맨체스터 코드
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1. 개요
맨체스터 코드는 각 데이터 비트를 "높음→낮음" 또는 "낮음→높음"의 신호 변화로 표현하는 이진 부호화 방식이다. 1940년대 맨체스터 대학교에서 개발된 컴퓨터 맨체스터 마크 I의 자기 드럼 메모리 데이터 저장에 처음 사용되었으며, 10 메가비트 이더넷(IEEE 802.3)과 RFID, 근거리 무선 통신 등 다양한 분야에서 활용된다. 맨체스터 코드는 자체 클록 신호를 포함하여 클록 복원이 용이하며, 직류 성분을 전달하지 않아 절연에 유리하다. 반면, 데이터 전송 속도가 낮고 대역폭을 많이 차지한다는 단점이 있다. 차동 맨체스터 코드는 신호 극성에 관계없이 동일한 비트열로 해석되도록 개선된 방식으로, 여러 변형이 존재한다.
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2. 역사적 배경
맨체스터 부호라는 이름은 맨체스터 대학교에서 개발한 맨체스터 마크 I 컴퓨터의 자기 드럼 메모리에 데이터를 저장하는 방식으로 사용된 것에서 유래했다. 이후 맨체스터 부호는 1990년대에 10 메가비트 이더넷(IEEE 802.3) 표준에 채택되었으며, 2020년대 현재에도 consumer IR|소비자 IReng 프로토콜, RFID, 근거리 무선 통신(NFC) 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
2. 1. 초기 활용
맨체스터 부호는 맨체스터 대학교에서 개발된 컴퓨터 맨체스터 마크 I의 자기 드럼 메모리에 데이터를 저장하는 방식으로 처음 사용되었다. 이후 '위상 부호화'(PE 방식)라는 이름으로 1600bpi 자기 테이프의 자기 기록 방식으로 널리 활용되었다. 하지만 더 높은 밀도(6250bpi)를 가진 자기 테이프가 등장하면서, 맨체스터 부호보다 효율적인 group-coded recording|그룹 부호 기록eng 방식이 주류가 되어 점차 자리를 내주게 되었다.3. 특징
맨체스터 코드는 각 데이터 비트를 전송할 때, 비트 시간 중간에 반드시 신호 레벨이 "낮음→높음" 또는 "높음→낮음"으로 변하도록 하는 방식으로 데이터를 부호화한다. 이 때문에 1비트를 표현하는 데 두 개의 다른 신호 상태가 사용되어 '''Biphase'''(바이페이즈) 부호라고도 불린다.[9] 이는 이진 위상 편이 변조(BPSK)의 특수한 경우로 볼 수 있다.
주요 특징은 다음과 같다.
- DC 성분 부재: 부호화된 신호는 데이터 값에 관계없이 평균 전압 레벨이 일정하게 유지되어 직류 성분(DC 성분)을 포함하지 않는다. 이 덕분에 유도 결합이나 용량성 결합을 사용하는 갈바닉 절연 환경, 예를 들어 이더넷 통신에서 신호 왜곡 없이 전송하기에 유리하다.[9]
- 클럭 복구 용이: 모든 비트 구간마다 신호 레벨의 변화가 반드시 발생하므로, 수신 측에서는 이 변화를 기준으로 송신 측의 클록 타이밍을 쉽게 복원할 수 있다. 이러한 특징을 Self-clocking signal|자기 클록 신호eng라고 한다.[9]
- 간단한 회로 구성: 송신 및 수신 회로를 비교적 간단하게 구현할 수 있다.
