데이터통신

제1장 데이터통신

1.1 데이터통신 17
1.2 데이터의전송단위 20
1.3 Byte Order 21
1.4 유무선통신선로 22
1.5 데이터트래픽의특성 23
1.6 데이터의전달방법과선로의활용방법 23
1.7 직렬전송및병렬전송 24
1.8 통신망(네트워크) 27
1.9 교환방식 27
1.10 전송거리에따른데이터통신망의분류 31
1.11 사설망과공중망 32
1.12 프로토콜 33
1.13 OSI 7 계층모델 34
1.14 TCP/IP 프로토콜수트 37
1.15 계층별데이터통신연결 38
1.16 데이터통신분야표준화기구 38
1.17 데이터통신과임베이드시스템 40
1.18 데이터통신기술의활용분야 41
1.19 데이터통신기술의 Positioning 45
1.20 연습문제 47

제 2장 데이터통신의기초

2.1 데이터부호 49
2.2 데이터와신호 50
2.3 신호의표현 52
2.4 디지털신호의분해 54
2.5 비트율과보오율 54
2.6 데시벨과 SNR 56
2.7 대역폭과전송속도 56
2.8 신호의변환 58
2.9 아날로그데이터에대한아날로그신호변환 60
2.10 아날로그데이터에대한디지털신호변환 61
2.11 PCM 코덱 63
2.12 디지털데이터에대한디지털전송신호변환(라인코딩) 66
2.13 블록인코딩 73
2.14 디지털데이터에대한아날로그전송신호변환(모뎀) 79
2.15 아날로그모뎀 83
2.16 Baseband와 Broadband 전송 85
2.17 대역확산(Spread Spectrum)기술 86
2.18 바코드시스템(참고) 88
2.19 설계과제 90
2.20 이더넷라인코딩파형분석 90
2.21 NRZI 인코더와디코더설계 92
2.22 맨체스터인코더설계 93
2.23 MLT-3 인코더설계 95
2.24 FSK 모뎀설계 96
2.25 연습문제 102

제 3장 데이터전송기술

3.1 데이터전송시스템의구성 105
3.2 전송매체 107
3.3 전송선로의임피던스 110
3.4 Single-ended/Differential 전송 112
3.5 불평형전송과평형전송신호방식 114
3.6 전송장애 114
3.7 오류감지및복구기능 121
3.8 유선디지털통신시스템의구성 126
3.9 클럭동기 134
3.10 스크램블러 136
3.11 데이터통신시스템의성능 141
3.12 큐잉시스템(Queueing system) 143
3.13 설계과제 145
3.14 스크램블러설계 145
3.15 PRBS(Pseudo Random Bit Sequence) 생성기및검사기 146
3.16 CRC 생성기능설계 149
3.17 Checksum 생성기능설계 150
3.18 연습문제 151

제 4장 직렬통신방식과 UART

4.1 DTE와 DCE 장치 153
4.2 물리계층에서의비동기및동기직렬전송방식 154
4.3 전송단위의구분 157
4.4 계층별동기및비동기전송방식 160
4.5 UART 161
4.6 UART의비동기전송방식 163
4.7 UART의제어기능 165
4.8 상용 UART 칩 166
4.9 RS232 169
4.10 4~20mA Current Loop 통신 172
4.11 38KHz 적외선리모컨통신시스템 175
4.12 설계과제 178
4.13 Hello World 178
4.14 UART1 모듈설계 180
4.15 USB / UART 변환모듈설계 182
4.16 UART1 / RS232 하드웨어설계 184
4.17 UART0와 UART1의연동기능설계 185
4.18 20mA Digital Current Loop 설계 187
4.19 4~20mA Analog Current Loop 설계 189
4.20 38KHz 적외선리모컨통신시스템설계 191
4.21 연습문제 200

제 5장 차동직렬전송방식: RSD485와DMX 512

5.1 Single-ended 신호방식과 Differential 신호방식 201
5.2 RS422 / V.11 205
5.3 RS423(참고) 206
5.4 RS485 207
5.5 RS485에대한고려사항 209
5.6 RS422 / RS423 / RS485의비교 211
5.7 DMX512 원격조명제어방식 212
5.8 DMX512 상세 213
5.9 DMX512 커넥터와케이블 215
5.10 DMX512 기반의조명장치예 217
5.11 설계과제 217
5.12 차동송신부설계 218
5.13 RS485 시스템설계 218
5.14 DMX512 마스터노드의설계 221
5.15 USB 기반의 DMX512 마스터노드의설계 224
5.16 DMX512 슬레이브노드의설계 225
5.17 연습문제 230

