01. Bitrate

충남대학교 컴퓨터공학과 김상하 교수님의 "데이터 통신" 강의를 필기한 내용입니다.

다소 잘못된 내용과 구어적 표현 이 포함되어 있을 수 있습니다.

그래프 용어정리 §

• Data : 보내고자 하는 내용
• Signal : Data를 보내는 방식
• Analog : 자연적이고 연속적인거
• Digital : 인공적이고 이산적인거(0/1로 이루어진 것)
• Period : 신호가 반복되는 주기
• Friquency : 단위시간당 몇번 반복되는지(주기의 역수)
• Amplitude : 진폭
• Phase : 위상 - 달의 위상(moon phase)을 생각하면 쉬움 - 특정시간에의 모양(신호에서는 값)

주파수-진폭 그래프 분석 §

• 시간-진폭 그래프는 신호세기의 시간에 따른 추이이므로 그래프가 끊김없는 모양새로 나온다
• 하지만 주파수-진폭 그래프는 해당 주파수를 갖고있는 신호의 세기를 나타내므로 단일 주파수의 신호의 경우 막대기 하나로만 나오게 된다
• 12p 신호를 주파수별로 구성요소로 나눠서 분석할 때
  • 12p 의 신호는 13p 의 세 색깔의 신호가 합성되어 나타난 결과인데
  • 시간-진폭 그래프로 분석하면 13p 의 위 그래프처럼 비교적 복잡하고 한눈에 알아보기 힘들게 분석이 되지만
  • 주파수-진폭 그래프로 분석하면 13p 의 아래 그래프처럼 단순하게 분석을 할 수 있다
• 주파수-진폭 그래프는 신호를 분석하는 또 하나의 툴이 될 수 있다는 것이다

대역폭(Bandwidth) §

• 어떤 복합 신호의 주파수별 구성요소를 분석했을 때 가장 큰 주파수를 가지는 요소하고 가장 작은 주파수를 가지는 요소의 주파수 차이를 대역폭이라고 한다.

디지털 신호 §

• 디지털 데이터의 경우 0과 1만의 값을 가질 수 있지만 그것을 보내는 방식인 디지털 신호는 그 세기가 반드시 0과 1이어야 하는 것은 아니다
• 두 비트를 묶어 00 01 10 11 즉, 0 1 2 3의 세기로 신호를 보낼 수도 있고 더 많이 묶어 더 많은 비트를 한번에 보낼 수 있다 - 이렇게 묶는 것을 encoding 이라고 한다
• 이때 묶은 하나의 단위를 signal element라고 하고
• 하나의 signal element가 가질 수 있는 신호의 세기 범위를 Level이라고 한다
• 신호가 초당 몇개의 signal element를 송출하는지를 baud rate라고 한다
• bit rate는 초당 송출되는 비트의 수를 말하며 단위로는 bps(bits per second)
• Level이 클수록, baud rate가 클수록 bit rate도 커지게 된다

Impairment - 데이터의 손상 §

• Attenuation : 신호의 감도가 낮아지는 손상(단위 : dB = 전송측과 수신측의 세기 비율*상수)
• Distortion : 신호의 형태가 변화하는 것 - 예) 넓은 대역폭의 신호를 장거리로 쏘게 되면 진동수 간의 전송 속도 차이가 있기 때문에 신호 구성요소들의 위상이 변해 다른 형태의 신호로 수신될 수 있다
• Noise : 기타 잡음(단위 : SNR = Signal/Noise Ratio 신호세기 평균과 노이즈 세기 평균의 비율. SNR이 클 수록 왜곡없이 수신하는것이 용이해진다)

Bit rate 상한선 구하기 §

• Bit rate는 무조건 빠를수록 좋다. 전송속도가 빠르다는 뜻이기 때문이다
• 하지만 안타깝게도 bit rate는 상한선이 존재한다. 내맘대로 올릴 수 있는 게 아니라는 뜻이다

Shannon Capacity §

• Shannon capacity공식은 우리에게 bitrate의 상한선을 정해준다
• Shannon capacity는 노이즈가 존재하는 실생활에서의 bit rate 상한선을 추정할 수 있게 해주는 공식이다
  1. Bandwidth : 내가 맘대로 설정할 수 있는게 아니고 신호가 전달되는 매개체에 따라 달라진다. 많은 사람들이 이용하는 매개체일 경우(대표적으로 공기) 여러 국제적 약속에 따라 내가 사용할 수 있는 주파수의 영역은 한정될 수 밖에 없다. 즉, 내가 정하는 값이 아닌 나에게 주어지는 값이라는 소리다. 대역폭을 늘리기 위해서는 더 넓은 대역폭을 수용할 수 있는 매개체를 발굴해낸다던가 더 넓은 주파수 대역을 할당받는 수 밖에 없다.
  2. SNR : 신호의 세기를 무한정 세게 할 수도 없고 노이즈의 세기를 내 맘대로 조절할 수 있는 것도 아니다. 따라서 이 값도 내가 정하는 값이 아닌 나에게 주어지는 값이란 소리다
• 이 두 소식을 종합해보면 Shannon capacity에 의해 결정되는 bitrate의 상한선은 내가 바꾸고싶다고 쉽게 바꿀 수 있는 값이 아닌 어느정도 나에게 주어진, 정해진 값이라는 소리다

Nyquist Bit rate §

• 일단 Nyquist bitrate는 노이즈가 없는 가상공간에서 적용되는 공식이고
• Shannon capacity를 통해 내가 이용할 수 있는 최대 bitrate을 알았다면 이것을 Nyquist공식에 대입해 encode방식을 알아낼 수 있다
• 즉, BitRate는 Shannon공식을 통해 알아내고, Bandwidth는 주어지는 값이기에 L을 알아낼 수 있다는 것
• 그리고 L을 알아내면 몇개의 비트를 묶어 하나의 signal element를 구성해야되는지 알 수 있기 때문에 encoding방식을 결정할 수 있는 것이다