이진 신호의 유형

마지막 업데이트: 2022년 4월 6일 | 0개 댓글
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이진 신호의 유형

0과 1로 이루어진 이진 데이터를 전기 신호로 변환하기 위하여서 사용되는 계층은 물리 계층이다.

물결 모양을 그리는 신호를 말하며 전화 회선이나 라디오 방송에 사용되는 신호이다.

랜 카드

송신하여야할 데이터를 전기 신호로 변환하며, 전기 데이터를 이진 데이터로 변환하는 장치이다.

케이블의 종류와 구조

전송 매체

네트워크 구조에서 전기로 변환된 데이터가 흐르는 물리적인 선로를 말한다.

트위스트 페어 케이블 ( LAN Cable )

선로 내부에 가닥들을 꼬아놓은 것을 말한다.

구리 선 여덟 개를 두 개씩 꼬아 만든 네 쌍의 전선으로 실드로 보호되어 있지 않은 케이블이다.

금속 호일이나 금속의 매듭과 같은 것으로 외부에서 발생하는 노이즈를 막는 역할을 한다.

케이블에 전기 신호가 흐를 때 발생하는 현상으로 데이터 흐름에 영향을 준다.

구리 선 두개를 꼬아 만들어낸 전선을 실드로 보호하는 케이블이다.

구리 선 여덟 개를 같은 순서로 커넥터에 연결한 케이블이다.

구리 선 여덟 개 중 한쪽 커넥터의 1번과 2번에 연결되는 구리 선을 3번과 6번에 연결한 케이블이다.

리피터, 허브의 구조

일그러진 전기 신호된 신호를 복원 (정형)하고, 들어오는 신호를 증폭하는 네트워크 중계 장비이다.

실제로 통신하는 통로 (포트)를 여러 개 가지고 있는 네트워크 장비를 말한다.

리피터와 마찬가지로 전기 신호를 정형하고 증폭하는 기능을 한다.

여러 개의 포트를 가짐으로 컴퓨터 여러 대와 통신할 수 있다.

  • 하지만 특정 포트로 데이터를 받게 되면 모든 포트에게 같은 데이터를 전송한다.

데이터 링크 계층의 역할과 이더넷

데이터 링크 계층

네트워크 장비 간에 신호를 주고받는 규칙(일반적으로 이더넷)을 정하는 계층이다.

네트워크 기기 간에 데이터를 전송하고 물리 주소를 결정한다.

사무실이나 가정에서 일반적으로 사용되는 랜과 관련하여 가장 많이 활용되는 기술 규격이다.

허브나 스위치 등과 연결된 컴퓨터들이 데이터를 통신할 때 사용한다.

데이터를 한 번에 하나만 전송할 수 있는 채널에서 두 개 이상의 전송 장치가 동시에 패킷을 보냈을 경우 발생하는 현상이다.

충돌 도메인

충돌이 발생하였을 경우 그 영향이 미치는 범위를 말한다.

허브에서 충돌이 발생한다면, 그 허브를 통해 연결된 모든 단말기가 충돌 도메인이 된다.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

이더넷에서 사용하는 기술의 약어를 말하며, 충돌을 방지하기 위해 데이터를 보내는 시점을 늦추는 것을 말한다.

  • CS : 데이터를 보내려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르고 있는지 확인하여야 하는 규칙
  • MA : 케이블에 데이터가 흐르고 있지 않다면 데이터를 보낼 수 있는 규칙
  • CD : 충돌이 발생하고 있는지를 확인한다는 규칙

MAC 주소의 구조

MAC 주소

랜 카드가 제조될 당시에 새겨지는 주소로 물리 주소라고도 부른다.

각각의 기기가 유일한 번호로 할당되어 있기에 특정한 하나의 기기만을 식별할 수 있다.

MAC 주소는 48 Bit 로 이루어져 있다.

  • 전면부 24 Bit : 랜 카드를 만든 제조사의 번호
  • 후면부 24 Bit : 제조사가 랜 카드에 붙인 일련번호

TCP/IP 모델의 네트워크 계층 (OSI의 데이터 링크 계층)에서는 이더넷 헤더와 트레일러를 붙이게 되는데 이때 이더넷 헤더는 MAC 주소(6byte), 출발지 MAC 주소(6byte), 유형(2byte)으로 이루어진다.

유형? (16진수 데이터)

이더넷으로 전송되는 상위 계층의 프로토콜 종류를 나타낸다.

  • 0800 : IPv4
  • 0806 : ARP
  • 8035 : RARP
  • 814C : SNMP over Ethernet
  • 86DD : IPv6

FCS ( Frame Check Sequence, 트레일러)

데이터 전송 도중에 오류가 발생하는지 확인하는 용도로 사용된다.

이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 상태의 데이터를 프레임이라고 부른다.

스위치의 구조

스위치 (L2 Switch, Switching Hub)

네트워크 계층(데이터 링크)에서 동작하는 네트워크 장비를 말한다.

랜을 구성할 때 사용하는 단말기 간 스위칭 기능이 있는 장비로써, 단말기에서 특정한 다른 단말기로 패킷을 보내는 기능을 제공함으로써 통신 효율을 향상시킨다.

MAC 주소 테이블 (MAC address table)

스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되는 데이터베이스.

단말기가 프레임을 전송하면 MAC 주소 테이블을 확인한 후 없는 경우 등록하는 절차를 가진다.

→ 이를 MAC 주소 학습 기능이라고 부른다.

플러딩(flooding)

보내야 할 단말기의 주소 정보가 등록되지 않은 경우에는 연결된 포트로 데이터를 전송하는 것을 말한다.

보내야할 단말기의 주소 정보가 등록된 경우 해당 단말기에게만 프레임을 전송하게 되는 것을 말한다.

