핵심 요약
통신 시스템의 신호 변환, 전송 방식, 다중화, 오류 검출·교정과 재전송 원리를 학습한다.
본문
데이터 통신의 기본 과정
정보원
│ 원시 데이터
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송신 장치 ── 부호화·변조 ──► 전송 매체
│ 잡음·감쇠·왜곡
▼
수신 장치 ◄─ 복조·복호화 ─── 수신 신호
│
▼
목적지
- DTE: 데이터를 생성하거나 사용하는 단말 장치이다.
- DCE: 전송로에 맞게 신호를 변환하고 회선과 접속한다.
- 모뎀: 디지털 데이터를 아날로그 반송파에 실어 보내고 다시 복조한다.
- 코덱: 아날로그 음성·영상을 디지털 데이터로 부호화하고 다시 복호화한다.
신호와 전송 성능
신호는 진폭, 주파수, 위상으로 표현할 수 있다. 전송 중 감쇠, 지연 왜곡, 열잡음·충격잡음 등이 발생한다.
- 대역폭: 사용할 수 있는 주파수 범위 또는 문맥에 따라 전송 가능한 데이터율을 뜻한다.
- 비트율 bps: 1초에 전송하는 비트 수이다.
- 보오율 baud: 1초에 전송하는 심벌 수이다.
한 심벌이 M개의 상태 중 하나를 표현하면 심벌당 log₂M비트를 담을 수 있다.
bit rate = baud rate × log₂(M)
예를 들어 8가지 심벌을 사용하는 방식은 심벌당 3비트를 표현하므로 2,000 baud에서 이론적으로 6,000 bps를 표현한다.
직렬·병렬과 동기 방식
| 구분 | 특징 | 일반적 활용 |
|---|---|---|
| 직렬 전송 | 한 회선에서 비트를 순서대로 보냄 | 장거리·네트워크 통신 |
| 병렬 전송 | 여러 비트를 여러 선로로 동시에 보냄 | 짧은 거리의 내부 버스 등 |
| 비동기 전송 | 문자마다 시작·정지 비트를 붙임 | 간헐적·단순 통신 |
| 동기 전송 | 프레임·블록 단위로 연속 전송 | 고속 데이터 통신 |
단방향·반이중·전이중은 물리 회선 수로 고정되는 개념이 아니라 동시에 어느 방향으로 전송 가능한가에 따른 분류이다.
단방향: A ─────────► B
반이중: A ◄────────► B 한 시점에는 한 방향
전이중: A ◄════════► B 동시에 양방향
디지털 부호화와 변조
라인코딩
디지털 데이터를 디지털 신호로 바꾸는 방법이다.
- NRZ: 한 비트 구간 동안 일정한 신호 수준을 사용한다. 긴 동일 비트에서 동기 문제가 생길 수 있다.
- Manchester: 비트 중간 전이를 이용해 데이터와 동기 정보를 함께 전달하지만 필요한 대역폭이 증가한다.
데이터: 1 0 1 1
NRZ: ───── _____ ───── ─────
Manchester: 중간 전이 방향으로 0과 1을 표현
디지털 데이터의 아날로그 변조
| 방식 | 변화시키는 반송파 성분 |
|---|---|
| ASK | 진폭 |
| FSK | 주파수 |
| PSK | 위상 |
| QAM | 진폭과 위상 조합 |
QAM은 한 심벌에 여러 비트를 표현해 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있지만, 상태 수가 늘수록 잡음에 대한 구분이 어려워진다.
아날로그 데이터의 디지털화
PCM은 표본화 → 양자화 → 부호화 과정을 거친다.
아날로그 파형
↓ 일정 시간 간격으로 값 추출
표본화
↓ 연속 값을 정해진 단계로 근사
양자화
↓ 각 단계를 2진수로 표현
부호화
↓
디지털 비트열
다중화
여러 신호가 하나의 전송로를 공유하도록 만드는 기술이다.
| 방식 | 공유 기준 | 핵심 특징 |
|---|---|---|
| FDM | 주파수 | 채널 사이 보호대역이 필요할 수 있음 |
| TDM | 시간 | 시간 슬롯을 나누어 사용 |
| 통계적 TDM | 실제 전송 수요 | 활성 단말에 동적으로 슬롯 할당 |
| WDM | 광 파장 | 광섬유에서 여러 파장 채널 사용 |
| CDM/CDMA | 코드 | 같은 시간·주파수를 사용하되 코드로 사용자 구분 |
CDM은 FDM과 TDM을 단순 혼합한 방식이 아니라 서로 구별되는 코드와 확산 기술을 이용해 신호를 분리한다.
