Sep 27, 2007

모뎀과 디지털 전송기술

정보통신에서 가장 중요한 것은 정보를 담고 있는 전기 신호를 원격지까지 잘 보내는 일이다.
짧게는 수 백 m에서 길게는 수 만 Km에 이르는 회선을 따라 신호가 정확히 송수신 되어야지만 결국 정확한 정보 전송이 이루어지는 셈이고 이를 담당하는 것이 전송 기술이다.
사실 정보 통신의 많은 부분이 전송 기술과 연관되지만 이번 장에서는 기본이 되는 몇 가지 항목들을 소개하고자 한다. 여러분은 이번 3장에서 아날로그 전송과 디지털 전송은 무엇이며 디지털 전송이 아날로그 전송에 비해 어떻게 유리한가 모뎀은 어떤 일을 하며 어떻게 1과 0으로 구성된 정보를 전송하는가 그리고, 문자의 정확한 송수신을 위해서는 어떠한 전송 방법이 사용되는가 등에 대해서 이해하기 바란다.

정확한 정보전송에 관련된 기술에 관한 것이다. 사용자에 의해서 생성된 정보는 통신하기 적당한 형태의 신호로서 변환된 다음, 여러 전송기술에 의해 통신로 상에 전기적 신호형태로 실려서 상대에게 운송되는 것이다.
이 때 정보를 전달하는데 있어서 무엇보다 중요한 것은 송신한 정보가 상대에게 올바로 정확하게 수신되어야 한다는 것이다.
갑이라는 사람이 보낸 정보는 '정보시대의 주역'이었는데 을이 받은 정보는 '정보시대의 조역'이나 아니면 전혀 뜻 모를 정보였다면, 갑과 을간의 정보통신은 무의미한 것이 되기 때문이다.
따라서 정보통신의 '제1의 원칙'은 정보의 정확한 전달에 있다. 바로 이 제1의 원칙을 수행하기 위해 존재하는 것이 다양한 형태의 전송기술이다.
이번에는 먼저 전송매체를 통해 정보를 잘 전달하기 위해 최우선으로 요구되는 정보의 신호전송형태, 즉 정보의 신호변환에 대해서 설명한다.
특히 오늘날 가장 많이 쓰이고 있는 전송형태인 디지털 정보의 아날로그 신호 전송을 위한 모뎀기술을 집중적으로 알아보고자 한다.
또한 다양한 정보의 전송형태 즉 직병렬 전송방식과 동기식 및 비동기식 전송방식에 대해서도 언급한다.
다음 강의에서는 다양한 데이터 장비를 전송매체에 접속하기 위한 접속기술, 특히 현재 가장 널리 사용되고 있는 RS-232C를 중심으로 살펴본다.
또 송신측에서부터 수신측까지 정보를 전달하는 정보전달통로의 구성 방식도 다루며, 정보통신의 제1원칙을 가장 명시적으로 수행하는 에러제어방식과 흐름제어방식에 대해서도 설명한다.

우리가 표현하고자 하는 정보의 형태는 아날로그 정보와 디지털정보의 두 가지 양상을 띠고 있음은 이미 지난번에 언급한 바 있다.
이러한 두 가지 형태의 정보들은 전송매체를 통해 전달될 때 전자파의 형태, 즉 신호형태로서 전송되는데, 이때 신호가 디지털 형태로 전송되는 것을 '디지털 신호전송', 아날로그 형태로 전송되는 것을 '아날로그 신호전송'이라 한다.
즉 정보의 형태와 마찬가지로 전송의 형태 역시 디지털과 아날로그, 두 가지로 구분될 수 있다.
따라서 '정보전송'이라 함은 표현 정보와 전송신호간의 관계를 다루는 것이라 할 수 있다.
정보전송의 형태는 아날로그 정보를 아날로그 신호와 디지털 신호로 각각 전송하는 경우와 디지털 정보를 아날로그 신호와 디지털 신호 각각으로 전송하는 경우 등 모두 4가지 조합이 가능하게 된다.(표 3.1 참조)