네트워크 계층에서 IP 주소를 MAC 주소로 변환하기 위하여 사용되는 프로토콜이다.

이더넷 프레임을 전송하려면 목적지의 MAC 주소가 필요하게 되는데, 해당 주소를 알지 못할 경우, 네트워크에 IP 정보를 가지고 브로드 캐스트를 진행하게 됨을 말한다.

ARP 요청 이후 해당 IP 정보를 가지지 않은 단말기들은 모두 요청을 무시하며, 해당 IP 정보를 가진 단말기만이 MAC

주소를 응답으로 보내게 된다. 데이터를 보내는 단말기는 ARP 응답으로 받은 MAC 주소를 이더넷 헤더에 추가함으로써 프레임을 만들고 전송할 수 있게 된다.

추가적으로 받은 MAC 주소를 IP 주소와 매핑하여, 메모리에 보관하게 되는데 이를 ARP 테이블이라 한다. 이후에는 해당 테이블 정보를 이용하여 프레임을 만들고 전송한다.

만약 다른 단말기의 IP 주소가 변경될 경우 MAC 주소도 함께 변경됨으로 데이터를 영구적으로 보관하지 않고, 보관 기간을 ARP 캐시를 이용하여 관리한다. (기간 만료 시에는 ARP 요청을 보낸다)

이진 신호의 유형

일반적으로 디지털 통신은 다음과 같은 장점이 있기 때문에 대부분의 통신분야에서 기존의 이날로그 방식이 점차석으로 디지털 방식으로 대체되고있다 .

o 문자 , 음성 , 영상 등 다양한 형태의 정보를 통합하여 전송할 수 있다 .

o 장거리 통신시에도 전송 품질이 양호하다 .

o 압축 기술을 이용하여 정보량을 줄일 수 있다 .

o 정보를 암호화할 수 있으므로 보안성이 좋다 .

PCM 과 DPCM 등의 정보원 부호화등의 엔트로피 부호화에 대하여 기술한다 .

PCM (Pulse Code Modulation) 은 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 가장 보편적인 정보원 부호화 방법이며 , PCM 의 절차는 다음과 같다.

o 표본화 : 연속적인 아날로그 신호로부터 일정한 간격으로 표본을 추출하여 이산 신호를 만드는 과정

o 양자화 : 표본의 값을 정수화하는 과정

o 부호화 : 양자화된 표본을 이진 코드 ( 디지털 데이터 ) 로 번힌하는 과정

표본을 많이 추출할수록 원래의 신호에 가깝게 재생이 가능하지만 정보량이 많아진다 .

반면에 표본의 수가 너무 작으면 정보량은 감소되지만 원래의 신호와는 상당한 차이가 발생한다 .

일반적으로 표본화율은 신호주파수 (fm) 의 2 배 이상으로 한다 (Nyquist 정리 )

양자화 과정에서는 표본들을 특정 레벨로 정수화한다 .

양자화레벨의 수는 표본을 몇 비트의 이진 코드로 부호화할 것인 지에 따라 다르다 .

예를 들어 , 각 표본을 8 비트의 이진 코드로 부호화하려면 양자화 레벨은 256 개가 된다 .

원래 신호와는 약간의 차이가 생기게 된다 . 이와 갈이 양자화 괴정에서 발생되는 오차를 양자화 잡음이라고 한다 .

일반적으로 양자화 레벨이 많을수록 레벨 간격이 좁아지므로 양자화 잡음은 감소되지만 정보량은 많아진다 .

따라서 , 디지털화하려는 아날로그 정보의 특성에 따라 양자화 레벨의 수를 선택하여야 이진 신호의 유형 한다 .

예를들어 , 음성의 경우에는 256 레벨 (8 비트 ) 로 양자화하여도 품질이 양호하지만 오디오 CD 의 경우에는 세밀한 음향효과가 요구 되기 때문에 정보량이 증가하더라도 65536 레벨 (16 비트 ) 로 양자화한다 .

양자화 방법은 다음과 같이 2 가지 형태로 구분된다 .

앙자화 리벨의 간격을 일정하게 하는 양자화

신호가 악한 부분에서는 레벨 간식을 좁게 하고 신호가 강한 부분에서는 레벨 간격을 넓게 하는 양자화 전화의 통계를 보면 사람들은 보편적으로 50% 정도의 시간 동안은 상당히 적은 목소리로 통화하고 약 15% 정도의 시간 동안만 비교적 큰 소리로 통화한다 .

이러한 음성 통화에 균일 양자화 방법을 채택한다면 대부분의 시간 동안 음성품질이 매우 열악해질 것이다 .

따라서 , 음성의 디지털화에는 일반적으로 비균일 양자화 방법이 사용되고 있다 .

아날로그 신호를 빠르게 표본화한다면 인접 표본들 간에는 큰차이가 없을것이다 .

따라서 , 표본 자체를 부호화하기 보다는 이전 표본과의 차이를 부호화하면 정보량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 동일한 비트 레벨로 양자화 한다면 더 정확하게 부호화할 수 있다 .

DPCM (Differential Pulse Code Modulation) 은 이러한 개념을 이용하여 아날로그 정보를 디지털 데이터로 변환하는 방법이다 .

DPCM 송수신측의 기능은 다음과 같다 .

o 송신측 : 이전 표본 들로부터 예측한 값과 입력 표본과의 차이 ( 예측오차 ) 를 양자화한 다음 부호화한다 .

o 수신측 : 예측기를 이용하여 예측한 값과 오차 신호를 합성하여 원래의 신호를 복원한다 .

DPCM 방식은 입력 신호가 너무 급격히 변하여 예측 오차가 큰 경우에는 경사 과부하 이진 신호의 유형 잡음이 발생하게 된다 .

이를 방지하기 위해 입력 신호의 변화에 따라 반응하는 적응식 양자화기와 적응식 예측기를 사용하는 방식이 ADPCM (Adaptive DPCM) 이다 .

