V. 통신망 기술

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1 제 2 장데이터전송기술 한기준경북대학교컴퓨터공학과 Kjhan@bh.knu.ac.kr 1

2 목차 전송신호 전송신호의손상 전송매체 데이터부호화 2

3 Data and Signal Data: Data: 정보 Signal: Signal: 정보의운반차량 Coding: Coding: Data -> > Signal How is information coded in a format suitable for transmission? 3

4 전송신호 전송신호 : 시간에따라변화하는전기혹은광 신호의표현 시간영역에서표현 주파수영역에서표현 시간영역에서의신호의특징 연속신호 (Continuous signal) 시간에따라신호의크기가연속적으로변화 이산신호 (Discrete signal) 시간적으로불연속적인신호 디지털신호 시간적으로불연속적이고크기가일정한값만가지는신호 주기성신호 (Periodic signal) 일정한시간구간마다신호의패턴이반복 비주기성신호 (Aperiodic signal) 신호의패턴이반복되지않음 4

5 연속신호와이산신호의예 진폭 (volts) 진폭 (volts) (a) 연속신호 시간 (b) 이산신호 시간 5

6 주기적인신호의예 진폭 (volts) +A -A T T/2 T 3T/2 2T 5T/2 시간 진폭 (volts) +A -A T (a) 주기적연속신호 : 정현파 T/2 T 3T/2 2T 5T/2 시간 (b) 주기적이산신호 : 구형파 6

7 정현파신호 (Sine Wave) S(t) = A sin(2πft + φ) 진폭 (A) 신호의최대변화폭 주파수 (f) 신호의변화율을나타냄 헤르츠 (Hz) 혹은초당싸이클 주기 = 반복구간의길이 (T) T = 1/f 위상 (φ) 한주기내에서시간에대한상대적편이 (shift) 7

8 여러가지형태의정현파신호 8

9 주파수영역에서신호의표현 신호는여러가지주파수성분으로구성 각주파수성분은정현파신호로표현가능 따라서임의의신호를서로다른주파수를갖는정현파신호성분의합으로표현가능 : 푸리에해석 (Fourier analysis) 9

10 주기적인신호의푸리에해석 주기성신호는정현파신호의합으로분해가능 : 푸리에급수 (Fourier series) s( t) = C + Cn cos(2πnf 0t + θ n ), f0 = 0 = n 1 1 T 각정현파성분은기본주파수 (fundamental frequency) 의정수배의주파수만가짐 : 이산적인주파수스펙트럼 10

11 주파수성분의합성 A sin (2pft) 1/3 A sin (2p(3f)t) A sin (2pft) + 1/3 A sin (2p(3f)t) 11

12 시간영역과주파수영역에서표현 (a) A sin (2pft) + 1/3 A sin (2p(3f)t) (b) 신호의주파수 스펙트럼 12

13 구형파의주파수성분 [ sin( 2π ft ) + (1 / 3 ) sin( 2π (3 f ) t ) (1 / ) sin( 2π (5 f ) )] ( a ) 4 / π + 5 t [ sin( 2πft ) + ( 1 / 3) sin( 2π (3 f ) t) + (1 / 5) sin( 2π (5 f ) t) (1 / 7) sin( 2π (7 f ) )] ( b) 4 / π + t ( c ) 4 / π (1 / k ) sin( 2π ( kf ) t ) 13

14 주파수영역에서표현 s(f) f 1 3 f 1 5 f 1 f 1 1 (a) s ( t ) = sin ( 2π f 1 ) t + sin3 ( 2π f 1 ) t + sin5 ( 2π f 1 ) t 3 5 1/T 2/T 3/T 4/T f (b) s( t ) = 1, T < t < T

15 스펙트럼과주파수대역폭 스펙트럼 신호가갖는주파수의영역 스펙트럼 절대대역폭 (Absolute Bandwidth) 스펙트럼의폭 유효대역폭 (Effective Bandwidth) 신호의대부분의에너지를갖는좁은주파수대역폭 일반적인대역폭을의미 Bandwidth 15

