센서 신호의 아날로그 -> 디지털 변환 과정

 센서에서 얻어지는 신호는 대부분 연속적인 아날로그 신호(sin, cos파 형태의 정현파)이다. 하지만 우리가 사용하는 컴퓨터, 마이크로컨트롤러, 데이터 처리 장치는 모두 디지털 신호(0과 1)만 다룰 수 있다. 따라서 센서 신호는 반드시 아날로그-디지털 변환(ADC:Analog to Digital Conversion) 과정을 거쳐야만 한다. 이 과정은 크게 1. 샘플링, 2. 양자화, 3. 코딩 세 단계로 이루어진다.

1. 샘플링(Sampling)

 센서로부터 얻어지는 아날로그 신호는 시간에 따라 끊임없이 변한다. 이 신호를 일정한 시간 간격으로 잘라서 값만 뽑아내는 것을 샘플링이라고 한다.

• 쉽게 말하면?

 음악 CD가 44.1 kHz로 소리를 저장하는 것도 샘플링 덕분이다. 초당 44,100번 소리를 찍어내어 디지털로 기록하는 것이다.

• 핵심원리: 나이퀴스트 이론 (Nyquist Theorem)에 따라 원래 신호의 최대 주파수의 2배 이상으로 샘플링해야 왜곡(에일리어싱)이 발생하지 않는다.

요약)

• 샘플링 = 연속 신호 -> 일정 시간 간격으로 데이터를 추출하는 것
• 샘플링 주파수 ≥ 신호 최대 주파수 x 2

2. 양자화(Quantization)

 샘플링으로 얻은 값은 여전히 무한한 아날로그 크기 입니다. 이를 미리 정해둔 단계(level) 중 가장 가까운 값으로 바꿔주는 과정이 양자화이다.

 

• 쉽게 말하면?

 온도를 25.37 ℃로 측정했는데, 기계가 소수점 첫째자리까지만 표현한다면 25.4 ℃로 반올림하는 것과 같다.

• 양자화 단계가 많을수록 더 정밀하게 표현할 수 있지만, 데이터 용량이 커지고 처리 속도가 느려질 수 있다.

요약

• 양자화 = 아날로그 값을 미리 정한 단게로 근사
• 단계 수 ↑ -> 정밀도 ↑, 데이터량 ↑

3. 코딩(Coding)

 양자화된 값을 컴퓨터가 읽을 수 있도록 이진수(bit)로 바꿔주는 과정이다.

• 예를 들어, 8단계로 양자화한다면 0~7까지 총 8개의 값이 필요하다. 이를 표현하기 위해서는 최소 3비트(2³ = 8)가 필요하다.
• 코딩은 데이터의 압축, 전송, 저장과도 직접 연결되기 때문에 효율적인 코딩 방식이 중요하다.

요약

• 코딩 = 양자화된 값을 0과 1(이진수)로 변환
• 필요한 비트 수 = log₂(양자화 단계 수)

4. 정리: 센서 신호 변환 3단계

1. 샘플링 - 시간축을 잘라서 시호 값을 채취

2. 양자화 - 채취한 값을 가장 가까운 단계로 근사

3. 코딩 - 근삿값을 이진수로 변환

 

👉 결국, 아날로그 신호는 샘플링 -> 양자화 -> 코딩 단계를 거쳐야만 컴퓨터가 다룰 수 있는 디지털 데이터로 바뀐다.

 

센서와 신호 처리의 기본은 아날로그를 디지털로 바꾸는 과정이다. 이 3단계만 이해해도, 앞으로 데이터 수집 장치나 신호처리 시스템을 볼 때 훨씬 쉽게 이해할 수 있을 것이다.