제 6장 유무선회선교환시스템

6.1 공중전화교환망의구성 231
6.2 아날로그전화기 233
6.3 Sidetone제거기능 239
6.4 전화교환기의기능 242
6.5 교환기능 245
6.6 공간분할교환방식 247
6.7 시분할교환방식 249
6.8 다단교환기 250
6.9 이동전화시스템 251
6.10 이동전화시스템의구성 253
6.11 이동전화시스템의동작 255
6.12 휴대폰시스템의세대별진화 257
6.13 설계과제 259
6.14 DTMF 신호발생기와수신기의설계 259
6.15 전화기용 Ringer 설계 263
6.16 전화기용 DTMF 신호발생기설계 265
6.17 Active 하이브리드회로설계(참고) 267
6.18 아날로그전화기설계 267
6.19 G.711 PCM 코덱기능부설계 271
6.20 공간분할크로스포인트교환기와코덱기능부설계 276
6.21 TDM 버스교환방식의시분할교환기능의설계 279
6.22 연습문제 285

제 7장 데이터링크계층과 HDLC

7.1 데이터링크계층의기능 287
7.2 물리링크와가상(논리) 링크 288
7.3 연결형과비연결형데이터링크절차 290
7.4 프레이밍(Framing) 291
7.5 프레임경계설정방법 292
7.6 링크계층에서의흐름제어기능 296
7.7 링크계층에서의오류복구기능298
7.8 HDLC 299
7.9 HDLC 프레임구조 301
7.10 ABM 모드에서의 HDLC 동작절차 304
7.11 동기식 HDLC 컨트롤러(USART) 305
7.12 HDLC 시스템용물리계층 306
7.13 PPP 308
7.14 HDLC 모듈설계 311
7.15 연습문제 330

제 8장 다중화와다중접근

8.1 다중화 331
8.2 시분할다중화방식(TDM) 332
8.3 주파수분할다중화방식(FDM) 333
8.4 파장분할다중화방식(WDM) 334
8.5 패킷모드다중화 334
8.6 다중접근(Multiple access) 337
8.7 스케듈기반의다중접근방식 338
8.8 경쟁기반의다중접근방식 340
8.9 회선모드다중접근방식 344
8.10 이중링크방식 348
8.11 E1 다중화기술 350
8.12 E1의 Time Slot 0의상세기능 353
8.13 E1 시스템의 Time Slot 16 354
8.14 E1 CRC-4의기능(참고) 356
8.15 E1 물리계층 358
8.16 T1(참고) 360
8.17 Plesiochronous Digital Hierarchy(PDH) 362
8.18 SONET / SDH 광전달망 365
8.19 E1 TDM 다중화기 367
8.20 설계과제 370
8.21 연습문제 380

제 9장 유선데이터통신망기술

9.1 공중망과사설망 381
9.2 연결형과비연결형전달서비스 382
9.3 데이터평면과제어평면 382
9.4 유선데이터통신기술 384
9.5 홈네트워킹기술 385
9.6 액세스망기술 386
9.7 광액세스통신망 389
9.8 ISDN(참고) 393
9.9 B-ISDN(참고) 394
9.10 공중패킷교환망과X.25 396
9.11 프레임릴레이망 399
9.12 인터넷 400
9.13 MPLS / MPLS-TP 407
9.14 회선교환망을이용한데이터전송 408
9.15 패킷교환망을통한회선교환서비스기술 414
9.16 OTN(Optical(Paket) Transport Network) 414
9.17 VoIP 415
9.18 IPTV 419
9.19 All IP 서비스 420
9.20 설계과제 421
9.21 연습문제 424

제 10장 무선데이터통신시스템

10.1 무선데이터통신시스템의구성 425
10.2 무선통신망의구조 427
10.3 무선 LAN 428
10.4 무선 LAN 기술 429
10.5 무선 LAN에서고려되어야하는사항 432
10.6 WLAN 프레임 436
10.7 WiFi Direct 438
10.8 단거리무선통신기술 438
10.9 RFID와 NFC 441
10.10 Z-Wave 443
10.11 IrDA 적외선통신 443
10.12 가시광통신(Visible Light Communication) 445
10.13 Global Positioning System(GPS) 446
10.14 이동무선데이터통신시스템 452
10.15 무선데이터통신응용분야 455
10.16 설계과제 456
10.17 블루투스모듈활용 456
10.18 IrDA 적외선통신모듈설계 460
10.19 GPS 시스템설계 463
10.20 연습문제 465