학습목표 신호에 대한 이해와 그 종류를 파악한다. 디지털 신호의 생성 과정을 이해한다. 왜 디지털 신호를 사용하는지 이해한다.

Presentation on theme: "학습목표 신호에 대한 이해와 그 종류를 파악한다. 디지털 이진 신호의 유형 신호의 생성 과정을 이해한다. 왜 디지털 신호를 사용하는지 이해한다."— Presentation transcript:

1 학습목표 신호에 대한 이해와 그 종류를 파악한다. 디지털 신호의 생성 과정을 이해한다. 왜 디지털 신호를 사용하는지 이해한다. 다양한 디지털 신호처리의 응용분야에 대해서 알아본다.

2 목 차 1. 서론 2. 신호의 종류 3. 아날로그 신호의 디지털 신호처리 4. 응용 분야 2

3 Section 01 서론 신호와 신호 처리 신호 : 시 / 공간적으로 변화하는 물리량 (아날로그 신호, 디지털 신호)
신호 처리 : 목적에 맞게 가공하는 과정 1800 1900 2000 Fourier Series Riemann Integral Discrete Fourier Transform Sampling Theory Digital Control system Digital Computer Fast Fourier Transform Wavelet Transform [ 신호 처리의 역사와 발전 ]

4 Section 02 신호의 종류 신호의 종류 – 스칼라 신호 하나의 소스에 의해서 발생되는 신호
하나의 독립 변수로 표현할 수 있다. 수학적 표현 : (a) 음성 신호 (b) 심전도 신호 [그림 1-1] 1차원 신호의 예

5 Section 02 신호의 종류 신호의 종류 – 벡터 신호 두 개 이상의 소스에 의해서 발생되는 신호
두 개 이상의 독립 변수로 표현할 수 있다. 수학적 표현 : (a) 자연 영상 신호 (b) 초음파 영상 신호 [그림 1-2] 2차원 신호의 예 [그림 1-3] 3차원 신호의 예

6 Section 03 아날로그 신호의 디지털 신호처리
아날로그 신호의 디지털화 장 점 : 에러 검출 능력, 에러 복원 능력, 다양한 압축 알고리즘 존재 디지털 화 과정 : 샘플링(sampling), 양자화 (quantization) A/D 변환기에 의해 수행 (a) 아날로그 신호 (b) 샘플링에 의한 이산 신호 (b) 양자화에 의한 디지털 신호 [그림 1-4] 아날로그 신호로 부터 디지털 신호를 얻는 과정

7 Section 03 아날로그 신호의 디지털 신호처리
아날로그와 디지털 신호 아날로그 신호 : 연속 크기, 연속 시간 (예) 심전도(ECG), 뇌전도(EEG) 등 디지털 신호 : 이산 크기, 이산 시간 (예) 컴퓨터 이진 신호

8 Section 03 아날로그 신호의 디지털 신호처리
원하는 목적에 알맞은 결과를 얻을 수 있도록, 신호에 대해 시스템을 이용하여 교환, 변환, 가공, 전송, 저장 등을 가하는 행위 ▶ 해석 : 신호로부터 원하는 특정 정보를 빼내어 적절한 방법으로 표현 ▶ 합성 : 조절 신호에 의해 원하는 출력 신호를 발생 ▶ 변환 : 신호를 한 물리적인 형태로부터 다른 형태로 변환 ▶ 필터링 : 불필요한 성분을 제거하거나 바람직한 형태로 신호를 변형

9 Section 03 아날로그 신호의 디지털 신호처리
예시 ‘알리바바와 40인의 도둑’ 이야기에서 “열려라, 참깨”라는 암호로 동굴 문을 여는 장면을 현대판 보안 시스템으로 바꾸어 설명하라. ▶ 마이크(변환) : 음성 신호를 전기 신호로 변환 ▶ 필터(필터링) : 심한 바람소리를 걸러내고 사람 음성만 깨끗하게 뽑아냄 ▶ 암호해독기(해석) : 입력 신호가 “열려라 참깨”가 맞는지를 판별 ▶ 음성 합성(합성) : “출입을 승인합니다”라는 기계음을 발생

10 Section 04 응용 분야 다양한 응용 분야 디지털 시스템의 강점과 약점 에러 복원 능력이 뛰어남 노이즈에 강함
분류 영상처리 계측 및 제어 음성 처리 군용 통신 생체 신호 응용분야 패턴인식 로봇비전 위성 기상도 영상 압축 스펙트럼 해석 잡음 제거 음성 인식 음성 합성 디지털 오디오 에코 제거 Radar Sonar 미사일 제어 유/무선 통신 데이터 통신 화상 회의 환자 감시장치 MRI/CT/초음파 영상 진단기 ECG/EEG등 에러 복원 능력이 뛰어남 노이즈에 강함 압축 효율성이 뛰어남. 복제하기가 쉬워 도용 및 남용의 우려, 저작권의 보호가 쉽지 않다. 저작권 [그림 1-5] 디지털 영상에 대한 워터마킹 시스템의 예

이진 신호의 유형

아날로그 및 디지털 통신이론

아날로그 및 디지털 통신이론

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품목정보
출간일 2019년 06월 21일
쪽수, 무게, 크기 988쪽 | 190*240*40mm
ISBN13 9788970509815
ISBN10 897050981X

