[데이터 통신] 아날로그 전송

 

 

Digital-to-Analog Conversion

 

 

보내는 쪽은 디지털 데이터를 가지고 있고 변조(Modulation)을 통해 아날로그 신호로 바꿔서 전달한다.

 

받는 쪽은 아날로그 신호를 역변조(Demodulation)을 통해 디지털 신호로 바꿔서 디지털 데이터를 수신한다.

 

 

1. Bandwidth (대역폭)

 

디지털 데이터를 아날로그 신호로 전달하기 위해 필요한 대역폭은 Signal rate에 비례한다.

 

*Signal rate: 1초에 몇개의 신호를 전달할 수 있는가

 

2. Carrier signal (반송파)

 

장치에서 보내는 아날로그 신호의 기반으로 작용하는 신호

 

 

 

Binary ASK (BASK)

 

Binary Amplitude Shift Keying으로 Carrier signal의 진폭에 변화를 줘서 신호를 보낸다.

 

 

 

1일때 진폭은 양의 값을 갖고 0일때의 진폭은 0또는 1일때의 진폭보다 더 작은 진폭을 가진다.

 

1초의 5개의 신호를 보내므로 5 baud(signal rate의 단위)

 

대역폭은 신호를 전송할 때 필요한 최대 주파수와 최저 주파수의 차이로 결정된다.

 

signal rate를 높인다는 말은 사인 함수가 1초 안에 한바퀴(0~360도, 사이클)를 도는 속도가 빨라진다는 이야기가 된다.

최저 주파수는 그대로인데 최대 주파수가 올라가니까 자연스레 필요한 대역폭의 크기는 커지게 된다.

 

 

Bandwidth = (1 + d) X Signal rate ( d는 편파지수 (departure factor))

 

 

2개의 carrier signal이 존재하고 , 그중 하나는 데이터 동기화와 복호화에 사용되는 carrier signal이다.

만약 이 두개의 carrier signal이 가진 주파수가 서로 너무 가깝게 붙어있다면, 신호의 간섭이 일어난다.

 

 

 

 

Binary FSK (BFSK)

 

주파수를 변형해서 신호를 보내는 방식이다.

 

1을 보내는 경우와 0을 보내는 경우에 서로 다른 주파수를 사용한다.

 

 

 

주파수를 건들이기 때문에 당연히 대역폭에 영향이 간다.

 

대역폭은 B = (1 + d) X S + 2 X df 이다.

 

*(f2 - f1) / 2 = df

 

 

Binary PSK (BPSK)

 

위상을 조정하기 때문에 주파수나 진폭이 변하지 않는다.

 

 

1과 0 이 서로 다른 위상을 가진다.

 

- 노이즈에 대해 강한 특징을 가지고 있다.

- 한개의 carrier signal을 사용하기 때문에 BASK보다 우

 

 

- 위상을 감지할 수 있는 하드웨어를 가지고 있어야하는 단점이 있다.

 

 

 

 

 

Quadrature PSK (QPSK)

 

2개의 BPSK를 사용하는 방법이다.

 

하나는 각도의 차이가 360도, 다른 하나는 서로 각도가 다르다.

 

 

 

 

하나의 신호는 극좌표계에서의 한 점을 나타내듯 표현할 수 있는데,

 

반지름의 길이가 진폭, 각도가 위상이다.

 

 

 

 

ASK : 0 일때 진폭이 0 이므로 반지름이 아예 없다

 

BPSK : 둘이 180도 차이를 가지므로 수평으로 자리하고 있다.

 

QPSK : 위의 정의에 맞게 표현되어있다.

 

 

 

 

Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

 

- ASK와 PSK 의 결합

 

 

 

 

4-QAM은 서로다른 4개의 진폭과 4개의 각도를 가진다.(1번째 4-QAM)

 

진폭은 같은데 각도가 QPSK와는 다르게 정의하여 만들수도 있다.(2번째, 3번째 4-QAM)

 

 서로 다른 4개의 진폭과 12개의 각도를 사용할 수도 있다.(16-QAM)

 

 

 

 

 

Analog-to-Analog Conversion

 

변조는 매질이 본질적으로 대역 통과이거나 대역 통과 채널만 사용할 수 있는 경우에 필요하

 

 

 

 

 

 

Amplitude Modulation (AM)

 

 

- AM 전송에서는 당연히 진폭을 변화시켜서 신호로 바꾼다.

 

- 가지고 있는 아날로그 데이터를 carrier signal과 더해서 보내는 방식

 

-> 따라서 주파수는 carrier signal이 가진 주파수와 일치한다.

