디지털의 특징
- 모든 대상(신호)이 단순한 숫자의 나열(수열)로 변환되어 있다.
- 소프트웨어의 힘을 빌어 하드웨어 단독으로는 불가능한 처리를 제공할 수 있다.
- HOW? 카메라 센서로 바로 앞에 있는 사물들을 찍어내는 것은 가능하지만, 이를 예쁘게 보기 좋게 보정하는 것은 하드웨어보다는 오히려 소프트웨어로 처리하는 것이 더 비용 효율적으로 동작하는 경우와 같이 하드웨어만 사용하는 것보단 소프트웨어로 처리를 하는게 더 좋은 경우가 우리가 살아가는 현실에서는 빈번히 일어나는 일이다.
신호란?
물리량의 변화 형태를 담은 일련의 정보/자료의 집합을 말한다. (말이 너무 어려운데... ChatGPT 도와줘...)
예시로는 월별 평균 기온, 전압, 전류, 심전도, 뇌전도, 주식 가격 등이 있다.
나 : 신호란? 물리량의 변화 형태를 담은 일련의 정보/자료의 집합을 말한다 라는데 이게 맞아?
ChatGPT : 네, 그렇습니다. 신호는 물리량의 변화 형태를 담은 일련의 정보 또는 자료의 집합을 말합니다. 이 신호는 전자기파, 음파, 온도, 압력 등 다양한 형태의 물리량으로부터 나올 수 있습니다. 이러한 신호는 수학적 함수의 형태로 표현될 수 있으며, 이를 통해 분석하고 처리할 수 있습니다.
이러한 신호의 예로는 음악이나 음성 신호, 센서 데이터, 영상 신호 등이 있습니다. 이러한 신호는 통신, 제어, 의료, 환경 등 다양한 분야에서 활용되며, 이를 통해 정보를 전달하고 처리할 수 있습니다.
나 : 이를 좀 더 쉽게 요약해줘
ChatGPT : 신호란 물리적인 변화를 통해 정보나 데이터를 전달하기 위한 것으로, 수학적으로 함수의 형태로 표현할 수 있습니다. 이를 분석하고 처리하여 원하는 정보나 데이터를 추출하거나 전달할 수 있으며, 다양한 분야에서 사용됩니다. 예를 들어 음악 및 영상 신호의 압축, 통신, 제어, 센서 데이터 등이 그 예시입니다.
(이거 도움이 되는거 맞나...?)
아날로그와 디지털 신호
- 아날로그 신호 : 연속 크기, 연속 시간
- 디지털 신호 : 이산 크기, 이산 시간
시스템
일련의 신호를 처리(교환, 변환, 가공, 추출, 전송)해 다른 일련의 신호를 만드는 실체를 말한다.
예시)
- 통신 시스템
- 생체 시스템
- 생산 시스템
신호처리
원하는 목적에 알맞은 결과를 얻을 수 있도록, 신호에 대해 시스템을 이용하여 교환, 변환, 가공, 전송, 저장 등을 가하는 행위
- 해석 : 신호로부터 원하는 특정 정보를 빼내어 적절한 방법으로 표현
- 합성 : 조절 신호에 의해 원하는 출력 신호를 발생
- 변환 : 신호를 물리적인 형태로부터 다른 현태로 변환
- 필터링 : 불필요한 성분을 제거하거나 바람직한 형태로 신호를 변형
예시) '알리바바와 40인의 도둑' 이야기에서 "열러라, 참깨"라는 암호로 동굴 문을 여는 장면을 현대판 보안 시스템으로 바꾸어 설명해보자.
- 마이크(변환) : 음성 신호를 전기 신호로 변환
- 필터(필터링) : 심한 바람소리를 걸러내고 사람 음성만 깨끗히 뽑아냄
- 암호해독기(해석) : 입력 신호가 "열려라 참깨"가 맞는지를 판별
- 음성 합성(합성) : "출입을 승인합니다"라는 기계음 발생
Block Diagram
Block Diagram이란, 시스템의 구성과 기능을 알기 쉽게 시각적으로 나타낸 그림을 말한다.