중고도서 소개

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목차 목차 보이기/감추기

CHAPTER 02 신호의 시간 영역 해석
2.1 신호 해석을 위한 기초 용어
2.1.1 시간평균과 직류값 및 실효값
2.1.2 전력과 에너지
2.1.3 주기와 주파수
2.2 신호의 유형 분류
2.2.1 연속시간 신호와 이산시간 신호
2.2.2 아날로그 신호와 디지털 신호
2.2.3 주기 신호와 비주기 신호
2.2.4 에너지 신호와 전력 신호
2.2.5 결정형 신호와 랜덤 신호
2.3 신호의 기본 연산
2.3.1 시간 천이
2.3.2 시간 반전
2.3.3 시간 척도 변경
2.4 신호 해석에 많이 사용되는 기본 함수
2.4.1 계단 함수
2.4.2 임펄스 함수
2.4.3 사각 펄스(구형파)
2.4.4 삼각 펄스
2.4.5 표본화 함수
2.4.6 정현파 함수
2.4.7 복소 정현파 함수
2.4.8 지수 함수
2.5 선형 시스템
2.5.1 시스템의 유형 분류
2.5.2 시스템의 시간 영역 표현
2.5.3 컨볼루션 적분
2.5.4 선형 시불변 시스템
2.6 상관 함수
2.6.1 신호의 유사성과 신호 검출
2.6.2 상호상관 함수
2.6.3 자기상관 함수
연습문제

CHAPTER 03 신호의 주파수 영역 해석
3.1 스펙트럼의 개념
3.2 직교 기저함수에 의한 신호의 표현
3.2.1 직교 벡터 공간
3.2.2 직교 함수 공간
3.3 푸리에 급수
3.3.1 복소 지수 함수형 푸리에 급수
3.3.2 삼각 함수형 푸리에 급수
3.3.3 스펙트럼의 특성
3.3.4 푸리에 급수 표현의 예
3.3.이진 신호의 유형 5 Parseval의 정리와 전력 스펙트럼
3.4 푸리에 변환
3.4.1 비주기 신호의 푸리에 변환
3.4.2 푸리에 변환의 성질
3.4.3 주기 신호의 푸리에 변환
3.5 스펙트럼 밀도
3.5.1 신호의 에너지와 에너지 스펙트럼 밀도
3.5.2 신호의 전력과 전력 스펙트럼 밀도
3.6 선형 시스템과 필터
3.6.1 선형 시스템의 입출력 관계와 주파수 응답
3.6.2 무왜곡 전송
3.6.3 필터
3.7 신호의 왜곡
3.7.1 선형 왜곡
3.7.2 비선형 왜곡
3.7.3 다중경로에 의한 왜곡
3.8 푸리에 변환의 디지털 연산
3.9 Matlab을 이용한 실습
연습문제

CHAPTER 04 진폭 변조
4.1 변조의 필요성
4.2 양측파대 억압 반송파 진폭 변조(DSB-SC; DSB)
4.2.1 DSB-SC 변조의 원리
4.2.2 DSB-SC 신호의 복조
4.2.3 변조기 구조
4.3 양측파대 전송 반송파 진폭변조(DSB-TC; AM)
4.3.1 DSB-TC 변조의 원리
4.3.2 DSB-TC 변조기 구조
4.3.3 DSB-TC 신호의 복조
4.4 단측파대 변조(SSB)
4.4.1 SSB 변조의 원리
4.4.2 SSB 변조기 구조
4.4.3 SSB 신호의 복조
4.5 잔류측파대 변조(VSB)
4.6 반송파 추적
4.6.1 위상동기 루프(PLL)와 AM 신호의 동기 검파
4.6.2 제곱법 소자를 이용한 반송파 추출과 DSB-SC 신호의 검파
4.6.3 Costas 루프를 이용한 동기 검파기
4.7 주파수분할 다중화와 수퍼헤테로다인 수신기
4.7.1 주파수분할 다중화(FDM)
4.7.2 수퍼헤테로다인 수신기
4.8 Matlab을 이용한 실습
연습문제

CHAPTER 05 각 변조
5.1 순시 주파수
5.2 각 변조
5.2.1 FM과 PM의 관계
5.2.2 각 변조된 신호의 특성
5.3 각 변조된 신호의 대역폭
5.3.1 협대역 각 변조
5.3.2 광대역 각 변조
5.4 FM 신호의 생성
5.4.1 간접 생성 방법
5.4.2 직접 생성 방법
5.5 FM 신호의 복조
5.6 각 변조 시스템에서 잡음의 효과
5.7 FM 스테레오
5.8 Matlab을 이용한 실습
연습문제

CHAPTER 06 확률변수와 랜덤 프로세스
6.1 확률의 개념
6.1.1 상대 빈도와 확률
6.1.2 상호배반 사건의 확률
6.1.3 조건부 확률과 Bayes 법칙
6.2 확률변수
6.2.1 이산 확률변수와 연속 확률변수
6.2.2 확률분포함수(누적분포함수)
6.2.3 확률밀도함수
6.2.4 결합 확률분포
6.3 통계적 평균
6.4 주요 확률분포
6.4.1 균일 분포
6.4.2 가우시안 분포
6.4.3 레일리 분포
6.4.4 라이시안 분포
6.4.5 이항 분포
6.5 랜덤 프로세스
6.5.1 통계적 평균과 상관 함수
6.5.2 랜덤 프로세스의 정상성
6.6 랜덤 프로세스의 전력 스펙트럼 밀도
6.7 대역통과 랜덤 프로세스
6.8 백색 잡음
6.9 Matlab을 이용한 실습
6.9.1 확률변수
6.9.2 랜덤 프로세스
연습문제

CHAPTER 07 펄스 변조와 펄스부호 변조
7.1 표본화
7.1.1 이상적인 표본화
7.1.2 실용적 표본화
7.2 펄스 변조
7.2.1 펄스진폭 변조(PAM)
7.2.2 펄스폭 변조(PWM)
7.2.3 펄스위치 변조(PPM)
7.3 시분할 다중화(TDM)
7.4 펄스부호 변조(PCM)
7.4.1 양자화
7.4.2 비선형 양자화와 압신
7.4.3 PCM 신호의 대역폭과 SNR
7.4.4 PCM 시스템
7.4.5 T1 다중화 시스템
7.5 차동 펄스부호 변조(DPCM)
7.5.1 선형 예측
7.5.2 DPCM 시스템
7.5.3 SNR 개선 효과
7.6 델타 변조(DM)
7.6.1 델타 변조 시스템의 구조
7.6.2 델타 변조의 문제점
7.6.3 적응 델타 변조(ADM)
7.7 Matlab을 이용한 실습
연습문제