우리가 현재 가장 많이 이용하고 있는 정보통신의 형태는 일반 공중전화망, 즉 전화선에 컴퓨터를 연결하여 정보를 주고받는 것이다. 그런데 공중전화망은 원래 음성 정보를 보내기 위해 구성된 통신로로서, 주로 아날로그 신호를 실어 나르는데 적합한 특성을 갖고 있다.
따라서 전화망을 통해서 정보통신을 하려면 자신의 정보형태를 전화망이 수용할 수 있는 신호형태, 즉 아날로그 신호로 변환하여야 한다. 바로 이러한 역할, 즉 디지털 정보의 아날로그 신호 형태로의 변환을 담당하는 것이 모뎀(modem)이다.
모뎀이란 원래 Modulator 와 Demodulator 에서 합성된 용어로서 . 그림 3-1에서와 같이 디지털 정보를 아날로그 신호로 변환하는 변조 기능과 이와는 반대로 아날로그 신호로 부터 다시 원래의 디지털 정보를 추출해 내는 복조 기능을 갖는 일종의 신호 변환기이다.(그림 3-1 참조)
일반적으로 디지털 정보를 아날로그 신호로 변환하는 변조방법에는 기본적으로 진폭편이 변조, 주파수편이 변조, 위상편이 변조 등 3가지가 있다.
물론 이들을 결합한 변조방법이 사용되기도 한다. 진폭편이변조는 '0'과 '1'을 두 가지 각각 서로 다른 진폭을 갖는 반송파로서 표현하는 변조방식으로 비효율적이기 때문에 단독으로 이용되기보다는 위상편이변조방식과 혼합되어 이용하는 경우가 많다.

주파수편이 변조는 반송파 주파수 부근의 서로 다른 주파수를 갖는 정현파로서 2진값 '0'과 '1'을 표현하는 변조방식이다.
일례로 1800bps 반이중 변조방식을 규정하고 있는 Bell 202시리즈는 '1'의 2진값에 2200Hz의 주파수를 , '0'에는 1200Hz의 주파수를 할당하고 있다.
위상편이변조는 반송파로 사용하는 정현파의 위상에 정보를 싣는 변조방식으로, 일정 주파수, 일정 진폭의 정현파의 위상에 정보를 싣는 변조방식으로, 일정 주파수, 일정 진폭의 정현파의 위상을 2등분 4등분 등으로 나누어 각각 다른 위상에 '1'혹은 '0'을 할당하거나 2비트 3비트를 한꺼번에 할당하여 상대측에 보내는 방식이다.
이상 3가지 변조방식 이외에도 이들을 서로 혼합하여 사용할 수도 있다. 일례로 진폭편이 변조와 위상편이 변조방식을 혼합함으로써 음성급에서 현재 56Kbps까지의 높은 전송속도를 얻을 수 있다. 그림3-2는 반송파의 모양과 진폭 변조, 주파수 변조, 위상 변조의 모양을 보였다.

반송파의 모양과 3가지 변조방법

한편 모뎀은 보는 관점에 따라 여러 가지로 분류된다. 우선 사용 형태에 따라 시스템 내에 조립되어 사용되는 내장형 모뎀, 자체만으로 하나의 장비를 이루는 외장형으로 분류할 수 있다.
우리가 PC통신에 접속하는 경우에 사용하는 모뎀은 내장형이 대부분이다. 또한 범용 모뎀은 데이터통신속도에 따라 저속, 중속, 고속 모뎀으로 분류되기도 한다.
이러한 분류 이외에도 모뎀은 사용하는 채널의 대역폭이나 사용 가능 거리, 사용 가능한 포트수에 따라 분류되기도 한다.
모뎀은 앞에서도 설명한 바와 같이 공중전화망을 통한 정보통신에 있어서 필수적인 통신장비로서, 일반적으로 두 가지 표준에 의해서 만들어지고 있다.
그 하나는 미국을 중심으로 한 Bell 표준이며, 또 하나는 유럽을 중심으로 한 CCITT(ITU-T) 표준이다. 특히 CCITT표준은 국제적인 공신력을 갖는 것으로, CCITT의 V시리즈는 아날로그 전송로를 이용한 데이터 통신 관련 권고안을 규정하고 있다. 주파수 변조, 위상 변조의 모양을 보였다.
여러분은 앞으로 자신의 모뎀이나 잡지 등을 보면서 이러한 권고안이 표기될 때에, 이들의 데이터 전송속도나 전송방식에 따라 분류된 모뎀 표준들이란 사실을 기억하기 바란다.
아무튼 오늘날 통신기술의 발달에 따라 많은 통신장비의 디지털화가 진행되어 감에도 불구하고, 아직까지도 가장 널리 사용되고 있는 통신장비 중 하나가 바로 모뎀이다. 업계에서 모뎀을 사양 산업으로 간주하고 있음에도 모뎀의 판매 실적은 꾸준히 지속되고 있다.
특히 오늘날 모뎀의 시장 동향을 살펴보면 그 형태가 점차 소형화되어 가고 있으며, 저가격 저소비 전력화 및 고속화를 추구할 뿐만 아니라, 본연의 변복조기능 이외에도 에러제어라든가 데이터 압축과 같은 다양한 통신기능을 제공하고 있음을 알 수 있다.
가령 CCITT의 V.34, 28,800bps모뎀에 대한 규격을 권고하고 있는데 최근에는 통신속도와 고속화 동향에 따라 AT&T, Racal-Milgo등 많은 모뎀 업체에서 이 규정에 준거한 고속 모뎀을 생산하고 있다.
또 국내에서도 금융업계등에 많이 보급되어 있는 MNP모뎀은 변복조기능 이외에 에러제어 기능과 데이터 압축기능을 부가한 다기능 모뎀이다. 최근에 발표된 56Kbps 모뎀은 아직 국제 표준이 정해진 상태가 아니어서 두 회사(Rockwell과 US Robotics)의 제품간에는 호환성이 없다.