- 낮은 대역폭 효율: 데이터를 표현하기 위해 신호 상태가 더 자주 바뀌어야 하므로, 같은 양의 데이터를 전송하는 데 더 넓은 대역폭이 필요하다는 단점이 있다.[9] 이 때문에 고속 통신보다는 저속 통신 환경이나 근거리 통신망(LAN) 등 대역폭 제약이 덜한 시스템에 주로 사용된다.[10]
3. 1. DC 성분과 갈바닉 절연
맨체스터 코드로 부호화된 신호의 직류 성분(DC 성분)은 전송되는 데이터의 내용에 따라 변하지 않는다는 특징이 있다. 즉, 데이터 값에 관계없이 평균 전압 레벨이 일정하게 유지되므로, 신호 자체는 정보를 전달하는 데 사용되는 교류 성분 외에 불필요한 직류 성분을 포함하지 않는다.이러한 특성 덕분에 맨체스터 코드는 유도 결합이나 용량성 결합 방식을 사용하는 통신 시스템에 적합하다. 이러한 결합 방식은 구조적으로 직류 성분을 통과시키지 못하는데, 맨체스터 코드는 직류 성분이 없으므로 신호 왜곡 없이 전송될 수 있다. 대표적인 예로 이더넷 환경을 들 수 있다. 이더넷에서는 전기적 안전과 노이즈 제거를 위해 갈바닉 절연이 필수적인 경우가 많은데, 맨체스터 코드는 network isolator|네트워크 절연기eng의 일종인 간단한 1:1 펄스 변압기 등을 사용하여 쉽게 절연 환경을 구현할 수 있게 해준다.
3. 2. 자체 클록킹과 클럭 복구
맨체스터 코드는 신호 자체에 클록 정보가 포함된 Self-clocking signal|자기 클록 신호eng이다. 이는 클록 속도의 2배에 해당하는 잦은 라인 전압 전이를 보장하며, 이 보장된 전이는 수신기가 클록 복원을 하고 올바르게 정렬되도록 돕는다.[9] 수신기는 각 비트 시간 중간에 반드시 발생하는 전이를 이용하여 동기화하며, 만약 예상된 전이가 없다면 동기화 오류를 감지할 수 있다. 결과적으로 수신 회로에서 클록 복원이 용이하다.[9]3. 3. 대역폭과 한계
맨체스터 코딩은 데이터를 부호화하는 과정에서 실제 데이터 전송 속도가 원래 신호의 절반이 되는 특징을 가진다.[3] 이는 전송하려는 데이터량에 비해 두 배의 주파수 대역폭이 필요하다는 의미이기도 하다.[9] 따라서 맨체스터 코드는 근거리 통신망(LAN)처럼 상대적으로 넓은 대역폭을 확보할 수 있거나, 대역폭 자체가 크게 중요하지 않은 시스템에서 주로 사용이 제한된다.[3]원리적으로 저주파 신호 전송에 더 적합하며[9], 높은 데이터 전송률이 요구되는 고속 통신 환경에서는 사용하기 어렵다. 고속 환경에서는 맨체스터 코딩 방식이 해결하기 어려운 주파수 관련 문제를 일으킬 수 있기 때문이다.[3][4] 시스코 시스템즈(Cisco Systems) 역시 이러한 문제점을 지적한 바 있다.[10]
8B/10B 인코딩과 같이 더 복잡한 부호화 방식들은 맨체스터 코드와 동일한 데이터 전송률을 달성하면서도 더 적은 대역폭을 사용한다는 장점이 있다. 하지만 이러한 방식들은 송신기와 수신기 기준 클록의 주파수 오류나 지터와 같은 불안정성에 맨체스터 코드보다 덜 관대할 수 있다는 단점도 가지고 있다.
4. 동작
맨체스터 코드는 각 비트를 고정된 길이의 시간(주기) 동안 전송하는 방식으로 동작한다. 각 비트 주기 중간에는 반드시 신호 레벨의 변화(천이)가 발생하며, 이는 데이터 전송의 핵심 요소이다. 주기 시작 시점에도 천이가 발생할 수 있지만, 이는 데이터를 직접 나타내는 것이 아니라 다음 신호 전송을 위한 준비 과정(오버헤드)에 해당한다.
4. 1. 신호 표현
맨체스터 코드는 각 비트 기간의 중간에 반드시 전압 레벨의 변화(천이)를 가지며, 전송할 정보에 따라 기간 시작 부분에서도 천이가 발생할 수 있다. 중간 지점에서의 천이 방향이 실제 데이터를 나타낸다. 기간 경계에서의 천이는 데이터를 전달하는 것이 아니라, 다음 비트의 중간 천이를 위해 신호 상태를 맞추는 역할을 한다.
