Physical layer는 컴퓨터 네트워크에서 중요한 부분 중 하나로, 데이터와 신호를 전송하는 역할을 한다. 이곳에서 데이터는 전자기 신호로 변환되어 전송 매체를 통해 다른 장치로 이동한다. 이를 통해 원격 장치와 통신하고 정보를 교환할 수 있다.

전송 매체를 통해 데이터를 전자파 신호의 형태로 이동시키기 위해서는 데이터를 전자기 신호로 변환해야 한다. 데이터는 일반적으로 디지털 형태로 컴퓨터에서 처리되며, 이를 전자기 신호로 변환하여 물리적 계층을 통해 전송된다. 이러한 변환 과정은 여러 방법으로 이루어질 수 있으며, 전송 매체의 특성에 따라 다양한 기술이 사용된다.

데이터의 종류
데이터는 크게 두 가지 유형으로 나뉘게 된다. 아날로그 데이터는 연속적인 형태의 정보를 나타낸다. 해당 데이터는 시간에 따라 변하는 실제 현상을 나타내는데 사용된다. 인간의 음성이나 손의 움직임과 같이 연속적인 값으로 표현되며, 무한한 값이 존재할 수 있다. 디지털 데이터는 이산적인 상태를 가진 정보를 나타낸다. 해당 데이터는 0과 1과 같은 두 개의 이산적인 상태로 표현된다. 디지털 시계나 컴퓨터 메모리에 저장된 데이터의 경우 이산적인 값으로 표현되며, 고정된 상태를 가진다.

아날로그 신호와 디지털 신호
아날로그 신호는 시간에 따라 무한한 간격의 값을 가지는 신호이다. 이는 연속적인 값으로 표현된다. 디지털 신호는 한정된 값을 가지는 형태의 신호이다. 디지털 신호의 경우 0과 1과 같은 이산적인 값만 사용하며, 값이 명확하게 정의되어있어야 한다. 신호를 저장할 때, 연속적인 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 컴퓨터에 저장해야 한다.

주기 신호와 비주기 신호
주기 신호는 측정 가능한 시간 내에서 하나의 패턴을 완료하고, 해당 패턴을 연속적으로 반복하는 신호이다. 이러한 시간 프레임을 주기(Period)라고 한다. 한 패턴을 완료하는 것을 싸이클(Cycle)이라 하며, 이는 하나의 패턴이 전체 주기동안 반복되는 것을 의미한다. 주기적 신호는 일정한 주기마다 동일한 형태의 신호 패턴을 가진다. 비주기 신호는 시간에 따라 패턴이나 주기 없이 변하는 신호를 의미한다. 이러한 신호는 예측할 수 없는 방식으로 변한다. 비주기 신호는 주기나 패턴을 따르지 않으며, 무작위적인 변화를 가질 수 있다.

사인파는 대표적인 주기 신호 중 하나이다. 사인파의 특성은 아래와 같다.

  • 세기 (Amplitude): 사인파의 세기는 신호의 에너지나 강도를 나타낸다. 시각 높을수록 신호의 진폭이 크며, 더 강한 신호를 나타낸다.
  • 주파수 (Frequency): 주파수는 사인파가 1초 동안 몇 번의 완전한 주기를 가지는지를 나타낸다. 주파수는 보통 주기의 역수로 계산된다. 높은 주파수는 짧은 주기를 가지며, 신호가 빠르게 진동하는 것을 의미한다.
  • 위상 (Phase): 위상은 사인파의 시작 지점을 나태낸다. 이는 신호의 시작 위치를 시각적으로 표현한다. 위상은 사인파의 진폭이나 주기와는 관련이 없으며, 시작 시간을 정의한다.

Peak amplitude는 최대 진폭을 의미하며, 이는 신호의 에너지에 비례한다. 이를 통해 해당 신호가 얼마나 강하게 나타나는지 알 수 있다.

주기(Period) 는 신호나 파동이 하나의 완전한 사이클을 완료하는 데 필요한 시간을 의미한다. 일반적으로 초단위로 측정되며, 한 번의 주기가 완료되기까지 걸리는 시간을 나타낸다. 주기는 T로 표기하며, 주파수와 반비례 관계에 있다.
주파수(Frequency) 는 1초도안 발생하는 사이클(주기)의 수를 나타낸다. 주파수는 주기의 역수로 계산되며, 주로 헤르츠 단위로 표기된다. 1Hz는 1초에 1개의 주기를 가짐을 의미한다.주기는 보통 f로 표기하며, 주기와 반비례 관계에 있다.

주파수와 주기는 서로 역수 관계에 있다. 즉, 주파수가 높을수록 주기가 짧고, 주파수가 낮을수록 주기가 길어진다. 해당 관계는 파동이나 신호의 특성을 설명할 때 중요하며, 주파수와 주기를 이해하면 파동의 특성을 분석할 수 있다.

위상(Phase) 는 파동이나 신호의 현재 상태를 나타내며, 시간적인 위치를 의미한다. 위상은 주기적인 파동에서 파동의 시작 지점을 나타내는데 사용된다. 즉, 파동이 어느 시간에서 시작되는지를 나타낸다.