디지털 정보를 아날로그 신호로 변환하는 것과 마찬가지로, 음성정보와 같은 아날로그 정보를 디지털 신호로 변환하여 전송할 수도 있다. 바로 이러한 디지털 신호로서의 전송형태를 디지털 전송이라 한다.
공중전화망이나 사설 교환기의 디지틀화에 따라 음성정보를 아날로그 형태 그대로가 아닌 디지털 신호로 변환함으로써 보다 다양한 기능을 수행할 수 있게 되었다.
그림과 같이 아날로그 형태인 음성정보를 디지털 신호로 변환하고 또 디지털 신호로부터 다시 원래의 음성정보를 복원해내는 기기를 코덱(codec)이라 한다.
코덱이란 부호화기(coder)와 복호화기(decoder)의 합성어이다.
물론 디지털 신호로 변환된 정보는 그 상태로 처리될 수도 있으며, 또 그림 3-3에서와 같이 다시 모뎀을 거쳐 아날로그 신호로 변환된 다음 아날로그 통신망을 통해 전송되기도 한다. 그러나 이 새로운 아날로그 신호는 원래의 음성정보와는 달리 2진형태인 디지털 신호의 의미를 그대로 포함하여 전송되기 때문에, 원래의 아날로그 음성 신호와는 그 모양이 다르다.

음성정보를 디지털 신호로 변환하는 가장 널리 사용되는 방식으로는 펄스코드변조(Pulse Code Modulation)방식을 들 수 있다.
펄스코드변조방식은 먼저 음성정보를 일정간격의 시간으로 샘플링하여 펄스진폭변조 신호를 얻은 다음, 이를 다시 양자화기를 거쳐 각 진폭값을 평준화하고, 이 양자화된 값에 2진 부호값을 할당함으로써 수행된다.
샘플링이란 음성정보를 일정시간 간격, 즉 샘플로 나누어 각 샘플마다 진폭값을 부여하는 것으로, 이를 펼스진폭변조(Pulse Amplitude Modulation)방식이라고도 한다.
또 양자화란 샘플링에 의해 얻어진 진폭값을 평준화하는 것으로 예를 들면 1.08의 값을 1.1로서 표현하는 것을 말한다.
이 과정에서 생기는 오차를 양자화 에러라 한다.
양자화에 의해 얻어진 모든 진폭값을 등간격으로 구분한 다음, 이들 각 값에 2진값을 할당하게 된다.
사람의 음성을 PCM 전송하는 경우 전송 속도는 64Kbps가 된다.
이는 사람의 음성을 1초에 8000번 조사(샘플링)하고 한 번 조사에서 얻어진 값을 8비트로 표현하여 전송하기 때문에 얻어지는 속도이다.그림3-4에 PCM(펄스코드변조)과정을 보여주고 있다.
디지털 정보를 디지털 신호형태를 수용하는 통신로상에 싣기 위해서는 원래의 디지털 정보를 그대로 보낼 수 도 있지만, 전송특성을 개선하기 위해서 일반적으로 디지털 정보를 다른 디지털 신호형태로 변환하여 전송하기도 한다.
이 경우는 전송매체가 아날로그나 디지털 신호형태만을 수용하기 때문에 정보를 변환하는 모뎀이나 코덱과는 달리, 통신로를 통한 전송특성을 보다 좋게 하기 위해서 신호 형태를 변환하게 된다.
디지털 정보를 또 다른 형태의 디지털 신호로서 전송하는 경우는 디지털 정보를 아날로그 신호로 변환하여 전송하는 모뎀보다 회로 구성이 더 간단하고 비용도 더 적게 든다.
예를 들어 가장 간단한 구현으로 '1'과 '0'의 2진값 각각을 부(-)의 전압 값과 양(+)의 전압 값으로 표현하는 것이 있다. 바로 이 부호가 NRZ-L(Nonreturn-to-Zero-Level)이다. 이 명칭은 한 비트구간내에서는 결코 0레벨로 리턴 되지 않음을 의미한다. 하지만 이 부호방식은 가장 간단하다는 이점은 있지만, 비트와 비트간의 구별이 어려워 에러발생확률이 많으며 동기를 잃을 우려가 크다.

