공부해보잠
정보 전송 기술 본문
광섬유 케이블(Optical Fiber Cable)
광섬유 케이블은 유리를 원료로 제작된 가느다란 광섬유를 여러 가닥 묶어 만든 케이블로, 광 케이블이라고도 합니다.
데이터를 빛으로 변환하여 전송하며, 빛의 전반사 원리를 이용합니다.
주요특징
| 전송 방식 | 데이터를 빛으로 변환하여 전송하며, 빛의 전반사 원리를 이용. |
| 속도 및 대역폭 | 유선 매체 중 가장 빠른 속도와 높은 주파수 대역폭을 제공. |
| 전송 용량 | 대용량, 장거리 전송 가능. |
| 신호 손실 | 저손실성과 무누화 성질로 신호 왜곡이 적음. |
| 전자기적 잡음 | 무유도 성질로 전자기적 잡음에 강함. |
| 리피터 설치 | 감쇠율이 적어 리피터 설치 간격이 넓으며, 리피터 소요가 적음. |
| 온도 안정성 | 온도 변화에 강하고 신뢰성이 높음. |
| 설치 비용 | 초기 설치 비용은 높으나, 단위 전송 비용은 저렴. |
| 설치 난이도 | 광섬유 간 연결이 어려워 설치 시 고도의 기술이 필요. |
광섬유 케이블의 전송모드
| 단일모드 (Single Mode) | - 하나의 빛 신호만 전송. - 장거리, 대역폭이 필요한 데이터 전송에 적합. - 고속 네트워크 및 장거리 전송에 사용. |
| 계단형 다중모드 | - 빛이 여러 경로로 전송. - 빛의 경로가 일정한 계단 모양으로 진행. - 단거리 데이터 전송에 적합. |
| 언덕형 다중모드 | - 빛의 경로가 점진적으로 굴절률이 변화하는 언덕 모양. - 다중모드의 성능을 향상시켜 손실과 왜곡을 줄임. |
광섬유 케이블의 구성
| 코어 (Core) | - 빛이 전파되는 중심 영역. - 클래드보다 높은 굴절률을 가지며 빛의 경로를 형성. |
| 클래드 (Clad) | - 코어를 둘러싸는 층으로, 코어보다 낮은 굴절률을 가짐. - 빛을 반사시켜 외부로 빠져나가지 못하도록 함. - 코어를 외부 압력으로부터 보호. |
| 재킷 (Jacket) | - 외부 보호층으로, 습기, 마모, 파손 등 외부 환경으로부터 광섬유를 보호. - 내구성을 높이고 물리적 손상을 방지. |
광섬유 케이블의 활용 분야
| 통신 네트워크 | 고속 인터넷, 장거리 데이터 전송, 전화 통신망 등에서 사용. |
| 케이블 TV | 다중 채널 전송을 위한 고속 전송 매체로 활용. |
| 의료 기기 | 내시경, 레이저 기기와 같은 정밀 의료 장비. |
| 산업용 센서 | 열, 압력, 온도와 같은 환경 조건을 측정하는 데 사용. |
| 군사 및 항공 | 전자기 간섭에 민감한 군사 통신 및 항공 통신 시스템. |
통신속도
변조속도
1초 동안 전송된 데이터 비트 수를 나타냅니다
단위는 bps(Bits Per Second)를 사용합니다
수식
데이터 신호 속도(bps)= 변조 속도(baud)×변조 시 상태 변화 수
변조 속도 계산
수식
변조속도(baud) = 데이터 신호속도(bps)÷변조 시 상태 변화 수
예제
주어진 데이터를 통해 변조 속도를 구하시오.
데이터 신호 속도 : 9600bps
변조 시 상태 변화 수 : 4
$$ \text{변조속도(baud)} = \frac{\text{데이터 신호속도(bps)}}{\text{변조 시 상태 변화수}} $$
$$ \text{변조속도(baud)} = \frac{9600}{4} = 2400 \, \text{baud} $$
변조 속도와 상태 변화수를 통해 데이터 신호 속도를 구하시오.
