물리 계층 : 데이터를 전기 신호로 변환하기 - 1

목표

• 전기 신호를 이해한다.
• 랜 케이블을 이해한다.
• 리피터를 이해한다.
• 허브를 이해한다.

전기신호란?

전기신호는 물리계층에서 데이터를 전환하기 위해 필요합니다. 전기 신호는 아날로그 신호, 디지털 신호가 있으며 신사 모자가 반복된 형태이며 아날로그 신호는 어린 왕자의 코끼리를 삼킨 보아뱀이 반복된 모습입니다.

 

아날로그 신호는 연속적인 시간과 값을 가지며, 전압, 전류, 음성, 이미지 등과 같은 물리적인 양을 전기 신호로 변환한 것을 말합니다. 아날로그 신호는 연속적인 값이므로 무한히 많은 값을 가지며, 시간에 따라 부드럽게 변화합니다.

디지털 신호는 이진수(0과 1)를 사용하여 정보를 전달하는 신호를 말합니다. 디지털 신호는 특정 시간 간격으로 샘플링하여 시간적인 연속성은 없지만, 이산적인 값을 가집니다. 이러한 특성으로 인해 디지털 신호는 아날로그 신호보다 정확한 값을 전달할 수 있으며, 오류를 감지하고 수정하는 기능도 갖추고 있습니다. 따라서, 컴퓨터에서 데이터를 저장하고 처리할 때는 디지털 신호가 사용됩니다.

 

*** ADC ***

아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정을 아날로그-디지털 변환(Analog-to-Digital Conversion, ADC)이라고 합니다. 이러한 변환 과정은 다음과 같은 과정으로 이루어집니다.

1. 샘플링(Sampling): 아날로그 신호를 일정한 시간 간격으로 숫자 값을 샘플링하여 디지털 신호로 변환합니다. 이 때, 샘플링 주파수는 샘플링한 데이터의 최대 주파수보다 2배 이상 높은 주파수로 설정해야 합니다.

2. 양자화(Quantization): 샘플링한 아날로그 신호의 값을 디지털 값을 표현할 수 있는 단계로 양자화합니다. 이 때, 디지털 값의 단계 수는 비트 수에 따라 결정됩니다.

3. 부호화(Encoding): 양자화한 값을 이진수로 변환하여 부호화합니다.

이렇게 변환된 디지털 신호는 디지털 시스템에서 저장하거나 처리할 수 있습니다. 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 과정은 디지털-아날로그 변환(Digital-to-Analog Conversion, DAC)이라고 하며, 디지털 값을 아날로그 전압 신호로 변환하여 출력합니다.

 

*** 샘플링 주파수를 샘플링한 데이터의 최대 주파수 보다 2배 이상 높은 주파수로 설정하는 이유? ***

샘플링 주파수를 샘플링한 데이터의 최대 주파수보다 높은 주파수로 설정하는 이유는, 나이퀴스트 샘플링 정리(Nyquist Sampling Theorem)에 의해 결정됩니다.

나이퀴스트 샘플링 정리에 따르면, 샘플링 주파수는 샘플링하려는 신호의 최대 주파수의 2배 이상으로 설정해야 합니다. 그렇지 않으면, 샘플링한 데이터에 오차가 발생하여 신호를 정확하게 재구성할 수 없게 됩니다.

예를 들어, 최대 주파수가 1000Hz인 아날로그 신호를 샘플링하려면, 샘플링 주파수는 2000Hz 이상이어야 합니다. 만약 샘플링 주파수를 1000Hz로 설정한다면, 샘플링한 데이터는 최대 주파수까지만 잘 표현하고, 그 이상의 주파수 정보는 잃어버리게 됩니다.

따라서, 샘플링 주파수를 충분히 높게 설정하여 최대 주파수까지 정확하게 표현할 수 있도록 해야 합니다.

 

*** 원본 신호의 일부 주파수 정보가 유실되는 이유? ***

샘플링 주파수가 원본 신호의 최대 주파수보다 작게 설정되면, 샘플링 시간 동안 원본 신호의 주기가 두 번 이상 반복되지 않는 경우가 발생합니다. 이 경우, 이론상으로는 그 주파수 정보가 샘플링 된 데이터에는 포함되지 않게 되어, 디지털 신호에서 원본 신호의 일부 주파수 정보가 유실됩니다.

