[멀티미디어 시스템] 주파수에 따른 sampling period

안녕하세요 소프트웨어 공부하는 레오존입니다.

이번 포스팅에서는 멀티미디어 종류에 따른 필요한 최소 비트 수와 주파수와 sampling period는 어떤 관련이 있는지에 대해 정리해보도록 하겠습니다.

 

 

앞선 포스팅에서 quantization error를 줄일 수 있는 방법에 대해 이야기 했었는데, 비트 수를 늘려서 더 촘촘하게 숫자를 지정할 수 있게 되면 오차를 줄일 수 있는 대신 처리해야 할 데이터가 늘어나는 단점이 발생하게 됩니다.

 

그래서 1950년대 학자들이 몇 비트일 때, quantization error를 줄이고 신호 quality를 높이고 data processing도 크게 부담이 되지 않는지 반복적인 실험을 진행했습니다. 그 결과 사람의 아날로그 음성은 디지털로 표현할 때 약 8bit정도면 만족할 만한 결과를 낼 수 있고, 음악은 사람의 음성보다 signal quality가 높기 때문에 16bit정도가 필요하다고 밝혔습니다.

또한, cd음악은 32bit로 quantization 할 때도 있는데, bit가 16bit에서 32bit로 늘어나는 대신 처리할 때 데이터량이 2배로 늘어난다는 단점이 존재합니다. 이렇게 32bit로 표현한 cd를 SACD라고 합니다. SACD는 SuperAudioCD의 약자입니다.

영상 같은 경우도 흑백의 아날로그 이미지의 픽셀을 디지털로 변환할 때, 하나의 픽셀을 표현하는 비트 수가 8비트 정도입니다. color 이미지의 경우 24bit로 표현됩니다.

 

sampling period 혹은 samling rate는 정확한 값으로 나와야 합니다. 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정의 
sampling단계에서 sampling period를 결정하는 기준은 무엇일까요?

sampling period를 결정하는 기준에 대해 더 자세히 이해하기 위해서 상대적으로 빠르게 변화하는 아날로그 신호와 상대적으로 느리게 변화하는 아날로그 신호가 존재한다고 가정해보겠습니다. frequeny가 상대적으로 높다는 이야기는 waveform이 빠르게 변화한다는 이야기와 같습니다. 따라서 상대적으로 빠르게 변화하는 아날로그 신호는 상대적으로 높은 주파수를 가지고 있는 반면에 상대적으로 느리게 변화하는 아날로그 신호는 상대적으로 낮은 주파수를 갖는다고 있다고 볼 수 있습니다.

상대적으로 느리게 변화하는 아날로그 신호를 sampling할 때, sampling period가 1sec 길이를 가지고 있다고 한다면 상대적으로 빠르게 변화하는 아날로그 신호를 똑같이 샘플링할 때 똑같은 sampling period인 1sec를 사용해도 괜찮을까요?

 만약 그렇게 샘플링한다면 샘플 사이에 빠르게 변화하는 부분의 sampling 값을 잃어버리게 됩니다. 그로 인한 문제도 발생하게 되죠. 상식적으로 생각했을 때, sampling period를 작게 하면 문제를 해결할 수 있습니다. sampling period가 작다는 것은 sampling rate이 높다는 이야기와 같습니다. 역수 관계이기 때문입니다.

따라서 어떤 아날로그 신호가 상대적으로 높은 주파수의 신호를 포함하고 있으면 sampling period 구간을 줄여야 합니다. 즉, 같은 말로 sampling rate를 높여야 한다는 것이죠. 상대적으로 빠르게 변화하는 아날로그 신호에 비해 상대적으로 느리게 변화하는 아날로그 신호는 sampling period 구간이 상대적으로 넓어도 되고 samplig rate가 낮아도 됩니다. 반면에 상대적으로 빠르게 변화하는 아날로그 신호는 상대적으로 sampling period 구간이 얇아도 되고 samplig rate가 높아도 됩니다. 
이러한 내용을 바탕으로 sampling rate은 아날로그 신호가 포함하고 있는 주파수 성분에 의해서 달라지는 특징을 지니고 있다는 사실을 알 수 있습니다.

 

 

지금까지 멀티미디어 종류에 따른 필요한 최소 비트 수에 대해 간단히 정리해보고 주파수에 따라 sampling period가 정해지는 이유에 대해 정리해보았습니다.

읽어주셔서 감사합니다.