CHAPTER 08 디지털 데이터의 기저대역 전송
8.1 라인 코딩
8.1.1 NRZ 방식
8.1.2 RZ 방식
8.1.3 맨체스터 방식
8.1.4 라인 코딩 방식의 비교
8.2 통신 채널의 영향
8.2.1 잡음 및 대역제한 필터의 효과
8.2.2 눈 다이어그램
8.3 심볼 간 간섭과 펄스정형
8.3.1 펄스정형
8.3.2 상승 여현 펄스정형
8.4 Matlab을 이용한 실습
연습문제
[부록] 랜덤 펄스열의 전력 스펙트럼 밀도 60317 차례

CHAPTER 09 디지털 수신기와 잡음 환경하에서의 성능
9.1 NRZ 신호의 검출
9.2 정합 필터와 일반 이진 신호의 검출
9.2.1 정합 필터
9.2.2 정합 필터를 이용한 신호의 검출
9.2.3 상관 수신기
9.3 최적 수신기
9.4 수신기의 비트오율 성능
9.5 Matlab을 이용한 실습
연습문제

CHAPTER 10 디지털 대역통과 변조
10.1 진폭천이 변조(ASK)
10.1.1 ASK 신호의 발생
10.1.2 ASK 신호의 동기식 복조
10.1.3 ASK 신호의 비동기식 복조
10.2 주파수천이 변조(FSK)
10.2.1 FSK 신호의 발생
10.2.2 FSK 신호의 동기식 복조
10.2.3 FSK 신호의 비동기식 복조
10.3 위상천이 변조(PSK)
10.3.1 BPSK 신호의 발생
10.3.2 BPSK 신호의 복조
10.3.3 반송파 복구와 반송파 위상의 모호성
10.4 차동 위상천이 변조(DPSK)
10.4.1 차동 부호화
10.4.2 DPSK 신호의 복조
10.5 Matlab을 이용한 실습
연습문제

CHAPTER 11 M-진 변조
11.1 대역통과 신호의 표현
11.2 직교 위상천이 변조
11.2.1 QPSK
11.2.2 OQPSK
11.2.3 QPSK의 비트오율 성능
11.3 최소천이 변조(MSK)
11.3.1 MSK 변조기
11.3.2 MSK의 비트오율 성능
11.3.3 MSK 신호의 전력 스펙트럼
11.4 M-진 진폭천이 변조(MASK)
11.4.1 MASK 송수신기
11.4.2 MASK의 비트오율 성능
11.5 M-진 주파수천이 변조(MFSK)
11.5.1 MFSK
11.5.2 동기식 MFSK 복조와 비트오율 성능
11.5.3 비동기식 MFSK 복조
11.6 M-진 위상천이 변조(MPSK)
11.7 QAM
11.8 Matlab을 이용한 실습
연습문제

CHAPTER 12 이진 신호의 유형 광대역 전송
12.1 대역확산 통신
12.1.1 대역확산 통신의 개념
12.1.2 직접부호열(DS) 대역확산 시스템
12.1.3 주파수도약(FH) 대역확산 시스템
12.1.4 PN 코드
12.1.5 PN 코드의 동기화
12.2 직교 주파수분할 다중화(OFDM)
12.2.1 OFDM의 기본 원리
12.2.2 보호 구간과 순환 확장
12.2.3 OFDM 송수신기 구조
12.2.4 OFDMA
연습문제

CHAPTER 13 채널 코딩
13.1 오류 제어 기법
13.1.1 ARQ 시스템
13.1.2 FEC 시스템
13.1.3 오류 검출/정정 능력
13.2 선형 블록 코드
13.2.1 발생기 행렬
13.2.2 패리티 검사 행렬
13.2.3 신드롬 검사
13.3 인터리빙
13.4 블록 코드의 예
13.4.1 Hamming 코드
13.4.2 확장 Golay 코드
13.4.3 BCH 코드
13.4.4 Reed-Solomon 코드
13.5 컨볼루션 코드
13.5.1 컨볼루션 코딩
13.5.2 컨볼루션 부호화기의 표현
13.5.3 컨볼루션 코드의 복호
13.5.4 경판정 복호와 연판정 복호
13.6 연접 코드
13.7 터보 코드
13.7.1 터보 부호화기 구조
13.7.2 재귀 조직 컨볼루션(RSC) 부호화기
13.7.3 RSC 부호화기의 꼬리 이진 신호의 유형 비트
13.7.4 터보 코드의 복호
13.8 LDPC 코드
13.8.1 LDPC 코드 개요
13.8.2 LDPC 코드의 구성
13.8.3 Tanner 그래프
13.8.4 LDPC 코드의 복호
연습문제

저자 소개 (1명)

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과거 사람과 사람 사이의 음성 위주 통신 서비스가 진화하여 사람과 사물 또는 사물과 사물 간의 정보 교환까지 아우르는 데이터 통신 네트워크를 기반으로 돌아가는 사회가 만들어지고 있다. 정보통신 기술은 현대 사회를 구축하는 필수 요소기술로 받아들여지고 있으며, 과거에는 다른 분야로 여겨졌던 산업체에 종사하는 기술인들도 어느 정도 필수로 알고 있어야 하는 기술이 되었다. 이 책은 신호와 이진 신호의 유형 시스템에 대한 기초 지식이 있으면 큰 어려움 없이 통신이론을 이해할 수 있도록 쓰여졌다. 그러나 단순한 통신 원리의 설명이 아니라 통신 시스템의 분석이나 설계를 위한 연구에 대해 입문의 역할을 하도록 쓰여졌다. 이론 설명에 동반하여 MATLAB을 이용한 실습을 통하여 통신 신호처리 과정에 대한 이해도를 높이고, 통신 시스템의 성능을 분석하는 방법을 습득할 수 있도록 하였다.

