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제 제 8 8 장 통신의 기초장 통신의 기초

개 요

아날로그 통신

디지털 통신

아날로그 - 디지털 (A/D) 과 디지털 - 아날로그 (D/A) 변환

다중화와 역다중화

```

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개요

신호의 분류신호의 분류

아날로그 신호 : 광섬유 내의 빛의 변화가 유연하고 연속적인 (continuous) 것

디지털 신호 : 단계가 연속적이지 않은 이산적 (discrete) 으로 구성된 신호

s(t)

t

s(t)

t

s(t)

t

3

개요

통신 시스템통신 시스템

Á¤º¸¿øºÎȣȭ

informationsource

¾Ïȣȭä³ÎºÎȣȭ

´ÙÁßÈ­ º¯Á¶Àü¼Û¸Åü

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Á¤º¸¿øº¹È£È­

Àü¼Û¸Åüinformation

sink

¼Û½ÅÃø

¼ö½ÅÃø

전송 매체 - 유선 매체 : 트위스트 페어 , 동축 케이블 , 광섬유

- 무선 매체 : 무선 라디오 , 마이크로파 , 통신위성

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통신 시스템통신 시스템

개요부호화 (encoding) : 디지털 값의 표현 , 어떠한 수나 문자를 나타태기 위해 1 과 0 을 나열하여 사용

모스 (Morse) 부호 시스템 : 점 () 과 선 (-) 의 나열로 알파벳 문자를 나타냄

ABCDEFGHIJKLM

·――···―·―·―·····―·― ―········― ― ――·― ―·―··― ―

NOPQRSTUVWXYZ

―·― ― ―·― ―·― ―·―·―····―··―···―·― ――··――·― ―― ―··

1234567890

·― ― ― ―··― ― ―···― ― ―···―·····―····― ―···― ― ―··― ― ― ―·― ― ― ― ―

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개요

통신의 배경통신의 배경

통신의 시작 : 아날로그로 시작 라디오 , 전신 , 전화 시스템 ( 음성 , 음악등 )

20 세기 중반 : 트랜지스터의 출현 => 디지털 통신 가능

고체 (solide-state) & 디지털 전자공학 : 집적회로의 발달로 아날로그 장치에 비교해 속도 , 크기 , 전력소모에서

우수한 성능을 보임 => 컴퓨터 , 소형 라디오의 발전

아날로그 시스템 : 전화 , 라디오 , TV 는 소리와 영상을 다루어 여전히 아날로그 성질을 유지

디지털 시스템 : 컴퓨터 대 컴퓨터 통신 , LAN

현재 : 디지털과 아날로그가 혼합된 형태

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개요

광통신 시스템광통신 시스템

광통신 시스템 : 정보화 시대 신속 , 정확한 정보전달의요구로 첨단 전자기술과 광자기술이 혼합

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아날로그 통신아날로그 통신

아날로그 통신 시스템 : 전송되는 정보를 표현하기 위해반송파의 파형이 변조된다 .

변조 방법 : 진폭변조 (AM) 와 주파수 변조 (FM)

진폭 변조 : 통신 데이터를 나타내기 위해 반송파의 진폭이 변하는

것으로 반송파 진폭은 통신 데이터의 아날로그 신호 주파수에 대응하는 비율로 증가하거나 감소

- 반송파 신호 (carrier signal) : 모든 아날로그 시스템에서 정보가 실리게 되는 신호

- 정보신호 (intelligence signal) : 데이터 신호 , 주파수

주파수 변조 : 정보 신호 주파수의 변화와 일치하는 비율로 반송파 신호의 주파수가 변화

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아날로그 통신아날로그 통신

진폭 (AM) 변조도 주파수 (FM) 변조도

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아날로그 통신아날로그 통신

광섬유 아날로그 통신 : 반송파가 변조되어야 함 .

Why? 빛의 주파수가 높기 때문에 빛 자체의 진폭 변조 또는 주파수 변조가 불가능

Imposing 변조 방법 : 광섬유에서 반송파 주파수에 빛을 실어

변조하는 것으로 광원에 대한 전력 공급을 통해 이루어짐 .

전압을 상하로 조절하는 송신 회로는 광전력을 상하로 조절

가능하고 , 이 결과는 광원의 발진기 출력으로 알 수 있음 .

이러한 오실레이션은 전압 조절 (AM) 또는 전압 변화로

만들어진 주파수 (FM) 에 의해 조절 가능

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디지탈 통신디지탈 통신

디지털 통신 : 광원의 출력에서 일련의 펄스 생성을 포함 (PCM)

펄스 코드 변조 (PCM) : 디지털 신호 1 과 0 으로 나타내며 ,

이 1 과 0 은 펄스의 유무에 의해 나타낼 수 있다 .

