물리층 (4) - 전송 손상 (Transmission Impairment)

0. Transmission Impairment (전송 손상)

• 전송 손상은 입력신호와 매체에 들어가고나서 나온 출력신호가 다름을 의미함.
• Signal은 전송매체를 타고 이동함. 그러나 전송매체는 완벽하지 않음
• 이러한 결함때문에 전송의 손상이 발생할 수 있음.
• 주로 감쇠(Attenuation), 왜곡(Distortion), 잡음(Noise)등의 이유에 의해서 발생함

 

1. Attenuation (감쇠) : 열 방출로 인해 신호가 작아짐

• 선로에 타고 들어가는 신호도 에너지를 가지고 있음.
• 선로를 타고 이동하면서 어느정도의 열을 잃을 수 밖에 없음 (열역학 제2법칙)
• 실제로 전선을 만져보면 어느정도 따뜻함. 신호가 이동하면서 잃은 열이 방출되었기 때문임.
• 감쇠를 해결하기 위해 입력신호가 줄어들면 그 신호를 증폭하여 원래처럼 키워서 해결함
• 그러나 복합신호의 경우 주파수마다 감쇠되는 양이 다르기 때문에 완벽한 복구는 거의 불가능하다.

[그림] 감쇠를 해결하기 위한 Amplifier (앰프)

 

2. Distortion (왜곡) : 주파수마다 도착시간이 달라서 신호가 일그러짐

• 빛의 속도는 300,000Km/s이고 무선신호의 속도도 동일함. 그러나 주파수에 따라서 신호의 지연이 일어남.
• 일반적으로 하드와이어 전송매체에서 일어나는데, 중심부근의 주파수는 전송 속도가 빠르고 양쪽 끝 주파수는 전송속도가 떨어짐
• 몇몇 주파수들은 전송속도가 떨어지기 때문에 (빛의속도는 무조건 일정함. 지연으로 인한 감속임) 여러 성분들이 서로 다른 시간에 도착하고, 신호가 찌그러져(왜곡되어)보이게 되는 현상을 의미함.

[그림] Distortion(왜곡) 현상

 

3. Noise (잡음) : 전자의 움직임(열), 선로들 사이의 자기장(누화) 등으로 인한 잡음

[그림] Noise(잡음) 현상

잡음은 다양한 이유에서 생기게 됨. 보통 잡음은 원본 신호와 더해져서 원본 신호를 손상시키는데, 이를 Additive Noise라고 함. 또한 흔하진 않지만 곱해져서 손상을 주는 Noise도 존재함.

 

3-1. 열 잡음 (Thermal Noise) : 선로 안에서 전자의 무작위 움직임으로 인해 생성되는 잡음

• 열잡음은 절대 잡을 수 없음. 우주공간 어디에나 존재하는 잡음으로, 없애는게 의미가 없음.
• N0 = kT의 열잡음이 존재함. k는 볼츠만 상수이며, T는 현재 위치의 절대 온도임 (통계역학 개념인듯..)

 

3-2. 이외의 잡음들

• 상호변조 잡음 (Intermodulation Noise) : 하나의 선로에 여러개의 신호가 이동한다면, 각 신호들이 더해지고 빼지면서 본래 신호에 잡음을 만들어내는 경우를 말함.
• 누화 잡음 (Crosstalk Noise) : 선로와 선로사이의 전자유도 현상에 의해 발생함. 아무리 고무피막으로 막혀있어도 전기가 흐르는 곳에는 자기장이 형성되어 다른 선로의 전자 움직임에 영향을 주게 됨.
• 임펄스 잡음 (Impurse Noise) : 불규칙한 상황(스파크 등)의 발생에 의한 잡음임

 

3+. SNR (Signal Noise Ratio)

• 신호 대 잡음 비율을 의미함.
• (신호 : 잡음)의 비율에서 신호쪽이 크면 SNR이 높고, 잡음쪽이 크면 SNR이 낮음
• SNR이 높으면 잡음이 신호에 큰 영향을 못주기 때문에 SNR이 클수록 노이즈에 강함
• SNR이 낮으면 신호가 잡음에 크게 휘둘리게 되고 손상이 커짐. SNR이 작을수록 노이즈에 약함

[그림] SNR이 높은 경우와 낮은 경우

 

4. Equalization

• Attenuation(감쇠) 등의 영향으로 인해 기존 신호가 변하게 되면,
• 그 변화 패턴을 함수화하고 해당 함수의 역함수를 구해서
• 출력 신호에 Weighting 해버리면 신호 손상을 어느정도 극복할 수 있음.

 

5. Reference

데이타통신