Chapter 5. Signal Encoding Techniques

Chapter 5. Signal Encoding Techniques

Encoding Techniques

Q. 인코딩과 디코딩을 설명하시오.

인코딩은 전송 데이터를 특정 형식으로 변환하는 과정이다.

디코딩은 변환된 형식으로부터 정보를 추출하는 인코딩의 반대 과정이다.

Q. 데이터 인코딩과 디코딩을 설명하시오.

데이터 인코딩은 데이터를 신호 형태로 변환하는 방법이다.

물리 계층에서 데이터를 신호 형태로 변환한다.

신호는 매체를 통해 효율적으로 전파하도록 설계해야 한다.

또한 수신자가 정확하게 해석할 수 있도록 설계해야 한다.

Q. 디지털 신호를 설명하시오.

전압 pulse가 이산적이고 불연속적인 신호의 연속을 뜻한다.

각 pulse는 신호 요소다.

이진 데이터들은 각 데이터 비트를 신호 요소에 인코딩되어 전송된다.

디지털에서 디지털로 인코딩할 때 다음의 세가지 종류가 있다.

1. Unipolar

2. Polar

3. Bipolar

Q. 데이터 전송 중요 용어들을 설명하시오.

1. Data element : 단위는 Bits, 하나의 0과 1 이진수를 뜻한다.

2. Data rate : 단위는 Bit per second (bps), Data element들이 전송되는 속도를 뜻한다.

3. Signal element : 단위는 Digital과 Analog, 신호의 짧은 간격을 구성하는 부분을 말한다.

4. Signaling rate : 단위는 Signal elements per second, Signal element들이 전송되는 속도를 뜻한다.

Q. 인코딩을 평가하는 척도를 설명하시오.

1. Signal spectrum : 전송 대역폭에서 전송 세기를 보장해야 한다.
2. Clocking : 외부 클락 또는 싱크된 방법으로 송신자와 수신자 사이에 동기화가 필요하다. 
3. Error detection : 신호 수준 위 계층(데이터링크)의 책임이다.
4. Signal interference and noise immunity : 전파 방해는 신호를 변형시키거나 왜곡시킨다.
5. Cost and complexity : Signaling rate가 높을 수록 더 많은 금액이 든다.

Q. 디지털 신호를 해석 할 때의 필요한 과정을 설명하시오.

수신자가 디지털 신호를 해석하기 위해 다음의 정보들이 필요하다.

1. 수신자는 각 비트의 타이밍을 알아야 한다. 언제 비트가 시작되고 끝나는지를 정확하게 알아야 한다.
2. 수신자는 각 비트의 signal level 이 무엇인지 알아야 한다.

이 과정들은 간격 중에 각 비트 위치를 샘플링하여 실행된다.

Q. 수신자가 들어오는 신호를 성공적으로 해석하기 위한 요인들을 설명하시오.

1. Signal-to-noise ratio

2. Data rate

3. bandwidth

위 세 요인은 다음과 같은 특징이 있다.

1. Data rate가 클 수록, bit error rate가 커진다. (BER)

2. Signal-to-noise ratio (SNR)가 클 수록, BER이 줄어든다.

3. bandwith가 클 수록, data rate 도 증가한다.

Q. 디지털 신호 인코딩 포맷을 설명하시오.

1. RZ (Return to Zero, or RTZ)

전기통신에서 사용된다. 각 pulse 사이에서 신호가 0으로 떨어지는(반환되는) 것을 뜻한다.

• 모든 비트를 전송할 때, 0으로 되돌아간다. 이는 연속적인 수일지라도 일어난다.
• Self-clocking 하다. 0V가 동기화 신호로 취급할 수 있다. 동기화에 있어서 NRZ보다 좋다.

장점 : 신호를 따라 별도의 클락이 전송될 필요가 없다.

단점 : non-return-to-zero 와 비교해서, 같은 data-rate를 유지하기 위해 대역폭이 두배 소모된다.

