데이터통신 4.1.2 회선 부호화 방식

4.1.2 회선 부호화 방식

 

회선 부호화 방식은

Unipolar, Polar, Bipolar, Multilevel, Multitransition이렇게 크게5가지 범주로 나눌 수 있다.

 

 

1. Unipolar(단극형)

시간축을 기준으로 한쪽만 쓴다. 

NRZ(non-return-to-zero)

통상 유니폴라 부호화 방법은 +전압은 비트1를 나타내고, -전압은 0을 나타내는 비영복귀방법으로 설계되었다.

0비복귀(NRZ) 부호화 신호의 준위는 항상 양 또는 음이며, 0이 되지 않아서 0비복귀라고 한다. 

매우 소모적인 방법이다. 극형 NRZ방법에 의해 소모되는 전력이 2배이다. 

 

2.Polar(극형)

전압은 시간축의 +측, -측 다쓴다. 예를들면, 0에대한 전압준위는 양, 1에대한 전압준위는 1을 사용한다. 

NRZ(영 비복귀극형)

극형 영 비복귀(polar NRZ, non-return-to-zero) 부호화에서는 두 가지 준위의 신호를 사용한다.  

NRZ - L과 NRZ -I 라는 두가지 방법이 있는데, 

NRZ-L : 전압 준위가 비트의 값을 결정 (1이 나오는 순간 비트가 신호가 바뀐다.) 

NRZ_I : 전압의 변화가 있거나 없는걸로 비트의 값을 결정한다. (0->1이거나 1->0일때만 신호가 뒤집힌다. 

두 방법 모두 평균 신호율은 N/2이다. 

하지만 둘다 같은 전압이 반복될 때 DC성분의 문제가 있다. 

RZ(영복귀형)

NRZ의 문제점은 송신자와 수신자의 시계가 동기화 되지 않을 때 생긴다.

= 수신자는 언제 비트가 종료되고, 언제 다음비트가 시작되는지 모른다. 

해결책: 세가지 값인 +,0,-을 사용하는 RZ(영복귀)부호화이다. RZ에서 신호는 비트와 비트사이에서 바뀌는것이 아니라 비트 구간동안에 바뀐다. 각 비트 간격의 반이 지나고 나면 신호는 0으로 돌아온다. 비트 1은 양의 값으로 표현되기보다는, 정확히 0에 대한 양으로 표현되고 비트 0은 음의 값보다 0에대한 음으로 표현된다. (무조건 0으로 돌아오고 0->+ , 0->-이런식으로)

RZ부호화의 단점은 한 비트를 부호화하기 위해 두번의 신호 변화가 이용되기 때문에 너무 많은 대역폭을 차지한다는 것이다. 극성이 갑자기 바뀌면 문제가 생기지만 DC성분 문제는 없다. RZ는 3개의 전압준위를 사용하므로 이 3개의 전압을 만들어내거나 구별하는 것이 더욱 복잡하다.

 

3. Biphase(양위상) 멘체스터와 차분 멘체스터

 

RZ의 아이디어(비트 중간에 전이)와 NRZ-L의 아이디어가 맨체스터(Manchester)방식에 섞여 들어갔따. 

맨체스터 부호화에서는 동기화와 비트 표현을 위해 비트 중간지점애서의 신호 전이를 사용했다. 맨체스터 부호화(Manchester encoding)은 동기화를 달성하는 동시에 해당 비트를 표현하기 위해 각 비트 간격의 중간에서 신호를 반전시킨다.

- 에서 +로 가는 경우 이진수 1을 나타내고, 양-대-음 전이는 이진수 0을 나타낸다.

 두 준위의 진폭만을 사용하여 RZ와 같은수준의 동기화를 달성한다.

 

 

차분 멘체스터(differential Manchester)

RZ와 NRZ-I를 섞은 것이다. 차분 멘체스터에서 비트간격 중간에서 반전은 동기화를 위해서 사용되지만 비트를 식별하는데에는 비트간격 시작점에서 전이여부가 사용된다. 비트 시작점에서 바뀌면! 2진수 0을 의미, 비트 시작점에서 안바뀌면!!!! 이진수 1을 의미. 차분 맨체스터에서 2진수 0을 표현하는데에는 두번의 신호변화가 요구되지만, 2진수 1을 표현하는데에는 하나만 요구된다.

