1. 물리층

1. 물리층이란

데이터 통신과 네트워크에서 가장 하위 층인 물리층은 "전송 매체"를 통하여 전자기 신호 형태의 데이터를 전송하는 층이 된다.

모든 데이터 전송 과정은 네트워크 연결을 통하여 data 전송으로 이루어지게 된다. 

예를 들어 사진을 전송하는 상황을 보면, 일반적으로 응용(사람)이 이용하는 데이터는 네트워크를 통해 전송될 수 없는 형태이다. 따라서 전송을 하기 위해서는 이러한 데이터를 신호(signal)로 바꿔 전송해야한다. 

응용이 전송하는 데이터나 data signal의 형태는 아날로그 신호 또는 디지털 신호이다. 

아날로그 신호와 디지털 신호의 특징에 대해 정리한다. 

 

2. 데이터와 signal

signal을 포함한 데이터는 아날로그 또는 디지털 신호이다. 데이터는 보통 한 위치에서 다른 외부로 전송될 때 디지털 신호로 주로 변환된다. 

이러한 아날로그 신호와 디지털 신호는 모두 주기 혹은 비주기 라는 두 가징 형태중 하나가 된다. 

주로 데이터 통신에서 사용하는 signal의 형태는 주기 아날로그 신호이거나 비주기 디지털 신호를 사용한다. 

 

3. 아날로그 신호

1) 정현파

정현파는 주기적 아날로그 신호의 가장 근본적인 형태로 sin 형태로 나타낼 수 있다. 주기 아날로그 신호는 단순 신호와 복합 신호로 나누게 된다.

단순 신호는 정현파를 의미하며 복합 신호는 여러 정현파들로 분해할 수 있다. 

 

2)  양 극단

디지털 신호와 같이 아날로그 신호가 고조파들의 무한 급수로 이루어져 복합 아날로그 신호를 구성할때 디지털 신호와 같은 형태로 수렴하게 된다. 이때 복합 아날로그 신호에서 일정한 준위를 가지는 구간에서는 한 사이클도 만들어지지 않는 수평선의 형태로 수렴하므로 주파수는 0Hz에 수렴하는 값이다. 

 

반대로 이런 복합 아날로그 신호의 신호가 순간적으로 변호하는 구간에서는 곧바로 한 준위에서 다른 준위로 뛰어오르는 형태가 되므로 그 순간의 주기는 0 이며 주파수는 무한대에 수렴하게 된다. 

 

정리=> 고조파의 무한급수인 복합 아날로그 신호의 신호가 변하지 않는 구간의 주파수: 0 

신호가 순간적으로 변화하면 주파수: 무한

 

3) 복합 신호: 주기 복합 신호, 비주기 복합 신호

전력회사에서 가정으로 전기를 공급하기 위해 60Hz의 주파수를 가지는 정현파를 보낸다. 이처럼 단순 정현파는 매우 유익하지만 데이터 통신에서 단순 정현파는 의미가 없고, 복합 신호를 보내야한다. 

퓨리의 변환을 통해 복합 아날로그 신호는 주기들이 정수 값을 가지는 순차적인 단순 정현파들로 분해될 수 있다. 

비주기 복합 신호는 연속적인 실수 값을 가지는 주파수와 진폭으로 이루어진 무한의 정현파들로 분해된다.

정리=>

주기 복합 신호는 퓨리의 변환으로 분해시 이산 주파수를 가지는 순차적인 정현파로 분해된다. 

비주기 복합 신호는 분해시 무한개의 연속적인 주파수를 갖는 정현파들로 분해된다. 

 

4) 대역폭

복합 (주기, 비주기) 신호를 주파수 그래프로 변환했을 때 주파수 영역을 대역폭(bandwidth)라고 한다. 

대역폭은 영역을 의미하며 최고 주파수와 최저 주파수의 차이를 말한다. 

 

4. 디지털 신호

1) 디지털 신호

전송하려는 데이터는 아날로그 시그널 뿐만 아니라 데이터 시그널로 전송될 수도 있다. 

디지털 신호의 준위의 개수가 2개이면 0과 1을 구분하는 데이터 시그널이 된다. 만약 준위의 개수가 4개라면 00 01 10 11을 구분하게 되므로 데이터 시그널의 한 에너지 준위당 2비트를 전송할 수 있게 된다. 

=>lg k (k는 에너지 준위) 의 값이 한 준위당 보낼 수 있는 데이터의 개수이다. 

 

2) 비트율(N)

1초 동안 전송된 비트의 개수를 의미하고 단위는 bps를 사용한다. 약어로 N이라고 표기한다. 