광출력의 펄스는 1 을 표시하고 펄스가 없을 때는 0 을 표시

표본화 양자화 부호화아날로그

신호이진코드

PCM 의 절차

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(a) 원래의 아날로그 신호

(b) 표본화 결과

(c) 양자화 결과

4.2 3.45.7

2.81.2

4.6

2.3

43

63

1

5

2

(d) PCM 출력

..

.

..

.

010100 011 110 011 001 101

.

디지탈 통신디지탈 통신

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펄스 코드 변조 (PCM) 블럭도

디지털 통신디지털 통신

표본화 양자화 부호화 LD

표본화

표본화 동기펄스발생

각부로

Detector 동기펄스검출

부호화 LPF

LPF

LPF

A/D 컨버터

D/A 컨버터

각부로

OpticalFiber

. . . . . .

방송 단국( 송신 단국 )

ch1

ch2

chn

ch1

ch2

Chn

방송 단국( 수신 단국 )

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광 PCM 의 문제점과 해결책

디지털 통신디지털 통신

문제점

- 0 의 묶음을 보낼 때 다른 단에서 혼동 야기 : 펄스가 오래도록 없다면 1 개나 여러 개의 0 을 나타내지만 보내지는 신호가 전혀 없다는 것을 의미한다 .

- 시스템을 통한 신호 간격에서 신호 왜곡 발생

해결책 : 타이밍 (timing) 시스템이 통신에 추가 되어야 한다

해결책 : 에러검파 (error detection) 와 디지털 인코딩 (digital encoding) 에 의해 해결

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디지털 통신디지털 통신

타이밍 (timing) 시스템

동기 (synchronous) : 수신단과 송신단이 같은 타이밍으로 동작

타이밍은 통신 데이터와 함께 전송 , 송신단은 각각 펄스에

대한 시간을 설정하고 , 수신단의 검파 시스템은 클럭 신호를

사용하여 같은 크기로 입력 신호를 나눈다

비동기 (asynchronous) : 클럭 신호는 시스템 양단의 타이밍을

연결하는데 사용되지 않는 대신 송신단에서 보내는 신호를

수신단에서 알게 하기 위해 준비된 일련의 펄스를 보낸다 .

송신할 때에 펄스는 전과 같이 동기되나 각단은 신호를 나누어

나누어 사용하기 위한 자신의 클럭 신호를 가진다 .

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시작비트

정지비트1문자

1

0

비동기 (asynchronous) 전송 : 한 문자 단위로 전송 시작 비트 (start bit), 정지 비트 (stop bit) 로 구성 . 오버헤드 (overhead) 가 크고 전송 효율이 낮음 주로 RS-232 포트를 이용한 저속도 통신

동기 (synchronous) 전송 : 프레임 (frame) 단위로 전송 문자 위주 (character-oriented) : BSC(Binary Sychronous Communication) 비트 위주 (bit-oriented) : HDLC(High-level Data Link Control), LAP-B(Link Access Procedure-Balanced)

동기식과 비동기식 전송

디지털 통신디지털 통신

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디지털 통신디지털 통신

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디지털 통신디지털 통신

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디지털 통신디지털 통신

에러 검파 (error detection)

패리티 (parity) 시스템 : 가장 간단한 오류검출 방식으로 ,

송신측에서 전송될 프레임에 오류검출을 위한 특수한 비트 ( 패리티 비트 ) 를 추가하여 전송하고 , 수신측에서 수신된 문자의 비트와 이 패리티 비트를 합하여 1 의 총계를 계산하는 방식

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* 1 의 총계가 짝수인지를 검토하는 방식을 " 짝수 패리티 검사 " 라고 하며 , 홀수인 지를 검토하는 방식을 " 홀수 패리티 검사 " 라고 한다 .

* 이 방식은 전송 정보비트수가 적고 , 오류 발생률이 낮은 경우에 주로 사용되며 , 비동기전송에 적합하다 .

디지털 통신디지털 통신

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CRC(cyclic redundancy check) : 에러체크의 가장 효과적인 방법으로 에러를 검파하기 위해 수학적인 식을 이용한다 .

디지털 통신디지털 통신

* 오류가 한꺼번에 많이 발생하는 비트들 (burst error) 에 대한 블록합 검사의 단 점을 해결할 수 있도록 하는 방식이다 .

즉 , 집단 오류를 해결하기 위한 오류제 어 방식이다 .

* 이것은 다항식 코드를 사용한 오류 검출방법이다 .

* 이외에도 모듈로 2 산술 , 쉬프트레지스터 , 및 배타적 OR 게이트를 이용하는 방법도 있다 .