2. NRZ (Non-Return to Zero)

RZ 처럼 중립 상태가 없다. 클락 신호가 없기 때문에, 어떤 메커니즘을 도입해야 한다.

3. NRZL (Non-Return to Zero Level)

두 개의 다른 voltage level 을 사용한다. voltage level 은 비트 간격동안 상수다. 음의 전압은 0을 뜻하고, 양의 전압은 1을 뜻한다.

단점 : 연속된 1 또는 0을 구분하기가 힘들다. 따라서 수신자와 송신자 사이에 높은 정확도를 위해 클락이 필요하다.

4. NRZI (Non-Return to Zero Inverted)

연속된 1을 구분할 수 있는 문제를 해결하고자 도입했다.

Transition (low->high, high->low) 을 이진수 1로 정의했다.

이진수 0일 때는, 현재 신호 상태를 유지한다. ( Transition 하지 않는다. )

장점 : 엔지니어링 하기 쉽다.

단점 : 그러나, 0의 연속 또한 구분하기가 힘들다. 1이 연속될 때도, 동기화 문제로 데이터가 손실될 수 있다.

5. Bipolar-AMI (Alternate Mark Inversion)

중립(0V) 전압이 이진수 0을 나타내고 양과 음의 전압이 1을 가리키는, 양극 인코딩 시스템이다.

AMI 는 이진수 1을 교대로 반전시키는 것을 의미한다.

장점 : 1이 연속일 때, 동기화로 인한 손실이 없다.

단점 : 연속적인 0을 구분하기가 힘들다.

6. Manchester Encoding

Transition이 비트 간격 중간에서 일어난다. 이는 클락 메커니즘으로 사용된다. 간격 도중에 일어나는 transition 의 방향으로 디지털 데이터를 표현한다.

이 transition은 송신자와 수신자 모두 동기화를 가능케 한다.

데이터 1 : low-to-high transition

데이터 0 : high-to-low transition

장점 :

1. Self-clocking 하다. 예상 가능한 transition 이 매 bit에 있고, 수신자는 그 transition 에 맞게 동기화를 할 수 있다.

2. 오류 검출이 가능하다. 존재해야하는 transition이 부재한다면, 오류로 검출할 수 있다.

단점 :

1. 최대 modulation rate 는 NRZ의 두 배이다.

( modulation rate는 신호 수준이 변화하는 비율이다. )

2. 많은 대역폭이 필요로 한다. ( 이더넷 )

7. Differential Manchester Encoding

Mid bit transition은 클락으로만 쓰인다.

• 0의 인코딩은 비트가 시작될 때 transition이 있을 때 표현한다.
• 1의 인코딩은 비트가 시작될 때 transition이 없을 때 표현한다.

8. Pseudoternary

AMI의 반전 형태다.

• 이진수 0 : 양극 전압, 
• 이진수 1 : 변화 X

bipolar-AMI 보다 좋거나 나쁜 점은 없다.

Q. 디지털 데이터와 아날로그 신호의 사용 사례를 설명하시오.

공공 전화 시스템을 예를 들 수 있다.

전화 시스템은 아날로그 신호를 받거나, 전송하거나, 스위치하기 위해 설계된다.

디지털 데이터를 아날로그 신호 또는 그 반대로 변환하기 위해 모뎀(modem, modulator-demodulator)을 쓴다.

Q. 변조(Modulation)를 설명하시오.

변조(Modulation)는 음성, 영상, 사진 또는 글 정보를 전기 또는 광학 매체 신호로 전기 통신이나 전자 매체에 전송하는 과정을 말한다.

모듈레이션은 반대로 전송된 신호에서 원래 정보를 가져오는 복조(Demodulation)도 지원한다.

모듈레이션은 아래 3 가지의 종류가 있다.

