채널의 한계 용량은 얼마입니까?

2.2. 1 채널에 대한 몇 가지 기본 개념

물론 컴퓨터 간 통신을 위해서는 전자기파 신호를 전송하는 회로가 있어야 한다. 여기서 말하는 회로에는 무선 회로도 포함되어 있다. 그러나 많은 경우에 우리는' 채널' 이라는 용어를 자주 사용한다. 채널과 회로는 다르다. 채널은 일반적으로 특정 방향으로 정보를 전송하는 매체를 나타내는 데 사용됩니다. 따라서 통신 회로에는 최소한 하나의 송신 및/또는 하나의 수신 채널이 포함됩니다. 채널은 회로의 논리적 구성 요소로 간주될 수 있습니다.

쌍방 간의 정보 상호 작용 방식을 보면 다음과 같은 세 가지 기본 방법이 있습니다.

단방향 통신은 단공 통신이라고도 합니다. 즉, 한 방향으로만 통신할 수 있고 반대 방향으로는 상호 작용할 수 없습니다. 무선방송이나 케이블 방송, 텔레비전 방송은 모두 이런 유형에 속한다.

양방향 교대 통신은 반이중 통신이라고도 합니다. 즉, 양 당사자가 모두 정보를 보낼 수 있지만 동시에 보낼 수는 없습니다 (물론 동시에 수신할 수도 없음). 이런 소통 방식은 한쪽이 다른 쪽을 보내서 받는 것이고, 일정 기간 후에 다시 반대로 하는 것이다.

양방향 동시 통신은 전이중 통신이라고도 합니다. 즉, 쌍방이 동시에 정보를 보내고 받을 수 있습니다.

단방향 통신에는 하나의 채널만 필요하고 양방향 대체 또는 양방향 동시 통신에는 두 개의 채널 (방향당 하나) 이 필요합니다. 분명히 양방향 동시 통신 전송 효율이 가장 높습니다. 그러나 통신국은 전화 사용자에게 양방향 동시 통신 채널을 제공하지만 효과적인 전화 통화는 일반적으로 쌍방이 교대로 통신한다는 점을 지적해야 한다. 쌍방이 말다툼을 할 때, 왕왕 양방향으로 동시에 소통한다.

여기서 독자들에게 상기시켜야 할 것은, 때때로 사람들이' 단일공' 이라는 단어를 사용하여' 양방향 교대 통신' 을 나타낸다는 것이다. 사람들이 늘 말하듯이,' 단일 라디오' 는 단방향 통신에만 사용되는 것이 아니다. 이 때문에 ITU-T 는 혼동하기 쉬운 용어' 작업',' 반이중',' 전이중' 을 정식 용어로 사용하지 않는다.

통신 발신자가 생성하는 신호 형식으로 볼 때 이러한 신호는 다음 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

아날로그 신호는 음성 신호 및 현재 라디오 및 TV 신호와 같은 연속 신호입니다.

디지털 신호는 컴퓨터 통신에 사용되는 바이너리 코드 "1" 및 "0" 으로 구성된 신호와 같은 이산적인 신호입니다.

이러한 신호 분류와 마찬가지로 채널은 아날로그 신호를 전송하는 아날로그 채널과 디지털 신호를 전송하는 디지털 채널의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 그러나 디지털 신호는 디지털 아날로그 변환 후 아날로그 채널에서 전송할 수 있으며 아날로그 신호는 디지털 아날로그 변환 후에도 디지털 채널에서 전송할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.

채널에서 전송되는 신호는 기저대역 신호와 광대역 신호로 나눌 수도 있습니다. 간단히 말해 베이스밴드 신호는 디지털 신호 1 또는 0 을 두 가지 다른 전압으로 직접 표시한 다음 회선으로 전송하여 전송하는 것입니다. 광대역 신호는 기저대역 신호를 변조하여 형성된 주파수 분할 멀티플렉싱 아날로그 신호입니다. 베이스 밴드 신호가 변조된 후 스펙트럼이 더 높은 주파수로 이동합니다. 각 노반 신호의 스펙트럼이 서로 다른 주파수 대역으로 이동하므로 병합 후 서로 간섭하지 않습니다. 이렇게 하면 한 회로에서 여러 디지털 신호를 동시에 전송할 수 있으므로 회로 활용도가 향상됩니다.