* 이 방식에서는 프레임의 실제 내용에 의해서 계산되는 FCS(FRAME Check Sequence 또는 BCC(Block Check Character)

라고도 한다 .) 를 전송 프레임의 끝 에 추가하여 전송한다

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CRC 16 x x x 1

CRC CCITT x x x 1

CRC 32 x x x x x x x

x x x x x x 1

16 15 2

16 12 5

32 26 23 22 16 12 11

10 8 7 5 4 2

::

:

C n-1 C n-2+ + C 1+ + C 0 +

X X XX

...

Input­bits

a 1a 2a n-2a n-1

전형적인 생성다항식들

디지털 통신디지털 통신

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디지털 통신디지털 통신

디지털 인코딩 (digital encoding) 시스템 : 펄스가 있는 것은 1 로

펄스가 없는 것은 0 으로 인코딩하는 방법으로 에러 확률이 감소

* 일반적인 디코딩 방식들

(1) RZ 방식 : 부호는 빛이 없음을 0 으로 , 1 인 경우 빛은 펄스 길이의

반을 켜고 나머지는 0 으로 돌아간다 . 각각 1 을 보내기

위해 신호는 항상 다음 비트 전에 0 으로 돌아옴

(2) NRZ 방식 : 부호는 1 은 빛이 있음을 0 은 빛이 없음을 나타냄 .

1 의 묶음인 경우 빛의 출력은 변하지 않는다 .

(3) NRZI 방식 : 빛 출력 변화는 0 을 나타내고 , 빛 출력의 변화가 없는

것은 1 을 나타냄 .

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디지털 통신디지털 통신

(4) Manchester 코드 : 각 펄스 주기동안 빛 출력이 변화되며 , 1 일 때는

주기의 첫 번째 반은 높고 나머지 반은 잔으며 ,

0 은 주기의 첫 번째 반이 낮고 다음 반이 높음

(5) Miller 코드 : 또 다른 0 이 뒤에 온다면 주기 시작에 변화를 주고 ,

1 이 뒤따라 오는 경우에는 0 이 변화가 없음을 나타내는

것을 제외하면 Manchester 코드와 비슷

(6) Biphase 코드 : 각 주기는 변화로 시작 , 1 일 때 이 신호 주기 중간

쯤에 다시 변하고 , 0 일 때는 변화가 발생하지 않는다 .

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디지털 통신디지털 통신

여러 가지 디코딩 방식들의 그림들

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A/D A/D 변환과 변환과 D/A D/A 변환변환

통신 방식의 혼합으로 , 어떤 데이터를 아날로그를 디지털로 (A/D) 변환하고 디지털을 아날로그 (D/A) 로 변환 필요

모뎀

디지털데이터 아날로그데이터

코덱

아날로그음성디지털데이터

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A/D A/D 변환 변환 D/A D/A 변환변환데이터 변환방식

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A/D A/D 변환과 변환과 D/A D/A 변환변환디지털 데이터의 아날로그 신호변조

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A/D A/D 변환과 변환과 D/A D/A 변환변환

A/D A/D 변환변환 : 아날로그를 디지털로 (A/D) 변환하기 위해 우선

신호를 샘플 (sample) 로 나누어야 한다 . 각 샘플은 디지털 부호로

표현되며 코드에서 샘플 주기가 작고 여러 개의 비트를 이용할수록

변환의 정확성이 증가 . 샘플율은 최소한 아날로그 신호가 작고

주파수의 2배가 되어야 한다 .

* 샘플링 / 변환

- Simultaneous 또는 flash 방법 : 입력 아날로그 신호는 동시에

샘플되고 변환됨 . 이 방법은 큰 신호를 처리하지 못함

- Stairstep-ramp 방법 : 신호의 연속적인 부분을 사용하고 , 아날로그

신호레벨과 일치하는 디지털 코드를 찾을 때까지의 단계를 사용

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- Tracking 방법 : 변환 속도를 증가시키기 위해 stairstep-ramp 방식과

같은 방법으로 시작하지만 그 대신 0 으로 바꾸고 필요한 값을 다시

계산하고 시작값의 마지막 값을 이용

- Slope 방법 : 시간 주기 상의 전압 증가를 따르며 , 변환기는 일치 할

때마다 전압증가에 따른 디지털 코드를 통해 계산하고 , 마지막

계산은 인코드된 디지털 신호로 사용

일반적으로 이진 가중치 입력 (binary weighted input) 과 R/2R ladder

시스템들은 디지털 신호를 아날로그로 역 변환하여 사용될 수 있다 .

A/D A/D 변환과 변환과 D/A D/A 변환변환

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다중화와 역다중화다중화와 역다중화

광섬유의 막대한 용랑은 여분의 공간을 만들기 위해 다중화

(Multiplexing) 와 역다중화 (Demultiplexing) 를 이용 .

