샘플링
작성일 : 2023년 03월 11일 (Saturday)
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샘플링
샘플링이란 무엇일까? 우리가 직접 인지하는 빛, 소리 등은 원래 아날로그 신호들이다. 아날로그 신호란 시간에 대하여 연속적인 신호를 의미한다. 디지털 신호란 이러한 아날로그 신호를 특정한 주기로 원하는 시점마다 샘플링한 신호를 말한다.
목적
전자장치의 일반적인 목적은 센서 등의 데이터를 제어기로 입력받아서 정해진 목적을 달성하는 데 있다. 전자장치에서 샘플링은 왜 필요할까? 전자회로에서 제어기는 보통 마이컴에 프로그램으로 만들어 넣는 것이 가장 보편적인 방법이다. 마이컴은 내부에 ADC 모듈과 메모리가 존재한다. RAM은 0, 1 만을 나타낼 수 있는 래치 등으로 구성되어 있기 때문에 아날로그 신호를 그대로 사용할 수 없다. 따라서, ADC(Analog-to-Digital Converter)를 통해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 사용한다.
마이컴에서는 ADC모듈이 있어서 ADC 모듈을 이용하면 아날로그 신호를 디지털로 변환할 수 있다. 보통 마이컴으로 특정 로직을 수행할 때에는 이 디지털로 변환된 값이 레지스터에 저장되므로 그 레지스터의 값을 불러온 뒤 DAC를 수행해서 이해할 수 있는 물리값으로 변환한 뒤 사용하게 된다.
앨리어싱 (Aliasing; 스펙트럼 중첩)
샘플링을 빠른 아날로그 신호 입력의 주파수 대비 빠른 주기로 수행한다면 샘플링 결과만 보고도 아날로그 신호가 원래 어떤 신호였는지 가늠할 수 있다. 하지만, 만약 샘플링 주파수가 너무 낮다면 앨리어싱 현상이 발생할 수도 있다. 앨리어싱이란 ADC로 얻어진 이산신호를 다시 연속신호로 복원할 때 완전히 다른 연속신호로 복원되는 상태를 말한다. 그렇다고, 특정 제품을 개발할 때 성능만 생각해서 불필요하게 샘플링 주파수를 높게 설정하면 정작 다른 작업을 할 때 리소스가 부족한 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 샘플링 주파수를 적당히 설정하는 것은 매우 중요한 일이다.
나이퀴스트 주파수 ($f_{s} = 2f_{m}$)
입력신호 중 최고 주파수의 2배 이상의 속도로 균일하게 샘플링하면 원 신호를 완벽하게 복원할 수 있다. (앨리어싱 방지)
