Signal Encoding Techniques

디지털 데이터를 디지털 신호로 변환 Encoding

신호를 전송 가능한 형태(특정 주파수, 펄스 등)로 변환 Modulation

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Digital Data, Digital Signal

디지털 신호(Digital Signal)

이산적(discrete)이고 불연속적인 전압 pulse의 시퀀스

각 펄스는 하나의 signal element

binary data는 data bit를 signal element(0, 1)로 인코딩하여 전송됨

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용어들

Unipolar: 모든 신호 요소가 동일한 부호(sign)

polar: 하나의 logic state는 positive or negative 전압에 의해 표현

Duration or length of a bit: 비트를 보내는 데 걸리는 시간

Modulation(Signaling) rate

: signal level이 바뀌는(신호 요소들이 전송되는) rate, signal elements per sec(baud)

Mark / Space: 각각 1 / 0

Data element: Bits ( != signal element)

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Digital Signal Encoding Formats

Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)

0 = high level

1 = low level

Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)

0 = interval(구간)의 시작(beginning) 시 transition(change) 없음

1 = 구간 시작 시 transition

Bipolar-AMI

0 = no line signal

1 = positive or negative 레벨(전압)으로 나타남

Pseudoternary

Bipolar-AMI와 반대

Manchester

0 = interval의 middle(중간)에서 high → low transition

1 = interval의 중간에서 low → high transition

Differential Manchester

항상 interval의 중간에서 transition이 발생

0 = interval의 시작에서 transition

1 = interval의 시작에서 no transition

B8ZS

Bipolar-AMI와 동일

단 8개의 연속된 0(eight zeros)은 2개의 코드 위반(violation)으로 대체

HDB3

Bipolar-AMI와 동일

단 4개의 연속된 0(four zeros)은 1개의 코드 위반으로 대체

 

# NRZ-L ~ Pseudoternary 는 단거리에 주로 사용/ 감쇠 시 에러 정도 더 큼 

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Encoding 고려 요소

• Signal spectrum

전송되는 신호는 대역폭 중간(중앙)에 에너지(power)를 집중해야 됨

• Clocking

디지털 통신에서는 송/수신자가 동기화(synchronize)되어야 됨

시작점과 종료점(어디가 경계인지) 구분 쉬워야 동기화 쉬움

• Error detection
• Signal interference and noise immunity
• Cost and complexity

신호가 복잡하고 빠를수록 비싸짐

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NRZ 계열

디지털 인코딩 방식 중 가장 기본적인 방식

0과 1 비트를 두 개의 다른 전압(voltage)으로

비트 구간 동안 전압 level은 일정(constant)

신호가 비트 구간 끝마다 자동으로 0V로 돌아가지 않고 계속 유지

연속된 1, 0의 경우 시작점과 끝점 구분 힘들어 sync, error detection 어려움

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Multilevel Binary

두 개 이상의 signal level 사용

Bipolar-AMI

0: no line signal

1: pos or neg pulse (polarity)(극성 번갈아 사용)

연속적으로 1이 나와도 동기화 손실(문제) 없음

DC 성분 없음

더 좁은 대역폭 필요(고주파 성분이 줄어서)

error detection이 더 쉬움

# Pseudoternary는 단순히 Binary-AMI과 반대

 

Multilevel Binary Issues

여전히 0이 계속 반복되면 동기화 문제 발생 가능

→ 데이터를 scramble하거나 추가적인 비트를 삽입해 transition해 해결하기도

NRZ만큼 효율적이지 않음

각 signal element는 오직 1비트만 표현

: 3-level 시스템은 log 3 = 1.58 bits를 이론적으로 표현 할 수 있고, 수신기는 3-level을 구별할 수 있으나 여전히 1비트당 1개의 신호 요소만 사용

동일한 비트 에러 확률을 유지하려면 약 3dB 더 많은 signal power 필요

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Biphase 계열(비트의 중간에 신호 전이가 발생)

Manchester

각 bit period의 중간(middle)에서 transition 발생

Mid-bit transition은 clocking(클로킹)과 데이터의 역할을 겸함

Differential Manchester

Mid-bit transition은 clocking에만 사용

0을 표현: bit period의 시작 부분에서 transition 있음

1을 표현: bit period의 시작 부분에서 transition 없음

 

장점

동기화(Synchronization) 용이

dc component 없음

error detection 용이

단점

bit time 당 transition 많음

최대 modulation rate는 NRZ의 2배

더 넓은 bandwidth 필요(NRZ의 2배)

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Modulation Rate

Modulation rate D: baud, signal element가 생성(변화)되는 속도

D = modulation rate, baud

R = data rate

M = 다른(가능한) signal element의 수 = 2^L

L = signal element 당 비트 수

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Scrambling 기법

연속된 1이나 0으로 인해 일정한(constant) 전압이 유지되는 시퀀스(구간)을 대체

 

조건

• 동기화를 유지하기 위해 수신기의 clock에 충분한 transition 제공
• 수신기에서 인식한 후 원래 데이터로 복원 가능해야 됨
• 원래 시퀀스와 길이가 같아야 됨

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B8ZS(Bipolar with 8-Zero Substitution)

8개의 0을 다른 코드로 substitution(대체)

북미에서 주로 사용

Bipolar-AMI 기반

이전(마지막) 펄스가 positive면 octet(8개의 bits)은 000+-0-+

이전(마지막) 펄스가 negative면 octet은 000-+0+-

000VB0VB로 표현하되 pos/neg 구분

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HDB3

유럽, 일본에서 사용

0이 4개 연속되면 다른 코드로 대체

이전 대체 이후의 bipolar pulse 개수(# 1s)와 이전 펄스 +, -인지에 따라 대체

-, odd : 000- / +, odd : 000+ / -, even : +00+ / +, even : -00-

odd의 경우 000V로 고정 / even의 경우 B00V로 고정