- 다중화 : 동시에 여러 개의 신호를 광섬유로 보내는 것

- 역다중화 : 통신 시스템 수신단에서 신호의 일부분을 분리

DEMUX

MUX

입력

출력

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다중화와 역다중화다중화와 역다중화

파장 분할 다중화 (wavelength division multiplexing)

각 신호를 광섬유에 보내기 위해 빛의 파장을 분리한다 .

여러 파장들은 보통 수신단에서 쉽게 구별될 수 있도록 충분히 떨어져 있어야 하기 때문에 신호 전송에서 가능한 파장수는 둘 또는 셋으로 제한되어 있다 .

시간 분할 다중화 (time division multiplexing)

선택 후 전송 (select and send) 시스템을 사용하여 여러 개의 신호가 한 번에 하나씩 연속적으로 광섬유에 보내진다 .

송신기와 수신기가 전송에서 어떤 간격이나 지연 주기를 감지하지 않기 때문에 매우 빠르다 .

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다중화와 역다중화다중화와 역다중화

전송 매체 ∑ BPF

BPF

BPF

1

2

N

1

2

N

s() r( )

......

......

송신측 수신측

스캔 스캔전송 매체

버퍼

버퍼

버퍼

m1

m2

mN

m1

m2

mN

.

.

.

.

.

.

s(t) r(t)

파장 분할 다중화 (WDM) 와 시간 분할 다중화 (TDM) 의 블럭도

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다중화와 역다중화다중화와 역다중화

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다중화와 역다중화다중화와 역다중화

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▲ Optical multiplexing

mode-locked optical fiber soliton laser 에 의해 생성된 광펄스는 10Gbit/s 에서 광변조기의 최대속도와 매치되게 만들어 진다 .

PLC 를 이용한 광다중화기는 이 속도를 80Gbit/s 까지 증가시킨다 . PLC 는 평평한 회로기판에서 고도로 정밀한 광로를 만들 기 위해 NTT 가 개발한 특허기술이다 .

정밀한 광분할 회로를 지나면서 10 Gbit/s 의 광펄스는 2, 4

그리고 8 로 갈라지고 작은 시간 차이로 겹쳐져서 결국

안정적인 80Gbit/s 의 광신호를 만든다 .

다중화와 역다중화다중화와 역다중화

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▲ Optical demultiplexing

80Gbit/s 의 속도로 파이버를 통해 전송되는 광펄스는 너무 빠르기 때문에 전기신호로 바로 검파되지 않는다 . 그들은 nonl inear optical loop mirror 로 알려진 광회로를 이용해 역다중된다 . 80Gbit/s 의 광펄스 중 매 8번째의 펄스가 10Gbit/s 의 신호 로 만들어져 뽑아내진다 .

다중화와 역다중화다중화와 역다중화

▲ Multiplexer & Demultiplexer

각 분산 장치 (angular dispersive device) : 프리즘 (prism), 회절 격자 (diffraction gratings)

방향성 결합기와 마크 -젠더 간섭계 (directional coupler & Mach-Zehnder interferomter)

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▲ Grating-based demultiplexer using a conventional lens

다중화와 역다중화다중화와 역다중화

▲ Grating-based demultiplexer using a graded-index lens

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▲ Demultiplexer using a prism

다중화와 역다중화다중화와 역다중화

▲ Demulitplexer using a thin film

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▲ Layout of an integrated four-channel waveguide multiplexer based on Mach-Zehnder interferometers

다중화와 역다중화다중화와 역다중화

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▲ NTT 초고속 (80Gbit/s) 광 솔리톤 전송 시스템

다중화와 역다중화다중화와 역다중화

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솔리톤 전송시스템의 잠재가능성으로 인해 현재 여러 가지 실험시스템이 발표되고 있다 . 그 중에서도 NTT (Nippon Telegraph andTelephone Corporation) 는 80 Gbps 의 전송속도로 광 솔리톤을 500km거리까지 전송하는 장치를 성공적으로 만들었다 . 이러한 초 고속 장거리 전송은 새로운 regenerative-mode locked 광섬유 솔리톤 레이저와 PLC(planar lightwave circuit) 를 사용한 안정적인 광 다중기 , 그리고 nonlinear optical loop mirror 로 구성된 광 역다중기로 가능했다 . 80Gbit/s 의 전송속도로 500km 전송거리의 성취는 세계 최초이고 , 또한 보통의 리니어한 전송 계획에서 얻을 수 있는 결과보다도 뛰어난 것이다 . 이 실험에서의 80Gbit/s 전송속도의 성취는 100Gbit/s 의 속도로 가는 한 과정이고 , terabit 통신을 실현시키는 첫번째 타켓이 다 . 더 나아가 , 에러없는 500km 거리의 전송은 장거리 전송을 위한 새 기술의 응용

가능성을 보여준다 .

다중화와 역다중화다중화와 역다중화

▲ 솔리톤 광전송시스템 (Opticla soliton transmission system)