개정판에서 추가되거나 달라진 부분

- 대역확산 통신을 다루었던 12장을 광대역 전송으로 단원 명칭을 변경하고 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 기술 내용을 추가하였다. 내용 추가에 따라 12장의 구성을 1절은 대역확산 통신, 2절은 OFDM으로 변경하였다.
- 채널 코딩을 다루는 13장에는 터보 코드(turbo code)와 LDPC(low density parity check) 코드를 추가하였다.
- MATLAB 실습 내용을 보완하였다. 구체적으로 확률변수와 랜덤 프로세스(6장), 펄스 변조와 펄스부호 변조(7장)에서 실습 예제를 추가하였다.
- 신호와 시스템 기초 이론을 다루는 2장과 3장의 내용을 보완하였다. 시간 영역 및 주파수 영역 신호와 시스템 해석에 대한 기초가 약한 학생들이 통신이론을 좀더 쉽게 접할 수 있도록 핵심 내용을 정리하였다.
- 각 장의 연습문제를 대폭 개정하였다. 기존 연습문제 내용의 변화와 함께 새로운 문제들을 추가하였다.

이 책의 구성과 특징

이 책의 개정판 작업에서 지향했던 것은 통신이론의 기초를 이루는 시간 영역 및 주파수 영역의 시스템 해석 기법을 초보자가 다가가기 쉽도록 정리하는 것과 현재의 무선/이동통신 표준에 적용되어 있는 기술을 추가하여 보완하는 것이었다. 2~3세대 이동통신에서 적용된 CDMA 이론에 더하여 4~5세대 이동통신에 적용되어 있는 OFDM 기술을 소개하였으며, 채널 코딩을 다룬 장에서는 터보 코드와 LDPC 코드에 대한 기초 이론을 추가하였다.
정보의 디지털화에 따라 정보 전송도 디지털 통신을 기반으로 한 방식이 주 관심사가 되었지만 디지털 통신도 아날로그 통신을 근본으로 하고 있다. 또한 아날로그 정보나 디지털 정보나 실제로 정보 신호를 실어 나르는 통신 매체는 아날로그 시스템으로 표현된다. 이와 같은 이유로 연속시간 신호 및 시스템의 기초 이론이 필요하며, 디지털 통신을 이해하기 위하여 아날로그 통신의 기본원리가 필요하다. 따라서 이 책에서는 먼저 통신이론을 이해하기 위한 기초 지식으로 신호와 시스템에 대해 복습을 하고, 아날로그 통신이론을 살펴본 다음 디지털 통신이론을 다루고 있다.
아날로그 통신에서는 수신기에서 송신측의 메시지 신호 파형과 가능한 한 동일한 신호 파형을 재생하고자 한다. 따라서 원래의 신호 파형과 수신기에서 재생한 신호 파형이 얼마나 유사한지가 통신방식의 성능을 결정하는 주요 지표가 된다. 이에 비하여 디지털 통신 시스템의 수신기에서는 송신 신호와 동일한 파형을 복구해내는 것이 중요한 것이 아니라 1에 해당하는 신호가 왔는지 0에 해당하는 신호가 왔는지를 구별해내는 것이 중요하다(이진 통신의 경우). 즉 디지털 정보 1 또는 0을 정확히 판별해내는가가 중요하다. 따라서 디지털 통신 시스템의 성능 평가에서는 디지털 정보를 전송했을 때 수신기에서 판정오류가 발생하는 확률을 주요 지표로 삼는다. 이러한 이유로 이 책에서 디지털 통신이론을 전개하기에 앞서 확률과 랜덤 프로세스 이론을 다룬다.
이 책에 서는 MATLAB 실습을 통하여 통신 과정의 이해도를 높이고자 하였으며, MATLAB 프로그램에 익숙하지 않은 학생들을 위하여 예제 프로그램을 같이 수록하였다. 예제 프로그램을 포함하여 실습 과정에서 많이 호출하는 함수들을 출판사 홈페이지를 통해 다운로드할 수 있도록 하였다.