제 11장 SPI와I2C

11.1 SPI버스 467
11.2 SPI 버스의구성 469
11.3 SPI 동작절차 470
11.4 SPI의 4가지동작모드 472
11.5 Microwire SPI 방식 474
11.6 SPI 슬레이브칩 474
11.7 MicroSd메모리카드 474
11.8 I2C 버스 476
11.9 I2C시스템의구성 476
11.10 I2C 신호방식 477
11.11 I2C 메시지의구성 477
11.12 I2C의기본동작절차 478
11.13 Repeat-Start(또는 Restart Condition) 동작 481
11.14 I2C의동작 481
11.15 I2C 버스지원장치및회로 483
11.16 I2C의활용 485
11.17 Single-Wire 방식(참고) 485
11.18 설계과제 486
11.19 SPI 보드설계 486
11.20 SPI 온도센서설계및 SPI 기본프로그래밍 488
11.21 SPI 직렬 EEPROM 설계(참고) 492
11.22 Bitbang프로그래밍기반의 SPI(참고) 495
11.23 I2C 지원모듈설계및기본드라이버소프트웨어설계 496
11.24 LM75 I2C 온도센서 501
11.25 24LC64 I2C Serial EEPROM 주변회로및소프트웨어설계 503
11.26 SAQA1064 4자리 7세그먼트 LED 모듈설계 505
11.27 Ht16K33 8X8 Dot Matrix LED 모듈설계 508
11.28 BMP180 대기압센서 511
11.29 ADXL345 3축가속도센서(Accelerometer) 512
11.30 L3G4200D 3축각속도(angular rate) 센서 516
11.31 HMC5883L 디지털나침반센서(Digital Compass) 519
11.32 MPU-6050 3축가속도계복합센서(참고) 525
11.33 연습문제 526

제 12장I2S, AES/EBS, S/PDIF

12.1 오디오인코딩과디코딩 527
12.2 Balanced와 Unbalanced 아날로그오디오전송 529
12.3 직렬디지털오디오전송방식 530
12.4 AVB 기술(참고) 533
12.5 I2S(Inter-IC Sound) 직렬쌍방향스테레오오디오버스 533
12.6 AES3 직렬스테레오오디오버스 536
12.7 S/PDIF 직렬스테레오오디오버스 540
12.8 오디오용커넥터및케이블 542
12.9 마이크와팬톰파워 546
12.10 설계과제 547
12.11 ADC 기능설계 548
12.12 I2S 시스템설계 550
12.13 FM 튜너제어(참고) 557
12.14 연습문제 561

제 13장 자동차내부직렬통신버스: LIN

13.1 개요 563
13.2 자동차내부통신망의특성과종류 563
13.3 LIN 시스템의구성과계층구조 564
13.4 LIN의물리계층 567
13.5 LIN시스템의동작절차 568
13.6 Diagnostic 프레임 572
13.7 기타프레임 574
13.8 동작절차의종류 575
13.9 LIN의추가기능 577
13.10 LIN의오류감지및보고절차 579
13.11 실시간전송기능 580
13.12 LIN 관련제품 581
13.13 설계과제 582
13.14 전류증폭회로와스텝모터구동모듈설계 583
13.15 LIN 모듈설계 586
13.16 모터구동부가내장된 LIN 슬레이브모듈설계(참고) 596
13.17 연습문제 599

제 14장 자동차내부직렬통신버스: CAN

14.1 개요 601
14.2 Control Area Network(CAN) 601
14.3 CAN 시스템의구성 602
14.4 CAN물리계층 604
14.5 CAN 2.0A 프레임형식 607
14.6 CAN 메시지의예 611
14.7 CAN 2.0B 프레임형식 612
14.8 CAN 데이터링크계층 613
14.9 CAN 버스중재절차 616
14.10 CAN 주소지정방식과메시지우선순위 617
14.11 비트동기 620
14.12 CAN의동작절차 621
14.13 CAN의오류감지및처리기능 623
14.14 CAN 모듈의구성과동작 626
14.15 기타 CAN 규격 628
14.16 상위계층과추가고려사항 629
14.17 CAN 트랜시버 630
14.18 On-Board Diagnostic(OBD)-II 631
14.19 Automotive AVB 기술(참고) 634
14.20 설계과제 634
14.21 CAN 모듈설계 634
14.22 OBD-II 진단장치설계(선택) 644
14.23 CAN의특징요약 645
14.24 연습문제 647