 

 

 

Frequncy Modulation (FM)

 

 

- 진폭이 큰 곳은 주파수를 높게 만들고, 진폭이 작은 곳은 주파수를 낮게 만든다.

 

- 진폭의 크기에 비례하여 주파수가 달라진다.

 

 

Phase Modulation (PM)

 

 

진폭에 따라 carrier signal의 위상을 변화시키는 방법

 

사인 함수에서 위상이 커지게 되면 그래프가 왼쪽으로 이동한다.

 

진폭이 빠르게 커지면 그에따라 빠르게 변화하므로 연속적으로 carrier signal을 합치게되면, 변환된 신호는 왼쪽으로 몰린것처럼 보이게 된다.

 

 

Bandwidth Utilization

- Multiplexing

- Spread Spectrum

 

 

 

Multiplexing

 

다수의 신호를 하나의 데이터 링크에 동시에 보내는 방법

 

 

 

 

Mulitplexing은 신호의 종류에 따라 달라지는데 총 3가지가 있다.

 

 

- Frequency-division multiplexing : 아날로그 신호에 대해서 다중화를 진행

- Wavelength-division multiplexing : 신호를 빛의 형태로 보낼 때 사용 (아날로그)

- Time-division multiplexing : 디지털 신호에 대해 사용하는 방법

 

 

Frequency Division Multiplexing (FDM)

 

다수의 아날로그 신호들은 하나의 데이터 링크에 합쳐져서 보내지므로, 이 합쳐진 신호들을 보내려면 대역폭이 커야한다.

 

따라서 데이터 링크의 대역폭이 합쳐진 신호들의 대역폭보다 커야함은 필수 조건이 된다.

 

 

그림의 형태만 봐서는 ASK 방식을 사용했다고 예측할 수 있다. (진폭이 계속 변하기 때문)

 

각각의 신호들이 서로 다른 Carrier signal을 가졌다.

 

받는 쪽에서는 필터를 앞에 끼고있는데, 이는 전송시 생기는 노이즈를 제거하기 위함이다.

 

 

 

 

Wavelength Division Multiplexing (WDM)

 

WDM은 광케이블로 전송해야하는 데이터들 즉, 높은 data rate를 갖는 신호에 대해 설계되었다.

 

광 케이블은 철로된 전송 케이블 보다 data rate가 훨씬 높으므로 하나의 신호만 보내기엔 너무 과하게 좋다.

 

따라서 다중화로 여러개의 신호를 합쳐서 보내는 것이 효율을 높이는 것이 된다.

 

 

 

Time Division Multiplexing (TDM)

 

 

TDM은 시분할로 보내기 때문에 타이밍을 잘 맞춰야한다는 단점이 존재한다.

 

 

위 그림은 타이밍 맞추는 것을 잘 표현했는데,

왼쪽에서 돌고있는 분홍색 원은 A1, B1, C1 순서로 받아서 출력 데이터 라인에 넣고 있다.

오른쪽에서 돌고있는 분홍색 원은 왼쪽의 원하고 같은 속도로 돌고있고(동기화), 반대 방향으로 돌기 때문에 A1, B1, C1  순서대로 알맞은 데이터 라인에 넣어준다.

 

 

 

위의 예시에서 A, B, C가 서로 다른 길이의 데이터를 가지고 있다면, 어느 순간에는 분명 데이터가 더이상 들어오지 않는 데이터 라인이 존재한다.

 

그렇기 때문에 데이터가 없는 부분은 공간을 비워냏고 보내야한다. => 이는 즉, 낭비되는 부분이 존재함을 의미한다.

 

 

따라서 더 효율적으로 보내기 위해서는 아래 그림처럼 어떤 데이터가 어느 출력 라인으로 가면 된다는 태그를 붙여주면 된다.

 

 

 

Spread Spectrum

 

기본적으로 대역폭을 최대한 늘려버리는 방법이 있다.

 

대역폭이 좁으면 좁을 수록 특정 주파수만 찾으면 도청이나 방해 공작(Jamming)을 수행하기 쉽다.

 

따라서 최대한 대역폭을 늘려서 데이터가 전송되는 주파수를 찾지 못하게 만드는 방법이다.

 

- Frequncey Hopping Spread Spectrum (FHSS)

- Directed Sequence Spread Spectrum (DSSS)

 

 

 

 

Reference

https://ideadummy.tistory.com/107?category=1102389

[데이터 통신] Analog-to-Analog 변환에 대해