[physical Layer] 디지털 변환

디지털이나 아날로그로 표현되어 있는 데이터를 물리적인 디지털 신호로 나타내어 전송하는 테크닉은

1. 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환하는 절차인 Line coding이 있고 

2. Line coding의 문제를 해결하기 위하여 데이터 자체를 약간 변환하는 Block coding과

3. Scrambling 이 있다. 

4. PCM은 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 방식이다.

1. Line coding

디지털 데이터를 물리적인 디지털 신호로 변환하는 과정을 Line coding이라고 한다.

데이터와 신호의 의미는 다음과 같이 다른데 데이터는 버스를 타는 승객이고, 신호는 승객을 태우로 목적지로 옮겨주는 버스라고 생각하면 된다.

data rate는 1초당 데이터 요소의 갯 수로 bit rate라고도 하며 단위는 bps이다.

signal rate는 1초당 전송된 신호 요소의 갯 수로 baud rate라고도 하고 단위는 baud이다.

이렇게 data를 signal로 바꾸는 Line coding 방법에는 다섯가지가 있다.

그리고 이러한 디지털 코딩 방식의 평가요소는 다음과 같다.

-Bandwidth : 대역폭을 적게 사용할 수록 좋음.

-DC components: 주파수가 낮은 성분은 통과 못하게 하는 시스템이 존재하지 때문에 DC가 있으면 안좋음.

-Self-synchronization: clock 신호를 추출할 능력을 가진 code가 좋음.

1) Unipolar NRZ

가장 간단한 Line coding 방식이다.

2-1) Polar NRZ-L(Level)과 NRZ-I(Invert)

Polar 방식은 양과 음의 두 가지 전압 준위를 사용하는 것이다.

이것은 회선의 평균 전압 준위를 감소시켜서 DC components 문제를 완화시킨다. 

-Bandwidth : 좋음 

-DC components : 둘 다 있음.

-Self-synchronization : 나쁨. 이 문제는 Block coding으로 해결한다.

2-2) Polar RZ(Return to Zero)

Self-synchronization을 위해서 비트 중앙을 항상 0으로 복귀하는 방식이다.

-Bandwidth : NRZ보다 나쁨(많은 전이 발생)

-DC components : 있지만 NRZ보다는 좋음.

-Self-synchronization : 좋음.

2-3) Polar Manchester과 Differential Manchester

Manchester은 비트의 중앙에 신호 전이를 발생시켜서 self-sync에 좋게 만든것이고, Differntial은 여기에 0이면 시작 전이를 발생시고 1이면 비트 시작 전이를 발생하지 않는 방식이다. 이 방식은 좋기때문에 실제로 Ethernet등의 LAN에서 많이 사용된다.

-Bandwidth : NRZ의 두배.

-DC components : 없음.

-Self-synchronization : 좋음.

3) Bipolar AMI와 pseudoternary

양극형에서는 양전위, 0, 음전위 세 레벨을 사용한다. AMI는 1일 때 양전위와 음전위가 교대가 되고 pseudoternary는 이와 반대이다. AMI는 장거리 통신에 사용된다.

-Bandwidth : 좋음

-DC components : 거의 없음.

-Self-synchronization : 나쁨. 이것은 scrambling으로 해결한다.

4-1) Multilevel 2B1Q

m개의 데이터 요소 패턴을 표현하는 데 N개의 신호 요소 패턴을 사용(mBnL)하며 단위 Baud당 bit 수가 증가한다.

2B1Q는 2bit를 표현하는 데 4개의 전압 준위를 사용하는 것이다. DSL 기술에서 가입자 전화 회선을 사용하는 고속 인터넷 접속 제공에 사용한다.

4-2) Multilevel 8B6T

8개의 이진수를 6개의 3LEVEL 신호로 전송하는 방식으로 

데이터 패턴은 2^8=256개 이고, 신호 패턴은 3^6=478개이다. 따라서 478-256=222개의 남은 신호는 동기화, 오류 검색 직류 성분 보정을 위해 사용한다.

5) Multilevel transition : MLT-3(Multilevel Transmit-three level)

0: 전이 없음

1: 현재 0V가 아니면: 0V, 현재 0V이면: 직전의 0가 아닌 비트 준위의 반대

100 Mbps 전송에 활용

2. block coding

NRZ에 동기화 문제를 해결하기 위해 사용하는 방식이로 원래의 m개의 비트 블록을 n개의 비트 블록으로 변환 전송(mB/nB)하는 것이다. n>m 이기 떄문에 0이 연속되는 것을 없애고 clock신호를 뽑거나 오류검출에 용이하다.

블록 변환 후에는 Line coding하여 NRZ-I로 전송한다.

3. scrambling

주로 AMI에서 Self-sync문제를 해결하기 위해서 사용한다. 연속 0비트 패턴을 다른 형태(위반) 신호로 변환한다. B8ZS방식과 HDB3방식이 있다.

4. PCM(Pulse Code Modulation)

이 방식은 아날로그 신호를 받아서 디지털 데이터로 변환하는 가장 일반적인 방식이다. 이렇게 변환된 데이터는 디지털 신호로 Line coding된다.

PCM 인코더는 세 가지 과정을 처리한다.

1. 아날로그 신호를 받아내는 sampling

2. 측정된 아날로그 진촉값을 정수값으로 변환하는 Quantization

3. 이진 비트로 변환하는 Encoding

sampling 단계에서 sampling rate(samples/sec)는 나이퀴스트 정리에 의해 아날로그 신호에 포함된 최대 주파수의 2배 이상이 되어야 한다.

Quantization 단계에서 설정 level에 따라 "샘플 당 비트 수"가 결정된다.

Encoding 단계에서 Bit rate = Sampling rate * "각 샘플 당 비트수"로 처리 해야된다.

Quantization 단계에서 레벨 수를 늘리면 error가 줄어든다. 하지만 코딩 했을 때 coding rate가 늘어나는 문제점이 있다. 그래서 error를 줄이기 위해서 레벨 수를 늘리는 것이 아니라 non-llinear encoding 방식을 사용한다.