이러한 현상은 앨리어싱(aliasing)이라고도 합니다. 샘플링 주파수가 원본 신호의 최대 주파수보다 작을 때, 샘플링 된 데이터에는 원래 주파수보다 낮은 주파수의 성분도 포함됩니다. 따라서, 이러한 낮은 주파수의 성분이 원래의 고주파수 성분과 혼동되어, 샘플링 된 데이터에서는 더 낮은 주파수의 성분으로 인식됩니다. 이러한 현상이 앨리어싱이며, 이로 인해 원본 신호의 일부 주파수 정보가 유실됩니다.

 

정리

- 아날로그 신호를 샘플링하는 과정에서 주파수(진동의 횟수)를 2배 이상 높여 디지털 신호로 변환 해서 앨리어싱(데이터 유실 현상)을 방지 합니다. 그리고 양자화를 거쳐 디지털 값을 표현하고 부호화를 통해 디지털 시스템에 저장하고, 처리합니다. 

 

랜 카드(LAN card 또는 Network Interface Card, NIC)

컴퓨터에서 네트워크에 연결하기 위한 하드웨어 카드입니다. 이 카드는 컴퓨터의 마더보드에 삽입되며, 네트워크 케이블을 연결할 수 있는 포트를 제공합니다. 랜 카드는 컴퓨터와 네트워크 간의 데이터 송수신을 가능하게 해주며, 인터넷을 비롯한 다양한 네트워크 기술에서 필수적인 역할을 합니다. 최근에는 일부 컴퓨터에는 랜 카드가 내장되어 있어 별도의 추가 장착 없이도 네트워크에 연결할 수 있습니다.

 

트위스트 페어 케이블(Twisted Pair Cable)

 랜 카드와 허브, 스위치 등의 네트워크 장비 간에 데이터를 전송하는 데 사용되는 케이블입니다. 이 케이블은 구리 선으로 이루어져 있으며, 두 개의 구리 선이 서로 뒤섞이게 되어 페어(pair)를 이룹니다. 이러한 구조로 인해 전기적인 노이즈나 간섭을 최소화하고, 데이터 전송 시 속도와 안정성을 높일 수 있습니다. 트위스트 페어 케이블은 주로 이더넷(Ethernet)이나 토큰 링(Token Ring)과 같은 프로토콜에서 사용됩니다. 또한, UTP(Unshielded Twisted Pair)와 STP(Shielded Twisted Pair) 두 가지 종류가 있습니다.

UTP:외부간섭방지를 위한 보호막이 없음
STP:외부간섭을 차단하기위한보호막으로실이 둘러쌓여있음

 

*** UTP(Unshielded Twisted Pair), STP(Shielded Twisted Pair) 장단점 *** 

UTP의 장점:

• 저렴하고 경제적입니다.
• 설치 및 유지 보수가 쉽습니다.
• 가벼우며 구부리기 쉽습니다.
• 일반적으로 STP보다 더 큰 대역폭을 제공합니다.

UTP의 단점:

• 외부 간섭에 취약합니다.
• 장거리 전송에 적합하지 않습니다.
• 고주파 신호에 대한 보호가 없습니다.

STP의 장점:

• 외부 간섭 방지 기능이 있습니다.
• 고주파 신호에 대한 보호가 있습니다.
• 장거리 전송에 적합합니다.

STP의 단점:

• 설치와 유지 보수가 어렵습니다.
• 케이블이 무거워서 구부리기 어렵습니다.
• 비용이 더 비싸며 대역폭이 작을 수 있습니다.

*** RJ-45 ***

이더넷 케이블을 연결하는 데 사용되는 일종의 커넥터입니다. RJ-45 커넥터는 8개의 선을 가지고 있으며, 일반적으로 UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블에 사용됩니다. RJ-45 커넥터는 이더넷 케이블의 끝에 부착되어 네트워크 장비(컴퓨터, 라우터, 스위치 등)에 연결됩니다. 이더넷 케이블을 이용한 유선 네트워크에서 RJ-45 커넥터는 매우 중요한 부품 중 하나이며, 안정적인 연결을 위해 제대로 사용되어야 합니다.

 

 RJ-45 커넥터와 UTP 케이블은 간단하고 저렴하며, 대부분의 이더넷 장비에서 사용할 수 있어서 매우 유용합니다. 물론 최근에는 무선 네트워크 기술의 발전으로 인해 무선 네트워크가 더 많이 사용되고 있지만, 여전히 유선 네트워크는 안정적이고 보안적인 면에서 더 우수한 성능을 보여주는 경우가 있어서 중요한 역할을 하고 있습니다. 따라서 RJ-45 커넥터와 UTP 케이블은 현재도 네트워크 구성에서 중요한 역할을 하고 있습니다.