1장에서는 개관적인 통신 시스템의 모델과 아날로그 및 디지털 통신 시스템의 구성 요소들에 대해 살펴본다. 아날로그 정보 신호를 디지털 통신으로써 전송하기 위해 처리하는 과정을 알아본다. 또한 통신 시스템을 설계할 때 기본적으로 고려해야 할 요소로 신호 대 잡음의 비와 대역폭, 채널 용량 등의 개념을 정리한다.
2장과 3장에서는 신호와 시스템에 대한 기초를 다루고 있는데, 시스템과 입출력을 통신채널과 송수신 신호의 관점에서 요약정리를 한다. 2장에서는 시간 영역에서의 신호 해석을 위한 기초 이론을 다루는데, 신호의 시간 영역 연산과 선형 시스템의 입출력 관계, 상관함수 등이 주요 내용이다. 3장은 주파수 영역에서 신호를 표현하고 분석하는 방법을 다루는데, 신호를 직교 함수의 선형조합으로 표현하는 방법을 설명하고, 이를 토대로 하여 신호의 푸리에 급수와 푸리에 변환을 유도하여, 신호가 가진 주파수 성분, 즉 스펙트럼의 의미를 이해할 수 있도록 하고 있다. 통신 채널을 시스템으로 보고 무왜곡 전송을 위한 조건과, 이 조건이 만족되지 못할 때 어떠한 형태의 왜곡이 발생하는지 설명한다.
4장과 5장에서는 아날로그 변조 방식으로 각각 진폭 변조와 각 변조를 다룬다. 4장에서는 진폭 변조의 여러 세부 방식들의 원리를 알아보고, 시간 영역 및 주파수 영역에서 변조 방식의 특성을 살펴본다. 5장에서는 각 변조의 두 가지 부류인 주파수 변조와 위상 변조에 대해 변조 원리와 두 방식의 상호 관계 및 특성을 알아본다.
6장에서는 디지털 통신 시스템을 분석하기 위한 기초로 확률변수와 랜덤 프로세스를 다룬다. 먼저 확률변수의 개념과 통계적 평균의 의미, 그리고 통신 시스템의 분석에 빈번하게 나오는 주요 확률분포들에 대해 설명한다. 불확실성이 포함된 신호 또는 잡음을 모델링하는 랜덤 프로세스의 개념을 알아보고, 이러한 신호가 존재하는 통신 시스템의 주파수 영역 해석 방법을 살펴본다.
7장에서는 펄스 변조와 펄스부호 변조를 다루는데, 이를 위한 기초로 표본화와 양자화에 대해 먼저 알아본다. 펄스 변조는 아날로그 신호를 표본화하여 전송하지만 전송신호의 파라미터 값이 연속적인 값을 가지므로 아날로그 변조에 속한다. 펄스부호 변조(PCM)는 신호의 표본값을 양자화하고 부호화하여 전송하는 방식으로 디지털 전송의 기본 방식이 되어 있다. 디지털 전송의 단점인 넓은 대역폭 요구사항을 해결하는 방식으로 차동 펄스부호 변조(DPCM)와 델타 변조(DM)의 원리를 PCM에 이어 설명한다.
디지털로 표현된 정보를 전송하는 방식을 8장, 10장, 11장에서 다루고 있는데, 기저대역 전송은 8장의 주제이고, 반송파에 실어서 전송하는 대역통과 변조는 10장과 11장의 주제이다. 대역통과 변조에 대해 다시 이진(binary) 변조는 10장에서 다루고, M-진 변조는 11장에서 다룬다. 디지털 변조된 신호에 대한 수신기의 구조와 잡음하에서의 수신기 성능을 9장에서 알아본다. 디지털 통신 시스템의 수신기는 여러 형태의 구조가 가능한데 잡음에 대한 내성이 수신기 이진 신호의 유형 구조에 따라 다르다. 잡음이 더해진 신호가 입력될 때 출력단에서의 신호 대 잡음비를 최대화하는 필터로서 정합필터(matched filter)에 대해 알아보고, 이 정합필터가 비트오류 확률을 최소화하는 최적 수신기가 된다는 것을 설명한다. 9장에서 살펴본 정합필터 수신기는 8장의 기저대역 신호뿐만 아니라 10장 및 11장에서 다루는 일반적인 디지털 통신 시스템에 적용할 수 있다.
10장에서는 이진 디지털 대역통과 변조를 다루는데, 이진 데이터에 따라 반송파의 진폭을 변화시키는 진폭천이 변조(ASK), 반송파의 주파수를 변화시키는 주파수천이 변조(FSK), 그리고 반송파의 위상을 변화시키는 위상천이 변조(PSK)에 대해 송수신기 구조와 스펙트럼 특성, 비트오류 확률 등을 살펴본다.
디지털 통신의 단점 중의 하나로 넓은 채널 대역폭이 요구된다는 것을 들 수 있는데, 이를 극복하는 한 가지 접근 방법은 소스코딩을 사용하여 데이터를 압축하는 방법을 들 수 있고, 다른 접근 방법은 대역폭 효율이 높은 변조 방식을 사용하는 것을 들 수 있다. 11장에서는 데이터 비트별로 두 개의 신호 파형을 대응시키는 이진 통신을 일반화하여 여러 비트로 구성된 심볼 단위로 M개의 신호 파형을 대응시키는 M-진 변조 방식을 다룬다. 반송파의 진폭, 주파수, 위상을 M개로 확장한 MASK, MFSK, MPSK 변조와 반송파 진폭과 위상을 모두 변화시키는 QAM 변조 등에 대해 스펙트럼 특성과 비트오율 성능 등에 대해 설명한다.
12장 이전에서는 가능하면 전송 대역폭이 작은 것을 지향하는 변조 방식을 다루는 데 비해 12장에서는 광대역을 사용하여 전송하는 방식을 다룬다. 12장의 구성은 대역확산 통신과 직교 주파수분할 다중화(OFDM)로 되어 있다. 대역확산 통신은 의사잡음(PN) 코드를 사용하여 고의적으로 대역폭을 확장시켜 전송하는 방식으로 대역폭 확산으로 얻는 장점에 대해 알아본다. OFDM은 데이터열을 직병렬 변환하여 다수의 반송파로 전송하는 기술로 다중경로 채널에서 유리하다. OFDM의 특성과 구현 방법에 대해 알아본다.
13장에서는 정보 데이터를 가공하여 채널을 통과하면서 발생한 오류를 검출하거나 정정하는 채널 코딩 기법을 다룬다. 채널 코드의 대표적인 부류로서 블록 코드와 컨볼루션 코드에 대해 부호화 및 복호화 과정, 이로부터 얻는 성능개선 효과에 대해 살펴본다. 근래에 주목받고 있는 방식으로 터보 코드와 LDPC 코드의 원리에 대해 알아본다.

이진 신호의 유형

[01] PLC 기초 강좌

1. PLC

현재 프로그래머블 로직 컨트롤러 (PLC) 는 모든 자동화의 핵심이라 할 수 있습니다 .

