시그널 기본 용어

 

Bandwidth ( 대역폭 )

 

대역폭은 주어진 시간에 얼마나 많은 데이터를 보낼 수 있느냐를 의미한다. 대역폭을 측정하는 기준은 시그널의 종류에 따라 달라진다.

 

시그널의 종류는 두 가지가 있다.

 

1. 아날로그 시그널

 

아날로그 시그널은 WAN, 라디오 같이 멀리 보낼 때 사용하는 연속적인 시그널이다.

아날로그 시그널

 

 

아날로그 시그널에 정보를 담는 방법은 3가지가 있다.

 

1. 진폭(Amplitude) 의 변화 ( AM 라디오)

2. 진동수(Frequency)의 변화 ( FM라디오, WAN )

3. 위상(Phase)의 변화 ( PM )

 

3가지 모두 '하나의 파장'을 이용한다. 하나의 파장의 진폭의 변화나 파장의 개수, 파장의 모양을 통해 데이터를 전송한다. 그러므로 시간당 보내는 파장의 개수가 많으면 많을수록 진폭을 변화시킬 파장의 수나 위상을 변화시킬 파장의 수가 많아진다는 이야기이다. 이는 시그널 안에 많은 데이터를 담을 수 있다는 의미다.

 

그러므로 대역폭(Bandwidth)를 다룰 때 아날로그 시그널은 Hz 단위를 사용한다. Hz는 진동수를 나타낸다. 단위 시간당 진동수가 크다는 얘기는 그만큼 많은 파장을 만들어 낸다는 의미이다. Hz가 클수록 많은 데이터를 담을 수 있다.

 

 

2. 디지털 시그널

 

디지털 시그널은 불연속적인 시그널로 외부간섭으로 시그널이 변형될 위험이 크다. 그래서 LAN이나 앰프와 같은 한정된 공간에서 통신할 때 사용되는 시그널이다.

 

Manchester Encoding 방식의 디지털 시그널

 

 

디지털 시그널의 경우, 1과 0을 전달하는 것이 목적이다. 아날로그 시그널과 같은 '파장'의 개념이 아니다. 그러므로 단위 시간당 얼마만큼의 비트(bit)의 양을 보낼 수 있느냐가 대역폭을 결정한다. 단위는 bps이다.

 

 

Latency (지연 시간)

 

전기 신호는 빛의 속도와 가깝게 속도를 낼 수 있다고는 하지만 실상은 그러지 못하다. 시그널이 이동하는데 방해요소가 많기 때문이다. 시그널의 속도를 지연시키는 요소를 알아보자 방해요소들이 얼만큼의 시간(T)을 지연시키는지 알아야한다.

 

시간 = 거리(양) / 속도 이다. 시간 공식을 이용해서 지연시간(Latency)를 구해보자.

 

1. Transmission Time (Tx) (전송 지연)

 

전송하려는 데이터의 개수가 많으면 전송을 완료하는데 지연이 생긴다. 어떤 LAN이 1초에 1bit씩 보내는 디지털 시그널을 갖고 있다고 가정해보자. 만약 60bit를 보낸다고 하면 60bit를 전송완료하는데 1분이 걸린다.

 

그래서 보내려는 총 비트의 개수를 초당 보낼수 있는 비트의 양(bps)으로 나누면 전송을 완료하는데 걸리는 시간이 나온다. 즉, 전송 지연시간을 구할 수 있다. ( 60bit / 1bps = 60s )

 

TX = bits / bps

 

2. Propagation Delay (TP)( 전파 지연 )

 

아무리 빨라도 거리가 멀면 도착하는데 시간이 걸린다. 이때 걸리는 시간을 전파지연(Propagation Delay)라 부른다. 이동 거리(length) 를 1초에 갈수있는 거리(m/s)로 나누면 도착점까지 걸리는 시간(TP)가 나온다.

 

TP = length / speed(m/s)

 

3. Buffering Time (TB)

 

시그널은 한 개의 선로로 이동하는 것이 아니다. 중간 중간에 라우터나 스위치 같은 장비를 거친다. 그러므로 장비 안에서는 시그널을 처리하는 시간이 소요된다. 이를 Buffering Time (TB)라고 한다.

 

Latency(지연 시간) = TX + TP +TB

 

Throughput (처리량)

 

Throughput은 1초에 처리하는 데이터양을 의미한다. 처리량을 계산하려면 전송지연시간(Latency)를 고려해야한다. 데이터 양에 따라, 이동해야하는 거리에 따라, 거쳐가는 장비에 따라 Latency가 달라지기 때문이다.

 

전송하려는 데이터 양(transfer size)를 Latency로 나누면 초당 몇개의 데이터를 처리할 수 있는지 구할 수 있다. 100bit를 처리하는데 4초의 Latency가 생긴다면, 이는 1초에 25bit를 처리한다는 의미다.

 

Throughput = Transfer size / Latency

감쇠(Attenuation)

 

감쇠란 시그널이 채널을 따라 이동하면서 출력(W)이 감소하는 현상이다. 채널의 타입, 채널의 길이, 시그널 주파수에 따라 감쇠의 양은 바뀐다.

 

감쇄(dB) = 10* log10 PT/PR

PT : 전송시 출력, PR은 도착시 출력

 

주파수가 커질수록 감쇄현상도 커진다. CAT -5 UTP 케이블가 100Mhz 속도를 내는 경우, 감쇄가 22가 나온다. 즉

 

감쇄(dB) = 10* log10 PT/PR =22= 10*2.2

log10 PT/PR = 2.2

PT/PR = 102.2

 

채널용량(Channel Capacity)

 

사람이 들을수 있는 주파수대역은 300~3400 Hz이다. 그래서 해당 주파수에 맞게 300~3400Hz의 신호를 보내면 사람은 들을 수 없다. 신호가 이동되는 과정에서 감쇠(attenuation)가 발생하기 때문이다.

 

이렇듯 신호는 시간이 지날수록 약해진다. 그래서 도착지점에 이르면 정보에 오류가 생긴다. 정보의 오류를 막으려면 본래 주파수보다 더 큰 주파수 세기로 전송해야한다. 이것이 채널용량(Channel Capacity)이다.

 

채널용량의 단위는 bps이다. 시그널이 에러가 나지않고 보낼 수 있는 시간당 최대 비트수(Maximum Data Rate, MDR)를 측정하는 것이다. 해당 이론은 두 가지가 있다.

 

나이퀴스트 이론 (Nyquist's Theorem)

 

MDR(bps) = 2 * W * (ln S)

W: 대역폭, S : 시그널 세기

 

나이퀴스트는 간섭과 잡음을 고려하지 않았다. 그래서 통신 속도를 고려할 때, 해당 시그널의 대역폭(주파수)와 신호의 세기만을 고려했다. 대역폭이 클 수록 신호의 세기가 강해질수록 시간당 많은 비트 수를 보낼 수 있다.

 

그러므로 신호가 에러없이 다른지점으로 이동하려면 대역폭의 2배 이상의 속도로 출력해야한다.

 

샤논의 이론 (Shannon's Threorem)

 

MDR(bps) = W* ln (1+ S/N)

W: 대역폭, S : 시그널 세기, N: 잡음의 세기

 

샤논의 이론은 나이퀴스트 이론에 Noise(잡음)의 개념을 추가하였다. 고로, 대역폭이 클수록 신호의 세기가 강할수록 잡음의 세기가 약할수록 통신속도는 빨라진다.