16 음향신호 소리를내는물체가공기중의압력을변화시키면 => 공기진동 => 공기의밀도의차이발생 => 공기의파동발생 공기중의압력변화로같은진동인데도음색이다른이유파동의모양, 즉파형이다르기때문 ringtones.com/#canihear 16

17 Bit Rate Higher bandwidth is capable of a higher bit rate bits per second 17

18 Bps and Baud Baud rate : 신호의속도 (signal components per second) Bit rate = baud rate n (the number of bits in a signal element) 예 : 1 초당 2400 개의신호를전송하는송신기에서각신호가 2비트씩을운반할경우, baud rate = 2400, bit rate=

19 데이터전송률과주파수대역폭 어떠한전송시스템도제한된주파수대역폭을가짐 제한된주파수대역폭은최대데이터전송률을제한 높은데이터전송률은보다넓은주파수대역폭을필요 전송시스템의대역폭이클수록고속의데이터전송이가능 최대데이터전송률 C ( 잡음이없는경우 ) : Nyquist rate C=2B log 2 M [bits/s] B: 전송매체의대역폭 [Hz] M: 서로다른신호준위 (level) 의수 19

20 전송신호의손상 여러가지요인으로전송신호의손상이발생 아날로그 : 신호의품질저하 디지털 : 비트오류발생 손상요인 감쇄 (Attenuation) 고주파수성분의필터링으로인한신호의왜곡 지연왜곡 (Delay distortion) 잡음 (Noise): 열잡음, 누화 (crosstalk), 충격성잡음등 Attenuation Regular pulse Delay Noise 20

21 Delay Disortion 신호의각주파수성분의다른전달속도로인한왜곡 Zero-crossing point 의왜곡 ( 위상변화 ) Intersymbol interference: 디지탈신호의전송속도를제한하는주요요인 21

22 Bandwidth vs Received Signal Input signal 전송매체 Output signal Bandwidth 22

23 Bandwidth vs Received Signal ( 예 ) Input signal 전송매체의대역폭 Output signal 23

24 디지털신호에대한주파수대역폭의효과 Pulse before transmission: Bit rate: 2000 bits per second Bits: Pulse after transmission: Bandwidth 500 Hz Bandwidth 900 Hz Bandwidth 1300 Hz Bandwidth 1700 Hz Bandwidth 2500 Hz Bandwidth 4000 Hz 24

25 디지털데이터전송에대한잡음의영향 전송데이터 디지털신호 잡음 신호 + 잡음 표본화시간 수신데이터 원래데이터 비트오류 비트오류 25

26 전송품질저해 26

27 전송매체 유선전송매체 꼬임선 동축케이블 광섬유 무선전송매체 지상마이크로파 (Terrestrial Microwave) 위성마이크로파 (Satellite Microwave) 방송형라디오 (Broadcast Radio) 적외선 (Infrared) 27

28 통신주파수스펙트럼 주파수 (Hz) 꼬임선 동축케이블 위성 광섬유 AM 라디오 FM 라디오 지상마이크로파 TV LF MF HF VHF UHF SHF EHF 밴드 28

29 꼬임선 (Twisted-Pair Line) 비차폐꼬임선 : Unshielded Twisted Pair (UTP) 한쌍의피복구리선, 전자기파간섭등의영향을줄이기위해꼬여진형태 UTP 의등급 Category 3 ( 전송특성이 16MHz 까지 ): 음성급. 전화선으로주로사용 Category 4 ( 전송특성이 20MHz 까지 ) Category 5 ( 전송특성이 100MHz 까지 ): 데이터급 용도 : 전화가입자선, LAN 선 차폐꼬임선 : Shielded Twisted Pair (STP) 전자기파의간섭을줄이기위해금속박막및꼬아서짠금속도체로차폐 29

30 꼬임선 (Twisted-Pair Line) 도선 유전체 금속박막차폐꼬아서짠 금속도체차폐 STP 피복 STP UTP 30

31 동축케이블 (Coaxial Cable) 500 MHz 이상의넓은대역폭 중심도체와동심원으로둘러싼외부도체로구성 서로꼬아서짜여진외부원형도체에의한차폐효과 외부의전자기파의간섭등의영향을적게받음 용도 : 장거리전화전송망, 케이블 TV, LAN 31