제 15장 이더넷

15.1 이더넷의역사 649
15.2 매체공유형이더넷 651
15.3 100Mbps급이더넷 654
15.4 기바비트이더넷 656
15.5 이더넷용전송매체와커넥터 656
15.6 드라이버 658
15.7 이더넷프레임 660
15.8 이더넷파라미터 664
15.9 Logical Link Control(LLC) 665
15.10 상위계층프로토콜분류방법 667
15.11 Media Independent Interface(MII)와 SMI 669
15.12 SMI(Serial Management Interface) 673
15.13 MII 관리용인터페이스(SMI)의동작절차 674
15.14 PHY 내부레지스터 676
15.15 NLP와 FLP 681
15.16 이더넷의자동협상기능(Auto Negotiation) 683
15.17 브리지 683
15.18 브리지의기본기능 685
15.19 브리지의우선순위처리 693
15.20 이더넷시스템 694
15.21 설계과제 697
15.22 100Mbps 이더넷설계 698
15.23 이더넷스위치설계 702
15.24 SMI 기능설계 705
15.25 10Mbps급이더넷설계 711
15.26 프로토콜분석기설계(참고) 723
15.27 연습문제 723

제 16장 RFID와 NFC

16.1 RFID(Radio Frequency Identification)와 NFC 725
16.2 125KHz / 134.2KHz RFID 시스템 730
16.3 13.56KHz RFID 시스템 734
16.4 ISO14443-2 13.56KHz RFID 시스템 736
16.5 ISO14443-3 Type A 초기화및충돌방지절차 740
16.6 ISO14443-3 Type B 방식 745
16.7 ISO14443-4 Half-Duplex Block Transmission Protocol) 745
16.8 MIFARE Transmission Protocol 748
16.9 ISO7816-4 Smart Card Application Protocol Data Unit(APDU) 749
16.10 NFC 시스템 749
16.11 NFC P2P 모드 752
16.12 프로토콜요약 757
16.13 설계과제 759
16.14 125KHz 카드리더설계 759
16.15 13.56MHz MIFARE 카드리더설계 769
16.16 연습문제 788

부록
데이터통신시스템개발환경구축절차 789

100여년 전의 전화 시스템과 무선 전신 시스템과 같은 초기 유무선 데이터 통신 기술은 현재 100Gbps급 이더넷 유선 통신 기술과 LTE 방식의 스마트 폰과 같은 최신 모바일 데이터 통신 기술로 무르익고 있다. 하지만 이면에는 유무선 전송선로에 가해지는 잡음과 왜곡, 지연 그리고 시스템 내부의 버퍼 부족에 의한 손실 등의 수 많은 기술적인 난관을 극복한 수 많은 통신정보공학자의 이론적이고 실질적인 헌신이 있었다.

본 교재는 데이터 통신 기술의 기본 개념과 이것이 적용된 다양한 단말 및 네트워킹 시스템의 구성과 동작을 다룬 것이다. 또한 패킷망과 같은 장거리 데이터 통신 기술을 다루었던 기존 교재와 달리 임베디드 보드 내부 통신방식인 SPI, I2C, I2S 등의 초단거리 통신방식과 자동차 내부제어통신망 기술인 LIN 및 CAN도 심도 있게 다루었다. 또한 오디오 및 조명 제어와 같은 융합된 데이터 통신 기술도 포함하였다. 특히 다양한 데이터 통신 시스템의 기본 기능을 하드웨어 및 소프트웨어로 설계할 수 있는 능력을 배양할 수 있도록 총 70여 개의 설계과제를 제시하고 관련 회로도와 프로그램도 함께 수록하였다.

본 교재의 구성은 다음과 같다.

