샘플링
연속 신호를 샘플로 바꾸면 스펙트럼에 무슨 일이 일어날까? 앞에서 와 는 같은 코사인 샘플을 만들었다. 샘플링이 샘플 사이에서 일어난 일을 기록하지 않기 때문이다.
이상 C/D 변환기
C/D 변환기(continuous-to-discrete converter)는 연속시간 신호를 이산시간 수열로 바꾸는 장치이다. 이상적인 C/D 변환기의 동작을 두 단계로 나눈다. 먼저 에 간격 인 임펄스열 를 곱해 를 만들고, 그다음 각 임펄스의 면적을 차례로 늘어놓아 수열 을 만든다.
는 아직 연속시간 신호이다. 시각 에 면적 인 임펄스가 서 있을 뿐이다. 은 이산시간 수열이고 지표 에는 단위가 없다. 두 신호는 같은 값을 담지만 가로축이 다르다.
같은 샘플 값을 시각 (초) 축과 샘플 번호 축에 놓으면, 를 바꿀 때 달라지는 것은 시각 축 쪽의 샘플 간격뿐이다.
같은 샘플 값을 연속시간 축 t = nTₛ(위)와 샘플 번호 n 축(아래)에 나란히 놓았다.
해 보기
- Tₛ = 1/8 s에서 샘플 n = 3이 연속시간 곡선의 어느 시각에서 온 값인지 확인하라.
관찰
n = 3인 샘플은 위 그림에서 t = 3Tₛ = 0.375 s의 값이다.
- Tₛ = 1/4 s이면 위 그림과 아래 그림이 각각 어떻게 바뀌는지 확인하라.
관찰
위 그림에서는 샘플이 0–1.75 s로 벌어진다. 아래 그림의 가로축은 그대로 n = 0…7이고, 값만 cos(πn/2)로 바뀐다. 수열에는 Tₛ가 남지 않는다.
임펄스열의 변환
는 6장에서 변환을 구한 임펄스열이므로, 6장의 쌍에서 를 로, 를 샘플링 각주파수 로 바꿔 쓰면 된다(는 정현파의 주파수와 구별하려고 쓰는 이름이다).
주파수에서 본 샘플링
샘플링은 주파수에서 컨볼루션이다. 6장의 곱 성질에 따라 시간에서의 곱은 주파수에서 를 곱한 컨볼루션이기 때문이다. 를 와 컨볼루션하면 가 로 옮겨 가므로
를 얻는다. Hz로 쓰면 이다. 은 replica의 번호(정수)이다. 원래 스펙트럼이 마다 되풀이되고 각 replica는 배가 된다. 로 쓰든 로 쓰든 replica에 곱해지는 값은 이다.
가 로 대역이 제한되어 있고 이면 replica가 서로 닿지 않는다. 구간에는 원래 스펙트럼의 배만 남는다. 따라서 를 이득 , 차단 주파수 인 이상적인 저역 통과 필터에 넣으면 replica만 남고 배율도 상쇄되어 원래 신호 가 복원된다. 이면 replica가 겹친다. 주파수 의 성분이 (은 정수)에 나타난 replica와 섞여 구별되지 않는데, 이것을 aliasing이라고 한다. 4장의 '위상의 모호성'에서 미리 언급한 현상이다.
대역이 Hz인 스펙트럼(위 식의 에 해당한다)을 샘플링하면 원본에 가 곱해지고 replica가 만큼씩 옮겨 놓인다. 를 줄이면 Hz에서 replica가 닿기 시작한다. 이면 replica가 서로 닿지 않고, 이면 겹친 곳의 합이 어느 replica와도 달라진다.
원본은 대역 B = 3 Hz인 삼각형 스펙트럼 X(f) = tri(f/B)이다. 점선이 replica X(f − ℓfₛ)/Tₛ(높이 1/Tₛ = fₛ), 초록 실선이 그 합 S(f)이다.
해 보기
- B = 3 Hz를 fₛ = 8 Hz로 샘플링한 스펙트럼에서 replica의 간격과 높이, replica 사이의 빈틈을 확인하라.
관찰
replica가 8 Hz마다 서고 높이는 1/Tₛ = 8이다. 원본 자리의 replica(−3…3 Hz)와 첫 replica(5…11 Hz) 사이에 2 Hz 빈틈이 있다.
- fₛ = 6 Hz이면 replica가 어떻게 놓이는지 확인하라.
관찰
fₛ = 2B이다. replica가 3 Hz에서 맞닿고, 높이는 6으로 낮아진다.
- fₛ = 4 Hz이면 replica가 어디에서 겹치는지, 겹친 곳의 합이 어떻게 되는지 확인하라.
관찰
원본 자리의 replica와 첫 replica가 1…3 Hz에서 겹친다. 겹친 곳에서 초록 합은 두 replica보다 높고 0으로 내려가지 않는다. aliasing이다.
이 결과를 '이산시간 정현파와 Ω' 절의 와 잇는다. 의 각 임펄스에 6장의 를 적용하면
이다. 둘째 줄이 수열 의 DTFT이며, 앞서 구한 replica 식에 를 넣으면 DTFT 절의 식이 된다. 는 에 해당한다. 그래서 가 가장 빠른 진동이고, ()은 의 replica와 같은 샘플을 만든다.
시간축에서 보면 같은 샘플을 지나는 연속 정현파가 여럿이다. 의 정수배만큼 다른 후보 는 샘플 시각에서 모두 같은 값을 지나고, 샘플 사이에서는 서로 다르다.
검은 점이 샘플이고, 선은 그 점을 지나는 후보 f + kfₛ이다. 처음 상태는 입력 1 Hz(φ = 30°)를 fₛ = 4 Hz로 잰 0 ≤ t < 1 s의 샘플 4개와, 후보 f + kfₛ(k = −2…2, 곧 −7, −3, 1, 5, 9 Hz)이다.
해 보기
- 다섯 후보 곡선이 샘플 4개에서 어떻게 만나는지 확인하라.
관찰
−7, −3, 1, 5, 9 Hz 곡선이 샘플 4개에서 모두 만나고, 샘플 사이에서는 서로 다르다.
- 입력 15 Hz를 fₛ = 16 Hz로 잴 때(Ω = 15π/8) 어느 후보와 같은 샘플을 지나는지 확인하라.
관찰
입력이 −1 Hz 곡선 a(t)와 같은 샘플을 지난다. Ω = 1.875π ≡ −0.125π이다.
- 입력 3 Hz(φ = 30°)를 fₛ = 4 Hz로 잴 때 어느 곡선과 같은 샘플을 주는지, 위상이 어떻게 되는지 확인하라.
관찰
샘플이 −1 Hz 곡선 cos(−2πt + 30°) = cos(2πt − 30°)와 같다. 양의 주파수로 쓰면 위상의 부호가 바뀐다.
강의 노트