[데이터통신] Digital Transmission - Line Coding

 

데이터의 종류는 아날로그 데이터일 수도 있고, 디지털 데이터일 수도 있다.

이번 포스팅에서는 디지털 신호를 디지털 신호로 변환하는 방법을 알아볼 것이다.

그러한 방법에는 라인 코딩과 블록 코딩 두 가지 방식이 있는데 라인 코딩에 대해 먼저 배워보자.

 

 

Line Coding

 

 

 

라인 코딩은 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환하는 과정이다.

인코더는 디지털 데이터를 디지털 신호로 인코딩하고, 디코더는 디지털 신호를 디지털 데이터로 디코딩하는 역할을 맡는다. 이때, 인코딩과 디코딩에 대한 규칙을 정해놓은 것이 라인 코딩의 정확한 의미이다.

 

뭐 사실 규칙이라고 해봤자, 결국 짧은 시간 안에 많은 데이터를 송신하는 것을 데이터 통신의 목적으로 둔다. 조금 더 전문적인 용어로는 Signal rate를 낮추고, Data rate를 높이는 것이라 다르게 설명한다.

 

 

 

 

 

 

 

Signal Element vs. Data Element

 

 

 

앞서 Signal rate를 낮추고, Data rate를 높이는 것이 데이터 통신의 주목적이라고 했다.

그러기 위해서 Data Element와 Signal Element가 무엇인지 알아야 한다.

Data Element는 비트 그 자체이고, Signal Element는 하나의 신호(상태가 변하지 않음) 그 자체이다.

 

사진에서 r은 몇 개의 신호 당 몇 개의 데이터가 전송될 수 있는지 나타낸 지표다. 즉, r의 지수가 높아진다면 적은 신호로 많은 양의 데이터를 보내는 게 가능하다. 사진 상에서 r 지수는 c번이 제일 크므로 가장 효율이 좋을 것이다.

 

 

 

 

 

Data Rate vs Signal Rate

 

 

이제는 Signal rate를 낮추고, Data rate를 높이는 것이 무엇인지 쉽게 알 수 있다.

Data Rate는 1초당 Data Element의 개수이며, 단위는 bps이다.

Signal Rate는 1초당 Signal Element의 개수이며, 단위는 buad이다.

 

여기서 중요한 개념이 하나 있는데, 아래와 같다. 꼭 기억해 두자.

 

Data Rate는 신호의 전달 속도를 높이면 올라가고, Signal Rate는 대역폭(Bandwidth)을 낮추면 감소한다.

 

여기서 대역폭이란 비트 단위의 대역폭을 뜻한다. 즉, "채널, 링크 또는 네트워크가 전송할 수 있는 초당 비트 수"라고 한다. 대역폭이 낮아진다는 것은 초당 비트 수가 줄어든다는 뜻인데 그러면 데이터를 실어 보낼 Signal Element의 수도 굳이 많이 보낼 필요가 없다는 뜻이다. 또한 전달 속도를 높인다는 말 자체는 한 Signal Element에 더 많은 비트를 실어 담아 받는 Data Rate를 높인다는 것과 같은 말이다.

 

$S( = B_{\min }) =\dfrac{N}{r}$

 

S(Signal Rate)는 최소 대역폭을 뜻하고, N은 Data Rate, r은 신호 변화에 따른 비트 수를 의미한다.

최소 대역폭은 당연히 초당 비트 수에 비례할 것이고, 신호 변화에 따른 비트 수가 감소한다면 대역폭은 당연히 커져야 모든 데이터를 전송할 수 있을 것이다.

반대로, 신호 변화에 따른 비트 수가 증가한다면, 대역폭은 작아도 충분히 데이터를 전송할 수도 있다.

따라서 최소대역폭은 DataRate에는 비례하고, r에는 반비례함을 알 수 있다.

 

 

 

 

 

 

Line Coding시에 주의할 점

 

 

앞서 말했듯이 Line Coding이란 인코딩과 디코딩에 대한 규칙을 정의한 것이라 하였다. 이러한 규칙을 정해놓은 것은 인코딩, 디코딩 시 잘못 전달되는 경우가 발생하기 때문이다. 인코딩과 디코딩 시에 발생 가능한 변조의 원인은 다음과 같다.