• Amplitude Modulation (AM)
• Frequency Modulation (FM)
• Phase Modulation (PM)

Q. Modulation 이 필요한 이유를 설명하시오.

메시지 신호는 긴 거리까지 낮은 신호 세기 때문에 전파하지 못한다.

물리적 환경에서 여러가지 외부 노이즈나, 거리로 신호의 세기가 약해진다.

긴 거리를 신호를 보내기 위해서는, 신호의 세기를 높여야 한다. 반송파(Carrier signal)라고 불리는 고주파 또는 고에너지 신호를 사용해야 한다. 고에너지 신호는 외부 영향 없이 긴 거리를 전파할 수 있다.

Q. 디지털을 아날로그로 Modulation 하는 방법을 설명하시오.

Digital-to-Analog Modulation 은 다음 세 가지의 종류가 있다.

• Amplitude shift keying (ASK)
• Frequency shift keying (FSK)
• Phase shift keying (PSK)

1. Amplitude Shift Keying (ASK)

두 이진수는 두 개의 다른 진폭으로 구분한다. 주파수와 phase는 그대로 유지된다.

장점 : 간단함

단점 : 노이즈에 취약하다. 노이즈는 진폭을 변화시키기 때문이다.

2. Frequency shift keying (FSK)

두 이진수는 두 개의 다른 주파수로 구분한다.

장점 :

1. ASK보다 오류에 덜 취약하다.

2. 수신자는 주파수 변화가 어떤 간격 수를 넘어서면 인식하게끔 한다. 이는 노이즈에 영향을 받지 않는 방법이다.

단점 :

1. ASK와 PSK보다 더 큰 대역폭을 사용한다.

3. Phase shift keying (PSK)

이진 수가 변화할 때, 신호 페이즈를 다르게 적용시킨다.

장점 : ASK와 같은 대역폭을 사용하면서도, 오류에 덜 취약하다.

단점 : ASK와 FSK에 비해 더 복잡한 신호 검출, 복구 과정이 필요하다.

Q. 아날로그 데이터를 디지털 신호로 바꾸는 과정을 설명하시오.

아날로그 데이터 (음성, 영상) 를 디지털 전송 기기에 사용할 수 있도록 이진화 한다.

이 과정은 이진화(digitization) 이라고 한다. Codec (coder-decoder) 으로 아날로그 데이터를 디지털 형태로 변환하고 다시 원 상태로 변환해준다.

Codec 에는 두 가지의 주요 특징이 있다.

• Pulse code modulation
• Delta modulation

Pulse Code Modulation (PCM)

PCM은 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 방법이다. (A/D conversion)

아날로그 신호는 샘플링(sampling)과 양자화(quantizing)로 디지털로 변환될 수 있다.

양자화는 연속적인 값들을 이산적인 값들로 만들어주는 작업이다.

 

PCM은 연속적인 시간과 진폭을 가진 신호로 시작한다.

샘플링을 거치면서, 연속적인 시간이 이산적인 시간으로 변환된다.

양자화를 거치며, 연속적인 진폭이 이산적인 진폭으로 변환된다.

장점 : 

1. 노이즈에 매우 강하다.

2. 전송할 때, 균일한 형식이다.

단점 : 

1. 복잡하다.

2. 양자화 노이즈가 생긴다.

Delta Modulation (DM)

Delta Modulation은 아날로그 신호를 디지털로 변환해주는 방법이다.

음성 품질이 중요하지 않을 때, 이 방법을 쓴다.

아날로그 신호는 부분들의 연속으로 근사된다. 이전의 비트와 연속되는 비트들을 비교하여 근사치가 결정된다.

이전의 값과 현재의 값을 비교한다. 현재 신호의 진폭이, 이전 신호보다 작다면 그 신호는 0으로 인코딩된다. 만약, 현재 진폭이 이전 신호의 진폭보다 크다면, 1로 인코딩된다.

장점 : 간단함

단점 :

1. 노이즈가 생긴다.

2. 입력 신호에 민감하다.