[멀티미디어 시스템]아날로그와 디지털 시그널의 특성, 아날로그 시그널과 특징

안녕하세요 소프트웨어 공부하는 레오존입니다. 

이번 포스팅에서는 아날로그와 디지털 시그널의 특성, 아날로그 시그널, 아날로그 신호의 특징에 대해 정리해 보도록 하겠습니다.

 

 

 

아날로그와 디지털 시그널의 특성

 

아날로그 시그널은 시간에 대해서 연속적인 파형을 가지고 있는 것을 말합니다. 시간에 대해서 연속적이기 때문에 아날로그 시그널을 영어로 continuous-time signal이라고 부릅니다. 아날로그 시그널을 수학적으로 표기할 때 x(t), y(t)과 같은 기호를 사용합니다. 반면에 디지털 시그널은 앞에 있는 아날로그 신호를 샘플링해서 얻은 시그널입니다.

아날로그 시그널

예를 들어, 일정시간 간격마다 위의 아날로그 시그널을 샘플링을 하게 되면 아래와 같은 시그널이 얻어지는데, 이 시그널의 y축을 x [n]이라고 표현합니다.

디지털 시그널

 

x축을 0, 1, 2, 3, 4,... 와 같은 정수로 표현하기 때문에 n으로 표현합니다. 이러한 디지털 시그널을 영어로 discrete time signal이라고 부릅니다. 시간에 대해서 이산적이기 때문에 discrete라고 표현합니다.
그럼 디지털 시그널이라 하면 실제로 어떤 것일까요? 위의 각각의 샘플 값들을 3bit로 표현한 것이 디지털 시그널입니다. 이러한 샘플값들을 바이너리로 표현할 수 있는데, 이렇게 아날로그 시그널을 샘플링해 얻은 값으로 바이너리 형태의 샘플값을 바이너리 시그널(binary siganl)이라고 합니다. 그래서 일반적으로 디지털 시그널이라고 하면, 디지털 시그널 안에서도 정의되는 단어가 많기 때문에 굉장히 혼동됩니다. 전체를 통들어서 디지털 시그널이라고 부르지만, 아날로그를 단순히 샘플링 한 것을 discrete-time signal이라고 하고, 샘플링해서 얻은 discrete-time signal을 0과 1의 binary로 표현해 부른 것을 digital binary라고 나눠 부르는 것이 훨씬 정확합니다.

 

 

 

 

 

아날로그 시그널

일반적으로 아날로그 시그널은 사인(sin)과 코사인(cos)으로 표현할  수 있습니다. 또한, 모든 아날로그 신호는 다음과 같은 사인 함수와 코사인 함수의 합으로 표현할 수 있습니다. 아날로그 신호는 x(t) = A sin(2πft + θ)라는 식으로 나타낼 수 있습니다. 사인 함수의 표준적인 형식이 아래 그림과 같습니다.

x(t) = A sin(2πft + θ)에서 A 는 amplitude(진폭), f는 frequency in Hz(진동수), θ는 phase를 의미합니다.

 

사람의 음성을 예로 들면, 사람의 목소리가 커지면 진폭이 커지고 소리가 작아지면 진폭이 작아집니다. 결국 말하고자 하는 것은 아날로그 신호의 경우 진폭의 정보가 담겨있다는 것입니다. 영어로 Information lies on amplitude라고 이야기하기도 합니다. 따라서 아날로그 신호를 전송할 때 아날로그 신호에 잡음이 끼게 되면 정보 자체에 잡음이 끼게 되는 것입니다. 잡음이 일단 끼게 되면 잡음을 완전히 제거할 방법이 없습니다. 필터링을 통해 완화는 가능합니다.

 

 

 

 

 

아날로그 신호의 특징

amplitude는 신호의 강도를 말하는데, 보통 음성신호의 경우 신호의 강도를 loudness라고 하며 그 강도를 spl로 표현합니다. spl은 스마트폰 설명을 볼 때 맨 뒤에 스마트폰이 출력하는 최대의 소리를 spl로 표현하는 것을 볼 수 있습니다. SPL이란 Sound Pressure Level의 약자로, 음압 레벨을 의미합니다. SPL은 소리의 크기를 지표로 나타낸 것이라고 할 수 있는데, SPL 단위로 dB를 사용합니다. 일반적으로 대화를 나눌 때 40dB, 강연을 할 때는 60dB 정도의 소리 크기가 발생한다고 합니다.

spl 수식은 아래와 같습니다.

spl 수식에서 P는 내가 측정하려고 하는 음압이고,  P0는 기준 음압이라는 것입니다. P0는 우리가 1KHz sine tone을 거의 들을 수 없을 때 측정됩니다. 즉, 주파수가 1khz인 소리가 있을 때 이 소리를 컴퓨터에 저장해 놓고 스피커로 소리를 0에서부터 조금씩 키우면서 증가시켜 나가다가 사람의 귀에 들리기 시작할 때, 그때의 소리의 크기를 P0라고 말합니다. 때문에 p0는 사람마다 다를 수 있습니다. 보통 평균적으로 P0는 2.5 * 10의 -5승 N/m2의 값을 갖습니다.
소리뿐만 아니라 이미지도 신호의 강도를 amplitude로 표현합니다. 아날로그 이미지 같은 경우 빛의 강도가 amplitude라고 할 수 있습니다.

 

 

지금까지 아날로그와 디지털 시그널의 특성, 아날로그 시그널, 아날로그 신호의 특징에 대해 정리해 보았습니다.

감사합니다.