1 ~3장 : 데이터 통신 시스템의 동작을 가능케 하는 라인코딩 및 변복조기술, 오류제어 등의 기본 개념을 다루었으며, Verilog 또는 C 언어로 수행할 수 있는 PRBS 및 NRZI 인코더 등의 다양한 설계 항목을 제시하였다. 또한 Omnet시 뮬레이터와 큐잉시스템도 함께 다루었다.
4 ~ 5장 : 비동기 전송 기술인 UART 및 RS485 관련 기술을 다루면서 비동기 전송, 불평형 및 평형 전송 개념을 소개하였다. 이를응용한 Current Loop 통신 시스템과 조명제어용 DMX512 기술도 함께 다루고 관련 시스템을 설계할 수 있도록 하였다.
6장 : 전화망 시스템을 구성하는 전화기의 내부구조와 동작, 공간분할 및 시분할교환기의 기능을 다루면서 각 기능에 대한 설계를 수행할 수 있도록 하였다.
7장 : HDLC를 기반으로 프레이밍, 흐름 및 오류 제어등에 대한 데이터 링크 계층프로토콜의 기능을 다루면서 HDLC 칩을 기반으로 한 HDLC 전용 통신 모듈의 설계를 수행할 수 있도록 하였다. 이를 통하여 동기식 전송방식을 이해할 수 있도록 하였다.
8장 : 다중화와 다중 접근기술을 다루면서 대표적인 E1 TDM 다중화기의 설계를 수행할 수 있도록 하였다.
9장 : 패킷 교환망과 케이블TV시스템, 광통신시스템, 인터넷, MPLS, OTN, PTN등의 다양한 유선 데이터 통신망 기술을 소개하였다.
10장 : 무선 LAN과 WPAN, 적외선 통신 등을 포함한 무선 데이터 통신망 기술을 다루면서 블루투스, GPS, IrDA 시스템의 설계를 수행하도록 하였다.
11장과 12장 : 스마트폰과 같은 임베디드 시스템 내부 통신 기술인 SPI와 I2C 그리고 디지털 오디오 전송방식인 I2S, AES/EBU, S/PDIF를 다루었다. 이를 통하여 온도, 자이로스코프, 가속도센서, 대기압센서에 대한 인터페이싱 기법과 디지털 오디오 전송시스템의 설계를 수행하도록 하였다.
13장과 14장 : 자동차 내부 제어 통신망 기술인 LIN과 CAN을 심도 있게 다루고, 관련스텝 모터 구동이 가능한 LIN/CAN 시스템 설계를 다루었다.
15장 : 대표적인 고속 전송 기술인 이더넷을 다루고, 관련된 이더넷 브리지 및 10Mbps/100Mbps급 이더넷 그리고 MDIO 제어 기능을 설계하도록 하였다.
16장 : RFID와 NFC를 다루면서 부하 변조의 원리를 습득할 수 있도록 하고, 125KHz 및 13MHz RFID 시스템을 설계하도록 하였다.
부록 : 데이터 통신 시스템 개발환경 구축 절차를 소개하였다.

이와 같이 본 교재는 기본적인 데이터 통신 기술의 개념뿐만 아니라 다양한 첨단 데이터 통신시스템 설계 기술의 기반을 함께 습득할 수 있도록 준비하였다. 또한 이러한 설계 과정의 원활한 수행을 돕기 위해 가급적 저렴한 데이터 통신 소자 및 소프트웨어 개발도구를 선정 제시하였다.

참고로 본 교재에서 요구되는 설계 항목은 타교과목, 즉 통신공학, 디지털공학, 마이크로프로세서, 전자회로, 전력전자, 소프트웨어공학 등과 같은 분야의 다양한 지식뿐만 아니라 여러 종류의 개발도구의 활용 능력이 함께 요구된다.

만약 여건이 여의치 않다면 본 교재에 제시된 70여 개의 설계과제 중 하드웨어 관련 설계 과제는 이미 상품화된 아두이노 쉴드 모듈을 활용하고 관련 프로그램을 참조하는 것도 좋겠다. 하지만 가급적 흥미 있는 하나의 설계과제를 선택하여 회로설계에서 PCB제작까지 스스로 수행하고 관련된 소프트웨어까지 설계하는 것을 추천한다. 이러한 학습과정을 통하여 최신 데이터 통신시스템 설계뿐만 아니라 스마트 자동차, 무인기 등의 IT융합분야에도 큰 자신감을 얻게 될 것이다.

마지막으로 지난 3년여에 걸친 본 교재의 준비과정에서 무심하게 대한 주변 분들에게 깊은 미안함을 표한다. 특히 어려움에도 불구하고 출판을 수락하신 도사장님과 강선생님 그리고 이번 학기에 도움을 많이 주신 제주대학교의 임재윤 교수님과 좌정우 교수님께 큰 감사를 드린다.

2015. 봄
윤종호
yoonch@kau.ac.kr