디지털 - 디지털 부호화

 

 

신호 변환과 신호변환기

[그림1] 신호변환과 신호변환기

 

 

디지털 부호화

• 0과 1로 표현된 디지털 정보를 디지털 신호로 표현
• 디지털 - 디지털 부호화 과정
• ex) 0111010, DSU/CSU
• 베이스밴드 전송 방식을 사용하는 LAN, PC와 프린트나 주변장치들과의 연결에서 이런 부호화 형태를 볼 수 있다.
• 0과 1을 표현하기 위해 (+)나 (-) 전압중 하나만 사용하는 단극형 부호화
• 하나의 논리상태는 (+)로 다른 하나는 (-)전압을 사용하는 극형 부호화
• 하나의 논리상태를 나타내기 위해 (-),0,(+) 전압 모두를 사용하는 양극형 부호화
• 블록코드형
• 3가지 이상의 신호 레벨을 갖는 Multilevel형

 

디지털 부호화 종류

[그림2] 디지털 부호화 종류

 

단극형(Unipolar)

• 하나의 전압 레벨만 사용하는데 0과 1을 나타내기 위해 (+) 나 (0)전압을 모두 사용하는 것이 아니라 0은 전압이나 아무것도 흐리지 않는 휴지(idle)상태로 나타내고, 1을 나타내기 위해서 (+)나 (-) 전압중 하나를 사용한다.
• 단극형 부호화

[그림3] 단극형

 

단극형 부호화의 문제점

 

직류성분(DC Component)문제

• 신호의 평균 진폭이 0이 아니기 때문에 직류성분 발생
• (흐르는 방향과 크기가 일정한 전류인 직류를 표현하기 어렵다.)
• 직류성분을 다룰 수 없는 매체는 통과 불가능 (예: 마이크로파, 변압기)

동기화 문제

• 신호가 연속된 0이나 1인 경우 신호의 변화가 없으므로 수신측에서 각 비트의 시작과 끝을 결정할 수 없는 문제가 발생한다.
• (수신측에서 수신신호의 변화가 없을 경우 신호의 시작과 끝을 구분하기 힘들기에 동기가 어긋나게 되면 수신신호를 제대로 해독이 어렵다.)
• 별도의 선로로 클럭 신호를 보냄으로 동기화 문제를 해결할 수 있으나 비용이 많이 들기 때문에 사용하지 않는다.

 

 

 

극형(Polar)

• 극형 부호화는 (+)와 (-) 전압 두 개의 레벨 사용하기 때문에 평균 전압크기가 단극형에 비해 줄어들어 직류성분 문제를 해결할 수 있다.
• NRZ(Non-Return to Zero) - NRZ-L, NRZ-I
• RZ(Return to Zero)
• Biphase - 맨체스터(Manchester - 이더넷), 차등 맨체스터(Differential Manchester - 토큰링)

 

NRZ(Non-Return to Zero)

• 항상 (+)이거나 (-) 전압, 0은 아무런 전송이 없는 휴지상태(idle)
• 각 보오(baud)는 하나의 비트를 나타내기 때문에 대역폭사용이 효율적이다, 하지만 연속되는 0이나 1은 채널상의 신호변화가 없기 때문에 동기를 의한 클럭 정보를 제공하는 능력이 부족하다.
• 복잡한 인코딩이나 디코딩을 요구하지 않는다.
• 저속 통신에 널리 사용
• NRZ-L (Non-Return to Zero Level)

[그림4] NRZ

 

 

NRZ-L (Non-Return to Zero Level)

• 0을 나타내기 위해 하나의 레벨로 정해지면 다른 하나의 전압레벨이 1을 나타내기 위해 사용한다. 
• (0을 위해 (+)전압을 사용하면1은 (-)전압을 사용하고, 0을 위해 (-) 전압을 사용하면 1은 (+)전압을 사용해 표현한다.

 

NRZ-I (Not-Return to Zero Invert)

• 0일때 이전 신호 레벨을 유지, 1일때 이전 신호 레벨을 반전(invert) (반전이 있는 경우 1, 반전이 없는 경우 0)
• NRZ-I는 0과 1을 표현하기 위해 (+), (-) 전압이 할당되는 것이 아니라 이전 신호 레벨의 반전을 통해 신호를 나타낸다.

[그림5] NRZ-I

 

 

RZ(Return to Zero)

• NRZ 방식도 연속 1, 0 인 경우 동기화 문제 발생 가능성이 있다. 해결책으로 동기신호를 같이 전송하는 방법은 병렬로 동기화 신호를 별도로 보내서 동기를 맞추는 방법은 비용문제로 비효율적이다. 그래서, 신호에 동기화정보를 포함하는 방식(Return to Zero)이 효과적이다.
• (+), 0, (-) 3개의 전압 레벨을 사용한다.
• 0일 경우 (-)전압으로 시작해서 중간에 0레벨로 복귀한다.
• 1일 경우 (+)전압으로 시작해서 중간에 0레벨로 복귀한다.
• 동기화 문제를 해결하지만 하나의 비트를 부호화 하기 위해서 두 번의 신호 변화가 필요하게 되므로 상대적으로 많은 대역폭을 사용한다.(단점)

[그림6] RZ

 

Biphase

• 동기화 문제 해결하는 방법 중 하나
• (매 비트마다 신호변화가 발생하기에)
• 전압 레벨이 중간에 다른 전압 레벨로 변화하는것은 RZ와 비슷하지만, RZ처럼 0으로 돌아가는 것이 아니라 다른 전압으로 변환
• 맨체스터와 차등 맨체스터 두 가지 방법이 있다.