오류 검출과 교정
패리티
데이터의 1 개수를 홀수 또는 짝수로 맞추는 비트를 추가한다. 단순하지만 짝수 개 비트 오류처럼 검출하지 못하는 경우가 있다.
체크섬
데이터를 일정 단위로 나누어 합산한 값을 함께 전송하고 수신 측에서 다시 계산한다. IP·
CRC
송신 데이터 비트열을 생성다항식으로 나눈 나머지를 붙인다.
송신 데이터
↓ 생성다항식 차수만큼 0 추가
modulo-2 나눗셈(XOR)
↓
나머지 = CRC
↓
데이터 + CRC 전송
↓
수신 측이 같은 다항식으로 나눔
├─ 나머지 0: 오류가 검출되지 않음
└─ 나머지 비0: 오류 검출
해밍코드
여러 패리티 비트를 1, 2, 4, 8번 위치 등에 배치해 오류 위치를 계산한다. 대표적인 해밍코드는 단일 비트 오류를 교정할 수 있다.
오류 제어와 ARQ
오류가 검출되면 재전송을 요구하는 방식을 ARQ라고 한다.
- Stop-and-Wait ARQ: 한 프레임을 보내고 ACK를 기다린다.
- Go-Back-N ARQ: 오류 프레임부터 이후 프레임을 다시 전송한다.
- Selective Repeat ARQ: 오류나 손실된 프레임만 선택적으로 재전송한다.
Stop-and-Wait
송신자 ──Frame 0──► 수신자
송신자 ◄── ACK 1 ── 수신자
송신자 ──Frame 1──► 수신자
슬라이딩 윈도는 ACK를 기다리는 동안 여러 프레임을 연속 전송해 회선 이용률을 높인다.
전송률 상한 계산
Nyquist: C=2B log2(M) 잡음 없는 대역 제한
Shannon: C=B log2(1+S/N) 잡음 있는 채널
예를 들어 B=3kHz, M=8, S/N=63이면 두 식 모두 18kbit/s다. 물리적으로 가능한 전송률은 두 제약을 함께 넘을 수 없다.
SNR(dB)=10log10(S/N)이므로 30dB는 선형비 1000이다.
표본화·PCM·블록 코딩
최고 주파수 4kHz → 표본화율 최소 8kHz
8kHz × 12bit × stereo 2ch = 192kbit/s
4B/5B 적용 선로율 = 192×5/4 = 240kbit/s
Manchester는 비트 중앙 전이로 동기화에 유리하지만 더 많은 대역폭을 요구할 수 있다. NRZ는 동일 비트가 길게 이어지면 전이가 부족해 동기 문제가 생길 수 있다.
CRC와 Hamming 거리
data=1101, generator=1011
1101000을 XOR 나눗셈 → remainder=001
transmit=1101001
Hamming 패리티 수는 2^r ≥ m+r+1로 정한다. m=11이면 r=4가 최소다. 최소 Hamming 거리 d가 4이면 최대 3비트 오류 검출, 1비트 오류 정정을 보장한다.
ARQ 윈도와 회선 이용률
m비트 순서번호에서 GBN 최대 윈도는 2^m-1, SR은 2^(m-1)이다. 프레임 전송시간 Tt, 단방향 전파시간 Tp일 때 Stop-and-Wait의 단순 이용률은 Tt/(Tt+2Tp)다. Tt=1ms, Tp=4ms면 약 11.1%다.
복습 문제
답을 생각한 뒤 정답과 근거를 펼쳐 보세요.
B=3kHz,M=8인 Nyquist 상한은?
정답과 근거
정답: 2×3000×3=18kbit/s다.
예를 들어 B=3kHz, M=8, S/N=63이면 두 식 모두 18kbit/s다. 물리적으로 가능한 전송률은 두 제약을 함께 넘을 수 없다.
30dB의 선형 S/N은?
정답과 근거
정답: 10^(30/10)=1000이다.
8kHz·
정답과 근거
정답: 8000×12×2=192kbit/s다.
m=11인 Hamming 코드 최소 패리티 수는?
정답과 근거
정답: 2^r≥m+r+1에서 r=4다.
3비트 순서번호의 GBN과 SR 최대 윈도는?
정답과 근거
정답: GBN 7, SR 4다.