- 시스템을 각 부시스템 또는 구성요소로 나누고 이를 블록으로 대체
- 블록 안에 시스템의 특성을 말해주는 수식, 그래프, 명칭 등을 표시
- 신호의 흐름을 따라 각 부시스템 또는 구성 요소를 연결
신호처리 시스템의 해석 및 설계
- 시스템을 우선 몇 개의 작은 시스템(부시스템)으로 분리
- 각 부시스템의 기능과 동작 특성을 파악
- 각 부시스템 간의 관계를 파악
- 전체 시스템 분석 및 설계
Block Diagram의 연결
- 종속(cascade) 연결 : 각 부시스템들을 직렬로 연결
- 병렬(parallel) 연결 : 각 부시스템들을 병렬로 연결
디지털 신호 처리
- 디지털 시스템에 의한 이산 신호의 처리
- 수치적인 처리 : 디지털 신호 = 수열
- 하드웨어적 and/or 소프트웨어적 처리
디지털 신호 처리 시스템의 구성
- 전처리 필터 : 신호 주파수 범위를 제한, 반주파수 중첩
- A/D 변환기 : 아날로그 신호 -> 디지털 신호
- 디지털 시스템 : 디지털 신호 처리
- D/A 변환기 : 디지털 신호 -> 아날로그 신호
- 후처리 필터 : D/A 과정에서 발생하는 불필요한 과도 응답 제거
디지털 신호 처리의 장점
- 데이터, 음성, 영상 등 다양한 형태의 신호를 통합적으로 취급할 수 있다.
- 처리가 오로지 덧셈, 곱셈, 시간 지연에 기초하므로 신호 조작이 쉽다.
- 컴퓨터와 상용 S/W를 이용하여 편리하게 개발 & 검증할 수 있다.
- H/W와 S/W의 결합으로 다양한 처리 방식의 구현이 가능하다.
- 특히 아날로그 방식으로는 불가능한 작업도 구현할 수 있다.
- 프로그램의 교체만으로 전혀 다른 형태와 성능의 처리를 해낼 수 있다.
- 프로그램 및 디지털 소자의 특성상 동작 안정성과 신뢰성이 매우 높다.
- 데이터의 손상 없이 동일한 동작을 무한히 반복 / 재현 할 수 있다.
- 수치적 처리로 잡음과 외란의 영향이나 유동을 감소시킬 수 잇다.
- 정확도 및 감도를 특정 수준으로 보장할 수 있고, 수준의 조절이 쉽다.
- 시분활, 다중화 등에 의해 동시에 여러 신호들을 처리할 수 있다.
- 반도체 발달로 시스템을 값싸고, 작고, 가볍고, 간결하게 만들 수 있다.
디지털 신호 처리의 단점
- A/D, D/A 변환 과정에서 정보 손실이 일어난다.
- 시간 지연 및 속도의 제한이 있다.
- 시스템 안정도 저하 가능성이 있다.
- 시스템 설계 시 수학적 해석이 어려움
- 양자화 오차에 의한 유한 어장 효과 : ?
디지털 신호 처리의 목적
신호 해석
- 관측 신호로부터 그 신호의 특정한 성질을 해석
- 스펙트럼 해석과 상관 해석
정보 추출
- 관측 신호에 포함된 의미 있는 정보 추출
- 확률 통계적 방법과 같은 수학적 기법 사용
필터링
- 불필요한 성분을 제거하거나 바람직한 형태로 신호를 변형
- 주파수 선택 필터 : 주파수에 따라 원하는 성분만 통과(불필요한 성분 제거)
신호의 압축과 복원
- 품질을 저하시키지 않으면서 방대한 데이터의 양을 줄임
신호의 예측과 시스템 식별
- 적절한 처리에 의해 신호 발생 시스템의 특성이나 구조를 알아냄
신호의 합성
- 음성, 영상 신호 합성
디지털 신호 처리 연산
기본적인 디지털 신호 처리의 연산
- 컨벌루션 : 디지털 필터링의 기본 연산
- 상관 : 신호간 유사성을 나타내는 지표
- 변조 : 효율적인 통신을 위해서 반드시 필요한 조작
- 변환 : 수학적으로 신호 표현을 바꾸는 연산