펄스 코드 변조과정

따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 그림 3-5에서와 같은 맨체스터와 차동맨체스터 부호방식을 많이 사용하고 있다. 이들 부호방식은 그림에서와 같이 한 비트내에 신호변화를 부여함으로써 에러검출과 동기화를 쉽게 하고 있다.

맨체스터 코드와 차동맨체스터 코드

디지털 정보의 디지털 전송을 담당하는 기기를 일반적으로 디지털 서비스 유니트(Digital Service Unit)라 한다.(그림 3-6 참조)
아날로그 정보는 같은 대역폭을 갖는 아날로그 신호로 쉽게 변환할 수 있다. 가장 대표적인 예가 음성으로서, 이는 300에서 3400Hz 범위의 사람의 목소리인 음파를 같은 주파수대를 갖는 전자적인 아날로그 신호로 표현할 수 있다, 이 신호는 바로 직접 전화선을 통해 전송되는 것이다.

DSU의 기능

또한 아날로그 신호의 전송특성을 보다 좋게 하기 위해 디지털 정보의 아날로그 전송과 마찬가지로 아날로그 정보의 진폭, 주파수 등의 한 요소를 변화함으로써 아날로그 정보 역시 아날로그 신호로 변환할 수 있다.
진폭변조는 아날로그 정보에 따라 반송파의 진폭을 변환시키는 것이며, 주파수 변조는 정보에 따라 반송파의 주파수를 변환시키는 방식이다.
이러한 방식은 방송에 이용되어 각각 진폭 변조(AM), 주파수 변조(FM) 방송으로 불리우고 있다.
이상 각 정보의 형태를 디지털 신호와 아날로그 신호로서 전송하는 디지털 전송과 아날로그 전송에 대해서 살펴보았다.
앞에서도 언급한 바와 같이 신호변환을 거쳐 정보를 전송하는 이유는 무엇보다도 전달하고자 하는 정보를 상대에게 보다 정확하고 신뢰성 있게 전송하기 위한 것이다.

아날로그 전송방식은 전송되는 신호형태가 아날로그 신호로서 , 그 신호내에 포함된 정보의 내용과는 무관하게 단지 아날로그 신호만을 전달하는 것이다.
따라서 먼 거리를 전송하고자 할 때는 신호의 감쇄영향을 보상하기 위해서 증폭기에 의해 신호를 중간에 다시 재증폭하여 전송하여야만 한다.
그런데 이 증폭 시에는 정보를 싣고 있는 신호뿐만 아니라 여리게 포함된 잡음까지도 같이 증폭되기 때문에 디지털 정보의 전송시에는 특히 에러의 확률이 높다는 단점이 있다.
그러나 반면에 디지털 전송방식은 전송신호에 포함된 내용을 전달하는 것으로 전송도중에 잡음이 있다고 하더라도 중계기에 의해 원래의 신호내용을 다시 복원한 다음 전송하기 때문에 전송매체에 의한 감쇄영향을 해결할 수 있다.

또한 이외에 디지털 전송방식이 갖는 이점을 표 3-2에 정리하였다. 이 표에 정리된 대로 디지털 전송은 아날로그 전송에 비해 1장에서 소개한 통신의 3대 목표 모든 분야에 걸쳐 우수한 특성을 보이고 있다.

컴퓨터에 의한 데이터 정보를 다루는 대부분의 기기는 모든 2진형태의 디지털 신호를 다루고 있으며, 디지털 전송방식이 아날로그 전송방식에 비해 더 많은 이점을 갖추고 있기 때문에 컴퓨터를 이용한 정보통신에 있어서는 디지털 전송방식을 이용하는 것이 바람직하나 기존 음성전달을 위해 설치되어 있는 전화망의 규모가 방대하기 때문에 이를 이용하기 위하여 아날로그 전송방식을 채택하는 경우가 많은 실정이다.

그러나 최근에는 데이터통신수요가 증가함에 따라 디지털 전송을 위한 통신망 서비스가 점차 확대될 것으로 보이며, 정보화 사회가 지향하는 종합정보통신망은 디지털 신호를 바로 전달할 수 있는 디지털 통신망으로서, 이의 구축과 함께 디지털 전송방식의 이용은 더욱 확대될 것으로 기대된다.

