multiplexing)

  • 광섬유에서 서로 다른 파장(색)을 사용하여 신호 다중화
  • 고속 대역폭의 광케이블 활용에 적합하다.

TDM(Time Division Multiplexing)

  • 각 사용자가 시간 단위로 나눠진 슬롯을 차례로 사용하는 방식
  • FDM은 주파수 분할, TDM은 시간 분할
  • 디지털 신호에 적합하여 동기화가 중요하다.

확산 스펙트럼(Spread Spectrum)

무선 통신에서 보안성 강화와 간섭 회피를 위해, 신호를 넓은 주파수 대역으로 확산시켜 전송하는 기술이다. 일반적으로 다중화와 달리 전송 효율보다 보안/내성에 중점을 둔다.

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FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)

  • 신호를 전송할 때 짧은 시간 간격마다 주파수를 바꾼다.
  • 간섭 회피에 유리하고 보안성이 높다.

DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)

  • 각 비트를 여러 개의 칩 코드(chips)로 확산시켜 전송한다.
  • 신호 대역폭은 넓어지지만, 잡음에 강하고 신뢰성 높은 통신이 가능하다.

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Summary

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