통신 네트워크 개발 초기에 모든 통신 채널은 아날로그 채널이었습니다. 그러나 디지털 기술의 급속한 발전으로 디지털 채널은 더 높은 품질의 통신 서비스를 제공할 수 있게 되었기 때문에, 과거에 확립된 아날로그 채널은 새로운 디지털 채널로 대체되고 있습니다. 현재 컴퓨터 통신에 사용되는 통신 채널은 기본적으로 간선에 있는 디지털 채널이지만, 현재 사용되는 대량의 사용자 선은 기본적으로 전통적인 아날로그 채널이다. 아날로그 채널과 디지털 채널의 공존은 물리적 계층의 내용을 더욱 복잡하게 만듭니다.

위의 채널에 대한 기본 개념을 통해 채널의 극한 용량에 대해 다시 한 번 이야기해 보겠습니다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 채널명언) 채널에서 가장 높은 기호 전송 속도이자 채널에서 가장 높은 정보 전송 속도입니다.

2.2.2 채널의 최대 기호 전송 속도

어떤 실제 채널도 이상적이지 않다. 이는 채널의 대역폭이 제한되어 있기 때문입니다 (즉, 신호가 통과할 수 있는 대역폭이 제한되어 있음). 신호를 전송할 때 다양한 왜곡이 발생하기 때문입니다. 각종 간섭도 다른 방식으로 채널에 들어간다. 이로 인해 채널의 기호 전송 속도에 상한선이 생깁니다. 이미 1924 에서 Naquist 는 채널이 이상적인 저통 직사각형 특성을 갖는 경우 최대 기호 전송 속도의 공식을 추론했습니다. 이것은 나이퀴스트 지침입니다.

이상적인 저통신 채널의 최대 기호 전송 속도 = 2 W 포터 (2-l)

여기서 W 는 HZ 단위의 이상적인 저통신 채널의 대역폭입니다.

포터는 포터, 기호 전송 속도의 단위, 1 포터는 초당 전송 1 개의 기호입니다.

공식 (2- 1) 은 유명한 나이퀴스터 규범이다. 나이퀴스트 지침의 또 다른 표현은 이상적인 저대역폭 통신 채널 헤르츠당 최대 기호 전송 속도가 초당 2 개의 기호라는 것이다. 기호의 전송 속도가 나이퀴스트 지침에 지정된 값을 초과하면 기호 간에 상호 간섭이 발생하여 수신자가 발신자가 보낸 기호가 1 또는 0 인지 제대로 확인할 수 없습니다.

여기서 우리는 다음 두 가지 점을 강조해야 한다.

위에서 언급한 이상적인 저통 특성을 가진 채널은 이상적인 채널이며, 물론 실제로 사용하는 채널과 크게 다릅니다. 따라서 실제 채널이 전송할 수 있는 최대 기호 속도는 나이퀴스트 지침에 명시된 상한선보다 훨씬 낮습니다.

포터와 비트는 두 가지 다른 개념이다.

포터는 초당 전송되는 기호의 수를 나타내는 기호 전송 속도 단위입니다. 기호 전송 속도는 변조 속도, 파형 속도 또는 기호 속도라고도 합니다.

비트는 정보의 단위이며,' 포터' 기호와는 전송 속도가 완전히 다르다.

그러나 정보 전송 속도' 비트 초당' 과 기호 전송 속도' 포터' 는 양적으로 관계가 있다. 1 개의 기호가 1 비트의 정보만 가지고 있다면,' 비트 초당' 과' 포터' 는 수치적으로 동일하다. 그러나 1 개 기호가 N 비트의 정보를 전달하는 경우 M 포터의 기호 전송 속도에 해당하는 정보 전송 속도는 m× Nb/s 입니다. 예를 들어 대역폭이 3 kHz 인 이상적인 저통신 채널이 있으며 최대 기호 전송 속도는 M 포터입니다. 1 개 기호가 3 비트 정보를 호스팅할 수 있는 경우 최대 정보 전송 속도는 18000 b/s 입니다

이상적인 대역 통과 직사각형 특성 (대역폭 W) 을 가진 채널의 경우 나이퀴스트 가이드라인은 다음과 같습니다.

