아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기

아날로그 신호를 디지털 신호로 변환
아래와 같이 아날로그 신호를 디지털 (이산) 신호로 변환하는 이유는 다음과 같다

• 무질서한 잡음으로부터 구분하는 전자회로 설계가 용이 
• 디지털 신호가 보다 명확하고 규칙적임

아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 장비를 ADC (Analog to Digital Convertor)라 하고, 그 역을 DAC (Digital to Analog Convertor) 라고 한다. AD 변환은 크게 두 종류로 나눌 수 있다.

• 전압을 입력으로 하고 전기적인 신호로 변환하는 경우
  대표적인 방식으로 펄스부호변조 (PCM, Pulse Code Modulation)
  
  
• 기계적 변위를 입력으로 하고 전기적인 디지털 신호로 변환하는 경우

아날로그 신호를 디지털로 변환하기 위해서는 표본화, 양자화, 부호화의 방식을 거쳐 디지털 신호로 변환한다.

각 단계에 대한 간단한 정의는 다음과 같다.

• 표본화 (Sampling)
  원신호를 그대로 전달할 경우 많은 에너지를 전송해야 하는 단점이 있으므로 샤논의 표본화 정리에 따른 표본화 주기로 표본값을 추출하여 복원 가능한 정도의 신호만을 이산하는 과정이다. 표본화는 원 신호를 시간축 상에서 일정한 주기로 표본값을 추출하는 것을 의미한다. 이렃게 추출된  펄스열을 펄스 진폭 변조 (PAM, Pulse Amplitude Modulation)이라 한다. 
  
  대표적인 아날로그 신호를 표본화하기 위한 샤논의 표본화 정리는 다음과 같다.
  '사람 목소리의 최대 주파수 fm= 3.4KHz 로 샤논의 표본화정리에 의해 fs = 2fm이므로 표본화 주파수는 fs= 6.8KHz이지만, 엘리어싱 해결을 위해 표본화 주파수는 8 KHz 를 사용하며 나이키스트 간격 Ts = 125 us 이다." 
  
  
  
• 양자화 (Quantization)
  양자화는 표본화에 의해 얻은 PAM 신호를  유한한 수의 진폭 값을 가장 가까운 값으로 근사하는 과정이다. 표본화가 시간축을 따라 이산 값으로 변화하는 과정이라면, 양자화는 진폭축에 따라 이산값으로 변환하는 과정이라 할 수 있다.
  
  양자화 시 연속적인 양을 이산 값으로 근사화 시킬 때 발생하는 오차를 양자화 잡음이라 한다.
  
  
  
• 부호화 (Coding)
  양자화된 신호들은 전송 시에 잡음에 민감하므로 전송 및 처리에 적합하도록 부호화한다. 부호화는 이산화된 불연속적인 펄스열을 미리 정해놓은 수치로 대응하는 부호 펄스로 변환하는 과정이다. 특히 음성 부호화는 파형 부호화, 보코딩, 혼성 부호화의 방법이 있다.   
  
  
  부호기는 직렬 부호기, 병렬 부호기, 하이브리드 부호기가 있다. 
  - Serial Coder (직렬 부호기)
        8비트 PCM word를 구성하는 각 비트를 순차적으로 1개씩 처리
        구성이 간단하고 가격이 저렴하지만, A/D 변환 속도가 느리다
  - Parallel Coder (병렬 부호기)
        8비트 PCM word를 구성하는 8개 비트를 동시에 처리
        구성이 복잡하고 가격이 비싸지만, A/D 변환 속도가 빠르다
  - Hybrid Coder (하이브리드 부호기)
         직렬과 병렬을 혼한한 방식

아날로그 신호를 표본화 양자화 부호화를 거치는 과정은 다음 그림에 표시되어 있다.