 

4.Multilevel binary(양극형)

때로는 다준위 2진수(multilevel binary)라고 불리는 양극형 부호화(bipolar encoding)은 양, 음, 및 영의 세가지 전압준위를 사용한다. 전압준위 0은 하나의 데이터 요소를 표현하고, 양전압과 음전압은 교대로 사용되어 다른 하나의 데이터요소를 표현한다.

 

AMI및 가삼진수

양극형 부호화의 2가지 종류로 AMI와 가삼진수 가 있다. 

AMI(alternate mark inversion):교대로 나타나는 반전되는 1을 의미한다.중립의 제로 전압은 2진수 0을 나타내고, 2진수 1은 교대되는 양과 음 전압에 의해 표현된다. 

AMI 부호화를 변형한것을 가삼진수(pseudoternary)라고 불리며, 1비트가 전압준위 0으로 부호화되고, 0은 양전압과 음전압을 교대로 하며  표현한다. 

양극형 방식은 NRZ를 대신하기 위해 개발되었다. NRZ와 동일한 데이터율이지만 직류전압 성분이 없다. NRZ방식은 0주파수 주위에 대부분의 에너지가 집중되어있으며, 이는 이 0주파수 근처의 전송에 적절하지 않은 채널에는 적용하기 부적절하다는 것을 의미한다.  양극형의 경우 주파수 N/2부근에 에너지가 집중된다.

 

왜 양극형에는 직류 성분이 없지? 만약 긴 연속된 1이 있다면 전압이 음과 양을 교대로 반복, 0이 길어진다면 전압은 일정하지만 전압은 0근처가 된다.

 AMI는 흔히 장거리 통신에 사용되지만 연속된 0 이 길게 지속되는 경우에는 동기화 문제가 발생해 scrambling기술로 이 문제를 해결할 예정.

 

 

다준위방식(Multitransition)

데이터율을 증가시키기 위해, 대역폭 요구량을 줄이기 위해, 많은 다른 부호화 방식을 만들어냈다. 

목표 = n개의 신호 요소 패턴을 사용하여 m개의 데이터 요소의 패턴을 표현함으로써 단위 baud당 bit수를 증가시키는 것이다. 

우리는 2진수를 다루므로 0과 1의 두 데이터 요소만 있으므로 m개의 데이터 요소로는 2^m개의 데이터 패턴이 생긴다.

또한 서로다른 신호준위를 사용함으로써 서로 다른 종류의 신호요소를 만들어낸다. L개의 서로다른 준위를 사용한다면 L^n개의 신호요소를 만들 수 있다.

만일 2^m= L^n이라면, 각 데이터 패턴은 하나의 신호 패턴으로 부호화된다. 만일 2^m<L^n이라면, 데이터 패턴은 신호패턴의 일부를 사용하게된다.   어느 신호 패턴을 사용할 것인지는 기준선 표류를 방지하고, 동기화를 제공하고, 데이터 전송중 오류를 검색할 수 있도록 선정된다.

반대의 경우에서는 데이터 패턴의 일부는 부호화될 수 없기 때문에 데이터 부호화가 불가능하다. 

이와 같은 부호화는 mBnL이라고 하는데, 

m = 2진수 패턴의 길이

B= 2진수

n= 신호패턴의 길이

L= 신호준위의 수

L에는 보통 숫자 대신 문자를 사용하는데 2진수는 B, 3진수는 T, 4진수는 Q를 쓴다 보통.

 

2B1Q

2의 데이터패턴, 4개의 전압준위중 각각으로 부호화.

m=2, n=1, L=4

평균 신호율은 S=N/4이다. (1/2*N*1/2)

2B1Q는 NRZ-L의 경우보다 두 배 빠르게 데이터를 전송할 수 있다는 것을 의미한다. 

2B1Q는 서로 다른 4개의 전압준위를 사용하기 때문에 수신자가 이 4개의 신호를 구별해 낼 수 있어야한다. 2^m= 4^1이기 때문에 남아도는 신호패턴은 없다.