 

3) 디지털 신호는 사실 (주기, 비주기) 복합 아날로그 신호라고도 말할 수 있다. 

디지털 신호는 퓨리의 해석을 기반으로 하면역시 복합 아날로그 신호가 된다. 

경우1)

디지털 신호가 만약 주기적이라면(거의 드문 일) 분해된 신호는 무한의 대역폭을 가지는 이산 주파수들로 구성된 주파수 영역으로 나타난다.

경우2) 

디지털 신호가 비주기적이라면 (일반적인 경우) 무한의 대역폭을 가지는 연속된 주파수를 가지는 주파수 영역으로 나타난다. 

 

정리=> 디지털 신호는 주기적이든 비주기적이든 주파수가 0부터 무한까지 이르는 복합 신호이다. 

디지털 신호가 주기라면 주기 복합 신호, 디지털 신호가 비주기라면 비주기 복합 신호이다.

 

5. 전송 장애

1) 감쇠

에너지 손실을 의미하는 감쇠는 신호가 전송 매체를 이동할때 매체의 저항 때문에 발생되는 약간의 에너지 손실을 의미한다. 이러한 감쇠에 의한 손실을 줄이는 방법은 신호를 증폭시키는 증폭기가 사용된다. 

 

2) 일그러짐

데이터를 전송하는 신호 요소 중 각각은 매체를 통과하면서 자신만의 전파 속도를 가진다. 따라서 목적지에 도착할 땐 자신만의 지연이 생기게 된다. 이러한 지연은 위상 차이를 불러이르켜 신호의 모양이나 형태가 변하게 된다. 즉 수신자의 신호 요소의 모양과 송신자의 신호 요소 모양이 서로 달라지는 현상이 발생한다. 

 

3) 잡읍

(1) 신호대 잡음 비(SNR)
이 값은 잡음의 전력에 대한 신호의 전력의 비를 나타낸 값이다 .

SNR = average signal power / average noise power 

이 값이 높다는 것은 신호가 잡음에 의해 덜 망가진다는 것을 의미한다. 낮은 SNR 값은 잡음으로 신호가 더 망가질 수 있다는 것을 의미한다. 

이 SNR 값을 데시벨로 나타낸 값을 SNR(dB)라고 한다. 

SNR(dB) = 10 log SNR 

 

6. 데이터 전송률의 한계

1) 무잡음 채널 : 나이퀴스트 비트율

잡음이 없는 채널에서 나이퀴스트 비트율이란 이론적인 최대 비트 전송률을 정의하는 용어이다.

BitRate(N) = 2*bandwidth*lg L (L은 디지털 신호의 에너지 준위 개수이다. )

 

 

2) 잡음이 있는 채널: 섀넌 용량

실제로 무잡음 채널은 없으며 모든 채널은 잡음이 존재한다. 섀넌 용량이란 잡음이 있는 채널에서 최대 비트 전송률을 정하는 수식이다. 

Capacity = bandwidth*lg (1+SNR)

섀년 용량은 데이터율의 상한값을 알려주고 나이퀴스트 공식은 몇개의 신호 준위가 필요한지 알려주게 된다. 

 

7. Baseband 전송과 Broadband 전송

1) Baseband 전송

Baseband 전송이란 디지털 데이터를 다른 주파수 대역으로 변조하지 않고 직류 펄스 형태 그대로 전송하는 방법을 말말하며 이를 기저대역 전송이라고 한다.

한 개의 채널에 하나의 신호만을 쌍방향으로 전송하며 모뎀이 필요 없으며 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 이는 잡음의 영향을 받기 때문에 전송 거리는 수 Km 이내여야하며 장거기를 전송하기 위해서는 디지털 신호를 원래의 디지털 신호로 재생하여 재 전송하는 중계기가 있어야 왜곡 현상을 막을 수 있다.

또한 기저대역 전송은 보통 하나의 매체에서 다른 신호들과 신호를 동시에 전송하는 멀티플렉싱을 위해 신호를 더 효율적인 주파수 대역으로 변조시키기 이전의 원래의 주파수 대역을 말한다.

 

2) Baseband 전송

광대역 전송은 부호화된 데이터를 변조기를 통해 아날로그 반송파의 형태로 변조하여 전송하는 방법을 말하며 동일한 케이블의 주파수 대역을 달리하여 많은 반송파를 동시에 보낼 수 있게 된다.

이는 디지털 신호를 변조하기 위해 모뎀이 필요하므로 비용이 많이 들고 전송 거리는 수십 Km 이내이다. 이 방식은 부호나, 음성, 화상 등 멀티 미디어 전송에 적합하다.