주파수 스펙트럼과 대역폭
주파수 스펙트럼은 어떤 신호가 가진 주파수의 집합을 나타낸다. 주파수 스펙트럼은 주파수 영역에서 해당 신호의 주파수 구성을 나타내는 것으로, 주파수별로 신호의 세기나 강도를 표현할 수 있다. 주파수 스펙트럼을 분석하면 어떤 주파수 범위에서 신호의 주요 구성 성분을 확인할 수 있다.
대역폭은 어떤 주파수 범위의 처음과 끝 간격을 나타낸다. 일반적으로 최고 주파수와 최저 주파수의 차이를 의미하며, 이는 주파수 스펙트럼에서 해당 신호가 차지하는 주파수 범위를 결정한다. 이는 통신 시스템에서 전소할 수 있는 데이터의 양과 관련이 있다.

디지털 신호
Bit interval은 1비트를 전송하는 데 걸리는 시간을 나타낸다. 이는 디지털 신호가 한 비트를 전송하는 데 소요되는 시간 간격을 의미하며, 주로 초 단위로 표현된다. 이는 전송 매체의 특성과 디지털 시스템의 속도에 의해 결정된다.
Bit rate는 1초당 전송되는 비트의 수를 나타낸다. 주로 bps로 표기되며, 디지털 신호가 초당 몇 비트를 전송하는지를 나타낸다. 이는 디지털 통신 시스템에서 통신 속도를 결정하는 데 사용된다.
Bit length는 전송 매체에서 1비트가 차지하는 거리를 나타낸다. 이는 전파속도(propagation speed)와 bit duration을 곱한 값으로 계산된다. 일반적으로 빛의 속도를 사용하여 계산되며, 거리는 시간과 속도의 곱 공식을 활용한다.
위의 그림에서 1초에 8비트를 전송하고 있으며, bit interval은 1/8s, bit rate는 8bps, bit length = bit interval * 빛의 속도로 계산된다.

완벽한 전송 매체는 없으며, 어떤 주파수가 전송되기 위해, 다른 주파수를 약화시키며, 또 다른 주파수는 차단할 수 있다.

Transmission Impairment는 통신 시스템에서 발생할 수 있는 신호의 왜곡 또는 손실을 나타내는 용어이다. 이는 통신 시스템에서 데이터 전송 과정 중에 신호의 품질을 저하시키는 다양한 요인으로 발생할 수 있다. 전송 장애는 통신 신호의 손실, 왜곡 또는 잡음을 초래하므로 통신 시스템의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

Attenuation은 감쇄를 의미하며 이는 전송 매체를 통과하는 신호의 강도 또는 에너지가 거리나 전파 매체의 특성 등에 의해 감소하는 것을 의미한다. 이는 전송된 신호의 진폭이 줄어들거나 신호의 강도가 약해지는 것을 나타낸다. 감쇄는 신호가 이동하는 동안 발생하는 에너지 손실로 인해 발생하며, 이것은 신호의 전파 경로, 전송 매체, 주파수 등에 따라 달라진다. 일반적으로, 감쇄는 더 멀리 있는 수신자에게 전송되는 신호의 강도를 약화시키며, 신호의 품질을 저하시킬 수 있다.

Distortion은 왜곡을 의미하며 이는 신호가 전송 매체를 통과하는 과정에서 신호의 형태나 파형이 변경되는 현상을 나타낸다. 이러한 왜곡은 통신 시스템에서 신호의 정확성과 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며, 신호의 원래 형태를 왜곡시키는 원인과 결과를 이해해야 한다. 신호의 속도가 달라져 합쳐지는 경우 신호가 왜곡되며, 수신자는 받는 신호가 에러인지 판단할 수 없어진다.

Noise는 잡음으로 통신 시스템에서 원하지 않는 에너지나 신호로 인한 혼란을 나타낸다. 잡음의 종류는 다음과 같다.

  • Thermal noise: 이는 전송 매체나 전기 회로 내의 전자의 무작위 운동으로 인해 발생하는 잡음이다. 주로 전자의 역 에너지로 인한 움직임에 의해 발생하며, 낮은 주파수에서 높은 주파수까지 다양한 주파수 대역에서 나타날 수 잇다.
  • Crosstalk: 하나의 전선이 다른 전선에 영향을 미치는 현상을 나타낸다. 주로 인접한 전선이나 회로 사이에서 발생하며, 신호가 서로 간섭하거나 섞이는 결과로 나타난다.
  • Impulse noise: 전원이나 다른 외부 원인으로 인해 갑작스러운 강력한 신호나 스파이크가 발생하는 잡음이다. 이는 일시적으로 발생하며, 주로 전원 공급 장애나 번개와 같은 외부 사건으로 인해 발생한다.

Measurement
다음은 physical layer에서 사용되는 측정 항목이다.

  • Throughput: 처리량은 데이터가 얼마나 빨리 장비 또는 네트워크 구성 요소를 통과할 수 있는지 측정하는 값이다. 이는 주로 대역폭 또는 전송속도를 기반으로 측정된다.
  • Transmission delay: 정보 크기를 전송 속도로 나눈 값으로, 데이터가 전송 매체를 통과하는 데 걸리는 시간을 츶겅한다. 전송 지연은 정보 크기와 전송 속도에 따라 결정되며, 주로 데이터 전송의 지연 시간을 나타내는 데 사용된다.
  • Propagation Delay: 전송 매체에서 한 지점에서 다른 지점까지 신호가 이동하는 데 걸리는 시간을 나타낸다. 전파 지연은 거리와 전파 속도에 따라 결정되며, 두 지점 간의 신호 전파 시간을 나타내는 데 사용된다.