맨체스터 코드는 다음과 같은 방식으로 신호를 보낸다.
- 각 비트는 정해진 시간(주기) 동안 전송된다.
- 각 비트는 주기의 중간 지점에서 '높음(High) → 낮음(Low)' 또는 '낮음(Low) → 높음(High)' 중 하나의 레벨 천이를 통해 표현된다.
- 주기 시작 시점의 천이는 데이터를 나타내지 않는 오버헤드이다.
4. 2. 데이터 표현 규칙
맨체스터 코드로 데이터를 표현하는 방식에는 서로 다른 두 가지 약속이 있다.첫 번째는 1949년 G. E. 토마스가 처음 발표한 방식으로[5], 앤디 타넨바움 등이 따른다. 이 방식은 비트 0을 '낮음→높음' 전압 신호로, 비트 1을 '높음→낮음' 전압 신호로 표현한다. 이는 맨체스터 II 또는 바이페이즈-L 코드로 불리기도 한다.
두 번째는 윌리엄 스톨링스[6]를 비롯하여 초기 IEEE 802.3 (이더넷) 및 IEEE 802.4 (토큰 버스) 표준 등에서 사용된 방식이다. 이 방식은 첫 번째와 반대로 비트 0을 '높음→낮음' 신호로, 비트 1을 '낮음→높음' 신호로 표현한다.
만약 통신 과정에서 신호의 극성이 반전되면, 한 방식의 인코딩이 다른 방식의 인코딩으로 바뀌는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 모호성은 차분 맨체스터 인코딩을 사용하여 해결할 수 있다.
4. 3. 인코딩 (IEEE 802.3 방식)
배타적 논리합 (XOR) 논리를 사용하여 데이터를 인코딩한다. (802.3 규약)[7]| 원본 데이터 | 클록 | 맨체스터 값 | ||
|---|---|---|---|---|
| 0 | XOR ⊕ | 0 | = | 0 (고 → 저 전이) |
| 1 | 1 (저 → 고 전이) | |||
| 1 | 0 | 1 (저 → 고 전이) | ||
| 1 | 0 (고 → 저 전이) |
인코딩 규칙은 다음과 같다.
- 각 비트는 고정된 시간(주기) 내에 전송된다.
- IEEE 802.3 규약에서는 0을 고-저 전이로, 1을 저-고 전이로 표현한다. 이는 G. E. Thomas의 초기 규약과는 반대이다.[8]
- 0 또는 1을 나타내는 전이는 비트 주기의 중간 지점에서 발생한다.
- 비트 주기의 시작 부분에서 발생하는 전이는 데이터를 나타내지 않는 오버헤드이다.
수신된 부호로부터 데이터를 추출하는 복호 과정 역시 간단한 논리 연산으로 수행할 수 있다.
| 데이터 | 클록 | 부호 (수신된 맨체스터 값 및 전이 방향) | ||
|---|---|---|---|---|
| 0 | = | 0 | XOR ⊕ | 0 (고 → 저 전이) |
| 1 | 1 (저 → 고 전이) | |||
| 1 | 0 | 1 (저 → 고 전이) | ||
| 1 | 0 (고 → 저 전이) |
맨체스터 부호는 각 비트 주기 중간에 반드시 신호 레벨의 전이(transition)가 있다. 전송되는 데이터 값(0 또는 1)에 따라 주기 시작점에도 전이가 있을 수 있다. 각 비트 주기 중앙에서 발생하는 레벨 전이의 방향이 실제 데이터 값을 나타낸다. 주기 시작점의 전이는 정보를 전달하지 않으며, 단지 주기 중앙에서의 레벨 전이를 올바르게 만들기 위해 존재한다. 이처럼 매 비트마다 전이가 반드시 존재하기 때문에, 신호 자체가 데이터와 클록 정보를 동시에 전송하는 효과를 가지며, 수신 측에서는 이를 이용해 동기화를 맞추고 데이터를 정확히 해석할 수 있다.