 

• DC Components(직류 성분)
• Self - Synchronization(동기화)가 안 돼서.

 

간단하게 접근해 보자. 우리가 소리를 들을 수 있는 이유는 "진동"때문이다. 진동이 발생함으로 인해 소리가 들리는 것인데, 직류라는 것은 하나의 비트를 표현하기 위해 하나의 전압을 이용한다. 즉, 연속적인 1이 흐름 혹은 0의 흐름이라면 진동수가 0이기 때문에 받는 측에 입장에서는 아무런 소리를 듣지 못한다. 직류 성분이라는 것은 바로 이런 연속적인 데이터의 흐름, 전기 신호를 의미하는 것이다.

 

직류 성분을 빠르게 파악하는 방법은 평균 진폭을 계산해서 0인지 확인하면 된다. 0이라면 직류성분이 없는 것이고, 0이 아니라면 직류성분이 존재한다.

 

 

Self-Synchronization(동기화)란 신호가 지연되었을 때 필요한 요소이다.

이 또한 디지털 데이터 자체가 비 연속적인 신호들로 구성돼 있기 때문에 발생한다. 즉, 하나의 Signal Element에서 처음과 중간과 끝을 구분하지 못한다는 것이다.

 

 

 

처음과 중간과 끝을 구분하지 못한다는 것은 꽤나 위험하다. 위 그림과 같이 수신자는 발신자의 1이라는 데이터가 어디서 끝나는지 모르기 때문에 제대로 Clock을 초기화하지 못한다. 따라서 자기 멋대로 Clock 주기를 설정해 데이터도 마음대로 수정해 버린다.

 

해결 방법은 간단하다. 수신자가 Clock의 처음과 중간, 끝을 모르기 때문에 발신자 측에서 처음과 중간과 끝을 명시해서 보내준다. 뒤에서 살펴볼 것이니 일단 넘기자.

 

 

 

 

 

 

Line Coding의 종류

 

 

 

왜 이렇게 종류가 많을까.

알아보기에 앞서, NRZ와 RZ에 대해 숙지해야 한다.

 

 

 

NRZ와 RZ

 

 

 

NRZ(Non Return Zero), 0으로 돌아가지 않는다는 것이다고 하는데 실은 조금 다르다. 하나의 데이터에 하나의 전압만을 사용한다는 것이 정확하다.

 

 

 

RZ(Return Zero), 하나의 데이터를 표현하기 위해 전압이 0을 거쳐서 간다.

 

 

 

Unipolar : NRZ

 

Unipolar는 극을 하나만 사용한다. 데이터 값이 1이라면 양의 전압을 주고, 0일 때는 주지 않는다.

 

직류 성분이나 Self Synchoronization 문제를 해결하지 못한다. 따라서 안 쓴다.

 

 

 

 

 

 

Polar : NRZ

 

 

Polar 답게 양의 전압과 음의 전압 모두 사용한다.

NRZ-L방식은 0일 때 양의 전압, 음일 때 양의 전압이다. 음과 양을 반대로 생각하면 편하다.

이러한 NRZ-L 방식도 직류 성분과 Self Synchronization 문제를 포함한다.

 

NRZ-I 방식은 다음에 올 비트 값이 1이면 전압을 바꾼다.

즉, 1이 연속적으로 올 경우에도 매번 전압이 바뀌기 때문에 1에 대해서는 직류성분을 없애는 게 가능하다. 하지만 여전히 0에 대해서는 직류성분이 존재하며 Self Synchronization 문제도 포함한다.

 

 

 

 

 

 

 

Polar : RZ

 

 

두 개의 전압을 가지고 하나의 데이터를 표현하기 위해 중간 값을 포함한다.

따라서 처음과 중간, 그리고 끝에 대한 Clock 신호를 수신자 측으로 전송 가능하다. Self-Synchronization(동기화)가 되지 않는 문제를 해결할 수 있는 것이다.

 

단, 이렇게 RZ를 사용하는 것은 하나의 데이터를 표현하기 위해 두 번의 신호(Signal Element)를 보내야 한다. 앞서 대역폭은 Signal Element가 감소하면 똑같이 줄어드는 것이라 하였다. 따라서 Signal Element가 많아진다는 것은 대역폭 또한 커져야 함을 의미한다.