Manchester

• 동기화를 위해 비트 중간에 신호의 반전이 발생
• 1은 (-)에서 시작해서 중간에 (+)으로 바꿔 표현
• 0은 (+)에서 시작해서 중간에 (-)으로 바꿔 표현
• 주로 이더넷에서 사용

[그림7] Manchester

 

 

Differential Manchester

• 비트 중간에 전압 변환이 있는것은 맨체스터와 동일하나, 0,1을 표현하기위한 패턴이 정해져 있지 않다.
• 0인 경우 이전 패턴 유지
• 1인 경우 패턴이 바낻로 바뀜
• 주로 토큰링에서 사용한다.

[그림8] 차등 맨체스터 Differential Manchester

 

양극형(Bipolar)

• (+), 0, (-) 3개의 전압을 사용한다.
• RZ와 같이 0 전압 레벨은 0을 사용, 1을 나타내기 위해 (+), (-) 전압 두 개 모두 사용. 처음에 (+)전압으로 1을 낱타내면 다음에 나타나느 1은 (-) 전압을 사용해 표현한다.
• AMI, B8ZS, HDB3 등의 3개의 부호화 기법이 있다.

Bipolar AMI(Bipolar Alternate Mark Inversion)

• 0전압은 0을 나타내고 (+), (-) 전압은 1을 표현
• 연속적인 0이 오면 동기화 문제 발생
• 동기화 문제를 해결하기 위해 B8ZS와 HDB3 사용한다.

[그림9] Bipolar AMI

 

B8ZS (Bipolar 8 - Zero Substitution)

• 연속해서 8개의 0이 나타내면 0 대신 알려진 비트 패턴을 삽입
• 8개의 연속된 '0'을 다른 비트열로 대체
• ex) 0000 0000을 000V B0VB로 대체시키는 선로 부호화 방법 (B (Valid Bipolar) : AMI 규칙에 준한다, V (Bipolar Violation) : AMI 규칙에 위배된다.)

대체방법

• 8개의 연속된 0의 바로 전에 송신된 Mark(1) 펄스가 (+)이면, 000+ -0-+로 대체 (-)이면, 000- +0+-로 대체

[그림10] B8ZS

• 수신측에서 000+-0-+, 000-++-와 같은 비트 패턴을 만나면 대체코드로 인식하고, 8개의 0스트링으로 바꾸어 넣는다.

[그림11] 

 

HDB3(High-Density Bipolar 3)

• AMI에서 연속적인 0이 나타나는 경우 동기화 문제를 해결하기위해 유럽에서 사용한다.
• 연속적으로 0이 4개 나타나면 마지막 변환을 한 이후로 1이 나타난 횟수에 따라 바뀜

HDB3 대체규칙

• '0'이 4개가 연속적인 0000 는 B00V 또는 000V로 대체됨
• B : AMI 규칙에 따르는 비트(valid bipolar signal)
• V : AMI 규칙을 위반한 비트(bipolar violation)

000 4개가 나타나면

• 1이 나타난 횟수가 홀수일 경우
• +0000 -> +000+, 0000 -> 000- 를 전송
• 1이 나타난 횟수가 짝수일 경우
• +0000 -> +-00-, 0000 -> -+00+ 를 전송

[그림12] HDB3

 

mBnB형태 블록 코드형

• M비트 길이의 데이터를 n비트 길이의 코드로 변환하는 방식
• 주로 비트 동기화 문제 해결하기 위해 사용한다.
• 4B/5B, 8B/10B, 64B/66B, 1024B,1027B 등

4B/5B

• 4비트 길이의 그룹단위를 5비트 길이의 코드 비트로 변환하는 방식
• '0' 또는 '1'이 연속되어 전송되지 않도록 코드화
• 100Base-FX 에서 NRZ-I와 함께 사용

[그림 mBnB - 4B/5B

 

신호 변환기(Signal Conversion Device)

 

DSU(Digital Service Unit)

• DSU는 네트워크 간에 서로 다른 디지털 신호를 사용하기 때문에 필요한 네트워크 연결 장비
• 각 네트워크마다 사용하는 디지털 신호는 하나로 통일되어 있지 않고 다양하며 종류도 많다.
• 하나의 신호로 통합되지 않는 이유는 네트워크 간의 상호 보안 문제가 있기 때문이다.
• 하나의 통합된 디지털 신호(Bipolar 신호)를 사용하자는 취지에서 등장한 ISDN이 계속 발전하지 못한 이유는 이러한 보안문제 때문이다.
• 서로 다른 디지털 신호 형태를 사용하는네트워크들이 데이터 통신을 하고자 할 때에는 서로 다른 신호를 하나의 동일 신호로 인식될 수 있도록 해야 하는데, 이 역할을 DSU가 담당하게 되는 것이다.

DSU 사용 목적

• 디지털 데이터를 디지털 통신망을 이용해 전송되도록 디지털 신호로 변환하는 방식
• 디지털 신호를 변조하지 않고 DTE(단말장치)를 데이터 교환망에 접속하기 위한 장비
• 디지털 통신회선을 이용해 효율적(동기화, 필터링)으로 전송하기 위한 장비
• 먼 거리까지 디지털 데이터를 전송하기 위해 사용
• 동일하지 않는 네트워크 신호를 동일한 신호로 변환하기 위해 사용한다.
• 모뎀의 회로 구성보다 간단하고 속도가 빠르다.