[데이터통신] Signal Encoding, Scrambling

Signal Encoding

- NRZ-L (Non-Return to Zero-Level)

두 가지 전압을 사용하여 0과 1을 표현함. 0은 일정한 전압(예: 0V)으로, 1은 다른 전압(예: +V)으로 나타냄. 전압이 일정하게 유지되며, 비트 간에 전압이 변하지 않음.

• 장점: 구현이 간단하고 대역폭을 효율적으로 사용함
• 단점: 긴 1의 연속이 발생할 경우 동기화 문제 발생, DC 성분이 발생하여 신호의 품질에 영향을 줄 수 있음

- NRZI (Non-Return to Zero Inverted)

전압이 변화하지 않으면 0으로, 전압이 변화하면 1로 나타냄. (예: 처음에 +5V에서 시작 → 다음 비트가 1이면 전압이 -5V로 변하는 것, 0이면 그대로 +5V를 유지하는 것)

• 장점: 긴 0의 연속이 발생해도 동기화가 유지됨, 신호의 전환을 통해 에러 검출이 용이함
• 단점: 전압의 변화를 감지해야 하므로 구현이 복잡함

 

- Bipolar-AMI

0은 무전압이고, 1은 양의 전압 또는 음의 전압으로 나타내되, 연속된 1들은 서로 다른 전압 부호를 사용함.

• 장점: DC 성분이 없고 오류 감지가 용이함
• 단점: 긴 0 비트가 연속되면 동기화 문제가 발생할 수 있어, 이를 해결하기 위해 HDB3나 B8ZS 같은 Scrambling 기법이 함께 사용되기도 함

- Manchester

NRZ-L 또는 NRZI로 만들어진 신호를 clock signal과 XOR 연산하여 만들어짐.

각 비트의 중간에서 신호 전환(transition)이 일어남. 신호 전환 방향으로 비트 값이 결정됨.

신호가 High에서 Low로 전환되면 0, 신호가 Low에서 High로 전환되면 1로 표현.

• 장점: 매 비트마다 신호 전환이 있으므로 별도의 클럭 신호 없이도 동기화가 가능함
• 단점: 전송 속도가 신호의 주파수에 비해 절반으로 느려짐

- Differential Manchester

각 비트의 중간에서 신호 전환이 일어나지만, Manchester와는 달리 신호 전환이 비트 값 자체가 아닌 비트 간 차이에 의해 결정됨.

비트의 시작에서 신호 전환이 발생하면 0, 신호 전환이 발생하지 않으면 1로 표현.

• 장점: Manchester보다 더 노이즈에 강하고, 신호의 극성이 반대로 뒤바뀌어도 올바르게 복원할 수 있음

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Scrambling

연속된 0이나 1이 발생하는 문제를 해결하기 위한 기법. 데이터의 특정 패턴(주로 연속된 0)을 검출한 후, 이를 규칙적으로 다른 패턴(위반 패턴)으로 변환하여 전송하고, 수신 측에서 이 패턴을 역으로 변환해 원래 데이터를 복원할 수 있도록 설계됨.

- 목적

• DC 성분 제거
• 동기화 유지
• 신호 품질 향상

- 원리

원래의 데이터 스트림에 특정한 패턴이나 규칙을 적용하여 새로운 비트 스트림을 생성함. 이 과정에서 원래의 데이터는 변형되지만, 수신 측에서는 동일한 규칙을 사용하여 원래의 데이터를 복원할 수 있음. 예를 들어, 특정 비트 패턴이 발생할 경우 이를 다른 비트로 대체하는 방식으로 작동함.

- 장점

• 신호의 전환 증가
• 잡음 저항성 향상
• 효율적인 대역폭 사용

- 단점

• 알고리즘을 구현하는 데 복잡성이 필요함, Scrambling 및 복원 과정에서 약간의 지연이 발생할 수 있음

- 대표적 기법

• B8ZS (Bipolar 8-Zeros Substitution): 0이 8개 연속되는 신호를 규칙에 따라 다른 신호로 대체
• HDB3 (High Density Bipolar-3 zeros): 0이 4개 연속되는 신호를 규칙에 따라 다른 신호로 대체