변조속도 : 2400baud
변조 시 상태 변화 수 : 4
데이터 신호속도(bps) = 변조 속도(baud) × 변조 시 상태 변화 수
데이터 신호 속도(bps) = 2400 × 4 = 9600bps
통신 용량
통신 용량은 단위 시간 동안 전송 회선이 최대로 전송할 수 있는 정보량을 의미합니다.
회선의 대역폭, 신호 전력(S), 잡음 전력(N) 등이 영향을 미칩니다.
샤논(Shannon)의 통신 용량 정의
잡음이 있는 경우
$$ C = W \cdot \log_2\left(1 + \frac{S}{N}\right) \; [\text{bps}] $$
변수 설명 :
C: 통신용량(bps)
W : 대역폭(Hz)
S : 신호 전력
N : 잡음 전력
특징:
신호 대 잡음비(SN)가 높아질수록 통신 용량이 증가.
대역폭이 넓을수록 더 많은 데이터를 전송 가능.
잡음이 없는 경우
$$ C = 2B \cdot \log_2(M) $$
변수 설명 :
C : 통신용량(bps)
B : 대역폭(Hz)
M: 신호 레벨의 수(가능한 상태 변화 수)
특징:
신호 레벨 M이 증가하면 더 많은 정보를 전송할 수 있음.
잡음이 없기 때문에 신호의 상태 변화만으로 데이터가 전송됨.
전송로의 통신 용량을 늘리기 위한 방법
주파수 대역폭을 늘린다:
더 넓은 대역폭을 사용하면 더 많은 신호를 동시에 전송 가능.
신호 세력을 높인다 (S):
신호 강도를 높여 잡음 대비 신호의 비율을 개선.
잡음 세력을 줄인다 (N):
전송 환경을 개선하여 잡음을 줄임으로써 통신 품질을 향상.
디지털 변조
디지털 변조는 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 기술입니다.
디지털 데이터를 아날로그 통신 채널(PSTN, 위성 통신 등)을 통해 전송할 때 사용됩니다.
변조 장치로 모뎀(MODEM)이 사용됩니다.
디지털 변조 방식
다양한 변조 방식이 사용되며, 데이터를 신호의 진폭, 주파수, 위상 또는 이들의 조합으로 표현합니다.
진폭 편이 변조 (ASK, Amplitude Shift Keying)
원리: 신호의 진폭을 변화시켜 데이터를 전송.
특징:
0과 1을 신호의 진폭 크기로 구분.
구현이 간단하지만, 잡음에 취약.
데이터 전송용으로 거의 사용되지 않는다.
예:
진폭 0 → 디지털 0
진폭 1 → 디지털 1
주파수 편이 변조 (FSK, Frequency Shift Keying)
원리: 신호의 주파수를 변화시켜 데이터를 전송.
특징:
서로 다른 주파수로 0과 1을 구분.
잡음의 영향을 덜 받음.
1200bps이하의 저속도 비동기식 모뎀에서 사용
예:
낮은 주파수 → 디지털 0
높은 주파수 → 디지털 1
위상 편이 변조 (PSK, Phase Shift Keying)
원리: 신호의 위상을 변화시켜 데이터를 전송.
특징:
위상을 변경하여 0과 1을 구분.
잡음에 강하며, 높은 데이터 전송 효율을 가짐.
한 위상에 1bit(2위상), 2bit(4위상), 3bit(8위상)를 대응시켜 전송하므로 속도를 높일 수 있다.
중고속의 동기식 모뎀에 많이 사용된다.
반송파 간의 위상차 :$$ \frac{2B}{M} \quad (\text{M은 위상}) $$
예:
위상 0도 → 디지털 0
위상 180도 → 디지털 1
직교 위상 변조 (QPSK, Quadrature Phase Shift Keying)
원리: 신호의 위상을 4개의 상태로 구분하여 2비트를 한 번에 전송.
특징:
위상 0도, 90도, 180도, 270도로 상태 구분.
1번의 신호 변화로 2비트를 표현.
