Digital to digital transformation

Subject: Data communication, 4th weeks

I learnt data and signals that data can be either digital or analog. I also learnt that signals that represent data can also be digital or analog. In this section, I'm going to write how computer can represent digital data by using digital signals.

A computer network is designed to send information from one point to another. Digital information needs to be converted to either a digital signal or an analog signal for Digital transmission.

3 methods are shown in this post: Line coding(회선 부호화), Block coding(블록 부호화), Scramnbling(뒤섞기)

Note: Line coding is always needed; block coding and scrambling may or may not be needed.

1. 회선 부호화(Line Coding): Line coding is used to con- vert digital data to a digital signal. Several common schemes are discussed as blow.

   

   Image from: Data-Communications-and-Network-5th edition.pdf

   1) Unipolar - NRZ(non-return-tozero): All the signal levels are on one side of the time axis, either above or below. NRZ scheme is used for Unipolar techniques. NRZ, the signal does not return to zero at the middle of the bit.

   2) Polar - NRZ, RZ(Return to Zero), Manchester, Differential Manchester: In polar schemes, the voltages are on both sides of the time axis. polar NRZ encoding, we use two levels of voltage amplitude. We can have two versions of polar NRZ: NRZ-L and NRZ-I, NRZ-L (NRZ-Level), the level of the voltage determines the value of the bit. In the second variation, NRZ-I (NRZ-Invert), the change or lack of change in the level of the voltage determines the value of the bit. If there is no change, the bit is 0; if there is a change, the bit is 1. NRZ-L and NRZ-I both have a DC component problem.

   3) Biphase - Manchester and Differential Manchester : The idea of RZ (transition at the middle of the bit) and the idea of NRZ-L are combined into the Manchester scheme. There is no DC component because each bit has a positive and negative voltage contribution. The only drawback is the signal rate.

   4) Bipolar - AMI : There are three voltage levels: positive, negative, and zero. The voltage level for one data element is at zero, while the voltage level for the other element alternates between positive and negative. A common bipolar encoding scheme is called bipolar alternate mark inversion (AMI). Bipolar technique does not create a DC component. However, a long sequence of 0s upsets the synchronization. A way to avoid a long sequence of 0s in the original stream, we can use bipolar AMI for long distances. One solution is called scrambling.

1. 블록 부호화(Block Coding): is used to create redundancy in the dig- ital data before they are encoded as a digital signal. Redundancy is used as an inherent error detecting tool. We need redundancy to ensure synchronization and to provide some kind of inherent error detecting. Block coding can give us this redundancy and improve the perfor- mance of line coding. In general, block coding changes a block of m bits into a block of n bits, where n is larger than m. Block coding is referred to as an mB/nB encoding technique.

2. 뒤섞기(Scramnbling): a technique used for digital-to-digital conversion in long-distance transmission because it does not increase the number of bits and does provide synchronization. Two common scrambling techniques are B8ZS and HDB3.

I wrote this post purely study review purpose. I also wrote in Korean for upcoming exam.

데이터통신 4주차 디지털전송

학습목표: 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환하는 방법의 원리와 목적을 설명할 수있다. 데이터를 전송하기 위해서 신호로 변환하는 여러가지 방법을 설명할 수 있다.

디지털데이터를 디지털 신호로 변환하는 목적: 디지털데이터가 네트워크를 통해서 아날로그/디지털로 전송되기 위해서는 전자기 신호로 변환되어야 하기 때문이다.

방법의 원리: 디지털-대-디지털 신호 변환 방식 3가지

1. 회선 부호화: 항상 필요

   1) 단극형, NRZ : (+)와 (-) 전압 중에서 하나의 전압 레벨만 사용하고 나머지는 (0) 전압 사용, 가장 간단한 컨셉, 요즘은 잘 사용 안한다.

   2) 극형- NRZ, RZ, 맨체스터: (+)와(-)전압을 모두 사용함, 직류 성분 문제가 완화됨, 극형-NRZ에서는 두 버젼이 있는데 첫번째는 NRZ-L 두번째는 NRZ-I 이 버전들의 단점은 기존 회선 부호화 방식의 '직류 성분 문제'와 '동기화 문제'를 해결하지 못했다. 그 다음으로 극형RZ는 (+)(0)(-)의 3개 전압 레벨을 모두 사용해서 매 구간 비트 내에서 신호가 변화하여 동기화 문제를 제거, 직류 성분도 완화되었다.

   3) 양위상(Biphase) 맨체스터: 극형의 RZ와 NRZ-L이 합쳐진 방법이다. 동기화와 비트 표현을 위하여 비트 중간 지점에서 신호를 반전시킨다. 항상 중간에서 신호가 반전되기에 직류 성분이 없으며, 동기화 가능하다. 신호율이 증가하하는 단점.

   4) 양극형: (+)(0)(-) 전압 레벨을 모두 사용함, 처음 비트 1을 표현하기 위하여 (-)로 전압을 사용했다면 다음 비트 1을 표현할 때는 (+)전압을 사용한다. 즉 1을 나타내기 위해서 양의 전압과 음의 전압을 번갈아서 사용한다. 양극형에서 자주 사용되는 방식은 AMI방식이다. 직류 성분 문제(DC component)는 없으나 연속적인 비트 0가 발생하면 동기화 문제(synchronization) 발생될 수 있어 뒤섞기(Scrambling)로 해결 가능하다.

2. 블록 부호화(필요할 때만 필요): 동기화 정보, 오류 탐지 정보를 위해 중복 비트를 제공하는 방식, m비트를 n비트 블록으로 바꾸는데 이걸 mB/nB 부호화라고 한다.

3. 뒤섞기(필요할 때만 필요): 사용 대역폭을 증가시키지 않으면서 동기화를 제공할 수 있는 방법, 연속된 0을 다른 형태로 표현한다. B8ZS과 HDB3 방식을 사용한다.

디지털-대-디지털 변환 방식에서 흔하게 사용되는 용어를 정리하려고 한다.

데이터요소란? 데이터를 나타내는 가작 단위체: 비트

신호요소란? 신호요소는 신호의 가장 짧은 단위이다 (시간적으로)

정보통신에서의 목표는 데이터 신호를 높이고 신호 요소를 낮추는 것이다. 데이터 신호를 높이면 속도가 빨라지기 때문이다. 신호율을 낮추는 것은 대역폭(Bandwidth)의 요구 조건이다. 한정된 대역폭 통신을 도로라고 생각하면 한 차에 더 많은 사람을 태우는게 교통 체증을 줄이는 방법이라고 생각해보자.

대역폭이란? 주어진 경로를 통한 데이터 전송의 최대 속도이다.

기준선(Baseline)표류: 수신자가 수신한 신호의 세기에 대한 평균값

자기 동기화(Self synchronization): 발신자가 보낸 신호를 인식하기 위해서 수신자의 비트 간격이 발신자의 비트 간격과 일치해야함