디지털 신호와 아날로그 신호
디지털 신호는 전자기기들에서 사용되는 정보처리 신호 방식입니다. 0과 1의 이산적인 단위량으로 정보를 표기합니다.
아날로그 신호는 현실에 존재하는 물리적인 양(온도, 소리, 빛 등)은 시간에 따라 연속적으로 변화합니다. 이런 물리적인 량을 전자기기에서 사용하기 위해 전기/전자 신호로 변경한 것 입니다.
(노트앱 사용이 익숙하지 않아 그림이 조금 미숙한 점 양해부탁드립니다.)
그래서 우리가 일상에서 사용하는 전자기기들은 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어서 사용하게 됩니다.
이때 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하기 위해 ADC 변환기를 이용하고, 디지털 신호를 아날로그 신호로 변경하는데 DAC 변환기를 사용합니다.
디지털 정보의 표현
디지털 신호는 디지털 정보라고 하며, 이 신호들은 전압(이나 전류)로 나타냅니다. 이때 전압이 High에 위치한다는 1과 Low에 위치한다는 0 두 개의 digit만 사용해서 나타내는 2진수를 이용 하여 정보를 표시합니다. (High와 Low의 기준은 전자기기마다 상이합니다.)
표현 단위
비트
비트(bit)는 가장 작은 기본 단위입니다. 전압이 높으면 1, 전압이 낮으면 0을 나타내며 한 자리에 두 가지 상태 정보를 표시할 수 있습니다.
즉,
n 비트는2^n가지의 정보를 나타낼 수 있습니다.
바이트
바이트(byte)는 비트가 8개 모인 단위입니다. 한 바이트는 영어 한 문자를 표시할 수 있기 때문에 캐릭터(character)라고 부르기도 합니다.
추가적으로 한 바이트의 반인
4비트는니블(nibble)이라고 부릅니다.
바이트 이후에는 자릿수에 0이 3개 붙을 때 마다 메가바이트, 기가바이트, 테라바이트라는 식으로 이름을 붙이게 됩니다.
워드
워드(word)는 특정 CPU에서 사용하는 명령이나 데이터 길이를 나타내는 비트 수 입니다. 워드는 8의 정수배단위를 갖습니다. (8비트, 16비트, 32비트, 64비트, ...)
논리 레벨
정논리와 부논리
일반적으로 전압이 높은 경우를 High(1)로 나타내고 낮은 전압을 Low(0)로 나타냅니다. 이 방식을 정논리(positive logic)이라고 합니다.
그 반대로 전압이 높을 때 Low 낮을 때 High로 표시하는 방식을 부논리(negative logic)이라고 부릅니다.
일반적으로는 정논리가 많이 사용되지만 부논리가 사용되는 경우도 있습니다.
펄스 파형
펄스(pulse)는 파형에서 발생하는 변화를 의미합니다. 디지털 시스템에서도 파형은 일련의 펄스들로 구성이 됩니다. 이때 일정 구간마다 파형이 반복되면 주기 펄스, 주기가 없다면 비주기 펄스로 구분됩니다.
펄스는 Low에서 High로 변화하는 상승 에지와 High에서 Low로 변화하는 하강 에지 두 개의 에지로 구성되어있습니다.
그리고 Low에서 High까지 도달하는데 걸리는 시간을 상승 시간,High에서 Low로 도달하는데 걸리는 시간을 하강 시간이라고 부릅니다.
펄스 폭은 펄스가 존재하는 시간으로 상승과 하강의 50% 지점 사이 구간을 측정합니다.
주파수, duty cycle
주기(period)는 주기적인 파형이 1회 반복되는데 걸리는 시간을 의미합니다.
주파수(frequency)는 주기적인 파형이 1초 동안 진동한 횟수를 의미하며, 1초간 주기가 몇 번 반복되었는지를 의미합니다. 주파수는 단위로 헤르츠(Hz)를 사용합니다.
그래서 주파수 f와 주기 T는 역수의 관계에 놓여있습니다.
듀티 사이클(duty cycle)은 한 주기에서 신호가 켜져있는 시간을 의미하며 다음과 같이 주기(T)에 대한 펄스 폭(tw)의 비율을 백분율의 형태로 정의합니다.
디지털 집적회로
전자기기에서 디지털 정보를 처리하는 하드웨어를 디지털 회로라고 부릅니다. 디지털 회로는 2진 형태의 상태를 가지고 회로를 구성한 논리에 따라 처리해 2진 형태의 신호를 발생시키는 것입니다.
디지털 논리회로는 메모리의 유무에 따라 다시 조합논리회로와 순서논리회로로 나뉘어집니다.
조합논리회로는 기본 게이트(gate)의 조합을 통해 구성되는 논리회로입니다. 기본적인 논리 연산을 수행하는 저항, 다이오드, 트랜지스터가 논리회로에 구성됩니다.
순차논리회로는 조합논리회로에 메모리나 플립플롭을 더해 입출력 신호를 기억하는 회로입니다.
ADC, DAC
아까 아날로그와 디지털 신호를 변환할 때 ADC와 DAC를 소개했었습니다.
이 중 ADC는 표본화, 양자화, 부호화의 과정을 순서대로 거치며 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경해줍니다.
표본화는 아날로그 신호를 이산적인 량으로 일정 단위로 끊어서 만드는 과정입니다. 표본화 정리에 의하면 최고 주파수의 2배 이상의 빈도로 표본화를 수행하면 표본화된 데이터로부터 본래의 데이터를 재현할 수 있습니다.
양자화는 펄스의 진폭 크기를 디지털 양으로 변환하는 과정입니다. 표본값에서 가장 가까운 값으로 변화시키기 때문에 이 과정에서 양자화 잡음이라는 문제가 발생합니다.
부호화는 양자화한 값을 2진 디지털 신호로 변환합니다.