정보가 추진중인 초고속 종합 정보 통신망의 구축은 결국 국내의 모든 통신에서 전송 방식을 디지털화 하기 위한 노력으로 볼 수 있다.


디지털 정보를 전송하는 데는 직렬 전송과 병렬 전송의 두 가지 방법이 있다. 직렬전송은 하나의 문자를 구성하는 각 비트들이 하나의 전송선을 통하여 순서적으로 전송되며 병렬전송에서는 각 비트들이 여러개의 전송선을 통하여 동시에 전송된다.
가령 하나의 문자가 8비트로 구성되어 있다면 병렬전송에 필요한 전송선은 최소한 8개 있어야 한다. 병렬전송 방식은 일반적으로 컴퓨터와 주변기기 사이의 데이터 전송을 위해서 사용되며, 거리가 멀어지면 전송로의 비용 부담 때문에 거의 이용되지 않고 있다.

따라서 정보통신에 있어서는 대부분 직렬전송방식을 그 대상으로 하고 있다. 그림 3-7에는 직렬 전송과 병렬 전송을 비교하여 보이고 있다.

직렬 전송 방식과 병렬 전송 방식


송수신자간에 문자를 전달하는데 있어서 만일 각 문자의 시작과 끝이 정확하게 정의되어 있지 않다면 송신자가 보낸 문자는 수신자가 정확하게 인식할 수 없게 된다.
따라서 송수신자 사이에는 문자를 전송하는 정확한 방법이 사전에 정의되어야 하고 비동기식 방식과 동기식 방식이 바로 널리 이용되는 두 가지 방식이다.
비동기식 전송방식은 보통 한 문자단위와 같이 매우 작은 비트블럭의 앞과 뒤에 각각 스타트비트와 스톱비트를 삽입하여 비트블럭의 동기화를 취해주는 방식으로서, 스타트-스톱전송이라고 불리기도 한다.
5비트에서 8비트까지의 한 문자단위마다 전후에 문자의 시작과 끝을 알리는 스타트비트와 스톱비트를 두고, 매문자 단위로 전송하는 방식이다.

일례로 텔레타이프형 터미널은 대부분 비동기식으로 데이터를 전송하는 것으로 키보드 하나를 누를 때마다 한 문자가 전송된다.
따라서 각 문자와 문자의 전송사이에는 휴지기간이 존재하여, 휴지 기간 동안에는 스톱비트와 같은 비트가 계속 전송된다. 수신측이 송신측보다 만일 5%정도 빠르거나 느리면 여덟 번째 비트는 45%(5%×9비트)빠르거나 느리게 되지만 정보는 정확하게 인식될 수 있다.
그러나 만일 한 문자를 이루는 비트블럭의 크기가 8비트보다 크거나 송수신측간의 타이밍 오차가 5%보다 더 크다면 타이밍 에러가 발생하게 된다.
즉, 마지막에 샘플링된 비트는 잘못 인식되며, 비트 카운트도 틀려진다.
만일 비트7이 0이고 비트 8이 1이었다면 비트8은 시작비트로 잘못 인식되는데, 바로 이러한 에러를 프레이밍에러(framing error)라 한다.
일반적으로 비동기식 전송방식은 단순하고 저렴하나, 각 문자당 스타트 비트와 스톱비트를 비롯해 2-3비트의 오버헤드를 요구하므로 전송효율이 매우 떨어지는 것으로 보통 낮은 전송속도에서 이용된다.

한편 동기식 전송방식은 한 문자단위가 아니라 여러문자를 수용하는 데이터 블록 단위로서 전송하는 방식이다.
이 방식은 양측에 설치된 모뎀이나 다중화기 등과 같은 기기에 의해 타이밍이 공급되며, 동기문자나 플래그 등을 사용하여 송수신측간의 데이터 블록을 수신해야 하기 때문에 터미널에는 반드시 버퍼장치가 요구되며 보통 2000bps이상의 전송속도에서 사용된다.
일반적으로 상당히 큰 데이터블록 경우에는 동기식 전송방식이 비동기식 전송방식 보다 전송효율에 있어서도 더 좋은 성능을 갖게 된다. 따라서 정보통신에 있어서 사용되는 대부분의 통신 프로토콜에서는 동기식 전송방식을 이용하고 있다.

그림 3-8에서 보인 바와 같이 동기식 전송 방식은 다시 문자지향형과 비트지향형으로 나뉘어지는데 최근에는 대부분 문자지향형 동기식 전송을 채택하고 있다.
HDLC, SDLC등이 비트지향형 동기식 전송 프로토콜의 전형적인 예가 된다.

동기식 전송과 비동기식 전송

용어 정리
Labels: ,