작업 정의에 따라 PLC 를 사용하여 다양한 자동화 작업을 경제적으로 수행할 수 있습니다 .

2. PLC 의 구조 및 기능

2.1. 제어 엔지니어링의 신호 유형

컨트롤러는 인코더 신호에 따라 지정된 기능 순서로 기계 또는 플랜트의 개별 작업을 제어하는 역할을 합니다 .

입력과 출력에 사용되는 전기 신호는 기본적으로 다음 두 개 그룹으로 나눌 수 있습니다 .

2.1.1. 이진 신호

이진 신호는 단 2 개 신호 상태만 있습니다 .

신호 상태 '1' = 전압 허용 = 예 : 스위치 ON

신호 상태 '0' = 전압 없음 = 예 : 스위치 OFF

제어 엔지니어링에서는 많은 경우 24V 직류가 ' 제어 전압 ' 으로 사용됩니다 .

따라서 입력 터미널의 전압이 24V 이상인 경우 이 입력의 신호 상태는 '1' 이란 의미입니다 . 반대로 0V 는 신호 상태 '0' 을 의미합니다 .

이러한 스위칭 기능 (a 접점 ) 을 ' 활성 0(active 0)' 또는 ' 하위 활성 (active low)' 이라고 합니다 .

반대로 메이크 접점 (b 접점 ) 은 ' 활성 1(active 1)' 또는 ' 상위 활성 (active high)' 입니다 . 즉 , 활성화되었을 때 신호 '1' 을 전송합니다 .

기본적으로 신호 인코더는 ' 활성 0' 입니다 . ' 활성 1' 인코더의 전형적인 예는 비상 정치 버튼입니다 . 미작동 상태 , 즉 비상 정치 버튼이 눌려지지 않은 상태인 경우 비상 정지 버튼은 항상 전류를 흘려 보냅니다 . 다시 말해 연결된 입력 ( 단선 연동 장치 ) 에 신호 '1' 을 전달합니다 .

비상 정지 버튼을 작동하여 예를 들어 모든 밸브 폐쇄와 같은 특정 반응을 실행하려면 신호 상태 '0' 으로 트리거 해야 합니다 .

2 진수 : 이진 신호도 단 2 개 값 ( 신호 상태 ), '0' 또는 '1' 만 있습니다 . 이 이진 신호를 2 진수라고 하며 ' 비트 ' 라고 부릅니다 .

특정 지정 ( 코드 ) 에 따라 여러 개의 이진 신호가 조합되면 디지털 신호가 됩니다 .

이진 신호 1 개는 도어 열기 / 도어 폐쇄와 같은 2 개 값 변수만 기록할 수 있는 반면 이진 신호를 결합하면 번호 또는 숫자를 디지털 정보로 생성할 수 있습니다 .

n-2 진수를 조합하여 2n 의 다른 조합으로 표시할 수 있습니다 .

예를 들어 2 개 2 진수 2 x 2 로 서로 다른 정보 내용을 4 개 표기할 수 있습니다 .

0 0 정보 1 (예를 들어 두 스위치 모두 개방)

0 1 정보 2 (스위치 1 폐쇄/스위치 2 개방)

1 0 정보 3 (스위치 1 개방/스위치 2 폐쇄)

1 1 정보 4 (두 스위치 모두 폐쇄)

2.1.2. 아날로그 신호

이진 신호는 단 2 개의 신호 상태 , 즉 전압 존재 '24V 이상 전압 존재 ' 와 '0V 로 전압 없음 ' 만 가질 수 있는 반면 아날로그 신호는 특정 범위 내에서 어떤 값이든 가질 수 있습니다 .

아날로그 인코더의 전형적인 예로 전위차를 들 수 있습니다 . 로터리 스위치의 위치에 따라 최대값까지 모든 저항이 설치 가능합니다 .

제어 엔지니어링에 다음과 같은 아날로그 변수 등이 사용됩니다 .

􀂄 유량 : 0 ~ 200 l/min

􀂄 속도 : 500 ~ 1500 r/min

트랜듀서를 사용하여 이 변수들을 전압 , 전류 또는 저항으로 변경할 수 있습니다 . 예를 들어 속도를 기록하는 경우 500 ~ 1500 r/min 속도 범위를 트랜듀서를 통해 0 ~ +10V 전압 범위로 바꿀 수 있습니다.

측정된 속도가 865 r/min 인 경우 트랜듀서가 판독하는 전압은 +3.65V 입니다 .

PLC 로 아날로그 값을 처리하려면 입력된 전압 값, 전류 값 또는 저항 값을 디지털 정보로 변경해야 합니다. 이러한 변환을 아날로그-디지털 변환(A/D 변환)이라고 합니다.

예를 들어 전압 값 3.65V 는 일련의 2진수 형식의 정보로 저장됩니다.

디지털 디스플레이에 사용되는 2진수의 수가 많을수록 해상도는 더 정밀해집니다. 예를 들어 0 ~ +10V 의 전압 범위에서 1비트만 사용할 수 있는 경우 측정된 전압이 0 ~ +5V 또는 +5V ~ +10V 범위 안에 있는지 여부만 확인할 수 있습니다.

2비트를 사용하면 전압 범위를 0 ~ 2.5V, 2.5 ~ 5V, 5 ~ 7.5V, 7.5 ~ 10V, 이렇게 4 개의 범위로 나눌 수 있습니다.

일반적인 A/D 변환기는 8 비트 또는 11 비트를 사용하여 변환합니다 .

이 경우 8 비트는 총 256 개 개별 범위를 가진 해상도를 , 11 비트는 총 2048 개 개별 범위를 가진 분해능을 제공합니다 .

Q64AD, Q68AD 또는 Q64DA, Q68DA 에서는 15비트 2^15=32768개 분해능을 제공 한다. (16비트 부호 부착 바이너리)


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