 

8B6T

8이진, 6삼진이 있다. 8비트의 패턴을 6개의 신호요소로 나타내는 것인데 신호는 3개의 준위를 갖는다. 

데이터패턴은 2^8개인 256개가 있고, 패턴은 6T니까 3^6= 729개가 있다.

신호패턴이 데이터패턴보다 크니까 사용하지 않는 신호패턴이 생긴다.

사용하지 않는 신호패턴들은 동기화나 오류 검색에 사용된다. 일부는 직류 성분 균형을 위해 사용된다. 각 신호 패턴은 0또는 1의 직류 값을 갖는다. -> -1의 직류 값을 갖는 신호는 없다.

전체 스트림을 직류 성분이 없도록 하기 위해 송신자는 각 직류값을 기록하고 있다가 만일 직류 값이 1인 연속된 신호 2개를 보게 되면 처음 신호패턴은 그대로 보내고 다음 신호패턴은 전체의 전위를 뒤집어서 보내어 -1의 직류값을 만들게 된다. (직류값 -> 신호들의 평균값이라고 생각하면 됩니다)

이 방식의 평균 신호율은 S=1/2*N*6/8이지만, 실제에서는 최소 대역폭은 6N/8이다.

 

 

4D-PAM5(4차원 5준위 펄스 진폭 변조)

4D= 데이터가 4개의 회선으로 동시에 전송된다.

PAM5= 5개의 전압 준위를 사용한다.(-2,-1,0,1,2처럼) 

보통 0준위는 전진오류검색 목적으로만 사용한다. 

만일 코드가 1차원이라면 4개의 준위는 8B4Q와 유사한 방식이 될것이다. (8개의 데이터가 4개의 다른 준위로 구성된 하나의 신호 패턴으로 전환된다는 말.) 

하지만 이 기술은 4개의 채널(4개 회선)을 사용하여 데이터를 전송한다. 이는 신호율이 N/8로 낮아질 수 있다는 것을 말한다. 

-> 모든 8개의 비트가 2비트씩 각기 1개의 신호 요소를 사용하여 동시에 전선에 실려보낼 수 있게 된다.

각기 하나의 신호 그룹을 이루는 4개의 신호요소들이 4차원 세팅(4회선)에 동시 전송된다. 

 

다중회선 전송 MLT-3

NRZ-I과 Differential Menchester방식은 다른 부류긴 해도 준위 뒤집기와 뒤집지 않기 두가지 규칙을 사용하여 이진수를 부호화한다. 

만일 2개보다 많은 준위의 신호를 사용한다면, 2개 이상의 규칙을 갖는 차분방식의 부호화를 설계할 수 있다. 

MLT-3(다중회선 전송 3준위 multiline transmission three level)

이 바로 그것이다. 세 준위의 신호(+1, 0, -1)와 다음과 같은 3개의 규칙을 사용한다.

1. 다음 비트가 0이면 -> 준위 변화 없음.

2. 다음 비트 1이고 현재 준위 0 아니면.(-1,or1) -> 다음 준위는 0이다. (다음비트 1일시, -1->0,1->0)

3. 다음 비트가 1이고 현재 준위가 0이면 다음 준위는 마지막으로 0이 아니었던 준위의 역이 된다.(다음비트 1일시, -1->0->1, 1->0->-1)

 

하나의 비트를 하나의 신호요소에 대응시키는 MLT-3의 필요성

요구 대역폭을 줄일 수 있다. 신호 요소 패턴인 +V, -V0이 매 4비트마다 반복되는 것을 알 수 있다. 이는 비주기 신호를 비트시간의 4배에 해당하는 주기를 갖는 주기신호로 바꾼 셈이다. 

 

4.1.3 블록 부호화(block coding)

 

동기화를 확보하기 위해서는 어떤 식이든 여분의 비트가 필요하다.

오류를 탐지하기 위해서도 마찬가지이다. 

블록 부호화는 m비트를 n비트의 블록으로 만드는 방법이다. 블록 부호화는 mB/nB 부호화로 불린다. 