 

 

 

 

 

Polar : Manchester

 

 

 

Menchester방식은 RZ와 NRZ-L을 섞어서 만들었다.

NRZ-L의 주요 특징은 음의 전압과 양의 전압에 대해 특정 데이터 비트로 고정시켰다는 점이다. Menchester는 이 아이디어를 적용했다. 1에 대해 표현하기 위해 음의 전압에서 양의 전압으로 이동하도록 고정시켰고, 0에 대해 표현하기 위해 양의 전압에서 음의 전압으로 이동하도록 고정시켰다. 이로 인해 직류 성분을 제거하도록 했다.

 

또한 RZ의 특징을 활용해 하나의 데이터를 보내는데 두 가지의 Signal Element를 사용해서 처음, 중간, 끝의 Clock 신호 주기를 알려줬다.

이는 Synchronization(동기화) 문제를 만족한 것이다.

 

 

 

 

 

Polar : Differential Manchester

 

 

 

Differential Manchester는 RZ와 NRZ-I 방식을 섞은 것이다.

RZ의 특징을 통해 한 가지 데이터에 대해 두 가지의 Signal Element를 사용했다.

NRZ-I은 다음 비트가 1일 때 전압을 바꾸는 것이라 하였는데, 여기서는 반대다. Differential Manchester는 다음비트가 0일 때만 전압을 바꾼다.

 

 

위 그림에서는 0부터 시작하기 때문에 전압을 바꾸고 시작한다. 그리고 다음 전압이 0을 만날 경우만 Inversion이 일어난다.

 

Differential Manchester 방식 또한 RZ 특성으로 인해 동기화 문제를 해결한다. 또한 NRZ-I방식과 RZ방식을 합함으로 인해 직류성분을 제거했다. 다만, 여전히 하나의 데이터를 보내는데 두 가지의 Signal Element를 사용하기 때문에 조금은 비효율적이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bipolar : AMI 방식과 Pseudoternery 방식

 

 

 

Bipolar는 하나의 데이터가 두 가지의 전압 상태를 지니는 게 가능하다.

어떤 비트가 양의 전압과 음의 전압을 모두 가지는 지에 따라 AMI 방식과 Pseudoternery 방식으로 나뉜다.

 

AMI 방식은 1이 양의 전압과 음의 전압을 모두 가진다. 가지는 순서가 번갈아 가며 정해지기 때문에 양의 전압 Signal Element 개수와 음의 전압 Signal Element 개수와 같다. 언뜻 보면 0은 연속적으로 가능하기 때문에 직류 성분을 가지는 것처럼 보인다. 하지만, 양의 전압과 음의 전압 Signal Element 수가 같기 때문에 평균 전압 또한 0V이다. 이는 곧 직류 성분을 가지지 않는다는 것을 의미한다.

 

Pseudoternary 방식은 0이 양의 전압과 음의 전압을 모두 가진다. 그 이외의 특징은 AMI 방식과 동일하다. 두 방식 모두 동기화는 이루어지지 않는 단점이 존재한다.

 

 

 

 

 

 

Bipolor : MultiLevel Schemes

 

 

 

MutiLevel이라는 것은 여러 개의 전압을 사용 가능하다는 의미이다.

위 그림은 2B1Q라는 라인코딩 규칙이다. 풀어쓰면 Two Binary One Quaterary를 말한다. 길게 풀어쓰면 하나의 Signal Element에 2개의 Data Element를 가지고, 하나의 Signal Element가 4개의 전압을 가지는 게 가능하다는 뜻이다.

 

단점은 전압 자체가 전송되면서 감쇠되는데, 이로 인해 도착할 때 어떤 전압이 도착할지 모른다. 받는 측에서 해석에 어려움을 겪을 수 있다.

 

 

 

 

 

 

Multi-transition : MLT-3

 

 

 

MLT-3은 특별한 규칙이 있다. 3개의 전압을 사용하는데, 현재 비트와 다음 비트를 보고 전압을 선택한다.

 

• 다음 비트 0
  • 전압을 변화시키지 않는다.
• 현재 비트 0이 아님, 다음 비트 1
  • 다음 전압은 0이다.
• 현재 비트 0, 다음 비트 1
  • 가장 최근에 보낸 0이 아닌 신호의 반대 전압

 

 

 

 

 

 

References

 

[데이터 통신] Line coding에 대해