기본이론 - 정보전송(9) - RZ, 라인코드, 나이퀴스

아래 내용중 중요한 개념과 단어 설명은 TTA 한국정보통신기술협회 및 용어 설명 사이트를 참고하였습니다.

wiki와 copilot의 도움도 받았습니다.

https://terms.tta.or.kr/main.do

http://www.ktword.co.kr/index.php

 

 <목차>

1. RZ, NRZ, NRZI
2. Manchester Code
3. Channel Coding
4. 나이퀴스트, 샤논 정리

 

1. RZ, NRZ, NRZI (선로부호)

    (1) RZ (Return to Zero) 방식 : 레벨 복귀
        - 신호중 1(High) 신호가 들어왔을 경우 1 레벨 유지 후 곧바로 0(Low) 신호로 복귀
        - 비트 펄스 사이에서 반드시 일정시간 동안 0 레벨을 유지한 후 다음 신호를 전송
        - 대역폭 : 1 (64Kbps 전송율인 경우 대역폭은 64KHz) 

        - 회로구성이 복잡하다. 신호구분과 동기추출이 쉽다.

        - 직류성분이 NRZ보다 적음.

    (2) NRZ (Non Return to Zero) 방식 : 레벨 유지
       - 1 또는 0을 나타내는 하나의 펄스파형 시간 간격을 하나의 주기와 같게한 선로부호
       - NRZ-L 이라고도 한다

       - 대역폭 : 1/2

       - 회로구성이 간단하다. 신호구분과 동기추출이 어렵다.

       - 직류성분 있음.

 

    (3) NRZi / NRZI / NRZ-I (Non Return to Zero Inverted on ones) 방식 : 레벨 반전
       - 0 또는 1 이 연속 나타날 때 수신측 비트 동기의 어려움을 피하고자 한 방식
       - 0 : 이전 레벨 유지, 1 : 반전       
       - NRZ-M (0 : 이전 레벨 유지, 1 : 반전) 
       - NRZ-S (0 : 반전, 1 : 이전 레벨 유지)

 

 

양극성 RZ와 NRZ

 

    * 라인코딩 : 디지털 신호를 전송로 특성에 맞는 전기적인 펄스열로 변환하는 과정을 말한다.

         - 다치형 (Multilevel) : 3 이상의 전압 레벨을 사용하는 경우
            2B1Q (2 Binary 1 Quartenary)         : xDSL, ISDN 등
            MLT-3 (Multilevel Threshold 3 level) :  100BASE-TX 

    * 소스코딩 : 정보의 효율적 전송을 위해 전송 정보에서 불필요 정보를 제거하거나 압축하는 기법

    * 채널코딩 : 디지털 전송 신호에 부수적인 잉여 비트를 삽입하여 에러를 검출하는 기법

 

 

2. Manchester Code (맨체스터 코드)

   수신측 동기화의 용이성을 강조하도록, 비트 중간에 극성 변화가 있게한, 선로부호 방식이다.

  기저대역 전송부호의 한 종류로서 디지털정보를 디지털신호로 변환한다.

맨체스터 신호의 극성 및 논리상태값

 

    특징 : 직류성분 없음(DC Balance 됨). 수신동기 쉬움

              대역폭 - NRZ의 2배. 

              자기 기록 장치, LAN 이더넷(10Mbps Ethernet) 에서 주로 사용

              

 

3. Channel Coding

    위에서 설명한 채널코딩을 말한다. 송신원에서의 신호 변환 과정이다.

   1) 블록 코드(Block Code) 형태  =>  블록 부호화 (Block Coding)
       - 특징 : 부호화기가 메모리(기억성) 없음
       - 블록부호 종류 : Linear Code (선형 부호), Cyclic Code (순회 부호)
       - 부호화 표현   : 생성 행렬에 의함
       - Hamming Code, Reed-Solomon Code 방식 등이 있다.

   2) 비블록 코드(Non-Block Code) 형태  =>  콘볼루션 부호화 (Convolutional Coding)
       - 특징 : 부호화기가 메모리(기억성) 있음     
       - 블록 코드 방식과의 근본적인 차이로써 부호화기가 메모리를 갖고 있음
          즉, 코드화시킬 때 현재 입력되는 신호 및 과거의 일부 신호를 함께 활용
       - 부호화 표현 : 생성 다항식에 의함
       - Viterbi Code, Turbo Code 방식 등이 있다.

 

  * redundancy : 정보의 전송에서 정확을 기하기 위해 원래의 정보에 추가로 덧붙이는 정보.

 

 

4. 나이퀴스트, 샤논 정리

   1) 샤논의 정리 (잡음 채널)

       a. 샤논 제1정리 (Source Coding Theorem, 정보원 부호화 정리, 원천 부호화 정리)
          - 무손실 압축의 하한을 제시
          - 정보원 평균부호길이 L의 하한은 정보원 엔트로피 H가 됨, 즉,  L ≥ H  
          - 결국, 평균코드길이를 얼마까지 줄일 수 있을까하는 소스부호화 문제 임

      b. 샤논 제2정리 (Channel Coding Theorem, 채널 부호화 정리) 
          - 어떤 한계(용량) 내에 오류확률을 줄일 수 있는 부호화 및 변조 기법이 반드시 존재함을 알려줌
            즉,  R < C  (R : 정보 전송률, C : 채널용량)
          - 오류없이 메세지를 전송할 수 있는 (신뢰적 통신을 위한),
            `전송률의 한계` 및 그에 걸맞는 `채널 부호화`가 반드시 존재함을 보여줌
          - 결국 좋은 코드, 변조의 존재 만을 알려줄 뿐, 그 코드, 변조를 찾는 방법은 알려주지 않음
 

     c. 샤논 제3정리 (Information Capacity Theorem)
          - 주어진 채널을 통해 신뢰성 있게 전달할 수 있는 최대 정보량
          - C(채널용량)  =  Wlog₂(1 + S/N) [bps]
          - 정보 전송률의 한계를 3개의 파라미터들로 정의함 
            (W : 가용 대역폭, S : 수신 신호 전력, N : 잡음 전력)

     d. 샤논 정리의 의의
         - 샤논의 정리는 정보이론(Information Theory)의 기초가 됨
           최적의 통신시스템 설계에 대한 이론적 근거를 제시

         - 정보의 측정(정보량) 및 전송 제약/한계(채널용량)에 대한 이론 제시
         - 정보 이론, 코딩 이론이라는 학문분야의 시초가 됨

 

   2) 나이퀴스트 정리 (무잡음 채널)

       - 나이퀴스트는 임의의 신호가 대역폭의 저역 통과 필터를 통과할 때, 필터링된 신호는 초당 2*대역폭(정확한) 샘플만 생성하면

         완전히 복원될 수 있음을 증명했음.

         초당 2*대역폭보다 빠르게 회선을 샘플링하는 것은 무의미한데, 그러한 샘플링으로 복구할 수 있는 고주파 성분은 이미 필터

        링되었기 때문. 신호가 L개의 이산 레벨로 구성된 경우, 나이퀴스트 정리는 아래와 같다.

       - C(채널용량)  =  2Wlog₂M [bps]

          (W : 가용 대역폭, M : 상태변화,신호레벨의 수)

 

 

< 통신 속도 정리 >

   baud : 변조속도 - 초당 신호변화의 수

   bps : 신호속도 - 초당 전송 비트 수

   word/s : 초당 전송할 수 있는 문자 수