32 광섬유 (Optical Fiber) 광펄스형태로광섬유를통해전달 광섬유는빛이서로다른굴절률을가진매질을통과할때굴절하는성질을이용 넓은전송대역폭 빛 (10 14 Hz~10 15 Hz) 으로정보가전달되므로전자기파간섭등의영향을받지않음 낮은감쇠율 : 먼거리를리피터를사용하지않고직접전송이가능 광신호는광송신기의 LED (light-emitting diode) 또는 ILD (injection laser diode) 에의해발생되며, 광수신기는광다이오드또는광트랜지스터에의해전기신호로역변환 32

33 광섬유전송의원리 빛의굴절성질 h 2 굴절된빛 β 매질 A h 1 α 매질 B 입사된빛 Snell 의법칙 : 굴절률 η 1, η 2 η 2 /η 1 = cos(α)/cos(β) 만약 η 1 > η 2 이면, α > β 전반사조건 : cos(α) > η 2 /η 1 두매질의경계면이거울처럼반사 33

34 광섬유의구조 플라스틱피복 광클래딩 광코어 34

35 광섬유전송모드 코어 / 클래딩 굴절률특성 전기입력신호 계단형지수다중모드 (step-index multimode) 전기출력신호 광송신기 경사형지수다중모드 (graded index multimode) 광수신기 단일모드 (single mode) 35

36 유선전송매체의특성비교 36

37 지상마이크로파 (Terrestrial Microwave) 3~40 GHz 주파수대역사용 마이크로파의특성 : 지향성 => 중계용에적합 접시형파라볼릭 (parabolic) 안테나사용 가시선내에서의전송 (line-of of-sight transmission) 만가능 용도 : 전화나 TV 의장거리중계 최대전송거리 : d = 7.14 (4/3)h d : 전송거리 (km) h : 안테나높이 (m) 37

38 위성마이크로파 (Satellite Microwave) 위성은상공에뜬하나의마이크로파중계기역할지구국 (earth station) 에서위성으로상향링크로신호전송위성은주파수를변환하여지구국으로하향링크로신호전송정지궤도위성 (GEO: Geostationary Earth Orbit) 적도상의고도 35,784 km 상공에위치 4/6 GHz 주파수대역 (C 밴드 ): 상향링크 : 5.925~6.425 GHz, 하향링크 : 4.2~4.7 GHz 12/14 GHz 주파수대역 (Ku 밴드 ): 상향링크 : 14~14.5 GHz, 하향링크 : 11.7~12.2 GHz 저궤도위성 (LEO: Low Earth Orbit) 고도 700~800 km 상공용도 : 점대점형태로전화나 TV 방송의장거리중계 점대다중점형태로 TV 신호의직접방송 (DBS: Direct Broadcast Satellite) 38

39 위성통신의구성형태 통신위성 통신위성 수신기지국 수신기지국 (a) 점대점링크 송신기지국 (b) 점대다중점링크 39

40 방송형라디오 (Broadcast Radio) 30MHz ~ 3GHz 주파수대역사용 라디오파의특성 : 다방향성 => 방송용에적합 마이크로파와마찬가지로가시선내거리에서전송가능 용도 : TV 나라디오방송, 셀룰러시스템, 무선 LAN 기지국의전파커버리지 셀룰라의주파수재사용기본원리 기지국 40

Chapter 3 - William Stallings, Data and Computer Communications, 8/e

Chapter 3 - William Stallings, Data and Computer Communications, 8/e 강좌개요 목표 : 데이터통신의기본개념과동작원리를습득 교재 : 강의자료 (http:// http://netopia.knu.ac.kr/) Data and Computer Communications, 8 th ed. by William Stalling 또는번역본 평가방법 중간고사 40% 기말고사 50% 출석 10% 4학년 1학기에개설되는 ' 컴퓨터망 ' 과연계하여강좌가진행되므로,