높은 데이터 전송 효율을 가지며, PSK보다 복잡하지만 더 많은 데이터 전송 가능.
직교 진폭 변조 (QAM, Quadrature Amplitude Modulation) = 진폭 위상 변조
원리: 신호의 진폭과 위상을 동시에 변조하여 데이터를 전송.
특징:
진폭과 위상을 조합하여 더 많은 상태를 생성.
2n개의 상태 변화로 n비트를 표현 가능.
QPSK에 진폭 변조를 추가한 방식.
고속 데이터 통신에서 널리 사용됨(예: Wi-Fi, LTE).
9600bps모뎀의 표준 방식으로 권고
예:
16-QAM: 16개의 상태 변화로 4비트를 표현.
64-QAM: 64개의 상태 변화로 6비트를 표현.
모뎀(MODEM)의 역할
모뎀은 MOdulation과 DEModulation의 약자.
변조(MOdulation):
디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환.
복조(DEModulation):
수신된 아날로그 신호를 디지털 데이터로 복원.
펄스 코드 변조(PCM: Pulse Code Modulation)
연속적인 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환하여 전송한 후, 수신 측에서 다시 아날로그 데이터로 복원하는 과정입니다.
코덱(CODEC)을 이용하여 변환 및 복원합니다.
송신 측에서 표본화(Sampling) → 양자화(Quantization) → 부호화(Encoding) 과정을 거쳐 디지털 형태로 전송
수신 측에서는 복호화(Decoding) → 여과화(Filtering)를 통해 아날로그 데이터로 복원됩니다.
펄스코드 변조 순서
표본화(Sampling)
연속적인 아날로그 신호를 일정 시간 간격으로 샘플링하여 불연속적인 신호(PAM 신호)로 변환.
목적:
연속적인 신호를 이산적인 데이터로 변환.
특징:
샘플링 주파수는 샤논-나이퀴스트 정리에 따라 신호 대역폭의 2배 이상이어야 함.
결과:
PAM(Pulse Amplitude Modulation) 신호 생성.
양자화(Quantization)
표본화된 샘플 값을 유한한 레벨로 근사화하여 표현.
목적:
데이터를 디지털화하여 전송하기 쉽게 만듦.
특징:
이산적으로 표현된 데이터를 유한한 숫자 값으로 변환.
양자화 오차(Noise)가 발생할 수 있음.
결과:
양자화된 데이터 생성.
부호화(Encoding)
양자화된 데이터를 2진수(Bit) 형태로 변환.
목적:
디지털 신호로 변환하여 전송 가능하게 함.
특징:
각 양자화 수준은 고유한 이진 코드로 매핑.
결과:
디지털 데이터(비트 스트림) 생성.
디지털 데이터 복원과정
복호화(Decoding)
수신된 디지털 데이터를 다시 양자화된 값으로 변환.
목적:
디지털 데이터를 아날로그 신호로 복원하기 위한 중간 단계.
결과:
양자화된 값 복구.
여과화(Filtering)
복호화된 데이터를 아날로그 형태로 복원하기 위해 원래의 신호를 복구하는 과정.
목적:
양자화된 값으로 구성된 신호를 부드럽게 연결하여 연속적인 아날로그 신호를 생성.
특징:
저역 통과 필터(LPF: Low Pass Filter)를 사용하여 원 신호를 복원.
결과:
아날로그 데이터 복원.
PCM과정 전체 요약
송신 측:
표본화(Sampling): 아날로그 → PAM 신호.
양자화(Quantization): PAM 신호 → 이산 값.
부호화(Encoding): 이산 값 → 디지털 신호(비트 스트림).
수신 측:
복호화(Decoding): 디지털 신호 → 양자화된 값.
여과화(Filtering): 양자화된 값 → 연속적인 아날로그 신호.
PCM의 장점
잡음에 강함.
디지털 데이터 전송이 가능하여 처리와 저장에 적합.
고품질 음성 및 영상 전송 가능.
출저 및 참고
정보처리 산업기사 시나공(기본서)