이상적인 밴드 통신 채널의 최대 기호 전송 속도 = W 포터 (2-2)

즉, Hz 대역폭당 밴드 통신 채널의 최대 기호 전송 속도는 초당 1 개 기호입니다.

2.2.3 채널 정보 전송 속도 제한

1948 에서 Shannon 은 정보론의 이론을 이용하여 제한된 대역폭과 가우스 백색 잡음 간섭 하에서 채널의 한계 정보 전송 속도를 유도했다. 이 속도로 전송할 때 오류가 발생하지 않습니다. 공식으로 표시하면 채널의 한계 정보 전송 속도 C 는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

C= W log 2( 1+신호 대 잡음비) b/s (2-3)

여기서 w 는 채널의 대역폭 (Hz) 입니다.

S 는 채널에서 전송되는 신호의 평균 전력입니다.

N 은 채널의 가우스 잡음 전력입니다.

공식 (2-3) 은 유명한 향농 공식이다. 향농공식은 채널의 대역폭이 크거나 채널의 신호 대 잡음비가 클수록 정보의 한계 전송 속도가 높다는 것을 보여준다. 하지만 더 중요한 것은 향농 공식에 따르면, 정보 전송 속도가 채널의 한계 정보 전송 속도보다 낮으면 오류 없이 전송할 수 있는 방법을 찾을 수 있다고 합니다. 그러나 향농은 우리에게 구체적인 실현 방법을 알려주지 않았다. 이것은 전파학을 연구하는 전문가가 발견해야 한다.

향농공식에서 알 수 있듯이 채널 대역폭 W 또는 신호 대 잡음비 S/N 에 상한선이 없는 경우 (실제 채널은 당연히 그럴 수 없음) 채널의 극한 정보 전송 속도 C 에는 상한선이 없습니다.

향농공식이 발표된 이후 각종 새로운 신호 처리와 변조 방법이 끊임없이 출현하는 것은 향농공식에 의해 주어진 전송 속도 한계에 최대한 접근하기 위해서이다. 실제 채널에서 도달 할 수있는 정보 전송 속도는 섀넌 한계 전송 속도보다 훨씬 낮습니다. 이는 실제 채널에서 신호가 전송의 다양한 펄스 간섭 및 왜곡과 같은 다른 손상을 입기 때문입니다. 향농 공식 유도에서는 이러한 요소들을 고려하지 않았다.

기호의 전송 속도는 나이퀴스트 지침에 의해 제한되므로 정보의 전송 속도를 높이기 위해서는 각 기호에 가능한 한 많은 비트 정보를 휴대해야 합니다. 이를 위해서는 다중 시스템 (다중 시스템이라고도 함) 변조 방법을 사용해야 합니다. 예를 들어 16 바이너리 시스템을 사용할 때 기호는 4 비트 정보를 휴대할 수 있습니다. 표준 전화 세션의 밴드는 300-3400 Hz, 즉 대역폭은 3 100 Hz 입니다. 이상적인 채널에 가까운 이 주파수 대역, 즉 중간 세그먼트의 대역폭은 약 2400 Hz 입니다. 기호 전송 속도가 2400 포터 (Hz 대역폭 1 Porter 당 기호 전송 속도와 동일) 인 경우 정보 전송 속도는 9600 b/s 에 이를 수 있습니다. 실제로 이러한 정보 전송 속도를 달성하려면 높은 신호 대 잡음비가 필요합니다. 독자는 방정식 (2-3) 에서 필요한 최소 신호 대 잡음비를 쉽게 계산할 수 있습니다. 그러나 실제 채널에 필요한 신호 대 잡음비는 이 최소값보다 훨씬 높다는 점에 유의해야 합니다.

대역폭이 3. 1 kHz 인 표준 전화 채널의 경우 신호 대 잡음비 S/N = 2500 은 향농 공식에 의해 알 수 있습니다. 어떤 고급 인코딩 기술을 사용하든 정보 전송 속도는 공식 (2-3) 에서 계산한 한계 값, 즉 35KB 를 초과할 수 없습니다.