3. Physical Layer - Data와 Signals 그리고 Bandwidth

물리 계층에 대해 들어가기 전에 데이터와 신호에 대한 개념이 필요한가보다.

 

데이터 통신에서 데이터는 두 가지 종류가 있다.

1. 아날로그 데이터 - 연속적인 정보를 가지고 있는 데이터

2. 디지털 데이터 - 불연속적인 정보를 가지고 있는 데이터

그림 A. 아날로그 신호와 디지털 신호

아날로그 데이터와 디지털 데이터를 각 각 신호로 나타내면 그림 A처럼 표현할 수 있다.

 

각 신호는 주기적인 신호(Periodic)와 비주기적인 신호(Non-Periodic)로 구분할 수 있다.

주기적인 신호는 일정한 패턴이 동일한 시간 내 반복되는 것을 말하고 사이클을 형성한다고 한다.

비주기적인 신호는 시간이 지남에 따라 반복되는 패턴 없이 신호가 바뀌는 것을 말한다.

그림 B. Sine 파

대표적으로 그림 B와 같은 정형파가 주기적인 신호에 속한다.

그 외, 그림 A와 같은 신호들은 비주기적인 신호라고 한다.

 

진폭, 주기, 주파수, 위상, propagation speed, wavelength 에 대한 내용은 따로 작성하지 않겠다.

디지털 신호 처리에 더 적합한 내용으로 판단.

 

시간축과 주파수축

 

보통 신호는 시간 관점에서 측정한다. 하지만 주파수 관점에서 측정하면 전혀 다른 그래프를 확인할 수 있다.

왜 주파수 관점에서 측정할까?

주파수 관점에서 측정하면 신호에서 얼만큼의 진폭을 가진 신호들이 얼마나 나타났는지 한 번에 확인할 수 있다.

만약, 시간 축에서 몇 개의 신호가 있었는지를 생각해보자. 1초 사이의 모든 신호의 개수를 세어야 한다.

 

시간축과 주파수축 2

f의 한 주기를 1초라고 생각해보자.

1초 동안 f는 1주기를 가지고, 3f는 3주기, 9f는 9주기를 가진 것을 확인할 수 있다.

복합적인 신호가 들어오더라도 주파수축에서 관측하면 어떤 신호들이 관측되었는지 알 수 있다.

 

대역폭 (Bandwidth)

 

우리는 주파수 도메인 개념을 사용해서 비주기 신호에 대해서도 정확한 분석값을 측정할 수 있다.

시간 축만 사용한다면 주기를 알 수 없어, 신호에 대한 예측이 불가능하다.

특정 주파수들만 관측할 수 있다면 주기를 몰라도 된다. 즉, 비주기 신호에 대해서도 예상 범위가 생긴 것이다.

비주기 신호의 시간축과 주파수축

 

이런 주파수 도메인은 특정 주파수에 대한 신호만 필터링하는 역할로 사용할 수 있고 필터링 기준이 되는 것을 대역폭 (Bandwidth) 이라고 한다.

 

그림 A. 특정 시스템의 Bandwidth

 

나는 개인적으로 데이터 통신을 공부하면서 느낀 점이 Bandwidth가 참 중요하다고 생각했다.

Bandwidth를 제대로 이해하지 못해 뒤에서 생각이 많이 꼬였었다. 그래서 해당 포스트에서 Bandwidth에 대해 쉽게 이해할 수 있도록 설명하고 뒤에서 Bandwidth와 관련된 개념들을 더 자세히 작성할 예정이다.

 

1. Bandwidth는 고속도로다.

고속도로를 생각해보자. 고속도로를 통해 오토바이나 사람이나 자전거가 지나갈 수 있을까? 철저히 금지하고 있다.  마찬가지로 대역폭 또한 출발지에서 목적지로 가기 위한 신호를 철저히 관리한다. 그림 A를 확인한다면 1000 Hz ~ 5000 Hz 까지에 대한 대역폭이다. 그럼 1000hz부터 5000hz까지가 차량이 되고 1000 hz 미만은 오토바이, 자전거, 사람으로 생각한다. 반대로 5000 hz 초과는 비행기, 헬리콥터, 기차와 같은 것으로 생각하면 된다.

고속도로의 경우, 차량만 진입할 수 있도록 하겠다라는 대역폭이 있으면 통신에서는 1000 Hz ~ 5000 Hz까지의 신호만 진입할 수 있도록 하겠다는 대역폭이 있고 이 크기를 최대 신호 - 최소 신호 = 4000Hz로 나타낸다.

이 4000 Hz는 고속도로의 크기라고 생각하면 된다.

2. Bandwidth의 각 차선은 Channel이다.

1번에서 4000 Hz의 너비를 가진 고속도로를 생성했다. 그럼, 실제 고속도로를 생각해보자. 차들은 각 차선에서 대열을 맞추면서 이동한다. 만약 차선 없이 뻥 뚫린 고속도로였다면 대열이 막 흐트러져 있을 것이고 차가 밀리는 일이 더 자주 발생할 것이다. 또, 특정 차선을 쭉 따라간다면 목적지에 도착할 수 있다는 보장이 있는데 차선이 없다면 중간에 어디로 이동해야하는지 모르게 된다. 그래서 각 차선에 버스 전용 차선, 화물차 전용 차선, 서울 방향 차선, 부산 방향 차선 등 약속을 해놓았다. 마찬가지로 대역폭에서도 목적지로 가기 위한 차선이 존재해야하고 그것을 통신에서는 Channel 이라고 부른다.

통신에서는 TV Channel, Radio Channel 등 다양하게 존재한다.

참고 : https://www.mykit.com/kor/ele/freq.html

3. 각 Channel도 Bandwidth가 존재한다.

우리는 부산에서 출발한다. 경부 고속도로에서 화물차 전용 차선을 따라 이동한다고 생각해보자. 특정 지점에서 경기도 방향으로 갈 것인지 서울 방향으로 갈 것인지 그에 맞추어서 이동하라는 이정표가 존재한다. 이것이 통신의 관점에서 보면 각 Channel의 Bandwidth이다. 대표적인 예시로 TV 채널이 있다. 우리가 TV를 보는데 1번 Channel을 볼 지 2번 Channel을 선택할 때 마다 다른 내용이 들어오는 것을 확인할 수 있다.

 

위 내용이 Bandwidth를 설명하기 가장 적합한 표현이라고 생각한다. 그리고 위 설명을 제대로 인지했다면 통신의 신호는 복합신호라는 것을 알게 될 것이다. TV를 본다고 생각해보자. TV Channel 번호에 따라 정보가 바뀐다면 Channel 번호를 선택하는 시점에 신호에서 필터링이 되고 있다는 것까지 알았다면 물리 계층을 매우 쉽게 이해할 수 있다.