블록 부호화는 /표시를 사용하여 블록부호화가 /표시가 없는 다중회선 부호화가 아닌것을 나타낸다. 

블록 부호화의 단계 (나누기, 대치, 조합)

나누기단계 -> 일련의 비트들을 각각 m개의 비트 그룹으로 나눈다. 

ex(4B/5B부호화 일때 원래의 비트열을 4비트 그룹으로 나눈다.)

 

대치단계 -> m개의 비트그룹을 n개의 비트그룹으로 나눈다.(4비트에서 5비트그룹으로) 

 

조합단계-> n비트 그룹들을 하나의 스트림으로 조합한다. 새스트림은 원래보다 많은 비트를 갖게된다. 

 

4B/5B부호화란?

4이진/5이진 부호화는 NRZ-I와 혼합하여 사용하기 위해 고안되었다. NRZ-I는 biphase신호율의 절반인 좋은 신호율을 갖지만, 동기화 문제가 있었다. 연속되는 긴 0들이 수신자의 클록으로 동기화를 잃어버리게 한다.

이것을 해결하기 위한 방법은 NRZ-I 방식으로 변환하기 이전에 연속된 0이 생기지 않도록 비트 스트림을 바꾸는 것이다 4B/5B방식은 이 목표에 부합된다. 

블록 부호화가 된 스트림은 연속해서 0이 3개보다 더 많이 나타나지 않는다. 수신자 쪽에서는 NRZ-I 부호화된 디지털 신호가 먼저 복호화되고, 이후에 추가된 비트를 제거하기 위해 복호화가 진행된다. 

4B/5B에서는 데이터의 각 4비트를 5비트 코드로 바꾼다. 그 중에서 각 코드는 1개보다 많은 0으로 시작하지 않게 되고, 2개보다 많은 0으로 끝나지 않는다. 

 

 

8B/10B부호화란?

8비트 10진(8B/10B)는 8비트 그룹이 10비트 그룹으로 바뀌는 것을 제외하고는 4B/5B 부호화와 유사하다. 4B/5B보다 오류탐지에 있어서 우수하다. 8B/10B 부호화는 실제로는 5B/6B+3B/4B이다. 

8비트 블록의 앞의 5개의 비트가 5B/6B 부호화 장치에 보내지고, 뒤의 3비트가 3B/4B 부호화장치에 보내진다. 이러한 분할은 매핑 테이블을 단순화시키기 위한 것이다. 연속된 긴 0또는1을 방지하기 위하여 이 방식은 불균형제어를 사용하여 1비트들에 비해 지나치게 많은0비트를 추적하거나, 그 역의 상황을 추적한다. 현재 블록의 비트들이 직전 블록의 비트 불균형을 악화시키는 경우네느 현 블록의 각 비트들의 뒤집혀 진다.(0은 1로, 1은 0으로). 이 방식은 2^10-2^8=768개의 여분 그룹이 생기며,이 그룹이 비트 불균형 확인과 오류 검색에 활용된다. 우수하다.

 

4.1.4 뒤섞기(Scrambling)

biphase(양위상)방식은 LAN내의 지국들 사이의 전용선 링크에는 적합하지만, 장거리 통신에는 적합하지 않다.

그 이유는 넓은 대역폭을 요구하기 때문이다.

블록 부호화와 NRZ-I를 혼합하여 사용하는 것 또한 직류성분 문제 때문에 장거리통신에는 적합하지 않다.

양극 AMI 부호화는 좁은 대역폭을 사용하며 직류성분 문제가 없다. 그러나 길게 연속되는 0들로 인해 동기화 문제가 생긴다. 

긴 0을 피해야 하는데 그럴려면 비트수를 증가시키지 않으면서도 동기화를 제공하는 기술을 찾아야 한다. 

즉, 긴 연속된 0들을 동기화를 제공하기 위해 다른 준위신호들로 조합된 신호로 바꾸는 방식을 찾는것이다. 

그 해법이 바로 뒤섞기 이다. 

뒤섞기 기법은 B8ZS와 HDB3이 있다. 

 

B8ZS = 8개의 연속된 0을 000VB0VB로 대치한다. 

V= 위배(Violation) B=양극(Bipolar)